Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0»

в 11:30, , рубрики: Beresheet, Beresheet 2.0, IAI, Israel To The Moon, moon, orbit, space, SpaceIL, TeamSpaceIL, астрономия, Берешит, Израиль, космонавтика, лунная миссия луноход, Научно-популярное

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 1

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.

Ранее опубликованные материалы о миссии «Берешит»:

1. Лунная миссия «Берешит» – онлайн портал с симулятором траектории и мониторингом текущих параметров полета.

2. Лунная миссия «Берешит» – селфи на фоне Земли.

3. Лунная миссия «Берешит» – инженеры в ЦУП SpaceIL и Israel Aerospace Industries‏ (IAI) решили возникшие проблемы.

4. Лунная миссия «Берешит» – характеристики аппарата, серия маневров и самый длинный путь на Луну.

5. Лунная миссия «Берешит» — четвертый маневр завершен успешно, идет подготовка к выходу на Лунную орбиту.

6. Лунная миссия «Берешит» – первое видео с бортовой камеры и новые фотографии в космическом пространстве.

7. Лунная миссия «Берешит» — восемь вех успеха и 1 миллион долларов от «XPRIZE Foundation» (при условии удачной посадки).

8. Лунная миссия «Берешит» — 4 апреля 2019 совершен переход на лунную орбиту, впереди 7 дней полета, 6 маневров и 1 посадка.

9. Лунная миссия «Берешит»: посадка-авария-падение на Луну.

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).

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 2

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):

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 3

Основные характеристики миссии и лунного аппарата «Берешит»:

— начало миссии: 22 февраля 2019 года;

— 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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 4

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).

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 5

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):

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 6

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).

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 7

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 8

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:

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 9

Бортовой компьютер.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 10

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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 11

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 12

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:

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 13

Как зависала система телеметрии:

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 14

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 15

Вот что видели инженеры в ЦУП при посадке, согласно данным телеметрии:

Штатный режим посадки:

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 16

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 17

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 18

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 19

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 20

А вот тут уже начались проблемы с отключением двигателя, «зависанием» данных телеметрии и нештатными показаниями скоростей, которые на расчетных высотах должны быть совсем другие.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 21

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 22

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 23

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 24

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 25

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 26

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 27

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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 28

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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 29

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):

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 30

Таким образом, найти хоть что-то от аппарата «Берешит» будет очень сложно, так как район поиска очень обширный:

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 31

Хотя немного понятно, где искать (200 км до зоны посадки «Apollo 11»):

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 32

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».

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 33

Что же будет дальше с миссией «Берешит»?

Анонсирована разработка нового космического проекта — «Берешит 2.0»

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 34

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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 35

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.

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 36

No dream is beyond your reach, if you truly want it!

И на сладкое:

Lego model of Beresheet

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 37

Лунная миссия «Берешит» — разбор аварии, анонсирование запуска разработки аппарата «Берешит 2.0» - 38

Автор: Денис

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js