En bunt i skokartongstorlek med detektorer och elektronik som heter Dellingr smyger sig genom himlen 250 miles upp. Namnebror till den mytologiska nordiska guden av gryningen, Dellingr är bland en ny typ av rymdfarkoster känd som en CubeSat. Dessa små satelliter, mätt i standardiserade 10 x 10 x 10 kubikcentimeter enheter, väger inte mer än några pund – och liknar inte den större, rymdfarkoster i skåpbilsstorlek som Hubble-teleskopet som NASA är känt för. Men SmallSats – som omfattar ett brett utbud av storlekar, inklusive CubeSats – är ett allt mer värdefullt verktyg i rymdforskarnas arsenal.

Men CubeSats är fortfarande i sin linda, med framgångsfrekvenser för uppdrag som svävar nära 50 procent. Så, ett team av forskare och ingenjörer vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, ge sig ut på ett uppdrag. Deras mål? Att bygga en mer motståndskraftig CubeSat – en som skulle kunna hantera de oundvikliga missöden under flygningen som fördärvar alla rymdfarkoster, utan att gå kaput. De ville ha en liten CubeSat som kunde.

Det var okänt territorium för dem – en ingenjörsövning par excellence. Teamet var vant vid att bygga stora rymdfarkoster, med processens lager, analys och testning som gör dem tillförlitliga. Att byta till CubeSats skulle kräva anpassning eller i vissa fall skapa nya processer och tillvägagångssätt, ändra organisationsstrukturer, allt samtidigt som du arbetar snabbt och med en begränsad budget. Men det var ett experiment värt att testa, eftersom de lärdomar som de säkert skulle dra skulle gynna hela CubeSat-communityt. De började jobba 2014 och efter tre års utveckling, Dellingr var redo att ta flyget.

När detta skrivs flyger Dellingr över huvudet, överföra värdefulla vetenskaps- och ingenjörsdata och utarbeta dess sista knäck. Men Dellingrs resa har varit långt ifrån smidig:historien om lanseringen, efterföljande komplikationer och framgångsrika korrigeringar är en klassisk NASA-berättelse om uthållighet och uppfinningsrikedom.

Tidslinje

14 augusti, 2017:Lansering

Dellingr sköt ombord på en Space-X Falcon 9-raket på NASA:s CRS-12-uppdrag för att försörja den internationella rymdstationen. Den satt som last under de kommande tre månaderna fram till utplaceringen.

20 november, 2017:Utplacering från ISS

Strax efter lunchtid EST, Dellingr-teamet tittade på en livestream från den internationella rymdstationen och jublade när Dellingr släpptes från NanoRacks deployer.

20 november, 2017:Sekunder senare

När Dellingr flydde ISS, teamets spänning förvandlades omedelbart till nöd när de märkte små bihang som stack ut från rymdfarkosten. En magnetometer, designad för att mäta jordens magnetfält, och en antenn stack redan ut, trots att den har programmerats för en 30-minuters fördröjningsperiod efter driftsättning. Någonting var fel.

Undersökningar visade att rymdfarkosten av misstag hade startat under förberedelserna för utplacering, triggar magnetometern och antennen medan den fortfarande är inne i utlösaren - och drar ner rymdfarkostens kraft. Dellingr hade kastats ut i rymden med ett dött batteri.

Lyckligtvis, som de flesta CubeSats, Dellingr är inte beroende av framdrivning för att hålla sig i omloppsbana. Även om "död" i luften, den lilla satelliten tumlade genom rymden tills dess solpaneler (som täcker varje yta av rymdfarkosten) laddade batteriet tillräckligt. Åtta timmar senare, Dellingr gjorde sin första passage över sin markstation vid NASA:s Wallops Flight Facility på Wallops Island, Virginia. Data från rymdfarkosten indikerade att den var fullt fungerande, hade automatiskt pekat mot solen, och hade en sund batteriladdning. Trots den onormala utplaceringen, rymdskeppet fungerade annars perfekt som designat.

21–30 november, 2017:Avgasning

Förutom två magnetometrar utformade för att mäta jordens magnetfält, Dellingr bär ett instrument som kallas jonneutral masspektrometer, eller INMS, som mäter både joner och neutrala partiklar i atmosfären. INMS-instrumentet hade aldrig blivit helt validerat i rymden. Att visa upp vad det kunde göra var ett viktigt mål med uppdraget. Dock, innan den kunde slås på, INMS behövde för att slutföra avgasningsprocessen – vilket gör att skadliga rester från jordens atmosfär kan avdunsta från rymdfarkosten. Inget annat att göra än att vänta.

30 november, 2017:Losing the sun

Dellingr bestämmer dess orientering delvis genom att hitta solen och spåra dess position när den kretsar runt jorden. Senast den 30 november, teamet hade märkt att Dellingr inte höll fast vid solen och verkade fiffla runt i rymden. Rymdfarkostens orienteringskontrollsystem vred sina reaktionshjul – som snurrar för att luta rymdskeppet på ett eller annat sätt – när det försökte korrigera kursen.

Men nere på marken, något såg inte rätt ut. Dellingr har två solpekare:en specialbyggd, hög precision, och en kommersiellt köpt och flygtestad (om än lägre upplösning). Endast den anpassade solpekaren returnerade vild utseende data. Rymdfarkosten vinglade inte – den anpassade solpekaren fungerade inte.

Dellingrs ingenjörer laddade upp snabbkorrigeringskod för att ta den offline tills de kunde ta reda på rotproblemet. Men innan de kunde göra det, en ännu större fråga uppstod.

16 december, 2017:Förlust av GPS

Mindre än en månad i omloppsbana, Dellingrs kommersiella GPS-system minskade plötsligt dess kraft, sjönk i temperatur och stammade till stopp. GPS-systemet var dött.

Förlusten av GPS innebar att teamet inte exakt kunde bestämma Dellingrs position – och de kunde inte heller bestämma dess rörelseriktning, avgörande för korrekt orientering av INMS-instrumentet. INMS fungerar som en snöplog, öser upp joner och neutrala partiklar på framsidan av rymdfarkosten när den flyger genom rymden. Utan GPS, de kunde inte vara säkra på att skopan var vänd åt rätt håll.

Teamet satte Dellingr i minimalt driftsläge och började arbeta på en plan för hur man skulle fortsätta utan GPS. I mitten av januari, de hade formulerat en plan och började göra förberedelser för att genomföra den. Men, återigen, ett nytt problem uppstod.

27 januari, 2018:Återställningsproblemet

Rymdfarkoster i omloppsbana är alltid i riskzonen för vad som kallas för enstaka händelser som kan förvränga rymdfarkostens elektriska signaler – som att träffas av en höghastighets kosmisk stråle eller en energisk partikel från solen. För att skydda mot störningar i enstaka händelser, Dellingr designades för att genomföra en gång om dagen, fullständig återställning av rymdskepp för att hålla sig fräsch; denna återställning hade redan skyddat rymdfarkosten vid flera tillfällen. Förutom den dagliga återställningen, Dellingr återställer om det ser något fel. Även om en tillfällig återställning inte skulle vara någon anledning till oro, i mitten av januari, Dellingrs återställningar började utlösas oftare än de borde. Den 27 januari återställde Dellingr var 63:e sekund. Kommunikation med marken blev omöjlig.

28 januari – 5 februari, 2018:Kläcker en plan

Dellingr var i ett tillstånd av återställningsinducerad förlamning. På marken, teamet hade spårat återställningsproblemet till en kodrad i en enhetsdrivrutin på låg nivå som involverade kommunikationsprotokollet som användes för att styra reaktionshjulen, används för att orientera rymdfarkosten. De behövde stänga av reaktionshjulen - men de konstanta återställningarna hindrade dem från att slutföra kommandona för att göra det.

Teamet kläckte en plan:På en passage över Dellingrs markstation vid Wallops Flight Facility, de skulle skicka en upprepad serie kommandon till rymdfarkosten i snabb takt, stoppar effektivt datorn så att den aldrig kom tillräckligt långt för att återställas. Om de kunde stoppa den tillräckligt länge, det skulle utlösa en full strömåterställning – motsvarande att koppla ur datorn – och ge dem tid att ladda upp lösningen och stänga av rymdfarkostens reaktionshjul. Det var ett långskott, men fortfarande deras bästa insats.

6 februari, 2018:Tillbaka till verksamheten

På ett pass över Wallops den 6 februari, laget försökte tricket, och väntade 90 minuter på nästa pass när de kunde kontrollera resultatet. Kort efter, de fick ett e-postmeddelande från markoperatören:"Vi bekräftar att Dellingr återgår till verksamheten." Det fungerade.

Senare samma dag slog teamet på INMS-instrumentet, och de första riktiga vetenskapliga mätningarna av joner i atmosfären med det nya INMS-instrumentet samlades in. Dellingr-teamet hade validerat jondelen av INMS-instrumentet, att uppnå ett av de viktigaste uppdragsmålen.

10 februari – 5 mars, 2018:Sätt tillbaka hjulen

För att lösa återställningsproblemet, Dellingrs ingenjörer hade stängt av rymdfarkostens reaktionshjul - dess primära verktyg för omorientering. Som ett resultat, den kunde inte förbli stadig utan snurrade istället långsamt genom sin bana, samla in data endast när INMS-instrumentet roterade genom fronten där det kunde ösa upp partiklar. Efter en tid, teamet insåg att hjulen kunde användas minimalt – upp till 24 timmar åt gången – utan att orsaka återställningar. De utvecklade ett schema för att sätta på hjulen i början av varje vecka, justera orienteringen, och stäng av dem för resten. Det fungerade - ett tag.

6 mars, 2018:Spinnproblemet

Senast den 6 mars, det blev tydligt att minimal användning av reaktionshjulen inte räckte:Dellingr hade gått in i ett okontrollerat spinn. Vacklar som en illa kastad fotboll, Dellingr snurrade mer än tre gånger snabbare än dess orienteringskontrollsystem kunde hantera.

Under de kommande två månaderna, teamet arbetade på mjukvarulösningar för att kontrollera hastigheten på Dellingrs snurr utan att använda reaktionshjulen. Tekniken de slog sig på byggde på det faktum att magneter vill justeras. Jorden är en jättemagnet, och Dellingr innehöll tre elektromagneter som kunde slås på och av av rymdfarkosten. Genom att använda Dellingrs magnetometrar som ett orienteringsverktyg för att känna av jordens magnetfält, och noggrant tajma när varje magnet ombord slogs på, rymdfarkosten kunde dra fördel av fysiken för att sakta ner sin spin, anpassa rymdfarkosten med dess rörelseriktning.

19–20 maj, 2018:Dellingr är tillbaka på rätt spår

Efter att den tredje implementeringen av de-spinningsalgoritmen laddades upp och kördes, rymdfarkosten hade stabiliserats. Dellingr hade gått in i en mycket långsam kontrollerad snurr, rullar som ett hjul längs sin bana. INMS-instrumentet roterade nu framåt med en vanlig, förutsägbar kadens.

25 maj, 2018:INMS är tillbaka

Med rymdfarkosten i en kontrollerad snurr, INMS-data gick från en bullrig röra till att rensa, periodiska vågor av data. Efter att rymdfarkostens rotation beaktades, resultaten var förvånansvärt rena, visar detektion av joniserat väte (H+), helium (He+) och syre (O+) i atmosfären.

1 juni, 2018:Siktar på neutrala

Giltiga data från INMS-instrumentet – i jonläge – fortsätter att strömma in. Neutralt läge, vilket är lite mer komplicerat, är fortfarande offline men är i fokus för nuvarande ansträngningar.

5 oktober, 2018:Hitta solen igen

Med en stor mjukvaruuppladdning, som tog flera veckor på grund av begränsningar med CubeSat-radion, teamet återställde full kontroll över reaktionshjulen, tillåter Dellingr att behålla sin orientering i förhållande till solen. Solpanelerna kan nu ladda för maximal kraftgenerering när Dellingr sakta snurrar runt den axeln, samla in data. Nästan ett år efter utplaceringen, och efter att ha övervunnit ett utslag av oväntade problem, teamet hade återställt mycket av Dellingrs funktionalitet. Arbetet med det neutrala läget för INMS-instrumentet fortsätter.

Dellingr fungerar redan som ett bevis på de unika utmaningar som är förknippade med att packa stor vetenskap i en liten låda. Att hålla den vid liv så här länge var ett viktigt mål – en standarduppdragslivstid för CubeSats har inte validerats, och Dellingrs uppdrag kan hjälpa till att skapa ett riktmärke. Teamet uppnådde framgångsrikt ett motståndskraftigt rymdfarkostuppdrag, samtidigt som den lågkostnadsaspekt som är kännetecknet för CubeSats bibehålls. Värdet av uppdraget sträcker sig till andra:artiklar publiceras redan som beskriver bästa praxis från uppdraget, och dessa lärdomar har bidragit till de framgångsrika förslagen till tre nya Goddard CubeSat-uppdrag:petitSat, GTOSat och BurstCube.

Showen är inte över – fortsätt att titta på himlen för att följa historien om denna lilla CubeSat som kunde.