NASA, Voyager 1 운용 유지를 위해 계측기 종료

• 전력 부족이 심해지는 상황에서 Voyager 1의 저에너지 하전 입자 관측 장비 LECP 종료 명령 전송
• LECP는 1977년 발사 이후 거의 49년간 연속 운용됐고, 태양권 바깥의 interstellar medium과 cosmic rays 관련 데이터 수집 수행
• 2월 27일 정기 롤 기동 중 예기치 않은 전력 저하가 발생했고, 자동 보호 시스템이 작동하기 전에 과학 장비를 먼저 끄는 대응 선택
• 현재 Voyager 1에서는 plasma waves 수신 장비와 magnetic fields 측정 장비 2개가 계속 동작 중이며, 다른 인공 우주선이 탐사하지 못한 공간의 데이터를 송신 중
• LECP 종료로 약 1년의 여유 시간 확보 예상이며, 이후 더 큰 전력 절감 계획인 Big Bang 시험을 거쳐 운용 연장과 LECP 재가동 가능성 확보

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Voyager 1 전력 절감 조치

• Voyager 1의 Low-energy Charged Particles experiment(LECP) 종료 명령 전송, 우주선 운용 지속 목적
  • 4월 17일 Southern California의 JPL 엔지니어들이 해당 명령 전송
  • 원자력 전원 기반 우주선의 전력이 부족해지는 상황에서 LECP 종료가 가장 적절한 선택으로 판단
• LECP는 1977년 Voyager 1 발사 이후 거의 49년간 중단 없이 운용된 장비로, 저에너지 하전 입자 측정 수행
  • 이온, 전자, 우주계 및 은하계 기원의 cosmic rays 측정 대상
  • 태양권 바깥 우주에서 interstellar medium 구조 관련 핵심 데이터 제공
  • 압력 전선과 입자 밀도 변화 영역 탐지 수행
  • 두 Voyager만이 지구에서 충분히 멀리 떨어져 있어 이런 정보 제공 가능
• Voyager 1과 Voyager 2는 모두 radioisotope thermoelectric generator 사용
  • 붕괴하는 플루토늄의 열을 전기로 바꾸는 장치
  • 두 탐사선 모두 매년 약 4와트 전력 손실
  • 거의 반세기 동안 우주를 비행한 결과 전력 여유가 매우 얇아진 상태
  • 히터와 장비를 끄며 에너지 절감 필요
  • 동시에 연료 라인이 얼지 않을 정도의 온도 유지 필요

예기치 않은 전력 저하와 대응 필요성

• 2월 27일 정기 계획 롤 기동 중 Voyager 1의 전력 수준이 예기치 않게 하락한 상황
  • 추가 전력 하락이 발생하면 우주선의 undervoltage fault protection system 작동 가능성
  • 이 보호 시스템은 탐사선을 보호하기 위해 구성 요소를 자동 종료
• 보호 시스템이 작동하면 비행팀의 복구 작업 필요
  • 복구에는 긴 시간 소요
  • 그 자체의 위험도 수반
• 자동 개입 전에 먼저 조치가 필요한 상황
  • 과학 장비 종료가 선호되는 선택은 아니지만 사용 가능한 최선의 옵션이라는 판단
  • Voyager 1에는 여전히 작동 중인 과학 장비 2개 유지
  • 하나는 plasma waves 수신 장비
  • 다른 하나는 magnetic fields 측정 장비
  • 두 장비 모두 정상 동작 중이며 다른 어떤 인공 우주선도 탐사하지 못한 공간의 데이터를 계속 송신 중

장비 종료 순서와 실행 계획

• 어떤 장비를 다음으로 끌지에 대한 선택은 즉흥 결정이 아닌 사전 합의된 순서 기반
  • 수년 전 Voyager 과학팀과 엔지니어링팀이 함께 우주선 구성 요소 종료 순서 합의
  • 임무의 고유한 과학 수행을 유지하는 조건에서 부품 종료 순서 결정
• 각 탐사선은 동일한 장비 세트 10개 탑재
  • 현재까지 각 탐사선 장비 중 7개 종료 상태
  • Voyager 1에서는 LECP가 다음 종료 대상
  • Voyager 2의 LECP는 2025년 3월 종료 완료
• Voyager 1은 지구에서 150억 마일 이상(250억 킬로미터) 떨어진 상태
  • 장비 종료 명령 시퀀스가 우주선에 도달하는 데 약 23시간 소요
  • 종료 절차 자체는 약 3시간 15분 소요
• LECP의 일부 구성은 계속 켜진 상태 유지
  • 센서를 원형으로 회전시켜 전 방향을 스캔하는 소형 모터 유지
  • 이 모터의 소비 전력은 0.5와트
  • 전력 사용량이 작아 유지 부담이 낮음
  • 나중에 추가 전력을 확보하면 장비를 다시 켤 가능성을 높이기 위한 선택

다음 단계와 Big Bang 계획

• LECP 종료로 Voyager 1에 약 1년의 여유 시간 확보 예상
  • 이 기간 동안 두 Voyager 모두에 적용할 더 큰 전력 절감 조치 준비
• 해당 조치의 명칭은 “the Big Bang”
  • Voyager 운용 기간을 더 연장하도록 설계된 계획
  • 전원이 필요한 장치 묶음을 한 번에 교체하는 방식
  • 별칭은 여러 장치를 동시에 바꾸는 방식에서 유래
  • 일부 장치를 끄고 더 낮은 전력을 쓰는 대체 장치로 바꿔 우주선 온도 유지
  • 과학 데이터 수집을 계속할 수 있을 정도의 온도 확보 목적
• Big Bang은 먼저 Voyager 2에 적용 예정
  • Voyager 2가 전력 여유가 조금 더 많음
  • 지구에 더 가까워 더 안전한 시험 대상
  • 2026년 5월과 6월 시험 계획
  • 시험이 잘 진행되면 Voyager 1에는 7월 이후 동일 조치 시도 예정
  • 조치가 성공하면 Voyager 1의 LECP 재가동 가능성 존재

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 2018년에 Caltech에서 Ed Stone 수업을 들을 영광이 있었음. 11월 1일에 교수님이 Voyager 2가 성간 공간에 도달했다는 “비밀”을 엄청 신나게 알려주셨고, 그걸 증명하는 실제 데이터도 보여주셨음. 다만 11월 5일 월요일 보도자료 전까지는 비밀로 해야 했음. 거의 50년 가까이 프로젝트에 쏟은 열정을 바로 앞에서 본 순간이 정말 특별했고, 그 이야기를 직접 들은 것도 큰 행운이었음. RIP professor

  • Voyager의 놀라운 성공을 깎아내리려는 건 전혀 아니고, 나도 관련 계측기를 만든 JPL 엔지니어 강연을 들은 기억이 있음. 다만 "interstellar space" 발표는 PR에서 너무 오래 우려먹은 느낌이 있었음. 한동안은 매달 비슷한 기사가 하나씩 나오는 것처럼 느껴졌고, 이전 발표와 뭐가 다른지 설명이 너무 부족해서 아쉬웠음

• 지금도 짜증나는 건 New Horizons 말고는 제대로 작동하는 심우주 탐사선이 사실상 없다는 점임. 2006년에 발사된 탐사선 하나가 거의 50년 사이 추가된 유일한 운영 중 심우주 탐사선이라는 건 정말 민망한 수준처럼 느껴짐. 우주망원경도 좋지만, 요즘은 prestige project 같은 최첨단 과시형 프로젝트 외에는 포기한 것처럼 보임. Breakthrough Starshot 같은 계획에 기대를 걸었는데, 그것도 멈춘 분위기여서 아쉬움

  • Pluto 플라이바이 때 두 번째 New Horizons를 쐈다면, 지금쯤 그 탐사선도 이미 Pluto를 지나갔을 거라는 계산이 참 놀라움. 그 플라이바이 이후 시간이 이렇게 많이 흘렀다는 게 실감남. 게다가 프로그램 매니저 중 한 명이 The Moth 팟캐스트에서, 플라이바이 며칠 전에 New Horizons가 재부팅됐을 때 얼마나 패닉이었는지 이야기한 것도 인상적이었음. 2006년 1월 19일 발사부터 2015년 7월 14일 Pluto 근접통과까지 3,463일, 그리고 2015년 7월 14일부터 2026년 4월 19일까지 3,932일이라는 숫자를 보니 시간이 더 실감남
  • 그렇게 먼 우주에서 우리가 대체 뭘 더 보길 원하는지 궁금함. 지금 기술로 쏘는 건 인류의 수명 안에 흥미로운 대상까지 도달하지도 못할 가능성이 큼. Pluto까지 우리 생애 안에 가려면 너무 빨라야 해서 결국 스쳐 지나가는 플라이바이밖에 못 했음. 굳이 가능성을 찾자면 Oort cloud 주변 정도가 흥미로울 수 있겠지만, 그것도 가능성은 낮아 보임
  • 문제의 큰 부분은 Voyager가 활용한 중력 도움(slingshot) 궤도가 사실상 최고 수준이었고, 그런 기회가 여러 세대에 한 번 나오는 희귀한 이벤트라는 점이라고 생각함. 지금 새 심우주 탐사선을 최대로 잘 쏜다고 해도 결국 속도는 꽤 느릴 수밖에 없다는 뜻임
  • 나도 읽은 바로는 Voyager 발사 당시에는 중력 기동에 엄청난 이점을 주는 매우 희귀한 조건이 있었음. 정확한 주기는 기억 안 나지만, 어쩌면 수백 년에 한 번쯤 오는 수준이라고 들었음
  • Voyager는 행성 정렬 덕을 크게 본 케이스였음

• 내가 태어나기 전 해에 발사된 장비가 어떻게 이렇게까지 유연한 구성 변경과 운영이 가능한지 정말 더 잘 이해하고 싶음. 내 책상 위 마이크로컨트롤러조차 코드 업데이트하면 재부팅되기 쉬운데, Voyager는 23시간 지연이 있는 상태에서 전력 경로를 재구성하고 사실상 "big bang" 재설정 같은 작업을 해낸다는 게 머리를 멍하게 만듦. 게다가 아직 연료도 10년치는 남았다는 이야기를 들으니 더 놀라움

  • NASA는 현대의 critical computer systems 설계 기반이 된 많은 것들을 개척한 곳이라고 생각함. Voyager 시스템은 정말 견고하고, 내가 알기로는 새 어셈블리 명령을 직접 올려 메모리에 써넣고, 전원을 완전히 내리지 않는 warm reboot로 새 코드를 실행할 수 있음. 소프트웨어를 고치기 쉽게 설계했고, 중복성과 비상 시스템도 여러 겹으로 넣어둔 foresight가 대단했음. 그래도 이런 코드를 올리는 사람들의 압박감은 상상하기 어려움. 시뮬레이터와 수개월 테스트가 있어도 최악에는 탐사선을 망가뜨릴 수 있는 명령을 보내는 일이니 무서울 수밖에 없음
  • 몇 년 전 Voyager 1의 flight data computer에서 메모리 칩 하나가 고장 났을 때, 팀이 그걸 어떻게 복구했는지 설명하는 강연이 정말 흥미로웠음. 컴퓨터 구조 설명과 함께 어셈블리 루틴도 직접 보여줌. 특히 난관이 엄청났는데, 비행 소프트웨어 소스코드는 오타가 있는 OCR된 Microsoft Word 문서뿐이었고, 프로세서는 Voyager 전용 JPL 커스텀 명령어셋이라 문서도 불완전했음. 원래 비행 소프트웨어를 만든 사람들은 모두 세상을 떠났고, assembler, debugger, simulator도 없었음. 테스트베드조차 없어서 실제 FDS 프로세서 둘은 우주에 있는 것뿐이었다는 점이 압도적이었음
  • 책상 위 microcontroller도 보통은 내장 부트로더나 사용자 부트로더를 이용해 실행 중 자체 플래시를 업데이트할 수 있음. 그래서 Voyager가 정말 “재부팅 없이” 돌아간다고 단정할 이유는 없다고 생각함
  • 충분한 동기와 노력을 들이면 self-updating microcontroller도 만들 수 있음. 정말 원한다면 Voyager 수준으로 견고하고 신뢰성 높고 유연한 펌웨어를 작성하는 것도 가능하다고 봄. 다만 대부분의 경우 그 정도 품질을 만들기 위한 비용과 노력이 정당화 불가능할 정도로 큼이 현실임

• Voyager들이 완전히 침묵하는 날이 오면 꽤 많은 사람들이 감정적으로 흔들릴 것 같음. 정말 장엄한 기계들이라고 느낌

  • 나는 그날을 보지 않았으면 좋겠음

• Voyager 1이 최근 몇 년 동안도 과학적으로 의미 있는 데이터를 보내고 있는지 궁금했음. 계속 살려두려는 노력 자체는 정말 좋게 보지만, 임무가 어느 정도는 이미 끝난 건 아닌지 문득 궁금했음

  • 기사에도 나오듯 Voyager 1에는 아직 작동 중인 과학 장비가 두 개 남아 있음. 하나는 plasma waves를 듣고, 다른 하나는 자기장을 측정함. 둘 다 잘 작동 중이고, 인간이 만든 어떤 우주선도 가보지 못한 영역의 데이터를 계속 보내고 있음. 그래서 팀도 두 Voyager를 가능한 오래 유지하는 데 집중 중임
  • 예를 들면 JPL의 2021년 관련 글 같은 자료를 보면 최근 데이터의 의미를 확인할 수 있음
  • 다큐멘터리 It's Quieter in the Twilight를 정말 추천하고 싶음. Voyager를 운영하는 비행팀을 다루면서, 그들이 정확히 어떤 일을 하고 Voyager가 지금 무엇을 하는지 꽤 깊게 보여줌

• Voyager들이 더 오래 버텨줬으면 좋겠음. 우리는 지구에 묶여 있지만, 저 탐사선들이 인류의 우주 모험 경계를 계속 넓혀가고 있다고 생각하면 정말 매혹적이고 한편으론 위안도 됨

• 두 탐사선에서 아직 살아 있는 시스템과 실험 장비의 전체 목록이 있는지 궁금했음. 지금 어떤 데이터를 수집하고 보내는지 자세히 보고 싶음

  • 여기 NASA Voyager instruments 페이지를 보면 됨

• 추가 맥락이 필요하다면, JPL 엔지니어가 2016년 기준 Voyager mission status를 정리한 아주 훌륭한 논문을 추천하고 싶음. Voyager의 각 장비가 무슨 일을 하는지, 그리고 팀이 임무를 이어가기 위해 어떤 조치를 해왔는지 개요가 잘 담겨 있음. 또 다큐멘터리 It's Quieter in the Twilight도 강력 추천함. Voyager 팀 전체와 프로그램을 계속 살려두려는 노력을 조명해서 정말 좋았음

• 기사에 나온 “2월 27일의 정기적인 계획 롤 기동”이라는 문장을 보고, 전자 부품뿐 아니라 기계 부품까지 아직 살아 있다는 점이 정말 놀라웠음

  • 관측 데이터를 기록하고 지구로 보내기 위해 tape drive를 쓴다는 사실이 특히 놀라움. 48년이 지난 지금도 테이프 릴 하나와 드라이브 벨트가 신뢰성 있게 동작한다고 상상하면 경이로움
  • 그 시대나 그보다 더 오래된 기계들 중 지금도 돌아가는 것들이 꽤 많기 때문에, 애초에 우주 비행용으로 특별히 설계된 이 탐사선이 여전히 작동하는 것도 아주 뜻밖의 일만은 아니라고 생각함

• 이 이야기를 보니 Bad Space Comics의 "The Suit"가 떠올랐음