Morgen een jaar geleden, een storing op het Integral-ruimtevaartuig betekende dat het zijn stuwraketten waarschijnlijk voor de laatste keer afvuurde. In de dagen daarna, het ruimtevaartuig in een baan om de aarde blijft licht werpen op het gewelddadige gammastraling-universum, en het zou binnenkort nog efficiënter moeten werken dan voorheen, terwijl missiecontroleteams een ingenieuze nieuwe manier implementeren om het 18-jarige ruimtevaartuig te besturen.

Missie Controle, we hebben een probleem

In de zomer van 2020, terwijl het Integral Flight Control Team in Duitsland gewend raakte aan een heel andere werkomgeving – lerend om hun missie vanuit huis te vliegen terwijl ze omgingen met de onzekerheid die de COVID-19-pandemie veroorzaakte – besloot het ruimtevaartuig nog eens roet in het eten te gooien.

Op een dag, Integral ging in "Veilige modus" - wanneer instrumenten zijn uitgeschakeld en een ruimtevaartuig alleen de meest elementaire functies uitvoert, terwijl hij naar de zon gericht is om ervoor te zorgen dat deze de volledige kracht krijgt, waardoor het controleteam wordt gewaarschuwd voor een probleem. Onder veilige modus controle, Integraal leek in een eclips te gaan, een normale periode van duisternis als de aarde tussen het ruimtevaartuig en de zon komt. Echter, er waren geen verduisteringen gepland.

"De satelliet was plotseling van de zon weggedraaid, wat een zeer onverwachte en vreemde gebeurtenis was. Zoiets hadden we nog nooit gezien, " legt Richard Southworth uit, Operationeel manager voor de missie.

"Het werd al snel duidelijk dat we een groot probleem hadden. Er was een algemeen probleem met het voortstuwingssysteem van Integral. Omdat we de stuwraketten niet meer konden vertrouwen, we moesten de veilige modus snel verlaten, neem de controle over het ruimtevaartuig met behulp van zijn reactiewielen en bedenk dan wat je moet doen."

Waarom stuwraketten belangrijk zijn voor een gevoelige missie

Omdat Integral al in een baan om de aarde is, waarom hebben we zijn stuwraketten nog nodig? Om overtollig 'impulsmoment' kwijt te raken.

Integraal wijst vaak op één enkele bron, bijvoorbeeld een ver zwart gat, voor vele uren. Gedurende deze tijd is het onderhevig aan externe krachten die ervoor zorgen dat het draait, in het bijzonder de stralingsdruk van de zon die inwerkt op de enorme 18 meter lange zonnepanelen van het ruimtevaartuig.

Om deze zonnekracht tegen te gaan en het ruimtevaartuig naar zijn doel te laten wijzen, het team gebruikt 'reactiewielen' - wielen die tijdens het draaien energie opslaan, en kan worden gebruikt om de richting waarin een ruimtevaartuig wijst op subtiele wijze te regelen zonder dat er stuwraketten nodig zijn. Deze wielen "absorberen" de extra energie van de zon, Integral op zijn plaats houden en ervoor zorgen dat het het meest gevoelige gammastralingsobservatorium blijft dat ooit is gevlogen.

Over een paar dagen, overtollige energie bouwt zich op in de reactiewielen in de vorm van "impulsmoment" - het rotatie-equivalent van een kracht die in een rechte lijn gaat, bijvoorbeeld de energie die wordt opgeslagen als je in een draaistoel draait.

Elke twee tot drie dagen, de reactiewielen bereiken een maximale snelheid waarop ze geen momentum meer kunnen absorberen. Het controleteam voert vervolgens een "momentum dump, " het wegwerken van overtollig impulsmoment door de vliegwielen te vertragen. Om te voorkomen dat de satelliet in de tegenovergestelde richting draait als de wielen vertragen, De stuwraketten van Integral worden (normaal) afgevuurd, voorkomen dat het in een spin gaat.

De "Z-flip" uitvinden

Na dagenlang piekeren over het lot van de missie, twee teamleden kwamen met een idee.

"Ik geloofde eerst niet dat het mogelijk was. We hebben het met onze collega's van vluchtdynamica nagevraagd en de theorie gaf aan dat het zou werken. Na een simulatie te hebben gedaan, we hebben het getest op het ruimtevaartuig. Het werkte, ' zegt Richard opgelucht.

Door een speciaal ontworpen reeks manoeuvres te gebruiken, het controleteam realiseerde zich dat ze het aan boord van de satelliet opgeslagen impulsmoment konden herverdelen met behulp van twee verschillende reactiewielen die in tegengestelde richtingen draaien, waardoor het ruimtevaartuig kantelt.

"Dus op dit punt wisten we dat we de opbouw van door de zon geabsorbeerde energie konden beheersen, en noemde deze nieuwe manoeuvre de 'z-flip'. Voor zover ik weet, dit is nog nooit eerder gedaan. Het was een geweldige prestatie, maar kunnen we doorgaan met wetenschap te doen?".

Na lange en intensieve discussies met collega's van het Science Operations Center in ESAC, Madrid, het team van wetenschappelijke missieplanners bedacht een reeks objecten die Integral kon observeren die binnen zijn nieuwe bewegingsbereik zouden passen. De missie was gelukkig weer terug bij (iets beperktere) wetenschappelijke operaties.

Geleidelijk, de twee teams experimenteerden met steeds lastigere observatiereeksen, verschillende combinaties van draaiende wielen uitproberen en het ruimtevaartuig rond verschillende nieuwe hoeken draaien. Met toegewijd teamwerk tussen het controleteam en het science operations-team en vele anderen, De wetenschappelijke efficiëntie van Integral is in september 2020 hersteld.

Een van ESA's oudste, omvangrijkste missies worden wendbaarder

Voor de meeste ruimteobservatoria geldt observatieschema's worden ruim van tevoren gepland. Maar zo nu en dan gebeurt er iets onverwachts in de lucht, zoals een supernova-explosie of zwaartekrachtgolven, en ze moeten snel reageren om te kijken wat er is gebeurd. Dit geldt met name voor Integraal, aangezien gammastralingsgebeurtenissen vaak van korte duur zijn.

"In het verleden, toen we een voortstuwingssysteem hadden, zouden we opnieuw plannen, bereken een nieuwe manoeuvre naar het nieuwe object van belang, ontlaad het momentum en bereid dan onze nieuwe reeks manoeuvres voor. Onze z-flip techniek is helaas veel langzamer, " legt Richard uit.

Echter, het controleteam heeft een update van Integral's ingebouwde software ontwikkeld die het hoekmoment minder een probleem zou moeten maken bij het richten - zwenken - van het ruimtevaartuig.

"We zijn erg blij dat Integral dankzij deze geniale 'z-flip'-strategie probleemloos de hoogenergetische hemel in de gaten kan blijven houden, zegt Erik Kuulkers, Integraal projectwetenschapper.

"En we kijken nu uit naar ontdekkingen mogelijk gemaakt door de nieuwe zwenkmodus, wat betekent dat dit 18 jaar oude ruimtevaartuig nog sneller zou moeten worden in het reageren op en observeren van plotselinge energetische gebeurtenissen in het heelal dan toen het bijna twee decennia geleden werd gelanceerd."