Поздний вечер 11 апреля 2019 года стал отправной точкой для старта нового проекта — «Берешит 2.0», так как авария первого частного аппарата при попытке совершить посадку на Луну только раззадорила инженеров и организацию SpaceIL.
Космос жесток, и Луна не сразу позволяет на себя сесть. Но с опытом и современными технологиями каждая новая попытка становится более удачной.
Какие успехи были достигнуты миссией «Берешит»?
Кратко о миссии «Берешит»: 8 лет разработки, стоимость проекта 100 миллионов долларов, 200 добровольцев-ученых и инженеров, 47 дней полета и более 6.5 миллионов километров преодолено, на старте 380 килограмм топлива, форсированный двигатель «LEROS 2b», 6 бортовых камер, магнетометр, массив лазерных уголковых отражателей, и 1 попытка посадки, при которой 150-килограмовый аппарат с 76-ью килограммами топлива (гидразина) в баках с высокой скоростью, далеко пролетев зону планируемой посадки, упал на поверхность Луны.
Теперь Израиль – 7-я страна, которая вывела на орбиту Луны свой космический аппарат (и продержала его там 7 суток).
Список стран (первые их аппараты учтены) с аппаратами на орбите Луны:
1. Луна-10, СССР, 1966 год;
2. Lunar Orbiter 1, США, 1966 год;
3. Hagoromo, Япония, 1990 год;
4. SMART-1, ESA, 2005 год;
5. Чанъэ-1, Китай, 2007 год;
6. Чандраян-1, Индия, 2008 год;
7. Берешит, Израиль, 2019 год.
И еще, теперь Израиль – 7-я страна, которая уронила на поверхность Луны свой космический аппарат (хоть и в процессе посадки, который перешел в неуправляемое фатальное падение).
Предполагается, что диаметр образовавшегося кратера после падения от 3 до 5 метров. Аппарат «Берешит» врезался в поверхность Луны под малым углом (~8°), кратер может быть вытянутым.
Стоимость компонентов аппарата «Берешит» (картинка взята отсюда):
— окончание миссии: разбился о поверхность Луны на финальной стадии посадки 11 апреля 2019 года;
— траектория движения до Луны (фактически – максимальная из возможных): сложная, изменяемая путем выполнения серии маневров (включение двигателей на несколько секунд или даже минут) для увеличения апогея своей эллиптической обиты после каждого витка вокруг Земли;
— высота аппарата «Берешит» составляет около 1,5 метра, диаметр 2 метра (2.3 метра между посадочными опорами);
— масса 530 килограмм с топливом (масса топлива – 380 кг), 150 кг без топлива;
— основной двигатель: модификация LEROS 2b;
— основной элемент бортового компьютера: двухядерный процессор Gaisler HiRel GR712RC;
— шесть 8-мегапиксельных камер Imperx Bobcat B3320C с оптикой Ruda;
— научные приборы: магнетометр, массив лазерных уголковых отражателей.
Аппарат «Берешит» разработан организаций SpaceIL, которая поддерживается в основном частными инвесторами, в том числе американским магнатом Шелдоном Адельсоном и миллиардером Моррисом Каном, которые так же являются соучределями Amdocs (DOX), одной из крупнейших компаний Израиля.
Силами и средствами лишь одной небольшой частной компании отправить в космос лунный аппарат невозможно, но с помощью международного космического сообщества можно превратить идею в реализуемый на данный момент полноценный проект.
Участники проекта, задействованные в миссии «Берешит»:
— команда молодых израильских ученых и инженеров из компании SpaceIL,
— NASA (США),
— ISA (израильское космическое агентство),
— IAI (концерн «Авиационная промышленность Израиля»),
— компания Spaceflight Industries (США, организатор вывода аппарата «Берешит» на орбиту),
— компания SpaceX (США, ракета-носитель Falcon 9),
— Шведская космическая корпорация (Swedish Space Corporation),
— компания Cobham (Швеция),
— компания Ramon Chips (Израиль).
Ведь SpaceIL – это по мировым меркам небольшая организация, в ее штат входят порядка 200 человек, причем большая часть из них — это добровольцы-ученые и инженеры, которые “стремятся содействовать развитию технологического и научного прогресса в Израиле”.
Что случилось при посадке аппарата «Берешит» 11 апреля 2019 года?
На самом деле, проблемы с аппаратом «Берешит» начались почти сразу после старта.
Февраль 2019 года:
Засветка солнечными лучами датчиков положения аппарата (датчики оказали очень чувствительны к такому «ослеплению»), что может повлиять на ориентацию аппарата в пространстве.
Решение: была выполнена программная компенсация по обработке данных с датчиков и уменьшения их чувствительности, произведены дополнительные многократные проверки новых данных с датчиков аппарата.
На этапе подготовки перед выполнением второго маневра включения двигателей, бортовой компьютер аппарата «Берешит» неожиданно перезагрузился, и этап выполнения маневра был автоматически отменен. Инженеры SpaceIL и IAI начали анализировать ситуацию.
На борту возникла неполадка, которая ограничивала маневренность аппарата.
Решение: инженеры SpaceIL и IAI устранили сбой в компьютерной системе аппарата «Берешит», теперь аппарат «Берешит» продолжает свой полет к Луне в штатном режиме.
Далее, SpaceIL не анонсировало новых неполадок или проблем с аппаратом «Берешит», однако, перед лунными маневрами, в отчете был такой слайд, на котором перезагрузокотказов в работе БК, оказывается, было больше одного – несколько и даже больше, чем ожидали инженеры, причем по причине жесткой космической среды.
Проблемы и решения, которые были в космосе (оказывается, было много перезагрузок БК):
Таким образом, можно было ожидать, что после 1128 часов полета (47 суток), проблемы с внутренними компонентами аппарата «Берешит» могут стать фатальными, а их исправление невозможно, в случае отказа элементов или их нештатной работе под серьезной нагрузкой и влиянием космической среды.
Посадка аппарата на Луну – это сложный процесс, при котором бортовой компьютер выполняет большой объем задач: управление режимами работы двигателей, анализ телеметрии и данных с датчиков (положения, высоты, скорости, посадки и так далее), корректировка текущего положения аппарата, согласно посадочной траектории и фактическим координатам, адаптивный расход топлива, передача данных с помощью системы связи.
И если при посадке возникает нештатная ситуация с одним или несколькими датчиками, то этот момент можно компенсировать в автоматическом режиме, если есть резервная схема, или путем перезапуска (перезагрузки) бортовой компьютерной системы, если время на этот процесс есть.
В ручном режиме и в реальном времени инженеры в ЦУП не управляли аппаратом «Берешит», посадку проводил бортовой компьютер, после выхода аппарата за «точку невозврата», когда уже оставалось только выполнять процедуру посадки, команды которой были получены ранее бортовым компьютером.
А вот учесть ситуацию и компенсировать проблемы, когда несколько элементов выйдут из строя каскадом, а потом из-за их отказов начнутся отключения главных компонентов аппарата (двигателей, системы телеметрии, бортового компьютера) – это сложно и для аппарата такого уровня (без резервирования систем управления), как показала практика, невозможно.
Что еще известно об аппаратных и программных компонентах аппарата «Берешит»
— один (1) двигатель тягой 430Н и восемь (8) маневровых двигателей тягой по 25Н. Маневровые двигатели использовались при посадке в помощь основному;
— температура электроники поддерживается в диапазоне от -10°C до +40°C. Большая часть электричества расходуется на обогрев электроники (системы охлаждения нет);
— бортовой компьютер один (1), не продублирован;
— звездный датчик для ориентации аппарата «Берешит» оснащен черным конусом для поглощения сторонних лучей, однако, при отделении аппарата «Берешит» от спутников после старта оказалось, что конус загрязнился, с этой проблемой инженеры справились, выяснив под какими углами отражения не происходит и внесли коррективы в программный алгоритм обработки данных с датчика (с помощью программных патчей);
— было несколько перезагрузок компьютера в процессе полета до Луны;
— программный код управления, команды и работа с бортовым компьютером — на языке С;
— из-за того, что компьютер только один, при перезагрузке все обновления (патчи) стираются и их нужно дополнительно загружать заново в систему;
— скорость передачи данных низкая: одна фотография большого разрешения (с камеры 8 Mpx) загружается 40 минут.
Аппаратные системы «Берешит», отказ которых мог привести к нештатному выполнению этапов процедуры посадки и падению:
Двигатель аппарата «Берешит».
Двигатель аппарата «Берешит» — это специальный адаптированный (для миссии «Берешит» была сделана его доработка путем укорачивания сопла и прибавки тяги) химический ракетный блок семейства LEROS (для применения на спутниковых платформах) — модификация LEROS 2b на гидразине (монометилгидразине) с тягой в 45 кгс (441H), что немного больше его штатных характеристик в 41,5 кгс (407H).
Есть предположение, что данный двигатель не был рассчитан на многократные включения и он не дросселируется, хотя в ходе выполнения миссии «Берешит» были многократные включения основного двигателя на несколько минут, а при посадке десятки минут.
Общая тяга маневровых двигателей 8*25H = 200H (половина от основного). То есть, при отключении основного двигателя, будет падение тяги в три раза, что и наблюдалось при посадке.
Так же зафиксированы выключения двигателей во время посадки:
Доплеровская кривая посадки-падения аппарата «Берешит», около 19:19 торможение почти прекратилось:
Бортовой компьютер.
Cobham Gaisler's HiRel GR712RC processor
В качестве основного элемента бортового компьютера в аппарате «Берешит» используется двухядерный процессор Gaisler HiRel GR712RC компании Cobham.
Технологически чип базируется на основе LEON SPARC и произведен с использованием уникальной радиационно-стойкой кремниевой технологии.
Компания SpaceIL стала первым заказчиком данного процессора и инженеры SpaceIL написали для него специальное программное обеспечение еще до осуществления фактической поставки и прогонки на аппарате «Берешит».
GR712RC — двухъядерный процессор LEON3FT SPARC V8. Может работать на частоте до 125 МГц во всем диапазоне военных частот. Это обеспечивает до 300 DMIPS и 250 MFLOPS пиковой производительности. Интегрирует расширенные протоколы интерфейса, в том числе SpaceWire, CAN, SatCAN, UART, 1553B, Ethernet, SPI, I2C, GPIO и другие. Имеет высокоскоростные интерфейсные шины для внешней памяти SDRAM / SRAM / PROM / EEROM / NOR-FLASH. Доказанная радиационная стойкость — до 300 крад. Низкое энергопотребление.
По уточненным данным — этот процессор произведен по самой обычной коммерчески доступной технологии (TowerJazz 180 нм, made in Israel), примерно такой же, на которой контроллеры для электрочайников делают. Обеспечение радстойкости без вмешательства в технологию, за счет схемотехники и топологии элементов, что обходится на порядок-другой дешевле, чем если бы техпроцесс разрабатывали специально.
Бортовой компьютер аппарата «Берешит» до посадки уже несколько раз перезапускался из-за влияния космической среды (радиация, температура).
TT&C.
Система слежения, телеметрии и передачи команд управления (TT&C — tracking, telemetry and command subsystem), используемая в этом проекте, на финальной стадии посадки два (2!) раза «зависала», хотя ее статус был «ОК»
Датчики и элементы систем аппарата «Берешит» в окне данных телеметрии:
Как зависала система телеметрии:
Вот что видели инженеры в ЦУП при посадке, согласно данным телеметрии:
Штатный режим посадки:
А вот тут уже начались проблемы с отключением двигателя, «зависанием» данных телеметрии и нештатными показаниями скоростей, которые на расчетных высотах должны быть совсем другие.
В 19:23 данные телеметрии совсем перестали поступать.
Предварительно – проблемы начались на высоте 14 км, основной двигатель в процессе посадки выключился, а после его перезапуска уже было слишком поздно – аппарат не смог затормозить корректно, эта неполадка привела к жесткому падению на высокой скорости и с высоты 150 метров на Луну.
Инерциальный блок ориентации (inertial measurement unit – IMU1, IMU2) – узлы продублированы.
А вот это интересно, так как тут два блока использовались и их данные были очень важны для бортового компьютера.
Уже ранее из-за отказов подобных модулей были аварии – как с аппаратом «Скиапарелли» на Марсе в 2016 году.
Оказалось, что фатальная ошибка в работе ПО «Скиапарелли» произошла из-за проблем в работе «измерителя инерции» (IMU), устройства, измеряющего скорость вращения модуля вокруг своей оси.
Данные с этого прибора, как объясняют инженеры, учитывались при обработке данных о высоте полета, поступающих с радаров «Скиапарелли». В один момент в работе IMU произошел сбой, в результате чего он «измерил» аномально высокую скорость вращения лендера, которая выходила за пределы допустимых значений. Подобные сбои являются нормой в работе инерциальных датчиков, и обычно для их подавления ученые «сглаживают» сигнал и сравнивают данные за текущий момент с результатами, полученными в прошлые моменты времени.
Но в данном случае IMU передавал данные на главный компьютер «Скиапарелли» неожиданно долго, на протяжении секунды, что «обмануло» ПО модуля и заставило его считать эти измерения реальными данными, а не аномалией. Неправильные значения были учтены при расчете высоты модуля, в результате чего бортовой компьютер «Скиапарелли» получил отрицательные значения высоты.
Модуль посчитал, что он находится даже не на поверхности Марса, а под ней, что заставило его на высоте 3,7 км инициировать финальную стадию процедуры посадки, отделить парашюты и выключить двигатели.
В аппарате «Берешит» использовался такой модуль IMU: STIM300.
У данного модуля характеристики по радиационной защите не высокого уровня, поэтому использование подобных устройств на Луне, возможно, будет еще более продуманно инженерами SpaceIL далее в новых миссиях.
Так как было заявление от SpaceIL после аварии: «Problem in one of Beresheet's inertial measurement units. Ground controllers lost telemetry for a few moments but have reacquired telemetry.»
Действительно ли модуль (или оба модуля) IMU аппарата «Берешит» выдали некорректные данные (в том числе измерение угловых и линейных ускорений стало невозможно) для бортового компьютера и по какой причине – это еще находится в расследовании инженерами SpaceIL
Однако, пока что понятно, что у аппарата «Берешит» произошел технический сбой в работе одного из компонентов, который привел к отключению двигателей, что не позволило аппарату снизить скорость спуска на поверхность Луны.
Когда двигатели были перезапущены, то уже не смогли выполнить полное торможение, оказалось, что скорость аппарата была слишком большой, а высота до поверхности Луны критически уменьшалась, и произошло разрушительное столкновение.
Последняя фотография с аппарата «Берешит» так же ставит немного в тупик. Так как на ней видна лунная поверхность в 1000 км от планируемой зоны приземления в Море Ясности.
Последний кадр с аппарата «Берешит» (с высоты 8 км):
Таким образом, найти хоть что-то от аппарата «Берешит» будет очень сложно, так как район поиска очень обширный:
Хотя немного понятно, где искать (200 км до зоны посадки «Apollo 11»):
В NASA планируют с помощью зонда LRO обследовать район падения аппарата «Берешит», в надежде, что элементы массива лазерных уголковых отражателей не разрушились и будут находится на поверхности Луны.
Отражатели были закреплены на верхней части аппарата и при его падении могли отскочить, разлететься, перевернуться и закопаться в лунном грунте. Но даже если только часть отражателя будет доступна для отражения светового импульса — это будет зафиксировано LRO.
Лазерный альтиметр LRO (лунный орбитальный зонд NASA), предназначенный для составления карты высот, будет посылать лазерные световые импульсы на уголковый отражатель в месте падения аппарата «Берешит», а затем измерять, сколько времени требуется свету, чтобы вернуться назад.
Используя эту технику, инженеры NASA и SpaceIL планируют, что смогут определить местоположение останков аппарата «Берешит».
Что же будет дальше с миссией «Берешит»?
Анонсирована разработка нового космического проекта — «Берешит 2.0»
Премьер-министр Израиля Биньямин Нетаньяху пообещал, что государство примет участие во второй попытке отправить автоматическую станцию на Луну.
«Мы собираемся запустить „Берешит-2“. Государство Израиль участвовало в запуске первого космического аппарата и будет участвовать в запуске второго. Я надеюсь, что в этот раз все пройдет успешно. В таком случае мы действительно станем четвертой страной в мире, которая совершит посадку на Луну», — сказал Нетаньяху на заседании правительства.
Планируется, что проект «Берешит 2.0» будет более серьезным и дорогостоящим (по сравнению с первым), но все еще будет частным.
Организация SpaceIL также возьмет на себя основное управление новым проектом «Берешит 2.0» и также будет оставаться некоммерческой организацией.
Планируемый срок реализации проекта «Берешит 2.0»: 2-3 года.
Это прекрасно, когда страна, инженеры и люди не перестают верить в победу.
No dream is beyond your reach, if you truly want it!
И на сладкое:
Автор: Денис
