Ingeniører gennemfører en dristig redning af OSIRIS-REx-asteroidemissionen

På fredag, 11. okt. OSIRIS-REx-holdet skulle have forberedt sig på at pege deres rumfartøjskameraer præcist hen over asteroiden Bennu for at tage billeder i høj opløsning af en region kendt som Osprey. Det er et af fire steder, forskere overvejer, hvorfra rumfartøjet sikkert kan indsamle en prøve i slutningen af ​​2020.

Men tidligt den morgen, holdet erfarede, at en telekommunikationsfacilitet nær Madrid havde lidt et uventet netværkssvigt. En del af NASAs Deep Space Network (DSN) af globale rumfartøjskommunikationsfaciliteter, det spanske kompleks er hjemsted for gigantiske radioantenner. En af disse var planlagt til at pinge OSIRIS-REx for at downloade kritiske data.

Dataoverførslen ville have sat gang i en 24-timers maratonproces kendt som en "sen opdatering" for at forudsige rumfartøjets bane i tide til en overflyvning af Osprey. Blandt de mange komplekse opgaver, som navigationsteamet skulle udføre den dag, var at downloade billeder af Bennu. Holdet bruger disse billeder til at identificere vartegn på asteroiden for at opdatere rumfartøjets position og hastighed.

Men DSN-afbrydelsen truede med at kaste missionen af ​​sporet.

OSIRIS-REx-teamet identificerede Osprey som et af de mest lovende steder på Bennus robuste overflade, baseret på dets relativt jævne terræn og mangel på store, potentielt farlige kampesten. Fiskeørn er sat inde i et cirka 66 fod (20 meter) bredt krater nær Bennus ækvator.

Den 12. okt. ingeniører planlagde at indsamle kritiske billeder af overfladen for at vurdere Ospreys population af sten, der kunne være små nok til at blive indtaget i OSIRIS-REx' prøveopsamlingshoved, når rumfartøjet i sidste ende rører Bennu næste år. Denne vurdering var den vigtigste information, holdet havde brug for for at vælge det bedste prøveindsamlingssted fra de sidste fire.

Osprey-overflyvningen var den anden af ​​de fire steder, der blev undersøgt under rekognosceringskampagnen. Det ville bringe rumfartøjet lidt mere end en halv mil, eller 1 kilometer, fra Bennus overflade. Den forpassede mulighed for at downloade billederne af Bennu den 11. oktober betød, at der ikke ville være tid nok til at følge den sædvanlige 24-timers proces til at opdatere rumfartøjets position på tidspunktet for de kritiske observationer. Denne opdatering er påkrævet, for at rumfartøjets kameraer kan rettes korrekt mod Osprey den 12. oktober.

Manglende Osprey-observationer ville have udløst en dominoeffekt af forsinkelser, sagde Kenneth Getzandanner, OSIRIS-REx flyvedynamik manager baseret på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi vidste, at hvis vi ikke fik Osprey-dataene, vi ville ikke være i stand til at træffe beslutningen om vores bedste websteder til prøveindsamling."

Ikke at vælge et eksempelsted ville have betydet at udsætte missionens hovedbegivenhed næste år:de få timers neglebidende handling, som holdet kalder TAG, som står for "Touch-And-Go". Under TAG, rumfartøjet vil udsende sin robotarm, dyppe til overfladen af ​​Bennu, og saml en prøve af snavs og sten, eller regolith i videnskabelige termer, fra Bennu. Ultimativt, rumfartøjet vil levere en kapsel med prøven til Jorden, tabte den i Utahs ørken i september 2023.

Til videnskabsmænd over hele kloden, det primitive grus fra Bennu er et koøje til det tidlige solsystem, når asteroider kan have spillet en rolle i at levere livsdannende forbindelser til Jorden. At forsinke denne monumentale mission - en af ​​de mest ambitiøse, der nogensinde er forsøgt - ville være dyrt og demoraliserende for videnskabsmænd.

Så OSIRIS-REx ingeniører udklækkede hurtigt en dristig plan.

"Typisk, et tabt DSN-pas ville ikke forårsage en sådan forvirring, men billedernes kritiske karakter fik os til at indse, at vi var nødt til at handle med det samme, " sagde Brennen Miller, en systemingeniør fra Lockheed Martin Space Systems i Littleton, Colorado.

Den 24-timers baneopdateringsproces er allerede ambitiøs sammenlignet med andre missioner. Men holdet besluttede at presse hele denne procedure ind på mindre end fire timer for at holde deres missions tidslinje intakt. Den procedure skulle finde sted den 12. oktober, det næste mulighedsvindue skulle de downlinke nøglebillederne fra rumfartøjet.

Den 11. okt. ingeniører øvede deres nye, ultrahurtig rutine, som de kaldte "super sen opdatering." Det afhang af hvert teammedlem, som en stafetracer, står klar til deres tur til at hjælpe med at udføre planen med hensynsløs effektivitet.

"Folk var ret nervøse for at komprimere 24-timers tidslinjen, " sagde Richard Burns, den Goddard-baserede OSIRIS-REx projektleder, "men holdet var godt øvet i at udføre sene opdateringer, så vi vidste, at vi havde de rigtige mennesker og de rigtige værktøjer til at få det til at ske."

Flying a spacecraft within a kilometer of a small body like Bennu requires ultimate precision. Since engineers can't see their spacecraft in space, they often rely on DSN antennas to collect signals that allow them to determine its speed and location. But tracking through the DSN is not precise enough for a spacecraft that's both far from Earth (more than 155 million miles, 250 million kilometers) and needs to get very close to a planetary body, as was the case with OSIRIS-REx and Osprey.

For such close encounters—the closest that any spacecraft has orbited its celestial object of study—OSIRIS-REx engineers relied on images of Bennu's surface taken by the spacecraft's cameras in a technique known as optical navigation. Unique landmarks in the images, such as boulders and craters, help reveal where the spacecraft is located in relation to the asteroid. Together with sophisticated mathematical models that take into account forces such as the slight pull of Bennu's gravity or the slight push of radiation from the Sun, these images allow engineers to predict where the spacecraft is headed, and ultimately where it'll have to point its cameras when a region of interest is being observed. But the predictions aren't perfect. With each burn of the engine, for eksempel, the spacecraft can boost itself farther or closer than anticipated.

"Most missions aren't that sensitive to small changes in position, but this one is because we're so close to the asteroid that small changes in position result in big changes in where you want to be pointed, particularly when you want to be pointed at a really small patch of the asteroid such as Osprey, " said Burns.

Having pulled off dozens of detailed observations under these constraints earlier in the mission, the OSIRIS-REx engineers, like highly trained athletes with fine-tuned motor skills, were able to complete the compressed procedure. On Oct. 12, they sent the updated positions to the spacecraft and waited for the resulting images of Osprey. As the images materialized, crisp and clear and perfectly centered on Osprey, it was evident that the race had paid off.

"It's a testament to the preparation and skill of the team that we were able to accomplish this in less than four hours. It speaks to the fact that we have a stellar team as we head into the most critical and challenging phase of this mission:the sample collection campaign, " Burns said.

NASA will announce the primary sample site, as well as a backup, on Dec. 12. Two final reconnaissance flyovers at even lower altitudes beginning in January will allow the OSIRIS-REx team to collect final, detailed images of these sites.