Jak pád indického měsíce nebyl ve skutečnosti selháním (op-ed)

Když indický přistávací modul Vikram narazil do Měsíce během pokusu o přistání kosmické lodi v září, byla to pro misi Chandrayaan-2 a indické plány na průzkum povrchu Měsíce významnou překážkou. Havárie však také poskytla poučnou zkušenost, která může pomoci Indické organizaci pro vesmírný výzkum (ISRO) uspět v jejím budoucím vesmírném úsilí.

Od svého založení v roce 1969 dosáhla ISRO ve vesmíru některých ohromných výkonů, jako je vypuštění mise Mars Orbiter kolem Rudé planety, vynesení kosmické lodi Chandrayaan-1 na oběžnou dráhu Měsíce a úspěšné nasazení impaktoru na měsíční povrch. A národ v současné době pracuje na cíli vypustit astronauty do roku 2022.

Zatímco mnozí budou označovat incident při přistání na Vikramu za „selhání“, ISRO má z neštěstí hodně získat. Jak se ISRO učí ze svých chyb s Chandrayaan-2, získané znalosti pomohou připravit cestu pro úspěšné budoucí mise. Zde vylíčím některé z největších úspěchů a nejpozoruhodnějších neúspěchů indického vesmírného programu a vysvětlím, jak každá mise, ať úspěšná nebo ne, pomohla učinit Indii jednou z nejplodnějších zemí světa vesmírných plavidel.

Vize Dr. Vikrama Sarabhaie, který v roce 1969 založil ISRO, pomohla vytvořit strategickou cestovní mapu pro indický vesmírný program. V tomto desetiletí Indie umístila své první satelity na oběžnou dráhu, čímž zahájila éru nových technologických možností, jako je vylepšená předpověď počasí (zejména pro monzuny) a satelitní komunikace pro telefonní, televizní a internetové služby. Díky satelitní technologii mohla Indie začít mapovat přírodní zdroje, jako je voda a lesy, a nové satelitní snímky také vědcům umožnily monitorovat a spravovat zemědělskou půdu.

Sarabhai současně předsedal indickým komisím pro atomovou energii, vesmír a elektroniku, což pro jednoho muže nebyl žádný malý výkon, a ve spolupráci s NASA zřídil na jižním cípu Indie raketovou odpalovací stanici Thumba Equatorial Rocket Launching Station. Nové místo startu inspirovalo původní vesmírné vědce žijící v zahraničí k návratu do Indie (například budoucí předseda ISRO Udupi Ramachandra Rao, vývojář pevných raketových zrn Dr. Vasant Gowarikar a já).

ISRO dosáhl postupné indigenizace (nebo „indiizace“) družic na nízkých oběžných drahách Země i geostacionárních drah a nosných raket s postupnými kroky. Několik zemí pomohlo Indii dosáhnout jejích vesmírných schopností; USA poskytly Indii počáteční sondážní rakety ke startu z Thumby, zatímco Akademie věd SSSR poskytla počáteční satelitní subsystémy na nízké oběžné dráze a sovětské nosné rakety a Evropa (zejména Francie) poskytla schopnost odpalu geostacionárních satelitů s raketami rodiny Ariane.

NASA zapůjčila svůj Applications Technology Satellite-6 (ATS-6) společnosti ISRO v roce 1975 na jeden rok pro Satellite Instructional Television Experiment (SITE), projekt, jehož cílem bylo přinést vzdělávací televizní pořady a programy divákům ve venkovských vesnicích Indie. Náklady na misi ATS-6 byly srovnatelné s průměrnými náklady mise Apollo na lunární přistání, kolem 400 milionů dolarů. Slavný raketový vědec Wernher von Braun se zasloužil o zprostředkování této roční půjčky Indii, která se tehdy rozvíjela jako rozvíjející se ekonomika.

První indická družice Aryabhata vypuštěná na sovětské raketě v roce 1975 za účelem provádění experimentů v rentgenové astronomii a sluneční fyzice. Poté, v roce 1979, ISRO zahájil svou druhou misi nazvanou Bhaskara, která zahrnovala dvě družice pro pozorování Země. Zatímco první dva indické satelity byly vypuštěny na nízkou oběžnou dráhu Země (LEO) na sovětských nosných raketách, většina indických družic od roku 1983 byla vypuštěna na indických raketách Polar Satellite Launch Vehicle (PSLV) a Geosynchronous Satellite Launch Vehicle (GSLV). Dnes má ISRO 13 funkčních satelitů LEO. Celkově Indie úspěšně zahájila více než 100 úspěšných misí a asi dvě třetiny těchto misí byly zahájeny na indických raketách.

Vývoj jejích družicových nosných raket začal Satellite Launch Vehicle (SLV-3), který odstartoval na svůj první úspěšný zkušební let v roce 1983. Tato raketa byla prvním pokusem Indie o vybudování interní odpalovací kapacity. Pozdější vývoj zahrnoval odpalovací zařízení PSLV a GSLV a nejnověji ISRO odhalilo prototyp nového znovupoužitelného odpalovacího prostředku (RLV) agentury, vesmírného letadla, které bude Indie používat pro plánované lidské mise na nízkou oběžnou dráhu Země.

Pouze jeden indický občan kdy byl ve vesmíru. Rakesh Sharma letěl na palubě sovětské mise Sojuz T-11 na vesmírnou stanici Saljut 7 v roce 1984. V roce 1975 jsem napsal 25stránkový návrh doporučující indickou účast na misích raketoplánů a budoucích vesmírných stanic, které by nyní zajistily tři desetiletí lidská zkušenost s letem do země. Agentura má však v plánu zahájit vypouštění astronautů v roce 2022 na své kosmické lodi Gaganyaan, která je v současné době ve vývoji.

Historie „selhání“

Stejně jako všechny velké vesmírné agentury, i ISRO má za sebou slušný podíl neúspěchů. Od vypouštěcích raket, kterým se nepodařilo dosáhnout oběžné dráhy, až po satelity, které nefungovaly podle plánu, zde jsou některé z největších selhání, kterým ISRO čelila.

První satelit dosáhne oběžné dráhy, ale přístroje selžou

Aryabhata byla první družice, která byla sestavena ISRO, vypuštěna na oběžnou dráhu na sovětské raketě v roce 1975. Akademie věd SSSR dodala pro družici mnoho subsystémů v rámci spolupráce s Indií. Bohužel kvůli poruše napájecí sběrnice žádný z experimentů nevyšel.

SLV-3: Tvrdý začátek

Když 10. dubna 1979 ISRO poprvé vypustila svou raketu SLV-3E1 na experimentální zkušební let, raketa stoupala asi 5 minut, než dopadla do Bengálského zálivu.

Ředitel vesmírného střediska Vikram Sarabhai, Dr. Brahm Prakash, převzal odpovědnost a povzbudil ředitele projektu SLV, A. P. J. Abdul Kalam a další mise SLV-3E o rok později byla úspěšná. (Později se Kalam, můj kolega z ISRO, stal nesporným prezidentem Indie.)

SLV-3E odstartoval na další dvě mise, v roce 1981 a 1983; třetí mise byla považována za částečný neúspěch, protože experimentální družice Rohini na palubě nedosáhla požadované výšky a obíhá pouze devět dní. Každá ze čtyř misí SLV-3E nesla malý satelit Rohini. První družice Rohini, která se dostala na oběžnou dráhu, trvala přes rok a ta, která letěla na čtvrté a poslední misi SLV-3E, vydržela na oběžné dráze asi sedm let.

Tato experimentální raketa položila základ pro vývoj větších a lepších raketových posilovačů. Jinak se rodící schopnosti ISRO byly omezeny na sondážní rakety, které prováděly studie horní atmosféry a magnetického pole Země. Aby Indie mohla naplnit strategický plán Sarabhai umožňující satelitní komunikaci a pozorování Země, potřebovala vyvinout schopnost vypouštět satelity na oběžnou dráhu nebo být navždy závislá na pořízených (a často velmi drahých) nosných raketách jiných vesmírných agentur. Série SLV-3E vydláždila cestu k dnešním schopnostem PSLV a GSLV a tyto nové rakety stojí zlomek toho, co by stálo vypuštění podobné rakety, kterou dnes pořídil externí výrobce raket.

Tři problémové INSAT

INSAT, což je zkratka pro Indian National Satellite System, je série 24 geostacionárních satelitů, které se od 80. let používají pro telefonování, televizi, mapování počasí, datové a internetové služby. První tři z 24 satelitů selhaly. Veškeré užitečné zatížení meteorologie, televize a telefonie bylo nahromaděno na novém a složitém návrhu geostacionárního satelitu, který se v té době ještě neosvědčil – jinými slovy, technologie nebyla připravena. INSAT-1A selhal pouhých sedm měsíců od plánované sedmileté mise a 1B a 1C selhaly nebo fungovaly se sníženou kapacitou před koncem jejich plánované životnosti.

To byl jeden z důvodů, proč jsem se rozhodl rezignovat na ISRO. Během svého působení v NASA, v letech 1968-72, jsem zažil spolehlivé systémové inženýrství ve složitých projektech, jako je Apollo; to a způsob, jakým jsem viděl, jak NASA hodnotí rizika, mě přiměly v letech 1978-79 vstát v ISRO a opustit organizaci kvůli tomuto neprokázanému návrhu. Spojení všech tří užitečných zatížení a potřeba jemného nasměrování meteorologického užitečného zatížení, nazývaného radiometr s velmi vysokým rozlišením (VHRR), zdůraznily kapacitu startu omezením maximální hmotnosti každého satelitu a snížením jeho palivové kapacity pro udržení stanice. Z 24 dosud vypuštěných satelitů INSAT sedm zcela nebo částečně selhalo a 11 je v současné době v provozu.

Jedním z důvodů lepší úspěšnosti družic INSAT je zlepšení schopností nosných raket, jako jsou Ariane a PSLV/GSLV, které mohou vypouštět těžší družice a jsou úspornější.

Indie nouzově přistane na Měsíci

První indický pokus o přistání na Měsíci, i když skončil neúmyslným nouzovým přistáním, byl pro ISRO obrovským úspěchem. Mise Chandrayaan-2 - která se skládá z orbiteru, přistávacího modulu Vikram a roveru jménem Pragyan - možná nebude schopna zkoumat měsíční povrch zblízka, ale orbiter jej bude i nadále zkoumat z dálky v nadcházejících letech. Mezitím inženýři ISRO studují, co se pokazilo při přistání Chandrayaan-2, aby pomohli zlepšit návrh dalšího indického pokusu o přistání na Měsíci.

K neštěstí došlo v závěrečné fázi Vikramova sestupu, když problém s brzdícími tryskami sondu donutil provést tvrdé přistání 0,3 míle (500 metrů) od cílového místa přistání, podle prohlášení Jitendry Singha, ministra zahraničí. pro indické ministerstvo vesmíru v listopadu. Dne 2. prosince NASA zveřejnila fotografii místa havárie Vikramu ze své sondy Lunar Reconnaissance Orbiter, která hlídala přistávací modul od doby, kdy se po havárii ztratil. Vědci ISRO také hledají Vikrama na měsíčním povrchu pomocí užitečného zatížení kamery s vysokým rozlišením na orbiteru Chandrayaan-2.

Ačkoli Vikram nyní nemůže přenášet žádná data zpět na Zemi, ISRO může stále využívat data, která kosmická loď poslala na Zemi, dokud neztratí spojení jen několik minut před plánovaným přistáním. Vikram vysílal data asi 12 minut před havárií. Orbiter Chandrayaan-2 také pomohl přenést data z Vikramu dolů na Zemi a orbiter dodal své vlastní snímky a údaje z přístrojů shromážděné před, během a po nehodě.

Co se pokazilo?

ISRO nyní čelí výzvě plné simulace Vikramova přistání pomocí přijatých telemetrických a sledovacích dat. Porovnáním těchto informací s plánovanou trajektorií mise se agentura pokusí určit příčinu problému a přesně, kdy k problému došlo. ISRO může tato data použít k určení fyzického namáhání mechanických a elektronických systémů přistávacího modulu, jakož i vibrací, nárazů a tepelných účinků na subsystémy kosmické lodi během fází brzdění. Když jsou telemetrická data analyzována a časově řazena podle zdravotního stavu každého subsystému, poskytnou podrobné časové osy plánovaných i neplánovaných událostí během havárie.

Tato analýza by zahrnovala řízený začátek fáze sestupu a 12 minut přenášených dat před ztrátou komunikace. Zahrnovalo by to také hlubší analýzu toho, jak si podsystémy kosmické lodi vedly během první (menší) závady nebo odchylky, která s největší pravděpodobností spustila nešťastný řetězec událostí, a také druhé (hlavní) závady, která vedla ke krátkému dosah tvrdého přistání. První závada pravděpodobně spustila některé anomálie související s ovládáním subsystému a trysky, které se zesílily a vedly k neštěstí, které bylo jasně patrné jako druhá závada nebo odchylka od plánované trajektorie ve výšce 1,2 míle (2 kilometry) nad měsíčním povrchem.

Lepší pochopení těchto detailů Vikramova selhání přistání postupně zlepší další data a doplňkové senzory potřebné pro budoucí mise.

Učit se z Vikramových chyb

Ačkoli ISRO mohlo přijít o svůj lunární přistávací modul, agentura získala z této zkoušky cenné zkušenosti. ISRO dosáhla pokroku v oblasti kapalného pohonu, což je poprvé, co se Indie pokusila o měkké přistání – a její první zkušenost s použitím retroraket na bázi kapalného pohonu ke zpomalení rychle ubíhajícího landeru před dotykem. Tato technologie by mohla být použita nejen pro budoucí robotické landery, ale také pro lidské mise na Měsíc.

I když je sekvence přistání předem naprogramována a informace o místě přistání jsou neustále aktualizovány novými daty a snímky ze snímků orbiteru pomocí umělé inteligence (AI), skutečná data o výkonu sestupu vyžadují spolehlivý komunikační systém pro přenos těch nejmodernějších datové informace pozemním kontrolorům na Zemi, kteří mohou upravit kurz přistávacího modulu v případě, že zaznamená jakékoli odchylky od plánované trajektorie sestupu.

Když Vikram ztratil kontakt se Zemí a když se objevil problém s Vikramovými motory se zpětným tahem, tento problém motoru nebylo možné plně ověřit. Ostatní údaje a vizuální pozorování tedy mohou ověřit stav integrity Landeru. ISRO musí ve svých komunikačních systémech zkonstruovat více redundance pro budoucí mise, i když to znamená obětovat hmotnost a výkon kosmické lodi.

Další nácvik přistání na Měsíci

Chandrayaan-2 neměla být jedinou misí s měkkým přistáním; další přistávací mise na Měsíci, Chandrayaan-3, je předběžně naplánována ke startu v listopadu 2020. Indie bude muset často přistávat a dokonce být schopna vzlétnout z měsíčního povrchu, aby splnila své ambiciózní cíle pro průzkum lidského vesmíru a návrat vzorků.

Jen týden po neštěstí Vikram jsem online předložil návrh na vypuštění dalšího landeru, který by sloužil jako následná mise na Chandrayaan-2. Mise nazvaná Chandrayaan-2A by demonstrovala měkké přistání pomocí lunárního landeru s volitelnými možnostmi výstupu, které by umožnily kosmické lodi „naskočit“na Měsíc. Tato mise zlepší technologii, kterou ISRO potřebuje pro úspěšná přistání v budoucnu, a může pomoci ISRO zvládnout proces přistání pomocí jednoduché, nízkonákladové technologické demonstrační mise před vypuštěním dražších nákladu na Měsíc nebo Mars. Úspěch této mise by nejen prospěl všem budoucím indickým přistávacím misím, ale mohl by také posloužit jako tolik potřebné posílení morálky týmu!

Tato mise „na zádech“lunárního landeru by mohla jet na již plánovaném startu pomocí rakety PSLV nebo GSLV nesoucích další náklad na geostacionární nebo nízkou oběžnou dráhu Země, nebo by mohla startovat na své vlastní raketě. To by byla méně složitá mise než Chandrayaan-2 nebo -3, nést pouze lander, žádný orbiter. Tento lander by mohl otestovat další možnosti sestupu, které kladou menší zátěž na kosmickou loď, jako je delší období sestupu nebo jiný úhel sestupu. Stupeň sestupu (a možný režim výstupu s použitím restartovatelných motorů) by měl být plně a úspěšně otestován, než se ISRO pokusí vyslat na měsíční povrch další kosmické lodě.

ISRO potřebuje otestovat přistávací modul v zemské atmosféře tím, že jej shodí pomocí dronu nebo jiného letadla. Při testování a následném měkkém přistání pod zemskou gravitací je nutné přejít z prudkého brzdění na jemné brzdění.

To mi připomíná, co Neil Armstrong dělal během programu Apollo, když trénoval pilotování lunárního modulu. 6. května 1968 Armstrong vyskočil během zkušebního letu Lunar Landing Research Vehicle, když ztratil kontrolu nad plavidlem, katapultoval se a jen těsně se vyhnul ohnivé explozi. Vzhledem k tomu, že přistávací modul ISRO je odšroubovaný, je třeba počítat s podobnými atmosférickými efekty, jaké byly provedeny při zkouškách lunárního modulu Apollo.

ISRO také potřebuje otestovat vibrace a tepelné účinky na elektroniku, ovládání a vedení před a během přepnutí z hrubého do jemného režimu zpětného tahu, ke kterému dochází, když kosmická loď zpomaluje při sestupu. Tyto věci musíme také otestovat, když se lander vznáší těsně nad povrchem, a to jak na konci přistání, tak po vzletu pro řízený manévr „hopping“.

Se silnými zkušenostmi ISRO s vypouštěním úspěšných vesmírných misí lze s jistotou říci, že navrhovaný lander může být připraven ke startu přibližně za rok s většinou stejného, ale dobře otestovaného hardwaru a softwaru jako Chandrayaan-2 a s určitou upravenou komunikací. řídicí a naváděcí subsystémy.

Tato mise umožní ISRO znovu použít infrastrukturu Chandrayaan-2 stejně jako orbiter Chandrayaan-2, který by předával data mezi přistávacím modulem Chandrayaan-2A a Zemí, stejně jako to bylo s Vikramem. Přistávací modul může také znovu použít zobrazování orbiteru (které využívá rozpoznávání vzorů AI) pro přesné a podrobné mapy cílové přistávací zóny. Ten samý software umělé inteligence může také pomoci přistávacímu modulu „poskočit“na několik míst přistání během testů restartovatelných trysek.

Rychlé přistání a výstup ("násypka") mise lze pravděpodobně dosáhnout za optimalizované náklady méně než 3 miliardy rupií (což odpovídá asi 42 milionům USD) sdílením nákladů na nosnou raketu s ostatními užitečnými zatíženími. Částečné náklady na nosnou raketu přidělenou přistávacímu modulu Chandrayaan-2A mohou být přibližně 1 miliarda rupií (14 milionů dolarů). Přistávací modul s robustními subsystémy, zejména sestupnými motory s vestavěnými redundantními funkcemi pro brzdění a vznášení, může stát přibližně 2 miliony rupií (28 milionů dolarů). Experimenty pro detekci povrchové struktury a analýzy půdy, které zahynuly s přistávacím modulem Vikram, lze duplikovat i na tomto přistávacím modulu a dokonce může nést i repliku pragyanského roveru!

Tato mise Chandrayaan-2A může být uskutečněna v časovém rámci 2020-21 a poskytne technologickou ukázku měkkého přistání, zatímco dříve určená a plánovaná mise Chandrayaan-3, spolupráce mezi ISRO a Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), je projektuje se a staví. Tento lander se bude muset spojit s novou japonskou raketou H3 na startu v Japonsku a také pracovat s novým orbiterem a roverem.

Chandrayaan-2A bude sloužit jako předchůdce mnohem složitější integrované mise, společné mise ISRO-JAXA Lunar Polar Exploration Mission, která vyšle lander a rover na jižní pól Měsíce již v roce 2024. Navrhovaný Chandrayaan-2A mise by mohla poskytnout povrchová data o tři roky dříve, s využitím současné infrastruktury as velmi malým přírůstkovým úsilím. A testováním nového systému výstupu by Chandrayaan-2A mohl poskytnout ISRO schopnost provádět mise s návratem vzorků z Měsíce a dalších planetárních destinací. Pro ISRO je obzvláště důležité při takové misi přistát na Měsíci ve světle nového mezinárodního „měsíčního spěchu“.

ISRO má jasné vyhlídky

Člověk musí být upřímný, pokud jde o přiznání selhání.

Pokud byl lunární lander poslán na technologickou demonstrační misi i pro vědecké výzkumy, pak část mise Vikram lander selhala a ad-hoc procenta úspěšnosti a neúspěšnosti nejsou posledním slovem. Podobná upřímnost byla potřebná pro hlášení selhání experimentů INSAT a Aryabhata.

Aby byl průzkum vesmíru úspěšný, je třeba zvýšit investice do podpory výzkumu a inovací. V současnosti jsou v mnoha odvětvích v Indii velmi malé, například ve srovnání s Čínou, což má za následek méně publikací a globálních výzkumných pozic, které v posledních desetiletích zaujímají indičtí vědci.

V nové pulzující Indii je jiskra v očích a myslích mladých Indů známkou obrovské energie v oborech souvisejících s vědou a technologií, stejného nadšení, jaké se projevilo během mise Chandrayaan-2. Toto nadšení může přinést mnohem lepší cesty a příležitosti pro mladé profesionály. Je to právě udržování této energie, která skutečně podnítí vědecké a technologické schopnosti a posílí přínos výzkumu a vývoje v celosvětovém měřítku. Tato energie v Indii v posledních dvou desetiletích chyběla a je důvodem, proč země například zaostává za Čínou. Mezi méně hmatatelné přínosy takových misí patří zapálení myslí mladých vědců a technologů, kteří jsou hnacími motory budoucnosti Indie.

Nejen, že se Indie stala vesmírným národem schopným vypouštět své vlastní satelity, ale tyto mise – jak úspěchy, tak neúspěchy – také inspirovaly novou generaci mladých vědců, kteří budou v této práci pokračovat i v budoucnu.

Stejně jako v Apollu 13 je někdy selhání mise možností, pokud je to to, co je potřeba k zachování bezpečnosti posádky. Jak ve vesmíru, tak v životě na Zemi má každá neúspěšná mise své stříbro s novými zkušenostmi a poučením. Tyto vylepšené schopnosti v misích Apollo 14-17. A jak ISRO prokázalo, každý neúspěch vytváří příležitost k růstu, učení a úspěchu později.