NASA、詰まったスラスターの交換でVoyager 1のミッションを維持

 (gizmodo.com)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-09-13 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 47年にわたり飛行中の Voyager 1 は、スラスターの詰まりによって地球との通信方向を維持することが難しくなっており、NASAは別のスラスターセットへ切り替えてミッションを継続できるようにした
  • 詰まりは、燃料タンクの劣化で生じた 二酸化ケイ素 が燃料管に堆積した結果で、軌道修正スラスターの管の直径は0.01インチから0.0015インチまで狭くなった
  • 探査機には姿勢制御用が2セット、軌道修正用が1セットあり、2002年と2018年に詰まりの兆候が見つかって以降、利用できる選択肢は減り続けている
  • 電力と温度の制約により切り替え手順も難しく、NASAは 主ヒーターを約1時間オフにする方法 で必要なスラスターを温める時間を確保した
  • Voyager 1は2012年8月に星間空間へ入った初の宇宙機であり、現在は地球から151.4億マイル離れた場所を時速38,000マイルで移動しており、運用の難度は上がり続けている

47年もの宇宙機のスラスター切り替え

  • Voyager 1 は47年間にわたって宇宙を飛行し、太陽系外のデータを収集してきた。長期飛行により、ハードウェアの劣化がミッション維持の重要な変数になっている
  • NASAのエンジニアたちは最近、スラスターの問題を解決するため、従来依存していたセットではなく別のスラスターセットへ切り替えた
  • NASAの発表によると、従来のスラスターだけでなく、切り替え先のスラスターにも詰まりが残っている

燃料管の詰まりと残された選択肢

  • スラスター内部の 燃料管 には二酸化ケイ素が堆積しており、これは宇宙機の燃料タンク内部の劣化による副作用である
  • Voyager 1はスラスターを使って地球方向へ姿勢を合わせ、地上管制との通信リンクを維持している
  • 宇宙機には合計3セットのスラスターがある
    • 姿勢制御用スラスター2セット
    • 軌道修正マヌーバ用スラスター1セット
  • ミッション初期には惑星フライバイのため、スラスターの種類ごとの役割が重要だったが、現在は太陽系の外へほぼ直線経路で進んでいるため、どのセットを使うかには以前ほど敏感ではない

詰まりが蓄積してきた交換履歴

  • 2002年、NASA Jet Propulsion Laboratoryのミッションチームは、姿勢制御スラスターセットの一部燃料管が詰まり始めていることを確認した
  • その後、2つ目の姿勢制御スラスターセットに切り替えたが、2018年にはこのセットにも詰まりの兆候が現れた
  • その後、エンジニアたちは 軌道修正スラスターセット に依存するようになった
  • 過去6年間で、軌道修正スラスターは他の2セットよりも深刻に詰まった
    • もともとの燃料管入口の直径は0.01インチ、つまり0.25mmだった
    • 現在は0.0015インチ、つまり0.035mmまで狭くなっている
    • これは人間の髪の毛の幅の約半分に相当する
  • 結局、NASAは2つの姿勢制御スラスターのうち1つへ戻らざるを得なかった

電力と温度の制約を乗り越えた手順

  • 以前なら単純だったスラスターの切り替えも、現在のVoyager 1では老朽化したハードウェアのため、はるかに慎重な手順になっている
  • 管制チームは電力使用量を抑えるため、一部の非必須搭載システムとヒーターをオフにしていた
  • 電力は節約できたが宇宙機の温度は下がり、使用していなかったスラスターを冷えた状態で起動すると損傷のリスクがあった
  • 非必須ヒーターを再びオンにするには他の装置をオフにしなければならないほど電力が不足していたため、エンジニアたちは 主ヒーターを約1時間オフにする方法 でスラスターを温める時間を確保した
  • この手順を経た後、必要なスラスター分岐は正常に動作した

星間空間で続くミッション

  • VoyagerプロジェクトマネージャーのSuzanne Doddは、今後のあらゆる判断には以前よりもはるかに多くの分析と注意が必要になると述べている
  • Voyager 1は1977年に打ち上げられ、双子の探査機Voyager 2より1か月足らず早い時期に宇宙へ向かった
  • より速い経路を選び、小惑星帯を先に抜け、木星と土星に接近した
    • 木星の衛星ThebeとMetisを発見した
    • 土星周辺で5つの新しい衛星と、G-ringという新しい環を発見した
  • 2012年8月には太陽系の境界を越え、星間空間 に入った初の宇宙機となった
  • Voyager 1は現在、地球から151.4億マイル、つまり244億km離れている
  • 現在の速度は時速38,000マイル、つまり時速61,155kmである
  • 今年初めには、数か月にわたって地上管制で利用できないデータを送った後、通信異常から回復した
  • ミッション維持はますます難しくなっているが、NASAはVoyager 1の運用を続けている

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-09-13
Hacker News のコメント

  • Voyager チームがどうやってこういうことを成し遂げているのか、いつも驚かされる。1) これほど遠い距離にあり、これほど古いハードウェアの問題をリモート診断できること。特にスラスターのチューブ穴の大きさをどう測っているのか気になる
    2) どんな措置を取るか決めるプロセスも不思議。現場で実験できるテスト機材があるわけでもないだろうし、仮にあっても実際の条件を再現するのは難しそう。間違った選択をすればミッションが終わるかもしれないし、Voyager 1 を壊したら代替機もない
    3) 1970年代に作られ、RAM が kB 単位だった機器を、ここまで細かく制御しリモートで再構成できることも驚き。設計当時にとてつもない先見性があったのだと思う

    • Voyager 探査機は Mariner と Pioneer で得た設計・運用経験を基に、過度な手動介入なしで長期間自動運用できるよう設計されている。主要システムは多重に冗長化されており、リモートでオン・オフできる
      プログラムの人員は入れ替わってきたが、継続を危うくするほどではなかった。またプログラム管理側がメディア対応と政治的なつながりに長けていたため、運用予算を確保し続けてきた。推進剤が残っていたにもかかわらず、一部地域を未地図化のまま金星軌道から離脱させた Magellan のようなミッションとは対照的だ
      JPL には、退職した職員が引き続きオフィスに出入りできるようにする retiree badge 制度があった、あるいはあったと聞いている。多くのプログラムは、実質無給で毎日出勤していた昔気質の専門家たちに大いに助けられており、そうした人たちから学べるのは本当に特権だった
    • 長い年月がたった後も運用し続けるには、必要な組織知が途方もないという点に驚く。新しく加わった人にマニュアルを数ページ渡せば済むような話ではない
      多くの人が退職しているはずなのに、設計の複雑さをなお理解している。私たちが今日作っているシステムでも、こうした点を理解し、優先すべきだ
    • Voyager ミッションを生かし続けるチームを扱ったドキュメンタリー It's Quieter in the Twilight がある: https://www.youtube.com/watch?v=8vJT8AW0wYw
    • 「現地にテスト機材があるわけでもないのでは？」については、1つ以上のシミュレーターがある可能性が高いと思う。今風に言えばデジタルツインに近い
      1つは探査機の現在状態を常に反映するようにしておき、実際の探査機から定期的に状態データを受け取って同期しているのだと思う。ほかのシミュレーターでは、管理上の変更を試してシステムの反応を確認できる
    • 最近も故障した RAM モジュールの問題から復旧したばかりで、今の無線リンク速度はおそらく kbit/s 未満かもしれない

  • 「スラスター内の燃料チューブが二酸化ケイ素で詰まり、これは宇宙船の燃料タンク内部の経年劣化による副作用」だというが、宇宙船で SiO2 がいったいどこから出てくるのか気になる。何らかのシリコン系材料なのだろうか？
    追加で見ると、「宇宙船の燃料タンクのゴム製ダイアフラムが劣化して生じた副産物である二酸化ケイ素で詰まった」とある[0]。おそらくシリコーンゴムだろう。ゴムが分解して砂になり得るとは知らなかった
    [0] https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

    • 古い Ti タンクの中で、ヘリウムを使って Teflon を含むゴム風船を膨らませ、**ヒドラジン（N2H4）**燃料を押し出す構造になっている。N2H4 は、そうした宇宙時代の材料まで劣化させるほど強かったのだろう
      1: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19810001583/downloads/19...
    • シリコーンゴムは SiO2 から抽出されるらしいので、不純物かもしれない。あるいは Si と O がポリマーから抜け出す何らかの反応かもしれないが、そんなことが可能なのかはよく分からない
      https://en.wikipedia.org/wiki/Silicone_rubber
    • 必ずしもシリコーンである必要はない。SiO2 はあらゆるゴム配合に必要な成分だ

  • 2週間前の !!Con で、Voyager プログラムの Bruce Wagoner が、1年前に起きた CMOS メモリ問題からどう復旧したかを発表していた
    実質的に往復遅延が45時間ある状態でのブラインドデバッグだ
    発表は素晴らしく、宇宙船のコンピューター構造や、古すぎて文書同士が矛盾していたり読めなかったりする状況で扱う難しさをよく示している
    https://youtu.be/dF_9YcehCZo?si=W_b3NJ7vgxaYS1__

  • Voyager ミッションは本当にすごい成果だ。ハードウェアに込められた崇高な設計と製作技術、そして今まで動かし続けるために必要な組織レベルの深い知識には畏敬の念を覚える

  • こちらの方がよいリンクだと思う: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

  • Voyager にさらに時間を稼がせられたのを見るのはうれしい。最近、この素晴らしい Voyager ドキュメンタリーを見た: https://www.itsquieterfilm.com/

  • 先月の !!Con で、Voyager チームの Bruce Waggoner の基調講演を見る大きな楽しみがあった。録画が数日前に YouTube に上がったので、タイミングがよい: https://www.youtube.com/watch?v=dF_9YcehCZo

  • 47年間運用されているのに、いまだに姿勢制御用の燃料が残っている。どうやってそれを成し遂げたのか気になる

    • Voyager 探査機が印象的であることを否定するつもりはないが、そもそもヒドラジンをかなり多く積んでいたようだ。「Engineering the Voyager Uranus mission」によると、土星以降の延長ミッションは設計要件ではなかったが、木星または土星での主要ミッション目標を損なわない限り、常に選択肢として守られていた
      Voyager 2 がさらに5年持つ確率は60〜70%と計算され、NASA の通常の成功確率基準よりかなり低かったが、Uranus へ送ることが決定された
      Uranus フライバイ後も、Voyager 2 は8年半前に最初にタンクへ搭載したヒドラジンの48%をまだ持っていた
      [1]: doi:10.1016/0094-5765(87)90096-8 (science hub で見つけられる)
    • 記憶が正しければ、ある種の原子力電源を使っている。原子炉のようなものではなく、放射性崩壊で出る熱から電気を作る、ずっと単純な装置だ
    • 太陽光と見るべきなのかな？

  • Voyager のドキュメンタリーは良いと聞いていて、娘と1本見たいと思っていたのだが、NASA はいつもドキュメンタリーを古く不完全な資料で作ってしまう。Voyager が本当に私たちの知る範囲を超えるころには、どれだけ多くの驚くべき話がさらに生まれているだろうか？

    • Voyager のドキュメンタリーと言いながら、どの作品なのかを言わないと分からない。種類は多いし、最後まで見る前に何が良いか判断するのも難しい。見たかったものが何なのか教えてほしい
      正直、今ではアクセスできない文書があまりにも増えていて残念だ

  • 公式発表: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...
    (https://news.ycombinator.com/item?id=41505008)