NASA, 막힌 추진기 교체로 보이저 1호 임무 유지

• 47년째 비행 중인 Voyager 1은 추진기 막힘 때문에 지구와의 통신 방향 유지가 어려워졌고, NASA는 다른 추진기 세트로 전환해 임무를 이어가게 함
• 막힘은 연료 탱크 노화로 생긴 이산화규소가 연료관에 쌓인 결과이며, 궤도 수정 추진기 관 지름은 0.01인치에서 0.0015인치까지 줄어듦
• 우주선에는 자세 제어용 2세트와 궤도 수정용 1세트가 있으며, 2002년과 2018년의 막힘 징후 이후 사용할 수 있는 선택지가 계속 줄어듦
• 전력과 온도 제약 때문에 전환 절차도 까다로웠고, NASA는 주 히터를 약 1시간 끄는 방식으로 필요한 추진기를 데울 시간을 확보함
• Voyager 1은 2012년 8월 성간 공간에 진입한 첫 우주선이며, 현재 지구에서 151.4억 마일 떨어진 곳을 시속 38,000마일로 이동해 운용 난도가 계속 높아지고 있음

---

47년 된 우주선의 추진기 전환

• Voyager 1은 47년 동안 우주를 비행하며 태양계 바깥 데이터를 수집해 왔고, 장기간 비행으로 하드웨어 노화가 임무 유지의 핵심 변수가 됨
• NASA 엔지니어들은 최근 추진기 문제를 해결하기 위해 기존에 의존하던 세트 대신 다른 추진기 세트로 전환함
• NASA 발표에 따르면, 기존 추진기뿐 아니라 전환 대상 추진기에도 막힘이 남아 있음

연료관 막힘과 남은 선택지

• 추진기 내부 연료관에는 이산화규소가 쌓였고, 이는 우주선 연료 탱크 내부 노화의 부작용임
• Voyager 1은 추진기를 사용해 지구 쪽으로 자세를 맞추고 지상 관제와의 통신선을 유지함
• 우주선에는 총 3세트의 추진기가 있음
  • 자세 제어용 추진기 2세트
  • 궤도 수정 기동용 추진기 1세트
• 임무 초기에는 행성 근접 비행을 위해 추진기 종류별 역할이 중요했지만, 지금은 태양계 밖으로 거의 직선 경로를 가고 있어 어느 세트를 쓰는지에 덜 민감함

막힘이 누적된 교체 이력

• 2002년 NASA Jet Propulsion Laboratory 임무팀은 자세 제어 추진기 세트의 일부 연료관이 막히기 시작한 것을 확인함
• 이후 두 번째 자세 제어 추진기 세트로 전환했지만, 2018년 이 세트에서도 막힘 징후가 나타남
• 그 뒤 엔지니어들은 궤도 수정 추진기 세트에 의존함
• 지난 6년 동안 궤도 수정 추진기는 다른 두 세트보다 더 심하게 막힘
  • 원래 연료관 입구 지름은 0.01인치, 즉 0.25mm였음
  • 현재는 0.0015인치, 즉 0.035mm로 줄어듦
  • 이는 사람 머리카락 폭의 약 절반 수준임
• 결국 NASA는 두 자세 제어 추진기 중 하나로 다시 돌아가야 했음

전력과 온도 제약을 넘긴 절차

• 예전에는 단순했던 추진기 전환도, 현재의 Voyager 1에서는 노후 하드웨어 때문에 훨씬 조심스러운 절차가 됨
• 관제팀은 전력 사용량을 줄이기 위해 일부 비필수 탑재 시스템과 히터를 꺼 둔 상태였음
• 전력은 아꼈지만 우주선 온도가 낮아졌고, 사용하지 않던 추진기를 차가운 상태에서 켜면 손상 위험이 있었음
• 비필수 히터를 다시 켜려면 다른 장치를 꺼야 할 만큼 전력이 부족했기 때문에, 엔지니어들은 주 히터를 약 1시간 끄는 방식으로 추진기를 데울 시간을 확보함
• 이 절차를 거친 뒤 필요한 추진기 분기가 정상 작동함

성간 공간에서 계속되는 임무

• Voyager 프로젝트 매니저 Suzanne Dodd는 앞으로의 모든 결정에 과거보다 훨씬 더 많은 분석과 주의가 필요하다고 말함
• Voyager 1은 1977년에 발사됐고, 쌍둥이 탐사선 Voyager 2보다 한 달도 안 된 시점에 우주로 향함
• 더 빠른 경로를 택해 소행성대를 먼저 벗어났고, 목성과 토성에 근접함
  • 목성의 위성 Thebe와 Metis를 발견함
  • 토성 주변에서 5개의 새로운 위성과 G-ring이라는 새 고리를 발견함
• 2012년 8월에는 태양계 경계를 넘어 성간 공간에 진입한 첫 우주선이 됨
• Voyager 1은 현재 지구에서 151.4억 마일, 즉 244억 km 떨어져 있음
• 현재 속도는 시속 38,000마일, 즉 시속 61,155km임
• 올해 초에는 몇 달 동안 지상 관제에 사용할 수 없는 데이터를 보낸 뒤 통신 이상에서 회복함
• 임무 유지는 점점 어려워지고 있지만, NASA는 Voyager 1 운용을 계속하고 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• Voyager 팀이 어떻게 이런 일을 해내는지 계속 놀랍다. 1) 이렇게 먼 거리와 오래된 하드웨어에서 문제를 원격 진단할 수 있다는 것, 특히 추진기 튜브 구멍 크기를 어떻게 측정하는지 궁금함
  2) 어떤 조치를 취할지 결정하는 과정도 신기함. 현장에서 실험할 테스트 장비가 있는 것도 아닐 텐데, 설령 있어도 실제 조건을 재현하기 어려울 것 같음. 잘못 선택하면 임무가 끝날 수도 있고, Voyager 1을 망가뜨리면 대체품도 없음
  3) 1970년대에 만들어져 RAM이 kB 단위였던 장비를 이렇게 세밀하게 제어하고 원격 재구성할 수 있다는 것도 놀라움. 설계 당시 엄청난 선견지명이 있었던 것 같음

  • Voyager 우주선은 Mariner와 Pioneer에서 얻은 설계·운용 경험을 바탕으로, 너무 많은 수동 개입 없이 오랫동안 자동 운용되도록 설계됨. 주요 시스템은 다중으로 중복되어 있고 원격으로 켜고 끌 수 있음
    프로그램 인력은 교체되어 왔지만, 지속을 위태롭게 할 정도는 아니었음. 또 프로그램 관리가 언론 대응과 정치적 연결에 능숙해서 운용 예산을 계속 확보해 왔음. 추진제가 남아 있었는데도 일부 지역을 미지도 상태로 남긴 채 금성 궤도에서 이탈시킨 Magellan 같은 임무와 대비됨
    JPL에는 은퇴 직원이 사무실에 계속 드나들 수 있게 해 주는 retiree badge 제도가 있었거나 있었던 것으로 앎. 많은 프로그램이 사실상 무급으로 매일 출근하던 고지식한 전문가들에게 큰 도움을 받았고, 그런 사람들에게 배우는 건 정말 특권이었음
  • 오랜 세월이 지난 뒤에도 계속 운용하려면 필요한 조직 지식이 엄청나다는 점이 놀라움. 새로 합류한 사람에게 매뉴얼 몇 장 던져 준다고 되는 일이 아님
    많은 사람이 은퇴했을 텐데도 설계의 복잡성을 여전히 이해하고 있음. 오늘날 우리가 만드는 시스템에서도 이런 부분을 이해하고 우선순위에 둬야 함
  • Voyager 임무를 살리는 팀을 다룬 다큐멘터리 It's Quieter in the Twilight가 있음: https://www.youtube.com/watch?v=8vJT8AW0wYw
  • “현지 테스트 장비가 있는 것도 아니지 않나?”에 대해, 하나 이상의 시뮬레이터가 있을 가능성이 높다고 봄. 요즘 말로는 디지털 트윈에 가까움
    하나는 탐사선의 현재 상태를 항상 반영하게 두고, 실제 탐사선에서 주기적으로 상태 데이터를 받아 동기화할 것 같음. 다른 시뮬레이터들로는 관리 변경을 시험해 시스템 반응을 확인할 수 있음
  • 최근에도 고장 난 RAM 모듈 문제에서 복구했는데, 지금 무선 링크 속도는 아마 kbit/s 아래일 수도 있음

• “추진기 안의 연료 튜브가 이산화규소로 막혔고, 이는 우주선 연료 탱크 내부 노화의 부작용”이라는데, 우주선에서 SiO2가 대체 어디서 나오는지 궁금함. 어떤 실리콘 계열 재료일까?
  추가로 보니 “우주선 연료 탱크의 고무 다이어프램이 노화되며 생긴 부산물인 이산화규소로 막힘”이라고 함[0]. 아마 실리콘 고무일 것 같음. 고무가 분해되어 모래가 될 수 있다는 건 몰랐음
  [0] https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

  • 구형 Ti 탱크 안에서 헬륨으로 Teflon을 포함한 고무 풍선을 부풀려 하이드라진(N2H4) 연료를 밀어내는 구조임. N2H4가 그런 우주시대 재료까지 열화시킬 만큼 강했나 봄
    1: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19810001583/downloads/19...
  • 실리콘 고무는 SiO2에서 추출되는 것 같으니 불순물일 수도 있음. 아니면 Si와 O가 폴리머에서 빠져나오는 어떤 반응일 수도 있는데, 그런 일이 가능한지는 잘 모르겠음
    https://en.wikipedia.org/wiki/Silicone_rubber
  • 꼭 실리콘일 필요는 없음. SiO2는 모든 고무 배합에 필요한 성분임

• 2주 전 !!Con에서 Voyager 프로그램의 Bruce Wagoner가 1년 전 있었던 CMOS 메모리 문제를 어떻게 복구했는지 발표했음
  사실상 왕복 지연이 45시간인 상태에서 하는 눈먼 디버깅임
  발표가 훌륭하고, 우주선의 컴퓨터 구조와 너무 오래되어 문서가 서로 충돌하거나 읽을 수 없는 상황에서 다루는 어려움을 잘 보여줌
  https://youtu.be/dF_9YcehCZo?si=W_b3NJ7vgxaYS1__

• Voyager 임무는 정말 대단한 성취임. 하드웨어에 들어갔을 숭고한 설계와 제작 솜씨, 그리고 지금까지 계속 돌리기 위해 필요한 기관 차원의 깊은 지식이 경외감을 줌

• 더 나은 링크일 듯함: https://science.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-1/...

• Voyager에게 시간을 더 벌어준 걸 보니 좋음. 최근에 이 훌륭한 Voyager 다큐멘터리를 봤음: https://www.itsquieterfilm.com/

• 지난달 !!Con에서 Voyager 팀의 Bruce Waggoner가 기조연설하는 걸 보는 큰 즐거움이 있었음. 녹화가 며칠 전에 YouTube에 올라와서 타이밍이 좋음: https://www.youtube.com/watch?v=dF_9YcehCZo

• 47년 동안 운용됐는데도 여전히 자세 보정용 연료가 남아 있음. 어떻게 그걸 해냈는지 궁금함

  • Voyager 탐사선이 인상적이라는 점을 깎아내리려는 건 아니지만, 애초에 하이드라진을 꽤 많이 실었던 것 같음. “Engineering the Voyager Uranus mission”에 따르면 토성 이후 확장 임무는 설계 요구사항은 아니었지만, 목성이나 토성의 주요 임무 목표를 해치지 않는 한 항상 선택지로 보호됐음
    Voyager 2가 5년 더 버틸 확률은 60~70%로 계산되어 NASA의 일반적인 성공 확률 기준보다 훨씬 낮았지만, Uranus로 보내기로 결정됨
    Uranus 근접 통과 뒤에도 Voyager 2는 8년 반 전에 처음 탱크에 실은 하이드라진의 48%를 아직 가지고 있었음
    [1]: doi:10.1016/0094-5765(87)90096-8 (science hub에서 찾을 수 있음)
  • 기억이 맞다면 일종의 원자력 전원을 씀. 원자로 같은 건 아니고, 방사성 붕괴에서 나오는 열로 전기를 만드는 훨씬 단순한 장치임
  • 태양광이라고 봐야 하나?

• Voyager 다큐멘터리들이 좋다는 이야기를 들었고 딸과 하나 보고 싶었는데, NASA가 계속 다큐멘터리를 구식이고 불완전한 자료로 만들어 버림. Voyager가 정말 우리가 아는 범위를 넘어설 때쯤이면 얼마나 많은 놀라운 이야기가 더 생겨 있을까?

  • Voyager 다큐멘터리를 말하면서 어떤 작품인지 말하지 않으면 알 수가 없음. 종류가 많고, 끝까지 보기 전에는 뭐가 좋은지 판단하기도 어려움. 보고 싶었던 게 무엇인지 알려주면 좋겠음
    솔직히 이제는 접근할 수 없는 문서가 너무 많아져서 안타까움

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