NASA hält die Mission von Voyager 1 mit einem Austausch blockierter Triebwerke am Leben

• Voyager 1, seit 47 Jahren im Flug, hatte wegen verstopfter Triebwerke zunehmend Schwierigkeiten, die Ausrichtung für die Kommunikation mit der Erde zu halten; NASA stellte daher auf einen anderen Triebwerkssatz um, um die Mission fortzusetzen
• Die Verstopfung ist die Folge von Siliziumdioxid, das sich durch Alterung des Treibstofftanks in den Treibstoffleitungen abgelagert hat; der Durchmesser der Leitungen der Bahnkorrekturtriebwerke verringerte sich von 0,01 Zoll auf 0,0015 Zoll
• Die Sonde verfügt über zwei Sätze für die Lageregelung und einen Satz für Bahnkorrekturen; seit Anzeichen von Verstopfungen in den Jahren 2002 und 2018 werden die nutzbaren Optionen immer weniger
• Wegen Einschränkungen bei Stromversorgung und Temperatur war auch das Umschaltverfahren kompliziert; NASA gewann Zeit zum Aufheizen der benötigten Triebwerke, indem die Haupthizung für etwa eine Stunde abgeschaltet wurde
• Voyager 1 war im August 2012 das erste Raumfahrzeug, das in den interstellaren Raum eintrat, und befindet sich derzeit 15,14 Milliarden Meilen von der Erde entfernt, wo es sich mit 38.000 Meilen pro Stunde bewegt, wodurch der Betrieb immer anspruchsvoller wird

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Triebwerkswechsel bei einem 47 Jahre alten Raumfahrzeug

• Voyager 1 fliegt seit 47 Jahren durch den Weltraum und sammelt Daten von außerhalb des Sonnensystems; durch den Langzeiteinsatz ist die Alterung der Hardware zu einem Schlüsselfaktor für den Erhalt der Mission geworden
• NASA-Ingenieure stellten kürzlich zur Behebung des Triebwerksproblems von dem bisher genutzten Satz auf einen anderen Triebwerkssatz um
• Laut einer Mitteilung der NASA bestehen Verstopfungen nicht nur bei den bisherigen Triebwerken, sondern auch bei den Triebwerken, auf die umgestellt wurde

Verstopfte Treibstoffleitungen und die verbleibenden Optionen

• In den Treibstoffleitungen der Triebwerke hat sich Siliziumdioxid abgelagert; dies ist eine Nebenwirkung der Alterung im Inneren des Treibstofftanks der Sonde
• Voyager 1 nutzt Triebwerke, um zur Erde ausgerichtet zu bleiben und die Kommunikationsverbindung mit der Bodenstation aufrechtzuerhalten
• Das Raumfahrzeug besitzt insgesamt drei Triebwerkssätze
  • 2 Triebwerkssätze für die Lageregelung
  • 1 Triebwerkssatz für Bahnkorrekturmanöver
• In der Frühphase der Mission war die jeweilige Rolle der verschiedenen Triebwerkstypen für Vorbeiflüge an Planeten wichtig; heute folgt die Sonde außerhalb des Sonnensystems jedoch nahezu einer geraden Bahn, sodass es weniger darauf ankommt, welcher Satz verwendet wird

Austauschhistorie bei zunehmenden Verstopfungen

• 2002 stellte das Missionsteam des NASA Jet Propulsion Laboratory fest, dass einige Treibstoffleitungen des Triebwerkssatzes für die Lageregelung zu verstopfen begannen
• Danach wurde auf den zweiten Satz für die Lageregelung umgestellt, doch 2018 zeigten sich auch dort Anzeichen von Verstopfungen
• Anschließend verließen sich die Ingenieure auf den Satz der Bahnkorrekturtriebwerke
• In den vergangenen sechs Jahren waren die Bahnkorrekturtriebwerke stärker verstopft als die beiden anderen Sätze
  • Der ursprüngliche Durchmesser des Eingangs der Treibstoffleitung betrug 0,01 Zoll beziehungsweise 0,25 mm
  • Derzeit ist er auf 0,0015 Zoll beziehungsweise 0,035 mm geschrumpft
  • Das entspricht etwa der Hälfte der Breite eines menschlichen Haares
• Am Ende musste NASA zu einem der beiden Sätze für die Lageregelung zurückkehren

Verfahren unter Strom- und Temperaturbeschränkungen

• Ein früher einfacher Triebwerkswechsel ist bei der heutigen Voyager 1 wegen der gealterten Hardware zu einem deutlich heikleren Verfahren geworden
• Das Kontrollteam hatte einige nicht essenzielle Bordsysteme und Heizungen abgeschaltet, um den Stromverbrauch zu senken
• Das sparte Energie, ließ jedoch die Temperatur des Raumfahrzeugs sinken, und das Einschalten ungenutzter Triebwerke im kalten Zustand hätte das Risiko von Schäden erhöht
• Da die Stromreserven so knapp waren, dass zum Wiedereinschalten nicht essenzieller Heizungen andere Geräte hätten abgeschaltet werden müssen, verschafften sich die Ingenieure Zeit zum Aufheizen der Triebwerke, indem sie die Haupthizung für etwa eine Stunde abschalteten
• Nach diesem Verfahren arbeitete die benötigte Triebwerksverzweigung normal

Eine Mission, die im interstellaren Raum weitergeht

• Die Voyager-Projektmanagerin Suzanne Dodd sagte, dass jede künftige Entscheidung deutlich mehr Analyse und Sorgfalt erfordere als früher
• Voyager 1 wurde 1977 gestartet und trat weniger als einen Monat vor ihrer Zwillingssonde Voyager 2 die Reise ins All an
• Sie nahm eine schnellere Route, verließ zuerst den Asteroidengürtel und passierte Jupiter und Saturn im Vorbeiflug
  • Dabei entdeckte sie die Jupitermonde Thebe und Metis
  • In der Umgebung des Saturn entdeckte sie fünf neue Monde und einen neuen Ring namens G-ring
• Im August 2012 wurde sie zum ersten Raumfahrzeug, das die Grenze des Sonnensystems überschritt und in den interstellaren Raum eintrat
• Voyager 1 ist derzeit 15,14 Milliarden Meilen von der Erde entfernt, also 24,4 Milliarden km
• Ihre aktuelle Geschwindigkeit beträgt 38.000 Meilen pro Stunde beziehungsweise 61.155 km/h
• Anfang dieses Jahres erholte sie sich von einer Kommunikationsstörung, nachdem sie mehrere Monate lang keine für die Bodenstation nutzbaren Daten gesendet hatte
• Die Aufrechterhaltung der Mission wird immer schwieriger, doch NASA setzt den Betrieb von Voyager 1 fort

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich bin immer wieder erstaunt, wie das Voyager-Team so etwas hinbekommt. 1) Dass man bei einer so großen Entfernung und so alter Hardware ein Problem aus der Ferne diagnostizieren kann – besonders frage ich mich, wie sie die Größe der Öffnung in den Triebwerksleitungen messen.
  2) Auch der Prozess, zu entscheiden, welche Maßnahme man ergreift, ist faszinierend. Es gibt ja wohl keine Testhardware vor Ort, an der man experimentieren könnte, und selbst wenn, ließen sich die realen Bedingungen vermutlich nur schwer nachbilden. Eine falsche Entscheidung könnte die Mission beenden, und wenn man Voyager 1 beschädigt, gibt es keinen Ersatz.
  3) Ebenso erstaunlich ist, dass sich Geräte aus den 1970er-Jahren, deren RAM im kB-Bereich lag, so fein steuern und aus der Ferne neu konfigurieren lassen. Beim Design muss es enorme Weitsicht gegeben haben.

  • Die Voyager-Raumsonden wurden auf Basis der Design- und Betriebserfahrungen aus Mariner und Pioneer so konzipiert, dass sie über lange Zeit automatisch betrieben werden können, ohne allzu viele manuelle Eingriffe. Die wichtigsten Systeme sind mehrfach redundant ausgelegt und können aus der Ferne ein- und ausgeschaltet werden.
    Das Programmpersonal wurde zwar im Lauf der Zeit ausgetauscht, aber nicht in einem Maß, das die Fortführung gefährdet hätte. Außerdem war das Programmmanagement geschickt im Umgang mit Medien und politischen Kontakten und konnte so das Betriebsbudget weiter sichern. Das steht im Gegensatz zu Missionen wie Magellan, die trotz verbleibendem Treibstoff aus der Venusumlaufbahn gebracht wurde, wobei einige Regionen unkartiert blieben.
    Soweit ich weiß, gab oder gibt es am JPL ein retiree badge-System, das pensionierten Mitarbeitern weiterhin Zugang zu den Büros ermöglicht. Viele Programme haben enorm von pedantischen Fachleuten profitiert, die praktisch unbezahlt täglich zur Arbeit kamen, und von solchen Menschen zu lernen, war wirklich ein Privileg.
  • Erstaunlich ist, wie viel organisationales Wissen nötig ist, um den Betrieb nach so vielen Jahren aufrechtzuerhalten. Das ist nichts, was man erledigt, indem man neuen Leuten einfach ein paar Handbuchseiten hinwirft.
    Viele Leute dürften inzwischen im Ruhestand sein, und dennoch versteht man die Komplexität des Designs weiterhin. Auch bei den Systemen, die wir heute bauen, sollten wir das verstehen und priorisieren.
  • Es gibt die Doku It's Quieter in the Twilight über das Team, das die Voyager-Mission am Leben hält: https://www.youtube.com/watch?v=8vJT8AW0wYw
  • Zu „Es gibt doch wohl keine lokale Testhardware?“: Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass es einen oder mehrere Simulatoren gibt. In heutiger Sprache wäre das so etwas wie ein digitaler Zwilling.
    Einen davon wird man wohl immer den aktuellen Zustand der Sonde widerspiegeln lassen und regelmäßig mit Zustandsdaten der echten Sonde synchronisieren. Mit anderen Simulatoren kann man Änderungen am Betrieb testen und prüfen, wie das System reagiert.
  • Vor Kurzem haben sie sich auch von einem Problem mit einem defekten RAM-Modul erholt, und die aktuelle Funkverbindung liegt vermutlich sogar unter kbit/s.

• Es heißt: „Die Treibstoffleitungen in den Triebwerken wurden durch Siliziumdioxid verstopft, eine Nebenwirkung der Alterung im Inneren der Treibstofftanks des Raumfahrzeugs.“ Ich frage mich, woher SiO2 in einem Raumfahrzeug überhaupt kommt. Irgendein Material auf Silikonbasis?
  Nach weiterem Nachsehen heißt es: „Verstopft durch Siliziumdioxid, ein Nebenprodukt der Alterung einer Gummimembran im Treibstofftank des Raumfahrzeugs“[0]. Vermutlich Silikonkautschuk. Mir war nicht klar, dass Gummi zu Sand zerfallen kann.
  [0] https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

  • Der Aufbau besteht darin, dass in alten Ti-Tanks mit Helium ein Gummiballon mit Teflon aufgeblasen wird, um den Hydrazin(N2H4)-Treibstoff herauszudrücken. N2H4 war offenbar stark genug, um sogar solche Materialien aus dem Raumfahrtzeitalter anzugreifen.
    1: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19810001583/downloads/19...
  • Silikonkautschuk scheint aus SiO2 gewonnen zu werden, also könnte es eine Verunreinigung sein. Oder es gibt irgendeine Reaktion, bei der Si und O aus dem Polymer austreten; ob so etwas möglich ist, weiß ich allerdings nicht genau.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Silicone_rubber
  • Es muss nicht unbedingt Silikon sein. SiO2 ist ein Bestandteil, der in allen Gummimischungen benötigt wird.

• Vor zwei Wochen hat Bruce Wagoner vom Voyager-Programm auf der !!Con darüber gesprochen, wie sie sich von dem CMOS-Speicherproblem vor einem Jahr erholt haben.
  Im Grunde ist das Blind-Debugging bei einer Round-Trip-Latenz von 45 Stunden.
  Der Vortrag ist hervorragend und zeigt gut die Computerarchitektur des Raumfahrzeugs sowie die Schwierigkeiten, mit so alter Dokumentation umzugehen, dass sie einander widerspricht oder nicht mehr lesbar ist.
  https://youtu.be/dF_9YcehCZo?si=W_b3NJ7vgxaYS1__

• Die Voyager-Mission ist wirklich eine enorme Leistung. Das erhabene Design und die handwerkliche Qualität, die in der Hardware stecken müssen, sowie das tiefe institutionelle Wissen, das nötig ist, um sie bis heute weiterlaufen zu lassen, sind ehrfurchtgebietend.

• Das dürfte der bessere Link sein: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

• Schön zu sehen, dass Voyager mehr Zeit verschafft wurde. Kürzlich habe ich diese großartige Voyager-Doku gesehen: https://www.itsquieterfilm.com/

• Ich hatte letzten Monat das große Vergnügen, Bruce Waggoner vom Voyager-Team auf der !!Con eine Keynote halten zu sehen. Die Aufzeichnung wurde vor ein paar Tagen auf YouTube veröffentlicht, das passt zeitlich gut: https://www.youtube.com/watch?v=dF_9YcehCZo

• Nach 47 Jahren Betrieb ist immer noch Treibstoff für die Lageregelung übrig. Ich frage mich, wie sie das geschafft haben.

  • Ich will nicht schmälern, wie beeindruckend die Voyager-Sonden sind, aber offenbar hatten sie von Anfang an ziemlich viel Hydrazin an Bord. Laut „Engineering the Voyager Uranus mission“ war die erweiterte Mission nach Saturn zwar keine Designanforderung, wurde aber stets als Option geschützt, solange sie die wichtigsten Missionsziele bei Jupiter oder Saturn nicht beeinträchtigte.
    Die Wahrscheinlichkeit, dass Voyager 2 weitere fünf Jahre durchhält, wurde auf 60–70 % geschätzt, also deutlich unter den üblichen NASA-Kriterien für Erfolgswahrscheinlichkeiten, aber man entschied sich trotzdem, sie zu Uranus zu schicken.
    Nach dem Uranus-Vorbeiflug hatte Voyager 2 immer noch 48 % des Hydrazins, das achteinhalb Jahre zuvor erstmals in die Tanks gefüllt worden war.
    [1]: doi:10.1016/0094-5765(87)90096-8 (bei science hub zu finden)
  • Wenn ich mich richtig erinnere, verwenden sie eine Art nukleare Stromquelle. Kein Reaktor oder so, sondern ein viel einfacheres Gerät, das aus der Wärme radioaktiven Zerfalls Strom erzeugt.
  • Sollte man es als Solarenergie betrachten?

• Ich habe gehört, dass die Voyager-Dokus gut sein sollen, und wollte eine mit meiner Tochter ansehen, aber NASA macht daraus ständig Dokus mit veraltetem und unvollständigem Material. Wie viele erstaunliche Geschichten werden wohl noch dazukommen, wenn Voyager wirklich über das hinausgeht, was wir kennen?

  • Wenn man über Voyager-Dokus spricht, aber nicht sagt, um welche es geht, kann man das nicht wissen. Es gibt viele, und es ist schwer zu beurteilen, welche gut ist, bevor man sie bis zum Ende gesehen hat. Es wäre hilfreich zu wissen, welche du sehen wolltest.
    Ehrlich gesagt ist es traurig, dass so viele Dokumente inzwischen nicht mehr zugänglich sind.

• Offizielle Mitteilung: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...
  (https://news.ycombinator.com/item?id=41505008)