NASA naprawiła napęd sondy 25 miliardów km od Ziemi. Stara technologia, a zawstydza nowe

Sonda Voyager 1 to jedna z dwóch sond, które zrewolucjonizowały nasz obraz Układu Słonecznego. Voyager 1 odwiedził Jowisza i Saturna, a potem ruszył w podróż ku granicom tego układu. Voyager 2 napotkał na swojej drodze jeszcze dwie pozostałe planety zewnętrzne, Urana i Neptuna. Inna trasa sprawiła, że ta sonda później osiągnęła umowną granicę przestrzeni międzygwiazdowej, a także jest oddaliła się na mniejszą odległość od Słońca. Voyager 1 jest obecnie około 24,6 miliarda kilometrów od Ziemi. Większość instrumentów już dawno została wyłączona, ale te przydatne w badaniu przestrzeni międzygwiezdnej wciąż działają. Dlatego kontakt z sondą jest wciąż priorytetowy dla NASA, która wysłała Voyagera 1 w kosmos prawie dokładnie 47 lat temu - start miał miejsce 5 września 1977 r.

Start sondy Voyager 1 we wrześniu 1977 r. (fot: NASA/JPL/Caltech)

Elektronika to nie jedyna rzecz, która szwankuje na Voyagerze 1

Trudno mieć pretensję do sondy, że po tylu latach działa nieprawidłowo, ale też przygody jakie funduje nam Voyager 1, przyczyniają się do przypomnienia szerszej społeczności o tym przedsięwzięciu. Pojazdu międzyplanetarnego, a teraz międzygwiezdnego, który zbudowano z wykorzystaniem technologii z lat 60. i 70. XX wieku. Wielu inżynierów zaangażowanych początkowo w projekt już nie żyje, a niedawno zmarł pierwszy i wieloletni naukowy szef projektu.

Rozwiązanie problemów komunikacyjnych z sondą w ostatnich latach wymagały zrozumienia starej dokumentacji. A potem ostrożnych zmian w oprogramowaniu sondy, która jest tak daleko od nas, że sygnał z Ziemi dociera do sondy prawie 23 godzinach. Na odpowiedź trzeba czekać tyle samo, co oznacza, że jakakolwiek operacja wiąże się z prawie dwudniową zwłoką w komunikacji.

Antena sondy Voyager 1 musi być zwrócona dokładnie w stronę Ziemi. (fot: NASA Eyes on the Solar System)

By ta komunikacja była nie zakłócona, nie tylko elektronika musi być niezawodna, ale i dysk anteny nadawczej musi być skierowany w stronę Ziemi z ogromną dokładnością. Decydują o tym komendy płynące z oprogramowania, ale też praca silników sondy, która stale pozycjonuje ją w przestrzeni.

Te silniki, to niewielkie pędniki, których paliwem jest ciekła hydrazyna, po ulotnieniu się do postaci gazowej jest wystrzeliwana, by nadać sondzie odpowiednią orientację. Taki drobnych manewrów sonda powinna wykonywać dziennie około 40. Po wielu latach ten system sterowania sondą sprawia jednak problemy.

Problemy Voyagera 1 rodem z domowej kuchni

Pewnie zdarzyło się wam choć raz stawić czoła poważnie zatkanemu odpływowi w kuchennym zlewie. Na Ziemi mamy szeroki wachlarz akcesoriów i środków chemicznych, które ułatwiają przetkanie rury.

Co jednak gdy taka rura, jest z definicji bardzo wąską rurką, a na dodatek znajduje się prawie 25 miliardów kilometrów od Ziemi? W Voyagerze 1 problem zatkania dotyczy rurek dostarczających paliwo do silników, w których z czasem powstaje osad w postaci dwutlenku krzemu. Osad zmniejsza użyteczny przekrój rurki i utrudnia manewrowanie położeniem sondy, a to przekłada się na utrudnienia w komunikacji z Ziemią, bo antena sondy nie pracuje optymalnie.

Temat zatkanych przewodów paliwowych pojawił się już w 2002 r., gdy sonda znajdowała się około 12 miliardów km od Słońca. Kontrola naziemna zdecydowała się na zastosowanie zapasowego zestawu silników do korekcji orientacji sondy. Po kilkunastu latach, w 2017 r. również te silniki wykazały degradację sprawności. To zmusiło obsługę sondy do oryginalnej operacji, wykorzystania silników przeznaczonych do korekty trajektorii lotu.

Przez ponad 6 lat to rozwiązanie zdawało egzamin, ale problem osadzającego się dwutlenku krzemu powrócił i to w jeszcze większym stopniu niż kiedyś. Dla zobrazowania problemu - rurka doprowadzająca ciekłą hydrazynę do katalizatora, który umożliwia jej zmianę w stan gazowy, ma jedynie 0,25 mm średnicy, a po zatkaniu użyteczny przekrój wynosi jedynie 0,035 mm. Choć nie jest to skala jakkolwiek porównywalna z problemami kuchennymi, to charakter usterki jest podobny.

NASA znalazła rozwiązanie problemu. Należą się tu wyrazy uznania dla starej konstrukcji sondy, która przetrwała ryzykowny manewr. Sukces agencji może zawstydzić Boeinga, który dysponując teoretycznie znacznie nowocześniejszymi technologiami, ma takie problemy z kapsułą Starliner. Wozić ma ona co prawda ludzi, a nie instrumenty elektroniczne, ale przecież nie przemierza odległej kosmicznej pustki, a jedynie okolice Ziemi.

Jak NASA przywróciła sprawność manewrową Voyagera 1?

Przede wszystkim, Voyager 1 nie odzyskał sprawności takiej jak w początkach swojej kosmicznej podróży. Jednakże okazało się, że przełączenie z powrotem na stary zapasowy zestaw silników do korekty orientacji sondy, przyniesie korzyści większe niż zignorowanie problemu.

Nie wystarczyło wydanie prostego polecenia systemom sondy. Voyager 1 jest już bardzo daleko od Słońca, wiele podsystemów, które generowały wcześniej ciepło nie działa, a generator radioizotopowy nie jest już tak wydajny jak kiedyś. Istniało ryzyko, że nie używane od lat kanały paliwowe w zapasowym zestawie silników są mocno zmrożone i ich uruchomienie mogłoby doprowadzić do utraty sondy.

Rozwiązanie proste w zamyśle - ogrzanie kanałów paliwowych za pomocą grzałek w ponownie uruchamianym zestawie silników Voyagera 1 - wymagało długiego planowania, bo budżet energetyczny sondy jest ograniczony. Trzeba było coś wyłączyć, by móc coś innego włączyć - ostatecznie padło na główną grzałkę sondy. Przez pewien czas zamiast niej pracowały grzałki systemu do korekty orientacji sondy.

I jak okazało się, skutecznie. Pod koniec sierpnia 2024 r. aktywowano stary zapasowy zestaw silników do korekty położenia Voyagera 1, a praca głównej grzałki została przywrócona.

Voyager 1 wciąż mknie przez kosmos, ale jak podkreśla Suzanne Dodd, obecna szefowa projektu Voyager - cokolwiek zdecydujemy w sprawie sondy w przyszłości, będzie wymagało jeszcze większej ostrożności niż dotychczas. Ostatnia operacja jest dowodem na to, jak bardzo zdeterminowana jest kontrola misji Voyagera 1, choć ta jest już na granicy użyteczności.

Źródło: NASA, JPL, inf. własna