Dellingr:den lille CubeSat, der kunne

Et bundt af detektorer og elektronik i skoæskestørrelse ved navn Dellingr glider gennem himlen 250 miles op. Navnebror af den mytologiske nordiske gud for daggry, Dellingr er blandt en ny race af rumfartøjer kendt som en CubeSat. Disse små satellitter, målt i standardiserede 10 x 10 x 10 kubikcentimeter enheder, vejer ikke mere end et par pund - og har kun lidt lighed med de større, rumfartøjer i varevognsstørrelse såsom Hubble-teleskopet, som NASA er kendt for. Men SmallSats – som omfatter en bred vifte af størrelser, inklusive CubeSats – er et stadigt mere værdifuldt værktøj i rumforskerens arsenal.

Men CubeSats er stadig i deres vorden, med succesrater for missioner omkring 50 procent. Så, et hold af videnskabsmænd og ingeniører ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, ud på en søgen. Deres mål? At bygge en mere modstandsdygtig CubeSat - en, der kunne håndtere de uundgåelige uheld under flyvningen, der fordyber ethvert rumfartøj, uden at gå kaput. De ville have en lille CubeSat, der kunne.

Det var ukendt territorium for dem - en ingeniørøvelse par excellence. Holdet var vant til at bygge store rumfartøjer, med processens lag, analyse og test, der gør dem pålidelige. At skifte til CubeSats ville kræve tilpasning eller i nogle tilfælde skabelse af nye processer og tilgange, ændring af organisationsstrukturer, alt imens du arbejder hurtigt og på et begrænset budget. Men det var et eksperiment værd at prøve, da de erfaringer, de var sikre på at lære, ville gavne hele CubeSat-fællesskabet. De kom på arbejde i 2014 og efter tre års udvikling, Dellingr var klar til at flyve.

I skrivende stund flyver Dellingr over hovedet, at transmittere værdifulde videnskabs- og ingeniørdata og udarbejde de sidste knæk. Men Dellingrs rejse har været langt fra glat:Historien om lanceringen, efterfølgende komplikationer og vellykkede rettelser er en klassisk NASA-fortælling om vedholdenhed og opfindsomhed.

Tidslinje

14. august, 2017:Lancering

Dellingr lancerede en Space-X Falcon 9-raket på NASAs CRS-12-mission for at forsyne den internationale rumstation. Den sad som last i de næste tre måneder indtil indsættelse.

20. nov., 2017:Indsættelse fra ISS

Lige efter middag EST, Dellingr-holdet så en livestream fra den internationale rumstation og jublede, da Dellingr blev løsladt fra NanoRacks-deployeren.

20. nov., 2017:Sekunder senere

Da Dellingr undslap ISS, holdets begejstring vendte straks til nød, da de bemærkede små vedhæng, der stak ud fra rumfartøjet. Et magnetometer, designet til at måle Jordens magnetiske felter, og en antenne stak allerede ud, på trods af at de er blevet programmeret til en 30-minutters forsinkelsesperiode efter udsættelse. Der var noget galt.

Undersøgelser afslørede, at rumfartøjet ved et uheld var tændt under forberedelse til indsættelse, udløser magnetometeret og antennen, mens de stadig er inde i deployeren - og kører rumskibets strøm ned. Dellingr var blevet slynget ud i rummet med et dødt batteri.

Heldigvis, som de fleste CubeSats, Dellingr er ikke afhængig af fremdrift for at blive i kredsløb. Selvom "død" i luften, den lille satellit tumlede gennem rummet, indtil dens solpaneler (som dækker alle overflader af rumfartøjet) genopladede batteriet tilstrækkeligt. Otte timer senere, Dellingr foretog sin første passage over sin jordstation ved NASAs Wallops Flight Facility på Wallops Island, Virginia. Data fra rumfartøjet indikerede, at det var fuldt funktionelt, havde automatisk peget på solen, og havde en sund batteriopladning. På trods af den unormale indsættelse, rumfartøjet fungerede ellers perfekt som designet.

21. – 30. november, 2017:Afgasning

Ud over to magnetometre designet til at måle Jordens magnetiske felter, Dellingr bærer et instrument kaldet Ion Neutral Mass Spectrometer, eller INMS, som måler både ioner og neutrale partikler i atmosfæren. INMS-instrumentet var aldrig blevet fuldt valideret i rummet. At vise, hvad det kunne, var et vigtigt mål for missionen. Imidlertid, før den kunne tændes, INMS havde brug for at fuldføre udgasningsprocessen - hvilket tillod skadelige rester fra Jordens atmosfære at fordampe ud af rumfartøjet. Der er ikke andet at gøre end at vente.

30. november, 2017:At miste solen

Dellingr bestemmer dens orientering delvist ved at finde solen og spore dens position, mens den kredser om Jorden. Inden den 30. nov. holdet havde bemærket, at Dellingr ikke holdt lås på solen og så ud til at tumle rundt i rummet. Rumfartøjets orienteringskontrolsystem satte reaktionshjulene rundt – som drejer for at vippe rumfartøjet på den ene eller anden måde – mens det forsøgte at rette kursen.

Men nede på jorden, noget så ikke rigtigt ud. Dellingr har to sol-pegere:en specialbygget, høj præcision, og en kommercielt købt og flytestet (omend lavere opløsning). Kun den brugerdefinerede sol-pointer returnerede vildt udseende data. Rumfartøjet slingrede ikke – den tilpassede solmarkør fungerede ikke.

Dellingr-ingeniører uploadede hurtig-fix-kode for at tage den offline, indtil de kunne finde ud af rodproblemet. Men før de kunne gøre det, et endnu større problem opstod.

16. december, 2017:Tab af GPS

Mindre end en måned i kredsløb, Dellingrs kommercielle GPS-system reducerede brat dets kraft, faldt i temperatur og stammede til et stop. GPS-systemet var dødt.

Tabet af GPS betød, at holdet ikke præcist kunne bestemme Dellingrs position - og de kunne heller ikke bestemme dens bevægelsesretning, kritisk for korrekt orientering af INMS-instrumentet. INMS fungerer som en sneplov, øser ioner og neutrale partikler op på forenden af ​​rumfartøjet, mens det flyver gennem rummet. Uden GPS, de kunne ikke være sikre på, at scoopet pegede i den rigtige retning.

Holdet satte Dellingr i minimal driftstilstand og begyndte at arbejde på en plan for, hvordan man fortsætter uden GPS. I midten af ​​januar de havde formuleret en plan og begyndte at forberede sig på at implementere den. Men, endnu engang, et nyt problem opstod.

27. januar, 2018:Nulstillingsproblemet

Rumfartøjer i kredsløb er altid i fare for det, der kaldes single-event forstyrrelser, der kan forvrenge rumfartøjets elektriske signaler – såsom at blive ramt af en højhastigheds kosmisk stråle eller energetisk partikel fra solen. For at beskytte mod forstyrrelser i enkeltbegivenheder, Dellingr blev designet til at gennemføre en gang om dagen, nulstilling af fuld rumfartøj for at holde dig frisk; denne nulstilling havde allerede beskyttet rumfartøjet ved flere lejligheder. Ud over den daglige nulstilling, Dellingr nulstiller, hvis den ser noget galt. Selvom en lejlighedsvis nulstilling ikke ville være grund til bekymring, i midten af ​​januar, Dellingrs nulstillinger begyndte at udløse oftere, end de burde. Den 27. januar nulstillede Dellingr hvert 63. sekund. Kommunikation med jorden blev umulig.

28. januar – 5. februar, 2018:Udklækker en plan

Dellingr var i en tilstand af nulstillingsinduceret lammelse. På jorden, holdet havde sporet nulstillingsproblemet til en kodelinje i en enhedsdriver på lavt niveau, der involverede kommunikationsprotokol, der blev brugt til at styre reaktionshjulene, bruges til at orientere rumfartøjet. De var nødt til at slukke for reaktionshjulene - men de konstante nulstillinger forhindrede dem i at fuldføre kommandoerne for at gøre det.

Holdet lavede en plan:På en passage over Dellingrs jordstation ved Wallops Flight Facility, de ville sende en gentagne række kommandoer til rumfartøjet i et hurtigt tempo, jammer effektivt computeren, så den aldrig nåede langt nok til at nulstille. Hvis de kunne klemme den længe nok, det ville udløse en fuld strømnulstilling - svarende til at tage stikket ud af computeren - og give dem tid til at uploade løsningen og slukke for rumfartøjets reaktionshjul. Det var et langskud, men stadig deres bedste bud.

6. februar, 2018:Tilbage til erhvervslivet

På en passage over Wallops den 6. feb. holdet prøvede tricket, og ventede 90 minutter på næste pass, da de kunne tjekke resultaterne. Kort efter, de modtog en e-mail fra jordoperatøren:"Vi bekræfter, at Dellingr vender tilbage til forretningen." Det virkede.

Senere samme dag tændte holdet INMS-instrumentet, og de første virkelige videnskabelige målinger af ionerne i atmosfæren med det nye INMS-instrument blev indsamlet. Dellingr-teamet havde valideret iondelen af ​​INMS-instrumentet, at nå et af de vigtigste missionsmål.

10. februar – 5. marts, 2018:At skrue hjulene på igen

For at løse nulstillingsproblemet, Dellingr-ingeniører havde slukket rumfartøjets reaktionshjul - dets primære værktøj til at omorientere. Som resultat, den kunne ikke forblive stabil og snurrede i stedet langsomt gennem sin bane, indsamler kun data, når INMS-instrumentet roterede gennem fronten, hvor det kunne øse partikler op. Efter nogen tid, holdet indså, at hjulene kunne bruges minimalt - op til 24 timer ad gangen - uden at forårsage nulstillinger. De udviklede en tidsplan for at slå hjulene på i begyndelsen af ​​hver uge, justere orienteringen, og sluk dem for resten. Det virkede - i et stykke tid.

6. marts, 2018:Spin-problemet

Inden den 6. marts blev det klart, at minimal brug af reaktionshjulene ikke var nok:Dellingr var gået ind i et ukontrolleret spin. Slingrer som en dårligt kastet fodbold, Dellingr snurrede mere end tre gange hurtigere, end dets orienteringskontrolsystem kunne klare.

I løbet af de næste to måneder, holdet arbejdede på softwareløsninger til at kontrollere hastigheden af ​​Dellingrs spin uden at bruge reaktionshjulene. Teknikken, de slog sig til, var afhængig af, at magneter gerne ville justeres. Jorden er en kæmpe magnet, og Dellingr indeholdt tre elektromagneter, der kunne tændes og slukkes af rumfartøjet. Ved at bruge Dellingrs magnetometre som et orienteringsværktøj til at fornemme Jordens magnetiske felter, og omhyggeligt timing, hvornår hver indbygget magnet blev tændt, rumfartøjet kunne udnytte fysikken til at bremse dets spin, at justere rumfartøjet efter dets bevægelsesretning.

19-20 maj, 2018:Dellingr er tilbage på sporet

Efter den tredje implementering af de-spinningsalgoritmen blev uploadet og kørt, rumfartøjet var stabiliseret. Dellingr var gået ind i et meget langsomt kontrolleret spin, ruller som et hjul langs sin bane. INMS-instrumentet roterede nu fremad med en regulær, forudsigelig kadence.

25. maj, 2018:INMS er tilbage

Med rumfartøjet i et kontrolleret spin, INMS-dataene gik fra et støjende rod til at rydde, periodiske bølger af data. Efter at rumfartøjets rotation blev taget i betragtning, resultaterne var overraskende rene, viser påvisning af ioniseret brint (H+), helium (He+) og oxygen (O+) i atmosfæren.

1. juni, 2018:Sigter mod neutrale

Gyldige data fra INMS-instrumentet – i iontilstand – fortsætter med at strømme ind. Neutral tilstand, hvilket er lidt mere kompliceret, er stadig offline, men er i fokus for den nuværende indsats.

5. okt. 2018:Finder solen igen

Med en stor softwareupload, hvilket tog flere uger på grund af begrænsninger med CubeSat-radioen, holdet genoprettede fuld kontrol over reaktionshjulene, giver Dellingr mulighed for at bevare sin orientering i forhold til solen. Solpanelerne kan nu lade op for maksimal strømproduktion, da Dellingr langsomt drejer rundt om den akse, indsamler data. Næsten et år efter implementering, og efter at have overvundet et udslæt af uventede problemer, holdet havde gendannet meget af Dellingrs funktionalitet. Arbejdet med den neutrale tilstand af INMS-instrumentet fortsætter.

Dellingr fungerer allerede som et vidnesbyrd om de unikke udfordringer, der er forbundet med at pakke stor videnskab i en lille kasse. At holde den i live og kørende så længe var et vigtigt mål - en standard missions levetid for CubeSats er ikke blevet valideret, og Dellingrs mission kan hjælpe med at etablere et benchmark. Holdet opnåede med succes en modstandsdygtig rumfartøjsmission, samtidig med at det lavprisaspekt, der er kendetegnende for CubeSats, bevares. Værdien af ​​missionen strækker sig til andre:Der er allerede udgivet papirer, der skitserer bedste praksis lært af missionen, og disse erfaringer har bidraget til de vellykkede forslag til tre nye Goddard CubeSat-missioner:petitSat, GTOSat og BurstCube.

Showet er ikke slut – bliv ved med at se himlen for at følge historien om denne lille CubeSat, der kunne.