Буслов Антон (mymaster) wrote,
Буслов Антон
mymaster

This journal has been placed in memorial status. New entries cannot be posted to it.

Category:

О том как работают космические аппараты

Ну что же. О космосе, так о космосе.

Для начала немного поясню о чем речь. 30 января 2009 года с космодрома Плесецк ракетоносителем Циклон-3 был выведен на околоземную орбиту космический аппарат КОРОНАС-ФОТОН. Это был первый российский научный аппарат на российской платформе Метеор-3М, предназначенный для изучения Солцна и солнечно-земных связей. Аппарат был разработан в интересах Российской академии наук и Российского космического агентства, и не имел никаких иных целей кроме научных исследований. То есть вся целевая нагрузка аппарата состояла из комплекса научной аппаратуры ФОТОН. Это был третий аппарат в серии КОРОНАС, первые два были созданы на украинских космических платформах: КОРОНАС-И был потерян фактически сразу по выходу на орбиту, КОРОНАС-Ф - очень прилично проработал несколько лет. КОРОНАС-ФОТОН не проработал и одного года: управление аппаратом было потеряно 1 декабря 2009 года, а весной 2010 года аппарат был официально выведен из спутниковой группировки России и стал космическим мусором...



Итак, я думаю вы уже поняли, что ключевым вопросом к любому космическому аппарату является то, на какой платформе он создается. Что такое космическая платформа? Это набор обязательных систем, без которых космический аппарат не может работать. Например любому аппарату (под словом "любой" я понимаю большинство аппаратов, так как их уже расплодилось не мало, то почти всегда можно найти некоторые исключения) нужны солнечные батареи с системой энергопитания, система ориентации и стабилизации, система терморегулирования, система связи, бортовая управляющая машина... как правило есть еще система точного времени. То есть космический аппарат - он как грузовик. Есть шасси (платформа) - например КАМАЗ или МАЗ, ну или ЗИЛ... а есть кузов (целевая нагрузка) - например мусоровоз, или кран, или вахтовая будка.

Платформы друг от друга отличаются в зависимости от сферы применимости КА. Например Метеор-3М - это платформа разработанная для метеорологических спутников и спутников дистанционного зондирования Земли. То есть стандартной для него ориентацией была ориентация в сторону Земли, а не в сторону Солнца. Специализированных солнечно-ориентированных платформ у нас в стране не выпускалось. Да и вообще аппарат от аппарата может различаться достаточно сильно, поэтому любая даже очень отработанная платформа требует некоторой доработки под новый аппарат. Исключение - серийные платформы под серийные аппараты - например ГЛОНАСС. Платформа ГЛОНАССовских спутников называется Экспресс - она тоже развивается, но под серийные спутники надо просто собирать серийную платформу.

Научный спутник, как правило, серийным быть не может в силу специфики решаемых задач. Поэтому платформа для него требует качественной переработки. Какая разница смотрит он на Землю или на Солнце? Огромная - от этого зависит как его нагревают солнечные лучи и как надо делать систему ориентации аппарата. Наш аппарат находился не на солнеяно-синхронной орбите (которая по понятным причинам была бы для него наилучшей), поэтому он регулярно заходил в тень Земли. Так как на нем полагалось установить аппаратуру, следящую за Солнцем, очень важным было, чтобы он быстро "находил" Солнце по выходу из тени, и очень хорошо был стабилизирован на его центр. В состав научной аппаратуры входили телескопы ТЕСИС, разработки ФИАН, которые получали изображение Солнца в рентгеновском диапазоне - для них стабилизация платформы была критически важным параметром для работы.


Ракетоноситель Циклон-3 в сборочном цехе на космодроме Плесецк.

Одна из самых больших проблем в космосе - отвод тепла. Так как вокруг находится вакуум, то в случае разогрева аппарата он просто выйдет из строя. Тепло же можно отводить только через излучение - конвекции тут просто нет. На старых платформах эта проблема решалась через создание гермоотсека с воздухом, в котором размещалась большая часть аппаратуры. Воздух, гоняемый вентиляторами, обдувал посадочные места аппаратуры и стабилизировал температуру. Аналогично на теневой стороне орбиты его можно было подогревать радиатором, чтобы не переохладить оборудование. Но воздух был и проблемой - например любая микротрещина в гермоотсеке приводила к постепенному улетучиванию воздуха и последующей потере аппарата. Со временем работы на орбите таких трещин возникало все больше, поэтому аппараты такого типа имеют ограниченный срок жизни. Современные аппараты делают на безвоздушных платформах, там от элементов тепло отводится через детали конструкции платформы. Кроме того, сами элементы ставятся гораздо более сложные, так чтобы иметь минимальное тепловыделение. Платформа Метеор-3М имела гермоотсек с воздухом.

Поэтому воздух в ней на солнечной стороне охлаждался, а на теневой - подогревался. На обе операции требовалась энергия, которая шла от солнечных батарей, соединенных с аккумуляторами. Забегая вперед можно сказать, что именно такая система в купе с не качественными аккумуляторами и погубила аппарат. Он вышел из строя из-за деградации аккумуляторных батарей (их было две, одна работала, вторая заряжалась - потом они автоматически менялись местами). Важный момент - как аппарат стабилизируется и меняет ориентацию. Для этого на нем имеются массивные маховики, которые раскручиваются двигателями. Из-за их раскручивания и остановки момент движения передается самому аппарату, и он меняет свою ориентацию в пространстве. На аппарате, чтобы он мог понять куда крутиться стоял солнечный датчик. Точнее два датчика - грубого прицеливания и более точного прицеливания. На аппарате ТЕСИС для экспериментального режима ориентации был установлен так же звездный датчик, который умел ориентироваться в пространстве по ярким звездам.


Панель детекторов - та часть аппарата, которая смотрела на Солнце. Все они упакованы в теплоизоляционные маты.

Мало кто может себе представить в полном объеме в скольких местах тут можно напортачить... Например аппарат Скиф был потерян из-за того, что в датчике ориентации попутали горизонталь и вертикаль. Еще один аппарат был потерян потому, что не учли особенность материалов.. ножки конденсаторов начали в условиях невесомости "газить", то есть испаряться, с последующей конденсацией. Так конденсаторы просто замкнуло - между ножек образовались "мостики". Еще для механических частей - например защитных крышек приборов, помещенных в вакуум надо учитывать свойство вакуумной сварки материалов. Крышку надо открыть достаточно быстро - иначе она припаяется к корпусу прибора и ее нельзя будет открыть уже никогда. А есть еще куча других особенностей - например электромагнитные наводки приборов друг на друга. Мягко говоря очень сложно учесть все эти особенности, даже с учетом многочисленных испытаний, которые проводятся на Земле. А испытаний проводится и правда очень много - сперва для каждого прибора, затем в сбоке комплекса полезной нагрузки, затем в сборке полезной нагрузки и аппарата. Проводятся термо-вакуумные испытания, испытания на вибрацию, на электромагнитную совместимость...

Это уже не говоря о том, что все приборы целевой нагрузки долго отлаживаются и проверяются на выполнение целевых функций. Как устроен в общем случае научный прибор на борту? Есть датчик, который что-то измеряет. Они бывают очень разные - от кремниевых диодов, до ФЭУ... сигнал от них поступает на аналогово-цифровой преобразователь, где аналоговый сигнал оцифровывается. Отсюда его можно подавать на контролер, где сигнал будет упаковываться и готовиться к отправке. Что надо "пришить" к сигналу в контролере? Например надо пришить точное время, потому что научные измерения без этого обычно лишены смысла. На борту КОРОНАС-ФОТОНа стоял прибор, измеряющий гамма-всплески. Такие события очень важно определять предельно точно, чтобы синхронизировать наблюдения с другими аппаратами, находящимися на орбите. Для обеспечения сигнала точного времени на аппарате стояли три независимых набора датчиков времени, из которых был активен один. При этом борт регулярно проводил с Землей сверку времени. Датчики времени постепенно "плывут", но это как правило линейная фнукция, которую можно учитывать. На КОРОНАСе за время полета была ситуация, при которой один из датчиков времени вышел из строя, поэтому по командам с Земли меняли работающий датчик. Соответственно посреди наблюдений у нас возник сдвиг временной шкалы, который надо было потом пересчитывать.


Проверка механический частей солнечных батарей.

Кроме времени к данным приписывается контрольная сумма, порядковый номер кадра, маркер прибора который его послал. Вся эта информация накапливается в ожидании сеанса связи с Землей, в рамках которого данные можно будет скинуть на приемную станцию. Тут надо пояснить, какие бывают сеансы связи с Землей. Сеансы бывают по управлению, для определения баллистической информации, и для сброса целевой информации. Первые два вида сеансов связи обеспечивают военные контрольно-измерительные пункты (КИПы), которые работают под общим управлением ЦУП ЦНИИмаш. Сеансы сбора целевой информации ведут другие станции, в нашем случае это были приемные комплексы ПК-7 (основной) и ПК-2 (резервный) НЦ ОМЗ. ЦУП готовил к отправке на борт команды управления, а также оценивал состояние аппарата и его траекторию. Естественно делал он это не сам - потому что откуда бы ЦУПу знать, чего именно надо делать. Для того, чтобы ЦУП знал что делать, работали разработчики платформы - НИИЭМ (они формировали команды на управление платформой) и Оператор проекта - МИФИ (формировал команды на управление целевой нагрузкой). НЦ ОМЗ также не само решало, когда начинать прием информации - им Оператором проекта передавались данные во сколько включить приемные комплексы, по какой траектории пойдет аппарат, когда приемные комплексы выключить.

МИФИ разрабатывало четыре прибора для КНА "ФОТОН", всего в него входило 10 научных приборов, созданных различными организациями. В том числе индийский и украинский приборы. Все эти организации в ходе полета эксплуатировали свои приборы, для чего им нужно было оперативно получать с них как телеметрическую, так и целевую информацию. Дополнительную сложность делу сбора информации придавало то, что аппарат из-за ориентации на Солнце, в процессе полета менял ориентацию относительно Земли. Проще говоря вертелся... Поэтому передающие антенны были поставлены с обеих его сторон, и передавали одну и ту же информацию на двух сдвинутых частотах. Соответственно приемные станции принимали ее по двум каналам. После чего из четырех файлов, сформированным по результатам приема, надо было восстановить всю целевую информацию. Поскольку аппарат вертелся, то качество в одном канале ухудшалось, в другом улучшалось. Интригу добавляло то, что кадры данных имели номера, но счетчик номеров был переполняемым. То есть восстановление целостной последовательности требовало специального алгоритма работы. Все это делалось Оператором проекта в кратчайшие сроки.


Стыковка аппарата и ракетоносителя.

Что же тут делал я? Я руководил созданием аппаратных и программных средств, которые бы позволили МИФИ выполнять функции Оператора проекта. Потом я обучал работе с ними дежурные смены, которые мы набрали из студентов. Во время полета аппарата наши смены были единственными, кто работал 24/7/365. Я во время полета руководил этими сменами и работой созданного под моим руководством центра приема, обработки и распространения данных. От имени Оператора проекта входил в Главную оперативную группу управления КА - уполномоченный Роскосмосом орган управления космическим аппаратом. Вот это все и есть тема моей диссертации на соискание степени к.ф.-м.н. Что же у нас было создано?

Аппаратная часть - главным образом два кластера серверов с подключенным внешним RAID массивом, для хранения данных. К ним были подключены два места операторов, средства архивации данных на DVD, каналы связи по Интернет (основной и резервный) с аппаратной защитой и выделенный канал Е1 обмена командной информацией с ЦУП. Еще был факс :) Потому что командную посылку после получения ЦУП все равно согласовывал с нами по факсу.

Программная часть - комплекс который следил за появлением файлов на трех серверах (нашем, НЦ ОМЗ и ЦУП), который автоматически обрабатывал входящие сообщения. То есть по факту появления телеметрии, выдавал ее на обработку операторам, по факту появления файлов данных запускал следующий программный комплекс. Так вот этот следующий комплекс обеспечивал "сшивку" четырех файлов в один, и последующее разделение их по организациям, эксплуатирующим приборы. Еще один комплекс обеспечивал расчет баллистики и формирование на ее основе планов заданий для приемных станций, и команд управления для бортовых передающих антенн. Еще один комплекс собирал заявки на команды управления со всех приборов, и "утрясал" их друг с другом. Дело в том, что бортовая управляющая машина имела свой весьма специфический формат, да и многозадачностью похвастаться не могла.


Самые умные дяди. Справа на лево: Р.С.Салихов - главный конструктор КК "КОРОНАС-ФОТОН", разработчик платформы Метеор-3М, Ю.Д.Котов - научный руководитель проекта "КОРОНАС-ФОТОН", В.Н.Юров - главный конструктор КНА "ФОТОН".

Организационная часть - это дежурства студентов по два человека 24/7/365, которые должны были контролировать работу софта и железа, взаимодействовать со всеми организациями - а это разработчики аппаратуры, разработчики платформы, ЦУП ЦНИИмаш и НЦ ОМЗ. Решать входящие проблемы... Это уже не говоря о различных комиссиях и совещаниях по работе аппарата, на самом различном уровне. От постоянно действующей ГОГУ, до локальных - по разбору сбоев в работе техники.

А надо честно признать, что сбои в работе техники были... правда, что немного даже странно, не на стороне целевой нагрузки, а на стороне платформы. За давностью лет это уже не военная тайна, но аппарат вышел на орбиту с очень серьезным сбоем. Дело в том, что в стыковке космического аппарата и ракетоносителя были перепутаны кабели. В результате в момент отстыковки КА от третьей ступени пирозамки сработали штатно, а вот нулевая циклограмма бортовой управляющей машины не запустилась. Нулевая циклограмма - это вещь критически важная, она открывает солнечные батареи, отстегивает механические элементы конструкции аппарата, ориентирует его в пространстве так, чтобы он получил питание с батарей...

Вообще это очень волнительный момент в ЦУПе - запуск аппарата. Он должен был быть запущен еще 29 января, но тогда за 40 секунд до старта все было отменено. Контрольная аппаратура показала, что один из фильтров заправочного комплекса засорился, поэтому не в полной мере проведена процедура заправки топливом. Запуск был отложен, а затем и перенесен на резервную дату. Надо сказать, что дату и время запуска рассчитывал я :) Научный руководитель проекта поставил задачу через 2 месяца после запуска выйти на серию безтеневых орбит. Мы оценили баллистику, планируемые параметры орбиты, и получилось, что идеально подходит время запуска 4.30 утра 29 января 2009 года. Когда я готовил письмо для научного руководителя с результатом расчета, то подумал, что написать "запустить в 4 часа 30 минут утра" будет как-то не корректно... А что если на минуту опоздают? Не запускать что ли? Поэтому оценив параметры орбиты я дал запас 15 минут и в письме фраза получилась примерно такой: "запустить с 4.25 до 4.45 с расчетным временем запуска в 4.30 МСК". Так и отправил, так оно ушло на космодром к Генеральному конструктору... Но военные не оценили мой порыв - запускаться ночью, и прислали письмо с вопросом: "А не может ли наука выбрать какое-то более разумное время запуска?!" Пришлось пересчитывать.


Установка РН на стартовый стол.

Самое забавное, что параметры орбиты были таковы, что в 16.30 часов 29 января все было ничуть не хуже чем в 4.30 утра. Сутки от суток параметры менялись меньше, чем час от часу. Поэтому запуск было предложено провести с 16.25 до 16.45 с расчетным временем в 16.30 29 января 2009 года, в качестве резервной даты было названо тоже время на следующий день. Поэтому когда запуск был отложен по залу ЦУПа пошел шорох: "Какое окно запуска?!" За то время, как я обдумывал что бы могло значить загадочное "окно запуска", меня как раз отыскали и спросили какое оно у нас. Как оказалось - окно запуска это те 15 минут, что я накинул в том проекте письма. Так что я уверенно ответил 15 минут. Весь ЦУП прождал эти 15 минут, а потом все разошлись - запуск перенесли на резервную дату.

И вот после запуска 30 января в ЦУПе я внимательно следил за всеми новостями. Голосовая трансляция с космодрома чеканила стандартные фразы. Кстати, никакого "полет нормальный" не было - все только по делу: тангаж, рысканье, курс... Но после первого срабатывания третьей ступени аппарат покинул территорию радиодоступности отечественных КИПов и ушел из нашего поля зрения. Да, увы, никакие корабли с антеннами не бороздят более просторы мирового океана, чтобы следить за космическими пусками Родины. Космически аппараты улетают на свой первый виток без наблюдения, и ЦУП может только ждать, когда они вернутся в Московскую зону связи чуть больше чем через час. Мы были в главном зале управления, там же был руководитель полета нашего аппарата. Надо отметить, что зал делится на две части - ту что вы видите по телевизору - это гостевая зона на балконе и ту, что с низу - где мониторы - это рабочая зона. Так вот аппарат вышел в зону приема и металлический голос объявил что "Связь с аппаратом не установлена". Руководитель полета вскочил с места, и быстро спустился в рабочую зону. Он схватил трубку телефона, такого на котором номер набирать не нужно, и скомандовал туда, чтобы докладывали. Но что-то пошло не так. Он кинул трубку, схватил соседнюю и приказал туда: "Немедленно обеспечьте связь!" После чего тут же взял снова первую - надо отметить, что там ему в этот раз уже ответили. Причем явно что-то успокоительное. Как оказалось КОРОНАС-ФОТОН вернулся в зону связи с незапущенной первой циклорамой, о чем и узнал ЦУП из первой сброшенной телеметрии. Тогда первым посланным на него пакетом управления стал аварийный пакет на открытие батарей, изменение ориентации, запуск систем обогрева... Аппарат вернулся под управление, но с выключенной бортовой управляющей машиной.


233 секунды от момента старта

Я очень нервничал по этому поводу. Нервничали операторы ЦУПа, которые вели работу с бортом. Не нервничали ни капли бывалые волки космоса - руководители полета. Я аккуратно спросил чем нам это грозит, на что мне ответили, что "фигня все это... орбита почти та, батареи раскрылись, питание есть, все нормально - теперь времени куча разобраться что там не так". После чего увели пить в столовую, где был сделан фуршет. Судя по времени, прошедшему с момента приема аппарата под управление, до фуршета, собирать его там умеют минут за 20. Кстати - вопреки слухам - никакого шампанского. Водка, коньяк и почему-то кока-кола. Я пил коньяк. И как единственный и полномочный представитель Оператора проекта поднял тост. Мы все выпили за то, чтобы Солнце, которое и является предметом изучения КОРОНАСа, светило всем участникам этого проекта также исправно, как делало это все это время. Мой тост всех порадовал: "За Солнце! За Солнце!" подхватили его могучие и седовласые космические волки :)

У аппарата был блуждающий потенциал на шинах управления бортовой управляющей машины. Однако специалисты НИИЭМ умудрились обойти эту проблему, для чего пришлось понизить напряжение питания до предельного минимума, и проводить все манипуляции на теневой части орбиты. Через некоторое время возникли проблемы с первым полукомплектом системы сбора информации на борту - переключились на второй полукомплект, первый восстановить не пытались, хотя разработчик придумал как. Был случай когда ненормально начал греться один прибор... это показала телеметрия утреннего витка. Виток управления был через один (число витков на которых КИПы готовы управлять аппаратом строго ограничено). То есть времени на составление аварийной программы практически не было. Я в этот момент ехал в троллейбусе на работу, а смена не умела делать такие сложные вещи. Поэтому я диктовал им что делать по памяти по телефону. На меня с ужасом косились пассажиры, потому что я говорил страшные слова и просил в телефон "Срочно передать их в ЦУП". Во время одного из сеансов управления Бурят-Энерго обесточило КИП "Улан-Удэ"... он как-то криво перешел на дизиля, в результате на аппарат ушла только часть командной последовательности. Пришлось разбираться в каком он состоянии и что с ним делать. Потом отказывала система точного времени, но об этом я уже писал. Летом, в самую жару, у нас сломался кондиционер в серверной... и как на зло под праздники! Мы охлаждали его как могли, а я еще и носился в поисках того, кто срочно починит кондиционер или поставит новый. Нашел. А через некоторое время начались проблемы с питанием из-за деградации аккумуляторных батарей.

Хуже всего была осень, аппарат бился и мучался - мог чуть ли не каждую неделю. Поскольку круглосуточные смены были только у Оператора проекта (ЦУП и НИИЭМ вовсе не следили за ним круглые сутки), то обо всех неприятностях первыми узнавали мои операторы, и они будили меня звонком. Я вставал в три ночи, по факту невыхода аппарата в связь и думал что теперь делать. Жена ругалась. Но делать что-то было надо, так что я уходил на кухню и негромко спрашивал смену о разных параметрах - что показала телеметрия, когда ближайший сеанс управления, а какие управляющие посылки были поданы, и не забыли ли мы правильно включить передатчики.. Утром моя смена оповещала о ситуации ЦУП, который ставил на уши все КИПы нашей страны. Дело в том, что на аппарате стояла КИС Компарус, у которой были внесены интервалы через которые она должна общаться с Землей. И если связи не было больше времени, чем положено, она начинала долбить Землю в непрерывном режиме в поисках любого КИПа, с ответной частью Компаруса. КИПы ловили аппарат и возвращали его в управление. Мы восстанавливали и перезапускали аппаратуру.


Солнечное затмение, снятое в космосе с борта КОРОНАС-ФОТОНа рентгеновскими телескопами ТЕСИС

1 декабря в 2 часа ночи аппарат не вышел на связь со станцией приема. В следующие дни он не откликнулся по каналу КИС Компарус... питания аккумуляторов не хватило даже на него. Мы ждали выхода на безтеневые орбиты, на которых теоретически могло еще хватить заряда для работы. Но он не вышел в связь и на них... В апреле оптическая обсерватория с адаптивной оптикой провела по приказу Роскосмоса визуальные наблюдения за аппаратом. Было установлено, что он ориентирован солнечными батареями на Землю... Шансов на его восстановление не осталось. Поэтому на заседании Государственной комиссии было принято решение об исключении его из орбитальной группировки.

Более подробно о моих системах и о самом аппарате написано в статьях "Астрономического вестника" - профильного издания РАН. Могу попробовать ответить на возникшие вопросы.
Tags: МИФИ, жизнь, работа
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 21 comments