우주 임무를 유지하는 고대 기술

두 대의 보이저 탐사선을 포함하여 가장 유명한 우주 임무 중 일부는 수십 년 동안 우리 태양계를 탐험해 왔습니다. 그러나 그것들을 높이 유지하는 데 도움이 되는 기술은 여러분이 기대하는 것이 아닙니다.

1996년 6월 4일, 유럽 우주기지, 프랑스령 기아나…

발사를 위해 유럽의 동일한 클러스터 위성 4개를 설계하고 구축하는 데 10년 이상이 걸렸습니다. 39초 만에 거대한 불덩어리로 그들을 모두 잃게 됩니다.

Ariane 5 로켓이 경로를 벗어나 폭발하면서 그들의 유해는 남미 정글 위로 비가 내렸습니다. 조금 전 야외 관람 갤러리에서 샴페인을 홀짝이던 귀빈들은 떨어지는 파편에 다치지 않도록 다시 안으로 안내받았다.

재난은 유럽 우주국(Esa)의 가장 눈에 띄고 극적인 실패 중 하나였습니다 . 그러나 몇 달 안에 교체 임무인 Cluster II에 대한 작업이 시작되었습니다.

태양풍의 하전 입자와 자기권으로 알려진 지구를 둘러싼 자기 거품 사이의 상호 작용을 조사하기 위해 대형으로 비행하도록 설계된 Cluster II는 지금까지 비행한 과학 임무 중 가장 성공적이고 오래 지속되는 임무 중 하나입니다 . . 위성(Rumba, Salsa, Samba 및 Tango로 명명됨)이 궤도에 진입한 지 23주년을 맞았습니다. 

독일 다름슈타트에 있는 유럽우주작전센터(Esoc)의 브루노 소사(Bruno Sousa) 클러스터 미션 운영 매니저는 "임무는 3년만 지속되도록 설계됐다"고 말했다. "미션을 수행하는 매우 열정적인 과학자 그룹이 있습니다. 그들 중 일부는 은퇴를 즐길 수 있도록 미션이 끝나기를 기다리고 있습니다.

Cluster는 결함, 오작동 및 거의 치명적인 오류를 통해 문제를 해결하는 엔지니어링 및 과학 팀의 기술과 독창성 덕분에 오늘날에도 여전히 살아있는 많은 임무 중 하나입니다. 원래 최적기한이 지난 후에도 우주선을 유지해야 하는 이 문제는 최근 컨트롤러가 보이저 2호와 잠시 연락이 끊겼을 때 강조되었습니다.

거의 46년 전인 1977년에 발사된 쌍둥이 보이저 탐사선은 계속해서 태양계 너머에서 데이터를 되돌려 보냅니다 .

내가 2017년에 방문한 JPL(Jet Propulsion Laboratory)의 별관에 있는 동일한 베이지색 칸막이에서 우주선이 여전히 조종되고 있음을 Nasa에 확인했습니다. - 만지지 마시오". ( 여기에서 미션의 전체 내용을 읽을 수 있으며 여기에서 내가 제작한 라디오 프로그램을 들을 수 있습니다 . )

이 설정은 구식 운영 체제에 구축된 20세기 지상 제어 소프트웨어와 싸워야 했던 클러스터 임무 관제사에게 친숙할 것입니다.

" 우리는 이전 운영 체제의 에뮬레이터와 함께 가상 환경을 실행하는 최신 Linux 서버가 있는 복잡한 설정을 개발했습니다."라고 Sousa는 말합니다. "소프트웨어를 실행하는 사람은 원래 팀의 일원이며 임무가 끝나면 은퇴할 것입니다."

권력도 문제였다. 클러스터 위성에는 전기를 위한 태양열 어레이가 장착되어 있지만 1년에 두 번 지구의 그림자 속으로 들어가 생존을 위해 배터리가 필요합니다.

"배터리는 5년 동안만 사용할 수 있도록 설계되었으며 6년 후에는 용량이 줄어들기 시작했습니다."라고 Sousa는 말합니다. "그런 다음 균열이 생기고 결국 누출이 발생하여 완전히 사용할 수 없게 되었습니다."

해결책은 일식에 접근할 때 위성의 전원을 끈 다음 자동화된 순서로 재부팅하라는 신호를 보내는 것이었습니다. 클러스터를 1년에 두 번 공장 초기화하는 것과 같습니다. 사실, 우주선 사후 관리와 관련하여 제조업체는 종종 개입을 요청받습니다.

클러스터 위성은 20년 이상 전에 발사되었으며 여전히 서비스 중입니다. (Credit: Getty Images)

예를 들어 Esa의 10m 길이(33ft) XMM-뉴턴 우주 망원경을 살펴보십시오. Airbus가 제작하고 먼 은하에서 방출되는 X선을 조사 하도록 설계된 이 거대한 망원경은 24년 동안 블랙홀을 관찰하고 별의 탄생과 죽음을 목격했으며 보이지 않는 우주에 대한 우리의 이해를 바꾸는 데 도움을 주었습니다. 그러나 임무를 수행한 지 10년이 지나면서 노후화되고 있었습니다.

많은 위성과 마찬가지로 XMM-Newton에는 기동을 위한 추진기가 있으며 안정을 유지하기 위해 반응 바퀴를 사용합니다. 태양 전지판에 의해 구동되는 이 바퀴는 빠르게 회전하여 궤도선이 반대 방향으로 회전하도록 하는 힘을 생성합니다. 망원경은 세 개의 바퀴로 작동하도록 설계되었으며 네 번째 바퀴는 백업용입니다. 그러나 고군분투하는 컴퓨터 하드 드라이브처럼 10년 후에 이러한 움직이는 부품은 마모되었습니다.

반응 바퀴가 완전히 포기할 때까지 기다리지 않고 미션 컨트롤러는 네 번째 바퀴를 활성화하고 모든 바퀴를 더 느린 속도로 작동시키는 아이디어를 가졌습니다.

1995년부터 XMM-Newton에서 일한 영국의 Airbus 엔지니어 Patrick Chapman은 "우리는 상세한 알고리즘과 소프트웨어를 설계하여 2013년에 우주선에 업로드했습니다."라고 설명합니다. "아직도 건강하며 연료도 절약하고 있습니다. "

우리는 많은 알람이 울리고 위성에 3시간만 전력이 남아 있었다 – Richard Southworth

망원경을 저장한 수정 프로그램을 개발하는 것은 몇 달에 걸쳐 진행되었지만 때로는 시간이 옵션이 아닙니다.

2021년 9월 22일 오전 10시 30분, Esoc에 있는 Esa의 Integral Mission Control Room에서 경보가 울렸습니다. 19년 된 감마선 관측소 에서 반응 바퀴가 작동을 멈추고 위성을 안전 모드로 전환했지만 더 나쁘게는 천천히 회전하면서 통제 불능 상태가 되었습니다.

임무 운영 관리자인 Richard Southworth는 "우리는 많은 경보가 울리고 위성에 전력이 3시간만 남아 있었습니다"라고 말했습니다.

우주선 운영 엔지니어인 그레타 데 마르코(Greta De Marco)는 "태양이 태양으로부터 멀어지기 때문에 전력이 부족했습니다."라고 덧붙였습니다. 

Southworth는 어떤 면에서 그들이 운이 좋았다고 말합니다. "아침이었고 우리는 모두 일하고 있었고 우연히 약 100명의 Airbus 엔지니어와 Zoom 통화를 하고 있었기 때문에 그들과 이상 현상을 공유할 수 있었습니다."

Voyager 2의 보잘것없는 기술은 여전히 ​​이웃 행성의 상세한 이미지를 다시 보낼 수 있을 만큼 훌륭했습니다. (Credit: Nasa/Getty Images)

De Marco는 팀이 위성이 가리키는 곳을 알려주는 방법을 알아내기 위해 시간을 벌어야 했다고 말합니다. "우리는 기기의 전원을 끄기로 결정했습니다."

" 배터리가 다 닳았고 한 번만 더 회전해야 한다면 그걸로 끝이라는 것을 알았습니다."라고 Southworth는 말합니다. "그 시점에서 나는 약간 비관적이었습니다."

결국 회전으로 인한 간헐적인 통신에도 불구하고 팀은 다른 반응 바퀴의 속도를 조정했습니다.

Southworth는 "이것이 작동해야 한다고 생각한 순간이었습니다. 그렇지 않으면 우리는 끝났다"고 말했습니다.

De Marco는 "몇 시간이고 많은 사람들이 전투에 참여한 끝에 위성을 다시 통제할 수 있었습니다.

온보드 내비게이션 시스템의 원래 소프트웨어는 아무도 암호를 찾을 수 없는 Windows 98 PC에서 실행되고 있었습니다.

그 이후로 Integral은 잘 운영되고 있습니다. 하지만 오래된 우주선이 1억 5000만 km(9300만 마일) 떨어진 먼 세계 주변에 있을 때 문제가 발생하면 어떻게 될까요?

2003년에 발사된 Esa의 Mars Express는 2년 동안 화성 궤도를 돌도록 설계되었습니다. 거의 20시간이 지난 후 임무는 대기를 조사하고 화성 표면의 놀라운 이미지를 제공했으며 일련의 Nasa 로버를 위한 릴레이 역할을 했습니다.

동료들과 마찬가지로 컨트롤러도 오래된 컴퓨터 시스템에 대처해야 했습니다. 예를 들어 온보드 컴퓨터의 결함에 따라 엔지니어는 우주선의 2MB RAM 메모리에 명령을 로드하는 새로운 방법을 고안했습니다(비교를 위해 iPhone 14는 64,000배 더 많은 메모리인 128GB에서 시작합니다).

그들은 또한 온보드 내비게이션 시스템의 일부에 대한 원래 소프트웨어가 아무도 암호를 찾을 수 없는 Windows 98 PC에서 실행되고 있었고 결국 볼트 커터를 사용하여 하드 드라이브를 추출했다는 사실을 발견했습니다. 그러나 가장 큰 도전은 5년 전에 닥쳤고, 다시 한 번 임무를 시기 적절하게 끝내겠다고 위협한 기계적 고장이었습니다.

보이저 우주 임무는 오늘날 박물관의 인공물이 될 기술에 의해 유지되었습니다(Credit: Getty Images)

Mars Express에는 회전을 측정하기 위해 6개의 자이로스코프가 장착되어 있습니다. 별 추적기로 알려진 두 대의 카메라와 함께 우주선이 우주에서 방향을 결정할 수 있습니다. 그러나 2017년에 자이로가 고장난 것이 분명해졌습니다.

우주선 운영 엔지니어 사이먼 우드는 "우리는 우주선의 상태를 논의하기 위해 이 큰 회의를 가졌고 남은 수명이 2년이라는 결론을 내렸다"고 말했다. "나오는 것은 꽤 우울한 회의였습니다."

다행히 우주선은 혜성 탐험가인 로제타를 포함한 다른 임무에도 사용되는 표준 설계로 제작되었습니다 . Mars Express는 자이로 없이 작동하도록 설계되지 않았지만 Rosetta의 소프트웨어는 자이로 를 끌 수 있도록 허용했습니다. 그렇다면 Rosetta용으로 20년 이상 전에 설계된 코드를 해킹하여 Mars Express에서 작동하도록 만들 수 있을까요?

" 대부분의 동료들은 온보드 소프트웨어 소스 코드에 깊이 파고들 것이라는 생각이 거의 들어본 적이 없기 때문에 우리가 미쳤다고 생각했습니다."라고 Wood는 말합니다. "하지만 우리는 그것을 고수했습니다."

2018년에는 소프트웨어를 업로드하고 우주선을 재부팅할 준비를 했습니다. "우주선은 12년 동안 추운 상태에서 다시 시작되지 않았으므로 위험이 없었습니다."라고 Wood는 말합니다. "우리가 감히 희망했던 것보다 더 잘 작동하며 이제 2028년까지 임무를 연장할 수 있습니다."

많은 것들이 유산 지식을 기반으로 구축되었습니다 – Joseph Hunt

그러나 화성 궤도에 있는 또 다른 임무는 훨씬 더 오래 지속되었습니다. 95,000번의 궤도를 돌고 있는 NASA의 Odyssey는 다른 행성 주위를 도는 가장 오래된 우주선입니다.

현재 단계를 화성 탐사의 "황금기"라고 부르는 임무 프로젝트 과학자 Jeffrey Plaut는 "화성에서 이렇게 강력한 로봇을 갖게 되어 매우 행운이라고 생각합니다."라고 말합니다. "임무는 몇 년 동안만 지속될 것으로 예상되었으며, 우리가 예상하지 못했던 과학, 특히 화성의 날씨와 기후에 대한 장기적인 모니터링을 할 수 있게 해주기 때문에 만족스럽습니다. 정말 놀랍습니다."

Plaut는 2001년 화성 궤도에 도착한 이후로 Odyssey에서 작업해 왔지만 Pasadena의 JPL에 기반을 둔 현재 운영 팀은 이전 재직자들이 은퇴하고 수십 년과 함께 지휘봉을 넘겨받은 후 18개월 동안만 임무에 참여했습니다. 지혜의.

Esa 컨트롤러가 소스 코드를 해킹한 덕분에 Mars Express의 임무가 연장되었습니다(Credit: Esa/Getty Images).

임무 관리자 Jared Call은 우주선을 가능한 한 오래 유지하는 일을 담당합니다. 이상적으로는 Esa 라이벌보다 길며 공정하게 말하면 파트너입니다. "저는 [Mars Express와의] 콘테스트에 대해 잘 모르지만, 우리가 하나에 참가한다면 우승할 수 있기를 바랍니다."라고 Call이 웃으며 말합니다.

하지만 결국 두 화성 궤도선 모두 연료가 바닥날 것입니다. " 우주선에는 연료 게이지가 없습니다."라고 Call은 말합니다. "추진체 추정과 관련된 예술성은 아마도 예술 세 부분, 수학 두 부분, 공학 및 물리학 한 부분일 것입니다." 

그러나 미션 컨트롤러가 얼마나 많은 예술성을 사용하든 이 모든 미션은 결국 끝날 것입니다. 아마도 하나를 제외하고. 양쪽에 묶인 황금 디스크에 지구에서 온 메시지를 담은 쌍둥이 보이저 우주선은 수백만 년 동안 여행을 계속할 것입니다. 우리가 떠난 후에도 우주에 대한 우리의 유산입니다.