冥王星への NASA のミッションがほぼ失われた方法|天文学

2015 年 7 月 4 日の土曜日の午後、NASA のニューホライズンズ冥王星ミッションリーダーのアランスターンは、彼の携帯電話が鳴ったとき、プロジェクトミッションコントロールセンターの近くの彼のオフィスで働いていました。彼は独立記念日の休日を知っていましたが、日付が「冥王星フライバイから10日を引いた日」であるという事実にもっと集中していました。 14 年間彼のキャリアの中心であった宇宙船ミッションであるニューホライズンズは、これまでに探査された中で最も遠い惑星との標的との遭遇からわずか 10 日でした。

その日の午後、仕事に没頭していたアランは、フライバイの準備で忙しかった。彼は、ミッションのこの最終アプローチフェーズの間、ほとんど眠らずに活動することに慣れていましたが、その日、彼は真夜中に起きて、重要で大規模なセットをアップロードするためにミッションオペレーションセンター (MOC) に行きました。次の近接フライバイを通して宇宙船を導くためのコンピュータ命令の。その「コマンドロード」は、ほぼ 10 年間の作業に相当し、その朝、光の速さでニューホライズンズに到達し、その後冥王星に接近する無線通信によって送信されました。

鳴っている電話をちらりと見たアランは、発信者がニューホライズンズの長年のプロジェクトマネージャーであるグレンファウンテンであることに驚きました。彼は、グレンが近くの自宅で休日に休暇を取っていることを知っていたので、寒気を感じました。なぜグレンは今電話をかけてくるのでしょうか?

アランが電話に出た。「グレン、どうした？」「宇宙船との連絡が途絶えました。」アランは次のように答えました。 5分後に会いましょう。」アランは電話を切り、机の前に数秒間座って唖然とし、信じられないと頭を振った。意図せずに地球との連絡が途絶えることは、どの宇宙船にも起こりません。地球から冥王星までの 9 年間の飛行中にニューホライズンズに起こったことは、これまで一度もありませんでした。冥王星からわずか 10 日後に、どうしてこれが起こっているのでしょうか?

第 9 惑星に向かう 9 年間の長い旅の間、ニューホライズンズへの無線リンクは、チームが探査機に連絡して制御し、探査機の状態と観測データを受信することを可能にする生命線でした。ニューホライズンズが太陽系の外縁部へと進み続けるにつれて、ニューホライズンズと通信するための時間遅延が増加し、リンクは光の速さで移動する無線信号の往復 9 時間にまで延びました。

連絡を取り合うために、ニューホライズンズは、すべての長距離宇宙船と同様に、ほとんど知られていない、知られざる惑星探査の驚異である NASA のディープスペースネットワークに依存しています。カリフォルニア州ゴールドストーンにあるこの 3 つの巨大なラジオアンテナ複合体。マドリッド、スペイン;そしてオーストラリアのキャンベラでは、地球が 24 時間ごとに自転しているため、相互に通信業務をシームレスに受け渡しています。 3 つのステーションは世界中に分散しているため、オブジェクトが深宇宙のどこにあっても、いつでもアンテナ複合体の少なくとも 1 つがその方向を向くことができます。

しかし今... DSN は、彼らの最も貴重な資産の 1 つであるニューホライズンズとの連絡を失いました.

これがオービターまたはエイリアンの表面を安全に移動するローバーである場合、チームは時間をかけて問題を分析し、推奨事項を作成し、さまざまな行動方針を試すことができます.しかし、ニューホライズンズはフライバイミッションでした。探査機は、冥王星に向かって 1 日 750,000 マイル (時速 31,000 マイル) を超える速さで突進していました。正常な状態に戻るかどうかにかかわらず、それは 7 月 14 日に惑星のそばを飛行し、二度と戻ることはありません。彼らが問題を整理したので、ニューホライズンズを止めることはできませんでした.冥王星で商品を手に入れるチャンスは 1 回だけでした。ニューホライズンズにはバックアップも、2 度目のチャンスもなく、冥王星との日付を遅らせる方法もありませんでした。

7 月 4 日の午後、ミッションの冷静で非常に有能な 14 年間のベテランミッションオペレーションマネージャーであるアリスボウマン (したがって、彼女のあだ名は「MOM」) は、他の少数のミッションオペレーションスタッフと一緒に MOC にいて、レポートを待っていました。 New Horizons から戻ってきて、Core 負荷を受信して保存したことを示します。これは、最接近とフライバイを取り囲む 9 日間に、ニューホライズンズが何百もの科学的観測を実行するために従う長いコマンドスクリプトでした。適切に名付けられたこの徹底的にテストされたコマンドスクリプトは、文字通りミッションの中核を実行し、その忠実な送信と実行により、すべてのひねりと回転、すべてのコンピューターメモリの割り当て、地球とのすべての通信、すべてのカメラショットなどを通じて、ニューホライズンズが導かれます。 .

午後 1 時頃、時間通りに、コマンドスクリプトの受信を確認する最初の信号が戻ってきました。アリス:

午後1時55分頃になるまで、すべてが順調に進んでいました。突然、宇宙船との通信がすべて途絶えました。全くの静寂。何もない。通信が途絶えました。そして戻ってこなかった。

10 分の 9 の確率で信号が失われるのは、地上局の問題です。何かが構成から外れているなどです。このアップロードは非常に重要だったので、ネットワークオペレーションエンジニアをオンラインにしました。私たちは彼らを NOPE と呼んでいます。それは彼らの頭字語です。また、運用センターにあるコントローラーであるプルートエースもありました。そこで、Pluto Aces にオーストラリアの地上局の NOPE にシステム構成を確認してもらいました。これらのすべてのチェックは、すべてが地上システムで公称値であることが返されました.

つまり、アリスと彼女のプルートエースのチームが集まったメリーランド州でも、ニューホライズンズからの信号を受信しているディープスペースネットワークのキャンベラステーションに NOPE がいたオーストラリアでも、問題は地球上にあるわけではありませんでした。信号の損失は、宇宙船自体の問題によるものでした.

通信の喪失は、ミッションコントロールチームが経験できる最悪の事態です。つまり、地球へのリンクが切断されたことを意味します。しかし、それは最悪ではありません。それは、宇宙船が壊滅的な故障に見舞われたことを意味している可能性があります。アリスは、なじみのない恐怖のさざなみを感じました:

何かが起こっているときに胃の穴に感じていることを知っていますが、それが起こっているとは信じられませんか?私たちはこの旅に 9 年半を費やしましたが、信じられませんでした。通信が失われたことは一度もありませんでした。 5、10 秒間、恐怖と不信を感じることを自分に許しますが、その後、私たちが訓練したすべてのことが始まりました.

ニューホライズンズはまだ冥王星から何百万マイルも離れていた.惑星間空間で何かに衝突する可能性は、ばかげて低かった。しかし、それにもかかわらず、チームの全員が悪夢のような考えを抱いていました:何かにぶつかったのではないでしょうか?

チームは宇宙船が静かになる前にテレメトリを取得していたので、Chris Hersman (宇宙船エンジニアリングチームを率いていた) と彼のエンジニアもすでに到着しており、作業するための手がかりがいくつかありました。彼らが非常に迅速に発見した重要な点は、宇宙船の信号が停止する直前に、メインコンピューターが同時に 2 つのことを行っていたことで、どちらも計算量が多かった.これらのタスクの 1 つは、すぐに開始されるクローズフライバイイメージングのためにメモリスペースを解放するために、以前に撮影された 63 の冥王星画像を圧縮することでした。同時に、コンピューターは地球からコア負荷を受け取り、メモリに保存していました。コンピューターは、この激しい計算タスクの組み合わせによって過負荷になり、その結果、再起動したのでしょうか?

これはブライアン・バウアーの理論でした。ブライアンは当時、ミッションの自律システムエンジニアであり、まさにこの状況で宇宙船が自動的に実行する回復手順をコーディングしていました。ブライアンはアリスに、「それが起こった場合、宇宙船はバックアップコンピューターを使用して再起動し、今から 60 ～ 90 分後に、バックアップコンピューターで動作しているニューホライズンの無線信号を受信します。」

第一次世界大戦で、戦争を「恐怖の瞬間によって中断される数か月の退屈」と表現する言葉があります。同じことは、長い宇宙船ミッションにも当てはまります。ニューホライズンズから待望の信号が戻ってくるのを待っていたのは、長くて率直に言って恐ろしい時間でした.エンジニアのエースは、アリス、グレン、アランと共に長い時間を待ち、ブライアンの仮説が間違っていた場合に備えて緊急時対応計画を立てました。しかし、案の定、90 分後、New Horizons からバックアップコンピューターに切り替えたことを示す信号が届きました。

通信が回復したことで、宇宙船の壊滅的な損失の恐れは消え去りました。しかし、危機は終わっていません。新しい段階に入ったところです。

MOC とその周辺のオフィスは、エンジニア、フライトコントロールチームのメンバー、および休日の週末を短縮して支援に来てくれたプロジェクト関係者ですぐにいっぱいになりました。人々は、MOC に行くためにすべてを落として、ピクニック用の服を着て、ショートパンツとビーチサンダルで到着していました。

鳥からより多くのテレメトリが返されると、メインコンピューターにアップロードされたフライバイのすべてのコマンドファイルが、宇宙船がバックアップコンピューターで再起動したときに消去されていることがわかりました。これは、その朝に送信されたコアフライバイシーケンスをリロードする必要があることを意味していました。さらに悪いことに、Core シーケンスを実行するために必要な多数のサポートファイル (その一部は 12 月までにロードされたもの) も再度送信する必要があります。アリスは回想します。問題は、7 月 7 日に開始予定のフライバイシーケンスの開始に間に合うかどうかということでした。」

つまり、チームが 30 億マイル離れた場所からハンプティダンプティを元に戻すのに、わずか 3 日間しか与えられなかったということです。それができなければ、精巧に構築されたコア負荷フライバイ計画の一部であった数十ものユニークな冥王星系のクローズアップ観測を毎日失うことになります。ミッションチームは突然、数年かけて計画し、数か月かけてアップロードしたすべてのものを回収するための 3 日間の競争に巻き込まれました。

宇宙船の異常が発生した後、軌道に戻るためのニューホライズンのプロセスは、ARB (異常審査委員会) と呼ばれる一連の正式な会議を中心に形成されます。午後 4 時過ぎ、宇宙船が再接触してからわずか 45 分後、7 月 4 日のアノマリーの最初の ARB が MOC に隣接する会議室で召集されました。

そのキックオフARB会議で、チームメンバーは、何が起こったのか、フライバイ計画を復元する方法、および宇宙船に別の問題を引き起こす可能性のある事故を回復中に誤って行わないようにする方法を評価する必要がありました.バックアップコンピューターを再起動することによって、それらがどれだけ後退したかということは、驚くべきことでした。 7 月 7 日に時間通りにフライバイコアシーケンスを開始するには、わずか 3 日間で数週間に相当する作業を実行する必要があるとすぐに見積もられました。

これをさらに悪化させたのは、すべての移動が遠隔操作で行われなければならず、ミッション管制と宇宙船の間で往復 9 時間の無線通信時間が必要だったことです。理科の授業では、光の速度が信じられないほど速いこと、その速度で移動する信号が 8 分の 1 秒で世界中を移動する方法、または月まで 50 万マイルの距離をわずか 2.5 秒で移動できることを学びます。半秒。しかし、ニューホライズンズのチームは、冥王星に近づいたときに宇宙船を軌道に戻そうとしましたが、地球とニューホライズンズの間の距離が非常に離れているため、光の速度が耐え難いほど遅いように見えました。

ARB のために集まった人々は、すべての報道機関の注目によって、ニューホライズンズがフライバイ寸前で躓いたことに世界がすぐに気付くことを知っていました。わずか 10 日で、探査機は冥王星系を疾走し、その天体の力学を止めることはできませんでした。しかし、収集するためにほぼ 10 年かけて旅したデータを収集できるかどうかは別問題でした.

アランとグレンは会議を開いて、ARB に対し、ニューホライズンズ以上に優れた宇宙船チームを知っていることはなく、この回復を成功させることができるチームがあるとすれば、それはその部屋のグループであると伝えました。次に Alice が発言し、回復にどのように影響するかを設計し始めました。

アリスはすぐにアランに、その日と 7 月 7 日に開始される近接フライバイシーケンスの 3 日前に科学観測が失われたことについて尋ねました。探査機を再構成し、すべてのファイルとコマンドのロードを鳥に近づきフライバイのためにロードすることに加えて、観測。アラン:

私は部屋にいる他の科学チームのメンバーからそれについての議論を求めませんでした.私はフライバイ計画の皇帝であるレスリーの意見を聞くことさえしませんでした。アリスのチームには明確な方向性が必要であり、混乱のない明確な方向性が必要であり、メインイベントではなくメインイベントを保存することに集中する必要があることは事実として知っていました。再起動のために宇宙船がアイドル状態になったために失っていた予備観測。私はアリスに、時間通りに近接フライバイ自体を開始するための軌道に戻す以上のことは、気を散らすものになるだろうと言いました。」

それで、アリスは彼女の行進命令を出しました。彼女の唯一の仕事は、コアのフライバイシーケンスを保存することでした。他のすべては消耗品でした。しかし、それは間に合うでしょうか?

アリスと彼女のチームは、迅速かつ入念に復旧計画を考案しました。次の 3 日間で、宇宙船をプライマリコンピュータに戻すためのすべてのコマンドプロシージャを設計および構築し、失われたすべてのコマンドとコアロード用のサポートファイルを再送信する必要があり、これらすべてをテストする必要がありました。アクションを実行する前に NHOPS (New Horizons Operations Simulator) でテストを行い、各ステップが最初の試行で確実に機能するようにしました。繰り返しの余裕はありませんでした。彼らは、7 月 7 日の正午であるフライバイコアシーケンスがいつ作動する必要があるかを知っていました。宇宙船で実行する手順の各セットを送信し、正常に実行されたという確認を受け取ります。地上で行わなければならない他のすべてのことを数えたところ、コア負荷が 7 月 7 日の正午に従事する必要がある前に、これらの通信サイクルのうち 3 回しか時間がないことがわかりました。

したがって、回復は 3 つのステップに分割されます。まず、チームは宇宙船に、緊急ではなく通常の通信を復元するように命令します。これにより、通信ビットレートが 100 倍になり、残りの回復が間に合うようになります。最初のステップだけでも、コーディング、テスト、ニューホライズンズへの送信、成功の確認を得るのに約半日かかると彼らは見積もっています。カチカチ。

次に、チームは宇宙船にプライマリコンピューターで再起動するように命令します。これは、コード化されたフライバイコマンド load を使用するために必要でした。バックアップから主コンピュータへの再起動は、飛行中に行われたことはありませんでした。したがって、そのための手順を設計およびコーディングし、NHOPS でテストする必要がありました。その手順を New Horizons に送信する前に、テスト結果を確認する必要がありました。最後に、チームはすべてのコアフライバイファイルを体系的に復元し、フライバイタイムラインに関与する必要があります。この計画が立てられたのは真夜中近くで、時間の余裕はありませんでした。その日の午後に連絡が途絶えてから、時計はすでに 10 時間以上ダウンしていました。カチカチ。

クリス・ハースマンの宇宙船システム・チームと緊密に協力しているアリスのミッション運用チームは、宇宙船通信を再確立してから約 12 時間後の 7 月 5 日の午前 3 時 15 分頃に、最初の一連のコマンドを作成し、テストし、送信しました。 /P>

9 時間後の 5 日の正午、MOC は通常の通信が回復したという確認を受け取りました。しかし、1 日が経過し、ニューホライズンズは冥王星での運命に向けてさらに 100 万マイル近く移動しました。回収手順 1 は完了しましたが、コアフライバイシーケンスが必要になるまであと 2 日しかありませんでした。カチカチ。

ニューホライズンズのチームは、その後数日間、宇宙船との間で 9 時間の通信サイクルを取り、仕事と生活を整理しました。彼らはほんの少しの睡眠とたくさんのアドレナリンで走りました。彼らは 10 年以上一緒に働いており、以前にも宇宙船で問題に遭遇したことがありましたが、このような規模の問題や、これほど大きなリスクを伴う問題は発生したことがありませんでした。ミッションコントロールに 24 時間体制で対応する必要がありましたが、チームはそれを実現しました。

Glen 氏は次のように回想しています。オフィスの床よりも快適な場所を見つけようと、人々が眠る場所を探し始めました。」アリスは覚えています。足りなかったのでシェアしました。」アラン:

あなたはそれを見たはずです。苦情は一つもありませんでしたが、人々は昼夜を問わず働きました。着替えや適切な睡眠やシャワーの場所さえも変えずに、場合によっては 4 日間連続で働きました。机の上で寝ている人もいました。 1 日 2、3 時間の昼寝だけで生活している人もいました。レストランでの食事の時間はありませんでした。テイクアウトを見つけてチームに栄養を与えるためだけに人々を連れてきました.

これとリカバリのすべてのステップが意図したとおりに機能することを確認するために、各リカバリ手順を NHOPS でテストすることが不可欠でした。 NHOPS は宇宙船を非常に忠実にシミュレートしたため、そのコマンド負荷テストを使用してバグを解決し、ニューホライズンズ自体に送信される指示にエラーがないことを証明できました。

結局のところ、何年も前に下された決定は、回復中の命の恩人であることが証明されました. Alan は、チームが NHOPS の完全なバックアップを持っていないことを非常に懸念し、2 つ目のバックアップを作成しました。 7 月 4 日の週末は、1 つの NHOPS のみを使用して回復するために必要なすべての新しいコマンドの負荷をテストするだけの十分な時間がありませんでした。そこで彼らは倍増し、その 2 番目の NHOPS を使用して、より多くのテスト実行に適合させました。 NHOPS-2 がなかったら、回復にはさらに何日もかかり、冥王星のユニークな科学の帯全体が永遠に失われていたでしょう。

NHOPS-1 と NHOPS-2 でテストされた手順を使用して、ニューホライズンズのセーフモードを解除し、プライマリフライトコンピューターに戻す中間ステップが成功し、7 月 6 日に宇宙船から送信されたテレメトリーによって確認されました。

次に、7 月 4 日にフライバイスクリプトをアップロードする前と同じように宇宙船を構成する必要がありました。その後、最後のステップとして、コアロードを再度送信する必要がありました。アノマリーがプライマリコンピューターを再起動したときに失われた多数の関連するサポートファイル。これらのステップと、各ステップを計画し認定するための多くの異常審査委員会会議を含む、それらのすべての NHOPS テストは、6 日に 24 時間体制で行われました。

しかし、どういうわけか、7 月 7 日の深夜までにすべての復旧作業が完了しました。疲れ果てたチームは、宇宙船を軌道に戻し、フライバイの準備を整えることができました。彼らは、コアロードが開始されるまでに、わずか 4 時間の余裕を持ってそれを完了しました。

7 月 4 日のアノマリーとリカバリーのリワークにより失われた科学は?ニューホライズンズの危機を救うために、アリスと彼女のチームはアランの指示に従い、コアフライバイを救うために「必要なことは何でも」行いました。そのため、最終的に彼らは異常回復の 3 日間に行われたであろうすべての観測を破棄しました。それらを再計画し、宇宙船をセーフモードから抜け出させて終了を開始する準備を整える方法がまったくなかったからです。時間通りにフライバイしてください。

しかし、アリスのチームは、異常が発生したときに圧縮中だった 63 枚の画像を保存することに成功しました。これらの画像は、ストレージに収まるように圧縮する必要がありました。フライバイデータ用により多くのメモリスペースを確保するために、より大きな生の画像を削除する必要があったからです。回収作業中に、アリスのチームは宇宙船の運用タイムラインで開いているウィンドウを見つけ、その圧縮を再スケジュールして、貴重な 63 枚の画像をすべて保存しました。

7 月 4 日の週末の宇宙船の回収中に破棄されたすべての接近観測はどうですか?アランはフライバイ計画立案者のレスリー・ヤングに、それを分析するための虎のチームを編成する任務を与えました。レスリーと彼女の部隊は、探査機が回収された 3 日間、失われたすべての観測結果と、それが冥王星に戻ってきた科学全体に与える影響を調べました。彼らは、それぞれがより高い解像度またはより近い距離での後の観測を持っていることを発見しました。これは、1 つのケースを除いて、目標が失われなかったことを意味します。これは、ニューホライズンズがまだ冥王星の周りの空間を画像で覆うのに十分な距離にあった7月5日と6日に行われる予定だった冥王星周りの最後の衛星探査でした.そのシーケンスは、異常が発生する数日前に行われた以前の検索の数倍の感度で検索されたでしょう。その後、すべての衛星検索画像がニューホライズンズの科学チームによって注意深く精査されましたが、新しい衛星は見つかりませんでした。これは科学チームの多くを驚かせました。なぜなら、ハッブル宇宙望遠鏡がよりよく見るたびに、より多くの衛星を発見していたからです。ニューホライズンズは、その廃棄された、最終的な、より良い検索で衛星を発見したでしょうか?おそらく、将来の冥王星オービターミッションが到着するまで、再検索することは誰にもわかりません.

アラン・スターンは、ニューホライズンズミッションの主任研究員であり、NASA の冥王星系とカイパーベルトの探査を指揮しています。惑星科学者、宇宙プログラムエグゼクティブ、航空宇宙コンサルタント、および著者である彼は、20 以上の科学宇宙ミッションに参加しています。

David Grinspoon は、宇宙生物学者であり、受賞歴のある科学コミュニケーターであり、受賞歴のある著者でもあります。彼の以前の著書には以下が含まれます Earth in Human Hands、彼の著作はに登場 The New York Times、Slate、Scientific American、など。