Потеря Lewis

voenny — 13.04.2023


Lewis
Малый космический аппарат дистанционного зондирования Земли был создан фирмой TRW Inc. по заказу NASA в рамках программы «Миссия к планете Земля», запущен на орбиту 23.08.1997 и потерян спустя трое суток полета. Основная причина — система ориентации и стабилизации спутника была спроектирована неверно, она не смогла обеспечить поддержание безопасного режима с ориентацией панелей солнечных батарей перпендикулярно направлению на Солнце. В результате череды отказов аппарат оказался в неориентированном полете, и после полной разрядки аккумуляторной батареи связь с ним была потеряна навсегда [1].
Важным фактором, прямо повлиявшим на исход полета, является применение NASA парадигмы “Faster. Better. Cheaper”; что в переводе означает «Быстрее, лучше и дешевле». В момент заключения контракта на 58 млн. долл. в ценах 1994 года исполнитель принял на себя обязательства за 24 месяца изготовить и быть готовым запустить спутник, который с вероятностью 0,83 отработает три года срока активного существования. При этом контроль работ со стороны NASA был существенно ослаблен. И вот что в результате получилось.

История проекта


График проекта, основные события
Всё началось в сентябре 1993 года, когда на семинаре в Пасадене (Калифорния) была сформулирована т.н. «Технологическая инициатива по малым космическим аппаратам» (Small Spacecraft Technology Initiative, SSTI), в рамках которой создание подобных аппаратов предлагалось вести проектными группами из специалистов заказчика и подрядчика.
В феврале 1994 года NASA организовало сбор предложений предприятий промышленности по участию в пилотных проектах в рамках SSTI, спутниках дистанционного зондирования Земли Lewis и Clark, названных в честь американских первопроходцев (в частности, Lewis – в честь Мерриуэзера Льюиса).
08 июня 1994 года был подписан контракт на 57 940 026 долл. США между NASA и TRW. В стоимость входили космический аппарат, ракета-носитель Pegasus XL, запуск и один год эксплуатации спутника на орбите. Одновременно был включен секундомер на 24 месяца. В течение всего проекта TRW будет находиться под жестким давлением сроков и бюджета. А вот привычного по другим проектам контроля со стороны государственного заказчика практически не будет, очевидно, NASA надеялось на благоразумие («лучшие практики») исполнителя.
Здесь нужно отметить, что фирма TRW являлась заслуженным мастером создания разнообразных космических аппаратов, в частности, ей созданы автоматическая межпланетная станция Pioneer 10, штатно отработавшая тридцать лет полета.
Одновременно с фирмой СТА был заключен контракт на создание спутника Clark.
27 июня 1994 года при запуске космического аппарата STEP-1 произошел отказ ракеты-носителя Pegasus-XL. Уже в августе 1994 года TRW и NASA начали обсуждение возможных изменений, в первую очередь, переход на ракету-носитель LMLV-1. Кроме того, высказывались предложения по увеличению срока активного существования с 3 до 5 лет. Решение оказалось правильным, следующий пуск Pegasus-XL (именно в этой конфигурации) 22 июня следующего года тоже оказался аварийным.
28 октября 1994 года — прошла четверть отведенного на создание спутника времени, было подписано дополнительное соглашение. В качестве средства выведения была определена LMLV-1, одновременно были изменены требования по продолжительности эксплуатации спутника: с трех лет (с вероятностью безотказной работы 0,83) до пяти лет (с ВБР 0,86). Это потребовало несколько перепроектировать космический аппарат. Комиссия, расследовавшая аварию Lewis, одной из косвенных причин провала миссии назвала изменение требований по ходу выполнения столь напряженного проекта. Да, стоимость контракта была увеличена на 3,4 млн. долл.
Январь 1995 года — фирма TRW приняла решение о релокации: большая часть персонала переехала из Чантили (Виргиния) в Редондо-Бич (Калифорния). При этом в Чантили остались разработчики системы ориентации и стабилизации (СОС) и специалисты по управлению спутником в полете. Последние оказались в затруднительном положении: имитатор спутника, предназначенный для тренировок управленцев, в рамках данного проекта не создавался — считалось, что они будут участвовать в наземных испытаниях аппарата, и обучатся всему необходимому. А тут неожиданно спутник оказался в другом штате. Специалисты же из Редондо-Бич, наоборот, проверили все системы аппарата, за исключением СОС, за которую по-прежнему отвечала группа, оставшаяся в Чантили.
Март 1995 — состоялась переписка между TRW и NASA о возможности увеличения финансирования. В ответ на запрос подрядчика NASA жестко предписала оставаться в отведенных пределах.


Смена подразделений и руководителей по ходу проекта
Август 1995 — TRW приняла важное управленческое решение: проект Lewis был передан из подразделения S&TD (Space and Technology Division) в подразделение C&ISD (Civil and International Systems Division). С одной стороны, это придало проекту некоторую упорядоченность — за предыдущие 14 месяцев успело смениться по три руководителя программы и руководителя отдела (естественно предположить, что менялись и подчиненные им инженеры). С другой — в новом подразделении были отменены регулярные совещания по проекту, и все сфокусировались на выдерживании стоимости в заданных пределах.
15 августа 1995 года — первый полет ракеты-носителя LMLV-1 (Athena I) тоже оказался аварийным. Поэтому запуск спутника Lewis был отложен более чем на год (с лета 1996 года на лето 1997 года, за хранение готового аппарата NASA заплатила 6,2 млн. долл.).
Январь 1996 года — в рамках оптимизации расходов на управление КА в полете TRW договорилась с «AlliedSignal», одним из основных подрядчиков по бортовой аппаратуре, об участии специалистов последней в группе управления. Это позволило принять решение, что группа управления будет всего одна, и она будет работать по графику 5/2 (а не круглосуточно, как у всех). Такой подход должен был обеспечить получение по одному изображению тест-объекта, находящегося на территории США, в день — и выполнить задачи миссии. Для первого месяца полета, в течение которого спутник находится на орбите высотой всего 300 км, исключений делать не стали. И, как водится, о принятом решении топ-менеджмент TRW и NASA узнал уже после потери связи с изделием.


Еще один график проекта. Внизу — изменение стоимости
Конец 1996 года — возникла проблема с зонами радиовидимости земных станций управления. В начале проекта было определено, что максимальный перерыв между сеансами связи со спутником не должен превышать трех часов (примерно два витка полета). Впоследствии выяснилось, что из-за коллизии по частотам с некой секретной программой перерыв составит уже порядка 7 часов. С этим явлением согласились как с неизбежным злом, для первых 30 дней полета исключений тоже не было сделано.
Как видите, обстановка в проекте, сложившаяся к моменту запуска космического аппарата на орбиту, была далека от безоблачной. После запуска она, конечно, сильно усложнилась — за трое суток, пока спутник был на связи, было зафиксировано 12 аномалий (из них 4 критические). Но до рассмотрения аварийного полета предлагаю кратко познакомиться с характеристиками и конструкцией космического аппарата.

Тактико-технические характеристики спутника Lewis
Заказчик: NASA. За использование данных отвечал Космический центр им. Стенниса.
Исполнитель: «TRW Space & Electronics Group», Редондо-Бич, Калифорния, США.
Платформа: Т200В (на ней был впоследствии создан KOMPSAT-1).
Запуск: 23.08.1997 в 06:51 GMT (22.08.1997 в 23:51 PDT).
Номер: 24909, 1997-044А.
Ракета-носитель: LMLV-1 (Athena I), запущена с пусковой установки SLC-6 авиабазы Ванденберг.
Орбита выведения: высотой 296х305 км, наклонением 97,57
°.
Рабочая орбита: высотой 517 км, наклонением 97,4 °; местным солнечным временем восходящего узла — 10:30 и периодом замыкания трассы 7 суток.
Масса: 445 кг, из них порядка 70 кг составляет запас рабочего тела (гидразин).
Габариты: 36,5 х 69,5 дюймов.
Стоимость проекта: 65 млн. долл.
Срок активного существования: 5 лет с вероятностью 0,86.
Страница спутника на сайте space.skyrocket.de

Космический аппарат


Компоновка спутника KOMPSAT-1

Полезная нагрузка
Гиперспектральная камера HSI (Hyperspectral Imager), созданная TRW, обеспечивает съемку в панхроматическом канале (0,45...0,75 мкм) с разрешением 5 м на пиксель и в 384 спектральных каналах из диапазона 0,4...2,5 мкм с разрешением 30 м на пиксель. Полоса захвата в панхроматическом канале составляет 13 км, в узких спектральных каналах — 7,7 км.
Камера LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Arrey), созданная в Центре космических полетов имени Годдарта. Обеспечивает съемку в 256 спектральных каналах из диапазона 1,0...2,5 мкм с разрешением 300 м на пиксель в полосе захвата 77 км.
Для охлаждения фотоприемных устройств инфракрасного диапазона использовались миниатюрные криохолодильники на базе пульсирующих трубок.
Камера УФ-диапазона UCB (Ultraviolet Cosmic Background) разработанная и изготовленная в университете Беркли, работает в спектральном диапазоне 35…85 нм.
Кроме того, проводился эксперимент CFEE по "редактированию" облаков и деталей земной поверхности, направленный на то, чтобы не выполнять съемку районов с облачностью [2].
Высокоскоростная радиолиния работает в Х-диапазоне. Скорость передачи целевой информации - 45 Мбит/с.

Космическая платформа


Схема спутника KOMPSAT-1, построенного на аналогичной платформе
Про платформу известно относительно немного, зато впечатляет перечень различных инноваций, которые планировалось испытать на борту космического аппарата. Это и волоконно-оптическая шина данных, и твердотельное запоминающее устройство, и использование данных аппаратуры спутниковой навигации для уточнения ориентации космического аппарата в рамках эксперимента LEACE. В конструкции спутника применили сотовые панели со встроенными тепловыми трубами, а в составе двигательной установки - бак для гидразина с металлическим лейнером и композитной силовой конструкцией.
В создании космического комплекса приняли участие фирмы Allied Signal (аппаратура управления) и Harris (аппаратура земной станции).
Командно-телеметрическая радиолиния работает в S-диапазоне, скорость передачи информации по линии земля-борт - 2 Кбит/с, скорость в обратном направлении - до 2048 Кбит/с.
Система электропитания построена по традиционной схеме, первичным источником энергии служат солнечные батареи с кремниевыми (других тогда не было) фотоэлектрическими преобразователями. Панели солнечных батарей должны были вырабатывать мощность 600 Вт после одного года эксплуатации по назначению. Солнечные батареи выполнены в виде двух крыльев, каждое из которых состоит из 6 панелей. Система ориентации солнечных батарей обеспечивала их наведение нормалью на Солнце.
Система ориентации и стабилизации обеспечивала точность знания ориентации спутника 0,004 °, для чего в ее составе использовались звездные датчики фирмы Huges Danbury Optical Systems с широким полем зрения. Исполнительные органы системы ориентации - двигатели-маховики, сброс накопленного кинетического момента осуществляет система магнитной разгрузки. Но в режиме Safe Mode в качестве исполнительных органов используются реактивные двигатели.
Да, важнейшая особенность - система ориентации и стабилизации примененная, ранее эксплуатировалась на борту спутника TOMS-EP, который сильно отличался от Lewis
по моментам инерции.


Спутник TOMS-EP
Двигательная установка традиционная, рабочим телом служит гидразин. Одной из задач бортовой двигательной установки являтся довыведение спутника на рабочую орбиту высотой 500 км. В состав системы входят инновационный бак и восемь реактивных двигателей с тягой в 1 фунт (примерно 4,5 Н).

Развитие событий
23-24 августа 1997 года


Первые два дня полета
02:51 (здесь и далее время EDT, равное UTC минус 4 часа) - космический аппарат штатно выведен на орбиту высотой 300 км. По плану полета спутник в течение первого месяца должен был поднять орбиту до 500 км;
03:10 - по телеметрической информации зафиксирован переход бортовой вычислительной машины (БВМ) с основного полукомплекта (А) на резервный (В). По сути, это уже аварийная ситуация - автоматического перехода с В на А не существует, спутник в таком режиме летает без резерва;
13:30 - зафиксирован отказ воспроизведения телеметрической информации из запоминающего устройства. Разобраться, что же произошло с БВМ, оказалось невозможно.

25 августа 1997 года


Третьи сутки полета
Утро - команда управления полетом осуществила перевод бортовой вычислительной машины на основной полукомплект. С интересным результатом;
10:17 - потеря связи с космическим аппаратом;
13:17 - связь со спутником восстановлена, в момент восстановления связи спутник находился в неориентированном полете (отклонился от направления на Солнце на 28 градусов, глубина разряда аккумуляторной батареи составила 43 %), но по команде с Земли перешел в безопасный режим ориентации;
17:17 - спутник стабильно находится в безопасном режиме, батарея полностью заряжена;
19:00 - начало 9-часового отдыха команды управления полетом.

26 августа 1997 года



Четвертые сутки полета
04:02 - обнаружено вращение космического аппарата при нулевом энергоприходе;
05:32 - диагноз удалось уточнить - скорость вращения спутника - 2 оборота в минуту (это 12 градусов в секунду - сильно больше рабочего диапазона для любого космического аппарата, работающего в трехосной ориентации). При этом глубина разряда аккумуляторной батареи была равна 72 %. В режиме дефицита времени команда управления полета стала готовить команды на вывод спутника из режима вращения;
06:17 - последний сеанс связи, в начале которого батарея была разряжена на 82 %. Были поданы три команды на выдачу импульсов тяги продолжительностью по 1 секунде с целью прекращения вращения. Исполнилась только первая команда (вторая и третья были ошибочно адресованы к резервным полукомплектам), изменить ситуацию это не помогло. Контакт со спутником был потерян навсегда.

28 сентября 1997 года
11:58 - спутник вошел в плотные слои атмосферы и сгорел над Южной Атлантикой после 577 витков полета [3].

12 февраля 1998 года
Выпущен итоговый отчёт о расследовании потери космического аппарата Lewis [5].

Критические неисправности
1. Переключение бортовой вычислительной машины (БВМ) на резервный полукомплект.
Точную причину данного явления комиссии установить не удалось, вероятные причины:
- неправильно выбрано время уставки продолжительности перехода между режимами ориентации спутника;
- отказ основного полукомплекта БВМ;
- отказ датчиков угловой скорости;
- особенность взаимодействия системы ориентации космического аппарата и системы ориентации солнечных батарей.
В ходе первого сеанса связи зафиксировано отсутствие телеметрической информации, характеризующей мгновенное состояние космического аппарата (так называемый режим непосредственной передачи) - телеметрическая система была настроена на работу с основным полукомплектом БВМ. После выдачи соответствующей команды телеметрия начала поступать. А вот с воспроизведением ранее записанной информации всë оказалось сложнее.
2. Отказ запоминающего устройства телеметрической информации.
В ходе первого сеанса связи воспроизвести записанную ранее телеметрию не получилось. Сначала были выданы некорректные команды на воспроизведение. Управленцы сверились с руководством по эксплуатации, подали правильные команды - и снова неуспех. Попробовали подавать команды через основной и резервный полукомплекты БВМ - опять неудача. На резервный полукомплект запоминающего устройства не переходили т.к. надеялись все-таки воспроизвести накопленную информацию (она была нужна для диагностики переключений БВМ), а при переходе на резерв она однозначно терялась.
Возможные причины:
- в руководстве по эксплуатации также оказались неверные команды (при наземных испытаниях на прибор выдавались другие управляющие воздействия) [Так сказать, в квадратных скобках, впечатляет мужество NASA, открыто публикующей такие отчеты, респект];
- команда управления спутником в полете оказалась не готова к управлению запоминающим устройством (прибор и на земле работал небезупречно, но команда испытателей умела с ним обращаться, уверенно получая записанную информацию);
- отказ запоминающего устройства.
3. Переход спутника в режим неориентированного полета (после потери связи в течение двух витков).
Ситуация развивалась следующим образом - аппарат порядка 45 часов нормально работал на резервном полукомплекте БВМ, и утром 25 августа было принято решение вернуться на основной полукомплект (А). Одновременно были отключены резервные реактивные двигатели и подано питание на нагреватели каталитических пакетов основных двигателей. И двигатели-маховики тоже переключились.
Дальше началось интересное - сначала потеря связи на три часа, затем - спутник оказался в режиме неориентированного полета, т.е. основной полукомплект БВМ не смог автоматически установить безопасный режим (ориентация оси Х на Солнце). Безопасный режим был установлен по команде с Земли, восстановлен энергобаланс, четыре часа аппарат летал в таком режиме.
И тут включился человеческий фактор - единственная рабочая смена команды управления полетом решила, что они установили контроль над ситуацией и заслужили 9 часов сна. При этом причина переключений БВМ установлена не была, телеметрию воспроизвести также не удалось. Правильным решением был бы доклад о нештатной ситуации на борту руководству фирмы и NASA, заказ дополнительных сеансов связи и организация круглосуточной работы группы управления.
4. Вращение спутника вокруг главной оси инерции [6]


Спутник в безопасном режиме


Вращение вокруг оси Х


Поворот осью Z на Солнце

Аварийная ситуация начала развиваться в период отдыха группы управления, причем зоны радиовидимости наземных станций уже были, но сеансы связи не проводились.
Исполнительными органами системы ориентации и стабилизации в безопасном режиме являются реактивные двигатели. Ввиду неидентичности их характеристик, системе потребовалось включать двигатели достаточно часто, и бортовая вычислительная машина диагностировала неисправность. Основной полукомплект БВМ отключил основные реактивные двигатели и передал управление резервному полукомплекту БВМ. Резервный полукомплект БВМ управлял резервными двигателями, их тоже пришлось включать достаточно часто. БВМ снова диагностировала неисправность, и отключила резервные двигатели. Дальнейший полет происходил по инерции.
Второй особенностью построения системы ориентации и стабилизации является отсутствие измерения угловой скорости вращения аппарата вокруг оси Х в безопасном режиме. Ведь ось Х направлена на Солнце, панели солнечных батарей расположены перпендикулярно данной оси и с точки зрения энергобаланса нет разницы, с какой скоростью вращается спутник. Это справедливо для случая, когда ось Х является главной осью инерции и в пассивном полете (без управляющих воздействий) спутник устойчиво вращается вокруг нее. Так был спроектирован прототип - TOMS-EP. Но Lewis был спроектирован иначе, и у него главная ось инерции совпадала с осью симметрии корпуса, шестигранной призмы.
Оставшись без управления, спутник повернулся таким образом, что главная ось инерции оказалась направлена на Солнце. Аппарат оказался повернут к Солнцу ребром панелей солнечных батарей. Энергоприход стал нулевым. А скорость вращения - сильно выше рабочей. К сожалению, команда управленцев не смогла взять ситуацию под контроль, и после полного разряда аккумуляторной батареи аппарат был потерян.

Выводы и рекомендации
Комиссия пришла к выводу, что основная причина потери спутника - неправильно спроектированная и некорректно испытанная на стенде система ориентации и стабилизации. Система должна была обеспечить полет в безопасном режиме как минимум в течение 72 часов. Применение системы ориентации и стабилизации от спутника TOMS-EP без анализа изменений в конструкции и без учета неидеальности реактивных двигателей при испытаниях на стенде привело к таким печальным последствиям.
Второй ошибкой стал подход к работе группы управления, которая мало того, что была всего одна (даже в течение первой фазы полета), так еще и не смогла правильно оценить состояние космического аппарата (которое было аварийным) и привлечь дополнительные ресурсы для восстановления штатной работы.
Комиссия проанализировала весь ход проекта прямо от запроса предложений и заключения договора, и в целом подвергло его справедливой критике: над командой всегда довлели сроки и бюджет, на этом фоне эксперименты управленцев TRW тоже не добавили надежности изделию.

Ценности NASA
Именно их по мнению комиссии не смогла донести до команды и применить в работе фирма TRW. Они лучше звучат в оригинале:
1. "Belt and suspenders" (дословно "и ремень, и подтяжки") - необходимо использовать функциональное резервирование различных систем. Внимательно и осторожно.
2. Never fly with known unknown. Образно говоря, не нужно игнорировать красное табло "К взлету не готов".
3. Test as you fly, fly as you test. Тут можно добавить простой принцип: не испытанное на земле в космосе работать не будет.

Последствия
Практически сразу же после неудачи Lewis была отменена миссия спутника Clark, контракт на создание которого был подписан в один день с контрактом на Lewis. Полезная нагрузка этого спутника - прибор Worldview - нашла свою дорогу в космос на борту частного спутника Earlybird 1, запущенного на российской твердотопливной ракете "Старт-1" 24 декабря 1997. К сожалению, и этот аппарат проработал только три дня.
Самым большим успехом программы "Быстрее, лучше и дешевле" можно назвать миссию Pathfinder к планете Марс (1997 год). К сожалению, две другие миссии к Марсу, реализованные в рамках данной программы в 1999-м году - Mars Climate Observer и Mars Polar Lander - успешными назвать нельзя. В итоге программа ушла в историю в 2001 году при смене руководства NASA.
А в 2002 году фирма TRW была поглощена компанией Northrop Grumman.
В целом можно сказать, что у заказчиков всегда существовало желание "срезать угол" и пройти путь создания сложной техники за короткий срок. И - как водится - за минимально возможную стоимость. При этом исполнителю очень важно не забывать о качестве, и очень сильно возрастает роль технических руководителей проекта, которые не должны допускать до летных испытаний не готовое к ним изделие. Не смотря на всë давление администрации и экономистов.
В заключение отмечу, что единственная цель подготовки данного поста - осмысление технических и организационных решений зарубежных спутникостроителей и последствий этих решений.

Литература
1. D.M. Harland, R.D. Lorenz "Space System Failures. Disasters and Rescuers of Satellites, Rockets and Space Probes", Springer and Praxis Publishing, Chichester, UK, 2006.
2. США. Спутники «Льюис» и «Кларк» / «Новости космонавтики», 1994, № 12-13 html.
3. И. Лисов США. «Lewis» на орбите / «Новости космонавтики», 1997, № 17 html.
4. С. Головков США. «Lewis» сошел с орбиты / «Новости космонавтики», 1997, № 20 html.
5. Lewis Spacecraft Mission Failure Investigation Board. Final report pdf
6. Lewis Spins Out of Control / NASA System Failure Case Studies, 10.2007 pdf

Исправления, дополнения и уточнения всячески приветствуются.

Иллюстрации взяты из публикаций и из сети интернет.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив