A sfrecciare nel cielo a 250 miglia di altezza c'è un fascio di rilevatori ed elettronica delle dimensioni di una scatola da scarpe chiamato Dellingr. L'omonimo del mitologico dio nordico dell'alba, Dellingr fa parte di una nuova generazione di veicoli spaziali nota come CubeSat. Questi piccoli satelliti, misurato in unità standardizzate di 10 x 10 x 10 centimetri cubi, pesare non più di qualche chilo, rassomigliando poco al più grande, veicoli spaziali delle dimensioni di un furgone come il telescopio Hubble per il quale è nota la NASA. Ma SmallSats, che comprendono un'ampia gamma di dimensioni, compresi CubeSats, sono uno strumento sempre più prezioso nell'arsenale dello scienziato spaziale.

Ma i CubeSat sono ancora agli inizi, con percentuali di successo delle missioni che si aggirano intorno al 50 percento. Così, un team di scienziati e ingegneri del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, partire per una ricerca. Il loro obiettivo? Per costruire un CubeSat più resistente, in grado di gestire gli inevitabili incidenti di volo che tormentano qualsiasi astronave, senza andare kaput. Volevano un piccolo CubeSat che potesse farlo.

Per loro era un territorio inesplorato, un esercizio di ingegneria per eccellenza. Il team era abituato a costruire grandi astronavi, con gli strati di processo, analisi e test che li rendono affidabili. Passare a CubeSats richiederebbe un adattamento o in alcuni casi la creazione di nuovi processi e approcci, modificare le strutture organizzative, il tutto lavorando velocemente e con un budget limitato. Ma era un esperimento che valeva la pena provare, poiché le lezioni che sicuramente avrebbero appreso avrebbero giovato all'intera comunità CubeSat. Hanno iniziato a lavorare nel 2014 e, dopo tre anni di sviluppo, Dellingr era pronto a spiccare il volo.

Nel momento in cui scriviamo Dellingr sta volando sopra la testa, trasmettere preziosi dati scientifici e ingegneristici e risolverne i nodi finali. Ma il viaggio di Dellingr è stato tutt'altro che agevole:la storia del suo lancio, le complicazioni successive e le correzioni riuscite sono una classica storia della NASA di perseveranza e ingegnosità.

Sequenza temporale

14 agosto 2017:lancio

Dellingr è stato lanciato a bordo di un razzo Space-X Falcon 9 nella missione CRS-12 della NASA per rifornire la Stazione Spaziale Internazionale. Rimase come carico per i successivi tre mesi fino al dispiegamento.

20 novembre 2017:Dispiegamento dall'ISS

Subito dopo mezzogiorno EST, il team di Dellingr ha guardato un live streaming dalla Stazione Spaziale Internazionale e ha esultato quando Dellingr è stato rilasciato dal deployer NanoRacks.

20 novembre 2017:Secondi dopo

Mentre Dellingr è fuggito dalla ISS, l'eccitazione del team si è immediatamente trasformata in angoscia quando hanno notato piccole appendici che sporgevano dalla navicella. Un magnetometro, progettato per misurare i campi magnetici della Terra, e già spuntava un'antenna, nonostante sia stato programmato per un periodo di ritardo di 30 minuti dopo l'attivazione. C'era qualcosa di sbagliato.

Le indagini hanno rivelato che il veicolo spaziale si era acceso accidentalmente durante la preparazione per il dispiegamento, attivando il magnetometro e l'antenna mentre si è ancora all'interno del dispiegatore e scaricando la potenza della navicella. Dellingr era stato espulso nello spazio con la batteria scarica.

Fortunatamente, come la maggior parte dei CubeSat, Dellingr non dipende dalla propulsione per rimanere in orbita. Sebbene "morto" nell'aria, il piccolo satellite ruzzolò nello spazio finché i suoi pannelli solari (che coprono ogni superficie della navicella) non ricaricarono sufficientemente la batteria. Otto ore dopo, Dellingr ha effettuato il suo primo passaggio sulla sua stazione di terra presso il Wallops Flight Facility della NASA nell'isola di Wallops, Virginia. I dati della navicella indicavano che era perfettamente funzionante, aveva automaticamente indicato il sole, e aveva una carica della batteria sana. Nonostante il dispiegamento anomalo, altrimenti la navicella ha funzionato perfettamente come progettato.

21 – 30 novembre, 2017:Degassamento

Oltre a due magnetometri progettati per misurare i campi magnetici della Terra, Dellingr porta uno strumento chiamato spettrometro di massa a ioni neutri, o INMS, che misura sia gli ioni che le particelle neutre nell'atmosfera. Lo strumento INMS non era mai stato completamente convalidato nello spazio. Mostrare cosa poteva fare era uno degli obiettivi principali della missione. Però, prima che potesse essere acceso, L'INMS aveva bisogno di completare il processo di degassamento, consentendo ai residui nocivi dell'atmosfera terrestre di evaporare dalla navicella. Niente da fare se non aspettare.

30 novembre 2017:Perdere il sole

Dellingr determina il suo orientamento in parte trovando il sole e tracciando la sua posizione mentre orbita attorno alla Terra. Entro il 30 novembre il team aveva notato che Dellingr non stava tenendo il sole e sembrava che si stesse agitando nello spazio. Il sistema di controllo dell'orientamento della navicella ha fatto girare le ruote di reazione, che girano per inclinare la navicella in un modo o nell'altro, mentre tentava di correggere la rotta.

Ma giù a terra, qualcosa non sembrava giusto. Dellingr ha due puntatori solari:uno su misura, uno di alta precisione, e uno acquistato commercialmente e testato in volo (anche se a risoluzione inferiore). Solo il puntatore solare personalizzato restituiva dati dall'aspetto selvaggio. La navicella non traballava:il puntatore solare personalizzato non funzionava.

Gli ingegneri di Dellingr hanno caricato il codice di correzione rapida per portarlo offline fino a quando non sono riusciti a capire il problema alla radice. Ma prima che potessero farlo, è sorto un problema ancora più grande.

16 dicembre 2017:Perdita del GPS

Meno di un mese in orbita, Il sistema GPS commerciale di Dellingr ha bruscamente ridotto la sua potenza, scese di temperatura e si fermò balbettando. Il sistema GPS era morto.

La perdita del GPS ha significato che il team non è stato in grado di determinare con precisione la posizione di Dellingr e non è stato nemmeno in grado di determinare la sua direzione di movimento, fondamentale per il corretto orientamento dello strumento INMS. INMS funziona come uno spazzaneve, raccogliendo ioni e particelle neutre sull'estremità anteriore del veicolo spaziale mentre vola nello spazio. Senza GPS, non potevano essere sicuri che lo scoop fosse rivolto nella giusta direzione.

Il team ha messo Dellingr in modalità operativa minima e ha iniziato a lavorare su un piano per continuare senza GPS. Entro metà gennaio, avevano formulato un piano e iniziarono a fare i preparativi per attuarlo. Ma, ancora una volta, è sorto un nuovo problema.

27 gennaio 2018:Il problema del reset

I veicoli spaziali in orbita sono sempre a rischio di quelli che vengono chiamati sconvolgimenti a singolo evento che possono confondere i segnali elettrici del veicolo spaziale, come essere colpiti da un raggio cosmico ad alta velocità o da una particella energetica proveniente dal sole. Per proteggersi dai disturbi del singolo evento, Dellingr è stato progettato per completare una volta al giorno, reset completo del veicolo spaziale per mantenersi fresco; questo reset aveva già protetto la navicella in diverse occasioni. Oltre al ripristino giornaliero, Dellingr si ripristina se vede qualcosa di sbagliato. Anche se un ripristino occasionale non sarebbe motivo di preoccupazione, a metà gennaio, I ripristini di Dellingr hanno iniziato a attivarsi più spesso di quanto avrebbero dovuto. Entro il 27 gennaio Dellingr si ripristinava ogni 63 secondi. Le comunicazioni con la terra divennero impossibili.

28 gennaio – 5 febbraio, 2018:Elaborazione di un piano

Dellingr era in uno stato di paralisi indotta dal reset. Per terra, il team aveva ricondotto il problema di ripristino a una riga di codice in un driver di dispositivo di basso livello che coinvolgeva il protocollo di comunicazione utilizzato per controllare le ruote di reazione, utilizzato per orientare il veicolo spaziale. Avevano bisogno di spegnere le ruote di reazione, ma i continui ripristini hanno impedito loro di completare i comandi per farlo.

La squadra ha escogitato un piano:su un passaggio sopra la stazione di terra di Dellingr al Wallops Flight Facility, avrebbero inviato una serie ripetuta di comandi alla navicella spaziale a un ritmo rapido, inceppando efficacemente il computer in modo che non arrivasse mai abbastanza lontano da ripristinare. Se potessero incepparlo abbastanza a lungo, attiverebbe un ripristino completo della potenza, l'equivalente di scollegare il computer, dando loro il tempo di caricare la soluzione e spegnere le ruote di reazione della navicella. Era un colpo lungo, ma ancora la loro migliore scommessa.

6 febbraio 2018:Ritorno al lavoro

Su un passaggio su Wallops il 6 febbraio, la squadra ha provato il trucco, e hanno aspettato 90 minuti per il passaggio successivo quando potevano controllare i risultati. Poco dopo, hanno ricevuto un'e-mail dall'operatore di terra:"Confermiamo che Dellingr è tornato in attività". Ha funzionato.

Più tardi quel giorno il team ha acceso lo strumento INMS, e sono state raccolte le prime misurazioni scientifiche reali degli ioni nell'atmosfera con il nuovo strumento INMS. Il team Dellingr aveva convalidato la parte ionica dello strumento INMS, raggiungimento di uno dei principali obiettivi della missione.

10 febbraio – 5 marzo, 2018:si riaccendono le ruote

Per risolvere il problema del ripristino, Gli ingegneri di Dellingr avevano spento le ruote di reazione del veicolo spaziale, il suo strumento principale per il riorientamento. Di conseguenza, non poteva rimanere fermo e invece ruotava lentamente per tutta la sua orbita, raccogliere dati solo quando lo strumento INMS ruotava attraverso la parte anteriore dove poteva raccogliere particelle. Dopo qualche tempo, il team si è reso conto che le ruote potevano essere utilizzate in modo minimo, fino a 24 ore alla volta, senza causare il ripristino. Hanno sviluppato un programma per accendere le ruote all'inizio di ogni settimana, regolare l'orientamento, e spegnili per il resto. Ha funzionato per un po.

6 marzo 2018:Il problema della rotazione

Entro il 6 marzo divenne chiaro che l'uso minimo delle ruote di reazione non era sufficiente:Dellingr era entrato in un testacoda incontrollato. Traballante come un pallone da calcio lanciato male, Dellingr girava più di tre volte più velocemente di quanto il suo sistema di controllo dell'orientamento potesse gestire.

Nei prossimi due mesi, il team ha lavorato su soluzioni software per controllare la velocità di rotazione di Dellingr senza utilizzare le ruote di reazione. La tecnica su cui si sono stabiliti si basava sul fatto che i magneti vogliono essere allineati. La Terra è un magnete gigante, e Dellingr contenevano tre elettromagneti che potevano essere accesi e spenti dalla navicella spaziale. Utilizzando i magnetometri di Dellingr come strumento di orientamento per rilevare i campi magnetici della Terra, e cronometrare attentamente quando ogni magnete di bordo è stato acceso, la navicella potrebbe sfruttare la fisica per rallentare la sua rotazione, allineare il veicolo spaziale con la sua direzione di movimento.

19 – 20 maggio, 2018:Dellingr è tornato in pista

Dopo che la terza implementazione dell'algoritmo di de-spinning è stata caricata ed eseguita, la navicella si era stabilizzata. Dellingr era entrato in una rotazione controllata molto lenta, rotolando come una ruota lungo la sua orbita. Lo strumento INMS ora ruotato in avanti con un regolare, cadenza prevedibile.

25 maggio 2018:torna l'INMS

Con la navicella in una rotazione controllata, i dati INMS sono passati da un caos rumoroso a chiari, ondate periodiche di dati. Dopo aver preso in considerazione la rotazione del veicolo spaziale, i risultati sono stati sorprendentemente puliti, mostrando la rilevazione di idrogeno ionizzato (H+), elio (He+) e ossigeno (O+) nell'atmosfera.

1 giugno 2018:Puntare ai neutrali

I dati validi dallo strumento INMS, in modalità ionica, continuano a essere trasmessi. Modalità neutra, che è leggermente più complicato, è ancora offline ma è al centro degli sforzi attuali.

5 ottobre 2018:Ritrovare il sole

Con un caricamento software di grandi dimensioni, che ha richiesto diverse settimane a causa delle limitazioni con la radio CubeSat, il team ha ripristinato il pieno controllo delle ruote di reazione, permettendo a Dellingr di mantenere il suo orientamento rispetto al sole. I pannelli solari ora possono caricare per la massima generazione di energia mentre Dellingr ruota lentamente attorno a quell'asse, raccolta dati. Quasi un anno dopo la distribuzione, e dopo aver superato una serie di problemi imprevisti, il team aveva ripristinato gran parte delle funzionalità di Dellingr. Il lavoro sulla modalità neutra dello strumento INMS continua.

Dellingr è già una testimonianza delle sfide uniche associate al confezionamento di una grande scienza in una piccola scatola. Mantenerlo vivo e funzionante per così tanto tempo è stato un obiettivo importante:una durata di missione standard per CubeSats non è stata convalidata, e la missione di Dellingr può aiutare a stabilire un punto di riferimento. Il team ha raggiunto con successo una missione spaziale resiliente, pur mantenendo l'aspetto a basso costo che è il segno distintivo di CubeSats. Il valore della missione si estende ad altri:sono già in corso di pubblicazione documenti che delineano le migliori pratiche apprese dalla missione, e queste lezioni apprese hanno contribuito alle proposte di successo di tre nuove missioni Goddard CubeSat:petitSat, GTOSat e BurstCube.

Lo spettacolo non è finito:continua a guardare i cieli per seguire la storia di questo piccolo CubeSat che potrebbe farlo.