Cómo la ESA mantiene a Cluster volando

Extensores Espaciales La misión Cluster de la ESA se dirige a su tercera década de operaciones. El registro habló con algunas de las personas detrás de las cuatro naves espaciales sobre cómo el equipo convirtió una vida útil nominal de cinco años en 20 años y más.

Los cuatro idénticos Racimo Las naves espaciales, que vuelan en una formación tetraédrica, están diseñadas para estudiar estructuras en la magnetosfera de la Tierra en tres dimensiones. La propuesta para la misión se hizo en 1982. Para 1996 Cluster estaba listo para ser lanzado.

Desafortunadamente (como resultó) la oportunidad de aprovechar un viaje gratis en el primer vuelo del nuevo cohete Ariane 5 fue imposible de resistir. El lanzamiento el 4 de junio de 1996, con los cuatro satélites, terminó en un fracaso. El Ariane 5 fue destruido, y los restos de años de trabajo en Cluster se dispersaron por los pantanos.

Sin inmutarse, la ESA se propuso construyendo una quinta nave espacial Cluster, utilizando repuestos de vuelo para un posible lanzamiento en 1997 antes de decidir que, diablos, el diseño y el desarrollo se realizaron, y una sola nave espacial Cluster no cumpliría todos los objetivos, ¿por qué no construir más y alcanzar el pico del ciclo solar en 2000? ?

Cluster (o Cluster II) usaría un par de refuerzos Soyuz esta vez en lugar de un Ariane 5 y las cuatro naves espaciales llamadas Rumba, Salsa, Samba y Tango (nombrado por Raymond Cotton, un funcionario del Reino Unido con sede en Bristol) fueron lanzado con éxito en 2000 desde la plataforma de lanzamiento en el cosmódromo de Baikonur.

La misión fue inicialmente planeado correr por dos años, y la vida útil nominal de la nave espacial fue entre cuatro y cinco años.

Las naves espaciales Cluster pesaron aproximadamente 1,200 kg en el lanzamiento, incluidos 650 kg de combustible (la mayoría de los cuales se utilizaron justo después del lanzamiento para llevar la nave espacial a sus órbitas operativas). Los vehículos cilíndricos (que miden 2.9m de diámetro y 1.3m de alto) fueron envueltos en seis paneles solares curvos y usados cinco baterías de plata y cadmio para mantener las cosas funcionando mientras la nave espacial estaba en la sombra de la Tierra.

Sobre esas baterías

Hablamos con Bruno Sousa, quien se convirtió en gerente de operaciones de la misión hace cinco años, sobre cómo el equipo había mantenido volando a las cuatro naves espaciales Cluster durante tanto tiempo.

Como era de esperar, las baterías eventualmente se convirtieron en un desafío.

“Las baterías”, nos dijo, “fueron diseñadas para producir un bajo ruido electromagnético, para asegurar que no interfieran con la ciencia”.

Ciertamente, para una misión relacionada con la medición de campos magnéticos, la interferencia de los paquetes de energía regulares no sería bienvenida. Como tal, a los fabricantes se les ocurrió algo un poco especial, pero con una vida útil ligeramente limitada.

“Se suponía que solo duraría dos años”, recordó el físico de plasma espacial, Philippe Escoubet, que ha estado en el proyecto Cluster desde 1993, “pero al hacer el mantenimiento de la batería, descargarla y recargarla lentamente, podríamos conservarla durante cinco años”.

Encantados de ver que la nave espacial podría sobrevivir a la desconexión, la pandilla investigó más a fondo y descubrió que la lógica acechaba dentro de los satélites del Clúster que les impediría arrancar de forma autónoma …

“Probablemente fueron diseñados mejor”, dijo Sousa. “En realidad duraron 10 años”.

“Pero después de cinco años”, dijo Escoubet, “comenzaron a resquebrajarse”.

“Se estaban agrietando y goteando”, explicó Sousa. El equipo pudo detectar la fuga del comportamiento térmico de la nave espacial y por pequeños cambios en la órbita. Esto último solo podría explicarse por algo que salió de la nave espacial “y que era líquido de las baterías”, dijo Sousa (que aún no se había unido al equipo).

Al principio el equipo ajustó el carga de energía extraída de las baterías mientras la nave espacial estaba en eclipse. Escoubet recordó la introducción de un nuevo modo para la nave espacial, donde podría funcionar con una potencia mínima “y escuchar comandos desde el suelo”.

Como todo tenía que apagarse en este modo, excepto la radio, para conservar las baterías, manejar un eclipse con los calentadores desactivados presentaba sus propios problemas térmicos.

“Necesitamos precalentar la nave espacial antes de que entren en el eclipse, para que no se enfríen demasiado”, explicó Sousa. El combustible congelado y un amplificador de radio dañado serían menos que ideales.

“Tuvimos un doctorado haciendo un análisis de nuestro comportamiento térmico. Él presentó algunas recomendaciones en términos de cuánto tiempo necesitábamos calentarnos y proporcionó una estrategia que implementamos”.

“Ha funcionado bien desde entonces”.

Sin embargo, la situación de la energía continuó deteriorándose y, finalmente, el equipo se vio obligado a descargar completamente las baterías y mantenerlas a capacidad cero para evitar más fugas o contaminación.

“A los 10 años”, dijo Escoubet, “se convirtió en una misión donde no teníamos más batería“.

“A partir de este momento”, nos dijo Sousa, “la nave espacial tuvo que pasar por un reinicio completo”. Un eclipse significaba que no había Sol en los paneles solares, lo que a su vez significaba que no había energía y un apagado para Cluster.

“La primera vez que sucedió”, dijo Sousa, “este fue un cierre bastante descontrolado … la nave espacial no fue diseñada para ser apagada”.

Con pocas opciones en el asunto, el equipo se vio obligado a esperar lo mejor ya que la nave espacial esencialmente murió en órbita.

La energía de los paneles solares eventualmente revivió a los vehículos a medida que emergían del eclipse “y las cosas comenzarían a surgir en un orden aleatorio, que a menudo dejaría a la nave espacial en un estado inconsistente”.

Encantados de ver que la nave espacial (y lo que es más importante, las radios) podrían sobrevivir a la desconexión, la pandilla investigó más a fondo y descubrió que la lógica acechaba dentro de los satélites del Clúster que les impediría arrancar de forma autónoma.

“Esto probablemente se estableció allí durante el desarrollo de la nave espacial para que pudieran controlar la activación”, explicó Sousa, “y no estaba destinado a ser utilizado durante el vuelo.

“Fue solo cuando comenzamos a tener que apagarlos durante los eclipses que descubrimos que esta lógica se implementó allí, y podríamos usarla para nuestro beneficio”.

Sin arranque no significaba una activación incontrolada.

“Entonces recogeríamos la nave espacial en la persiana, comenzaríamos a emitir comandos y pasaríamos lentamente por el procedimiento de encendido”.

Fue un proceso bastante manual ya que el equipo se acostumbró a la nueva forma de trabajar.

“En 2011”, dijo Sousa, “las órbitas eran bajas. Básicamente tenían eclipses durante 11 meses seguidos y nuestra órbita tiene 54 horas de duración para cada órbita. Eso significaba que cada dos días tenían un eclipse y tenían hacer todo este ciclo de apagarlo y volver a encenderlo “.

El 2011 trajo consigo otros problemas (más sobre esos más adelante) y aunque el equipo logró hacer algo de ciencia y volcar los datos antes del próximo eclipse, fue muy laborioso.

El equipo desarrolló lentamente nuevas herramientas para automatizar el proceso. Cuando comenzaron, “requeriría a veces de tres a cuatro horas en cada nave espacial para volver a configurarlos completamente. Y significó para las cuatro naves espaciales unas 15 horas de trabajo”.

Hoy en día, Sousa nos dijo, “tenemos un procedimiento automatizado en el terreno que comienza a comandar la nave espacial en la persiana y realiza la recuperación de una sola nave espacial en unos 40 minutos”. Las operaciones paralelas significan que a veces todas las naves espaciales están en funcionamiento en menos de dos horas.

Video de Youtube

“Ahora hemos pasado por más de 1,000 eclipses”, dijo Escoubet, “y ha funcionado todo el tiempo”.

“Con cada año, básicamente, aprendimos algo”, explicó Sousa, “y nos adaptamos al año siguiente para hacerlo un poco más eficiente”.

El ‘Hack sucio’ revisitado

Escoubet nos recordó a otro infame experiencia cercana a la muerte eso ocurrió en 2011.

“Nos dimos cuenta en 2011”, recordó, “de que ya no podíamos encender la mitad de la carga útil en una nave espacial”. La nave espacial en cuestión era Samba.

“Estaba consumiendo demasiada corriente, y nadie sabía qué era, si se trataba de una falla de un componente o algún problema de programación. Intentamos nuevamente, y después de una fracción de segundo la nave espacial apagó los cinco instrumentos”.

Los cinco comprendían el Consorcio de Experimentos de Ondas (WEC), utilizado para medir los campos eléctricos y magnéticos. Perder la carga útil tendría un grave impacto en la ciencia de la “nave espacial” de la misión.

El registro señaló este evento en el momento: Las investigaciones de la ESA mostraron que los cinco interruptores de potencia estaban bloqueados en la “posición cerrada”, algo de lo que no había procedimientos de recuperación.

“Encontramos pruebas que se realizaron en 1994”, recordó Escoubet, “y nos dimos cuenta de que el consumo actual con los cinco instrumentos encendidos al mismo tiempo no funcionaría”.

“Tendrían que encender solo tres a la vez y luego los dos últimos más tarde. Entonces, tuvimos el problema de que no teníamos suficiente corriente en la nave espacial para hacer eso”.

Sin embargo, lo que sí tenía el equipo eran dos líneas actuales, de las cuales normalmente solo se usaba una. Si eso falla, entonces el sistema podría cambiar. “Pero entonces”, explicó Escoubet, “tuvimos la idea de usar ambos en paralelo y obtener suficiente corriente para que los cinco instrumentos se enciendan”.

“Sin embargo, tuvimos el problema de que para encender ambas líneas eléctricas en paralelo, tenía que enviar dos comandos. Y el tiempo mínimo entre estos dos comandos podría ser de solo 39 milisegundos”.

“Necesitábamos 11 milisegundos”.

Es hora de eliminar esas habilidades de hacker.

“Decidieron hackear el sistema para usar solo un comando, pero para cambiar rápidamente la memoria que estaba usando el comando. Al cambiar la memoria, podrían activar la línea de respaldo”.

De hecho, fue un “Hack sucio” como lo expresó la ESA. El equipo lo probó en una nave espacial saludable y funcionó. Luego lo probaron en la nave espacial con el problema sin éxito. Después de lo que sospechamos que fueron algunas respiraciones profundas y cinco o diez minutos, el equipo intentó nuevamente y “funcionó”.

“Fue un truco inteligente”, dijo Escoubet con orgullo, antes de reír: “¡quizás más inteligente que la cosa con las baterías!”

“Hack sucio” o no, los instrumentos fueron devueltos a la operación normal.

Corriendo en (casi) vacío

El plan original de la misión requería que la nave espacial usara distancias de separación de 600 a 20,000 km dependiendo de las necesidades de la ciencia, mientras que las órbitas altamente alargadas podían ver la nave espacial a 119,000 km de la Tierra, y otras veces considerablemente más cerca.

Gran parte del combustible transportado por el cuarteto se gastó para alcanzar sus órbitas operativas y luego, según Sousa, “se utilizó mucho en los primeros cinco años para cambiar agresivamente las formaciones de la nave espacial”.

Todo esto estuvo muy bien con la duración nominal original de la misión, pero cuando la nave espacial demostró su longevidad, el equipo se dio cuenta de que el combustible pronto se agotaría. Sousa calculó que el plazo era de 2005 a 2008.

Una vez más, el equipo se adaptó para hacer frente como Sousa explicó: “En lugar de hacer cambios de formación agresivos en órbitas consecutivas, comenzaron a hacer pequeños cambios”. Esto cambiaría ligeramente las órbitas de la nave espacial en relación entre sí. “Esperaríamos aproximadamente un mes hasta que la deriva se hubiera acumulado lo suficiente y luego lo detendríamos con otra pequeña maniobra”.

De vuelta en 2007, el enfoque de deriva vio a las naves espaciales Samba y Tango alcanzar una distancia de separación de solo 17 km.

“Simplemente empujando o dando una patada a una nave espacial que usas quizás unos cientos de gramos de combustible, pero si esperas lo suficiente, se desplazará en órbita durante unas horas, para que podamos alcanzar miles de kilómetros o también distancias muy pequeñas, hasta tres kilómetros “, explicó Escoubet.

El enfoque científico había cambiado, pero el consumo de combustible se redujo drásticamente: “en este momento, solo estamos gastando entre 100 y 300 gramos de combustible por año”, dijo Sousa.

La mejor estimación tiene 6 kg de combustible en la nave espacial (aproximadamente el 1 por ciento del original), aunque Sousa advirtió que “la incertidumbre de ese valor es del orden de tres kilos. Entonces quizás tengamos tres, quizás tengamos nueve”.

Suficiente para ver la nave espacial hasta su eventual reingreso a medida que las órbitas se descomponen naturalmente.

El final comenzará en 2024, cuando el primer cuarteto del Clúster ingrese a la atmósfera de la Tierra. Otro caerá en 2025 y los dos últimos se quemarán en 2026, más de un cuarto de siglo después del lanzamiento.

Cultivo de instrumentos adicionales, estilo Mars Express

Al igual que con la cámara de salida Beagle 2 en Mars Express, la pandilla Cluster “redescubrió” una cámara en la nave espacial al final de la misión.

Originalmente agregado a snap imágenes de la separación de la nave espacial Cluster después del lanzamiento (y tal vez capturar una porción de la Tierra), las cámaras habían permanecido inactivas durante 15 años. Se habían utilizado con éxito en uno de los lanzamientos de Soyuz, pero no funcionaron en el otro debido a un reinicio de la nave espacial en el lanzador.

“Cuando me uní a la misión y estaba aprendiendo sobre la nave espacial, aprendí había un par de cámaras.

“La pregunta era, ¿podrían estas cámaras realmente fotografiar la tierra?”

La respuesta fue un contundente “no”. La posición de las cámaras en la nave espacial significaba que generalmente apuntaban al “cielo” en lugar de apuntar directamente a la Tierra.

“Pero lo miramos cuidadosamente, fuimos al manual del usuario para ver los detalles de las cámaras, el campo de visión. E hicimos algunos cálculos. Y nos dimos cuenta de que había algunos momentos en nuestra órbita, donde la Tierra podría pasar en el campo de visión y podríamos ver algo “.

El equipo decidió probarlo. La cámara necesitaba un poco de puesta en marcha para ponerla en línea y el equipo se aseguró de que se pudiera apagar rápidamente si consumía demasiada energía o si interfería con el resto de la carga útil.

Una vez confiados en que la cosa realmente estaba funcionando, las imágenes se tomaron y se almacenaron en la memoria masiva a bordo.

“Y tuvimos suerte en el primer intento; vimos en las primeras imágenes de prueba una de nuestras antenas de baja ganancia”.

“Luego hicimos que la cámara tomara fotos cuando esperábamos que la Tierra estuviera cerca y, efectivamente, la obtuvimos en la esquina del campo de visión.

“Entonces, después de eso, hicimos varias campañas para usar la cámara, particularmente cuando no estábamos haciendo ciencia, como alrededor del período Eclipse. Encendíamos la cámara, tomábamos algunas fotos y jugábamos un poco con la exposición hasta que realmente teníamos algunas buenas fotos desde el Polo Sur hacia arriba. Podemos ver en algunas fotos podemos ver Australia y la punta de Sudáfrica bajo las nubes “.

Las cámaras no se usan con regularidad: “fue puramente para relaciones públicas”, se rió Sousa, aunque sostendríamos que reutilizar un instrumento que había sido desactivado durante 15 años en el espacio parece una gran diversión de ingeniería.

Epílogo

La ciencia adicional de la misión de larga duración es sobresaliente. Escoubet explicó que la misión ahora ha podido observar casi dos ciclos solares, el cambio aproximado de 11 años en la actividad del Sol. “Esto es muy importante para ver tendencias y observar diferencias”, dijo.

“El segundo aspecto”, agregó, “es que ahora estamos colaborando con misiones más nuevas”. Los datos de Cluster se pueden combinar con otras naves espaciales para crear observaciones multipunto y rastrear cambios globales en el campo magnético de la Tierra.

La nave espacial permanece sana; Escoubet nos dijo que el equipo experimentó algunas fallas justo después del lanzamiento, pero por lo demás hubo una degradación mínima a lo largo de los años. Un transpondedor ha fallado en una nave espacial, pero la copia de seguridad continúa funcionando.

Sin embargo, la continuación de la misión debe estar justificada. Escoubet nos dijo que el equipo estaba preparando un caso, que incluye nuevas metas científicas, para la extensión a 2023 y 2025.

En cuanto a la extraordinaria longevidad, tanto Escoubet como Sousa rindieron homenaje a los diseñadores de la nave espacial y al apoyo de los fabricantes. “Es un diseño muy fuerte”, dijo Escoubet, “no demasiada flexibilidad, sino un diseño muy fuerte”.

“El diseño e implementación de la nave espacial fue sobresaliente”, acordó Sousa, rindiendo homenaje a los integradores y la experiencia obtenida de las primeras cuatro naves espaciales construidas.

Mientras que las computadoras en el terreno se han movido (Sousa explicó que el hardware VAX VMS original había desaparecido hace mucho tiempo y que a los controladores les gusta un poco más virtualizado hoy en día, inesperadamente útiles para las necesidades de trabajo remotas de hoy en día), la interfaz central sigue siendo la misma, aunque aumentada por herramientas modernas

¿Y la nave espacial? “Son simplemente maravillosas piezas de tecnología”, dijo Sousa con orgullo.

Cluster continúa siendo operado por un pequeño equipo y, si los fondos lo permiten, continuará realizando ciencias hasta que finalmente llegue el final. “Tenemos el Premio de la ESA a la excelencia del trabajo en equipo en 2014“, recordó Escoubet felizmente.

Dejaremos la última palabra a Sousa, actual gerente de operaciones de un equipo que ha extendido una misión de dos años a 20 años y más a través del ingenio y la innovación:

“Nunca renuncies, nunca te rindas.” ®

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