NASA duy trì sứ mệnh Voyager 1 bằng cách thay bộ động cơ đẩy bị tắc

• Voyager 1, đã bay suốt 47 năm, ngày càng khó duy trì hướng liên lạc với Trái Đất do động cơ đẩy bị tắc, và NASA đã chuyển sang một bộ động cơ đẩy khác để tiếp tục sứ mệnh
• Tình trạng tắc nghẽn là kết quả của silicon dioxide tích tụ trong đường ống nhiên liệu do bình nhiên liệu bị lão hóa, và đường kính ống của động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo đã giảm từ 0.01 inch xuống còn 0.0015 inch
• Tàu vũ trụ có 2 bộ dùng để điều khiển tư thế và 1 bộ dùng để hiệu chỉnh quỹ đạo, và sau các dấu hiệu tắc nghẽn xuất hiện vào năm 2002 và 2018, các lựa chọn khả dụng liên tục thu hẹp lại
• Do các ràng buộc về điện năng và nhiệt độ, quy trình chuyển đổi cũng rất phức tạp, và NASA đã đảm bảo được thời gian làm ấm động cơ cần thiết bằng cách tắt bộ sưởi chính khoảng 1 giờ
• Voyager 1 là tàu vũ trụ đầu tiên đi vào không gian liên sao vào tháng 8 năm 2012, và hiện đang di chuyển với tốc độ 38.000 dặm/giờ ở khoảng cách 15,14 tỷ dặm so với Trái Đất, khiến việc vận hành ngày càng khó hơn

---

Chuyển đổi động cơ đẩy trên tàu vũ trụ 47 năm tuổi

• Voyager 1 đã bay trong không gian suốt 47 năm và thu thập dữ liệu bên ngoài Hệ Mặt Trời, và với một chuyến bay kéo dài như vậy, sự lão hóa phần cứng đã trở thành biến số then chốt để duy trì sứ mệnh
• Các kỹ sư NASA gần đây đã giải quyết vấn đề động cơ đẩy bằng cách chuyển sang một bộ khác thay vì bộ mà họ vẫn dựa vào trước đó
• Theo thông báo của NASA, không chỉ bộ động cơ cũ mà cả bộ được chuyển sang cũng vẫn còn hiện tượng tắc nghẽn

Tắc đường ống nhiên liệu và những lựa chọn còn lại

• Đường ống nhiên liệu bên trong động cơ đẩy đã tích tụ silicon dioxide, đây là tác dụng phụ của quá trình lão hóa bên trong bình nhiên liệu của tàu vũ trụ
• Voyager 1 dùng động cơ đẩy để giữ tư thế hướng về Trái Đất và duy trì đường liên lạc với bộ phận điều khiển mặt đất
• Tàu vũ trụ có tổng cộng 3 bộ động cơ đẩy
  • 2 bộ động cơ đẩy dùng để điều khiển tư thế
  • 1 bộ động cơ đẩy dùng cho thao tác hiệu chỉnh quỹ đạo
• Ở giai đoạn đầu sứ mệnh, vai trò của từng loại động cơ rất quan trọng để thực hiện các lần bay sượt qua hành tinh, nhưng hiện nay tàu đang đi theo quỹ đạo gần như thẳng ra ngoài Hệ Mặt Trời nên việc dùng bộ nào không còn quá nhạy cảm nữa

Lịch sử thay thế khi tắc nghẽn tích lũy

• Năm 2002, nhóm sứ mệnh tại NASA Jet Propulsion Laboratory xác nhận rằng một số đường ống nhiên liệu trong bộ động cơ điều khiển tư thế bắt đầu bị tắc
• Sau đó họ chuyển sang bộ động cơ điều khiển tư thế thứ hai, nhưng đến năm 2018 bộ này cũng xuất hiện dấu hiệu tắc nghẽn
• Từ đó, các kỹ sư đã dựa vào bộ động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo
• Trong 6 năm qua, bộ động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo bị tắc nghiêm trọng hơn hai bộ còn lại
  • Ban đầu, đường kính cửa vào của ống nhiên liệu là 0.01 inch, tức 0.25 mm
  • Hiện nay đã giảm xuống còn 0.0015 inch, tức 0.035 mm
  • Mức này chỉ bằng khoảng một nửa bề rộng của sợi tóc người
• Cuối cùng, NASA buộc phải quay lại một trong hai bộ động cơ điều khiển tư thế

Vượt qua các ràng buộc về điện năng và nhiệt độ

• Việc chuyển đổi động cơ đẩy vốn từng đơn giản nay đã trở thành một quy trình đòi hỏi thận trọng hơn nhiều trên Voyager 1 hiện tại vì phần cứng đã già cỗi
• Nhóm điều khiển đã tắt một số hệ thống tải trọng không thiết yếu và bộ sưởi để giảm mức tiêu thụ điện
• Điều đó giúp tiết kiệm điện, nhưng cũng khiến nhiệt độ trên tàu giảm xuống, và nếu kích hoạt một động cơ lâu không dùng trong tình trạng quá lạnh thì có nguy cơ gây hư hại
• Vì lượng điện không đủ để bật lại các bộ sưởi không thiết yếu nếu không phải tắt thiết bị khác, các kỹ sư đã đảm bảo được thời gian cần thiết để làm ấm động cơ bằng cách tắt bộ sưởi chính khoảng 1 giờ
• Sau quy trình này, nhánh động cơ cần thiết đã hoạt động bình thường

Sứ mệnh tiếp tục trong không gian liên sao

• Quản lý dự án Voyager, Suzanne Dodd, cho biết mọi quyết định từ nay về sau sẽ cần nhiều phân tích và sự cẩn trọng hơn trước rất nhiều
• Voyager 1 được phóng vào năm 1977 và lên đường vào không gian chưa đầy một tháng trước tàu song sinh Voyager 2
• Nó đi theo quỹ đạo nhanh hơn, rời vành đai tiểu hành tinh trước, rồi bay sượt qua Sao Mộc và Sao Thổ
  • Phát hiện các vệ tinh Thebe và Metis của Sao Mộc
  • Phát hiện 5 vệ tinh mới quanh Sao Thổ và một vành đai mới có tên G-ring
• Vào tháng 8 năm 2012, nó trở thành tàu vũ trụ đầu tiên vượt qua ranh giới Hệ Mặt Trời để đi vào không gian liên sao
• Hiện Voyager 1 đang ở cách Trái Đất 15,14 tỷ dặm, tức 24,4 tỷ km
• Tốc độ hiện tại là 38.000 dặm/giờ, tức 61.155 km/giờ
• Đầu năm nay, sau khi gửi dữ liệu không thể sử dụng cho bộ phận điều khiển mặt đất trong vài tháng, tàu đã phục hồi sau sự cố liên lạc
• Việc duy trì sứ mệnh ngày càng khó khăn hơn, nhưng NASA vẫn tiếp tục vận hành Voyager 1

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Tôi vẫn luôn kinh ngạc về cách đội Voyager làm được những việc như thế này. 1) Việc có thể chẩn đoán từ xa sự cố ở khoảng cách xa như vậy và trên phần cứng cũ như vậy, đặc biệt là không biết họ đo kích thước lỗ trong ống đẩy như thế nào
  2) Quá trình quyết định sẽ thực hiện biện pháp nào cũng thật kỳ lạ. Chắc họ đâu có thiết bị thử nghiệm tại chỗ để thí nghiệm, mà ngay cả nếu có thì có lẽ cũng khó tái tạo điều kiện thực tế. Chọn sai có thể kết thúc nhiệm vụ, và nếu làm hỏng Voyager 1 thì cũng không có cái thay thế
  3) Việc có thể điều khiển chi tiết và tái cấu hình từ xa thiết bị được chế tạo từ thập niên 1970, với RAM tính bằng kB, cũng đáng kinh ngạc. Có vẻ khi thiết kế họ đã có tầm nhìn xa đáng nể

  • Tàu Voyager được thiết kế dựa trên kinh nghiệm thiết kế và vận hành từ Mariner và Pioneer, để có thể vận hành tự động trong thời gian dài mà không cần quá nhiều can thiệp thủ công. Các hệ thống chính đều có nhiều tầng dự phòng và có thể bật/tắt từ xa
    Nhân sự chương trình đã được thay thế qua thời gian, nhưng không đến mức gây nguy hiểm cho tính liên tục. Ngoài ra, ban quản lý chương trình giỏi ứng phó truyền thông và kết nối chính trị nên đã liên tục bảo đảm được ngân sách vận hành. Điều này trái ngược với những nhiệm vụ như Magellan, vốn bị đưa ra khỏi quỹ đạo Sao Kim dù vẫn còn nhiên liệu đẩy, để lại một số khu vực chưa được lập bản đồ
    Tôi biết ở JPL đã từng có, hoặc có lẽ vẫn có, chế độ retiree badge cho phép nhân viên đã nghỉ hưu tiếp tục ra vào văn phòng. Nhiều chương trình thực chất nhận được sự giúp đỡ lớn từ những chuyên gia nguyên tắc vẫn đi làm hằng ngày gần như không lương, và được học từ những người như vậy thật sự là một đặc quyền
  • Điều đáng ngạc nhiên là lượng tri thức tổ chức cần có để tiếp tục vận hành sau ngần ấy năm là khổng lồ. Không phải cứ ném vài trang hướng dẫn sử dụng cho người mới vào là xong
    Dù hẳn rất nhiều người đã nghỉ hưu, họ vẫn hiểu được độ phức tạp của thiết kế. Với các hệ thống chúng ta xây dựng ngày nay, chúng ta cũng cần hiểu và đặt ưu tiên cho phần này
  • Có một phim tài liệu It's Quieter in the Twilight về đội đang duy trì sự sống cho nhiệm vụ Voyager: https://www.youtube.com/watch?v=8vJT8AW0wYw
  • Về câu “chẳng phải cũng không có thiết bị thử nghiệm tại chỗ sao?”, tôi nghĩ khả năng cao là có một hoặc nhiều trình mô phỏng. Theo cách nói ngày nay thì gần với digital twin
    Có lẽ một cái luôn phản ánh trạng thái hiện tại của tàu thăm dò, và được đồng bộ định kỳ bằng dữ liệu trạng thái nhận từ tàu thật. Các trình mô phỏng khác có thể dùng để thử các thay đổi quản lý và kiểm tra phản ứng của hệ thống
  • Gần đây họ cũng đã phục hồi từ sự cố mô-đun RAM bị hỏng, mà tốc độ liên kết vô tuyến hiện giờ có lẽ còn dưới kbit/s

• Họ nói “ống nhiên liệu bên trong bộ đẩy bị silicon dioxide làm tắc, đây là tác dụng phụ do lão hóa bên trong bình nhiên liệu của tàu vũ trụ”, tôi tò mò không biết SiO2 trong tàu vũ trụ rốt cuộc đến từ đâu. Có phải một vật liệu gốc silicon nào đó không?
  Xem thêm thì thấy nói “bị tắc bởi silicon dioxide, một sản phẩm phụ sinh ra khi màng ngăn cao su trong bình nhiên liệu của tàu vũ trụ lão hóa”[0]. Có lẽ là cao su silicone. Tôi không biết cao su có thể phân hủy thành cát
  [0] https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

  • Cấu trúc là trong một bình Ti kiểu cũ, helium làm phồng một bóng cao su có chứa Teflon để đẩy nhiên liệu hydrazine (N2H4) ra ngoài. Có vẻ N2H4 đủ mạnh để làm suy thoái cả những vật liệu thời đại vũ trụ như vậy
    1: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19810001583/downloads/19...
  • Cao su silicone có vẻ được chiết xuất từ SiO2 nên cũng có thể là tạp chất. Hoặc cũng có thể là một phản ứng nào đó khiến Si và O thoát ra khỏi polymer, nhưng tôi không rõ chuyện đó có khả thi không
    https://en.wikipedia.org/wiki/Silicone_rubber
  • Không nhất thiết phải là silicone. SiO2 là thành phần cần có trong mọi công thức pha trộn cao su

• Hai tuần trước tại !!Con, Bruce Wagoner của chương trình Voyager đã trình bày cách họ phục hồi sau sự cố bộ nhớ CMOS xảy ra một năm trước
  Về cơ bản là debug mù với độ trễ khứ hồi 45 giờ
  Bài trình bày rất xuất sắc, cho thấy rõ kiến trúc máy tính của tàu vũ trụ và khó khăn khi xử lý một thứ quá cũ đến mức tài liệu mâu thuẫn với nhau hoặc không đọc được
  https://youtu.be/dF_9YcehCZo?si=W_b3NJ7vgxaYS1__

• Nhiệm vụ Voyager thật sự là một thành tựu phi thường. Thiết kế và tay nghề chế tạo cao quý hẳn đã được đưa vào phần cứng, cùng với chiều sâu tri thức ở cấp tổ chức cần thiết để tiếp tục vận hành cho đến nay, thật khiến người ta kính phục

• Có lẽ đây là liên kết tốt hơn: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

• Thật vui khi thấy họ giúp Voyager có thêm thời gian. Gần đây tôi đã xem phim tài liệu Voyager tuyệt vời này: https://www.itsquieterfilm.com/

• Tháng trước tôi rất vui khi được xem Bruce Waggoner của đội Voyager phát biểu keynote tại !!Con. Bản ghi hình vừa được đưa lên YouTube vài ngày trước nên thật đúng lúc: https://www.youtube.com/watch?v=dF_9YcehCZo

• Đã vận hành 47 năm mà vẫn còn nhiên liệu điều chỉnh tư thế. Tôi tò mò họ đã làm điều đó như thế nào

  • Không phải tôi muốn hạ thấp việc tàu Voyager rất ấn tượng, nhưng có vẻ ngay từ đầu nó đã mang khá nhiều hydrazine. Theo “Engineering the Voyager Uranus mission”, nhiệm vụ mở rộng sau Sao Thổ không phải là yêu cầu thiết kế, nhưng luôn được bảo vệ như một lựa chọn miễn là không làm tổn hại các mục tiêu chính ở Sao Mộc hoặc Sao Thổ
    Xác suất Voyager 2 trụ thêm 5 năm được tính là 60–70%, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn xác suất thành công thông thường của NASA, nhưng họ vẫn quyết định gửi nó đến Uranus
    Sau lần bay ngang qua Uranus, Voyager 2 vẫn còn 48% lượng hydrazine đã được nạp vào bình lần đầu 8 năm rưỡi trước đó
    [1]: doi:10.1016/0094-5765(87)90096-8 (có thể tìm thấy trên science hub)
  • Nếu tôi nhớ không nhầm thì nó dùng một dạng nguồn điện hạt nhân. Không phải kiểu lò phản ứng, mà là một thiết bị đơn giản hơn nhiều, tạo điện từ nhiệt sinh ra bởi phân rã phóng xạ
  • Có nên xem là năng lượng mặt trời không?

• Tôi từng nghe các phim tài liệu về Voyager rất hay và muốn xem một phim cùng con gái, nhưng NASA cứ làm phim tài liệu bằng tư liệu cũ kỹ và không đầy đủ. Đến khi Voyager thật sự vượt ra ngoài phạm vi chúng ta biết, không biết sẽ còn có thêm bao nhiêu câu chuyện đáng kinh ngạc nữa?

  • Nếu nói về phim tài liệu Voyager mà không nói là tác phẩm nào thì không thể biết được. Có rất nhiều loại, và trước khi xem hết thì cũng khó đánh giá cái nào hay. Nếu bạn cho biết bạn muốn xem cái nào thì tốt
    Thành thật mà nói, thật đáng tiếc là giờ có quá nhiều tài liệu không còn truy cập được

• Thông báo chính thức: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...
  (https://news.ycombinator.com/item?id=41505008)