Mariner 1 , построенный для проведения первого американского планетарного пролета Венеры , был первым космическим аппаратом межпланетной программы NASA Mariner . Разработанный Лабораторией реактивного движения и изначально планировавшийся как специально построенный зонд, запущенный летом 1962 года, конструкция Mariner 1 была изменена, когда Centaur оказался недоступен в то время. Mariner 1 (и его родственный космический аппарат Mariner 2 ) затем были адаптированы из более легкого лунного космического аппарата Ranger . Mariner 1 провел ряд экспериментов по определению температуры Венеры, а также по измерению магнитных полей и заряженных частиц вблизи планеты и в межпланетном пространстве .
Mariner 1 был запущен ракетой Atlas-Agena с площадки 12 на мысе Канаверал 22 июля 1962 года. Вскоре после старта ошибки в связи между ракетой и ее наземными системами наведения привели к отклонению ракеты от курса, и ее пришлось уничтожить службой безопасности полигона . Ошибки были связаны с ошибкой в спецификации рукописных уравнений наведения, которые затем были впоследствии закодированы в компьютерной программе.
С началом Холодной войны две тогдашние сверхдержавы , Соединенные Штаты и Советский Союз , инициировали амбициозные космические программы с намерением продемонстрировать военное, технологическое и политическое превосходство. [1] Советы запустили Спутник-1 , первый спутник на околоземной орбите, 4 октября 1957 года. Американцы последовали их примеру с Explorer-1 1 февраля 1958 года, к этому моменту Советы уже запустили первое орбитальное животное, Лайку, в Спутнике-2 . После того, как орбита Земли была достигнута, внимание переключилось на то, чтобы стать первыми на Луне. Программа спутников Pioneer состояла из трех неудачных лунных попыток в 1958 году. В начале 1959 года советская Луна-1 стала первым зондом, пролетевшим мимо Луны, за ней последовала Луна-2 , первый искусственный объект, столкнувшийся с Луной. [2]
С достижением Луны сверхдержавы обратили свои взоры на планеты. Будучи ближайшей к Земле планетой, Венера представляла собой привлекательную цель для межпланетных космических полетов. [3] : 172 Каждые 19 месяцев Венера и Земля достигают относительных положений на своих орбитах вокруг Солнца, так что для путешествия с одной планеты на другую по переходной орбите Хохмана требуется минимум топлива . Эти возможности знаменуют собой лучшее время для запуска исследовательских космических аппаратов, требующих минимум топлива для совершения путешествия. [4]
Первая такая возможность космической гонки появилась в конце 1957 года, до того, как у обеих сверхдержав появились технологии, чтобы воспользоваться ею. Вторая возможность, около июня 1959 года, лежала на грани технологической осуществимости, и подрядчик ВВС США Лаборатория космических технологий (STL) намеревалась ею воспользоваться. План, составленный в январе 1959 года, включал два космических корабля, созданных на основе первых зондов Pioneer, один из которых должен был быть запущен с помощью ракеты Thor-Able , другой — с помощью еще не испытанной Atlas-Able . [5] STL не смогла завершить зонды до июня, [6] и окно запуска было упущено. Зонд Thor-Able был перепрофилирован в исследователь дальнего космоса Pioneer 5 , который был запущен 11 марта 1960 года и был разработан для поддержания связи с Землей на расстоянии до 20 000 000 миль (32 000 000 км) по мере его движения к орбите Венеры. [7] (Концепция зонда Atlas Able была перепрофилирована в неудачные лунные зонды Pioneer Atlas .) [8] В начале 1961 года не было отправлено ни одной американской миссии. Советский Союз запустил Венеру-1 12 февраля 1961 года, а 19–20 мая стал первым зондом, пролетевшим мимо Венеры; однако он прекратил передачу 26 февраля . [9]
Для возможности запуска летом 1962 года NASA заключило контракт с Jet Propulsion Laboratory (JPL) в июле 1960 года [3] : 172 для разработки «Mariner A», 1250-фунтового (570 кг) космического корабля, который должен был быть запущен с использованием еще не разработанного Atlas-Centaur . К августу 1961 года стало ясно, что Centaur не будет готов вовремя. JPL предложила NASA, что миссия может быть выполнена с помощью более легкого космического корабля, использующего менее мощный, но работоспособный Atlas-Agena . Был предложен гибрид Mariner A и лунного исследователя Block 1 Ranger JPL , который уже находился в разработке. NASA приняло предложение, и JPL начала 11-месячную ускоренную программу по разработке «Mariner R» (названного так потому, что он был производным от Ranger). Mariner 1 был первым запущенным Mariner R. [10]
Было построено три космических корабля Mariner R: два для запуска и один для проведения испытаний, который также должен был использоваться в качестве запасного. [3] : 174 Помимо своих научных возможностей, Mariner также должен был передавать данные обратно на Землю с расстояния более 26 000 000 миль (42 000 000 км) и выдерживать солнечную радиацию, вдвое более интенсивную, чем та, которая встречается на околоземной орбите. [3] : 176
Все три космических аппарата Mariner R, включая Mariner 1, весили в пределах 3 фунтов (1,4 кг) от проектного веса 447 фунтов (203 кг), из которых 406 фунтов (184 кг) были отведены для неэкспериментальных систем: маневренных систем, топлива и коммуникационного оборудования для приема команд и передачи данных. После полного развертывания в космосе, с двумя выдвинутыми солнечными панелями «крылья», Mariner R имел высоту 12 футов (3,7 м) и ширину 16,5 футов (5,0 м). Основной корпус аппарата был шестиугольным с шестью отдельными корпусами электронного и электромеханического оборудования:
В задней части космического корабля был установлен ракетный двигатель на монотопливе (безводный гидразин ) 225 Н [11] для коррекции курса. Стабилизирующая система из десяти реактивных сопел, работающая на азотном газе и управляемая бортовыми гироскопами, солнечными датчиками и датчиками Земли, поддерживала Mariner в правильном положении для получения и передачи данных на Землю. [3] : 175
Первичная параболическая антенна с высоким коэффициентом усиления также была установлена на нижней стороне Mariner и была направлена на Землю. Всенаправленная антенна наверху космического корабля время от времени передавала, что космический корабль катится или кувыркается из своей правильной ориентации, чтобы поддерживать связь с Землей; как несфокусированная антенна, ее сигнал был бы намного слабее первичной. Mariner также установил небольшие антенны на каждом из крыльев для приема команд с наземных станций. [3] : 175–176
Контроль температуры был как пассивным, с использованием изолированных и высокоотражающих компонентов; так и активным, с использованием жалюзи для защиты корпуса бортового компьютера. Во время постройки первых Mariners не существовало испытательной камеры для имитации околовенерной солнечной среды, поэтому эффективность этих методов охлаждения не могла быть проверена до начала реальной миссии. [3] : 176
На момент начала проекта Mariner некоторые характеристики Венеры были определенно известны. Ее непрозрачная атмосфера не позволяла проводить телескопическое исследование земли. Было неизвестно, есть ли вода под облаками, хотя небольшое количество водяного пара над ними было обнаружено. Скорость вращения планеты была неопределенной, хотя ученые JPL пришли к выводу с помощью радиолокационных наблюдений, что Венера вращается очень медленно по сравнению с Землей, что подтверждает давнюю [12] (но в конечном итоге опровергнутую) [13] гипотезу о том, что планета приливно заблокирована относительно Солнца (как Луна относительно Земли). [14] В атмосфере Венеры не было обнаружено кислорода, что говорит об отсутствии жизни в том виде, в каком она существовала на Земле. Было установлено, что атмосфера Венеры содержит по крайней мере в 500 раз больше углекислого газа , чем земная. Эти сравнительно высокие уровни предполагают, что планета может быть подвержена неконтролируемому парниковому эффекту с температурой поверхности до 600 К (327 °C; 620 °F), но это еще не было окончательно определено. [10] : 7–8
Космический аппарат «Маринер» мог бы проверить эту гипотезу, измерив температуру Венеры крупным планом; [15] в то же время космический аппарат мог бы определить, существует ли значительная разница между ночной и дневной температурой. [10] : 331 Бортовой магнитометр и набор детекторов заряженных частиц могли бы определить, обладает ли Венера заметным магнитным полем и аналогом поясов Ван Аллена на Земле . [15]
Поскольку космический аппарат Mariner проведет большую часть своего путешествия к Венере в межпланетном пространстве, миссия также предоставит возможность для долгосрочного измерения солнечного ветра заряженных частиц и картирования изменений в магнитосфере Солнца . Также можно будет исследовать концентрацию космической пыли за пределами окрестностей Земли. [3] : 176
Эксперименты по измерению Венеры и межпланетного пространства включали:
Ни на одном из космических аппаратов Mariner R не было камеры для визуальных фотографий. Поскольку полезное пространство было в дефиците, ученые проекта посчитали камеру ненужной роскошью, неспособной возвращать полезные научные результаты. Карл Саган , один из ученых Mariner R, безуспешно боролся за их включение, отмечая, что не только могут быть разрывы в облачном слое Венеры, но и «что камеры также могут ответить на вопросы, которые мы были слишком глупы, чтобы даже задать». [16]
.jpg/1280px-Woomera_1964_0(1).jpg)
Окно запуска для Mariner, ограниченное как орбитальными отношениями Земли и Венеры, так и ограничениями Atlas Agena, было определено на 51-дневный период с 22 июля по 10 сентября. [3] : 174 План полета Mariner был таким, что два действующих космических корабля будут запущены к Венере в течение 30-дневного периода в пределах этого окна, следуя немного отличающимися траекториями, так что они оба прибудут на целевую планету в течение девяти дней друг от друга, между 8 и 16 декабря. [17] Только стартовый комплекс Cape Canaveral 12 был доступен для запуска ракет Atlas-Agena, и потребовалось 24 дня, чтобы подготовить Atlas-Agena к запуску. Это означало, что был только 27-дневный запас на ошибку для графика из двух запусков. [3] : 174
Каждый Mariner будет запущен на парковочную орбиту , после чего перезапускаемая Agena запустится во второй раз, отправив Mariner на его путь к Венере (ошибки в траектории будут исправлены включением бортовых двигателей Mariner в середине пути). [10] : 66–67 Радиолокационное слежение в реальном времени за космическим аппаратом Mariner, пока он находится на парковочной орбите , и после его отбытия Атлантический ракетный полигон будет обеспечивать радиолокационное слежение в реальном времени со станциями в Вознесении и Претории , в то время как Паломарская обсерватория будет обеспечивать оптическое слежение. Поддержка дальнего космоса обеспечивалась тремя станциями слежения и связи в Голдстоуне, Калифорния , Вумере, Австралия , и Йоханнесбурге, Южная Африка , каждая из которых разделена на земном шаре примерно на 120° для непрерывного покрытия. [10] : 231–233
Запуск Mariner 1 был запланирован на раннее утро 21 июля 1962 года. Несколько задержек, вызванных неполадками в системе управления безопасностью полигона, задержали начало обратного отсчета до 23:33 по восточному времени накануне вечером. В 2:20 утра, всего за 79 минут до запуска, перегоревший предохранитель в цепях безопасности полигона привел к отмене запуска. Обратный отсчет был сброшен той ночью и продолжался с несколькими задержками, запланированными и незапланированными, с 23:08 до раннего утра следующего дня.
В 9:21:23 утра 22 июля 1962 года Atlas-Agena ракеты Mariner 1 стартовала с LC-12. Запуск прошел полностью по плану вплоть до отделения ускорителя. Во время фазы маршевого двигателя система наведения начала выдавать неправильные дискретные сигналы управления, из-за чего Atlas рыскала влево и вправо. Траектория полета начала указывать вниз и влево от того места, где она должна была быть, создавая опасность того, что она может столкнуться с загруженными судоходными путями Атлантики. В 9:26:16 утра, всего за шесть секунд до того, как вторая ступень Agena должна была отделиться от Atlas, и в этот момент уничтожение ракеты уже было невозможно, офицер по безопасности на полигоне приказал ракете самоуничтожиться, что она и сделала — система прекращения полета Atlas также была разработана для уничтожения Agena при активации, но у Agena не было собственной системы прекращения полета, и она не могла быть уничтожена после Atlas SECO. Телеметрические сигналы от зонда принимались еще 1-1/2 минуты. Директор программы Mariner Джек Джеймс считал, что уничтожение ракеты было ненужным, и она не приземлилась бы нигде, кроме как посреди океана. [10] : 87
Из-за постепенного, а не резкого отклонения от курса инженеры JPL заподозрили, что неисправность кроется в уравнениях полета, загруженных в компьютер, который управлял Atlas-Agena с земли во время подъема. [17] После пяти дней послеполетного анализа инженеры JPL определили, что вызвало неисправность на Mariner 1: ошибка в логике компьютера управления в сочетании с отказом оборудования. [18]
Компьютер управления Burroughs использовал данные, переданные ему с маяка скорости на Atlas, и использовал эту информацию для выдачи команд управления. Программа управления должна была содержать дефис, который предписывал компьютеру игнорировать данные, поступающие с маяка скорости Atlas, если он выйдет из строя в полете, чтобы предотвратить отправку неправильных команд, но он был случайно исключен из программы, которую техник на мысе Канаверал ввел в компьютер, не осознавая, что в отправленной ему программе была ошибка. [18] [19]
Во время подъема ускоритель Mariner 1 на короткое время потерял связь с землей. Поскольку это было довольно распространенным явлением, Atlas-Agena был спроектирован так, чтобы продолжать следовать по заранее запрограммированному курсу до тех пор, пока связь с землей не возобновится. [20] Однако, когда связь была восстановлена, неисправная логика наведения заставила программу ошибочно сообщить, что «скорость колеблется хаотично и непредсказуемо», что программа попыталась исправить, вызвав фактическое хаотичное поведение, которое побудило офицера безопасности полигона уничтожить ракету. [18]
Неправильная логика ранее успешно использовалась для запусков Ranger , но маяк скорости не выходил из строя на них, поэтому проблема не проявилась там. Система наведения Mod III-G, используемая на ракете Atlas-Agena, была постоянным источником проблем и выходила из строя при многих запусках с тех пор, как Atlas-Agena начала летать в 1960 году. Это была адаптация системы наведения Mod III, используемой на ракетах Atlas B, C и D, в которой оригинальная электроника с электронными трубками была преобразована в транзисторы, но модификация была сделана в спешке и оказалась ненадежной. После повторных сбоев наведения Atlas-Agena, Mod III-G была перепроектирована в 1963 году для надлежащего размещения транзисторной электроники. [18]
Катастрофические последствия небольшой ошибки «подвели итог всей проблемы надежности программного обеспечения» и способствовали развитию дисциплины программной инженерии . [18]
Последующие популярные отчеты об аварии часто называли ошибочный символ «дефисом» (описывая отсутствующий компонент символа), а не «R-чертой»; эта неправильная характеристика была вызвана описанием неисправности Артуром Кларком как «самого дорогого дефиса в истории». [19]
Потеря первого американского межпланетного космического корабля составила 18,5 млн долларов (186 млн долларов в сегодняшних ценах) для NASA. [21] Инцидент подчеркнул важность тщательной отладки программного обеспечения перед запуском, а также необходимость разработки программ таким образом, чтобы незначительные ошибки не могли привести к катастрофическим сбоям. Процедуры, реализованные в результате, хорошо послужили NASA, в конечном итоге спасая посадки на Луну проекта «Аполлон» ; хотя в программном обеспечении модуля Lunar Excursion во время спуска были ошибки , они не привели к сбою миссии. [22]
Поскольку логическая ошибка была быстро обнаружена, [23] не было необходимости в неоправданной задержке. Идентичный Mariner 2 уже был под рукой, и второй запуск с той же площадки был возможен до конца августа. [24] 27 августа 1962 года был успешно запущен родственный Mariner 1 космический аппарат, став 14 декабря 1962 года первым космическим аппаратом, который передал данные из окрестностей Венеры. [3] : 171, 177
