النهاية حول الإشعاع-الملحمة والضعف المفاجئ في Europa Clipper

GOLDEN ، كولورادو-غادرت Europa Clipper من ناسا ، في طريقها الآن إلى كوكب المشتري ، بأجهزة أقل من غير مرضية وضعيفة معرضة للإشعاع المكثف للمشتري.

يمكن القول إن مركبة الفضاء في 14 أكتوبر 2024 ، من نواح كثيرة ، كانت بمثابة تعهد مشترك للأصابع.

لكن الطريقة المتزامنة التي علم بها فريق Europa Clipper عن نقاط الضعف في المركبة الفضائية والحلول التي ابتكرت حول المشكلات قد أدت إلى دروس جديدة تم تعلمها للبعثات المدنية المستقبلية المتجهة إلى وجهات الفضاء القاسية العالية. تتضمن هذه الدروس المستفادة درجة الاختبار اللازمة ، إلى جانب مجرد الاعتماد على معايير “المواصفات العسكرية” (MIL-SPEC) لضمان أن الأجهزة هي المستهلكة الإشعاعية بما يكفي للرحلة.

تعتبر MIL-SPEC قصيرة بالنسبة لـ “المواصفات العسكرية” ، وهي مجموعة من المعايير والمعايير التي تصدرها وزارة الدفاع الأمريكية وأنشأت لضمان الجودة والموثوقية وتوافق الأجزاء المستخدمة في الطيران.

سيصل Europa Clipper إلى كوكب المشتري في أبريل 2030 ، ثم يؤدي إلى حلقات قريبة متكررة من أحد أقمار كوكب المشتري الغامضة ، أوروبا ، التي يبدو أنها تؤوي محيطًا داخليًا قد يكون له ظروف مناسبة للحياة. من وقت الإطلاق من خلال مهمتها الرئيسية التي تنتهي في يونيو 2034 ، فإن الاستثمار الذي تم تحويله إلى Europa Clipper هو 5.2 مليار دولار.

صدمة فريق النمر

قادت شركة Caltech في باسادينا ، كاليفورنيا ، وقاد مختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL) تطوير مهمة Europa Clipper بالشراكة مع مختبر Johns Hopkins للفيزياء التطبيقية (APL) في لوريل ، ماريلاند.

لكن الحصول على الكيس من Europa من الأرض وبين وجهتها هو قصة في اللحظة الأخيرة ، من خلال “فريق النمر” الذي تم تجميعه بسرعة من الخبراء لضمان أن تتمكن المركبة الفضائية من تنفيذ مهمتها.

Clipper Europa يقوم بنقل الترانزستورات الميدانية ذات الأكسدة المعدنية ذات الأكسدة المعدنية. في اللغة الإلكترونية المصممة في الفضاء ، تسمى MOSFETs. إنها تلعب دورًا أساسيًا في الدوائر الإلكترونية لتمكين التطبيقات مثل التضخيم والتبديل ومعالجة الإشارات. ما يقرب من 1500 N-channel mosfets مضمونة داخل Europa Clipper.

لم يكن JPL أبدًا قد عرفت أن MOSFETs كانت معيبة إذا لم يكن ذلك لثرثرة المدخل في أوائل مايو 2024 تجمع المتخصصين ، عندما استفسر فرد من شركة تجري نيابة عن وزارة الدفاع عن حاضر JPL حول كيفية تعامل JPL مع مشكلة.

المشكلة: تم العثور على MOSFETs للفشل بجرعة إجمالية للإشعاع أقل بكثير مما يطالب به منتجهم في الأصل.

يتذكر سورين مادسن ، أحد المحاربين القدامى في JPL وكبير المهندسين في مديرة علوم الكواكب في المنظمة: “ربما افترض الشخص الذي ألمح لنا لنا أننا نعرف بالفعل”. “لم نسمع عن ذلك” ، قال Spacenews، “لذلك كان قليلا من الصدفة.”

لكن الوحي أدى إلى سؤال كبير ، قال مادسن: “أتساءل ما إذا كان لدينا مشكلة؟”

تحليل البيانات والنمذجة

حفز الإجابة على الإجابة السريعة من مجموعة كبيرة من مجموعة القيادة فريق Tiger Teiger بقيادة Madsen ، والتي شملت خبراء JPL و NASA و APL.

في وقت قصير ، قاموا بتجميع قائمة كاملة من أجزاء Europa Clipper. “لقد عرفنا جميع MOSFETs التي كانت لدينا على المركبة الفضائية والأدوات. قال جوردان إيفانز ، مدير مشروع بعثة Europa Clipper ، “لقد قمنا بعد ذلك بتكرار نتائج الاختبار التي أظهرت ، نعم … لقد واجهنا مشكلة”.

وقال كورتيس تشن ، عضو فريق النمر ، “لقد كان الأمر مختلفًا بالتأكيد عن وظيفتي اليومية” ، كمهندس JPL الذي عمل على رادارات لاندرز ، ويشارك في أدوات العلوم الأرضية. وقال لـ فضاءS ، وحل ما كان “من الواضح أن مشكلة عملاقة”.

أصبح تشن منغمسًا في تحليل البيانات والنمذجة ، وترانزستورات اختبار الإشعاع المتاحة في JPL ، وكذلك النظر في البيانات من بائع MOSFET – وهو مورد رفض JPL تحديده ولكنه عمل أيضًا مع أعضاء فريق Tiger للغطس في المشكلة.

لم يكن هناك حل بسيط ونظيف كنا نأمل في الأصل. قال تشن: “لم يكن هذا هو الحال”. “كان لدينا جيش من الأشخاص الذين ينظرون إلى مخططات الدائرة وتشغيل عمليات المحاكاة لمجرد معرفة ما سيحدث إذا لم يكن أداء الترانزستور هو ما أردنا أن يكون عليه. هل سيكون هذا بخير … أو لا؟ “

اختبار المسح

قال زعيم فريق النمر مادسن في غضون بضعة أيام في أوائل شهر مايو “أدركنا فجأة أننا حصلنا على نتائج لم نتوقعها. في بعض الحالات ، لم يكن الأمر سيئًا كما اعتقدنا. ولكن كانت هناك أيضًا حالتين كانت فيه أسوأ مما كنا نظن “.

قال مادسن إن المقاول من الباطن المجهول للمشاكل ، رغم أنه ليس جزءًا من فريق النمر ، كان مفتوحًا للغاية وبناءً. “من الواضح أننا تمنينا أن نواجه المشكلة في المقام الأول.”

جعل مهمة فريق Tiger Team أكثر شاقة هو الإدراك في وقت مبكر أن الفريق لم يكن لديه سوى ثلث الأجزاء في المخزون في JPL لأغراض الاختبار ، مما يثير أسئلة حول ما إذا كانت المكونات المثبتة على Europa Clipper ستؤدي نفس الشيء في التخزين.

“في بعض الأحيان كان لدينا نفس رقم الجزء. وقال مادسن: “إن رموز تاريخ القطعة المختلفة ستعمل بشكل مختلف” ، أي أن بعضها أفضل مع جرعات من الإشعاع ، والبعض الآخر يزداد سوءًا.

السباق إلى خط النهاية

في غضون ذلك ، مع استمرار فريق Tiger في اختباره وإطلاق النار على المتاعب والمداولات ، تم نقل Europa Clipper إلى مركز Kennedy Space في 23 مايو ، لخوض الاستعدادات النهائية لإرساله في أكتوبر إلى كوكب المشتري فوق كتلة SPACEX Falcon الثقيلة 5.

قال مادسن: “لقد كان سباقًا إلى خط النهاية”.

يتم إرفاق جميع نظام الطيران في Europa Clipper's Clipper تقريبًا وإلكترونيات نظام الأدوات ، وغيرها من العناصر الرئيسية في قبو مع جدران مصنوعة من سبيكة من الألومنيوم والزنك 1/3 بوصة (9.2 مم). يحمي هذا القبو الدوائر الضعيفة والمكونات الحاسمة الأخرى من الإشعاع المكثف في كوكب المشتري.

وقال مادسن: “إذا اضطررنا إلى فتح هذا المدفن الرئيسي ، فسيكون ذلك صفقة ضخمة” ، موضحًا أنه ربما اضطروا إلى نقل المركبة الفضائية إلى JPL ، واستبدال MOSFETs المشكوك فيها بأفضل ، وإعادة اختبار مؤهلات الرحلة.

“ما إذا كان هذا يعني زلة لمدة عامين (نافذة إطلاق) ، فأنا لست الشخص المناسب لأطلب. لكن في أي سيناريو ، سيكون الأمر كبيرًا “.

خطوات التخفيف

في النهاية ، وجد فريق Europa Clipper Tiger طريقة لإضاءة خضراء رحيل المسبار بين الكواكب عن طريق تخفيف المشكلة دون فتح قبو الواقي

ينطوي الحل على تلبيس المكونات ، أو باستخدام دوائر المركبة الفضائية لتسخينها خلال فترات التعرض للإشعاع المنخفض من أجل تصلبها لنوبات من ظروف الإشعاع الأعلى.

مستوى الإشعاع القاسي هو وظيفة قوية للغاية لمدى قربك من كوكب المشتري. كلما كانت المركبة الفضائية من كوكب المشتري ، تنخفض جرعة الإشعاع بشكل كبير. وقال مادسن إن الفريق طور حلاً لتشغيل الأجزاء والدوائر لتسخينها عندما لا يتم تشعيعهم. “عن طريق تسخينها ، فإنه يسرع عملية الصلب.”

تم تشغيل ذلك ، تم تقييم استراتيجية إيقاف تشغيله على دوائر Clipper Europa التي تم تكرارها للاختبارات الأرضية في ظل ظروف مشععة. تم تحليل حوالي 200 دائرة فريدة. لكن أعضاء فريق التخفيف ، لكن أعضاء فريق التخفيف ، لن يحققوا دون مساعدة ، كما نصحت Madsen. وقال إنه تم تحديد أن Europa Clipper يمكن أن توفر الطاقة الإضافية ، لتسخين الدوائر بشكل انتقائي عند الاقتضاء ، وبامتد أخرى للمساعدة في عملية الصلب.

“لقد انتهى بنا الأمر بمعايير القرار الجيدة التي يحترمها الجميع. وقال مادسن ، الذي ستحصل في 21 مارس على جائزة نورمان ل. بيكرز ، مهندس ملائادي الفضاء ، في 21 مارس ، سيحصل على جائزة نورمان ل. بيكرز ، مهندس ملائادي الفضاء في 21 مارس ، سيحصل على جائزة نورمان ل.

اذهب للمتابعة

تم اختيار تقييم خطر صلابة الإشعاع MOSFET (والضرب المرتبط بالأظافر) في نهاية أغسطس.

استعرضت JPL Europa Clipper Mission و Tiger Team Readership أعمالهم مع مسؤولي ناسا في 27 أغسطس. كان هناك اتفاق بالإجماع على أن المخاطر التي يتعرض لها العلم المخطط لها من قبل المركبة الفضائية كانت منخفضة بشكل مقبول. تم إعطاء الضوء الأخضر للمتابعة مع الاستعدادات الإطلاق.

أما بالنسبة للدروس المستفادة ، فإن Madsen يخرج صندوق الصابون الخاص به. وقال: “لقد اكتشفنا أن الاختبار القياسي MIL-SPEC ليس مناسبًا جيدًا للأقمار الصناعية المدنية”.

مماثل في العرض هو إيفانز ، مدير مشروع JPL لمهمة Europa Clipper.

من أجل تلبية متطلبات MIL-spec ، يتم تصنيع رقائق MOSFET ، وتقطيعها لإنتاج حزم MOSFET ، وقال إيفانز إنها تُمنح معدل جرعة مرتفع من الإشعاع ويجلسون لمدة 100 ساعة في درجة حرارة الغرفة ، ثم يتم موافقتهم للاستخدام.

قال إيفانز: “هذا هو MIL-spec”.

وأضاف إيفانز: “في حالتنا ، أمرناهم بالخروج من الكتالوج بناءً على رقائق مؤهلة”. “الآن بعد أن نفهم أن هناك طرقًا يمكن أن تتحلل الرقصات بمرور الوقت ، والقيام بمهام مثلنا ، والذهاب إلى كوكب المشتري مع بيئة إشعاعية مكثفة ، يتعين علينا إعادة التفكير فيما إذا كان ينبغي لنا شراء تلك الأجزاء التي هي معايدة.” أوضح إيفانز أن لا يلبيون احتياجات الفريق بعد التعبئة والجلوس على رف لفترة من الوقت.

قال إيفانز إن دوائر يوروبا كليبر يمكن أن تتسامح أكثر من MIL-Spec. “ذهبنا من خلال الدائرة عن طريق الدائرة. هكذا وجدنا طريقنا من خلال هذا. ”

رسالة الوجبات الجاهزة من إيفانز: “إذا شعرت أن لديك ثغرة في طريقة التأهيل MIL-spec ، فابحث في إجراء اختبارات إضافية لتلك الأجزاء لمعرفة ما إذا كانت تلبي متطلباتك البيئية والدوائر التي ستستخدمها فيها.”

وبمجرد أن يكون Europa Clipper في الخدمة في كوكب المشتري ، “لدي كل الأسباب للاعتقاد بأننا سيكون لدينا مركبة فضائية صحية في نهاية المهمة الرئيسية” ، قال إيفانز.

في هذه الأثناء ، يسير Europa Clipper على الطريق الصحيح لمدة 1 مارس فوق سطح المريخ للحصول على مساعدة الجاذبية نحو كوكب المشتري ، حيث سيتمكن الفريق من اختبار العديد من أدواته – ثم المسافة الطويلة إلى كوكب المشتري.

متعلق ب