| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Астероиды и Кометы
| |||||
Кометы |
|||||
Deep Space 1 |
Страница:
Старт миссии Deep Space 1,
Астероид Брайль 1992 KD,
Комета Боррелли;
|
|
Астероид Брайль 1992 KD 28 июля 1999 г. в 21:46 PDT (29 июля в 04:46 UTC) американская экспериментальная станция Deep Space 1 (DS1) прошла на расстоянии около 25 км от астероида 9969 Брайль. Это был наиболее близкий пролет астероида в истории космонавтики. Запланированная программа исследований была выполнена частично, но для проекта неполное выполнение программы пролета не было неудачей. Экспериментальная станция, стартовавшая с мыса Канаверал 24 октября 1998 г., была создана для летной отработки технических и программных решений, предназначенных для использования на АМС следующего поколения. По заявлению руководителей проекта, к моменту встречи с астероидом она полностью выполнила, а в нескольких случаях значительно перевыполнила задание по отработке 11 таких технологий из 12. И только задание по отработке автономной навигационной системы AutoNav было выполнено «на 95%».
Цель пролета Брайля состояла в первую очередь в отработке методики автономного исследования небесного тела космическим аппаратом, а получение научной информации считалось как бы «премией» за ударный труд. Долгий рассказ о короткой встрече
Как мы уже сообщали, 27 апреля разгон DS1 с помощью электрореактивной ДУ NSTAR был закончен. В общей сложности он длился около 73 суток, было израсходовано примерно 11 кг ксенона из общего запаса в 84 кг и получено приращение скорости около 715 м/с. В итоге станция была выведена на орбиту, обеспечивающую встречу со своей «учебной» целью. Ею был астероид с обозначением 1992 KD, выбранный из более 100 возможных кандидатов. Станция Deep Space 1 должна была отработать по 1992 KD в автономном режиме – от обнаружения бортовой автономной навигационной системой AutoNav до управления научной работой аппаратуры во время пролета, передачи, обработки и записи данных. В базе данных AutoNav – 42 астероида и 250000 звезд. За последние месяцы эта система продемонстрировала способность ориентироваться по звездам и астероидам так, что отклонение определенного ею положения DS1 от найденного по радиоизмерениям с Земли не превышало 900 км (основным источником погрешности являются ограниченные возможности камеры). Но организовать пролет в считанных километрах от астероида – это куда более сложная задача.
Началом подготовки к встрече можно считать 4 июня, когда началась загрузка новой версии программного обеспечения бортового компьютера DS1. Эта третья по счету версия (с первой аппарат стартовал, вторую заложили на борт в феврале) была разработана специально для пролета. Объем загружаемой программы был более 4 Мбайт, так что процесс растянулся почти на три дня. 8 июня бортовой компьютер был перезагружен. Аппарат при этом ушел в защитный режим – он не умеет отличать запланированную перезагрузку от сбоя. Чтобы облегчить ему жизнь, DS1 заранее сориентировали батареями на Солнце. Перезагрузка прошла успешно
10 июня была проведена первая за весь полет коррекция траектории с помощью ЖРД системы ориентации. В последние 48 часов перед пролетом астероида использование ЭРДУ неприемлемо: она работает слишком долго. В этот период коррекции (а их могло быть до шести) должны выполняться с помощью ЖРД, и этот вариант нужно было опробовать. Тестовая коррекция изменила скорость станции на 0.54 м/с, двигатели проработали около двух минут и сожгли 130 г гидразина. ЭРДУ потребовалось бы только 9 г ксенона – и два часа времени. 14 июня Deep Space 1 выполнил первую полностью автономную коррекцию. До этого «навигатор» AutoNav только уточнял направление тяги и длительность работы двигателя NSTAR относительно предложенного группой управления плана. На этот раз аппарат самостоятельно определил свое положение в пространстве, рассчитал траекторию, приводящую к встрече с целью, и необходимый импульс. При этом AutoNav обнаружил, что при маневре станцию пришлось бы развернуть так, что ее камера и звездный датчик будут направлены на Солнце. Разработчики это предусмотрели: «навигатор» разложил вектор приращения скорости на два компонента и выполнил их последовательно. Каждое включение длилось более 4 часов, а суммарное приращение скорости составило 1.6 м/с. 18 июня под управлением AutoNav была проведена коррекция с использованием ЖРД. Два импульса дали в сумме 1.1 м/с. Таким образом, все необходимые режимы управления были успешно отработаны. На этой же неделе испытывался аварийный радиомаяк станции – устройство, оповещающее частотой своего сигнала о состоянии бортовых систем. В отличие от ранее выполненного теста, маяком действительно управляла программа, оценивающая состояние бортовых систем (электропитания, связи, ориентации и т.д.).
Весь следующий месяц варианты программы работы КА при пролете каждый день отрабатывали на наземном аналоге станции. Немало «блох» в бортовом ПО удалось выловить, но гарантии, что нашли все ошибки, не было. Генеральная репетиция пролета была проведена 13 июля. Станции были заданы элементы орбиты воображаемого астероида под названием Spoof2, с которым надо было сблизиться. На реальные навигационные снимки специальная программа накладывала изображение Spoof2, и AutoNav анализировал их. Deep Space 1 выполнил две коррекции и успешно «пролетел» мимо воображаемой цели, но по результатам в бортовое ПО пришлось внести и отработать новые изменения. После этого группа управления выполнила дополнительный анализ навигационных снимков DS1 (в бортовом ПО соответствующих алгоритмов пока нет) и в первый раз почти за пять месяцев выдала станции ее более точные координаты. Используя их вместе со своими измерениями, AutoNav рассчитал предварительную коррекцию траектории и отработал ее 23 июля. ЭРДУ выдала два импульса по 3 часа, а суммарное приращение скорости составило 1.1 м/с. Геометрия встречи была такова. Место: 188 млн км от Земли, 199 млн км от Солнца. Если наблюдать с Земли, то это примерно в направлении на Гамму Девы. Станция движется примерно в плоскости эклиптики с гелиоцентрической скоростью 24.2 км/с. Астероид прошел перигелий за 6.3 сут. до встречи и пересекает плоскость эклиптики в северном направлении со скоростью 30.9 км/с – так что скорее Брайль пролетает мимо станции, чем наоборот. Относительная скорость сближения двух объектов – около 15.5 км/с. Съемка на подлете ведется до расстояния 350 км. Ближе изображение все равно будет смазано, поэтому непосредственно во время пролета работает только плазменный прибор PEPE. Станция должна пройти над теневой стороной астероида: в этом случае, если у него есть магнитное поле, она пересечет магнитосферу. Камера-спектрометр MICAS должна получить черно-белые снимки и ИК-изображения с разрешением до 30–50 м, а спектрометр ионов и электронов PEPE – картину трехмерного распределения плотности заряженных частиц. Так как УФ-спектрометр в составе MICAS вышел из строя, ультрафиолетовая съемка не планируется. Напомним, что MICAS представляет собой телескоп диаметром 10 см с четырьмя приемниками, расчетные характеристики которых приведены в таблице. Название Диапазон, нм Поле зрения Угловое Спектральное разрешение, разрешение, мкрад нм ПЗС-канал 1024 x 1024 500–1000 0.7 x 0.8° 13 – APS-канал 256 x 256 500–1000 0.7 x 0.8° 18 – ИК-спектрометр 1200–2400 0.7 x 0.003° 53 12 УФ-спектрометр 80–185 0.63 x 0.03° 316 2.1Два канала камеры отличаются тем, что один использует ПЗС-матрицу, а второй – датчик с активными пикселами (APS). Прибор был оптимизирован для съемки Плутона и рассчитан на низкий уровень яркости объекта. 25 июля система AutoNav начала съемку той области, где, по не очень точной предварительной оценке, должен был находиться 1992 KD. Как и ожидали в группе управления, на первых снимках не нашли ничего. Брайль был замечен только в понедельник 26 июля при дополнительной наземной обработке передаваемых снимков и оказался в 400 км от расчетной точки. AutoNav по-прежнему его не видел, времени было в обрез, и Земле пришлось вмешаться. По снимкам AutoNav специалисты группы управления определили координаты цели, просчитали с помощью бортовой программы параметры коррекции траектории и заложили их на борт. Используя эти параметры вместо тех, которые она была должна вычислить сама, 27 июля система AutoNav провела первую рабочую коррекцию с использованием четырех из восьми ЖРД системы ориентации. Лишь ранним утром 28 июля, за 17 часов до пролета, станция «увидела» Брайль. Теперь AutoNav должен был рассчитать и провести вторую коррекцию. И тут случилась беда. В «горячке» последних дней AutoNav запомнил слишком большое количество точек траектории КА и, пытаясь обработать этот массив данных и рассчитать коррекцию, «завис». Обнаружив ненормальное состояние задачи, бортовой компьютер прервал ее выполнение, перезагрузился, отключил второстепенные системы КА, перевел его в защитный режим с ориентацией на Солнце и перешел на малонаправленную антенну LGA – все как положено. Земля узнала об этом в 05:30 PDT; до цели оставалось около 900 000 км и 16 часов полета, а до последней коррекции – семь часов. Если учесть, что при расстоянии 188 млн км обмен радиосигналами занимает 21 минуту, кажется просто чудом, что американцы успели «вытащить» DS1. Аппарату была дана команда навести основную антенну на Землю. Была включена камера-спектрометр MICAS. Со всеми необходимыми предосторожностями (источник питания на 8 кВ требует бережного подхода) ввели в работу спектрометр ионов и электронов PEPE. Вновь загрузили программу для датчиков электрических и магнитных полей ДУ NSTAR, специально подготовленную для измерений у астероида – при уходе в защитный режим она пропала. К 11:00 PDT станция была возвращена в штатный режим полета. При перезагрузке аппарат «забыл» рассчитанное им положение астероида. Но управленцы «вытащили» со станции три навигационных снимка, рассчитали по ним параметры коррекции и успели заложить их на борт. Последнюю команду аппарат принял за 4 минуты до того, как ушел со связи и начал разворот для выполнения коррекции. (Вряд ли такое можно было сделать с каким-нибудь другим КА. Станцию NEAR в похожей ситуации «вытащить» даже не пытались.)
Эта вторая коррекция была успешно выполнена за 6 часов до встречи, и после этого станция работала «на свой страх и риск». Получая сигнал с 10-минутной задержкой и отслеживая допплеровское смещение частоты, группа управления могла догадываться, что делает аппарат. Ориентацию он менял осмысленно. Но когда утром 30 июля закончился прием записанных на борту научных данных, оказалось, что снимков Брайля крупным планом, которые должны были быть сделаны в последние пять минут перед сближением, – нет. Как это могло случиться? Чтобы уточнить программу съемки, AutoNav самостоятельно сделал еще четыре навигационных снимка, два последних – с расстояния 65000 км за 70 мин до пролета. В это время астероид еще был виден как точка диаметром в четыре пиксела. За 28 мин до встречи «навигатор» переключил MICAS в новый режим. По-видимому (имеющиеся сообщения избегают деталей), вместо канала с ПЗС-матрицей был включен второй, с приемником на активных пикселах. Что при этом произошло, было не ясно. Либо объект оказался намного темнее, чем предполагалось, либо второй канал имел очень низкую чувствительность. (То, что оба канала камеры в составе MICAS недостаточно чувствительны, было установлено при их тестировании в полете. Кроме того, они дают геометрическое искажение изображения и страдают от засветки.) И, как сказал в интервью AP научный руководитель проекта Роберт Нелсон, за 20 мин до пролета камера потеряла цель.
AutoNav был вынужден выполнять программу съемки «вслепую», не имея возможности ее уточнить. И астероид в поле зрения не попал! Его удалось «поймать» только при отлете, через 15 мин после сближения с расстояния 13000–14000 км, когда AutoNav развернул аппарат кругом и переключил камеру в «нормальный» режим. Тогда и были сделаны с интервалом 20 сек два снимка «ограниченного качества». Главный инженер проекта Марк Рейман сказал в интервью AP, что его команда восприняла это известие «философски». Зато они узнали, что видовой ИК-спектрометр в составе MICAS, спектрометр PEPE и датчики NSTAR работали штатно. Как и планировалось, плазменный прибор вел измерения на минимальном расстоянии от цели. До и после точки встречи были получены ИК-спектры четырех различных участков астероида. Таким образом, сведения об элементном и минералогическом составе Брайля, так же как и информация о его взаимодействии с плазмой солнечного ветра, попали в руки ученых.
Данные о форме, размере, структуре и плотности астероида будут менее точными, чем хотелось бы. Полученные снимки были обнародованы на специальной пресс-конференции 3 августа. Брайль имеет крайне неправильную форму, напоминающую штопор: поперечный размер 1 км, длина 2.2 км. Низкая поверхностная яркость в сочетании с неправильной формой астероида и повлекли его потерю камерой. Спектр пород Брайля действительно очень похож на спектр крупного астероида Весты. Эта новость усилила уже существовавшие подозрения, что Брайль является ее осколком. Ионы вблизи астероида не обнаружены. Лоренс Содерблом, научный руководитель эксперимента MICAS, заявил на этой пресс-конференции, что орбита Брайля неустойчива и примерно через 4000 лет он приблизится к земной орбите. Тогда появится и некоторая вероятность столкновения. Брайль стал пятым астероидом, с котором сблизились американские АМС, причем самым маленьким и странным из них (см. таблицу). Дата КА Астероид Тип Минимальное и размер, км расстояние, км 29.10.1991 Galileo 951 Гаспра S, 19 x 12 x 11 1601 28.08.1993 Galileo 243 Ида + Дактил S, 32 x 28 2399 27.06.1997 NEAR 253 Матильда C, 52 1212 23.12.1998 NEAR 433 Эрос S, 41 x 15 x 14 3700 29.07.1999 DS1 9969 Брайль S?, 1 x 2.2 25 И снова в путь
30 июля в 09:00 PDT двигательная установка станции была включена вновь. В течение почти трех месяцев Deep Space 1 будет менять орбиту, чтобы подготовиться к возможной встрече с объектом Вильсона-Харрингтона. Что это такое, точно не известно: возможно, «уснувшая» комета (хвоста у нее не наблюдали с 1949 г.) в процессе превращения ее ядра в астероид. До объекта Вильсона-Харрингтона DS1 может добраться в январе 2001 г. Оттуда станция может направиться к молодой и очень активной комете Борелли, чтобы исследовать ее в сентябре 2001 г. Бортовой запас ксенона рассчитан на 20 месяцев непрерывной работы ДУ! Но это только в том случае, если NASA примет решение продлить миссию DS1, которая официально заканчивается 18 сентября 1999 г. Учитывая жестокий финансовый удар, нанесенный на днях Конгрессом, перспектива продления полета DS1 стала сомнительной. Победная поступь космического робота «Служба удаленного агента» (Remote Agent (RAX)) – это что-то вроде киберпилота на борту Deep Space 1. Задача проекта DS1 – превратить как можно больше фантастических идей в работающие технологии.
Программа, разработанная специалистами Исследовательского центра имени Эймса (ARC), JPL, Университета Карнеги-Меллона и Института Дейстрома, построена на основе принципов искусственного интеллекта и выполнена с помощью продукта LispWorks компании Harlequin. Remote Agent принимает задание группы управления и детализирует его, превращая в конкретную программу работы бортовых систем. Входящий в состав ПК «планировщик» генерирует необходимый для выполнения задания набор операций, привязанных ко времени или к событиям, с учетом состояния систем и наложенных ограничений. Другая часть ПК, «исполнитель», детализирует операции до конкретных команд, выдаваемых на подсистемы КА, и контролирует выполнение команд. Третий компонент ПК по имени «Ливингстон» обнаруживает неисправности и рекомендует исполнителю простейшие приемы «лечения», типа «выключить камеру и включить снова». Если простые приемы не дают результата, «исполнитель» дает «планировщику» сигнал изменить план работы с учетом встреченного отказа. Неисправность может быть непреодолимой для логики «планировщика»; тогда он запрашивает помощи человека-оператора. По крайней мере, так задумано. Не все новые технологии на борту Deep Space 1 предназначены для постоянного использования. ЭРДУ, солнечные батареи и система AutoNav по существу используются как штатные. А вот Remote Agent остался чисто экспериментальным средством, и даже опробование его началось лишь через 7 месяцев после старта. 4 мая закончилась загрузка на борт DS1 дополненного варианта бортового ПО, разрешающего ПК RAX работать с другими задачами бортового компьютера. 6 мая начали закладывать сам Remote Agent, но вечером этого дня произошло сразу два сбоя: перерыв в передаче на борт со станции сети DSN и переход аппарата в защитный режим. Было ли второе событие следствием первого, осталось неясным. Во время сбоя внесенные изменения пропали, и пришлось начинать загрузку вновь; ее закончили 11 мая. В промежутке, 9 мая, была проведена калибровка ИК-спектрометра и обеих камер прибора MICAS. Remote Agent был запущен 17 мая в 11:00 PDT. Впервые в истории «киберпилот» получил на 48 часов право управлять ионным двигателем и некоторыми другими системами АМС. Подготовленный «планировщиком» план предусматривал навигационную съемку звезд и астероидов и включение ДУ NSTAR. К удивлению операторов на Земле, он оказался не таким, как ожидали; выяснилось, что файлы для выбора астероидов на борту и на наземном аналоге не совпадают. Затем сработал подготовленный Землей отказ: камера не выключилась по выданной команде. Повторив попытку несколько раз, ПК был вынужден разработать и выполнять новый план, учитывающий дополнительное потребление энергии камерой. Сбой был обнаружен 18 мая в 07:00 PDT. К этому времени Remote Agent сориентировал станцию и включил двигатель NSTAR для коррекции, а вот выключение его не прошло. Наблюдающие за экспериментом операторы поняли, что в какой-то момент во время работы двигателя «исполнитель» завис. Ситуация не обещала неприятностей, и операторы спокойно запросили и получили у Remote Agent диагностику (по существу – список возможных сбоев), проанализировали ситуацию и только в 16:10 отключили ПК. Еще до этого прошла резервная команда выключения ДУ, которую Remote Agent предусмотрел. Степень выполнения задачи была оценена в 70%. Причиной сбоя оказалась не найденная при наземном тестировании, но легко обнаруженная по самодиагностике Remote Agent ошибка в увязке времени работы двух компонентов программы. На ее исправление нужно было больше времени, чем отводил график полета. Учитывая низкую вероятность ее проявления, руководители программы решили продолжить эксперимент. 21 мая в 07:15 PDT началась эта вторая часть испытаний ПК. Remote Agent корректно обработал три заложенных отказа: выключенный блок электроники был включен, от услуг измерительного устройства, выдающего недостоверную информацию, «киберпилот» отказался, а неработоспособность одного ЖРД «обошел», выбрав вариант ориентации, в котором он не используется. Он, однако, не выполнил запланированное включение двигателя NSTAR. На этот раз Remote Agent почему-то не получил квитанцию на выданную двигателю команду и благоразумно прекратил работу с ним. Испытания закончились в 13:30 PDT. Реальных отказов за 29 часов работы Remote Agent не было. По сумме двух попыток было решено, что задача по испытаниям ПК выполнена на 100%. Между отработкой Remote Agent и подготовкой встречи с Брайлем продолжались испытания новых технологий DS1. Некоторые были подготовкой к исследованию астероида – так, 23 мая была проведена калибровка ИК-спектрометра в составе MICAS, затем проверка прибора PEPE. Кроме этого, проводились ресурсные испытания. 28 мая был проведен тест ДУ NSTAR. Двигатель проработал уже более 74 сут, и было интересно проверить, изменились ли его характеристики по сравнению с начальными.
Станция была ориентирована так, чтобы двигатель «смотрел» на Землю. NSTAR был опробован на пяти разных уровнях тяги, а станция сети DSN регистрировала изменения частоты сигнала за счет эффекта Допплера. Собственные датчики двигателя и прибор PEPE регистрировали воздействие, оказываемое двигателем на среду при нормальной работе и при отклонении оси двигателя от оси аппарата. Были также проведены измерения электрических характеристик тестовых фотоэлементов на экспериментальных солнечных батареях станции. | ||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|