Первая за полвека российская лунная миссия окончилась провалом. Почему станция «Луна-25» не добралась до поверхности спутника? Кто виноват в аварии? И сможет ли Россия вернуться в межпланетную гонку?
Первая за почти полвека попытка России посадить автоматическую станцию на Луну закончилась неудачей — несмотря на то, что миссия «Луна-25» носила намеренно упрощенный характер, а ее основной целью было показать, что российские инженеры все еще способны сажать зонды на другие небесные тела. Цель не была достигнута — и это означает не только провал конкретной миссии, но и, весьма вероятно, конец всей межпланетной программы «Роскосмоса». Еще одна десятилетняя пауза между запусками аппаратов к другим планетам попросту сделает программу бессмысленной. Не исключено, что к тому времени проще будет купить билет на ближайший рейс до Луны у китайского космического агентства. «Медуза» изучила, что стало известно о причинах гибели «Луны-25» спустя полтора месяца после аварии, и узнала, как попытки инженеров использовать наследие предыдущей межпланетной миссии «Фобос-Грунт», а потом попытки избавиться от этого наследия привели российское космическое агентство к провалу.
Перед «Луной-25» стояли научные задачи, но главная цель миссии была в другом — доказать, что Россия и ее инженеры все еще могут запускать межпланетные аппараты
Первые упоминания о планах «Роскосмоса» отправить посадочный зонд к Луне относятся ко второй половине 1990-х годов. Предполагаемый облик аппарата «Луна-Глоб», как он тогда назывался, сильно отличался от «Луны-25». В первоначальном варианте, в частности, предполагалось использовать сбрасываемые зонды-пенетраторы, подобные тем, что стояли на аппарате «Марс-96». Со временем сложность аппарата и амбициозность его задач снижались, в том числе из-за неудач, связанных с предыдущими запусками.
Последующие варианты лунной миссии предполагали сотрудничество с Индией — запускать аппарат планировали на индийской ракете вместе с орбитальным аппаратом «Чандраян» и индийским же луноходом. Но после потери российской межпланетной станции «Фобос-Грунт» в 2011 году планы были еще раз пересмотрены.
Индия вышла из проекта, и российская сторона решила самостоятельно запустить предельно упрощенный посадочный зонд, чтобы «вспомнить» технологию лунных посадок. Затем на спутник должен был отправиться орбитальный аппарат, и только после этого — снова посадочный модуль, но гораздо более более «тяжелый» и многофункциональный, оснащенный, в частности, буровой установкой. Эти аппараты получили названия «Луна-25», «Луна-26» и «Луна-27» соответственно.
Главная задача «Луны-25» заключалась в отработке технологии мягкой посадки. На сайте НПО имени Лавочкина, или, как говорят в космической отрасли, «Лавки», прямо сказано, что это «малоразмерная демонстрационная посадочная станция для отработки базовых технологий мягкой посадки в околополярной области [Луны]».
Последний раз советский зонд, «Луна-24», садился на Луну в далеком 1976 году — почти полвека назад. Чтобы запустить следующий аппарат в 2023-м, инженерам по сути надо было учиться этому искусству заново. Именно поэтому, например, место посадки выбирали в первую очередь исходя из удобства управления, а не научной ценности. Главное требование сводилось к тому, чтобы в месте прилунения не было крутых склонов и больших валунов. Такой подход объяснялся тем, что с Земли, в режиме реального времени, управлять посадкой было невозможно, а сам аппарат не имел продвинутой системы маневрирования. Сложности были даже с оборудованием для съемки точки посадки. Камеру, которая исходно должна была обеспечить аппарат подходящим «зрением», сделало Европейское космическое агентство (ЕКА) — но технологию планировали полноценно внедрить только на «Луне-27». Но после начала полномасштабной войны в Украине в 2022 году все планы сотрудничества ЕКА с Россией, в том числе эти, были свернуты.
И даже в столь урезанной форме миссия не была лишена научного смысла. В случае успеха это была бы первая посадка автоматического зонда в лунной полярной зоне. А полярные регионы Луны интересуют ученых, поскольку здесь есть постоянно затененные области, где в грунте может сохраняться водяной лед — ценный ресурс для будущих лунных станций.
Помимо научной, у станции была и важная инженерная задача: показать способность переживать лунные ночи. Это двухнедельные периоды темноты и экстремального холода, которые представляют собой большое испытание для любой техники. Проведя такую ночь в режиме гибернации, затем станция должна была «просыпаться» и снова приступать к работе. Обеспечить ее теплом и энергией при этом должны были несколько РИТЭГов — источников электричества и тепла на базе радиоактивных элементов.
Лунным днем «Луне-25» было бы чем заняться. Несмотря на ее преимущественно демонстрационную роль, на борту было семь научных приборов: аппаратура для отбора проб грунта и их изучения, для исследования лунной экзосферы, несколько камер и спектрометров и лазерные отражатели. Предполагалось, что зонд сможет успешно проработать как минимум один земной год.
Дата пуска «Луны-25» по разным причинам переносилась очень много раз. И вот наконец, 11 августа 2023 года, ракета «Союз 2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» и аппаратом «Луна-25» с космодрома Восточный стартовала.
Успех запуска был критически важен для «Роскосмоса» именно потому, что в истории постсоветской России не было еще ни одной успешной межпланетной миссии. И это на фоне бурного развития межпланетного направления по всему миру:
- США уже отправили на Марс пять разнокалиберных марсоходов;
- Китай отправил марсоход и высадил на Луну два ровера — и это не считая «простых» посадочных и орбитальных аппаратов КНР, которые можно считать десятками;
- почти одновременно с провалом «Луны-25» к клубу стран, способных сажать аппараты на Луну, присоединилась и Индия.
Россия же за постсоветские годы пыталась осуществить два амбициозных марсианских проекта: «Марс-96», который был потерян из-за сбоя разгонного блока, и «Фобос-Грунт», который тоже обернулся неудачей. Потеря «Луны-25», которая была значительно проще, чем даже эти две миссии, ставит под вопрос уже всю межпланетную программу России.
Полет «Луны-25» проходил по четко отработанному в НПО имени Лавочкина сценарию — ровно до момента перехода на предпосадочную орбиту
- После старта ракеты и выхода на промежуточную орбиту должен был включиться разгонный блок «Фрегат» — его задача сводится к тому, чтобы вывести зонд «Луна-25» на траекторию перелета к Луне. После этого блок отделялся — и «Луна» летела самостоятельно.
- По пути были предусмотрены коррекции траектории с помощью собственных двигателей зонда. Они были нужны, чтобы более точно выйти на заданную окололунную орбиту.
- Когда аппарат добирался до Луны, он включал главный двигатель на торможение — чтобы выйти на круговую окололунную орбиту высотой 100 километров над ее поверхностью.
- На следующей фазе аппарат должен был снова включить двигатель на торможение — и превратить круговую орбиту в предпосадочную. Она имела форму эллипса с самой низкой точкой (перицентром) над поверхностью Луны в 18 километров и самой высокой (апоцентром) — в 100 километров.
- Следующим этапом должна была быть посадка. При этом снова включался двигатель, аппарат тормозил, разворачивался посадочными «лапами» вниз — и постепенно снижался.
- Где-то на высоте 700 метров двигатель снова включался бы, чтобы дополнительно снизить скорость, а на высоте 20 метров тяга сбрасывалась — и аппарат должен был сесть.
Все эти операции предварительно отрабатывались на наземных стендах в НПО имени Лавочкина. Эти стенды представляют собой копии всех систем аппарата, на которых инженеры могут убедиться, что «Луна-25» выполняет все операции в точности так, как запланировано.
Посадка была намечена на середину лунного дня, чтобы у ученых и инженеров было время установить радиосвязь, проверить бортовые системы, принять телеметрическую информацию, собранную во время посадки, — в частности, снимки с места прилунения. С наступлением лунной ночи аппарат должен был перейти в спящий режим, когда на борту работают только часы, которые питаются от РИТЭГа. Через 16 земных суток, когда Солнце снова взошло бы, часы должны были пробудить аппарат. После проверок он должен был начать научную работу — в частности, во второй лунный день был запланирован сбор грунта.
Официальная версия причин аварии от «Роскосмоса» — сбой в системе управления двигателем. Но к космическому агентству остаются важные вопросы
Вот что мы знаем из сообщений «Роскосмоса» о полете и аварии «Луны-25»:
- Ракета-носитель с лунным аппаратом стартовала 11 августа в 2:10:57 по московскому времени.
- 19 августа в 14:10 зонд включил двигатель для перехода на предпосадочную орбиту.
- В ходе выполнения операции на борту станции «произошла нештатная ситуация, которая не позволила выполнить маневр с заданными параметрами».
- Около 14:57 того же дня связь с «Луной-25» прервалась, а попытки восстановить ее результатов не дали. Специалисты «Роскосмоса» пришли к выводу, что аппарат перешел на нерасчетную орбиту и упал на Луну.
Директор «Роскосмоса» Юрий Борисов в интервью телеканалу «Россия-24» 21 августа пояснил, что сбой произошел при переходе на предпосадочную эллиптическую орбиту с высотой ближайшей к поверхности Луны точки траектории (перицентром) около 20 километров. Двигатель «Луны» включился, но его отключение «произошло не штатно, а по временной отсечке», говорил Борисов. Вместо 84 секунд двигатель проработал 127 секунд. В результате аппарат и перешел на незамкнутую орбиту — и врезался в Луну.
В беседе со школьниками 1 сентября глава «Роскосмоса» добавил, что всего было четыре корректировки, которые изменяют траекторию аппарата при полете к Луне. Три из них прошли успешно — и лишь на четвертой произошел сбой: двигатель отработал больше положенного времени. Однако сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт заявил газете МК, что «тревожащие признаки» в поведении станции были замечены еще до фатального сбоя. По словам эксперта, величина уже первого импульса коррекции из четырех запланированных заметно отклонила траекторию зонда от заданного значения. На уточняющие вопросы Эйсмонт не ответил, предложив дождаться итогов работы комиссии.
Позже, 3 октября, «Роскосмос» выпустил сообщение с более развернутым описанием аварии. В нем в качестве причины называлось «нештатное функционирование бортового комплекса управления, связанное с невключением блока акселерометров в приборе БИУС-Л (блок измерения угловых скоростей; подробнее о нем мы расскажем ниже — прим. „Медузы“) из-за возможного попадания в один массив данных команд с различными приоритетами их исполнения прибором»:
В связи с этим в бортовой комплекс управления приходили нулевые сигналы с акселерометров прибора БИУС-Л. Это не позволило при выдаче корректирующего импульса зафиксировать момент набора требуемой скорости и произвести своевременное выключение двигательной установки космического аппарата, в результате чего ее отключение произошло по временной уставке.
- Ключевым после всех этих разъяснений остается вопрос о том, почему именно двигатель проработал существенно дольше, чем было нужно. В теории это может быть связано либо с дефектом в одном из приборов, либо с ошибкой в программном обеспечении.
- Второй важный вопрос — почему временная отсечка для принудительного выключения двигателя оказалась так далеко от примерного ожидаемого времени завершения его работы. То есть почему в принципе был выставлен настолько большой промежуток времени, что он позволил аппарату совершить самоубийство.
Для управления «Луной-25» инженеры хотели воспользоваться технологиями «Фобос-Грунта» — но от идеи пришлось отказаться
«Луной-25» командовал бортовой комплекс управления (БКУ). Он состоит из центрального бортового компьютера и его «органов чувств»: это приборы системы навигации и ориентации, звездные датчики, гироскопические приборы, посадочные радары. БКУ, следуя программе, «опрашивает» их, собирает показания, а потом отдает приказы маршевым двигателям, двигателям ориентации и другим приборам.
В перелете от Земли к Луне главным органом чувств для «Луны-25» было упомянутое в сообщении «Роскосмоса» гироскопическое устройство БИУС-Л.
Гироскопы — вращающиеся маховики, которые обладают свойством сохранять ориентацию оси вращения, — использовались еще во время Второй мировой войны на немецких баллистических ракетах «Фау-2». Навигационные приборы измеряли, как меняется положение всей ракеты относительно оси вращения гироскопов, и отдавали команды рулям.
С тех пор появилось несколько разных типов гироскопических датчиков.
- Традиционные гиростабилизированные платформы до сих пор используются в ракетах-носителях, но это довольно громоздкие приборы с вращающимися частями.
- Поэтому все чаще в космической технике вместо них устанавливаются лазерные волоконно-оптические гироскопы. Это катушки оптоволокна, по которому одновременно в двух противоположных направлениях светит лазер. Если катушка вращается, то между этими двумя лучами, благодаря эффекту Саньяка, возникает разность фаз. Ее можно зафиксировать — и именно она дает информацию о вращении всего аппарата.
По сравнению с традиционными механическими, лазерные гироскопы обычно чуть менее точны, однако они существенно меньше весят, требуют меньше энергии и более надежны, так как не содержат движущихся деталей.
Изначально предполагалось, что роль главного гироскопического датчика на «Луне-25» будет играть прибор под названием БИБ — Блок инерциальный бесплатформенный. Он был создан дочерним предприятияем «Роскосмоса» — НПО измерительной техники. Этот блок оптических гироскопов и акселерометров был наследием «Фобос-Грунта»: на той станции стоял аналогичный прибор БИБ-ФГ. Однако добиться от этого датчика параметров измерения, приемлемых для запуска «Луны-25», инженерам не удалось. Дело в том, что на «марсианском» «Фобос-Грунте» БИБу предстояло работать в относительно «мягких» условиях, а в случае с Луной он должен был давать точные показания при значительно более сильных ускорениях во время посадки.
Добиться этого не удалось, поэтому еще в 2018 году роль БИБа доверили значительно более тяжелому прибору БИУС-Л, разработке НПЦАП имени Пилюгина. Тогда же высказывалась идея заменить БИБ на Astrix 1090 производства Airbus. Но это оказалось невозможным — в составе устройства были компоненты американского производства, подлежащие экспортным ограничениям.
В итоге на борту «Луны-25» оказались два дублирующих друг друга прибора БИУС-Л, снабженные собственной автономной системой терморегуляции. Но и «отставленный» БИБ тоже полетел к Луне: он не был включен в контур управления, и его собирались лишь проверить в «боевых условиях», а в случае успеха испытаний — поставить на «Луну-26» и «Луну-27».
Коррекция траектории в полете происходила так: в нужный момент компьютер отдавал команду на включение двигателя, а БИУС-Л должен был измерять ускорение или замедление, которое создавал двигатель. Когда приращение (или снижение) скорости достигало нужного значения, компьютер понимал это по показаниям БИУСа и выключал двигатель.
Просто задать время работы двигателя было нельзя, поскольку при расходе топлива масса аппарата меняется, соответственно, меняется и ускорение. Поэтому необходимо было измерять приращение (или уменьшение) скорости прямо в процессе. Предельное время работы двигателя тоже было задано — в программе была установлена соответствующая временная отсечка. Она, как сообщал «Роскосмос», почему-то оказалось слишком большой, что и привело к гибели аппарата.
Источники в космической отрасли утверждают: о возможной причине катастрофы было известно еще во время испытаний на Земле. Но тревожный сигнал проигнорировали
Бортовой компьютер по какой-то причине не получал информацию об ускорении от акселерометров БИУСа и ждал до самого конца временной отсечки. При этом все предыдущие коррекции проходили нормально — если не принимать в расчет слова Натана Эйсмонта, которые пока никто не подтвердил.
Источники в отрасли, с которыми удалось побеседовать «Медузе», говорят, что еще во время наземных испытаний обнаружилось, что БИУС не всегда с первого раза реагировал на команду включить акселерометры, которую должен был подать бортовой компьютер. Испытатели якобы не придали этому значения и просто второй раз отправляли ту же команду, после чего все срабатывало. Возможно, именно это и случилось на окололунной орбите: компьютер отправил команду на включение акселерометров, но БИУС ее проигнорировал.
«Роскосмос» сообщил, что акселерометры БИУСа не включились из-за «возможного попадания в один массив данных команд с различными приоритетами их исполнения прибором». Источники в отрасли расшифровывают это так: ошибка была программной. Один процесс включал акселерометры, а другой — использовал их в работе. В любой из этих двух процессов могла быть добавлена проверка — а включились ли акселерометры по команде, не нужно ли попытаться включить их во второй раз. Если бы это было сделано, аварии бы не произошло, убеждены собеседники «Медузы».
В итоге компьютер выключил двигатель слишком поздно, и через 53 минуты после этого станция разбилась о поверхность Луны на скорости около 1,63 километра в секунду.
Спасти «Луну-25» после фатальной программной ошибки было невозможно. И надежд на то, что «Роскосмос» извлечет пользу из неудачи, мало
После аварии «Фобос-Грунта» инженеры больше месяца пытались «достучаться» до аппарата, застрявшего на околоземной орбите, пока тот не сгорел в атмосфере. В случае «Луны-25» такой возможности не было — все произошло в «прямом эфире»: специалисты в Центре управления полетами практически сразу увидели, что дело идет к катастрофе. Аппарат был на связи, в баках было достаточно топлива, чтобы скорректировать неудачный маневр, но в распоряжении ЦУПа было лишь 20 минут до ухода аппарата за Луну — за это время было невозможно рассчитать новый маневр, перевести его на язык кодов, проверить и отправить к станции.
При этом ничего необычного в потере еще одной автоматической межпланетной станции нет — за последние годы таких неудач в мире было множество. Европейцы потеряли при посадке на Марс аппарат «Скиапарелли» — из-за программной ошибки зонд думал, что он уже на поверхности, и выключил посадочные двигатели. Зонды при посадке на Луну недавно также теряли Израиль, Индия и Япония. Да и история советской космонавтики знает множество примеров неудач. Например, «Фобос-1» не долетел до Марса из-за ошибочной команды, которая вывела его из солнечной ориентации, аккумуляторы сели — и аппарат не вышел на связь.
Но цена таких неудач многократно возрастает, когда невозможно, как в советское время, десятками запускать межпланетные аппараты, обучаясь на ошибках. За все постсоветское время, с 1996 года, Россия только трижды отправляла в космос межпланетные аппараты и все три раза терпела неудачи (если не считать совместный с Европейским космическим агентством орбитальный аппарат «ЭкзоМарс», но он был построен европейцами). Из этих провалов можно было бы извлечь полезный опыт — а затем строить и запускать новые аппараты, как это делает та же Индия.
Однако исследования Луны и планет Солнечной системы никогда не были в приоритете ни у «Роскосмоса», ни у правительства России — финансирование научного космоса, который включает в себя и астрофизические аппараты, и лунную программу, и исследование Солнца, на период с 2016 по 2025 год составляло лишь 143 миллиарда рублей, десятую часть от финансирования всей Федеральной космической программы. Да и этот объем регулярно сокращается, а сроки запусков научных аппаратов переносятся десятилетиями. Те, кто мог бы научиться на ошибках, просто не доживают до возможности их исправить.
«Медуза»