Как NASA управляет МКС для избежания столкновений с космическим мусором

:

Находящаяся на орбите примерно в 400 километрах над нами Международная Космическая Станция — это один из наиболее сложных и дорогих инженерных проектов за всю историю человечества. Станция весит около 400 метрических тонн, а размеры ее немного превышают размеры поля для американского футбола. Для ее сборки потребовались десятки и десятки запусков со стороны России и США (включая 37 полетов шаттлов), а так же более 155 выходов космонавтов и астронавтов в открытый космос — а это вдвое больше, чем общее количество выходов в открытый космос на тот момент.


Сравнение размеров МКС и поля для американского футбола

Постройка и запуск МКС обошлась человечеству примерно в 150 миллиардов долларов и 13 лет работы. И в этот самый момент, где-то там, высоко над нашими головами, шесть человек работают в космосе. Конечно, станция не просто висит там без движения. Сама по себе орбита МКС имеет тенденцию к снижению из-за сопротивления атмосферы — скорость этого снижения составляет около 2 километров в год — поэтому станцию нужно время от времени подталкивать, чтобы помочь ей оставаться на необходимой высоте. Более того, вся эта огромная структура является довольно мобильной — ее можно двигать, поворачивать и наклонять в трех измерениях для того, чтобы избежать возможных столкновений с космическим мусором. Так как же удается переместить 400 тонн довольно хрупкой МКС в случае, если на нее, к примеру, движется астероид?

Ground control to Major Tom



Комната управления МКС

Для того чтобы выяснить как двигать станцию по орбите, я прокатился в Космический Центр Джонсона и встретился с Джошем Пэррисом (Josh Parris). Пэррис — один из людей, сидящих за консолью в комнате управления полетом МКС. На самом деле его должность называется TOPO — руководитель операций с траекторией (Trajectory Operations Officer). Как это и было с первых дней пилотируемых полетов, люди, занимающие подобные должности, имеют большой опыт и обширный набор знаний — Пэррис и его сослуживцы потратили годы на обучение, чтобы заслужить право сидеть «за штурвалом» МКС.


Josh Parris

«Мы отвечаем за то, где в данный момент находится станция и желающие с ней состыковаться корабли, где они будут через определенное время, а так же за то, чтобы они ни с чем не столкнулись», — объясняет Пэррис. На высоте орбиты МКС (400 км) не так много спутников, но там вдоволь космического мусора. За последние пару лет были получены сотни сообщений радаров о возможных столкновениях станции с обломками. Только в 2013 году таких потенциально опасных ситуаций было 67.

«Что же представляют из себя эти обломки?» — поинтересовался я, — «Это из-за китайских экспериментов по уничтожению спутников?»
«В значительной степени да», — отвечает Пэррис, — «Помимо этого, большое количество обломков осталось после столкновения спутников Космос и Iridium. Заметьте, что все эти обломки — это то, что уже спустилось на высоту нашей орбиты. На более высоких орбитах тоже полно всякого мусора, который может спуститься к нам».
«И кто же все это отслеживает? У вас есть большая сгенерированная компьютером карта с красивой графикой, как показывают в кино?»
«Этим занимаются ребята из USSTRATCOM [Стратегическое командование вооруженных сил США, — прим.пер.] на авиационной базе Ванденберг», — объясняет Пэррис. «Они поддерживают каталог всех известных кусков космического мусора, и примерно три раза в день они сравнивают траекторию МКС с данными из каталога. Так что именно они оповещают нас о опасных сближениях»

Опасное сближение? Звучит страшновато. Я попросил Пэрриса рассказать поподробнее, и он объяснил, что вокруг МКС существует «защитный периметр» в форме коробки для пиццы размером в четыре километра в высоту (по 2 километра вверх и вниз от станции), и 25 километров в длину и ширину. Если один из обломков попадает в этот периметр, USSTRATCOM уведомляет об этом NASA.


Основной дисплей, отображающий положение и траекторию МКС, и основные наземные станции, которые обслуживают ее

Операторы следят за всем, что попадает внутрь этой «коробки для пиццы», и рассчитывают вероятность столкновения для каждого из отслеживаемых объектов. Каждый объект при этом получает класс опасности, основываясь на вероятности столкновения. Объекты с шансом столкновения от 1/10000 до 1/100000 получают «желтый» уровень. Правила полетов предписывают перемещать станцию в случае появления подобных объектов, если только этот маневр не повлияет на текущие программы — например если из-за маневра будет потеряна возможность вовремя запустить Союз. Красный уровень опасности объявляется для любого объекта, вероятность столкновения с которым составляет от 1 (100%) до 1/10000. Для таких случаев правила более строги — станция должна быть обязательно перемещена, если только перемещение не является более опасным, чем сам кусок мусора (например, если на МКС имеется поврежденное оборудование, а маневр перемещения станции еще более повредит его).

Ускорители и гиродины


МКС, для своего размера и хрупкости, довольно подвижна. Она оснащена четырьмя гиродинами (Control Momentum Gyros — CMG), которые позволяют ей менять ориентацию в пространстве. За гиродины отвечает человек, чья должность называется ADCO (Attitude Determination and Control Officer), и который помогает TOPO принять решение о том, как наилучшим способом избежать столкновений с мусором.


Рабочее место ADCO. Обратите внимание на бейсбольную биту — для регулировки ориентации

В дополнении к этому, у станции есть несколько наборов ускорителей, позволяющих ей перемещаться и поворачиваться. Сервисный модуль Звезда укомплектован ускорителями; также ускорители есть на пристыкованных к станции кораблях (например, на Прогрессах). Для типичного маневра уклонения станции обычно необходима величина дельта-V порядка 1 м/с.

Один из важных параметров, за которыми приходится следить — это масса станции, так как точное количество тяги, необходимой для достижения нужного дельта-V, зависит от перемещаемой массы. В основном масса станции изменяется когда к ней пристыковываются или расстыковываются корабли. Величина дельта-V, достигаемая во время маневра, слишком мала, чтобы как-то повлиять на ежедневную работу экипажа — они знают, когда совершается маневр, но само перемещение контролируется с Земли, и экипажу не приходится делать ничего особенного.

«То есть они не сидят там с джойстиками, руля станцией?»
«Нет», — смеется Пэррис, — «Все полностью контролируется с Земли».

В бой!


Итак, когда какому-то куску обломков присваивается желтый или красный код, приходит время действовать. За 28.5 часов до момента наибольшего сближения со станцией, операторы начинают процесс планирования маневра уклонения. Но почему именно 28.5 часов? На вид это довольно странное число. «Поворот будет осуществлять российский сегмент станции», — объясняет Пэррис. «Учитывая разницу во времени между Хьюстоном и российским ЦУПом, 28.5 часов — это вполне достаточно, чтобы специалисты в России составили так называемую циклограмму — точную последовательность действий, необходимых для совершения маневра, которую передают на станцию. Ну и к тому же такой запас оставляет нам больше времени на отслеживание мусора.»

TOPO совместно со специалистами по баллистике из России определяет параметры, достаточные для уклонения, включая величину дельта-V. Затем они связываются с USSTRATCOM для того чтобы убедиться, что запланированный маневр позволит увернуться от опасного обломка, но в то же время не выведет их на траекторию движения какого-нибудь другого объекта. Когда сам маневр наконец приводится в исполнение, за него отвечают компьютеры станции, а специалисты на Земле только следят за ходом процесса. Так что на самом деле невозможно просто схватиться за баранку и «порулить» МКС — все ее перемещения осуществляются после тщательного планирования, и запуск любых двигателей всегда происходит только автоматически, в соответствии с программой.

Худший сценарий


Если вам кажется что описанный выше процесс чрезмерно сложен, то вспомните, что на кону стоят человеческие жизни. «Если мы столкнемся с одним из отслеживаемых объектов, то это может привести к потере станции», — заявляет Пэррис. «МКС перемещается с такой большой скоростью [около 7,6 км/с, — прим.пер.], что любое столкновение будет катастрофой». Нижний предел размера отслеживаемого космического мусора составляет 10 сантиметров. И да — «потеря станции» это именно то, о чем вы подумали. Достаточно большой кусок мусора может не только повредить оборудование станции, но и привести к смерти экипажа.

К счастью, Пэррис оценивает наши данные о обломках больше 10 см на орбите станции как исчерпывающие. «К тому же, у станции есть щиты [жаль, что не силовые поля, — прим.пер.] для защиты от микрометеоритов, и других подобных вещей. К сожалению, между пределом прочности щитов и минимальным размером обломков, которые мы можем отслеживать, есть небольшой зазор. Однако мы изо всех сил стараемся предотвратить любые внештатные ситуации».

Стараясь не выглядеть слишком мрачным, я поинтересовался, что же произойдет в наихудшем случае — если NASA узнает, что МКС грозит непредвиденное столкновение. Чаще всего сотрудники USSTRACOM дают NASA трехдневное предупреждение о возможных столкновениях, но иногда они могут что-то пропустить. «Обычно мы можем найти способ облететь что-то о чем мы заранее знаем», — объясняет Пэррис. Но если у него нет нужных нам 28.5 часов для того, чтобы совместно с коллегами из России составить маневр уклонения, они могут осуществить так называемый PDAM — Предрассчитанный Маневр Уклонения от Обломков (Predetermined Debris Avoidance Maneuver). Это заранее записанный маневр, проходящий с дельта-V порядка 0.5 м/с, который может быть выполнен очень быстро. Наконец, если даже он не может быть приведен в исполнение — например, если это вывело бы МКС на траекторию какого-либо другого куска мусора — то экипаж станции садится в пристыкованный корабль Союз и ждет столкновения, в полной готовности к эвакуации, если это будет необходимо. С момента, когда на станции появился первый человек, эту процедуру приходилось проводить трижды.


Конфигурация станции на май 2013 года. Показаны пристыкованные корабли Союз и Прогресс

На самом деле, маневр PDAM был разработан после инцидента 2011 года. Тогда NASA слишком поздно получила предупреждение о возможном столкновении, и экипажу станции пришлось укрыться в Союзе. Закончилось это тем, что обломок разминулся с МКС на расстоянии около 725 метров. NASA надеется, что с разработкой PDAM подобные ситуации больше не повторятся.

День за днем


Если TOPO не занимается расчетом положения станции относительно какого-нибудь космического мусора, он занят сотней других вещей. «Если мы не отслеживаем никакие обломки — сейчас, кажется, как раз такое затишье — у нас есть ряд задач на каждый день недели, которые мы должны выполнять. Я уже говорил, что мы отслеживаем точное положение станции, так что мы работаем с различными ЦУПами, особенно с центром динамики полетов в Годдарде». Пэррис объяснил, что TOPO снабжают людей в Годдарде информацией о точном местоположении станции, чтобы различные системы слежения NASA могли точно позиционировать свои антенны.


Пэррис на своем рабочем месте

В целом, за исключением планирования маневров уклонения, работа TOPO заключается в основном в пассивном мониторинге. На своем рабочем месте Пэррис и его коллеги работают за тремя мониторами. «На первом мониторе — наши наземные данные GPS. Слева, там где вы видите три столбца, мы сопоставляем данные на земле с данными телеметрии станции». Это необходимо для сравнения того, где, по мнению МКС, она находится, с тем где она находится по мнению наземных станций слежения. Средний монитор также отслеживает пространственное положение МКС. «Графики показывают разницу между различными источниками данных. Обычно они все выглядят как одна ровная линия», — объясняет Пэррис.

На правой части среднего монитора, за графиками сравнения, находится окошко которое показывает состояние того оборудования станции, которое необходимо TOPO. Наконец, на правом мониторе находится ПО, которое NASA использует для расчета эфемерид. «Сверху вы видите список векторов движения станции, а снизу — каталог всех эфемерид, которые у нас есть для МКС». Пэррис также подчеркнул, что если бы TOPO был в процессе работы над маневром уклонения, то на экранах был бы совершенно другой набор приложений. Сами компьютеры — это обычные PC, работающие под управлением Linux (в комнате управления полетом есть также компьютеры на Windows 7, но основные контрольные мониторы работают на Linux). Это является следствием тех давних дней, когда каждая консоль была уникальна, и ее переконфигурация занимала часы, если не дни.

Что в итоге?


Комната управления МКС находится на втором этаже здания 30 Космического Центра Джонсона, и занимает одно из двух помещений, которые когда-то использовалось в качестве комнаты управления миссий Аполло (вторая комната, на третьем этаже, была восстановлена в примерно то же состояние, что и во время миссий Аполло, и вы можете посетить ее как часть экскурсии в Космический Центр Джонсона). Когда я уходил, Пэррис уже занял свое рабочее место, изучая параметры станции, летящей сквозь космическое пространство, и внимательно наблюдая за возможными столкновениями. Это работа которая никогда не заканчивается, и которая требует постоянной бдительности.