Mars Climate Orbiter
(МСО)

http://mars.jpl.nasa.gov/msp98/orbiter/

Станция Mars Climate Orbiter (МСО) была запущена 11 декабря 1998 г. и должна была стать первым метеорологическим спутником Марса. Аппарат должен был решать следующие задачи:
Для их решения на борту были установлены два научных прибора. Радиометр PMIRR отправился в полет второй раз: шестью годами раньше он был установлен на американской АМС Mars Observer, связь с которой была потеряна 21 августа 1993 г., за трое суток до выхода на орбиту спутника Марса. Копия прибора была установлена на станции МСО - и снова ему "не повезло". Вторым прибором стал блок цветных камер MARCI, состоявший из широко-угольной камеры и камеры среднего угла зрения, работающих в нескольких спектральных диапазонах. Разрешение полученных с ее помощью изображений должно было составить до 40 м.
Помимо собственной научной программы, перед аппаратом стояла задача ретрансляции научных данных с другой американской АМС, Mars Polar Lander, посадка которой на планету должна состояться 3 декабря 1999 г. Этот этап должен был продлиться 3 месяца. Затем в течение по крайней мере 687 суток (один марсианский год), с февраля 2000 по декабрь 2001 г., станция МСО исследовала бы Марс.
23 сентября 1999 г. при попытке выхода на орбиту спутника Марса в результате нелепой ошибки погибла американская АМС Mars Climate Orbiter.

Он был так близко к цели!

Ни одна серьезная неполадка не омрачила перелета аппарата к Красной планете. Были огрехи с полетным ПО, слегка пошаливала аппаратура связи с Землей - но все это были устранимые неприятности. Аппарат выходил к Марсу "бодро и весело".
Все запланированные инженерные работы со станцией на этапе перелета были закончены до конца июня. 14 мая был успешно проведен повторный тест сеанса связи между МСО и посадочным аппаратом станции MPL: МСО передавал специальные сигналы инициации сеанса связи, а 40-метровая антенна Стэнфордского университета их принимала.
10 июня после длительной отработки на наземном аналоге на борт были загружены дополнения к бортовому ПО и программы работы, обеспечивающие перевод станции в режим звездной ориентации (всего 28 файлов). 11 июня в сеансе связи через станцию DSS-65 под Мадридом (Испания) новое ПО было опробовано. 16 июня системе управления КА было впервые разрешено использовать "на входе" данные звездной камеры. Работа "автопилота" в новом режиме соответствовала ожиданиям разработчиков. 23 июня после серии испытаний КА был окончательно переведен в режим звездной ориентации, а инерциальный измерительный блок IMU выключен для экономии ресурса.
23 июля аппарат получил программу коррекции траектории ТСМ-3, целью которой было вывести станцию в расчетную точку выдачи тормозного импульса 23 сентября. 25 июля в 05:00 РОТ (12:00 UTC) станция успешно выполнила коррекцию, получив приращение скорости 3.3 м/с. Последующие измерения навигационных параметров показали, что маневр был выполнен "очень точно" в результате некоторой "подстройки автопилота" с учетом опыта коррекций ТСМ-1 и ТСМ-2.
После коррекции ТСМ-3 специалисты группы управления испытали некоторые трудности при возвращении панели солнечной батареи в полетное положение. После того как на двухстепенной привод панели были поданы стандартные команды, система защиты от сбоев отметила возможную неисправность основного датчика А углового положения по одной из осей. Система управления автоматически задействовала запасной датчик, и панель СБ была установлена в штатное положение.
Замечание было серьезным: складывание и развертывание секций панели СБ должно было проводиться многократно при выходе на орбиту и аэродинамическом торможении. Проверки 20 и 21 августа не выявили ненормального поведения датчика и всего привода. Однако высокоскоростная телеметрия показала, что СБ испытала колебания конструкции, превышающие расчетные. Специалисты группы управления также установили, что "внутренний" двигатель привода СБ на некоторое время остановился во время ориентации панели. При тесте, выполненном на МСО 3 сентября, было обнаружено, что небольшие "ушки", сделанные на СБ для ее удержания в сложенном положении, касаются корпуса КА при складывании и раскладывании. 4-5 сентября были подготовлены и отработаны на макете поправки к процедуре складывания и развертывания, а 7 сентября новая процедура была проверена на станции. Задевание корпуса было устранено.
Самым ответственным событием была выдача тормозного импульса MOI (Mars Orbit Insertion) маршевого двигателя тягой 640 Н для вывода КА на орбиту спутника Марса. ДУ должна включиться в точно заданное время в заданной точке пространства и отработать точно заданный импульс тяги. Точность отработки в этом случае определяет исход всей миссии, а ошибка может привести к потере аппарата или срыву программы. Известно, например, что из-за неполадок при выполнении этого маневра не вышла на орбиту спутника Марса советская АМС "Марс-4".
30 июля были подведены итоги наземной отработки процедуры торможения и выхода на орбиту. Были проверены все предусмотренные нештатные сценарии, и каждый из них система управления КА отработала правильно.
Непосредственная подготовка МСО выходу на орбиту началась в первых числа сентября. Была проведена полная проверка файловой системы бортового ПО путем сопоставления бортовых файлов их аналогам на наземном имитаторе. Последий уже давно работал по 24 часа в сутки 7 дней в неделю.
Вечером 14 сентября на борт КА был. отправлена программа отработки коррекции ТСМ-4, последней перед выходом на орбиту. Утром 15 сентября, на расстоянии 2.24 млн км от Марса, аппарат успешно отработал выданное ему задание. ДУ включилась в 9:40 PDT (l6:40 UTC) на 15 сек. Приращение скорости составило 1.37 м/с. Привод СБ работал без замечаний. После коррекции менеджер по управлению МСО от Лаборатории реактивного движения д-р Сэм Тёрман (Sam Thurman) заявил, что аппарат находился на требуемой подлетной траектории, которая гарантирует пролет над северным полюсом планеты на высоте 193 км.
Вблизи этой точки 23 сентября в 01:50 РDТ по бортовому времени и в 02:01 по времени прихода сигнала (который проходил в одну сторону за 10 мин 55 сек) должен был включиться на торможение основной двигатель КА. План маневра выглядел так:

Время приема сигнала,
PDT и UTC		Событие
01:41 08:41Складывание и фиксация СБ
01:50 08:50Построение ориентации КА для запуска маршевой ДУ
01:56 08:56Подрыв пироклапанов топливных магистралей ДУ для начала наддува боков с топливом и окислителем
02:01 09:01Включение маршевой ДУ на 16 мин 23 сек
02:06 09:06Заход КА за Марс
02:17 09:17Выключение маршевой ДУ
02:19 09:19Автономное построение ориентации КА для связи с Землей
02:27 09:27Выход КА из-за Марса, восстановление связи
02:30 09:30Развертывание секций панели СБ

В результате торможения МСО должен был снизить свою скорость относительно Марса с 5.5 до 4.4 км/с и выйти на эллиптическую орбиту с периодом более 14 часов. В течение двух месяцев, с 25 сентября по 9 ноября, КА должен был выполнить аэродинамическое торможение (за счет давления набегающего потока "воздуха" на сложенную панель солнечной батареи станции при многократном прохождении в верхних слоях атмосферы планеты), и в результате последней коррекции выйти на круговую орбиту высотой 421 км.
В период с 16 по 20 сентября на КА была отправлена программа торможения и последние навигационные данные. 21 сентября группа управления МСО перешла на круглосуточный контроль за ним.

А в ответ - тишина...

23 сентября все шло штатно. В заданное время КА построил ориентацию (с этого момента прием телеметрии не предусматривался, сеть DSN принимала только сигнал несущей частоты). В заданное время включил двигатель и начал торможение - в силу эффекта Допплера частота сигнала начала изменяться. Через 5 мин сигнал пропал - аппарат скрылся за Марсом. И, как оказалось, навсегда.
Информация из Лаборатории реактивного движения (JPL) выдавалась в Интернет каждые несколько минут, что позволяет воссоздать картину происходившего достаточно подробно. В 02:18 было названо расчетное время выхода КА на связь со станцией под Канберрой (Австралия): 02:26:25 PDT. Срок наступил... Прошло пять минут, десять... Специалисты в JPL не давали пока никаких комментариев: они напряженно ждали сигнал с КА.
В 02:49 представители NASA выразили свою уверенность в том, что КА вышел на орбиту вокруг Марса, хотя связь с ним пока не установлена. "Пока мы не знаем, что случилось", - сказал менеджер проекта МСО со стороны JPL Ричард Кук (Richard Cook) и добавил, что потребуется несколько часов для анализа. Предполагалось несколько возможных причин отсутствия сигнала: неверна ориентация КА, неисправна наземная приемная антенна, КА ушел в защитный режим, в худшем случае - авария. Может быть, следует послать команду на включение передатчика?
В 03:40 Джон МакНейми (John McNamee), менеджер проекта Mars Surveyor'98 (частями которого являются МСО и MPL), заявил: "У нас есть указания на то, что из-за каких-то навигационных проблем аппарат был у Марса ниже, чем нужно. В результате мы испытываем осторожный оптимизм, полагая, что ищем в неправильном месте. Мы непрерывно уточняем навигацию и передаем эту информацию на станции слежения. Через пару часов мы начнем поиск и тогда, я надеюсь, найдем КА". Действительно, нештатное прохождение могло изменить как положение КА вблизи Марса, так и его скорость. И то, и другое препятствовало установлению связи.
В 04:45 научный руководитель проекта MS'98 Ричард Зурек (Richard Zurek) сообщил, что группа управления расширяет поиск КА и пытается отправить команды на включение передатчика и на подготовку маневра, предотвращающего вход в атмосферу после одного витка. "Пока не восстановлен контакт, мы никак не можем узнать, где был аппарат или как глубоко он вошел в атмосферу. Если он прошел слишком глубоко, то, конечно, мы можем не узнать об этом никогда".
Еще через несколько часов, на заранее запланированной на 08:00 PDT пресс-конференции, Ричард Кук сообщил страшную новость: "Мы планировали приблизиться к планете на высоте около 150 км. Мы думали, что делаем именно это. Но, проанализировав последние 6-8 часов данных перед прилетом, мы увидели указания на то, что реальная высота подхода была намного ниже. Как оказалось, реальная высота была около 60 км. Мы все еще пытаемся понять, что случилось. Мы полагаем, что минимальная высота, на которой аппарат мог бы выжить, была около 85 км".
На следующий день JPL уточнила, что реальная высота над поверхностью составила 57 км, в то время как расчетная составляла около 140 км. Было объявлено, что промах не мог быть вызван неисправностями КА и стал следствием человеческой ошибки либо ошибки в программном обеспечении.

Марсианский камикадзе

24 сентября в 15:00 PDT (22:00 UTC) был прекращен проводившийся на всякий случай поиск аппарата 70-метровыми антеннами Сети дальней связи, и АМС Mars Climate Orbiter официально была признана утерянной. С аппарата так и не было получено никаких сигналов, и его судьба осталась неизвестной.
Наиболее вероятно, что при пролете на высоте 60 км аппарат был серьезно поврежден или даже разрушен в результате динамического воздействия атмосферы и нагрева от трения. Остатки его могли упасть на поверхность планеты. Либо, обожженный и выведенный из строя, он остался на той или иной орбите спутника Марса и уже вошел или вскоре войдет в атмосферу планеты. Есть и другие предположения. Так, представитель JPL Фрэнк О'Доннелл (Frank O'Donnell) заявил 30 сентября, что из-за нагрева топливной системы аппарата ДУ могла отключиться раньше времени. Аппарат замедлил скорость в меньшей степени, чем закладывалось в расчеты, и, пройдя сквозь атмосферу, вновь вышел на орбиту вокруг Солнца.
Утром 23 сентября, когда Ричард Кук объявил о трагической ошибке в подлетной траектории, можно было сформулировать два вопроса. Первый: как могло случиться, что в результате отлично выполненной 15 сентября коррекции ТСМ-4 аппарат был направлен по неправильной траектории? Второй: как же могло случиться, что за 8 суток от момента коррекции до входа в атмосферу этого никто не заметил?
24 сентября Ричард Кук сообщил, что в последние несколько часов подлета имелся существенный "провал" в траектории аппарата, но управленцы по какой-то причине не обнаружили отклонение до тех пор, "пока не стало слишком поздно". Очевидно, существует некоторый минимальный резерв времени, необходимый для расчета и выполнения экстренной коррекции. Означают ли слова Кука, что руководители проекта поняли, что происходит, когда этот критический момент уже прошел, или действительно узнали лишь через несколько часов после катастрофы? Пока специалисты JPL и Lockheed Martin не раскрывают эту тайну.
Что касается первого вопроса, то один из авторов этой статьи высказал тогда предположение, что могла произойти потеря или искажение информации при обмене между центром управления Lockheed Martin Astronautics в Денвере и навигационной группой JPL в Пасадене. Догадка оказалась близкой к истине, но предположить подлинную причину было просто немыслимо.

Как за 125 млн $ узнать, сколько фунтов в килограмме

Для расследования причин аварии было сформировано несколько групп и комиссий - "внутренняя" группа проекта Mars Surveyor'98, комиссия JPL, совместная комиссия JPL и внешних экспертов, а затем и комиссия NASA.
30 сентября NASA выпустило официальное сообщение, которое повергло всех, включая и множество сотрудников агентства, в шок. "Одна из групп использовала британские единицы, то есть дюймы, футы и фунты, в то время как другая использовала метрические единицы для одной из ключевых операций с КА", - было сказано в нем. Космические аппараты гибли по разным причинам, но по столь глупой и обидной - ни разу за 42 года космической эры!
В тот же день агентство АР сообщило со ссылкой на Тома Гэвина, заместителя директора JPL по наукам о космосе и о Земле, что команда Lockheed Martin представила в JPL данные о тяге микродвигателей КА в фунтах силы, а в Пасадене эти числа были использованы как выраженные в ньютонах. По неофициальной версии Дж.МакДауэлла, речь шла об импульсе тяги при коррекции, который локхидовцы выразили в фунт-секундах, а джипиэлевцы восприняли как ньютон-секунды. Поскольку фунт силы в 4.45 раз больше ньютона, заложенная в дальнейшие расчеты величина импульса во столько же раз отличалась от необходимой.
В сообщении АР утверждалось, что такая несогласованность единиц имела место с самого запуска КА в декабре 1998 г. "Эффект был так мал, что оставался незамеченным", но накапливался в ходе полета и вылился в 90-километровый промах, угробивший аппарат стоимостью 125 млн $. Верится в это с трудом - "протянув" до Марса траекторию хотя бы после первой коррекции, трудно было не увидеть, попадает она в окрестность планеты в заданную дату или нет.
Особый привкус иронии придает этой истории тот факт, что NASA было первым американским министерством, которое еще в 1970-е годы (!) перешло на международную систему единиц SI. (Даже в исторических работах специалисты NASA переводят реально использовавшиеся в 1960-е годы британские единицы в единицы SI, хотя как раз в этой области такая замена препятствует пониманию многих вопросов и порождает дополнительные ошибки перевода.)
В ноябре предполагается выпустить формальный отчет о причинах гибели МСО, где, вероятно, будет описано, как именно все случилось. Вполне возможно, сказалась напряженная работа персонала, вынужденного выполнять повышенные объемы работ за короткий срок, и ограниченность финансирования. Но не конкретные виновники и не факт потери очень нужной станции, а неспособность системы контроля NASA выявить ошибку в наибольшей степени обеспокоила руководство NASA. "Здесь нет вины конкретного человека. Виновна сама система, позволившая двум группам управления работать несогласованно и во время испытаний, и после запуска аппарата", - сказал Эдвард Вейлер, заместитель администратора NASA и шеф Управления космической науки.
И как бы в порядке насмешки на следующий день после аварии пресс-служба NASA выпустила пресс-релиз и сообщила, что все полевые центры NASA либо уже сертифицированы на стандарт ISO 9001, либо рекомендованы для этой процедуры. Стандарт ISO 9001 подтверждает, что в организации существует и работает система управления качеством...
А пока самая первая задача - срочная проверка взаимодействия навигаторов и управленцев АМС MPL и Stardust, также изготовленных компанией LMA, принятие всех возможных мер для успешного выведения MPL в заданный коридор посадки. Не исключено, что и при организации управления этими станциями совершены те же ошибки, что и в случае с МСО. И вторая - сделать так, чтобы подобный конфуз больше никогда не повторился.

Комментарии, комментарии...

В пятницу 24 сентября администратор NASA Дэниел Голдин встретился с участниками проекта МСО, чтобы морально их поддержать. "В этой стране мы стали великими не потому, что избегали неудач, а потому что смотрели неудаче в лицо и боролись с ней, - сказал он. - Когда мы выступили с идеей "быстрее, лучше, дешевле"... мы были готовы к неудаче, к одной-двум неудачам из 10. Вот это и произошло... Цель нашей программы - создание аппаратов нового класса, а во всем новом всегда есть доля риска и процент неудач... - сказал глава NASA Д.Голдин. - Наша программа больше не строится по принципу "все или ничего"... Вопрос сейчас не в том, восполним ли мы потерю, а в том, как быстро мы это сделаем".
Как отразится гибель МСО на будущем американской программы исследования Марса и на принятой NASA философии - часто запускать простые и дешевые КА? Основная идея всех выступлений официальных лиц NASA по этому поводу такова. Потеря, конечно, очень серьезная. Но гибель МСО - не тот случай, когда годы работы ученых и огромные средства оказываются выброшенными в корзину, как это было в 1993 г. с АМС Mars Observer стоимостью около 1 млрд $ или комплексной российской станции "Марс-96". Десятилетняя американская программа исследования Марса задумана достаточно гибко и позволяет возложить задачи, не выполненные МСО, на последующие миссии 2001, 2003 и 2005 г. "Научная программа МСО не обязательно потеряна, она отложена", - говорит директор научных программ исследования Солнечной системы д-р Карл Пилчер.
Но некоторых срочных изменений не избежать. В первую очередь это касается АМС Mars Polar Lander, которая 3 декабря должна сесть на поверхность Марса в районе Южного полюса. МСО должен был стать основным средством ретрансляции данных с посадочного аппарата MPL на Землю.
Официально NASA в лице К.Пилчера заявляет, что "научный выход этой миссии не будет затронут", объясняя это возможностью прямой передачи данных с MPL на Землю и возможностью ретрансляции их через спутник Марса MGS. Р.Кук, однако, признает, что работа с MPL будет осложнена.
По словам профессора Университета Калифорнии в Лос-Анжелесе Дэвида Пейджа (David Paige), изменения будут заметными. Скорость прямой передачи данных будет заметно ниже, чем с ретрансляцией через МСО, и будет существенно зависеть от погодных условий на Марсе. Что же касается MGS, то у этого аппарата не все благополучно с антенной высокого усиления, использующейся для передачи собственных научных данных на Землю. Необходимость делить "эфирное время" с MPL и с двумя посадочными аппаратами DS2 еще более усложнит работу.
Кроме того, ретрансляторы на МСО и MGS имеют существенно разную мощность (10 Вт у новой станции и всего 1.3 Вт у старой) и пропускную способность (128 кбит/с у МСО). Предполагалось фазировать орбиту МСО, чтобы обеспечить до 4 сеансов связи с MPL в сутки. Наконец, ретранслятор MR на станции MGS не обеспечивает передачу на посадочный аппарат команд, в то время как ретранслятор на МСО обладал такой возможностью.
Еще нужно учитывать, что выполнен огромный объем планирования и подготовки совместной работы МСО и MPL. Теперь же нужно срочно, за каких-то два месяца, полностью перепланировать работу MPL и MGS, а заодно проверить, не попытается ли посадочный аппарат выйти на связь с несуществующим уже собственным ретранслятором.
Кроме того, МСО должен был стать запасным ретранслятором данных для посадочного аппарата следующей американской миссии к Марсу в 2001 г. Дело в том, что в текущей конфигурации посадочного аппарата Mars 2001 Lander нет антенны для непосредственной связи с Землей. Связь возлагалась на орбитальный аппарат Mars 2001 Orbiter и МСО. В связи с потерей последнего риск такого решения возрастает, и антенну высокого усиления на будущий посадочный модуль, возможно, установят за счет сокращения объема научной аппаратуры.

В заключение

Безусловно, потеря МСО печальна и сама по себе. Сколько мы могли получить новых великолепных снимков поверхности Марса, подобных полученным с MGS, как много понять в "кухне" марсианской погоды. Увы, единственным научным результатом, полученным с аппарата, можно считать цветную фотографию Марса, сделанную 7 сентября камерой MARCI с расстояния 4.5 млн км...

Используемые материалы