За кілька тижнів до відправки Europa Clipper для запуску вчені виявили потенційно фатальний недолік, який може поставити під загрозу здатність космічного корабля досліджувати океани супутника Юпітера.
Люди в штаб-квартирі NASA глибоко дихають, коли в їхніх електронних листах з’являються слова «Перша історія». Наприкінці цієї весни таке повідомлення отримав Курт Нібур, провідний науковець програм польотів.
«Ви відразу відкриваєте цей електронний лист», — сказав доктор Нібур. «Ви читаєте це, а потім відповідаєте: «Дякую, що поділилися», а потім ховаєте обличчя в подушку і виєте від жаху».
Проблема, яка викликала побоювання доктора Нібура, стосувалася Europa Clipper, однієї з найважливіших науково важливих місій NASA. Науковий підрозділ агентства створив процес «Перша історія», щоб заохотити співробітників наукових проектів повідомляти потенційно погані новини, не боячись надмірної реакції керівництва.
Ця новина видалася надзвичайно поганою. Якщо те, що читав доктор Нібур, було правдою, Europa Clipper була приготовлена.
- NASA витратило понад 5 мільярдів доларів на планетарний зонд. Це найбільший з коли-небудь побудованих — такий же великий, як баскетбольний майданчик із розширеними сонячними батареями. Завдання місії полягає в тому, щоб допомогти вченим на Землі визначити потенційну придатність для життя Європи, супутника Юпітера, який оповитий товстим панциром льоду, під яким тече теплий океан з удвічі більшою кількістю солоної води, ніж на Землі. Вчені вважають, що в ньому є всі хімічні інгредієнти для появи інопланетного життя.
Наприкінці травня Europa Clipper планувалося відправити до Флориди, щоб підготуватися до польоту в жовтні. Якби він пропустив вікно запуску, вченим доведеться довго чекати на новий шанс — якби проблему взагалі можна було вирішити.
У NASA та його афілійованих дослідницьких лабораторіях команди незабаром виявили, що їхнє літо буде зайняте жахливим питанням: чи був Europa Clipper приречений?
Джордан Еванс, керівник проекту Europa Clipper в Лабораторії реактивного руху NASA в Пасадені, штат Каліфорнія, пояснив ситуацію науковому керівнику місії Роберту Паппалардо 2 травня.
Хтось за межами НАСА виявив, що тип транзистора, призначений для виживання в радіоактивному середовищі, виходить з ладу. Europa Clipper широко використовувала транзистори.
«Скільки ми використовуємо?» — запитав доктор Паппалардо.
Містер Еванс не знав напевно.
Чорні деталі розміром з олівець, які називаються МОП-транзисторами — металооксидно-напівпровідниковими польовими транзисторами — це прості перемикачі, розташовані на друкованих платах, які забезпечують протікання електрики. Ніхто не знав, де саме вони були на космічному кораблі, і чи вплинули на МОП-транзистори, які використовувалися для проекту.
Але вони знали, що транзистори контролюють практично всі важливі системи та наукові інструменти на борту.
«Деталі використовуються всюди», — сказав Джеффрі Оттман, головний інженер цивільних космічних польотів у лабораторії прикладної фізики Університету Джона Хопкінса в Меріленді.
Без здатності виживати під інтенсивним випромінюванням Europa Clipper не могло б бути. Умови навколо Місяця екстремальні, їх можна порівняти з наслідками ядерної війни. Виживання в такому середовищі вплинуло на дизайн космічного корабля та його складну траєкторію польоту навколо Юпітера. Протягом чотирьох років космічний корабель пролетів би повз Європу 49 разів, ненадовго занурившись у випромінювання та наблизившись до поверхні Місяця на 16 миль.
Якщо МОП-транзистори почнуть виходити з ладу, «відразу виникає думка про темний космічний корабель», — сказав пан Оттман.
Наступного дня містер Еванс створив «тигрову команду» спеціалістів із лабораторій його та пана Оттмана, а також Центру космічних польотів Годдарда, щоб працювати над цією проблемою.
Сорен Мадсен, 34-річний ветеран Jet Propulsion Lab, очолював команду тигрів, яка спочатку мала переконатися, що проблема справжня.
У вихідні вони піддали запасний MOSFET пучку високошвидкісних електронів. Транзистор вийшов з ладу, і до понеділка вони з містером Евансом знали, що місія в біді.
Визначити кількість МОП-транзисторів у космічному кораблі було все одно, що визначити, скільки покрівельних цвяхів було використано для будівництва будинку. Спочатку команда тигрів оцінила, що в космічному кораблі їх було майже 900 штук. Через два тижні їх було близько 1500. Заміна їх усіх може коштувати мільярд доларів — грошей, які Конгрес міг би не дати НАСА.
Що ще гірше, команда тигрів повідомила, що МОП-транзистори не тільки були вразливі до радіації, але в космічному кораблі існує не лише один універсальний МОП-транзистор. Існують різні типи і сімейства транзисторів. Доктор Мадсен сказав, що деталі, виготовлені в різний час, можуть «не працювати та поводитися однаково».
Пан Оттман був членом команди тигрів, якій доручено відстежувати та тестувати зразки всіх варіантів MOSFET, які були вбудовані в Europa Clipper. Він отримав дзвінок, коли забирав дочку з коледжу.
«Я витрачаю півгодини на телефон, розмовляючи про цю проблему, поки речі не завантажуються в машину», — сказав він.
Його родина звикла до його відсутності того літа.
«Ми знали, що збираємося відмовитися від ночей, вихідних, раннього ранку і всього цього», — сказав він.
Поки команда доктора Мадсена працювала над проблемою, пан Еванс призначив другу команду з пом’якшення наслідків для пошуку технічних рішень.
«Спочатку я був наче замерз», — сказав Джо Стелі, її лідер.
Він не міг уявити виходу на такому пізньому етапі гри. Але врешті-решт його команда зрозуміла, що коли такі частини, як ця, зазнають впливу радіації, «вони певною мірою відновляться».
Процес відомий як відпал. Нагрівання транзистора дозволяє його атомам перегруповуватися та перерозподілятися у відновленому стані. Це не працює безкінечно, але Europa Clipper не обов’язково триватиме вічно — лише чотири роки його запланованої місії. Його команда могла б розробити стратегії для відновлення кожного типу MOSFET на космічному кораблі.
Пан Штелі також працював з доктором Паппалардо, щоб переглянути способи проведення експериментів місією.
Деякі пропозиції були простими, як-от вимикати живлення певних інструментів під час певних прольотів Європи, позбавляючи їх транзистори від радіаційного ураження. Інші були більш складними, включали менш точні ключові вимірювання, завантажені на початку попередніх раундів багатьох проходів місії.
З усім цим, а також відпалом, д-р Паппалардо відчув, що з’являється надійна стратегія «стислого туру». Однак він і доктор Нібур боролися проти польотів місії, якщо вона не могла відповісти на основні наукові питання про Європу.
Потім 26 липня представники J.P.L. а групи тигрів і пом’якшення наслідків представили штаб-квартирі NASA свої останні відкриття. Незважаючи на те, що команди відчували, що вони досягли реальних успіхів, кольорова діаграма, що відображала їхній прогрес, налякала деяких чиновників NASA. Там було кілька зелених клітинок, але здебільшого це був похмурий аркуш жовтого й червоного.
«Це не були остаточні оцінки», — сказала Джоан Ервін, системний інженер команди тигрів у Лабораторії реактивного руху. «Ми просто сказали: «Ось де ми сьогодні».
Деякі тести на радіацію тривали тижні, і вони ще не були завершені, і вони могли не принести хороших новин. «Ми хотіли підготувати всіх», — сказала вона.
Крім того, деякі МОП-транзистори залишаються зниклими безвісти, особливо ті, що використовуються в електроніці, виготовленій іноземними субпідрядниками. Не знаючи, як працюватимуть ці відсутні чіпи, навіть впровадження кожної стратегії пом’якшення буде недостатнім.
«Ми закінчилися останніми чотирма частинами, — сказав пан Еванс.
Однак через кілька днів після зустрічі європейський субпідрядник знайшов кілька старих інженерних зразків. Фінальні частини Лабораторія прикладної фізики отримала з Німеччини через FedEx.
«І коли ми їх отримали, хлопче, виник тиск, щоб негайно запустити їх у тести», — сказав містер Оттман.
Повернувшись у Пасадену, пан Стелі проводив мозковий штурм з містером Евансом, коли в офіс увійшов Джефф Срінівасан, менеджер польотної системи. У нього була ідея.
Поки космічний корабель не був у польоті, інженери місії не могли дізнатися, як поводяться MOSFET. Одного дня вони просто зазнають невдачі.
Містер Шрінівісан запропонував рішення: що, якби вони взяли зразки кожного типу MOSFET, помістили їх на спеціальні схеми, а потім помістили весь пакет у коробку, яку можна було б прикрутити до космічного корабля? Він може надсилати дані про здоров’я на Землю протягом усієї місії.
Це було б як канарка у вугільній шахті. Коли Europa Clipper була на Юпітері, якщо певний тип MOSFET слабшав або виходив з ладу в коробці, команда могла би знати, як відпалити цей тип транзисторів у всьому космічному кораблі або застосувати іншу стратегію, щоб місія працювала.
«Це був один із тих моментів, які настільки божевільні, що це може спрацювати», — сказав пан Стелі.
Вони назвали це канарейкою
Але команді пана Срінівасана доведеться створити його за кілька тижнів, а не за роки, написати його програмне забезпечення, а потім інтегрувати все це з космічним кораблем, який уже було відправлено в Космічний центр Кеннеді у Флориді.
27 серпня команди повідомили про свій прогрес старшим керівникам NASA, включаючи Пам Мелрой, заступника адміністратора, і Джима Фрі, асоційованого адміністратора. Цього разу клітинки на карті пані Ервін були зеленими зверху вниз.
Деяким учасникам, у тому числі доктору Нібуру, це здалося підозрілим.
Він подумав, що, можливо, ведучі піддалися «пусковій лихоманці», бажанню полетіти за всяку ціну. Він був не один. Місяцем тому місію здавалося завершеною. Як вони могли досягти такого прогресу за 30 днів?
Пані Ервін виклала справу. Вона пояснила все, що сталося для кожної окремої оцінки, і виправдала кожну зміну. Вони випробували всі типи MOSFET в космічному кораблі.
«Ми були систематичними, ми були суворими та були впевнені в своїх результатах», — сказала пані Ервін.
Особливо з відпалом вони були безпечні для польоту без жодних змін у науковому плані. Але навіть якби вони досягли Юпітера і виявили неприємні радіаційні сюрпризи, канарковий ящик, який зараз встановлений на космічному кораблі, передасть попередження на Землю. Вони мали стільки даних і стільки стійкості системи, що наукові вимоги були забезпечені.
На завершення зустрічі Нікола Фокс, керівник наукових місій, провела опитування керівників NASA: «Йду» чи «Ні».
Один за одним голосували керівники агентств.
Іди.
Іди.
Іди.
Поки в кімнаті не виникла одностайність.
Europa Clipper буде на стартовій панелі 10 жовтня
Після десятиліть зусиль потужний спостерігач був спрямований до Юпітера, здатний виявити, чи є океан Європи дружнім для життя.
Девід В. Браун є автором книги «Місія» про завдання відправити космічний корабель до Європи, і в липні він повідомив про проблеми з транзисторами в Європі.