Текст книги "Непридуманные космические истории"

Занятые люди

Хал Уивер – ученый из команды New Horizons, давний коллега и друг Стерна. Я приехала к нему в офис в начале 2016 года – он работает в лаборатории прикладной физики Университета имени Джонса Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд. Именно там была построена станция New Horizons, и там же организован Центр управления полетом.

Уивер размышлял о том, как психологи выяснили, что каждый думает, будто умеет делать несколько дел одновременно, но на практике у большинства людей это получается не очень-то хорошо.

– Алан – исключение из этого правила, – говорит Хал. – Он единственный из тех, кого я знаю, кто способен работать над множеством проектов одновременно.

Помимо выдвижения инициативы создания New Horizons и руководства этим проектом, Стерн является заместителем вице-президента в Юго-западном научно-исследовательском институте в Боулдере, штат Колорадо, – эта организация занимается исследованиями в нескольких различных областях, включая планетологию и астрофизику. Стерн ведет научное руководство и контроль за работой одного из приборов на борту аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (LAMP, о котором вы прочитаете далее в этой книге), а также заведует прибором Alice на проводимом ESA полете научного аппарата Rosetta к комете. Кроме того, он работает научным консультантом в различных университетах и аэрокосмических фирмах. В 2007 и 2008 годах он, будучи заместителем администратора NASA, руководил всеми программами управления в области изучения космоса и Земли. И вдобавок он же основал компанию World View с намерением доставлять туристов на границу атмосферы и космоса при помощи высотных стратостатов и еще одну компанию Golden Spike, которая работает над тем, как вывести доставку различного оборудования на Луну на коммерческую основу. Еще Стерн приложил руку к созданию организации Uwingu, которая собирает деньги на астрономические исследования через неофициальную и во многом противоречивую с точки зрения права продажу имен для экзопланет и кратеров на Марсе. Стерн поддерживает научные исследования при помощи суборбитальных аппаратов и помогает спроектировать научные приборы для использования в полетах, которые вскоре должны начать частные компании, например Virgin Galactic. И, наконец, Стерн проходил подготовку астронавта в 1990-х годах, но шанс слетать в космос ему не представился, поэтому он и надеется наверстать упущенное в нескольких суборбитальных полетах с научными целями.

Благодаря всем этим и другим его заслугам журнал Time в 2007 году включил Стерна в список ста наиболее влиятельных людей в мире, и в 2016 году он тоже оказался в списке тех, кому может быть оказана эта честь.

– Не понимаю, как Алан это все успевает, – говорит Хал Уивер. – Должно быть, у его помощника по административным вопросам есть помощник по административным вопросам! Но он действительно замечательный парень. Вы не найдете больше никого такого энергичного. Он замешан в стольких вещах одновременно, что я просто не успеваю следить за ними… и за ним.

Алан Стерн, научный руководитель проекта New Horizons, выступает во время пресс-конференции в штаб-квартире NASA. Источник: NASA / Джойл Коуски

Что касается самого Уивера, с того момента, как он присоединился к научной команде проекта New Horizons в 2002 году, у него не было ни одной свободной минуты. Сразу же началась гонка за возможность запустить аппарат в 2006 году, чтобы использовать преимущество взаимного расположения Юпитера и Плутона. Гравитационный маневр в окрестностях Юпитера помогал сократить время путешествия к отдаленной окраине Солнечной системы на целых три года.

Ученый из команды New Horizons Хал Уивер выступает во время пресс‐конференции. Источник: NASA / Билл Инголлс

– Было очень важно подготовить запуск станции вовремя, – вспоминает Уивер. – Но во время разработки нам потребовалось проводить рабочие совещания почти каждый день. Это было невероятно. Я помню все эти встречи по утрам в воскресные дни, когда мы собирали все научные приборы и монтировали их на станции.

Другим заядлым трудоголиком был Билл Гибсон из Юго-западного научно-исследовательского института, руководитель проекта по полезной нагрузке, и именно он печально известен тем, что назначал рабочие встречи каждое воскресное утро.

Но как минимум для Уивера и Стерна они не представляли собой проблемы.

– Алан и я – ранние пташки, и мы всегда были на месте. И мы любим выходные, просто потому что они дают нам возможность провернуть больше работы, – хохочет Хал.

И даже после начала полета гонка не прекратилась, хотя это может показаться удивительным, учитывая, что до момента прибытия на Плутон оставалось еще девять с половиной лет.

– Мы были так заняты тем, чтобы собрать все оборудование вместе и успеть на стартовый комплекс, – поясняет Уивер, – что у нас не имелось детального плана очередности наблюдений у Плутона. Да еще нам было необходимо подготовиться к программе наблюдений Юпитера на пролете, а до его начала оставалось всего лишь тринадцать месяцев.

Юпитер послужил не только средством выполнения гравитационного маневра, но еще и учебной целью для будущей программы наблюдений во время пролета Плутона.

– Мы не так уж сильно стремились провести наблюдения Юпитера, – говорит Уивер, – поскольку мы не ждали каких-то особенных научных результатов от них.

Но команда проекта, привыкшая во всем «давить железку», набросилась на возможность исследовать Юпитер с присущим ей энтузиазмом.

Монтаж снимков, выполненных станцией New Horizons во время пролета Юпитера в начале 2007 года, самой планеты-гиганта и ее спутника Ио. На Юпитере видно так называемое Большое красное пятно. На Ио можно заметить выбросы извержения расположенного в северном полушарии вулкана Тваштар. Этот снимок был опубликован на обложке номера журнала Science, который вышел 12 октября 2007 года. Источник: NASA / лаборатория прикладной физики Университета имени Джонса Хопкинса / Юго-западный научно-исследовательский институт

Уивер, помимо прочего, является ведущим ученым-разработчиком по установленному на станции New Horizons инструменту LORRI (Long Range Reconnaissance Imager, «Камера-разведчик дальнего действия»), который представляет собой совмещенную с телескопом камеру, позволяющую фотографировать всю планету издалека или выполнять снимки поверхности высокого разрешения вблизи цели, чтобы получить геологическую информацию.

– Мы строили ее с чувствительностью, необходимой для того, чтобы выполнять наблюдения в лунной системе Плутона, – объясняет Уивер, – но солнечный свет там в тысячу раз тусклее, чем на Земле. Поэтому LORRI – очень чувствительный инструмент, и мы думали, что он может оказаться чересчур чувствительным для того, чтобы делать снимки у Юпитера.

Но, выполняя серию испытаний уже после запуска, Уивер и его команда обнаружили, что им удалось построить очень универсальный научный прибор. Все, что им требовалось, это уменьшить выдержку съемки каждого кадра до очень короткой – изначально они не думали, что такие выдержки могут пригодиться.

– Все получилось, камера сработала замечательно, и мы провели насыщенные наблюдения в том пролете, – вспоминает Уивер. – У Юпитера мы получили разнообразные и богатые научные результаты и даже попали со своим снимком на обложку журнала Science[6]6
  Это примерно как рок-группе попасть на обложку журнала Rolling Stone. – Прим. авт.


[Закрыть] и все лишь по случаю попутных наблюдений, которые нам удалось сделать, потому что мы пролетали мимо планеты.

На волне этого успеха научная команда начала думать о том, чтобы выйти за рамки исходных вариантов и объемов программы наблюдений Плутона.

– Наш менеджер проекта Глен Фаунтейн жаловался ученым, что они только и делают, что наваливают все новую и новую работу на инженеров, – с улыбкой вспоминает Уивер. – Но, раз у нас был всего один шанс провести исследования Плутона, мы хотели выжать из этого шанса максимум.

Научная команда проекта стремилась удвоить объем наблюдений у Плутона по сравнению с изначально запланированным. Но всю программу наблюдений для каждого инструмента требовалось расписать с точностью до секунды, поэтому, пока New Horizons продолжала свой полет, проводилась координация и отработка планов.

Кроме того, руководителям приходилось думать о проблеме космической пыли.

– Если бы мы врезались в пылинку размером в миллиметр, она пробила бы дыру в космическом аппарате и, вероятно, погубила бы его, – уточняет Уивер. – Но по мере того, как мы все глубже изучали эту проблему, мы воспринимали ее все легче.

Здесь мы видим один из заключительных снимков, которые подтвердили, что путь для пролета New Horizons через систему Плутона свободен и безопасен. Снимок был получен при помощи камеры Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) 26 июня 2015 года на расстоянии 21,5 млн км от Плутона. Источник: NASA / лаборатория прикладной физики Университета имени Джонса Хопкинса / Юго-западный научно‐исследовательский институт

Проанализировав конструкцию аппарата, ученые поняли, что вероятность его потери при столкновении с космической частицей меньше, чем они сперва думали. Помимо этого, они разработали иную, более безопасную траекторию следования станции и при необходимости могли бы выполнить пролет, развернув параболическую антенну для связи с Землей вперед – тогда антенна сыграла бы роль щита.

– Мы вывели значение вероятности гибели аппарата и провала проекта из-за столкновения с частицей не более одной десятой доли процента, – говорит Уивер, – поэтому успокоились, но все равно пришли к необходимости соблюдать определенную осторожность. Мы продолжали вести поиски, и к моменту, когда мы наконец достигли Плутона, покрытие его системы наблюдениями при помощи LORRI в сто раз превышало глубину детализации, которую можно было бы получить при помощи «Хаббла», и все равно мы ничего не нашли.

Другой трудностью была навигация аппарата, поскольку ученые заранее лишь приблизительно знали, где окажется Плутон к моменту прибытия к нему New Horizons. Плутону требуется 248 лет, чтобы завершить один оборот по орбите вокруг Солнца, и, так как планету открыли в 1930 году, астрономы проследили лишь малую часть его орбитального пути.

– С такой трудностью сталкивается далеко не каждый межпланетный проект, – поясняет Майкл Бакли, специалист по связям с общественностью проекта New Horizons. – Обычно вы точно знаете, где именно находится ваша цель. Нам было необходимо добиться точности во времени и пространстве конкретно заданной цели в воображаемом пространстве представленного прямоугольником в космосе размерами 100 на 150 км. А еще нам требовалось учитывать эффект запаздывания сигналов, поскольку даже радиоволне, которая движется со скоростью света, требовалось 4,5 часа, чтобы преодолеть расстояние от New Horizons до Земли.

Инженерам-навигаторам станции постоянно приходилось уточнять собственные расчеты во время полета, вплоть до последних дней перед окончательным сближением с Плутоном. Они должны были все сделать правильно, иначе межпланетный аппарат мог не найти свою цель.

Пока команда ученых и управленцев проекта была занята всей этой работой, сама автоматическая межпланетная станция примерно две трети полетного времени проводила «во сне», в состоянии консервации систем. Это позволяло снизить риск износа деталей аппарата и уменьшало риск аварий систем во время критически важной части полета – пролета Плутона. New Horizons «будили» как минимум раз в год для проверки состояния бортовых систем и калибровки научных приборов.

Связь потеряна

Элис Боумен занимает должность РП в ЦУП. Если переводить с языка сокращений, принятых в NASA и других космических агентствах, это означает, что она руководитель полета в Центре управления полетом АМС New Horizons, который расположен в лаборатории прикладной физики.

Когда она устроила мне экскурсию по зданию № 13 лаборатории, в ЦУПе стояла тишина, нарушаемая только гулом компьютерных вентиляторов, а помещение освещалось лишь отсветом экранных панелей. Совсем не так здесь было, говорит Боумен, 14 июля 2015 года, в день пролета Плутона, когда ЦУП и соседняя комната «лопались по швам от всевозможных ученых, журналистов с камерами и высших чинов NASA».

Но тишина, стоящая в помещении Центра управления сейчас, наглядно демонстрирует одну из причин, по которой NASA утвердило этот проект.

– Мы сумели урезать расходы до величины, которая умещалась в обозначенный ими бюджет, – говорит Элис. – Поэтому тут сейчас никого и нет.

Руководитель полета New Horizons Элис Боумен во время пресс-конференции после того, как станция миновала точку наибольшего сближения с Плутоном. Источник: NASA / Билл Инголлс

В качестве меры дополнительной экономии средств было решено совместить Центр управления проектов New Horizons и Messenger – полет этой станции окончился в апреле 2015 года после того, как она проработала четыре года на орбите вокруг Меркурия.

– Когда специалисты из команды Messenger жаловались, что у них задержка в обмене сигналами с аппаратом составляет двадцать минут, мы глядели на них и спрашивали: «Да что вы говорите?!» – улыбается Боумен.

Как я уже писала, к моменту пролета период двустороннего обмена сигналами между New Horizons и Землей занимал 9 часов – 4,5 часа, чтобы сигнал добрался от Земли до станции, и еще 4,5 часа на обратный путь. Поскольку радиоволны перемещаются со скоростью света (300 000 км/с), это показывает, насколько велико расстояние между Плутоном и Землей – почти 4,8 млрд км по прямой. А теперь, по мере того как New Horizons все больше удаляется от нас, задержка в обмене сигналами продолжает расти.

– Работа с космическим аппаратом на таком большом удалении – непростое дело, – заверяет Боумен. – Как я всегда говорю, чтобы работать с учетом всех сдвигов по времени, надо страдать раздвоением личности. Когда ты посылаешь команду в реальном времени с Земли, тебе требуется знать, где аппарат, который ее получит, будет находиться в будущем.

К счастью, New Horizons доставляла сравнительно мало проблем.

Кроме одного случая…

4 июля 2015 года, всего лишь за десять дней до планируемого пролета Плутона, Боумен и ее команда пришли в ЦУП пораньше, чтобы послать New Horizons очень важный набор инструкций. Он назывался «основная программа» и представлял собой последовательность команд, которые должны были выполняться в самый интенсивный период наблюдений в течение десяти суток: семь суток на подлете к Плутону, обширная наблюдательная программа в день наибольшего сближения и два дополнительных дня наблюдений на отлетной ветви траектории, где станция New Horizons должна как бы «оглядываться» на систему Плутона. В основной программе было общим числом 20 799 команд, в том числе 461 эпизод научных наблюдений, мелкие коррекции траектории полета и поисковые съемки для нахождения потенциально опасных объектов по курсу.

– Мы начали загрузку последовательности команд в 4:30 утра, – рассказывает Элис Боумен, – и с учетом времени обмена информацией мы убедились, что команды получены станцией около девяти часов спустя.

И вдруг связь с New Horizons оборвалась.

Как говорит Боумен, ее первая мысль была: что-то случилось с наземной станцией приема сигналов. Связь со всеми межпланетными аппаратами выполняется через Сеть дальней космической связи (Deep Space Network, DSN) – систему очень чувствительных приемно-передающих антенн, установленных в трех точках поверхности Земли: Голдстоун, Калифорния, США; Мадрид, Испания, и Канберра, Австралия. Согласно стратегическому замыслу они расположены с разбивкой приблизительно в 120 градусов по долготе, что позволяет постоянно наблюдать и поддерживать связь с далеким межпланетным аппаратом по мере того, как Земля вращается.

Элис Боумен и Карл Виттенберг, ведущий инженер по планированию операций проекта New Horizons, наблюдают за поступлением данных со станции, находящейся в пути к Плутону. Источник: NASA / лаборатория прикладной физики Университета имени Джонса Хопкинса / Юго-западный научно‐исследовательский институт

– У нас и раньше по ходу полета случались аномалии, – говорит Боумен, – и, как правило, с самим космическим аппаратом все было в порядке, а неисправность находили в оборудовании наземной станции связи.

Но тщательная проверка установила, что наземные системы работали как нужно. Что-то случилось на борту New Horizons.

– У меня засосало под ложечкой от страха, – вспоминает Элис. – Но я тут же напомнила себе, что у меня есть работа, которую я должна делать, так что я глубоко вздохнула и сказала: «О’кей, давайте применим на практике все те навыки, которые мы усваивали во время тренировок и учебы все предыдущие девять с половиной лет». И я знала, что мы – сильная команда, поэтому сосредоточилась на практических действиях.

Вызвали Стерна, Уивера и других начальников проекта, а в это время Боумен уже собрала свою команду экспертов. Это были Карл Виттенберг, ведущий инженер по планированию операций, Крис Хёрсмен, системный инженер, Гейб Роджерс, инженер по системам управления и наведения, Стив Уильямс, начальник команды программистов бортового компьютера, и Брайан Бауэр, начальник команды разработки программ обеспечения автономных режимов New Horizons.

Первой по критичности задачей было восстановление связи с аппаратом, чтобы получить информацию о состоянии его систем и понять, успешно ли прошла загрузка программ для управления во время пролета Плутона. До начала этапа пролета оставалось всего трое суток, поэтому времени было в обрез.

Все космические аппараты (в наше время. – Прим. пер.) программируются с возможностью перехода в особый тип функционирования, называемый «безопасный режим». Он задействуется, когда автономная система управления бортом обнаруживает критичную проблему, которая требует вмешательства людей – операторов полета. В некоторых случаях переключение в безопасный режим предусматривает передачу управления от основного бортового компьютера резервному, изменение ориентации космического аппарата до такого положения, когда главная антенна связи направляется на Землю, и начало передачи телеметрии с данными о состоянии и сигналом просьбы о помощи.

Именно так и произошло с New Horizons. Через 77 минут прием сигнала от межпланетной станции возобновился, и ЦУП начал получать телеметрию.

– Никогда в жизни не хотела бы еще раз пережить что-то подобное тем 77 минутам без связи, – говорит Боумен. – Но какое же это было чудо, когда мы снова получили сигнал! В этот момент мы поняли, что сможем справиться с проблемой, вопрос оставался лишь в том, сумеем ли сделать это до запланированного начала программы пролета.

Проведя анализ телеметрии, специалисты поняли, что компьютер попытался сделать несколько разных действий одновременно и его процессор не справился с нагрузкой. Вычислительная машина космической станции занималась сжатием данных, загрузкой новых программных модулей и передачей данных на Землю.

Цель все ближе. На этих двух снимках планеты и ее крупнейшей луны, Харона, сделанных New Horizons 25 и 27 июня 2015 года, Плутон демонстрирует два своих сильно отличающихся полушария. Источник: NASA / лаборатория прикладной физики Университета имени Джонса Хопкинса / Юго-западный научно-исследовательский институт

– Все это были очень «тяжелые» с точки зрения требуемой вычислительной мощности операции, которые начали выполняться одновременно, и компьютеру не хватило ресурса процессора, чтобы выполнить их все с достаточной скоростью, – поясняет Элис. – Автономная система управления бортом обнаружила, что компьютер отстает от заданных параметров быстродействия, и пришла к выводу о его неисправности. В этот момент она произвела переключение на резервный (или вторичный) компьютер. Мы утратили сигнал от главного набора бортовых систем, потому что произошла передача управления резервным. Как только мы смогли увидеть новые данные, мы поняли, что произошло, и сумели составить план возвращения к нормальной работе аппарата.

Потребовалось почти трое суток работать не покладая рук, но в конце концов основная программа управления и наблюдений была загружена в главный компьютер. Научные наблюдения Плутона на пролете начались по расписанию.

– Даже несмотря на то что это был очень напряженный момент, – говорит Боумен, – все закончилось радостно и благополучно, и я благодарна нашей команде за то, что все вместе мы совладали с проблемой.

Уивер сказал, что эта аномалия «сделала нас несколько более осмотрительными; мы теперь стали опасаться, не ждет ли нас что-то еще, не таится ли впереди что-то зловещее, не случится ли вот-вот».

Одним из зловещих вопросов был такой: насколько точно навигационные расчеты приводят станцию в желаемую область? По словам Боумен, было очень непросто работать, не имея в этом уверенности, – и не уставать реагировать на те поправки, которые вносили навигаторы, выполняя требуемые коррекции курса.

– Не стоило проводить коррекцию траектории на слишком малом расстоянии от цели, потому что у нас тогда не оказалось бы достаточно времени, чтобы новая траектория «устоялась» и мы могли заново точно определить, куда именно движемся, – объясняет Элис. – Наша последняя возможность сделать коррекцию курса была 4 июля. После завершения последнего маневра единственным способом повлиять на содержание и результаты наблюдений оставался подбор времени их выполнения. Эти отметки времени были частью того блока информации, который мы загружали на борт, когда случился обрыв связи.

Но когда первые оптические навигационные снимки с камеры LORRI стали поступать на Землю после восстановления связи, они подтвердили, что New Horizons по-прежнему на правильном курсе сближения с Плутоном. И Плутон – даже на первых мутных снимках – выглядел очень интересно.