«Земля и Вселенная» 1994 №4
| Телескоп им. Э. Хаббла — ремонт на орбите |
Две чрезвычайно важные космические программы США, осуществляемые Национальным агентством по аэронавтике и освоению космического пространства (NASA) — проекты «Спейс Шаттл» и «Космический телескоп им. Э. Хаббла» (КТХ) — с самого начала оказались тесно взаимосвязаны. Задуманные в начале 70-х гг., они привлекали, пожалуй, наибольшее внимание средств массовой информации всего мира. Первой из них в общем-то повезло и она реализовалась более или менее успешно, хотя и с опозданием в несколько лет (если, конечно, не считать катастрофы «Челленджера» и неоправдавшиеся надежды на резкое снижение удельной стоимости транспортировки с ее помощью грузов в космос). Второй повезло меньше. Сразу после выведения в космос «Космического телескопа им. Э. Хаббла» (КТХ), этого самого дорогого в истории научного прибора, выяснилось, что при изготовлении его оптической части допустили ошибки: сферическая аберрация главного зеркала не позволяла достичь и десятой доли планировавшегося разрешения. Поэтому телескоп, который должен был открыть новую эру в астрономии, оказался не лучше любого крупного наземного инструмента (Земля и Вселенная, 1992, № 1, с. 29). Правда, оправившись от шока, вызванного этим, ученые все же смогли несколько исправить положение, разработав сложнейшие алгоритмы компьютерной обработки изображений. В результате через год после выведения телескопа в космос на Землю все же стали поступать замечательные снимки, немного реабилитировавшие NASA в глазах общественности (Земля и Вселенная, 1993, № 5, с. 96; 1994, № 2, с. 88). Но на борту спутника-обсерватории случались и другие неполадки (отказы гироскопов, нарушения в компьютерах), а кроме того, обнаружилась еще одна неприятность — оказалось, что сделанные неправильно панели солнечных батарей «встряхивают» телескоп каждый раз при пересечении им границ света и тени во время его движения вокруг Земли.
Поэтому, чтобы «сохранить лицо», NASA пришлось начать разработку внеплановой экспедиции к телескопу (следующая намечалась в 1996 г., а за время службы телескопа, рассчитанного на 15 лет, его дважды должны были посетить обслуживающие команды). За три года подготовки к ней изготовили новые приборы, в которые ввели оптические элементы для компенсации сферической аберрации, новые панели солнечных батарей, новые гироскопы, а также другие агрегаты и устройства.
Чтобы установить все это на телескопе за один недолгий космический полет, для него сформировали самый опытный в NASA экипаж. Командиром назначили Ричарда Кови — это его 4-й полет, пилотом — Кеннета Бауэрсокса (2-й полет), полетными специалистами — Стори Масгрейва (5), Клода Николье (астронавта Европейского космического агентства), Томаса Эйкерса (3), Джеффри Хоффмана (4) и Кэтрин Торнтон (3). Их подготовка началась в марте 1992 г., причем в течение 10 месяцев они работали по 70 ч в неделю.
ЗАПУСК И ВСТРЕЧА С «ХАББЛОМ»
28 октября 1993 г. космическая транспортная система, в состав которой входил корабль «Индевop» (его пятый полет), была вывезена на стартовый комплекс. В течение последующего месяца проводились многочисленные проверки и другие операции по подготовке к полету. 28 ноября начался предстартовый отсчет, а сам старт назначили на 1 декабря. Но, когда астронавты заняли свои места в корабле, полет был отложен из-за метеорологических условий.
Повторная заправка внешнего топливного бака системы началась вечером 1 декабря, и через несколько часов на старт вновь прибыли астронавты. В 9 ч 27 мин 2 декабря «Индевор» покинул стартовый стол. В начале третьей минуты полета отделились твердотопливные ускорители. Через 8,5 мин были выключены маршевые двигатели, и «Индевор» оказался на расчетной орбите с перигеем высотой 396 км, апогеем в 570 км, наклонением 28,47° и периодом обращения 94,33 мин. Орбита проходила существенно выше, чем при выведении по «стандартной» схеме (в связи с необходимостью экономить топливо для орбитальных маневров).
Осмотр грузовой кабины корабля после открытия его створок убедил астронавтов, что оборудование и приборы успешно перенесли старт. Помимо блоков, которые предстояло установить на телескопе, там располагались две широкоформатные кинокамеры (IMAX) и более 280 инструментов и приспособлений для ремонта.
На четвертом витке командир корабля, выполнив первый маневр, увеличил перигей орбиты «Индевора» до 505 км. Апогей остался на высоте 571 км, что обеспечивало скорость сближения с «Хабблом» в 3,9° за виток. Полет (его номер STS-61) имел существенные ограничения на продолжительность сближения и количество топлива для маневров. В сущности, в распоряжении экипажа была всего одна попытка.
| Рисунок показывает, в каком положении космический телескоп им. Э. Хаббла был закреплен для ремонта в грузовом отсеке космического корабля «Индевор». Один из астронавтов, стоя на конце стрелы дистанционного манипулятора, держит специальными захватами свернутую солнечную батарею, другой, укрепившись на корпусе телескопа, помогает ему |
2—3 декабря. Второй день полета. Основная задача дня — проверка и подготовка скафандров, испытание манипулятора и оборудования для выхода в космос. В этот же день прекратилось выполнение научной программы телескопа. После очередного маневра «Шаттл» оказался на орбите высотой 561—587 км, на расстоянии 1091 км от телескопа и корабль приближался к нему со скоростью 111 км за виток. В 11 ч 00 мин астронавты «Индевора» отправились спать.
3—4 декабря. Третий день полета. Подъем состоялся в 18 ч 57 мин. В этот момент корабль и телескоп разделяло 352 км. В 21 ч 34 мин Кови и Бауэрсокс выполнили несколько маневров для уточнения высоты апогея.
«Перехват» КТХ начался в 01 ч 35 мин. Приблизившись на расстояние 15 км, астронавты заметили, что одна из панелей
Эти снимки, сделанные с экрана телемонитора, показывают некоторые моменты работ по ремонту космического телескопа. Вверху: двое астронавтов, С. Масгрейв и Д. Хоффман, готовятся к замене гироскопа. Внизу: С. Масгрейв пытается закрыть одну из дверей отсека гироскопов |  |
Телескоп оставался на вытянутой «руке» корабля около часа, затем Николье осторожно опустил его на рабочий стол в грузовом отсеке и зафиксировал. Астронавты осмотрели поверхность телескопа в бинокли, отметив двойной изгиб несущей опоры одной из панелей.
ПЕРВЫЕ ВЫХОДЫ В КОСМОС
4—5 декабря. Четвертый день полета. Первый этап работы с КТХ должны были выполнять С. Масгрейв и Д. Хоффман. Выйдя через шлюзовую камеру в грузовой отсек корабля, Хоффман закрепился на конце дистанционного манипулятора, и Николье перевез его в дальний конец грузового отсека к телескопу. Масгрейв добирался туда «своим ходом». Приблизившись к возвышающемуся над ними на высоту четырехэтажного дома телескопу, астронавты, после подготовительных операций, начали снимать дефектные блоки, содержащие по два гироскопа каждый, и заменять их новыми. Вслед за этим заменили два блока электроники гироскопов, а затем — восемь предохранителей. Если до этого все шло строго по графику, то теперь возникла первая неприятность. В момент закрытия двухметровых алюминиевых дверей отсека гироскопов два из четырех замков не встали на свои места. С Земли посоветовали оставить пока двери полуприкрытыми, поскольку, возможно, это было вызвано температурными деформациями замков (плотное закрытие дверей необходимо для того, чтобы обезопасить от постороннего света чувствительные звездные датчики). Пока на Земле решали что делать, астронавты занялись подготовкой конструкций для временного закрепления солнечных батарей.
Еще два часа попыток закрыть дверцу не принесли успеха, и астронавтам пришлось заняться этим вдвоем. Масгрейв сумел надавить на ее нижнюю часть, и замки сверху и снизу закрылись
 Один из самых ответственных моментов экспедиции: замена высокоскоростного фотометра на блок корректирующей оптики «COSTAR». К. Торнтон, закрепившаяся на манипуляторе (слева), держит в руках прибор, Т. Эйкерс готовится руководить операцией |
В 7 ч 10 мин на борт поступила команда убрать солнечные батареи КТХ. Левая батарея свернулась полностью, а правая же (изогнутая) — лишь на 30%. Пришлось прекратить попытки свернуть ее.
5—6 декабря. Пятый день полета. Задачей дня была замена солнечных батарей. В 22 ч 25 мин Т. Эйкерс и К. Торнтон разгерметизировали шлюзовую камеру и вышли в грузовой отсек. Торнтон стала первой женщиной, выходящей в открытый космос во второй раз. Кэтрин зафиксировалась на конце манипулятора, и Николье подвез ее к телескопу. Эйкерс отсоединил батарею от корпуса телескопа, разорвав электрические соединения. Эта операция проводилась на теневой стороне 58-го витка, чтобы батарея не вырабатывала ток. В 23 ч 43 мин К. Николье отвел манипулятор с Торнтон на 7,5 м от корабля. Кэтрин «подняла» 160-килограммовую панель над головой и разжала руки.
Было решено просто «выбросить за борт» неисправную панель, не пытаясь вернуть ее на Землю. Она должна сгореть в атмосфере примерно через год. В 00 ч 17 мин Торнтон извлекла из контейнера новую панель и примерно через час установила на место старой. Была заменена и левая батарея. Выход продолжался 6 ч 36 мин.
ЗАМЕНА НАУЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
6—7 декабря. Шестой день полета. Экипаж был разбужен в 19 ч 02 мин, а в 22 ч 47 мин Масгрейв и Хоффман вышли в открытый космос. Масгрейв закрепился в нижней части телескопа, а Хоффман «подъехал» на манипуляторе к люку широкоугольной и планетной камеры (WF/PC). Хоффман взялся за ручки камеры, и Николье начал медленно отводить манипулятор назад. Извлечение прибора прошло безукоризненно: двухметровая камера вышла, как ящик из стола. Хоффман закрепил ее, а затем извлек из контейнера новую. Установка на место — самый опасный момент операции, ведь на конце камеры находится зеркало, которое легко может быть повреждено при любом толчке. Хоффман с большими предосторожностями задвинул камеру на место. Через 35 мин с Земли сообщили, что первый тест камеры прошел успешно.
| Расположение апертур научных приборов «Хаббла» после ремонта (сравните с прежним — Земля и Вселенная, 1992, № 1, с. 30). Обратите внимание, что поле зрения ШУПК-2 теперь состоит из трех крупных (для съемки в эквивалентном фокусе 1 : 48) матриц и одной маленькой (для съемки с фокусом 1 : 96). В отличие от предыдущей конструкции, блок зеркал не поворачивается для смены этих режимов, а работа в них ведется одновременно |  |
Теперь астронавтам предстояла замена магнитометров, расположенных вблизи входного отверстия телескопа. Во время этой операции не обошлось без неожиданностей: две внешние панели корпуса одного из старых датчиков магнитометров отвалились в руках у Хоффмана. При потере изолирующего покрытия магнитометр мог начать выделение газов, опасных для оптики телескопа. Обсудив положение, руководители полета приняли решение изготовить крышки из подручного материала (экранно-вакуумной изоляции) и установить их во время одного из последующих выходов. Масгрейв и Хоффман возвратились в шлюзовую камеру, пробыв в открытом космосе 6 ч 47 мин.
7—8 декабря. Седьмой день. Задача четвертого выхода оказалась очень серьезной. К. Торнтон и Т. Эйкерс должны были извлечь из телескопа один из четырех основных его приборов (высокоскоростной фотометр) и заменить его блоком корректирующей оптики «COSTAR». Выполнение этого задания позволило бы полностью восстановить
| Эта схема поясняет действие блока корректирующей оптики «COSTAR» |  |
Как и в предыдущие выходы, астронавты покинули корабль раньше графика. Торнтон, как обычно, «приехала» к телескопу на стреле манипулятора, а Эйкерс добрался «пешком». Когда Кэтрин вручную открыла замки отсека научных приборов, Эйкерс пролез внутрь и отсоединил необходимые электрические разъемы. Торнтон ухватилась за рукоятки прибора, и Николье отвел манипулятор с нею от телескопа. Достав из контейнера «COSTAR» двухметровый «ящик» массой 290 кг, Торнтон по командам своего напарника постепенно поставила его на место. Закрепив вынутый фотометр в контейнере из-под «COSTAR», астронавты приступили к выполнению второй задачи выхода: установке сопроцессора для бортового компьютера «Хаббла», для чего Эйкерс и Торнтон поменялись местами работы. Бортовой компьютер телескопа, DF-224 — это цифровая ЭВМ общего назначения. Он работает с 24-битовыми словами, имеет один основной и два запасных сопроцессора, три блока памяти по 48 Кб, отвечает за выполнение команд, форматирование данных для передачи на Землю и за ориентацию солнечных батарей на Солнце, а остронаправленных антенн — на ретрансляционные спутники TDRS. За время полета «Хаббла» отказали два из шести блоков памяти (при работе необходимы три). Поэтому для надежности пришлось установить сопроцессор, оснащенный дополнительным блоком памяти. В 04 ч 41 мин центр управления сообщил, что на новый процессор подано питание и что его установка прошла успешно. После этого астронавты вернулись в корабль. Продолжительность составила 6 ч 50 мин.
Один из первых результатов испытания новой, скорректированной оптики «Хаббла». Слева: наземное изображение очень яркой звезды Вольфа — Райе, обозначаемой обычно Мельник — 34 или 30 Золотой Рыбы — гигантской области звездообразования в Большом Магеллановом Облаке. В центре: снимок, сделанный прежней широкоугольной и планетной камерой КТХ. Хотя деталей здесь видно гораздо больше, чем на наземном изображении, влияние сферической аберрации, все же слишком сильно. Справа: изображение, переданное с борта «Хаббла» после ремонта, в январе 1994 г. Как видно новая ШУПК-2 дает превосходное изображение, абберация отсутствует, стали видны многочисленные слабые звезды |
8—9 декабря. Восьмой день. В 21 ч 27 мин Кови и Бауэрсокс выполнили коррекцию орбиты «Индевора», чтобы подготовиться к выведению «Хаббла» на более высокую орбиту. При одном из включений началась вибрация телескопа в грузовом отсеке, поэтому двигатели пришлось срочно выключать, но орбита «Шаттла» все же была поднята до 595 км.
Пятый выход начался в 22 ч 30 мин. Работа по замене блока электроники привода солнечной батареи, управляющего ее ориентацией, включала многочисленные электрические соединения и была закончена к двум часам ночи. За это время от астронавтов пытались
«улететь» три винта. Два из них просто поймал Масгрейв, а один удалось схватить Николье с помощью манипулятора. Пока астронавты возились с «чертовыми винтиками», наземные специалисты выяснили, что выполнить подготовительную операцию по развертыванию новых солнечных батарей невозможно. Механизм развертывания не перевел штанги крепления из вертикального положения в горизонтальное, после чего можно было бы начать разматывание «свернутых в трубочку» панелей. После двух часов безуспешных попыток, разобраться в ситуации поручили Масгрейву и Хоффману. Клод Николье поднял их на манипуляторе к месту крепления штанг, и Масгрейв слегка потянул каждую из них вниз. Заклинивание прекратилось, и штанги медленно опустились в заданное положение.
 Сравнение изображений центральной части ядра галактики М100, сделанных до (слева) и после ремонта, позволяет оценить замечательные возможности новой ШУПК-2. Новый прибор делает заметными многочисленные мелкие детали строения галактики, недоступные ранее |
К 03 ч 30 мин астронавты выполнили еще одну задачу — установили дополнительный блок переключателей и кабель для Годдардовского спектрографа высокого разрешения. Это позволяет избежать периодических сбоев в системе питания инструмента.
Затем астронавты переместились к верхней части телескопа и установили самодельные крышки на магнитометры «Хаббла». В оставшееся до развертывания солнечных батарей время они укладывали оборудование и инструменты. Из грузового отсека они наблюдали за развертыванием солнечных батарей. После этой операции астронавты упаковали инструменты и в 05 ч 51 мин вернулись в корабль. Продолжительность выхода составила 7 ч 21 мин, а всего же за пять выходов они проработали в космосе 35 ч 28 мин. В 6 ч 55 мин успешно развернулись остронаправленные антенны телескопа, и руководители полета сообщили, что преодолены появившиеся трудности с компьютером телескопа, на который был ранее установлен сопроцессор, и шестого выхода не потребуется.
ВЫВЕДЕНИЕ «ХАББЛА» И ОКОНЧАНИЕ ЭКСПЕДИЦИИ
9—10 декабря. Девятый день полета. Предстояло подготовиться к завершающему этапу — отделению «Хаббла» от корабля. Однако вскоре выяснилось, что есть нарушения в передаче телеметрических данных. Для уточнения причин неисправности NASA решило отложить операции как минимум на два витка. В 00 ч 30 мин центр управления сообщил, что отделение назначено на 5 ч 26 мин.
Клод Николье захватил телескоп при помощи манипулятора и через 40 мин экипаж дал команды на отключение от системы электропитания корабля. Раскрылись захваты, и Николье привел телескоп в положение для выведения. Потом он, «разжав» захваты манипулятора, освободил КТХ. Почти немедленно солнечные батареи телескопа были сориентированы на Солнце, и телескоп связался со своим центром управления через спутник TDRS. В 8 ч 35 мин начался телефонный разговор экипажа с президентом США Б. Клинтоном и вице-президентом А. Гором, поздравившими астронавтов с успешным завершением задания.
10—11 декабря. Десятый день полета был выходным. Астронавты отдыхали, наблюдали за «Хабблом», который был виден как самая яркая из звезд. Кроме необходимых предпосадочных операций, выполнили съемки Земли камерой IMAX.
11—12 декабря. Одиннадцатый день полета. Экипаж начал готовиться к посадке. Астронавты провели несколько пресс-конференций.
12—13 декабря. Двенадцатый день полета.
Экипаж был разбужен около 17 ч 00 мин, готовясь к сходу с орбиты, астронавты закрыли створки грузового отсека, надели скафандры и закрепились в креслах. В 23 ч 14 мин Кови и Бауэрсокс включили на торможение двигатели системы орбитального маневрирования, и в 05 ч 25 мин «Индевор» коснулся колесами посадочной полосы космического центра им. Дж. Кеннеди во Флориде.
Семеро астронавтов сделали то, о чем специалисты NASA даже боялись говорить вслух — полностью выполнили программу первого ремонта космического телескопа. К «Хабблу» запланированы еще три полета — в 1997, 1999 и в 2002 г.
СТОИМОСТЬ РЕМОНТА
NASA оценивает свои затраты на ремонт космического телескопа в 692 млн долл. Полет космического корабля «Индевор» и ремонтные работы составляют основную часть этой суммы — 429 млн долл. ESA истратило на новые панели солнечных батарей 12 млн долл. 86,3 млн долл. ушло на разработку и постройку новых приборов, из них на ШУПК-2 — 23,8 млн, а на «COSTAR» — 49,9 млн. Эти огромные средства NASA пришлось изыскивать, отрывая их от других программ, поскольку ни Конгресс, ни налогоплательщики не согласились бы платить такие средства после конфуза с оптикой «Хаббла», тем более, что NASA порядком поиздержалась, когда строила новый космический корабль «Индевор» вместо погибшего «Челленджера». Все эти обстоятельства заставляют сейчас специалистов агентства пересматривать первоначальные смелые планы по замене в ближайших полетах к «Хабблу» его научных приборов на инструменты нового поколения.
По материалам бюллетеня «Новости космонавтики», Информационным материалам NASA и STScl