Книги

Ошибки мировой космонавтики

22
18
20
22
24
26
28
30

В 2023 году во время выхода в открытый космос космонавтов Сергея Прокопьева и Дмитрия Петелина в радиоэфире раздалась фраза на испанском языке: «Ты сказал один, пять, ноль по улице Иригойен?» Судя по всему, таксист из Аргентины попросил у космонавтов уточнить адрес. Добрался водитель до места или нет, неизвестно.

На корабле «Зонд-5» стояло оборудование по тестированию связи для пилотируемого полета на Луну. Павел Попович и несколько других космонавтов произносили стандартные для космического полета фразы, корабль регистрировал их и отправлял обратно. Эти переговоры прослушивали в США. Разведка очень сильно напряглась, так как их пилотируемый полет только готовился. Если бы человек из СССР оказался на Луне первым, это означало бы окончательный проигрыш в космической гонке. В администрации США поднялись нешуточные волнения. Об этом узнали в СССР. Тогда Павел Попович решил пошутить и отправил в эфир сообщение о готовности высадиться на Луну. В Америке быстро разобрались, что это розыгрыш, и людей на корабле не было. Хотя на «Зонде-5» все же были пассажиры – две черепахи. Русские инженеры получили нагоняй от начальства. Руководство страны не хотело сообщать никакой информации о ходе работ по лунной программе, чтобы противники не стремились форсировать события, а теперь из-за нешифрованной радиосвязи американские ученые могли догадаться о стадии программы. Действительно, после этого NASA ускорило создание своего лунного корабля.

Спутники связи, радио- и телевещания, предназначенные для людей, испытывают те же проблемы.

Galaxy 15 был спутником-ретранслятором, то есть принимал радиосигналы с наземных пунктов телевещания и отправлял их пользователям спутникового телевещания на Земле. Он проработал половину своего срока эксплуатации, но из-за космической радиации его компьютер вышел из строя. При этом контроль был потерян, но радиопередатчики и автоматические системы продолжали работать. Оказалось, что это даже хуже, чем полное отключение. Galaxy 15 начал дрейфовать, смещаясь по геостационарной орбите, и своей работой мешал другим спутникам, например, Anik F2, SES-1, AMC-11. Тогда у инженеров возник план. Раз спутник может принимать и отправлять сигналы, то можно послать ему такой сигнал, который заставит компьютер на борту перезагрузиться. Однако этот план привел только к тому, что сломалось еще несколько систем. В скором времени после разрядки аккумуляторов Galaxy 15 окончательно отключился. Когда же солнечные батареи зарядили спутник повторно, его компьютер перезапустился. Были восстановлены все системы, и аппарат еще двенадцать лет после этого проработал по назначению, превысив заявленный срок службы.

Радиолюбительский спутник AMSAT-OSCAR7, проработав пять с половиной лет, тоже вышел из строя, а потом ожил. После короткого замыкания в аккумуляторе он перестал выходить на связь. Орбита спутника была такова, что в определенный момент он на долгое время зашел в тень Земли и его аккумуляторы перестали заряжаться. Не получая энергию, они быстро разрядились. Системы связи отключились от аккумулятора и подключились напрямую к солнечным батареям. Когда спутник вышел из тени, он продолжил работать как ни в чем ни бывало. Однако к тому времени головной разработчик уже не следил за аппаратом, посчитав его утерянным. А вот антиправительственные подпольные организации в Польше решили этой ситуацией воспользоваться и приспособили официально мертвый, но еще функционирующий спутник для своих целей. С помощью радиолюбительской связи группировка «Боевая солидарность» передавала сообщения своим активистам в разных городах. Телефоны прослушивались, а про спутник правительство и не подумало.

Радио в космонавтике используется не только для общения, но и для управления. Инженеры занимались прежде всего системами управления для ракет. Во время тестирования ракет Р-1 в 1949 году было четыре не очень удачных старта, когда ракеты заметно промахивались мимо цели. Тут сыграла свою роль ионосфера. Ученые стали указывать именно на ионы в атмосфере и их влияние на радиокоманды. Однако выяснилось, что это была не главная причина. При вертикальных пусках, пока работал двигатель, информация с ракеты практически не поступала или шла со сбоями. Как только двигатель выключался, устанавливалась надежная связь, особенно в десятисантиметровом диапазоне. Дело было в двигателе, а вернее, в факеле горящего топлива. Температура горения была такой, что атомы газов – как атмосферы, так и топлива – разрушались на отдельные заряженные элементарные частицы. Получалась плазма, которая влияла на радиокоманды, создавала шум и как следствие снижала точность. Особенно сложно было, если радиоволны шли вслед за ракетой. Для лучшего контроля требовались рабочие радиостанции впереди или хотя бы вдоль курса полета. В итоге на каждом полигоне необходимы были три наземных пункта радиоуправления. Два из них должны были располагаться симметрично по обе стороны от места старта на расстоянии от 150 до 250 км, а третий должен был быть удален на 300–500 км. Это условие привело к тому, что космодром Байконур строился в обширных казахстанских степях со сложным и неприятным климатом. Правда, уже через пять лет инженеры приняли решение вообще отказаться от радиоуправления в первые минуты полета.

На орбите другое дело. В прошлой главе «Давление» описывался случай разгерметизации модуля «Спектр» орбитального комплекса «Мир» в результате столкновения с грузовым кораблем «Прогресс М-34». Причиной аварии стала неверная работа системы дистанционного управления. На борту грузового корабля была установлена телекамера и система управления по радиокомандам. А на борту «Мира» был смонтирован ранее привезенный пульт дистанционного управления. Система получила имя ТОРУ (телеоператорный режим управления). В качестве эксперимента космонавты Василий Циблиев и Александр Лазуткин для проверки эффективности попробовали совершить стыковку корабля «Прогресс М-33». Прилетевший ранее грузовик отстыковали от станции и отключили автоматические системы. Вот только на экране ТОРУ космонавты никакого изображения, кроме помех, не увидели. Это был полет вслепую. О стыковке речи уже не было, и теперь встал вопрос, как отвести корабль подальше, чтобы он не столкнулся со станцией. Одно неловкое движение – и могло произойти столкновение. На этот раз обошлось. «Прогресс М-33» прошел в 20 м от станции.

Вторая попытка была предпринята на следующем грузовом корабле «Прогресс М-34». На этот раз камера работала. После отстыковки автоматическая система была отключена. Чтобы не возникло помех, отключили всю систему, в том числе и датчики расстояния и скорости. Циблиев разместился за пультом и начал проводить повторную стыковку. Он аккуратно, постоянно притормаживая, старался держать стыковочный узел станции в центре экрана, но из-за инерции и причудливых законов орбитального движения это удавалось с трудом. Согласно ТОРУ, все шло неплохо, и до станции оставалось 24 метра. Тогда Лазуткин посмотрел в иллюминатор. В ожидаемом месте «Прогресса» не было, а был он уже метрах в двух от модуля «Спектр». Причем скорость его была больше, чем требуется. Лазуткин прокричал отвод. Тут в самый важный момент космонавт за пультом совершил неловкое движение, ручка управления дернулась. Корабль протаранил станцию и пробил ее корпус. После аварии на Земле все космонавты отряда попытались смоделировать ситуацию на тренажере, и был сделан вывод, что стыковку при работе ТОРУ в условиях, которые сложились при полете «Прогресс М-34», осуществить было практически нереально. Только двум самым опытным космонавтам удалось ее выполнить, и то со второй попытки. В дальнейшем от телеоператорного режима инженеры отказались вовсе.

Радиоволны помогают в отслеживании космических кораблей. Технология радиолокации позволяет измерять расстояние до объекта по отраженной от объекта радиоволне. Так, например, произошло во время первого полета на Луну автоматической станции. У «Луны-1» возникли проблемы с радиослежением – взошло Солнце. Наше светило излучает не только свет, но и радиоволны, которые стали отражаться от ионосферы планеты во время восхода. Они явились причиной появления шума, и найти в нем отраженный от маленького шарика сигнал не удавалось. К слову сказать, подобный эффект был известен и раньше. Во времена Второй мировой войны, чтобы скрыться от радаров, авианалеты осуществлялись во время восхода солнца. На следующих миссиях для радиопередатчиков добавили дополнительный канал связи на частоте с низким коэффициентом отражения.

При старте американского корабля «Меркурий-Атлас-9» у радистов на Земле возникли проблемы с локатором. Его антенна показывала неверный угол поворота относительно горизонта. Угол направленности был очень большим. Без этого параметра невозможно было определить высоту корабля. Пока радар настраивали, заглох дизельный двигатель, отводящий колонну, на которой работает персонал для подготовки ракеты-носителя к старту. Когда инженеры проводили починку в радиолокаторе, вышел из строя преобразователь данных. Усилитель мощности в нем не работал из-за отказов тефлоновых колец, поэтому слабые колебания и изменения частоты и фазы радиоволны было не различить. Починить устройство так и не удалось, и инженеры решили воспользоваться запасным усилителем. Старт откладывался несколько раз, и в ожидании астронавт Гордон Купер решил вздремнуть в корабле и заснул очень крепко. Полтора часа сотрудники космодрома мучились и в итоге решили перенести старт на сутки, а астронавт тем временем продолжал спать. Его никто не разбудил. Шесть часов Купер провел в сладкой дреме внутри ракеты-носителя. После этого он проснулся и как ни в чем не бывало спокойно пошел на рыбалку. Выдержке астронавта можно только позавидовать. На следующий день старт был осуществлен.

Радиоволны использовались и для стыковки космических аппаратов. Узконаправленная параболическая антенна-тарелка позволяет сконцентрировать радиоволну и заставить ее двигаться в виде луча по прямой линии. На одном корабле такая антенна испускает сигнал, на другом – принимает. Если луч от первого аппарата не направлен во второй, значит, корабли не на одной линии, а это в свою очередь означает, что автоматической системе нужно выдать команду на изменение траектории. Так называемый радиозахват позволяет без участия человека проводить маневры сближения и стыковки. В миссию кораблей «Союз-7» и «Союз-8» входила стыковка, но когда космические аппараты сблизились, радиозахвата не произошло. На борту находились космонавты, и они могли взять управление в свои руки, но оказалось, что для ручного процесса не хватает нескольких индикаторов. Не зная точных значений скорости и расстояния, экипажи не могли выполнять маневры.

Другой случай произошел во время полета «Союза Т-8». В его ходе не до конца раскрылась антенна. В неверном положении она привела бы не к стыковке со станцией, а к столкновению с ней. Причем в ручном режиме тоже ничего сделать было нельзя, так как та же антенна выполняла функцию радара и отвечала за определение расстояния и угол отклонения. Владимир Титов, Геннадий Стрекалов и Александр Серебров вернулись на Землю ни с чем.

Виктор Афанасьев и Муса Манаров выходили в открытый космос с борта станции «Мир» и немного погнули антенну. Только этого никто не заметил. Теперь радиолуч был направлен не туда, куда надо, а вся система давала ложные команды на сближение. Первая после выхода в открытый космос стыковка должна была произойти с грузовым кораблем «Прогресс М-7». Но когда пришло время, корабль стал вилять. Первая мысль инженеров – неправильно распределили массу корабля. Были сделаны корректировки, но и вторая попытка сорвалась, причем «Прогресс» чуть не врезался в станцию. На контрольных видеокадрах обнаружилось, что проблема не в корабле, а в антенне. Затем выяснилось, что параболическая тарелка, которая направляет сигнал, вообще отлетела. Космонавты произвели ремонт, и некоторое время проблем со стыковкой не было.

На земле с отработкой системы сближения и стыковки «Игла» и «Курс» тоже были сложности. Радиоволна отражалась от корпуса корабля, и антенна иногда принимала сигнал с другой стороны. Эту проблему отлавливали во время испытаний. Однако попытка стыковки корабля «Союз-23» со станцией «Салют-5» не удалась. Система стыковки «Игла» выдавала разные данные. Автоматика показывала, что станция то близко, то далеко. Двигатель при этом тратил топливо то на разгон, то на торможение. Так как в это время космонавты Валерий Рождественский и Вячеслав Зудов станцию не видели, то не смогли обнаружить проблему. Когда проблема была найдена наземными службами по данным с радаров, топлива в корабле осталось мало, и было принято решение прекратить попытки стыковки и вернуть космонавтов на Землю. Сам главный конструктор комплекса «Игла» А. Н. Мнацаканян на одном из заседаний комиссии выдал фразу: «Дальнейшее использование “Иглы” смерти подобно. Надо быстрее внедрять “Курс”». Он хотел таким образом ускорить процесс создания новой системы «Курс». Однако руководители вместо того, чтобы снять с производства «Иглу», сняли с должности Мнацаканяна. Дело в том, что «Игла» уже была заявлена как система сближения и стыковки для следующих десяти кораблей, новой системы на замену нет, а станции, космонавты и научные программы не ждут. Уже другой конструктор, О. Н. Шишкин, продолжил дорабатывать «Иглу». «Курс» появился только через десять лет, в 1986 году.

Радиоволны помогают определять местоположение не только космических аппаратов на орбите. С их помощью люди на Земле тоже могут «найти себя». Этим занимаются спутники навигации. Четыре спутника определяют время, за которое радиоволна пройдет от приемника у пользователя на Земле до аппарата на орбите. Если умножить время на скорость света, получится расстояние. Зная расстояния до спутников, положение которых также известно благодаря обратному исследованию на выбранных опорных пунктах, можно установить координаты.

Хотя ионосфера раньше мешала космическим кораблям, но серьезных проблем не доставляла, то в данном случае она создавала большие трудности. Дело в том, что скорость света очень большая (~300 000 км/с), и если ошибиться во времени даже немного, то ошибка в расстоянии будет огромной. Первые три спутника навигационной системы «Циклон» («Космос-192», «Космос-220», «Космос-292») тестировались в 1969 году, тогда ошибка составляла 3 км. Правда, главной причиной была неверная информация о реальных координатах спутника, которые определяются теми же методами. Чтобы учитывать то влияние, которое оказывает атмосфера и ее слои на прохождение радиосигнала, использовалось и используется минимум два передатчика на разных частотах. Только теперь они нужны не для дублирования, а для расчетов. По разнице в скорости прохождения сигнала и по разнице угла его преломления можно рассчитать параметры атмосферы и внести поправки в координаты.

С определением координат спутника ученые тоже поработали. Новая система учитывает не только положение спутников относительно опорных пунктов, но и положение Земли в пространстве. Земля вращается неравномерно, есть приливы и отливы, есть прецессия и нутация, есть движение полюса и еще с десяток эффектов, меняющих положение планеты в пространстве. Хотя они и слабые, но для повышения точности нужно учитывать их тоже. Тогда на помощь пришла астрономия. В 1960-х годах ученые стали открывать интересные объекты – квазары. Это удаленные на немыслимое расстояние объекты, которые излучают радиоволны. Ближайший находится примерно в 23 084 182 000 000 000 000 000 км. На таком расстоянии, даже если квазар и двигается, на небе Земли это совершенно незаметно. С помощью радиосигналов от этих объектов астрономы определяют точное положение их в пространстве и на их основе создают опорную систему координат. Это увеличило точность навигационных спутников в разы.

Первая американская навигационная система Transit допускала ошибку в 200 метров, однако спутники этой серии использовали не только время прохождения сигнала, но и эффект Доплера. Это эффект изменения длины волны в зависимости от скорости передвижения. Когда источник сигнала и приемник движутся навстречу друг другу, то длина волны этого сигнала уменьшается, а частота увеличивается. Если волна распространяется между удаляющимися объектами, то она как бы растягивается, становится больше. Частота при этом уменьшается. Это легко наблюдать, вернее, слышать, когда гудит поезд. Если он едет на нас, то звук выше, а когда от нас, то ниже. Так как точки на Земле двигаются с разными скоростями, то, определив скорость по эффекту Доплера, можно уточнить координаты местоположения. Метод требовал сложных вычислений, так как надо было понимать, как относительно любой точки на Земле двигается спутник и какая у него должна быть относительная скорость. Тем не менее собранный для этой цели новый компьютер с задачей справлялся. Однако оставалась проблема: если приемник на Земле не стоит, а перемещается, то метод оказывался полностью бесполезен.

Современная российская система ГЛОНАСС точнее, но и она может сбоить. Как, например, в 2018 году из-за аварийного отключения электроэнергии на одном из наземных пунктов. На борт спутника не поступали его координаты, а без них информация о расстоянии бессмысленна.

Следующая после Transit американская навигационная спутниковая система, известная как GPS, эффект Доплера не использует. Изначально GPS использовалась только военными для наведения на цель или определения курса. Однако в 1983 году случилась трагедия, которая все изменила. Самолет Boing 747 летел из города Анкоридж на Аляске в Сеул в направлении, указанном радиомаяком. Экипаж включил автопилот, который стал следовать по магнитному курсу. Однако получившаяся прямая траектория проходила вглубь территории СССР, а у самолета не было разрешения входить в воздушное пространство другого государства помимо Южной Кореи, США и Японии. Система навигации самолета проблем не выдавала. Масла в огонь подлил разведывательный самолет США Boeing RC-135, который на радаре выглядит так же, как пассажирский самолет. Шпион курсировал вдоль границ СССР и пересекся с Boing 747. На радаре это выглядело как две сошедшиеся в одном месте точки, которые затем разошлись. Для перехвата самолета-разведчика, который начал пролетать над базой советских подводных лодок, в воздух был поднят истребитель Су-15. На запросы иностранный самолет не отвечал и с курса не сходил даже после предупредительных выстрелов. Тогда была отдана команда сбить противника. Но только этим противником оказался гражданский самолет. Разразился международный скандал огромного масштаба с обвинениями СССР во всех смертных грехах. И все же финансовая компенсация была востребована не с СССР, а с компании-перевозчика, чьи пилоты доверились технике и не выполнили, согласно официальному расследованию, полетных инструкций. Президент США после этого отдал приказ на внедрение технологий GPS в гражданскую сферу, чтобы координаты определялись точнее и чтобы такие ситуации не повторялись.