För ett år sedan imorgon, ett misslyckande på rymdfarkosten Integral innebar att den antagligen avfyrade sina propeller för sista gången. I dagarna sedan, rymdfarkosten i jordens omloppsbana har fortsatt att kasta ljus över det våldsamma gammastråluniversumet, och det borde snart fungera ännu mer effektivt än tidigare, när uppdragskontrollteam implementerar ett genialiskt nytt sätt att kontrollera den 18-åriga rymdfarkosten.

Uppdragskontroll, vi har ett problem

Sommaren 2020, medan Integral Flight Control Team i Tyskland vände sig vid en helt annan arbetsmiljö – att lära sig att flyga sitt uppdrag hemifrån samtidigt som de hanterade osäkerheten som covid-19-pandemin skapade – bestämde sig rymdfarkosten för att kasta en ny nyckel i arbetet.

En dag, Integral gick in i "Safe Mode" - när instrumenten stängs av och en rymdfarkost kör bara sina mest grundläggande funktioner, medan den är vänd mot solen för att säkerställa att den får full kraft - varnar sitt kontrollteam om ett problem. Under säkert lägeskontroll, Integral verkade gå in i en förmörkelse, en normal period av mörker när jorden hamnar mellan rymdfarkosten och solen. Dock, inga förmörkelser var planerade.

"Satelliten hade plötsligt roterat bort från solen, vilket var en mycket oväntad och märklig händelse. Vi hade aldrig sett något liknande förut, " förklarar Richard Southworth, Verksamhetsledare för uppdraget.

"Det stod snart klart att vi hade ett stort problem. Det fanns ett allmänt problem med Integrals framdrivningssystem. Eftersom vi inte kunde lita på dess propeller längre, vi var tvungna att lämna felsäkert läge snabbt, ta över kontrollen över rymdfarkosten med hjälp av dess reaktionshjul och sedan ta reda på vad du ska göra."

Varför thrusters betyder något för ett känsligt uppdrag

Eftersom Integral redan är i omloppsbana, varför behöver vi fortfarande dess propeller? För att bli av med överflödig "vinkelmomentum."

Integral pekar ofta på en enda källa, till exempel ett avlägset svart hål, i många timmar. Under denna tid utsätts den för yttre krafter som får den att rotera, i synnerhet strålningstrycket från solen som verkar på rymdfarkostens enorma 18 meter stora solpaneler.

För att motverka denna solkraft och hålla rymdfarkosten peka mot sitt mål, teamet använder "reaktionshjul" - hjul som lagrar energi när de snurrar, och kan användas för att subtilt styra riktningen en rymdfarkost pekar i utan behov av propeller. Dessa hjul "absorberar" den extra energin från solen, håller Integral på plats och säkerställer att det förblir det känsligaste gammastrålningsobservatoriet som någonsin flugits.

Under ett par dagar, överskottsenergi byggs upp i reaktionshjulen i form av "vinkelmoment" - rotationsmotsvarigheten till en kraft som går i en rät linje, till exempel energin som lagras när du snurrar i en snurrstol.

Varannan till var tredje dag, reaktionshjulen når en maximal hastighet vid vilken punkt de inte kan absorbera mer fart. Kontrollteamet utför sedan en "momentumdumpning, " bli av med överskott av vinkelmoment genom att bromsa svänghjulen. För att förhindra att satelliten roterar i motsatt riktning när hjulen saktar ner, Integrals propeller är (normalt) avfyrade, stoppar det att snurra.

Uppfinner "Z-flip"

Efter dagars oro över uppdragets öde, två teammedlemmar kom på en idé.

"Jag trodde inte att det var möjligt först. Vi kollade med våra flygdynamikkollegor och teorin visade att det skulle fungera. Efter att ha gjort en simulering, vi testade det på rymdfarkosten. Det fungerade, säger Richard lättad.

Genom att använda en specialdesignad sekvens av manövrar, kontrollteamet insåg att de kunde omfördela vinkelmomentet som lagrats ombord på satelliten med hjälp av två olika reaktionshjul som snurrade i motsatta riktningar, får rymdfarkosten att vända.

"Så vid det här laget visste vi att vi kunde kontrollera uppbyggnaden av energi som absorberas från solen, och döpte denna nya manöver till "z-flip". Så vitt jag vet, detta har aldrig gjorts förut. Det var en stor bedrift, men skulle vi kunna fortsätta att göra vetenskap?".

Efter långa och intensiva diskussioner med kollegor på Science Operations Center i ESAC, Madrid, teamet av vetenskapliga uppdragsplanerare kom på en sekvens av objekt för Integral att observera som skulle passa inom dess nya rörelseomfång. Uppdraget var lyckligtvis tillbaka till (något mer begränsade) vetenskapsverksamhet.

Gradvis, de två teamen experimenterade med fler och mer knepiga observationssekvenser, prova olika kombinationer av snurrande hjul och vända rymdfarkosten runt olika nya vinklar. Med dedikerat lagarbete mellan kontrollteamet och vetenskapsoperationsteamet och många andra, Integrals vetenskapliga effektivitet återställdes i september 2020.

En av ESA:s äldsta, de skrymmande uppdragen blir smidigare

För de flesta rymdobservatorier, observationsscheman planeras i god tid. Men då och då händer något oväntat på himlen som supernovaexplosion eller gravitationsvågor, och de måste svara snabbt för att ta en titt på vad som har hänt. Detta gäller särskilt för Integral, eftersom gammastrålningshändelser tenderar att vara kortlivade.

"Tidigare när vi hade ett framdrivningssystem skulle vi planera om, beräkna en ny manöver till det nya föremålet av intresse, avlasta momentum och sedan förbereda vår nya sekvens av manövrar. Vår z-flip-teknik är tyvärr mycket långsammare, " förklarar Richard.

Dock, kontrollteamet har utvecklat en uppdatering av Integrals inbyggda programvara som borde göra vinkelmomentum mindre problem när man pekar – svänger – rymdfarkosten.

"Vi är mycket glada över att tack vare denna geniala 'z-flip'-strategi kan Integral fortsätta att hålla ett öga på högenergihimlen utan problem, säger Erik Kuulkers, Integral projektforskare.

"Och nu ser vi fram emot upptäckter som möjliggörs av det nya svängläget, vilket betyder att denna 18-åriga rymdfarkost borde bli ännu snabbare på att reagera på och observera plötsliga energiska händelser över hela universum än när den lanserades för nästan två decennier sedan."