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RIME導入の謎を解く

2023-07-07 21:52:52 | 木星系
氷の為か極低温による収縮による固着かはっきり書いてないけど、探査機をローストチキンの様にゆっくり回転させて全体的に温めてからのショック療法。氷衛星の表面近くの構造を解明する観測機器が生き返ってよかった。以下、機械翻訳。
RIME導入の謎を解く
2023年7月6日
ESA/科学と探検/宇宙科学/ジュース
ESA のジュース ミッションの RIME アンテナが打ち上げから数日後に展開に失敗したとき、エンジニアリング チームは障害を理解して修正するという大きな課題に直面しました。危機に瀕していたのは、木星の神秘的な氷の衛星の内部を見るチャンスだった。

探査機が地上を離れる前から、賭けはすでに高かった。ESA の木星氷衛星探査機 (ジュース) は、木星系とそのファミリーの氷衛星の前例のない調査を行うためにエアバスによって設計されました。

その調査の鍵となるのは、ジュースの 10 種類の科学機器からなる包括的なスイートの一部である氷衛星探査レーダー (RIME) アンテナです。木星系に入ると、RIME は木星の氷の衛星の表面下を遠隔から調査するために使用されます。そのレーダー信号は衛星の深さ 9 km まで到達し、直径 50 ~ 140 m の詳細を明らかにします。これにより、地質学に関する洞察が得られ、これらの遠く離れた氷の衛星の居住可能性を理解するための独自のデータが得られます。

しかし、このデータの収集に成功するには、科学者たちはまず探査機とその観測機器を宇宙に運ぶ必要があり、それはハードウェアの一部を折りたたむことを意味しました。


ジュースの RIME アンテナ、折りたたんで展開準備完了
ジュースの RIME アンテナ、折りたたんで展開準備完了
長さ 16 メートルの RIME アンテナは長すぎて、ジュースを宇宙に打ち上げたアリアン 5 ロケットのノーズ コーンの中に収まりませんでした。したがって、それぞれ 4 つのセグメントからなる 2 つのブームで構築されました。これら 8 つのセグメントのうち、3 つは探査機の片側に展開され、3 つは反対側に展開され、2 つは探査機に固定されたままになります。打ち上げ時には、3 つの展開可能なセグメントが固定セグメント上に折り返され、2 つのブラケットで所定の位置に保持されました。

宇宙に到達すると、非爆発性アクチュエータ(NEA)と呼ばれる装置が、ドイツのダルムシュタットにある欧州宇宙運用センター(ESOC)から次々と遠隔操作で起動される。各 NEA はブラケットから保持ピンを取り外し、その部分が所定の位置にバネで収まるようにします。

そしてそこから問題が始まりました。

ESAの上級機構エンジニアでジュースチームの一員であるロナン・ル・レティ氏は、RIME配備中にESOCにいて、探査機のさまざまな搭載センサーから遠隔測定を受信し、ジュースコマンドを送信していた飛行制御チームにアドバイスを与えました。

この手続きは打ち上げから3日後の2023年4月17日に始まり、その時点まではすべてが順調に進んでいた。

この傾向を継続し、最初のステップは問題なく完了しました。RIME の展開を追跡するために、探査機に搭載された 2 台の監視カメラが使用されました。ダウンロードによると、アンテナ セグメントは 1 つの画像では表示されていましたが、次の画像では表示されませんでした。画像の間に、NEA が発射され、ピンが解放され、アンテナ セグメントが所定の位置にカチッとはまりました。外部カメラの画像をチェックすると、セグメントが所定の位置にあることが示され、テレメトリ データもこれを確認しました。それは、探査機がブームの突然の展開から予想どおりに振動していること、および姿勢軌道制御システム (AOCS) がこれらの動きの最後の部分を修正していることを示しました。


12:26 から 13:30 の間に最初のアンテナ セグメントの展開に成功
12:26 から 13:30 の間に最初のアンテナ セグメントの展開に成功
満足したチームは第 2 セグメントに進みました。

アクチュエーターを点火するコマンドが与えられました。テレメトリーは画像の前に到着しましたが、何かが間違っていました。期待された発振は見られませんでした。数秒後、カメラの画像が戻ってきました。ブーム部分は収納された状態でもはっきりと見えました。デプロイメントは失敗しました。

「あなたは信じられない状態を経験します」とローナンは言います。「最も望ましくない状況が起こっています。私たちはその写真を2回、3回、4回確認しました。再度アクチュエーターを作動させようとしましたが、何も起こりませんでした。」

フランスのトゥールーズにあるエアバス・ディフェンス・アンド・スペース社のチームも、職業上の信じられない様子で見守っていた。2015年に探査機の元請け業者として選ばれた彼らは、探査機の設計、建設、テストを主導し、必要に応じてコンポーネント、システム、機器を供給するために他の企業を導入する責任を負いました。

「何が起こったのかを早急に理解して、回避策を見つけなければならないことはわかっていました」とエアバスのジュース担当チーフエンジニア、フレデリック・フェイ氏は言う。


翌朝、信じられない気持ちが頭から消え、チームはオンライン会議に集まり、洞察を共有し、異常について話し合った。一方では、彼らはスタックしたセグメントを解放する何らかの方法を見つけなければならないことを知っていましたが、他方では、他のセグメント、さらには探査機の残りの部分の展開を危険にさらすようなことはできないことも知っていました。

チームが最初に考えたのは、セグメントを所定の位置に保持しているピンに氷が形成されたのではないかということでした。探査機が地球を離れるたびに、寒くて空気のない環境に置かれます。この突然の劇的な気圧の低下は、航空機の製造に使用されている材料から少量の水蒸気が突然逃げることを意味します。これが探査機の信じられないほど冷たい表面で凍結する可能性があります。

RIMEの近くの探査機にはヒーターがないため、氷を取り除くには、アンテナが太陽に向くように探査機を回転させる必要があります。しかし、RIMEを搭載した探査機の表面は「コールドフェイス」になるように設計されており、打ち上げ直後に直射日光にさらされることは決して想定されていなかった。それに接続されているコンポーネント、機器、システムも同様でした。

数日間の研究の後、チームは表面が照らされるように探査機を徐々に旋回させ始めた。ESOC の宇宙船運用マネージャー、アンジェラ ディーツ氏は、「RIME ブラケットを照らすために、2 週間で 8 回の旋回を行いました」と述べています。表面を長時間露出するたびに、搭載センサーからの遠隔測定を注意深く観察して、この操作の限界を理解しました。当初、この演習はわずか 25 分間続きました。最終的には、一度に 73 分間表面を露出することに満足しました。
同時に、他の可能な回復シナリオも検討されていました。

RIMEを閉じているのが氷ではなく、ピンが単に固着しているだけであれば、おそらく探査機を揺することで揺動して緩むだろうが、「揺さぶる」という言葉は実際の動きを説明するには極端すぎるが。

探査機の重さは6トンで、搭載されたスラスターは非常にゆっくりと前後に動かすことしかできません。それでも、チームは試す価値があると感じました。固着したピンはおそらく 1 ~ 2 ミリメートル動かすだけで済みますが、チームは注意する必要がありました。彼らは探査機の激しい衝撃によって他のものを傷つける危険を冒すことができませんでした。そこで、チームは暖房の場合と同様に、この操作を慎重にテストし始めました。


ジュースが詰まっているのに蠢く RIME アンテナ
ジュースが詰まっているのに蠢く RIME アンテナ
「私たちはスラスターの点火を数回行い、メインエンジンを使用し、多くの場合加熱スルーと連動させました。積み重ねられたブームを振り払おうとして、スラスターが特定のシーケンスで発射されたこともありましたが、ブラケット内で小さな動きしか確認できませんでした」とアンジェラ氏は言います。

そこでチームは別のアイデアに移りました。

アンテナの製造元であるドイツのスペーステック社も復旧計画を提案した。実質的には、何事もなかったかのようにアンテナの他の 4 つのセクションを展開し続けることになります。彼らは、NEA が動作するたびに、アンテナの残りの部分に小さな機械的衝撃が生じ、固着したピンが外れる可能性があることを知っていました。

その後、メーカーは画期的な進歩を遂げました。スペーステックのエンジニアは、テストに使用されたアンテナの模型を使って異常を再現することに成功し、通常、最も近いNEAの発射により固着したピンをなんとか取り除くことができることを確認した。また、成功の可能性を高めるには、アンテナを太陽光にさらして加熱する必要があることも確認されました。

これは、工学モデルは宇宙の低温で十分にテストされていたが、実際の飛行モデルはテストされていなかったためです。研究チームは、NEA のリリースが失敗した際に遭遇した極寒の状況が要因である可能性があるため、アンテナを将来のすべての作動の前に太陽で温めて、可能な限り「室温」に近づける必要があると結論付けました。それが機能することを知っていました。

観測機器を回復する方法についていくつかのアイデアを持ち、チームは今後の方向性を決定するために直接会うことにしました。SpaceTech で開催された技術ワークショップで、チームは最初に暖房を試すことにしました。それがうまくいかない場合は、まず太陽光で暖めてから他のNEAの動作を進めることになる。「計画を策定し、すべてのチームがそれに向かって取り組めるようにするこの演習は、本当に有益でした」とロナンは言います。

異常事態が発生してから数週間が経過し、プレッシャーが高まっていました。このミッションには守るべきスケジュールがあり、RIME と同じくらい重要ですが、それは探査機上の 1 つの機器にすぎませんでした。「私にとって、これは復旧作業中に最も複雑なことでした」とエアバスの技術当局チームのギョーム・シャンボン氏は言います。ギョーム氏はエアバス側の回復の管理を担当することになった。「誰もがあなたが進歩することを期待しているので、十分に迅速に行動する必要がありますが、自分が提案していることのあらゆる副作用を考慮するのに十分な時間を取る必要があります」と彼は言います。

ある日の午後、救出の試みを熟考しているとき、ギヨームは確かに潜在的な問題に気づきました。名目上の展開手順を進めた場合、アンテナの 2 つのセグメントが衝突する可能性があります。

RIME アンテナは、探査機の両側に 3 つずつ、合計 6 つの展開セグメントで構成されていることを思い出してください。名目上の配備シナリオでは、NEA は最初にアンテナの片側で発射され、次に反対側で発射されます。しかし、今これを実行して、固着部分が解放された場合、アンテナの両側が反対方向に一緒に展開し、衝突する可能性があります。

そこでチームは展開順序を変更することに同意し、復旧の試みが始まりました。まず、探査機は氷を取り除くために加熱されましたが、アンテナは固定されたままでした。

そのため、アンテナを回復する唯一の可能性は、アンテナを再度加熱し、他の NEA からの衝撃でピンの詰まりが解消されることを期待して展開を続行することであることが明らかになりました。彼らの分析では、これが成功の可能性が最も高いことが示されましたが、各 NEA は 1 回しか発射できませんでした。言い換えれば、それはオール・オア・ナッシングだった。

チームがそれぞれのコンソールに集まり、この最後の試みを開始したのは、5月 12日の午後 2時頃でした。コマンドが送信され、チームは成功を示す振動のヒントがないかテレメトリを監視しました。それは探査機上の動きでした。しかし、それは正しい動きだったのでしょうか?固着した部分を取り除いたのだろうか?


アンテナの固着部分がついに展開
カメラがダウンロードされると、その画像には彼らが知る必要のあるすべてが表示されました。

完全に成功です。展開されるべきアンテナの 3 つのセグメントが展開されました。「運用チームでは、私たちは密かに自信を持っていました」とアンジェラは言います。

しかし、仕事はまだ終わっていませんでした。彼らは完全な展開手順の途中までしか進んでいませんでした。RIME が最終的な運用形態になる前に、第 2 ブームを展開するためにもう 1 つの NEA を発射する必要がありました。そしてむしろ、チームの一部が感じていたプレッシャーは以前よりもさらに大きかった。なぜなら、チームはピンが詰まる可能性があることを知っていたからである。そして、ピンが 1 つだけ残ったので、それがすべての中で最も重要でした。

前のセグメントのいずれかが詰まった場合、チームは次のセグメントを順番に発射し、元のスタックしたセグメントで起こったように、衝撃によって仕事が完了することを期待できたでしょう。しかし今や、発砲すべきNEAはもう存在しなかった。ゴール直前でピンが詰まったら負ける可能性もあった。

エアバス社のジュースプロジェクトマネージャーであるシリル・カベル氏が、自分たちを頼りにしている科学者たちのことを考えていることに気づいたのはこの時だった。何十年もアンテナの開発に取り組んでいた人もいます。「RIMEはこれらの人々に産業を提供するものでした。このアンテナがなければ、レーダー実験は大幅に縮小されるか、あるいは機能しなくなってしまうでしょう。それはただの恥ではありません」と彼は言う。

実際、これらの魅惑的な衛星の氷の表面の下に何があったのかを真に知る機会は、現世代の惑星科学者にとって大幅に減少するか、さらには失われる可能性があります。

「たとえRIMEが10台のうちの1台であったとしても、アンテナを完全に開くことができなければミッションの科学的性能が低下し、その瞬間まで外界に対するジュースとESAの優れたイメージが損なわれることになることはわかっていました。 」とESAのジュースプロジェクトマネージャーのジュゼッペ・サッリ氏は語ります。

その結果、チームは最後の予防策を講じました。この時点で、最終ブラケットはその日の最大許容時間である 73 分間、太陽光にさらされていた。その結果、その温度はドイツの研究所でテストされた周囲温度よりも高かった。その研究室の状況をできるだけ忠実に再現するために、研究チームは探査機を回転させてアンテナを太陽から遠ざけ、温度が下がるまで 3 ~ 4 時間待つことにしました。
「あの 3 ~ 4 時間はとても長かったです」とフレデリックは言います。
待機の終わりに条件が整うと、コマンドが送信されました。


ジュースのRIMEアンテナが完全に展開
NEA が作動し、最後のセグメントが展開するにつれてジュースが振動していることがテレメトリーで示され、AOCS が割り込んで探査機を安定させました。最後に、カメラがチームの勝利を確認し、RIME は完全に展開された構成になりました。

ロナンにとって、事態の展開を見たときの安堵感は、慣れ親しんだ不信感を伴っていた。「それは事件の最初の日と少し似ていました。4週間にわたる多大なプレッシャーが突然なくなってしまったので、信じられないという気持ちがありました。写真を見ても全く信じられませんでした」と彼は言う。

「最終的に RIME がリリースされたとき、同僚の目には涙が浮かんできました」とジュゼッペ氏は言い、さらに付け加えました。「しかし、私たちは最初から前向きで、シャンパンはすでに冷蔵庫にありました…」


別の機器 RPWI の導入成功を祝うジュース ミッションのオペレーター
ビールを飲み、チームが適切に休んだ後、ESOC の飛行管制官は宇宙船に必要な他の展開に移り、現在はすべてが正常に完了しています。そして、ESA、エアバス、スペーステックの RIME 異常チームは、将来同様のシステムでこの異常を回避できるように、元の原因の理解をまとめているところです。
そして、ジュースのミッション自体も再び完全な成功への道を歩み始めています。


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