Непубличная история зонда «Новые горизонты»
Субботним утром, 4 июля 2015 года Алан Стерн [Alan Stern], руководитель миссии НАСА по изучению Плутона, «Новые горизонты», работал у себя в офисе, рядом с центром управления миссией, когда его телефон зазвонил. Он был в курсе празднования "Дня независимости", но гораздо больше его интересовало то, что в тот день была достигнута отметка «10 дней до сближения с Плутоном». Космический корабль «Новые горизонты», бывший основной темой его карьеры последние 14 лет, находился всего в 10 днях от своей цели — встречи с наиболее удалённой из исследованных [карликовых] планет.
Алан в тот день был погружён в работу, занимаясь подготовкой к сближению. Он уже привык, что во время последней фазы миссии ему не удавалось выспаться, но в тот день он проснулся вообще посреди ночи, и уехал в операционный центр миссии (ОЦМ), чтобы загрузить большой и очень важный набор компьютерных инструкций, который будет управлять космическим кораблём во время сближения. Этот набор команд представлял собой результат десяти лет напряжённой работы, и тем утром его отправили по радиоволнам со скоростью света, нагонять «Новые горизонты», пока корабль приближался к Плутону.
Алиса Боумен [Alice Bowman], менеджер операций миссии, или МОМ, за работой. На работе все называют её МОМ [англ. mom – мама / прим. перев.] или ОЦМ. Фотография сделана в момент последнего пробуждения корабля из состояния гибернации 6 декабря 2014 года. Боумен сказала: «Судя по всему, я тогда спрашивала по поводу изменений конфигурации или по поводу телеметрии, которую я наблюдала на мониторах».
Алан взглянул на звонящий телефон и удивился тому, что его вызывал Глен Фаунтейн [Glen Fountain], уже довольно долго работавший менеджером проекта «Новые горизонты». У него по спине пробежал холодок, поскольку он знал, что Глен сейчас в отпуске, отдыхает в своём доме неподалёку, перед последней, самой интенсивной фазой миссии, сближением. Зачем Глену понадобилось ему звонить?
Алан поднял трубку. «Глен, что случилось?» «У нас пропала связь с кораблём». Алан ответил: «Встретимся через пять минут в ОЦМ». Он повесил трубку, и несколько секунд сидел за столом, в шоке, недоверчиво качая головой. Ни один космический корабль не должен внезапно терять связь с Землёй. Такого никогда не случалось с «Новыми горизонтами» раньше, за все девять лет полёта от Земли к Плутону. Как же это может случиться сейчас, всего за 10 дней до Плутона?
* * *
За девять долгих лет путешествия к девятой планете радиосвязь с «Новыми горизонтами» была спасательным тросом, позволявшим команде связываться с кораблём, управлять им, получать его статус и данные его наблюдений. Чем дальше корабль уходил на окраину Солнечной системы, тем больше становились временные задержки, и время соединения увеличивалось вплоть до девятичасового промежутка, необходимого для того, чтобы радиосигнал прошёл туда и обратно, перемещаясь со скоростью света.
Чтобы оставаться на связи, «Новые горизонты», как и все космические корабли на дальних рубежах, полагаются на малоизвестное и невоспетое чудо изучения планет: сеть дальней космической связи НАСА (Deep Space Network, DSN). Это трио гигантских параболических антенн, расположенных в Голдстоуне (Калифорния), в Мадриде (Испания) и в Канберре (Австралия). Они без пауз передают друг другу обязанности по передаче сообщений в процессе вращения Земли вокруг своей оси. Эти три станции так распределены по планете, что вне зависимости от местонахождения корабля в глубоком космосе, в любое время хотя бы одну из этих антенн можно направить на него.
Но в тот момент DSN потеряла связь с одним из наиболее ценных активов, «Новые горизонты».
Если бы это был аппарат на орбите, или вездеход, в безопасности находящийся на поверхности чужой планеты, то команда не спеша могла бы проанализировать проблему, выработать рекомендации, попробовать различные варианты действий. Но миссия «Новые горизонты» заключалась в сближении с небесным телом. Корабль мчался к Плутону со скоростью 1,2 млн км в день, или более 50 000 км в час. Вернётся он в рабочее состояние, или нет – он в любом случае пролетит мимо планеты 14 июля, и никогда больше туда не вернётся. Нельзя было остановить корабль и разобраться с проблемой. Был лишь один шанс получить сведения о Плутоне – у корабля не было страховки, второго шанса, способа отложить свидание с карликовой планетой.
* * *
Незадолго до этого, в тот день 4 июля, Алиса Боумен, чрезвычайно компетентный и хладнокровный руководитель миссии, ветеран с 14-летним стажем на должности менеджера операций миссии (отсюда прозвище МОМ), была в ОЦМ с небольшим составом операционных работников, ожидая отчёт с «Новых горизонтов», в котором должно было быть упоминание об успешном получении и установке новых инструкций. Корабль должен был, следуя этому длинному списку команд, произвести сотни научных наблюдений в течение девяти дней, когда он ближе всего подбирался к Плутону. Этот тщательно протестированный список команд был центральным для всей миссии, и его успешная передача и выполнение должны были управлять каждым поворотом и движением корабля, каждым занесением информации в память, каждой передачей данных к Земле, каждым снимком камеры и так далее.
Примерно в час дня, точно вовремя, начали приходить первые сигналы, подтверждающие получение списка команд. Алиса:
Всё шло прекрасно, до 13:55. Внезапно мы полностью потеряли связь с кораблём. Молчание. Ничего. Связь потеряна, и не возвращается.
В девяти случаях из десяти при потере сигнала проблема заключается в наземной станции – что-то не так настроено, или типа того. Поскольку эта загрузка была очень важной, мы держали всех инженеров, операторов по сети, на связи Мы называем их акронимом NOPE [Network OPerations Engineers]. А ещё у нас есть Асы Плутона – это контролёры из нашего центра операций. Поэтому мы попросили Асов Плутона попросить NOPE, работавших в Австралии, проверить конфигурацию системы. И по результату всех проверок с наземной системой всё оказалось в пределах нормы.
А это означало, что проблема была не на Земле – не в Мэриленде, где собрались Алиса и её команда Асов Плуто, не в Австралии, где все NOPE собрались на станции дальней космической связи в Канберре, получавшей сигнал с «Новых горизонтов». Потеря сигнала означала проблему с самим кораблём.
Потеря сигнала – одна из самых неприятных проблем, с которыми может столкнуться команда контроля миссии. Она означает утерю связи с Землёй. Но это не самое плохое. Ведь возникновение такой проблемы может означать, что на космическом корабле произошёл катастрофический сбой. Алиса почувствовала укол незнакомого ранее страха:
Вам знакомо такое чувство в животе, когда что-то происходит, и вы не можете в это поверить? С начала нашего путешествия прошло девять с половиной лет, и я не могла поверить случившемуся – мы никогда ещё не теряли связи. 5-10 секунд можно позволить себе ощутить страх и недоверие, но потом включается всё то, что мы усвоили во время тренировок.
«Новые горизонты» всё ещё находился в миллионах километров от Плутона, и любых опасностей, которые тот мог собой представлять. Шансы на столкновение с каким-то телом в межпланетном пространстве были абсурдно малы. Тем не менее, всей команде пришла ужасная мысль: не могло ли это быть столкновение с чем-либо?
* * *
У команды была телеметрия, полученная с корабля перед тем, как он замолчал, и Крис Херсман (руководитель команды инженеров корабля) со своими инженерами, которые продолжали прибывать в центр, уже выработали кое-какие рабочие идеи. Они довольно быстро обнаружили, что незадолго до момента, когда связь прервалась, главный компьютер корабля выполнял две программы одновременно, и обе они были достаточно требовательными к оборудованию. Одна из задач была связана со сжатием 63 изображений Плутона, полученных до этого, для освобождения места в памяти для новых изображений, которые нужно было получать при сближении. Одновременно компьютер получил обновление с Земли и сохранял его в памяти. Мог ли компьютер оказаться перегруженным этими вычислительными задачами, и перезапуститься?
Это была теория Брайана Бауэра. Он был системным инженером по автономной работе, программировавшим процедуру восстановления, которую должен был выполнить корабль в такой ситуации. Брайан сказал Алисе: «Если произошло именно это, то корабль перезагрузится при помощи вспомогательного компьютера, и через 60-90 минут мы получим сигнал о том, что он работает со вспомогательного компьютера».
Кто-то описывал Первую Мировую войну, как «месяцы скуки, перемежающиеся мгновениями ужаса». То же можно было сказать и о долгосрочных космических миссиях. Это был долгий и ужасающий час, проведённый в ожидании и надежде на получение сигнала с корабля. Инженеры, Асы, а также Алиса, Глен и Алан ждали все эти долгие минуты, подготавливая планы на случай, если гипотеза Брайана окажется неправильной. Но, конечно же, через 90 минут с корабля пришёл сигнал о том, что он переключился на вспомогательный компьютер.
Связь была восстановлена, и страх перед катастрофой потери корабля испарился. Но кризис на этом не закончился – он лишь перешёл в новую фазу.
ОЦМ и прилегавшие комнаты быстро заполнялись инженерами, членами команды управления полётом, и другими людьми, участвующими в проекте, прервавшими свои выходные для того, чтобы приехать и помочь проекту. Прибывали люди, одетые в шорты и вьетнамки, в одежде для пикника – они бросили всё, и спешили добраться до ОЦМ.
Получая всё больше телеметрических данных от своей птички, они обнаружили, что все файлы со списком команд для выполнения во время сближения, которые они загрузили в основной компьютер, стёрлись в тот момент, когда корабль перезагрузился с вспомогательного. Это означало, что всю последовательность команд, отправленную тем утром, необходимо было отправить вновь. Что ещё хуже, необходимо было заново отправить и множество вспомогательных файлов, необходимых для выполнения основного списка команд, некоторые из которых загружали на корабль ещё в декабре. Алиса вспоминает: «Нам ещё никогда не приходилось восстанавливаться от подобной аномалии. Вопрос был в том, хватит ли нам времени на запуск процедуры сближения, которая должна была начаться 7 июля?»
В комнате для изучения данных такой вид можно было наблюдать каждый раз при получении новых изображений Плутона
Это означало, что у команды оставалось всего три дня на то, чтобы «Шалтая-Болтая собрать», причём сделать это нужно было на расстоянии в 5 млрд км. Если бы им это не удалось, то каждый день они теряли бы десятки возможностей провести наблюдения за Плутоном с близкого расстояния, бывшие частью тщательно разработанных планов. Команда неожиданно оказалась в условиях, когда за три дня нужно было восстановить всё, на что они потратили годы планирования и месяцы загрузок.
Процесс возвращения корабля в рабочее состояние после любой аномалии построен на проведении формальных встреч Комиссии по аномалиям (Anomaly Review Boards, ARB). Вскоре после 16 часов, всего через 45 минут после восстановления связи с кораблём, первая встреча комиссии состоялась в переговорной, соседней с ОЦМ.
На этой вводной встрече членам команды необходимо было оценить, что произошло, понять, как восстановить план сближения, и как удостовериться в том, что в процессе восстановления они не сделают ничего такого, что может привести к появлению ещё одной проблемы. То, как сильно они были отброшены назад из-за загрузки с вспомогательного компьютера, ошеломляло. Они быстро оценили, что им нужно будет воспроизвести несколько недель работы всего за три дня, чтобы запустить процедуру сближения 7 июля. И всё это необходимо было сделать без единой ошибки.
Что ещё хуже, каждую команду нужно было выполнять удалённо, в условиях, когда сигналу на проход туда и обратно потребуется девять часов. В школе рассказывают о большой скорости света, о том, как сигнал на этой скорости может обогнуть Землю за восьмую долю секунды, а долететь до Луны и обратно всего за две с половиной секунды. Но для команды «Новых горизонтов», пытавшихся восстановить работу корабля, когда он приближался к Плутону, огромное расстояние от Земли до корабля делало скорость света мучительно медленной.
* * *
Люди, собиравшиеся на встречу комиссии, знали, что ввиду всего этого внимания со стороны СМИ, весь мир скоро узнает, что «Новые горизонты» споткнулся почти в конце своего пути. Всего через 10 дней космический аппарат пролетит через систему Плутона – ничто не может остановить небесную механику – но будет ли он при этом собирать всю ту информацию, ради которой он проделал путь длиною почти в десять лет, это уже совсем другой вопрос.
Алан и Глен открыли собрание, рассказали участникам, что никогда не видели более хорошей команды, чем та, что работает над «Новыми горизонтами», и что если какая команда и сможет восстановить его работу, так это именно те люди, что собрались в комнате. Затем слово взяла Алиса, и начала разрабатывать план восстановления.
Она сразу уточнила у Алана, какие именно научные наблюдения будут потеряны в этот день и в следующие три дня перед тем, как 7 июля должна будет запуститься последовательность команд для сближения. Ей нужно было понять, считает ли руководитель команды необходимым попытаться восстановить и эти наблюдения, кроме того, чтобы перенастроить корабль и загрузить все файлы и команды, необходимые для процедуры сближения. Алан:
Я не стал обсуждать этот вопрос с учёными из нашей команды, находившимися в комнате. Я даже не дал сказать слова моему главному специалисту по планированию сближения, Лесли. Я знал, что Алисе необходимо чёткое направление работ, без всяких двусмысленностей, и что им надо сконцентрироваться на главном событии, а не на предварительных наблюдениях, которые мы теряли из-за простоя аппарата после перезагрузки. Я сказал Алисе, чтобы они не отвлекались ни на что, кроме возвращения аппарата в рабочее состояние, и запуска процедуры сближения.
Алиса получила свои указания. Её единственной работой было спасти основную последовательность команд для сближения, всем остальным можно было пожертвовать. Но можно ли было сделать это вовремя?
Алиса с командой быстро, но тщательно составили план восстановления. За последующие три дня им необходимо было разработать процедуры, возвращавшие космический корабль обратно на работу с основного компьютера, заново отправить все потерянные команды и вспомогательные файлы из основного списка команд, и проверить всё это на симуляторе работы корабля NHOPS (New Horizons Operations Simulator) перед непосредственной реализацией, чтобы гарантировать, что каждое действие сработает с первого раза – пространства для повторных действий не оставалось. Они знали, что запуск основного списка команд назначен на полдень 7 июля. Поэтому команда Алисы подсчитала остававшееся до этого момента время, и поделила его на девятичасовые отрезки, время путешествия сигнала туда и обратно. За девять часов можно было отправить каждый набор процедур на корабль и получить подтверждение того, что они были успешно выполнены. Учтя всё остальное, что нужно было выполнить здесь, на земле, они обнаружили, что успеют провести всего три таких цикла коммуникаций перед тем, как основной список команд запустится днём 7 июля.
В связи с этим восстановление нужно было разбить на три шага. Сначала команда должна скомандовать кораблю восстановить нормальный режим связи вместо чрезвычайного. Это поднимет скорость коммуникаций в 100 раз и позволит выполнить все остальные действия вовремя. Они оценили, что только на этом, первом шаг уйдёт полдня на то, чтобы запрограммировать эту процедуру, протестировать её, отправить на корабль и получить подтверждение об успешном запуске. Тик-так.
Затем команда скомандует кораблю перезагрузиться с основного компьютера. Это было необходимо для выполнения основного списка процедур во время сближения. Во время полёта им ещё ни разу не приходилось делать такую перезагрузку. Поэтому для этого было необходимо разработать процедуру, запрограммировать её, проверить на NHOPS, а потом тщательно изучить результаты проверки перед тем, как отправить её на корабль. Наконец, команде придётся методично восстанавливать все вспомогательные файлы и запустить программу сближения. Разработка этого плана завершилась только к полуночи, и времени терять было нельзя – с потери сигнала прошло уже почти 10 часов. Тик-так.
Команда Алисы, работая в тесной связке с командой, обслуживающей системы корабля, которой руководил Крис Херсман, написали, проерили и отправили первый набор команд где-то через 12 часов после того, как они восстановили связь с кораблём, примерно в 3:15 утра 5 июля.
Девять часов спустя, днём пятого числа, ОЦМ получила подтверждение о восстановлении нормального режима связи! Однако к этому моменту прошли уже сутки, и корабль покрыл расстояние в полтора миллиона км, приближаясь к своей цели, к Плутону. Первый шаг восстановления был завершён, но до запуска основного списка команд оставалось всего два дня. Тик-так.
* * *
Команда «Новых горизонтов» организовала свою работу и свою жизнь на следующие несколько дней так, чтобы вписаться в девятичасовые циклы связи с космическим кораблём. Они работали с очень малым количеством часов сна и с очень большим объёмом адреналина. Они работали вместе более десяти лет и сталкивались с проблемами космического аппарата и до этого, но никогда ещё не случалось проблемы такого масштаба и с такой ценой ошибки. Она требовала круглосуточного присутствия в центре управления, и команда обеспечила всё необходимое для этого.
Глен вспоминает: «Команда просто сделала то, что от неё требовалось. Я начал искать, где бы людям можно было поспать, что-то более удобное, чем пол в их офисе». Алиса вспоминает: «Мы нашли койки, одеяла и подушки, а кто-то притащил надувные матрасы. Их не хватало, поэтому мы использовали их по очереди». Алан:
Это надо было видеть. Без единой жалобы люди работали день и ночь – даже не переодеваясь, без наличия мест для удобного сна или душа, в некоторых случаях – четверо суток подряд. Некоторые люди спали на столах. Некоторые спали по два-три часа в день. Обедать в кафетерии было некогда. Некоторые люди у нас занимались только тем, что доставляли еду и кормили остальных.
Чтобы гарантировать правильную работу всех проделанных шагов, было просто необходимо проверять каждую процедуру на NHOPS. Поскольку эта система прекрасно эмулировала космический корабль, на неё можно было проверять все команды, находить ошибки, чтобы в итоге убедиться, что все отправленные на корабль команды не содержали ошибок.
Оказалось, во время восстановительных работ ситуацию спасло одно решение, сделанное много лет назад. Алан как-то переживал о том, что у команды не было страховочной копии NHOPS, что дал задание построить его дублёр. А в выходные 4 июля оказалось, что для проверки всех новых процедур на единственном симуляторе просто не хватило бы времени. Поэтому второй NHOPS использовался в качестве дублёра, благодаря чему количество тестовых прогонов удалось увеличить в два раза. Если бы второго симулятора не было, на всё восстановление ушло бы на несколько дней больше, и огромное количество уникальных научных данных было бы утеряно навсегда.
Промежуточный шаг вывода «Новых горизонтов» из безопасного режима и переключения на основной полётный компьютер при помощи процедур, протестированных на NHOPS-1 и NHOPS-2 оказался успешным, что подтвердила телеметрия, отправленная кораблём 6 июля.
После этого корабль нужно было сконфигурировать точно так же, как перед самой попыткой загрузки набора команд для работы при сближении 4 июля, а затем, в качестве последнего шага, снова отправить все эти команды, вкупе с десятками вспомогательных файлов, утерянных при перезагрузке компьютера. На все эти шаги, на тестирование их на симуляторах, на несколько встреч комиссии по аномалиям, где каждый шаг был спланирован и утверждён, ушло всё 6-е июля.
И, каким-то образом, утром 7 июля вся восстановительная работа была завершена. Измотанная до предела команда сумела вернуть космический корабль в рабочий режим и подготовить его к сближению. Они закончили, имея в запасе всего четыре часа до того момента, как надо было запускать команды по списку.
* * *
Какие научные данные были утеряны из-за аномалии 4 июля и восстановления? Спасая ситуацию, Алиса с командой чётко следовали указаниям Алана «делать всё возможное» для спасения основного списка команд. В итоге они загубили все наблюдения, которые могли пройти в течение трёх дней, ушедших на восстановительные работы, поскольку заново спланировать их, одновременно выводя корабль из безопасного режима и готовя его к запуску процедуры сближения, было совершенно невозможно.
Однако команде Алисы удалось спасти 63 изображения, которые сжимал компьютер в момент наступления аномалии. Эти изображения необходимо было сжать для сохранения в памяти, а более крупные, необработанные, удалить, чтобы в памяти осталось больше места для данных о сближении. Во время операций восстановления команда Алисы обнаружила незанятое окно в работе корабля, и сумела изменить график сжатия изображений, сохранив каждую из 63 бесценных фотографий.
А что же со всеми наблюдениями, которые должны были проводиться при подлёте к планете, но не произошли из-за восстановительных работ? Алан дал задачу главному планировщику процедуры сближения Лесли Янг сформировать команду специалистов по особо сложным случаям и обдумать это положение. Лесли и её команда в течение трёх дней восстановительных работ изучали каждую из утерянных возможностей для наблюдения и её влияние на научный отклик миссии. Они обнаружили, что в каждом случае наблюдение можно было сделать и позже, с более высоким разрешением или с более близкого расстояния, в результате чего не пострадали никакие задачи, за исключением одной. Речь идёт о последнем поиске спутников Плутона, который планировали на 5 и 6 июля, когда корабль находился на достаточно большом расстоянии от планеты, чтобы сделать изображения пространства вокруг неё. Этот поиск должен был идти с чувствительностью в несколько раз большей, чем поиск, который проводился за несколько дней до этого. Когда все изображения, предназначенные для поисков спутников, были тщательно изучены командой «Новых горизонтов», то ни одного спутника не было найдено. Это удивило многих членов команды, поскольку каждый раз, когда космический телескоп Хаббла рассматривал что-либо более тщательно, он всегда находил новые спутники. Обнаружил бы «Новые горизонты» спутники в ту последнюю, наилучшую попытку поиска, которая не состоялась? Никто не знает, и узнаем это мы лишь тогда, когда к Плутону прибудет какая-нибудь следующая миссия, чтобы поискать их заново.
Алан Стерн – научный руководитель миссии «Новые горизонты», управляющий проектами НАСА по изучению системы Плутона и пояса Койпера. Планетолог, исполнительный директор космической программы, консультант по аэрокосмонавтике, автор книг, участник двух десятков научных космических миссий.
Дэвид Гринспун – астробиолог, популяризатор науки, автор.
Отрывок из книги «В погоне за новыми горизонтами: Внутри эпической первой миссии к Плутону» (Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto by Alan Stern and David Grinspoon, 2018).
Комментариев нет:
Отправить комментарий