История спасения Europa Clipper

17.09.2024, Дэвид У. Браун, nytimes.com (Нью-Йорк таймс)

Миссия NASA стоимостью 5 миллиардов долларов выглядела обреченной.

За несколько недель до отправки Europa Clipper на старт ученые обнаружили потенциально фатальную ошибку, которая могла поставить под угрозу способность космического аппарата изучать океанический спутник Юпитера.

Люди в штаб-квартире NASA глубоко вздыхают, когда в их электронной почте появляются слова «Первая история». В конце этой весны Курт Нибур, ведущий ученый по летным программам, получил такое сообщение.

«Вы сразу же открываете это письмо, - сказал доктор Нибур. - Вы его читаете, затем отвечаете: «Спасибо, что поделились», а затем зарываетесь лицом в подушку и воете от ужаса».

Дело, вызвавшее опасения доктора Нибура, касалось Europa Clipper, одной из самых важных в научном отношении миссий NASA. Научное подразделение агентства создало процесс «Первая история», чтобы побудить сотрудников научных проектов сообщать потенциально плохие новости, не опасаясь чрезмерной реакции руководства.

Эта новость казалась исключительно плохой. Если то, что читал доктор Нибур, было правдой, Europa Clipper потерпела крах.

NASA потратило более 5 миллиардов долларов на планетарный зонд. Это самый большой из когда-либо построенных аппаратов - размером с баскетбольную площадку с выдвинутыми солнечными батареями. Задача миссии - помочь ученым на Земле определить потенциальную обитаемость Европы, спутника Юпитера, окутанного толстым слоем льда, под которым течет теплый океан с вдвое большим количеством соленой воды, чем на Земле. Ученые полагают, что у него есть все химические ингредиенты для возникновения инопланетной жизни.

В конце мая Europa Clipper должен был быть отправлен во Флориду для подготовки к октябрьскому полету. Если бы он не попал в окно запуска, ученым пришлось бы долго ждать следующего запуска - если бы проблему вообще удалось решить.

Этим летом команды NASA и его дочерних исследовательских лабораторий столкнулись с пугающим вопросом: была ли Europa Clipper обречена?

Джордан Эванс, руководитель проекта Europa Clipper в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, штат Калифорния, 2 мая объяснил ситуацию научному руководителю миссии Роберту Паппалардо.

Кто-то за пределами NASA обнаружил, что тип транзистора, предназначенный для работы в радиоактивной среде, непригоден для этого. Europa Clipper широко использовал транзисторы.

«Сколько мы их используем?» — спросил доктор Паппалардо.

Г-н Эванс не знал наверняка.

Черные детали размером с ластик для карандашей, называемые МОП-транзисторами (MOSFET) - полевыми транзисторами на основе оксида металла и полупроводника - это простые переключатели, которые можно найти на печатных платах и которые обеспечивают подачу электричества. Никто не знал, где именно они находились на космическом корабле и были ли вообще затронуты именно те MOSFET, которые использовались для проекта.

Но они знали, что транзисторы управляют практически всеми критически важными системами и научными приборами на борту.

«Эти детали используются повсеместно», - сказал Джеффри Оттман, главный инженер по гражданским космическим полетам в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в Мэриленде.

Без способности выживать при интенсивной радиации не было бы Europa Clipper. Условия вокруг Луны экстремальны, сравнимы с последствиями ядерной войны. Выживание в этой среде определило конструкцию космического корабля и его сложную траекторию полета вокруг Юпитера. За четыре года космический корабль пролетит мимо Европы 49 раз, ненадолго погрузившись в испепеляющую компьютер радиацию и приблизившись на расстояние 16 миль к поверхности луны.

По словам г-на Оттмана, если бы МОП-транзисторы начали выходить из строя, «первой мыслью было бы появление мертвого космического корабля».

На следующий день г-н Эванс собрал «команду тигров» из специалистов своей лаборатории и лаборатории г-на Оттмана, а также из Центра космических полетов имени Годдарда, чтобы заняться решением этой проблемы.

Сорен Мэдсен, ветеран Лаборатории реактивного движения с 34-летним стажем, возглавил команду «тигров», которой сначала предстояло убедиться в реальности проблемы.

В те выходные они подвергли запасной МОП-транзистор воздействию пучка высокоскоростных электронов. Транзистор вышел из строя, и к понедельнику он и г-н Эванс знали, что миссия под угрозой.

Определение количества МОП-транзисторов в космическом аппарате было похоже на подсчет количества кровельных гвоздей, использованных при строительстве дома. Первоначально команда тигров подсчитала, что в космическом аппарате их было почти 900. Две недели спустя их было около 1500. Замена их всех могла обойтись в миллиард долларов - денег, которые Конгресс мог не дать NASA - и занять годы.

Хуже того, как сообщила команда тигров, МОП-транзисторы не только уязвимы к радиации, но в космическом корабле нет ни одного одинакового МОП-транзистора. Существуют различные типы и семейства транзисторов. По словам доктора Мэдсена, детали, изготовленные в разное время, могут «работать и вести себя по-разному», что еще больше усложняет ситуацию.

Г-н Оттман был членом команды тигров, которому было поручено отслеживать и тестировать образцы каждой вариации MOSFET, которые были встроены в Europa Clipper. Он получил звонок, когда забирал свою дочь из колледжа.

«В итоге мне пришлось потратить полчаса на разговоры по телефону об этой проблеме, пока вещи не погрузили в машину», - сказал он.

Этим летом семья привыкла к его отсутствию.

«Мы знали, что нам придется отказаться от ночного сна, выходных, раннего утра и всего такого», - сказал он.

Пока команда доктора Мэдсена работала над проблемой, г-н Эванс назначил вторую группу для поиска технических решений по смягчению последствий.

«Поначалу я был как будто в оцепенении», - рассказал Джо Стели, лидер группы.

Он не мог представить себе выход из ситуации на столь позднем этапе. Но в конце концов его команда поняла, что когда такие детали подвергаются воздействию радиации, «они в какой-то степени исцеляют себя сами».

Этот процесс известен как отжиг. Нагрев транзистора позволяет его атомам перестроиться и перераспределиться в восстановленное состояние. Это не работает бесконечно, но Europa Clipper не должен работать вечно - только четыре года его запланированной миссии. Его команда может разработать стратегии лечения каждого типа MOSFET транзистора на космическом корабле.

Г-н Стели также работал с доктором Паппалардо над пересмотром методов проведения экспериментов в рамках миссии.

Некоторые предложения были простыми, например, отключение определенных инструментов во время определенных пролетов Европы, чтобы защитить их транзисторы от радиационного повреждения. Другие были более сложными, включая менее точные ключевые измерения, загруженные на ранних этапах многочисленных проходов миссии.

Со всем этим, плюс отжиг, доктор Паппалардо чувствовал, что появляется надежная стратегия «сжатого тура». Однако он и доктор Нибур выступили бы против полета миссии, если она не сможет ответить на основные научные вопросы о Европе.

Затем 26 июля представители JPL, команды тигров, и команды по смягчению последствий представили штаб-квартире NASA свои последние выводы. Хотя команды чувствовали, что добились реальных успехов, цветовая диаграмма, отображающая их прогресс, встревожила некоторых должностных лиц NASA. Было несколько зеленых ячеек, но в основном это был мрачный лист желтого и красного.

«Это не были окончательные оценки, - сказала Джоан Эрвин, системный инженер команды тигров в Лаборатории реактивного движения. - Мы просто сказали: «Вот где мы находимся сегодня».

Некоторые радиационные тесты заняли недели и еще не были завершены, и они могли принести плохие новости. «Мы хотели подготовить всех», - сказала она.

Более того, некоторые МОП-транзисторы остались неучтенными, особенно те, которые использовались в электронике, созданной иностранными субподрядчиками. Без знания того, как будут работать эти недостающие чипы, даже реализация стратегии смягчения была бы недостаточной.

«У нас остались последние четыре части», - сказал г-н Эванс.

Однако через несколько дней после встречи европейский субподрядчик нашел несколько старых инженерных образцов. Лаборатория прикладной физики получила последние детали из Германии по FedEx.

«И когда мы их получили, мы были под давлением необходимости немедленно провести их испытания», - сказал г-н Оттман.

Вернувшись в Пасадену, г-н Стели проводил мозговой штурм с г-ном Эвансом, когда в офис вошел Джефф Шринивасан, менеджер по системам полетов. У него возникла идея.

Пока космический корабль находился в полете, инженеры миссии не могли знать, как ведут себя МОП-транзисторы. Однажды они просто выйдут из строя.

Г-н Шринивисан предложил решение: что если они возьмут образцы каждого типа MOSFET, поместят их в специальные схемы, а затем установят весь пакет в коробку, которую можно будет прикрутить к космическому кораблю? Он мог бы отправлять данные о состоянии здоровья транзисторов на Землю в течение всей миссии.

Это было бы похоже на канарейку в угольной шахте. Пока Europa Clipper находился у Юпитера, если бы определенный тип MOSFET ослаб или вышел из строя в коробке, команда знала бы, что нужно отжечь этот тип транзистора по всему космическому аппарату или применить другую стратегию, чтобы сохранить миссию работоспособной.

«Это был один из тех безумных моментов, когда кажется, что это может сработать», - сказал г-н Стели.

Они назвали это «канареечным ящиком».

Однако команде г-на Шринивасана пришлось бы построить его за несколько недель, а не лет, написать программное обеспечение, а затем интегрировать все это с космическим кораблем, который уже был отправлен в Космический центр Кеннеди во Флориде.

27 августа команды обновили результаты своей работы для старших руководителей NASA, включая Пэм Мелрой, заместителя администратора, и Джима Фри, помощника администратора. На этот раз ячейки на карте г-жи Эрвин были зелеными сверху донизу.

Некоторые участники, включая доктора Нибура, сочли это подозрительным.

Он подумал, что, возможно, ведущие поддались «лихорадке запуска», желанию лететь любой ценой. Он был не одинок. Месяцем ранее миссия, казалось, была окончена. Как они могли добиться такого прогресса за 30 дней?

Г-жа Эрвин изложила суть дела. Она объяснила все, что произошло для каждой оценки, и обосновала каждое изменение. Они протестировали каждый тип MOSFET в космическом корабле.

«Мы действовали систематически, мы были скрупулезны и мы были уверены в своих результатах», - сказала г-жа Эрвин.

Особенно с отжигом, они могли безопасно лететь без каких-либо изменений в научном плане. Но даже если они при достижении Юпитера обнаружат неприятные сюрпризы с радиацией, канареечный ящик, который теперь установлен на космическом корабле, передавал бы предупреждения на Землю. У них было так много данных и такая высокая устойчивость системы, что научные требования были обеспечены.

В конце встречи Никола Фокс, руководитель научных миссий, провела опрос руководителей NASA: «Go» или «No go».

Руководители агентства голосовали один за другим.

Go.

Go.

Go.

До тех пор, пока в зале не наступило единодушное согласие.

Europa Clipper будет на стартовой площадке 10 октября.

После десятилетий усилий к Юпитеру будет отправлен мощный наблюдатель, способный выяснить, пригоден ли океан Европы для жизни.

Дэвид У. Браун - автор книги «Миссия» о попытках отправить космический корабль на Европу. В июле он сообщил о проблемах с транзисторами на Europa Clipper.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: A $5 Billion NASA Mission Looked Doomed. Could Engineers Save It?

Источник: teletype.in