Tre timer til at gemme Integral

Den 22. september, omkring middag, ESA's Integral-rumfartøj gik i sikkerhedstilstand i nødstilfælde. Et af rumfartøjets tre aktive 'reaktionshjul' var slukket uden varsel og holdt op med at dreje, forårsagede en krusningseffekt, der betød, at satellitten selv begyndte at rotere.

Som et resultat af rumfartøjets drejning, data nåede kun jordkontrol pletvis, og batterierne blev hurtigt afladet. Med kun et par timers strøm tilbage, det syntes muligt, at den 19 år gamle mission kunne gå tabt.

Det integrerede flyvekontrolteam, sammen med Flight Dynamics og Ground Station Teams ved ESA's ESOC mission control, hold hos ESAC og Airbus Defence &Space, sat i gang. Med hurtig tænkning og geniale løsninger, de fandt problemet og reddede missionen.

Hvad I alverden?

A Single Event Upset (SEU) opstår, når en ladet partikel rammer en følsom del af elektrisk udstyr, forårsager et engangs 'statsskifte', der forstyrrer dens funktion. Disse opkrævede, 'ioniserede' partikler kommer ofte fra Solen, når den spyr stof og energi ud under soludbrud eller koronale masseudstødninger.

"Jeg tror ikke, at SEU ved denne lejlighed var forårsaget af vores lokale, lejlighedsvis gnaven stjerne. Denne strejke skete på en dag, hvor der ikke blev observeret nogen relevant rumvejraktivitet, " forklarer Juha-Pekka Luntama, ESA's chef for rumvejr.

"Baseret på en diskussion med vores kolleger i flyvekontrolteamet, det ser ud til, at anomalien blev udløst af ladede partikler fanget i strålingsbælterne rundt om Jorden."

Van Allens strålingsbælte er to doughnut-formede områder, der omkranser Jorden, hvor energiske ladede partikler er fanget inde i Jordens magnetfelt. Deres egenskaber varierer alt efter solaktivitet, og de udgør en fare for satellitter og mennesker i rummet, der passerer gennem dem. Fordi det laveste punkt i Integrals kredsløb nu kun er 1500 km fra Jordens overflade, rumfartøjet passerer gennem begge strålingsbælter i sin bane.

'Darmstadt, vi har et problem'

Integral bruger 'reaktionshjul' - hjul, der lagrer energi, mens de roterer - til subtilt at kontrollere den retning, rumfartøjet peger i, uden at der er behov for thrustere.

Pludselig, et af disse reaktionshjul stoppede og, på grund af loven om bevarelse af energi, den drejekraft, der tidligere var i hjulet, måtte gå et andet sted hen - hele rumfartøjet. Rumfartøjet begyndte at snurre, udløser en sikkerhedstilstand i nødstilfælde, som desværre på grund af en tidligere fejl, var ikke længere pålidelig og formåede ikke at stabilisere missionen.

Reaktionshjulet blev genaktiveret af hold på jorden, men rumfartøjet blev ved med at dreje med en gennemsnitlig hastighed på omkring 17 grader i minuttet (omtrent én rotation hvert 21. minut), samt slingre uforudsigeligt om sine akser. Det lyder måske ikke af meget, men rumfartøjet roterede fem gange sit maksimum, når det var under kontrol.

"De data, der kom ned fra Integral, var hakkende, kommer ind i korte perioder på grund af det snurrer. Dette gjorde analysen endnu sværere, " forklarer Richard Southworth, Operations Manager for missionen.

"Batterierne var ved at aflade, da der kun var korte opladningsperioder, når panelerne kortvarigt vendte mod solen."

Den første udfordring var at reducere Integrals energiforbrug for at købe mere tid. De første skøn over den resterende ladning før blackout og tabet af satellitten var kun tre timer. Trin for trin, ved at slukke for forskellige instrumenter og ikke-kritiske komponenter, dette steg til mere end seks timer. Næste trin - stop spinningen.

Med støtte fra brancheeksperter, holdet på ESOC analyserede tilstanden af ​​reaktionshjulene, kommer med en række kommandoer til at ændre deres hastighed og bremse den roterende satellit. Sidst på eftermiddagen, kommandoerne blev sendt og viste straks succes, men der gik yderligere tre lange timer, før satellitten var fuldstændig under kontrol og uden for umiddelbar fare.

Integrals Apollo 13-øjeblik

"Alle åndede et enormt lettet suk. Det var meget tæt på, og vi var enormt lettede over at få rumfartøjet ud af denne 'nær-døden'-oplevelse, " husker Andreas Rudolph, Leder af Astronomy Missions Division i ESOC's Mission Operations Department.

"De fleste af kontrolteamet arbejdede hjemmefra på dette tidspunkt - jeg fulgte operationer fra toget! - og arbejdede til fire om morgenen for at få rumfartøjet helt stabilt, tilbage på plads og vendt mod solen for at genoplade sine batterier."

Desværre, et par timer senere, da holdet mødtes igen for at diskutere de næste trin, rumfartøjet begyndte igen at rotere, dens reaktionshjul drejer igen med høj hastighed. Årsagen til dette er stadig ikke helt forstået, men menes at være forbundet med en 'stjernesporingsokkultation' eller 'blænding', som ikke blev håndteret korrekt af satellittens kontrolsystemer - effektivt når Jorden kommer i vejen for rumfartøjets syn på stjernerne, som den bruger til at orientere sig.

Holdet gentog de foregående dages trin for at stabilisere rumfartøjet og vende tilbage til en sol-pegende position, denne gang uden at komme i vejen for stjernesporerne. Restitutionen tog kun et par timer, at praktisere erfaringerne fra første gang.

Integral har siden været under kontrol, og fra 27. september er alle systemer online igen. Siden 1. oktober har efter en længere udtjekning, dets instrumenter er tilbage og observerer højenergiuniverset.

Et af de første mål for Integral vil være at observere massive stjerner i Orion-regionen, og studere indvirkningen på deres omgivelser, når de går i supernova.

"Vi er også tilbage til 'mål for muligheder' observationer, hvilket betyder, at Integral igen reagerer hurtigt på at studere uventede eksplosive begivenheder i universet, siger Erik Kuulkers, ESA's Project Scientist for Integral.

Et problem med drivkraft

Det er ikke første gang, at denne næsten 20 år gamle mission skræmte kontrolholdet på ESA's ESOC Operations Center. Sidste år, Integral affyrede sine thrustere for muligvis den sidste planlagte tid, efter en fejl med dens fremdriftssystem.

Det er dette mangelfulde fremdriftssystem, der betød, at en normalt korrigerende Safe Mode var ineffektiv ved denne lejlighed. Med tilstanden nu deaktiveret, kontrolteamet arbejder på en ny automatisk redningssekvens, der skulle efterligne mange af de operationer, der blev udført efter denne uregelmæssighed, kun meget hurtigere.

Da fremdriftssystemet svigtede, holdet indså, at de ville være nødt til at lære at manøvrere den fire ton tunge satellit ved at bruge dens meget følsomme reaktionshjul alene, at dumpe energi i regelmæssige perioder og modvirke kræfter på rumfartøjet, inklusive det blide skub fra solens lys. Det var en løsning, der aldrig var blevet prøvet før.

"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, " forklarer Richard.

"Takket være vores hurtige team og hjælpen fra eksperter fra hele industrien, Integral lever videre. Næsten to årtier gammel, det overgår langt forventningerne til, hvad der var tænkt som en fem-årig mission."