250 mijl omhoog door de lucht ritselt een bundel detectoren en elektronica ter grootte van een schoenendoos, genaamd Dellingr. De naamgenoot van de mythologische Noorse god van de dageraad, Dellingr behoort tot een nieuw soort ruimtevaartuig dat bekend staat als een CubeSat. Deze kleine satellieten, gemeten in gestandaardiseerde eenheden van 10 bij 10 bij 10 kubieke centimeter, weegt niet meer dan een paar kilo en vertoont weinig gelijkenis met de grotere, van-sized ruimtevaartuigen zoals de Hubble Telescope waarvoor NASA bekend staat. Maar SmallSats, die een breed scala aan formaten omvatten, waaronder CubeSats - zijn een steeds waardevoller hulpmiddel in het arsenaal van ruimtewetenschappers.

Maar CubeSats staan ​​nog in de kinderschoenen, met missiesuccespercentages die rond de 50 procent schommelen. Dus, een team van wetenschappers en ingenieurs bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, op zoek gaan. Hun doel? Om een ​​meer veerkrachtige CubeSat te bouwen - een die de onvermijdelijke ongelukken tijdens de vlucht aankan die elk ruimtevaartuig bederven, zonder kaput te worden. Ze wilden een kleine CubeSat die dat kon.

Het was voor hen onbekend terrein - een technische exercitie bij uitstek. Het team was gewend om grote ruimtevaartuigen te bouwen, met de proceslagen, analyse en testen waardoor ze betrouwbaar zijn. Om over te schakelen naar CubeSats zou aanpassing of in sommige gevallen nieuwe processen en benaderingen nodig zijn, het aanpassen van organisatiestructuren, en dat allemaal terwijl u snel en met een beperkt budget werkt. Maar het was een experiment dat het proberen waard was, omdat de lessen die ze zeker zouden leren de hele CubeSat-gemeenschap ten goede zouden komen. In 2014 gingen ze aan de slag en, na drie jaar van ontwikkeling, Dellingr was klaar om te vliegen.

Op het moment van schrijven vliegt Dellingr over, het verzenden van waardevolle wetenschappelijke en technische gegevens en het uitwerken van de laatste knikken. Maar de reis van Dellingr verliep verre van soepel:het verhaal van de lancering, daaropvolgende complicaties en succesvolle oplossingen is een klassiek NASA-verhaal over volharding en vindingrijkheid.

Tijdlijn

14 augustus 2017:Lancering

Dellingr werd gelanceerd aan boord van een Space-X Falcon 9-raket op NASA's CRS-12-missie om het internationale ruimtestation te bevoorraden. Het zat als vracht voor de komende drie maanden tot de inzet.

20 november 2017:Inzet vanuit het ISS

Net na de middag EST, het Dellingr-team keek naar een livestream vanuit het internationale ruimtestation en juichte toen Dellingr werd vrijgelaten uit de NanoRacks-implementer.

20 november, 2017:seconden later

Toen Dellingr uit het ISS ontsnapte, De opwinding van het team veranderde onmiddellijk in angst toen ze kleine aanhangsels zagen die uit het ruimtevaartuig staken. Een magnetometer, ontworpen om de magnetische velden van de aarde te meten, en er stak al een antenne uit, ondanks dat het is geprogrammeerd voor een vertragingsperiode van 30 minuten na de implementatie. Er was iets mis.

Onderzoek wees uit dat het ruimtevaartuig per ongeluk was ingeschakeld tijdens de voorbereiding voor inzet, het triggeren van de magnetometer en de antenne terwijl ze nog in de deployer zitten - en het uitschakelen van de stroom van het ruimtevaartuig. Dellingr was met een lege batterij de ruimte in geslingerd.

Gelukkig, zoals de meeste CubeSats, Dellingr is niet afhankelijk van voortstuwing om in een baan om de aarde te blijven. Hoewel "dood" in de lucht, de kleine satelliet tuimelde door de ruimte totdat zijn zonnepanelen (die elk oppervlak van het ruimtevaartuig bedekken) de batterij voldoende hadden opgeladen. Acht uur later, Dellingr maakte zijn eerste passage over zijn grondstation bij NASA's Wallops Flight Facility op Wallops Island, Virginia. Gegevens van het ruimtevaartuig gaven aan dat het volledig functioneel was, had automatisch naar de zon gericht, en had een gezonde batterijlading. Ondanks de afwijkende inzet, het ruimtevaartuig werkte verder perfect zoals ontworpen.

21 – 30 november 2017:Uitgassing

Naast twee magnetometers die zijn ontworpen om de magnetische velden van de aarde te meten, Dellingr draagt ​​een instrument genaamd de Ion Neutral Mass Spectrometer, of INMS, die zowel ionen als neutrale deeltjes in de atmosfeer meet. Het INMS-instrument was nooit volledig gevalideerd in de ruimte. Het was een belangrijk doel van de missie om te laten zien wat het kon doen. Echter, voordat het kon worden ingeschakeld, INMS was nodig om het ontgassingsproces te voltooien, waardoor schadelijke resten uit de atmosfeer van de aarde van het ruimtevaartuig konden verdampen. Er zit niets anders op dan wachten.

30 november, 2017:De zon verliezen

Dellingr bepaalt zijn oriëntatie gedeeltelijk door de zon te vinden en zijn positie te volgen terwijl deze om de aarde draait. Tegen 30 november, het team had gemerkt dat Dellingr de zon niet vasthield en leek in de ruimte te friemelen. Het oriëntatiecontrolesysteem van het ruimtevaartuig liet zijn reactiewielen draaien - die draaien om het ruimtevaartuig op de een of andere manier te kantelen - terwijl het probeerde de koers te corrigeren.

Maar op de grond, iets zag er niet goed uit. Dellingr heeft twee zonnewijzers:een op maat gemaakte, hoge precisie een, en een commercieel gekochte en geteste (zij het lagere resolutie) een. Alleen de aangepaste zonnewijzer gaf wild ogende gegevens terug. Het ruimtevaartuig wankelde niet - de aangepaste zonnewijzer werkte niet goed.

De technici van Dellingr hebben een quick-fixcode geüpload om deze offline te halen totdat ze het hoofdprobleem konden achterhalen. Maar voordat ze dat konden doen, een nog groter probleem deed zich voor.

16 december 2017:Verlies van GPS

Minder dan een maand in een baan, Het commerciële GPS-systeem van Dellingr verminderde abrupt zijn vermogen, daalde in temperatuur en kwam stotterend tot stilstand. Het GPS-systeem was dood.

Het verlies van GPS betekende dat het team de positie van Dellingr niet precies kon bepalen - en ze konden ook de bewegingsrichting niet bepalen. essentieel voor de juiste oriëntatie van het INMS-instrument. INMS werkt als een sneeuwploeg, het opscheppen van ionen en neutrale deeltjes aan de voorkant van het ruimtevaartuig terwijl het door de ruimte vliegt. Zonder GPS, ze konden er niet zeker van zijn dat de primeur in de goede richting stond.

Het team zette Dellingr in de minimale operationele modus en begon te werken aan een plan om verder te gaan zonder GPS. Tegen half januari, ze hadden een plan opgesteld en begonnen met de voorbereidingen om het uit te voeren. Maar, nogmaals, een nieuw probleem deed zich voor.

27 januari 2018:Het resetprobleem

Ruimtevaartuigen in een baan om de aarde lopen altijd het risico van zogenaamde single-event verstoringen die de elektrische signalen van het ruimtevaartuig kunnen vervormen, zoals geraakt worden door een hogesnelheidskosmische straal of energetisch deeltje van de zon. Om te beschermen tegen verstoringen door één gebeurtenis, Dellingr is ontworpen om een ​​keer per dag een volledige reset van het ruimtevaartuig om vers te blijven; deze reset had het ruimtevaartuig al verschillende keren beschermd. Naast de dagelijkse reset, Dellingr reset als er iets mis is. Hoewel een occasionele reset geen reden tot bezorgdheid zou zijn, half januari, De resets van Dellingr werden vaker geactiveerd dan zou moeten. Op 27 januari werd Dellingr elke 63 seconden gereset. Communicatie met de grond werd onmogelijk.

28 januari – 5 februari 2018:Een plan uitbroeden

Dellingr verkeerde in een staat van door reset veroorzaakte verlamming. Op de grond, het team had het resetprobleem herleid tot één regel code in een apparaatstuurprogramma op laag niveau, waarbij het communicatieprotocol betrokken was dat werd gebruikt om de reactiewielen te besturen, gebruikt voor het oriënteren van het ruimtevaartuig. Ze moesten de reactiewielen uitschakelen, maar door de constante reset konden ze de opdrachten niet voltooien.

Het team bedacht een plan:op een pas over Dellingr's grondstation bij Wallops Flight Facility, ze zouden in een snel tempo een herhaalde reeks commando's naar het ruimtevaartuig sturen, de computer effectief vastloopt, zodat deze nooit ver genoeg is gekomen om te resetten. Als ze het lang genoeg konden blokkeren, het zou een volledige reset veroorzaken - het equivalent van het loskoppelen van de computer - waardoor ze tijd zouden winnen om de oplossing te uploaden en de reactiewielen van het ruimtevaartuig uit te schakelen. Het was een schot in de roos, maar nog steeds hun beste gok.

6 februari 2018:Terug aan de slag

Op een pas over Wallops op 6 februari, het team probeerde de truc, en wachtten 90 minuten op de volgende pas toen ze de resultaten konden controleren. Kort daarna, ze ontvingen een e-mail van de grondoperator:"We bevestigen dat Dellingr weer aan het werk is." Het werkte.

Later die dag zette het team het INMS-instrument aan, en de eerste echte wetenschappelijke metingen van de ionen in de atmosfeer met het nieuwe INMS-instrument werden verzameld. Het Dellingr-team had het ionengedeelte van het INMS-instrument gevalideerd, het bereiken van een van de belangrijkste missiedoelen.

10 februari – 5 maart 2018:de wielen er weer op

Om het resetprobleem op te lossen, De Dellingr-ingenieurs hadden de reactiewielen van het ruimtevaartuig uitgeschakeld - het belangrijkste hulpmiddel voor heroriëntering. Als resultaat, het kon niet stabiel blijven en draaide in plaats daarvan langzaam door zijn baan, alleen gegevens verzamelen wanneer het INMS-instrument door de voorkant draaide waar het deeltjes kon opscheppen. Na een tijdje, het team realiseerde zich dat de wielen minimaal konden worden gebruikt - tot wel 24 uur per keer - zonder resets te veroorzaken. Ze ontwikkelden een schema om de wielen aan het begin van elke week aan te zetten, oriëntatie aanpassen, en schakel ze voor de rest uit. Het werkte - voor een tijdje.

6 maart 2018:Het spin-probleem

Tegen 6 maart, het werd duidelijk dat een minimaal gebruik van de reactiewielen niet genoeg was:Dellingr was in een ongecontroleerde spin terechtgekomen. Wiebelen als een slecht gegooide voetbal, Dellingr draaide meer dan drie keer sneller dan zijn oriëntatiecontrolesysteem aankon.

De komende twee maanden zal het team werkte aan softwareoplossingen om de snelheid van Dellingr's spin te regelen zonder de reactiewielen te gebruiken. De techniek die ze kozen, was gebaseerd op het feit dat magneten uitgelijnd willen worden. De aarde is een gigantische magneet, en Dellingr bevatte drie elektromagneten die door het ruimtevaartuig konden worden in- en uitgeschakeld. Door de magnetometers van Dellingr te gebruiken als een oriënterend hulpmiddel om de magnetische velden van de aarde waar te nemen, en zorgvuldig timing wanneer elke magneet aan boord was ingeschakeld, het ruimtevaartuig kan profiteren van de natuurkunde om zijn spin te vertragen, het uitlijnen van het ruimtevaartuig met zijn bewegingsrichting.

19 – 20 mei 2018:Dellingr is weer op het goede spoor

Nadat de derde implementatie van het de-spinning-algoritme was geüpload en uitgevoerd, het ruimtevaartuig was gestabiliseerd. Dellingr was in een zeer langzame gecontroleerde spin gekomen, rolt als een wiel langs zijn baan. Het INMS-instrument draaide nu naar voren met een regelmatige, voorspelbare cadans.

25 mei 2018:INMS is terug

Met het ruimtevaartuig in een gecontroleerde spin, de INMS-gegevens gingen van een luidruchtige puinhoop naar wissen, periodieke gegevensgolven. Nadat rekening werd gehouden met de rotatie van het ruimtevaartuig, de resultaten waren verrassend schoon, met de detectie van geïoniseerde waterstof (H+), helium (He+) en zuurstof (O+) in de atmosfeer.

1 juni, 2018:Streven naar neutrale kleuren

Geldige gegevens van het INMS-instrument - in ionenmodus - blijven binnenstromen. Neutrale modus, wat iets ingewikkelder is, is nog steeds offline, maar is de focus van de huidige inspanningen.

5 oktober 2018:De zon weer vinden

Met een grote software-upload, die enkele weken duurde vanwege beperkingen met de CubeSat-radio, het team herstelde de volledige controle over de reactiewielen, waardoor Dellingr zijn oriëntatie ten opzichte van de zon kan behouden. De zonnepanelen kunnen nu opladen voor maximale stroomopwekking terwijl Dellingr langzaam om die as draait, gegevens verzamelen. Bijna een jaar na de plaatsing, en na het overwinnen van een reeks onverwachte problemen, het team had veel van Dellingr's functionaliteit hersteld. Het werk aan de neutrale modus van het INMS-instrument gaat door.

Dellingr is al een bewijs van de unieke uitdagingen die gepaard gaan met het verpakken van grote wetenschap in een kleine doos. Het zo lang in leven houden was een belangrijk doel - een standaard missielevensduur voor CubeSats is niet gevalideerd, en de missie van Dellingr kan helpen bij het vaststellen van een benchmark. Het team heeft met succes een veerkrachtige ruimtevaartuigmissie bereikt, met behoud van het goedkope aspect dat het kenmerk is van CubeSats. De waarde van de missie strekt zich uit tot anderen:er worden al artikelen gepubliceerd waarin de beste praktijken worden beschreven die uit de missie zijn geleerd, en deze geleerde lessen hebben bijgedragen aan de succesvolle voorstellen van drie nieuwe Goddard CubeSat-missies:petitSat, GTOSat en BurstCube.

De show is nog niet voorbij - blijf naar de lucht kijken om het verhaal te volgen van deze kleine CubeSat die dat wel zou kunnen.