Как говорится, «по следам наших публикаций». Год назад я рассказал про обнаруженную на метеорологическом спутнике США GOES-17 аварию — его инфракрасный сенсор плохо охлаждался. На прошлой неделе NASA выпустило отчет о расследовании происшествия. Полный документ мы, к сожалению, не увидим — там содержатся коммерческие и охраняемые государством секреты, опубликована сокращенная версия. Установленная причина банальна — посторонние твердые частицы в рабочей жидкости забили трубки.
Тропический шторм Барбара глазами GOES-17, 1 июля 2019, фото NOAA, в полном размере еще красивее
Борьба за живучесть
GOES-17 — второй спутник четвертого поколения геостационарных метеорологических спутников США. Его собрат, GOES-16, работает на орбите с 2016 года. Главным инструментом аппаратов является работающий в 16 диапазонах Advanced Baseline Imager (ABI). Это большой прогресс — спутники третьего поколения работали с 5 диапазонами. А чем больше диапазонов, тем выше качество получаемой информации — деревья, пожары, влажность лучше видны в «своих» длинах волн.
GOES-16/17 крупным планом, изображение NOAA
GOES-17 запустили 1 марта 2018. Спустя 12 дней он добрался до геостационарной орбиты. Еще некоторое время ушло на подготовку техники к работе, и 13 апреля была открыта крышка объектива главного инструмента ABI. Сразу начались неожиданности — на участке орбиты, где объектив освещался Солнцем, начали самостоятельно включаться охладители на тепловых трубках. Это было неожиданно, но работу автоматики посчитали нормальной. Проблемы начались 28 апреля, когда охладители включили для штатной активации ABI. За 15 минут температура испарителя (признак эффективности охлаждения) упала с 19°C до 13°, при ожидаемой -3°С, а потом начала опять расти.
На спутнике две тепловые трубки, и на следующий день их попытались проверить по отдельности. Потратив трое суток, ЦУП выяснил, что первая трубка работает чуть лучше второй, но они обе переносят слишком мало тепла, чтобы нормально охлаждать сенсор. 16 мая спутник повернули так, чтобы Солнце не светило на радиатор, но и это никак не улучшило ситуацию. 23 мая пришлось официально объявить об аномалии. С конца весны начали работать несколько команд, одна занималась расследованием происшествия, другая — попытками выжать максимум из «не тянущего» оборудования.
Пример дефектного кадра с перегретого датчика GOES-17, источник
Для нормальной работы инфракрасный сенсор должен быть охлажден. Перегретый датчик выдаст абсолютно непригодную картинку (выше). В инструменте ABI 2 канала работают в видимом диапазоне, 4 в близком инфракрасном и 10 в инфракрасном, так что проблемы с охлаждением означают периодическое отсутствие информации с 13 из 16 диапазонов. За несколько месяцев команда оптимизации смогла модифицировать режимы работы оборудования, и примерно 97% данных все-таки удается получить. Спутник объявили работоспособным 12 февраля 2019.
Пример частично пригодного кадра. Часть информации перекрыта полосами, и в целом на картинке больше шума, но такое изображение все-таки можно использовать
3% недоступности — это чуть меньше 11 суток в год. Вроде бы мало, но в требованиях к спутнику указано не больше 6 часов недоступности инструментов. Для оценки понесенных убытков, 3% недоступных данных от 100 миллионов долларов, потраченных на спутник, привели к потерям в 3 миллиона долларов, что помещает аварию в наивысший тип А по классификации NASA (убытки больше 2 миллионов).
Дело — труба
Схема охладителя, источник
Конструктивно, система охлаждения ABI представляет собой схему на тепловых трубках с вынесенным теплообменником. Теплоноситель (пропилен) испаряется в испарителе, забирая с собой тепловую энергию. В газообразном состоянии он проходит через теплообменник, попадает в конденсатор, где становится жидкостью, и, из-за капиллярного эффекта, начинает движение в обратную сторону. Проходя через теплообменник, он подогревается, частично газифицируется, но снова становится жидкостью в переохладителе. Такой вариант позволяет точнее выдерживать нужную температуру, но имеет недостаток в более протяженных трубопроводах.
Охладитель для ABI, источник
Комиссия по расследованию изучила телеметрию, документацию, нанесла визиты на предприятия подрядчиков. Непосредственная причина была ясна — охладители вместо требуемых 390 Вт отводили всего-то 10-20 Вт. Но вот с ответом на вопрос почему так, было сложнее. Были рассмотрены разные версии, от механического повреждения трубок до нерасчетной газификации теплоносителя в трубках, снижающих циркуляцию, но в итоге наиболее вероятной причиной назвали посторонние твердые частицы, которые механически забили трубки. Вообще, надо отметить, что инженеры такое не любят — иногда гипотеза посторонней частицы остается последней, когда отбрасываются все остальные варианты, и может выступать как прикрытие невозможности найти истинную причину (в тетралогии «Ракеты и люди» Б.Е. Чертока понятным языком рассказывается о расследовании аварий, рекомендую). А в отчете NASA рекомендации по улучшениям после аварии занимают целых две страницы, и только одна прямо относится к требованиям чистоты компонентов и проверки их. Все остальное — рекомендации по улучшению процессов разработки космической техники.
История с GOES-17 не совсем закончена — строятся еще два однотипных спутника. В октябре 2018 независимая комиссия по расследованию рекомендовала заменить пропилен в качестве теплоносителя на аммиак и упростить конструкцию охладителя, так что переделки задержат их запуск.
Автор: Филипп Терехов
