Первые пролетные станции к Луне добирались до цели за 34 часа, первые орбитальные и посадочные — за 3.5 суток. Экспериментальная европейская станция SMART-1 идет от Земли к Луне больше года — таково ее задание, такова выбранная двигательная установка, такова цена за попутный запуск вместо целевого.

Напомним нашим читателям, что КА SMART-1 был запущен 27 сентября 2003 г. европейской ракетой Ariane 5 (НК №11, 2003) вместе с двумя спутниками связи и выведен на геопереходную орбиту высотой 656 км в перигее и 35844 км в апогее.

Прошло 10 месяцев; аппарат достиг высоты более 160000 км и скоро в первый раз встретится с Луной. Вот что произошло за это время.

Под огнем радиации
30 сентября 2003 г. аппарат в первый раз опробовал свой электрореактивный двигатель PPS-1350-G, а через месяц уже вовсю поднимал орбиту с его помощью. Двигательная установка работала до 15 часов в сутки, в зависимости от длительности тени. Как и ожидали разработчики, она немного улучшила свои характеристики: если в начале эффективность двигателя составляла 97% расчетной, то теперь выросла до 100.5%.

Все бортовые системы SMART-1 работали нормально, за исключением одного из двух звездных датчиков: он не давал правильных данных об ориентации станции вблизи перигея или в земной тени. Виною тому оказалась совокупность причин: из-за нагрева Солнцем оптической головки датчика и мощной протонной бомбардировки на ПЗС-матрице формировались ложные изображения звезд, которые вводили прибор в заблуждение. Система управления с этим справлялась, но график полета срывался и его пришлось корректировать.

К концу октября звездные датчики были частично перепрограммированы, но тут пришло время грандиозных солнечных вспышек октября-ноября 2003 г. К середине ноября датчики набрали такую дозу радиации, которая ожидалась на конец полета, и давали уже по 200-300 сбоев продолжительностью 1-2 секунды ежедневно. Иногда нарушалась и синхронизация датчика с бортовым компьютером. Оценки показывали, что при температуре ниже +10°С датчики будут работать нормально, но у датчика №1, который часто грело Солнце, она временами поднималась до +17°.

Электрореактивный двигатель PPS-1350-G

26 октября в 19:23 UTC, одновременно с подходом к Земле потока заряженных частиц от Солнца, ЭРДУ автоматически отключилась, но следующий запланированный период разгона станция начала самостоятельно в заданное время. До 5 ноября включительно произошло еще восемь аварийных остановок. Их причиной было воздействие экстремально высокой солнечной радиации на схемы памяти в блоке распределения питания. Кроме того, было отмечено несколько «горячих» перезагрузок основного бортового компьютера и один переход на резервный. Во всех случаях реакция системы управления была корректной, а последующее вмешательство операторов с Земли восстанавливало нормальное состояние станции. Солнечную атаку аппарат выдержал.

Быстрее наверх!
В октябре и начале ноября, когда SMART-1 «ходил» в радиационных поясах Земли, да еще и под «огнем» солнечных вспышек, система электропитания теряла из-за деградации солнечных батарей около 2 Вт в сутки. И хотя потери не превышали самых пессимистичных оценок, из радиационных поясов нужно было убраться как можно скорее.

К середине ноября эффективность ЭРДУ поднялась до 101.5-101.8% номинала. Установка постоянно работала на высотах более 10000 км и давала приращение перигея примерно на 150 км в сутки. Следить за маневрированием КА теперь можно было только по сводкам ЕКА, так как с 18 ноября Космическое командование ВВС США уже не выдавало через NASA орбитальных элементов на этот объект. Вероятнее всего, такое решение было принято, чтобы не раскрывать технические возможности американской системы контроля космического пространства за пределами стационарной орбиты. Но возможно (и такое бывало не раз), объект просто «потеряли».

С конца ноября SMART-1 вышел из земной тени, и 28 ноября была изменена стратегия разгона. До этого вектор тяги ЭРДУ совпадал с вектором скорости, и увеличивался не только перигей станции (быстро), но и апогей (более медленно). Расчеты показали, что при работе по этой схеме в марте 2004 г., когда апогей окажется в плоскости эклиптики, станция будет надолго попадать в земную тень. Чтобы уменьшить ее длительность, было решено держать вектор тяги перпендикулярным к радиус-вектору КА; это увеличило скорость подъема перигея, а рост апогея замедлило.

В ноябре был испытан резервный катод В электрореактивной ДУ — и он показал такие же характеристики, как проработавший уже более 700 часов основной катод А. Затем операторы успешно опробовали процедуру запуска ЭРДУ сразу в режиме максимальной тяги.

11 декабря в 20:00 UTC двигательная установка SMART-1 преодолела рубеж в 1000 часов, а к 16 декабря наработала уже 1050 часов. За это время аппарат израсходовал 16.7 кг ксенона и получил приращение скорости 740 м/с, причем перигей вырос с 656 до 8097 км, а апогей с 35844 до 44118 км.

Мощность, снимаемая с солнечных батарей при включенной ЭРДУ, снизилась с 1805 Вт в начале до 1720 Вт к концу ноября. В ноябре потери уменьшились до 0.4 Вт/сут, а с 24 ноября их стало полностью компенсировать медленное приближение Земли к Солнцу. (3 января Земля прошла перигелий и стала удаляться от Солнца, выход солнечных батарей вновь стал падать. К началу апреля 2004 г. он снизился до 1665 Вт, а в начале июля, в афелии, — до 1590 Вт.)

С изменением режима разгона уменьшился нагрев звездного датчика №1. В середине декабря операторы попробовали развернуть КА на 180° относительно оси -Z (направление тяги) и подставили Солнцу сторону -X вместо +Х. Поведение датчиков тут же изменилось на противоположное: теперь температурные пики на №2 достигали +19°, а на №1 — только +9°. Ну и хорошо: значит, сам датчик ни в чем не виноват!

В середине декабря на борт загрузили поправку в бортовое ПО, которая позволила аппарату автоматически включать ЭРДУ сразу после аварийного отключения. Это позволило снять ограничение на работу ниже 10000 км, и 19 декабря аппарат установил новый рекорд: 68 часов непрерывной работы ЭРДУ. Вот только операторы получили от этого рекорда большую головную боль: вечером того же дня двигатель испытал аварийный останов, программа автоматического включения сработала некорректно, вызвав перезапуск основного компьютера и уход в защитный режим. Аппарат успешно выполнил ориентацию на Солнце и был возвращен в строй, но «заплатку» на всякий случай заблокировали.

В период с 23 декабря по 2 января ЭРДУ опять работала постоянно — более 240 часов подряд, и 7 января SMART-1 достиг плановой отметки 20000 км, если измерять расстояние от центра Земли. Это означало, что станция окончательно ушла из радиационных поясов, израсходовав за более чем 1500 часов разгона 24 кг ксенона.

Растягиваем орбиту дальше...
По случаю завершения первого этапа разгона в Дармштадте подвели итоги тестирования аппарата. Часть режимов, вызываемых отказами КА, осталась неиспытанной. К сожалению или к счастью? Не знаю... Замечаний к системам было три: проблема с автоматическим рестартом двигателя, нагрев звездных датчиков и редкие сбои алгоритма кодирования телеметрии.

Теперь стратегия состояла в подъеме апогея за счет работы ЭРДУ на перигейном участке. Разгон продолжался до 30 января, и если 4 января апогей был равен 50059 км, то к 1 февраля вырос до 59491 км. Период обращения превысил сутки и достиг 24 час 53 мин.

15 января объединенная научная и техническая рабочая группа утвердила план испытаний и приемки научной аппаратуры. 18 января была включена и в 02:00 UTC сделала первый снимок Луны с расстояния более 300000 км камера AMIE. 23 января она отсняла Плеяды, а 29 января — снова Луну. Ученые были довольны: камера не пострадала в радиационных поясах и не потеряла своих характеристик. 14 февраля с помощью AMIE наблюдался лазерный передатчик на о-ве Тенерифе.

Подъем орбиты КА SMART-1 с 1 марта по 12 июля 2004 г.

29 января к испытаниям AMIE добавился прием сигнала с передатчика КаТЕ в диапазоне X, а затем и в диапазоне Ка. 13 февраля был проведен пробный сеанс со станцией DSS-13 американской Сети дальней связи; последующие сеансы также были успешны. ИК-спектрометр SIR включили 5 февраля и успешно опробовали в сканировании Луны 8-18 февраля. 19 февраля в первый раз протестировали по Крабовидной туманности рентгеновские приборы D-CIXS и XSM. В последующие месяцы D-CIXS пронаблюдал источник Скорпион Х-1 и начал регулярные «синоптические» наблюдения космических рентгеновских источников, a XSM регистрировал уровень солнечного излучения. 21 мая с помощью камеры AMIE была проведена калибровочная съемка Европейского континента.

Приборы для исследования плазмы EPDP и SPEDE находились в работе с начала полета, так как по их данным контролировалась работа ЭРДУ. 9 февраля была проведена калибровка солнечного датчика EPDP по Солнцу, а попытка откалибровать SPEDE привела к сбою и вылету в защитный режим.

С 1 по 21 марта аппарат 20 раз входил в тень Земли и перенес это испытание хорошо. Самое длинное затмение было 13 марта и продолжалось (вместе с полутенью) 2 час 15 мин.

24 февраля SMART-1 возобновил разгон с включением ДУ, но всего на 1.5 часа в перигее. Когда период затмений остался позади, длительность разгона довели до 8-10, а затем и до 14-15 часов за виток.

16 апреля был пройден рубеж в 2000 часов работы.

Снимок Европейского континента камерой AMIE

Интересно, что до января разрядный ток ЭРДУ был очень стабильным и колебания его были на порядок ниже расчетных и полученных при испытаниях на Земле. В январе же уровень колебаний заметно вырос. Компания SNECMA рекомендовала снизить подаваемую на двигатель мощность, и ее уменьшили с 1417 до 1338 Вт. За счет этого немного увеличился удельный расход ксенона. В мае же были впервые отмечены заметные колебания уровня тяги (до 3%), синхронные с уровнем анодного тока. В июне двигатель работал на минимальной мощности 1311 Вт, а затем ее подняли до 1358 Вт.

К 5 апреля расстояние от центра Земли в апогее достигло 78469 км (что соответствовало апогею 72091 км), к 9 мая — 98999 км, к 6 июня — 121731 км, к 12 июля - 161511 км. Период обращения увеличился до 81 часа.

Время работы ЭРДУ к началу июля достигло 21 часа за виток, к 15 июля — 27 часов, а на 10-12 августа планировался участок разгона длительностью 41.5 часа. К 3 июля ЭРДУ включалась 248 раз, проработала 2643 часа, израсходовала 41.6 кг рабочего тела и дала приращение скорости 1930 м/с. Из 84 кг ксенона, заправленного в баки станции перед полетом, удалось сэкономить порядка 20 кг. Расход гидразина от начала полета и до 6 июня составил 0.14 кг, в баках оставалось 7.95 кг.

15 июля SMART-1 делал свой 314-й виток вокруг Земли. Основные системы КА работали штатно, но в июне было отмечено снижение на 1 дБ выходной мощности передатчика А.

Встреча близка
Три гравитационных маневра при сближении с Луной запланированы на 20 августа, 16 сентября и 14 октября 2004 г. После этого, 9 ноября, будет выполнен пролет Луны, а 17 ноября SMART-1 будет захвачен на орбиту ее спутника. Затем последует торможение на ЭРДУ со снижением апоселения до 3000 км и периода до 4.96 час. С орбиты 300x3000 км области до 50°с.ш. будут наблюдаться с высоты менее 800 км, что позволит выполнить измерения с помощью AMIE и SIR с высоким разрешением и достичь высокой чувствительности рентгеновских инструментов.

По материалам ЕКА