En parcourant le ciel à 250 miles de hauteur se trouve un ensemble de détecteurs et d'électronique de la taille d'une boîte à chaussures nommé Dellingr. L'homonyme du dieu mythologique nordique de l'aube, Dellingr fait partie d'une nouvelle génération de vaisseaux spatiaux connus sous le nom de CubeSat. Ces petits satellites, mesuré en unités normalisées de 10 x 10 x 10 centimètres cubes, ne pèsent pas plus de quelques livres, ne ressemblant guère au plus gros, vaisseau spatial de la taille d'un fourgon tel que le télescope Hubble pour lequel la NASA est connue. Mais SmallSats, qui englobe un large éventail de tailles, y compris les CubeSats—sont un outil de plus en plus précieux dans l'arsenal des scientifiques de l'espace.

Mais les CubeSats en sont encore à leurs balbutiements, avec des taux de réussite des missions avoisinant les 50 %. Donc, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, partir en quête. Leur objectif? Pour construire un CubeSat plus résistant, capable de gérer les inévitables incidents en vol qui perturbent tout engin spatial, sans aller kaput. Ils voulaient un petit CubeSat qui le pouvait.

C'était un territoire inconnu pour eux, un exercice d'ingénierie par excellence. L'équipe était habituée à construire de gros vaisseaux spatiaux, avec les couches de processus, des analyses et des tests qui les rendent fiables. Le passage à CubeSats nécessiterait d'adapter ou dans certains cas de créer de nouveaux processus et approches, modifier les structures organisationnelles, tout en travaillant vite et avec un budget limité. Mais c'était une expérience qui valait la peine d'être tentée, car les leçons qu'ils étaient sûrs d'apprendre profiteraient à l'ensemble de la communauté CubeSat. Ils se sont mis au travail en 2014 et, après trois ans de développement, Dellingr était prêt à prendre son envol.

Au moment d'écrire ces lignes, Dellingr survole, transmettre des données scientifiques et techniques précieuses et résoudre ses derniers problèmes. Mais le parcours de Dellingr a été loin d'être fluide :l'histoire de son lancement, les complications ultérieures et les correctifs réussis sont un conte classique de la NASA sur la persévérance et l'ingéniosité.

Chronologie

14 août 2017 : Lancement

Dellingr a été lancé à bord d'une fusée Space-X Falcon 9 lors de la mission CRS-12 de la NASA pour ravitailler la Station spatiale internationale. Il est resté en soute pendant les trois mois suivants jusqu'au déploiement.

20 novembre 2017 :Déploiement depuis l'ISS

Juste après midi HNE, l'équipe Dellingr a regardé une diffusion en direct de la Station spatiale internationale et a applaudi lorsque Dellingr a été libéré du déployeur NanoRacks.

20 novembre 2017 :quelques secondes plus tard

Alors que Dellingr s'échappait de l'ISS, l'excitation de l'équipe s'est immédiatement transformée en détresse lorsqu'ils ont remarqué de petits appendices dépassant du vaisseau spatial. Un magnétomètre, conçu pour mesurer les champs magnétiques de la Terre, et une antenne sortait déjà, malgré le fait qu'il ait été programmé pour une période de retard de 30 minutes après le déploiement. Quelque chose n'allait pas.

Les enquêtes ont révélé que le vaisseau spatial s'était accidentellement allumé pendant la préparation du déploiement, déclencher le magnétomètre et l'antenne tout en restant à l'intérieur du déployeur et réduire la puissance du vaisseau spatial. Dellingr avait été éjecté dans l'espace avec une batterie à plat.

Heureusement, comme la plupart des CubeSats, Dellingr ne dépend pas de la propulsion pour rester en orbite. Bien que "mort" dans l'air, le petit satellite a dégringolé dans l'espace jusqu'à ce que ses panneaux solaires (qui couvrent toutes les surfaces du vaisseau spatial) rechargent suffisamment la batterie. Huit heures plus tard, Dellingr a effectué son premier passage au-dessus de sa station au sol au Wallops Flight Facility de la NASA à Wallops Island, Virginie. Les données du vaisseau spatial ont indiqué qu'il était pleinement fonctionnel, avait pointé automatiquement le soleil, et avait une charge de batterie saine. Malgré le déploiement anormal, le vaisseau spatial a par ailleurs parfaitement fonctionné comme prévu.

21 – 30 novembre, 2017 :Dégazage

En plus de deux magnétomètres conçus pour mesurer les champs magnétiques terrestres, Dellingr porte un instrument appelé le spectromètre de masse neutre ionique, ou INMS, qui mesure à la fois les ions et les particules neutres dans l'atmosphère. L'instrument INMS n'avait jamais été entièrement validé dans l'espace. Montrer ce qu'il pouvait faire était un objectif majeur de la mission. Cependant, avant qu'il ne puisse être allumé, L'INMS devait terminer le processus de dégazage, permettant aux résidus nocifs de l'atmosphère terrestre de s'évaporer du vaisseau spatial. Rien à faire à part attendre.

30 novembre 2017 :Perdre le soleil

Dellingr détermine son orientation en partie en trouvant le soleil et en suivant sa position en orbite autour de la Terre. Avant le 30 novembre, l'équipe avait remarqué que Dellingr ne tenait pas le verrou sur le soleil et semblait s'agiter dans l'espace. Le système de contrôle d'orientation du vaisseau spatial a fait tourner ses roues de réaction - qui tournent afin d'incliner le vaisseau spatial d'une manière ou d'une autre - alors qu'il tentait de corriger sa trajectoire.

Mais à terre, quelque chose n'allait pas. Dellingr a deux pointeurs solaires :un un de haute précision, et un acheté dans le commerce et testé en vol (bien que de résolution inférieure). Seul le pointeur solaire personnalisé renvoyait des données d'apparence sauvage. Le vaisseau spatial ne vacillait pas – le pointeur solaire personnalisé fonctionnait mal.

Les ingénieurs de Dellingr ont téléchargé un code de correction rapide pour le mettre hors ligne jusqu'à ce qu'ils puissent découvrir la racine du problème. Mais avant qu'ils ne puissent le faire, un problème encore plus grave s'est posé.

16 décembre 2017 :Perte du GPS

Moins d'un mois en orbite, Le système GPS commercial de Dellingr a brutalement réduit sa puissance, a baissé de température et a bégayé jusqu'à s'arrêter. Le système GPS était mort.

La perte du GPS signifiait que l'équipe n'a pas pu déterminer avec précision la position de Dellingr - et ils n'ont pas non plus pu déterminer sa direction de mouvement, critique pour une bonne orientation de l'instrument INMS. INMS fonctionne comme un chasse-neige, ramassant des ions et des particules neutres à l'avant du vaisseau spatial pendant qu'il vole dans l'espace.Sans GPS, ils ne pouvaient pas être sûrs que la pelle était dans la bonne direction.

L'équipe a mis Dellingr en mode opérationnel minimal et a commencé à travailler sur un plan pour continuer sans GPS. A la mi-janvier, ils avaient formulé un plan et ont commencé à faire des préparatifs pour le mettre en œuvre. Mais, encore, un nouveau problème surgit.

27 janvier, 2018 :Le problème de réinitialisation

Les engins spatiaux en orbite sont toujours à risque de ce que l'on appelle des perturbations à événement unique qui peuvent brouiller les signaux électriques de l'engin spatial, comme être frappé par un rayon cosmique à grande vitesse ou une particule énergétique du soleil. Pour se protéger contre les perturbations liées à un événement unique, Dellingr a été conçu pour effectuer une fois par jour, réinitialisation complète du vaisseau spatial pour rester au frais ; cette réinitialisation avait déjà protégé le vaisseau spatial à plusieurs reprises. En plus de la réinitialisation quotidienne, Dellingr se réinitialise s'il détecte un problème. Bien qu'une réinitialisation occasionnelle ne soit pas préoccupante, à la mi-janvier, Les réinitialisations de Dellingr ont commencé à se déclencher plus souvent qu'elles ne le devraient. Le 27 janvier, Dellingr se réinitialisait toutes les 63 secondes. Les communications avec le sol devenaient impossibles.

28 janvier – 5 février, 2018 :Élaboration d'un plan

Dellingr était dans un état de paralysie induite par la réinitialisation. Par terre, l'équipe avait retracé le problème de réinitialisation à une ligne de code dans un pilote de périphérique de bas niveau qui impliquait le protocole de communication utilisé pour contrôler les roues de réaction, utilisé pour orienter le vaisseau spatial. Ils devaient désactiver les roues de réaction, mais les réinitialisations constantes les empêchaient de terminer les commandes pour le faire.

L'équipe a élaboré un plan :lors d'un passage au-dessus de la station au sol de Dellingr à Wallops Flight Facility, ils enverraient une série répétée de commandes au vaisseau spatial à un rythme rapide, brouillant efficacement l'ordinateur pour qu'il n'aille jamais assez loin pour se réinitialiser. S'ils pouvaient le bloquer assez longtemps, cela déclencherait une réinitialisation complète de l'alimentation - l'équivalent de débrancher l'ordinateur - leur faisant gagner du temps pour télécharger la solution et éteindre les roues de réaction du vaisseau spatial. C'était loin, mais toujours leur meilleur pari.

6 février 2018 :Reprise des affaires

Lors d'un passage à Wallops le 6 février, l'équipe a tenté l'astuce, et ont attendu 90 minutes pour le prochain passage quand ils ont pu vérifier les résultats. Peu après, ils ont reçu un e-mail de l'opérateur au sol :"Nous confirmons le retour de Dellingr aux affaires." Ça a marché.

Plus tard dans la journée, l'équipe a allumé l'instrument INMS, et les premières mesures scientifiques réelles des ions dans l'atmosphère avec le nouvel instrument INMS ont été recueillies. L'équipe Dellingr avait validé la partie ionique de l'instrument INMS, atteindre l'un des principaux objectifs de la mission.

10 février – 5 mars, 2018 :Remettre les roues en marche

Pour résoudre le problème de réinitialisation, Les ingénieurs de Dellingr avaient désactivé les roues de réaction du vaisseau spatial, son principal outil de réorientation. Par conséquent, il n'a pas pu rester stable et a plutôt tourné lentement tout au long de son orbite, collecter des données uniquement lorsque l'instrument INMS tournait par l'avant où il pouvait ramasser des particules. Après quelque temps, l'équipe s'est rendu compte que les roues pouvaient être utilisées de manière minimale - jusqu'à 24 heures à la fois - sans provoquer de réinitialisations. Ils ont développé un programme pour activer les roues au début de chaque semaine, ajuster l'orientation, et éteignez-les pour le reste. Cela a fonctionné, pendant un certain temps.

6 mars 2018 :Le problème du spin

Avant le 6 mars, il est devenu clair qu'une utilisation minimale des roues de réaction n'était pas suffisante :Dellingr était entré dans une vrille incontrôlée. Ondulant comme un ballon de football mal lancé, Dellingr tournait plus de trois fois plus vite que son système de contrôle d'orientation ne pouvait le gérer.

Au cours des deux prochains mois, l'équipe a travaillé sur des solutions logicielles pour contrôler la vitesse de rotation de Dellingr sans utiliser les roues de réaction. La technique sur laquelle ils se sont installés reposait sur le fait que les aimants veulent être alignés. La Terre est un aimant géant, et Dellingr contenait trois électro-aimants qui pouvaient être allumés et éteints par le vaisseau spatial. En utilisant les magnétomètres de Dellingr comme outil d'orientation pour détecter les champs magnétiques de la Terre, et chronométrer soigneusement lorsque chaque aimant embarqué a été allumé, le vaisseau spatial pourrait profiter de la physique pour ralentir sa rotation, aligner le vaisseau spatial avec sa direction de mouvement.

19 – 20 mai, 2018 :Dellingr est de retour sur la bonne voie

Après le téléchargement et l'exécution de la troisième implémentation de l'algorithme de désorientation, le vaisseau spatial s'était stabilisé. Dellingr était entré dans une vrille contrôlée très lente, roulant comme une roue sur son orbite. L'instrument INMS a maintenant tourné vers l'avant avec un cadence prévisible.

25 mai, 2018 :l'INMS est de retour

Avec le vaisseau spatial dans une rotation contrôlée, les données INMS sont passées d'un gâchis bruyant à clair, vagues périodiques de données. Après avoir pris en compte la rotation de l'engin spatial, les résultats étaient étonnamment propres, montrant la détection d'hydrogène ionisé (H+), l'hélium (He+) et l'oxygène (O+) dans l'atmosphère.

1 juin, 2018 :Viser les neutres

Les données valides de l'instrument INMS - en mode ionique - continuent d'affluer. Mode neutre, ce qui est un peu plus compliqué, est toujours hors ligne, mais fait l'objet des efforts actuels.

5 octobre 2018 :Retrouver le soleil

Avec un gros téléchargement de logiciel, ce qui a pris plusieurs semaines à cause des limitations de la radio CubeSat, l'équipe a retrouvé le contrôle total des roues de réaction, permettant à Dellingr de conserver son orientation par rapport au soleil. Les panneaux solaires peuvent désormais se charger pour une production d'énergie maximale alors que Dellingr tourne lentement autour de cet axe, la collecte de données. Près d'un an après le déploiement, et après avoir surmonté une série de problèmes inattendus, l'équipe avait restauré une grande partie des fonctionnalités de Dellingr. Le travail sur le mode neutre de l'instrument INMS se poursuit.

Dellingr témoigne déjà des défis uniques associés à l'emballage de la grande science dans une petite boîte. Le maintenir en vie et fonctionner aussi longtemps était un objectif important - une durée de vie de mission standard pour CubeSats n'a pas été validée, et la mission de Dellingr peut aider à établir une référence. L'équipe a réalisé avec succès une mission de vaisseau spatial résilient, tout en conservant l'aspect low-cost qui est la marque de fabrique de CubeSats. La valeur de la mission s'étend à d'autres :des articles sont déjà publiés décrivant les meilleures pratiques apprises de la mission, et ces leçons apprises ont contribué au succès des propositions de trois nouvelles missions Goddard CubeSat :petitSat, GTOSat et BurstCube.

Le spectacle n'est pas terminé, continuez à regarder le ciel pour suivre l'histoire de ce petit CubeSat qui pourrait le faire.