Redning af det integrerede rumfartøj:Ingen fremdrift? Intet problem

For et år siden i morgen, en fejl på rumfartøjet Integral betød, at det sandsynligvis affyrede sine thrustere for sidste gang. I dagene siden, rumfartøjet i kredsløb om Jorden er fortsat med at kaste lys over det voldsomme gammastråleunivers, og det burde snart fungere endnu mere effektivt end før, da missionskontrolhold implementerer en genial ny måde at kontrollere det 18 år gamle rumfartøj på.

Mission kontrol, vi har et problem

I sommeren 2020, mens Integral Flight Control Team i Tyskland var ved at vænne sig til et meget anderledes arbejdsmiljø - de lærte at flyve deres mission hjemmefra, mens de håndterede den usikkerhed, som COVID-19-pandemien skabte - besluttede rumfartøjet at kaste endnu en skrue i arbejdet.

En dag, Integral gik i "Safe Mode" - når instrumenter er slukket, og et rumfartøj kun kører sine mest basale funktioner, mens den vender mod Solen for at sikre, at den får fuld strøm - hvilket gør sit kontrolteam opmærksom på et problem. Under sikker tilstandskontrol, Integral så ud til at gå ind i en formørkelse, en normal periode med mørke, når Jorden kommer mellem rumfartøjet og Solen. Imidlertid, ingen formørkelser var planlagt.

"Satellitten havde pludselig roteret væk fra Solen, hvilket var en meget uventet og mærkelig begivenhed. Vi havde aldrig set noget lignende før " forklarer Richard Southworth, Operations Manager for missionen.

"Det stod hurtigt klart, at vi havde et stort problem. Der var et generelt problem med Integrals fremdriftssystem. Da vi ikke længere kunne stole på dets thrustere, vi var nødt til at forlade fejlsikret tilstand hurtigt, overtage kontrollen over rumfartøjet ved hjælp af dets reaktionshjul og derefter finde ud af, hvad de skal gøre."

Hvorfor thrustere betyder noget for en følsom mission

Da integral allerede er i kredsløb, hvorfor har vi stadig brug for dens thrustere? For at slippe af med overskydende 'vinkelmomentum'.

Integral peger ofte på en enkelt kilde, for eksempel et fjernt sort hul, i mange timer. I løbet af denne tid er den udsat for eksterne kræfter, der får den til at rotere, især strålingstryk fra Solen, der virker på rumfartøjets enorme 18 meter solarrays.

For at modvirke denne solkraft og holde rumfartøjet pegende mod sit mål, holdet bruger "reaktionshjul" - hjul, der lagrer energi, mens de drejer, og kan bruges til subtilt at kontrollere den retning, et rumfartøj peger i, uden brug af thrustere. Disse hjul "absorberer" den ekstra energi fra Solen, holder Integral på plads og sikrer, at det forbliver det mest følsomme gammastråleobservatorium, der nogensinde er fløjet.

I løbet af et par dage, overskydende energi opbygges i reaktionshjulene i form af "vinkelmoment" - rotationsækvivalenten til en kraft, der går i en lige linje, for eksempel den energi, der lagres, når du drejer i en drejestol.

Hver anden til tredje dag, reaktionshjulene når en maksimal hastighed, hvorpå de ikke kan absorbere mere momentum. Kontrolteamet udfører derefter en "momentum dump, " at slippe af med overskydende vinkelmomentum ved at decelerere svinghjulene. For at forhindre, at satellitten roterer i den modsatte retning, når hjulene bremser, Integrals thrustere er (normalt) affyret, forhindrer det i at gå i spin.

Opfinder "Z-flip"

Efter dages bekymring over missionens skæbne, to teammedlemmer kom med en idé.

"Jeg troede ikke på, at det var muligt i starten. Vi tjekkede med vores flyvedynamikkolleger, og teorien viste, at det ville virke. Efter at have lavet en simulering, vi testede det på rumfartøjet. Det virkede, siger Richard lettet.

Ved at bruge en specialdesignet sekvens af manøvrer, kontrolteamet indså, at de kunne omfordele det vinkelmomentum, der var lagret ombord på satellitten, ved hjælp af to forskellige reaktionshjul, der drejede i modsatte retninger, får rumfartøjet til at vende.

"Så på dette tidspunkt vidste vi, at vi kunne kontrollere opbygningen af ​​energi absorberet fra Solen, og døbte denne nye manøvre "z-flip". Så vidt jeg ved, dette er aldrig blevet gjort før. Det var en stor præstation, men kunne vi fortsætte med at dyrke videnskab?".

Efter lange og intensive diskussioner med kolleger på Science Operations Center i ESAC, Madrid, holdet af videnskabelige missionsplanlæggere fandt på en sekvens af objekter, som Integral kunne observere, og som ville passe inden for dets nye bevægelsesområde. Missionen var heldigvis tilbage til (noget mere begrænsede) videnskabelige operationer.

Lidt efter lidt, de to hold eksperimenterede med flere og mere vanskelige sekvenser af observationer, prøve forskellige kombinationer af roterende hjul og vende rumfartøjet rundt i forskellige nye vinkler. Med dedikeret teamwork mellem kontrolteamet og videnskabsdriftsteamet og mange andre, Integrals videnskabelige effektivitet blev genoprettet i september 2020.

En af ESA's ældste, de største missioner bliver smidigere

For de fleste rumobservatorier, observationsplaner er planlagt i god tid. Men nu og da sker der noget uventet på himlen, såsom supernovaeksplosion eller gravitationsbølger, og de skal reagere hurtigt for at se på, hvad der er sket. Dette gælder især for Integral, da gammastrålebegivenheder har tendens til at være kortvarige.

"Tidligere, da vi havde et fremdriftssystem, ville vi omplanlægge, beregne en ny manøvre til det nye objekt af interesse, aflaste momentum og derefter forberede vores nye sekvens af manøvrer. Vores z-flip teknik er desværre meget langsommere, " forklarer Richard.

Imidlertid, kontrolteamet har udviklet en opdatering til Integrals indbyggede software, der burde gøre vinkelmomentum mindre af et problem, når man peger – drejer – rumfartøjet.

"Vi er meget glade for, at Integral takket være denne geniale 'z-flip'-strategi kan fortsætte med at holde øje med højenergihimlen uden problemer, siger Erik Kuulkers, Integral projektforsker.

"Og vi ser nu frem til opdagelser aktiveret af den nye drejningstilstand, hvilket betyder, at dette 18 år gamle rumfartøj burde blive endnu hurtigere til at reagere på og observere pludselige energiske begivenheder på tværs af universet, end da det blev opsendt for næsten to årtier siden."