چگونه کاوشگر ویجر۱ از میلیون‌ها کیلومتر دورتر تعمیر شد؟

کاوشگر وویجر، دور دست‌ترین فضاپیمای ساخته‌ شده توسط انسان به شمار می‌رود که در فضای میان‌ستاره‌ای می‌چرخد. چندی پیش این کاوشگر ارسال داده را به زمین متوقف کرده بود. بدین ترتیب، بزرگ‌ترین بحران در تاریخ برنامه ویجر آغاز شد. طی ۶ ماه گذشته، گروهی از مهندسان آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا سعی داشتند تا رایانه نصب‌شده روی وویجر ۱ را تعمیر کنند تا به کاوشگر امکان از سرگیری فعالیت‌های اکتشافی خود را بدهند.

سه مشکل، کار تعمیر را چالش‌برانگیز می‌کرد که به شرح زیر هستند:

۱. رایانه بسیار سفارشی‌ سازی‌ شده است و به هیچ محصول موجود در بازار امروز شبیه نیست.

۲. رایانه در دهه ۱۹۷۰ ساخته شد.

۳. رایانه ۱۵ میلیارد مایل دورتر از زمین است.

وویجر ۱ (Voyager 1) و کاوشگر دوقلوی آن وویجر ۲ در سال ۱۹۷۷ به فضا پرتاب شدند و در سال‌های بعد، تصاویر خیره‌کننده‌ای را از مشتری و زحل به دست آوردند. حتی وویجر ۲ به تنها فضاپیمایی تبدیل شد که از اورانوس و نپتون، این غول‌های یخی بازدید کرده است.

وویجرها از هلیوپاز (Heliopause) عبور کردند که در آنجا باد خورشیدی کاهشی و فضای میان‌ستاره‌ای آغاز می‌شود. این دو کاوشگر به ارسال داده‌های علمی درباره ذرات و میدان‌های مغناطیسی در قلمرویی که پیشتر هرگز از آن بازدید نشده بود، ادامه دادند.

انرژی دو کاوشگر وویجر از واپاشی رادیواکتیو پلوتونیوم-۲۳۸، که در آینده برای کارکرد و گرم نگه داشتن فضاپیما ضعیف است، تامین می‌شود. آن‌ها توسط تجهیزات علمی عملیاتی، داده‌های غیر قابل دستیابی را درباره ترکیب فضای فراتر از هلیوپاز به زمین می‌فرستند.

تعمیر وویجر ۱ برای ناسا و به ویژه برای جفری ملستروم (Jeffrey Mellstrom) که ۳۵ سال در آزمایشگاه پیش‌رانش جت کار کرده و مهندس ارشد اداره نجوم و فیزیک است، به سرعت به یک اولویت تبدیل شد.

ملستروم با وجود برنامه‌ریزی برای بازنشستگی، این چالش را پذیرفت. او به یکی از همکارانش در این رابطه می‌گوید: «تنها چیزی که از آن پشیمان خواهم شد این است که پیش از حل کردن مشکل وویجر ۱ بازنشسته شوم.»

گروه نجات وویجر

پس از ناکام ماندن تلاش‌های اولیه برای حل کردن این مشکل، ملستروم، سرپرست آزمایشگاه پیش‌رانش جت یک گروه متشکل از چند نسل مهندسان ایجاد کرد. او می‌گوید: «ما در ابتدا چگونگی حل این مشکل را نمی‌دانستیم. زیرا اصلا علت مشکل مشخص نبود.»

در همین رابطه بخوانید: منظومه شمسی چیست؟+معرفی کامل و جامع سیارات

وویجر ۱ سه رایانه دارد:

1. سامانه کنترل موقعیت، جهت اطمینان از این که کاوشگر در جهت درست قرار گرفته باشد.
2. سامانه کنترل فرمان که دستورات دریافتی از زمین را کنترل می‌کند.
3. زیرسامانه داده‌های پرواز که داده‌های علم و مهندسی برای انتقال به زمین آماده می‌کند.

جایی در آن سه رایانه یک اشتباه رخ داده بود. شاید برخورد یک پرتو کیهانی از اعماق فضا به یک تراشه یا قدیمی شدن یک قطعه سخت‌افزار که دیگر کار نمی‌کرد.

سوزان داد (Suzanne Dodd)، مدیر پروژه وویجر، که چهار دهه در آزمایشگاه پیش‌رانش جت بوده است، در سال‌های اولیه کارش کدهای رایانه‌ای را برای پرواز وویجر ۲ نوشت. او به خوبی اولین نگاه نزدیک وویجر ۲ را از سیاره نپتون و تصویری را از غول یخی با قمر بزرگش موسوم به تریتون (Triton) را به یاد می‌آورد. داد می‌گوید: «تنها چیزی که در اختیار داشتیم، داده‌های نامنسجم و مخدوش بود که نمی‌دانستیم چه بخشی از کاوشگر درگیر مشکل است.»

این گروه پژوهشی، با ارسال دستوراتی به وویجر ۱ تلاش کردند تا آن را به انسجام برگردانند. آن‌ها فهرستی را از شکست‌های احتمالی داشتند.

اما فرآیند عیب‌یابی با یک مانع خدشه‌ناپذیر روبه‌رو شد. آن مانع، سرعت نور بود. حتی با سرعت ۱۸۶ هزار مایل در ثانیه، ۲۲ ساعت و نیم طول می‌کشد تا فرمانی ارسال و به وویجر ۱ برسد. سپس، مهندسان باید ۲۲ ساعت و نیم دیگر منتظر بمانند تا فضاپیما پاسخی را بفرستد.

سیاره زمین نیز به طور بی‌قرار و نامناسبی روی محور خود به دور خورشید می‌چرخد. برای برقراری ارتباط با فضاپیماهای دوردست، ناسا به شبکه فضایی عمیق، از جمله تلسکوپ‌های رادیویی بزرگ در کالیفرنیا، اسپانیا و استرالیا متکی است. ایده این است که صرف نظر از حرکت زمین، حداقل یکی از آن‌ها می‌تواند تقریبا در هر زمان به سوی یک فضاپیما باشد.

پژوهشگران، الگویی را از ارسال فرمان و انتظار برای سیگنال بازگشت ایجاد کردند. به دنبال آن، چند روز و هفته تاریک از راه رسید. دیوید کامینگز (David Cummings)، طراح و توسعه‌دهنده نرم‌افزار پرواز پیشرفته، می‌گوید: «هیچ یک از آن دستوراتی که ما ارسال کردیم، قادر به ایجاد تفاوت قابل تشخیص نبودند.»

پژوهشگران یک مجموعه از دستورات را ارسال کردند تا زیرسامانه داده‌های پرواز را برای قرار دادن نرم‌افزار در هر یک از ۱۰ حالت متفاوت ارسال داده ترغیب کنند. آن‌ها به موفقیت امیدوار بودند. پس از دو روز، وویجر پاسخ داد اما بدون اطلاعات بود. گِرگ چین (Greg Chin)، نمودار فنی این گروه پژوهشی را منتشر کرد و درباره وضعیت کاوشگر به طور خلاصه در یک ایمیل نوشت: «در حال حاضر هیچ جایی برای خرسندی وجود ندارد.»

رمزگشایی

تنها یک روز پس از ایمیل عدم خرسندی، پژوهشگران موجی از خوش‌بینی را احساس کردند. متخصصان حوزه انتقال رادیویی متوجه شدند که در برخی از حالت‌ها، سیگنال بازگشت وویجر ۱ بر الگویی با رایانه زیرسامانه پرواز سوار شده است. رایانه زیرسامانه پرواز، داده‌ها را تولید می‌کند اما فرمت داده‌ها عادی نیست. این نشان می‌دهد که پردازنده کار می‌کند و از برخی قسمت‌های حافظه پشتیبانی می‌کند. کامینگز می‌گوید: «این نتیجه خیلی بزرگی بود. پردازنده نمرده بود.»

پژوهشگران در نهایت منشا مشکل را که از یک تراشه حافظه بود، ردیابی کردند. که یک بیت را برای هر یک از ۲۵۶ کلمه پیوسته حافظه نگه می‌دارد.

مهندسان نرم‌افزار را به قسمت‌های متفاوتی از حافظه زیرسامانه داده پرواز منتقل کردند. آن‌ها نمی‌توانستند ۲۵۶ کلمه را در یک گروه جابه‌جا کنند؛ زیرا جایی برای همه آن‌ها وجود نداشت. درنتیجه آن‌ها باید آن را به چندین بخش‌ تقسیم و همه چیز را تصحیح می‌کردند. این کار خسته‌کننده و پر از خطا بود.

کامینگز با آرمن ارسلانیان (Armen Arslanian)، مهندس جوان نرم‌افزار پرواز در آزمایشگاه پیش‌رانش جت، تماس گرفت و پرسید که آیا تمایل دارد در جابه‌جایی کد وویجر به او کمک کند.

گرچه تنها شش سال از فارغ‌التحصیلی ارسلانیان از کالج می‌گذشت، اما شخص مناسبی برای این کار بود. زیرا چگونگی کدنویسی برای فضاپیماها و استفاده از زبان اسمبلی (Assembly language)  که زیربنای زبان‌های رایج مورد استفاده برنامه‌نویسان امروزی است، را می‌دانست. این زبان رایانه‌های دهه ۱۹۷۰ وویجر است. ارسلانیان می‌گوید: «در نهایت به آن مهارت نیاز داشتم.»

گروه آزمایشگاه پیش‌رانش جت، اسنادی را از دهه ۱۹۷۰ داشتند که عملکرد نرم‌افزار را توصیف می‌کردند، اما توضیحات مشروط به اطلاعات دیگری بودند که پیدا نشدند. همچنین، این گروه پژوهشی فاقد تجهیزات مورد نیاز برای تایید کدگذاری بودند. آن‌ها باید همه چیز را به صورت دستی انجام می‌دادند.

این گروه، نرم‌افزار را برای داده‌های مهندسی در اولویت قرار دادند تا بتوانند به طور کامل ارتباط با فضاپیما را بازیابی کنند. این روش کارآیی داشت، آنها می‌توانستند بعدا داده‌های علمی را اصلاح کنند.

پژوهشگران، یک مجموعه از دستورات را به کاوشگر فرستادند و سپس منتظر ماندند. دو روز بعد، کاوشگر اولین داده‌های مهندسی قابل فهم را در بیش از پنج ماه گذشته به زمین فرستاد.

مهندسان هنوز در حال کار کردن روی انتقال کدهایی هستند که داده‌های علمی را کنترل می‌کنند. آن‌ها مشکل و راه حل را پیدا کردند و در حال بررسی انتقال کد هستند.

ملستروم و داد کاملا مطمئن هستند که وویجر ۱ نجات یافته است. ملستروم می‌گوید: «اکنون می‌توانم بدون پشیمانی بازنشسته شوم.»

داد نیز اضافه می‌کند: «فضاپیما در حال کار کردن است. ادامه بده ویجر!»