Один сломал, другой потерял

В среду, 15 октября, специалисты Центра космических полетов Годдарда при NASA начали проводить операцию по устранению поломки, из-за которой телескоп "Хаббл" с 27 сентября не передает на Землю никакой информации. Инженеры надеются, что за двое суток работы им удастся возобновить работу телескопа. Уже в четверг стало известно, что операция в целом прошла успешно.

"Хаббл" имеет долгую историю поломок и ремонтов. В том, что отдельные элементы сложного устройства, обращающегося в космосе без постоянного технического обслуживания (по крайней мере, без достаточно частого технического обслуживания), иногда выходят из строя, нет ничего удивительного. Но в случае с "Хабблом" имели место поломки, связанные не с износом деталей, а, скажем так, с человеческим фактором.

Немного истории. Кто виноват?

Еще до своего появления телескоп "Хаббл" был единственным в своем роде. Основным преимуществом этого телескопа перед земными аналогами должно было стать его расположение. "Хаббл" обращается вокруг Земли по орбите, высота которой составляет 589 километров. Отсутствие земной атмосферы позволяет "Хабблу" видеть значительно дальше своих "собратьев". Излучение космических объектов, проходя через окружающую Землю газовую оболочку, искажается и частично поглощается ею. Земная атмосфера почти полностью прозрачна для излучения только в двух диапазонах длин волн: оптическом и радиодиапазоне. Значительная часть ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения (которое существенно более информативно, чем оптическое и радиоизлучение, когда речь идет о космосе) не достигает оптики наземных телескопов.

Кроме выгодной позиции, "Хаббл" должен был обеспечивать недоступные до сих пор результаты благодаря высокоточной оптике. Чтобы итоговое разрешение телескопа соответствовало заданному, необходимо очень точно воспроизвести геометрические параметры зеркал. Одной из важнейших деталей оптической системы телескопа является так называемое главное зеркало. Главное зеркало "Хаббла" было рассчитано с ювелирной точностью.

Однако первые снимки, сделанные с помощью орбитального телескопа, разочаровали ученых. Их разрешение было выше, чем у наземных "коллег", однако до расчетного ему было очень далеко. Анализ фотографий показал, что "виновником" низкого качества снимков является именно главное зеркало. Его края были слишком плоскими. И хотя отклонение от "идеала" составило всего два микрометра (микрометр – одна миллионная метра), "Хаббл" стал "инвалидом". Свет, попадающий на края главного зеркала телескопа стоимостью несколько десятков миллионов долларов, отражался не в ту же точку, что свет, попадающий в центр зеркала. Такой дефект называется сферической аберрацией, и он хорошо знаком любителям фотографии.

Расследование показало, что причиной несоответствия теории и практики стала ошибка техника, изготовлявшего прибор, с помощью которого как раз и определяется, насколько форма "реального" зеркала соответствует форме "идеального". Одна из линз этого прибора оказалась сдвинута на 1,3 миллиметра, и он показывал, что зеркало "Хаббла" имеет верную форму. При этом два дополнительных прибора, используемых для гарантии, показали, что зеркало неидеально. Однако представители компании Perkin-Elmer, которая должна была изготовить зеркало, положились на показания основного прибора.

Что делать?

Помимо выяснения причин неудовлетворительных результатов и отношений с компанией-изготовителем, NASA (и европейское космическое агентство (ESA) – "Хаббл" является их совместным проектом) занялось поиском способов исправить ситуацию. "Пассивный" вариант устранения дефекта главного зеркала предполагал снижение чувствительности телескопа. Если посылать на камеры свет, отраженный только от центральной части зеркала (форма которой соответствовала проектной), а потом "подправлять" полученные изображения на компьютере, то можно получить изображения приемлемого качества. Однако при таком способе теряется до 80 процентов "увиденного" телескопом света.

Самый очевидный "активный" вариант – спустить "Хаббл" на Землю и заменить главное зеркало – был отвергнут как неоправданно дорогой. Вариант снять дефектное главное зеркало и поставить вместо него новое прямо на орбите был технически неосуществим. В итоге было решено остановиться на третьей возможности – надеть телескопу очки. Зная, в чем причина недостаточного разрешения оптики "Хаббла", инженеры смогли рассчитать параметры дополнительной насадки, которая этот дефект устраняет.

Корректирующий модуль получил название COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement). Он представлял собой систему зеркал, с помощью которых изменялась фокусировка отраженного от главного зеркала света. Изготовление блока корректирующей оптики обошлось налогоплательщикам (ведь NASA и ESA – это федеральные агентства) в 50 миллионов долларов. Кроме того, к стоимости "космических очков" можно прибавить стоимость высокоскоростного фотометра – прибора, которым пришлось пожертвовать для того, чтобы установить корректирующий модуль.

Ремонт телескопа был проведен во время первой космической экспедиции по обслуживанию "Хаббла". Заодно с установкой блока COSTAR астронавты должны были поменять широкоугольную/планетарную камеру, с помощью которой телескоп делает "панорамные" фотографии космоса, на улучшенную модель. Также астронавты должны были установить на телескоп другую систему, управляющую движением батарей, четыре гироскопа, обновить электронную "начинку" "Хаббла" и поменять еще часть систем "по мелочи". Когда шаттл "Индевор" (Endeavor) подлетел к телескопу, экипаж обнаружил, что у него сломана одна из солнечных батарей, но их в любом случае планировалось заменить.

Все запланированные ремонтные работы потребовали пяти длительных выходов в космос. Один из "ремонтников" с шаттла "Индевор", Джеффри Хоффман (Jeffrey Hoffman), так описал основные правила, которым астронавтам необходимо следовать во время починки телескопа: "Правило номер один: не повредите сами себя. Номер два: ради бога, не сломайте что-нибудь из того, что еще не сломано".

Все пять выходов в космос прошли нормально, и в 1993 году "Хаббл" наконец-то обрел нормальное зрение. В 1997, 1999 и 2002 годах были проведены еще три ремонтные экспедиции во время которых астронавты меняли установленные на телескопе приборы на более совершенные модели, снимали с телескопа вышедшую из строя технику и устанавливали новую. Самыми хрупкими приборами телескопа оказались гироскопы – устройство для измерения углов, благодаря которым "Хаббл" ориентируется в пространстве. Каждая экспедиция продлевала срок службы телескопа и делала его более устойчивым к космической "непогоде". Что случилось на этот раз, почему NASA решило отменить пятый полет к "Хабблу", и что инженеры пытаются сделать с Земли?

Наши дни. Все плохо?

Дату старта пятой ремонтной экспедиции откладывали несколько раз. В итоге было объявлено, что шаттл "Атлантис" (Atlantis) отправится на орбиту 14 октября. Экипаж должен был совершить пять выходов в открытый космос, заменить гироскопы, солнечные батареи, поменять широкоугольную/планетарную камеру на усовершенствованный аналог, установить новый спектрограф (с помощью которого астрономы надеются изучить, как во Вселенной происходит формирование больших объектов) и починить два сломавшихся прибора. Чтобы выполнить все эти непростые операции на орбите, астронавты долго тренировались на учебной модели "Хаббла" на Земле (это обычная практика, которая позволяет существенно уменьшить риск при работах в открытом космосе).

Миссия "Атлантиса" должна была стать одной их самых опасных за всю историю шаттлов. Угрозу для челнока представляет космический мусор, количество которого увеличивается со временем. В основном он состоит из останков спутников, большинство из которых обращаются по орбитам, высоты которых близки к высоте орбиты "Хаббла". При полете к МКС, которая находится на высоте около 350 километров над Землей, вероятность столкновения с мусором составляет 1:300. Во время визита к телескопу, высота орбиты которого, напомним, составляет 598 километров, этот параметр возрастает до 1:180.

О пользе запасов

"Атлантису" не пришлось испытать свою удачу. В ночь с 27 на 28 сентября у телескопа вышел из строя блок, отвечающий за хранение, форматирование и передачу данных. Теперь чтобы заставить "Хаббл" работать, команда "ремонтников" должна была поменять и этот блок. Однако на тренировку астронавтов у NASA уже не оставалось времени, поэтому запуск шаттла было решено отложить до декабря 2009 года.

Выяснилось также, что запасной блок, который хранился в Центре космических полетов Годдарда с 1990 года, может оказаться неисправным. По словам управляющего проектом "Хаббл" Престона Берча (Preston Burch), в последний раз блок проверялся в 1999 и 2000 годах, и в его работе были обнаружены неполадки. За восемь лет они так и не были исправлены. Кроме того, в запасном блоке, в отличие от основного, используется энергозависимая память. То есть, при отключении питания все накопленные данные теряются. Вероятно, в ближайшее время неисправности в запасном блоке форматирования данных попытаются устранить, но завершатся ли эти попытки успехом – неизвестно.

Однако ситуация не так плачевна, как может показаться на первый взгляд. Инженеры, проектировавшие многомиллионный "Хаббл", предусмотрели наличие в нем запасного блока. Так как до сих пор система обработки и передачи данных работала без перебоев, запасной блок последний раз включали почти 20 лет назад. Причем на Земле.

Для того чтобы перевести весь поток данных на запасной блок, необходимо было ввести "Хаббл" в режим безопасности (фактически, временно отключить его). В среду специалисты приступили к "перепрограммированию" телескопа в режиме 24/7. Чтобы перевести весь поток данных на запасной модуль, необходимо переподключить не только сами блоки, но и еще несколько устройств, входящих в систему передачи полученной телескопом информации на компьютер. После выключения и последующего включения необходимо проверить работоспособность каждого прибора. Соответствующие команды инженеры передают "Хабблу" с Земли.

До начала операции специалисты не были до конца уверены в том, что им удастся завершить ее. Однако в четверг, 16 октября, в прессе появились сообщения, что "Хаббл" вышел из безопасного режима и передал на Землю первые данные. Окончательно говорить о возобновлении работы телескопа можно будет в пятницу, когда будут проведены завершающие тесты и "Хаббл" начнет передавать на Землю данные в обычном режиме.

Казалось бы, если можно починить орбитальный телескоп, не приближаясь к нему, то зачем было отменять полет "Атлантиса" и начинать заново обучать астронавтов? Логика очень проста. Во-первых, теперь "Хаббл" остался без запасного модуля, так что если запущенная резервная система выйдет из строя, телескоп "замолчит" до того момента, как к нему доберутся астронавты. А вероятность того, что запасной блок может вскоре сломаться, существует.

С одной стороны, космос – хорошее место для хранения бездействующих приборов. Но с другой стороны, в отсутствие земной атмосферы все элементы телескопа подвергаются воздействию жесткого излучения и резких перепадов температур. Возможно, что те факторы, которые привели к поломке основного блока, также "подточили" и резервный. Так что заменять блок питания все равно придется, но сейчас появилась надежда, что до появления ремонтной бригады телескоп продолжит работать, а не превратится в почти бесполезный спутник.

Все путем

Чтобы у читателя не сложилось превратного мнения о "Хаббле", оговоримся, что поломки и неисправности в таких сложных устройствах неизбежны. Особенно, когда устройства находятся на высоте 600 километров от Земли. "Хаббл" стал одним из самых успешных космических проектов человечества. С его помощью астрономы получили беспрецедентное количество информации о космосе. Трудно назвать какой-либо раздел астрофизики, в котором данные "Хаббла" не помогли бы что-то прояснить, уточнить, открыть.

Другое дело, что некоторых трудностей можно было бы легко избежать всего лишь более тщательно проверяя результаты работы. Будем надеяться, что разработчики нового телескопа имени Джеймса Уэбба (The James Webb Space Telescope), который должен в 2013 году прийти на смену "Хабблу", учтут опыт своих предшественников.