CryoSat — это спутник Европейского космического агентства, предназначенный для измерения толщины полярного морского льда и мониторинга изменений ледяных щитов, покрывающих Гренландию и Антарктиду. Миссия была рассчитана примерно на пятьлет и на сегодняшний день аппарат провел на орбите уже более 13 лет.

"С 2010 года CryoSat использует свой синтетический радиолокационный высотомер (SAR) для мониторинга суши и морского льда, чтобы помочь ученым продемонстрировать важную роль, которую тот играет в регулировании климата и изучить то, как на него влияет глобальное потепление, — говорит Томмазо Парринелло, руководитель миссии. — CryoSat — это настоящий подарок, который не теряет ценности. Собранные им за 13 лет климатические данные о глобальном льде и уровне моря не имеют равных, и это не скоро изменится".

Ключевые достижения недавней миссии включают в себя первую в истории круглогодичную карту арктического морского льда и самые точные оценки объема потерь ледников и полярных ледяных щитов. Эти данные имеют решающее значение для информирования политиков и составления докладов о климате.

Собранная CryoSat информация определяет конструкцию новых спутников для мониторинга льда, таких как миссия Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter (CRISTAL).

Проблемы с двигателем

Для  проведения сверхточных измерений Земли или космоса, большинство спутников совершают регулярные маневры, чтобы удерживаться на идеальной орбите.

CryoSat для маневрирования в космосе использует сжатый азот. Газ хранится под высоким давлением в топливном баке и подается через ряд труб и клапанов к двигателям. Те выпускают его в космос, толкая или поворачивая спутник в любом заданном направлении.

Согласно ожиданиям, расход топлива не должен был стать ограничивающим фактором для миссии. Но в 2016 году операторы в Европейском центре космических операций (ESOC) в Дармштадте заметили, что космический корабль израсходовал свои 37 килограммов сжатого азота намного быстрее, чем рассчитывалось.

По состоянию на ноябрь 2023 года у CryoSat оставалось 13 килограммов топлива — в два раза меньше, чем должно было быть с учетом использования двигателей для маневров поддержания орбиты и управления ориентацией.

Когда запас азота упадет ниже пяти килограммов, спутник больше не сможет надежно контролировать свою ориентацию и удерживаться на орбите.

Фатальная утечка

Азотное топливо CryoSat хранится в топливном баке под высоким давлением. Регулятор преобразует его, позволяя понизить давление для использования в двигателях. Вместе с экспертами компании Airbus (производителем спутника) команда специалистов из ЕКА определила место утечки в одном из меньших двигателей ориентации.

Сначала утечка была небольшой, но за первые несколько лет она увеличилась и достигла стабильного уровня, который, если оставить проблему без внимания, грозила привести к завершению миссии CryoSat уже в 2025 году.

Одна из версий произошедшего говорит, что появившаяся в системе небольшая трещина разрослась до определенного размера, после чего остановилась. Но диагностировать подобную проблему с нуля сложно, а значит, мы никогда не узнаем наверняка что же произошло.

Спасение спутника

CryoSat имеет вторичную двигательную установку, соединенную с топливным баком.

21 ноября в 10:45 по центральноевропейскому времени операторы ESOC инициировали переход на эту резервную систему, когда спутник проходил над станциями на острове Шпицберген и Кируна в Швеции.

Сначала, оставив основные двигатели подключенными, они открыли главный клапан резервной двигательной установки впервые за 13 лет пребывания CryoSat в космосе.

В ESOC инженеры по эксплуатации космических кораблей CryoSat и команда Airbus следили за показателями в то время, как давление росло – как внутри резервной двигательной установки, так и в диспетчерской на Земле.

Через какое-то время показатели резервной системы стабилизировались. Это указывало на то, что каких-либо серьезных проблем нет. Тогда бортовому компьютеру спутника было дано указание перейти на резервные двигатели вместо основных, которые он использовал с момента запуска.

А потом… тишина.

Летевший на юг над Африкой CryoSat остался один на один с впервые введенными в строй резервными двигателями.

"Резервная система CryoSat надежна и, скорее всего, будет работать так, как задумано, — говорит менеджер по эксплуатации космических аппаратов CryoSat Йенс Лерх. — Если с ним возникнет проблема, во время переключения или в любой момент в будущем, спутник способен автономно переключиться обратно на свою основную систему".

В то же время, никто не знал наверняка, что все сработает. Резервные системы не были задействованы ни разу за 13 лет пребывания CryoSat в космосе. За это время в них могла появиться утечка или их могли повредить микрометеороиды. При этом у специалистов не было возможности предварительно протестировать их работу, не подвергая миссию рискам.

К счастью, 25 минут спустя полностью работоспособный CryoSat поднялся над горизонтом наземной станции "Тролль" в Антарктиде.

После подтверждения правильного функционирования резервных двигателей ориентации главный клапан основных двигателей был закрыт, чтобы остановить утечку газа.

На следующий день, 22 ноября, специалисты провели "маневр орбитального управления" для проверки двух более крупных двигателей в резервной системе.

Поскольку никаких проблем не было обнаружено ни во время, ни после маневра, резервные двигатели CryoSat теперь официально введены в эксплуатацию, и спутник способен продолжать научную деятельность до конца десятилетия, а, возможно, и дальше.

Долгий путь к исправлению

В любой момент с момента запуска CryoSat имел возможность переключиться на резервную двигательную установку, если бы его бортовой компьютер обнаружил внезапную серьезную проблему с основной системой.

Но реакция на медленную утечку — это более сложное решение, чем на ответ на быструю, которую спутник должен устранять немедленно или даже автономно.

В период с 2016 по 2023 год CryoSat работал над сбором бесценных данных для картирования льда. Если бы операторы немедленно переключились на резервные двигатели и во время реконфигурации возникла серия маловероятных проблем, этих данных никогда бы не существовало.

Но чем дольше они ждали, тем больше топлива утекало в космос и тем меньше дополнительных лет они могли выиграть, совершив замену.

21 ноября 2023 года было выбрано днем, который сбалансировал эти два фактора.

Что дальше?

Переход на резервные двигатели CryoSat прошел успешно. Но мы пока не знаем точно, насколько это может продлить миссию. Только отслеживая запасы топлива в течение следующих нескольких дней и недель, команда CryoSat сможет оценить, есть ли какие-либо более мелкие утечки или проблемы в резервной системе.

В лучшем случае переход на запасной двигатель может оказаться неоценимым для изучения полярных льдов человечества.

CryoSat стал ключевой частью того, что некоторые называют "золотым веком спутниковой альтиметрии". Среди впечатляющего флота его радиовысотомер уникален тем, что способен контролировать уровень льда и воды в любой части земного шара.

CRISTAL, преемник CryoSat, не будет запущен в ближайшие несколько лет. Расширение периода наблюдений действующего спутника позволило бы устранить этот разрыв и сохранить самый длинный непрерывный рекорд изменения глобального льда, который у нас когда-либо был.

Между тем, новое сотрудничество с миссией НАСА для мониторинга льда ICESat-2, которое объединяет орбиты ICESat-2 и CryoSat для картографирования снега на льду (что является серьезной причиной неопределенности в существующих оценках), может дополнительно повысить точность спутниковых измерений объема льда.

Результаты будут напрямую применимы и к будущим ледовым миссиям, включая CRISTAL.