1日の通信遅延がすべてを変える
Voyager 1の運用は、極限のレイテンシとの戦いです。地球から約1光日離れた場所にあるため、無線コマンドが探査機に到達するまでに約24時間を要します。ミッションコントロールは、確認のためにさらに丸1日待機しなければならず、単純な指示であっても約48時間のフィードバックループが生じます。
この膨大な距離のため、ミッションコントロールはドローンのようにVoyager 1を「操縦」することはできません。その代わり、搭載システムが複雑なコマンドシーケンスを実行し、自律的に宇宙探査機を保護する必要があります。エンジニアは精密な指示をアップロードし、その実行を確認するテレメトリを辛抱強く待ちます。このプロセスには、探査機による綿密な計画と強固な自己管理能力が求められます。
わずか数年のミッションを想定して1977年に打ち上げられたVoyager 1は、あらゆる予想を覆してきました。プルトニウムの崩壊熱を動力源とするこの科学観測拠点は、惑星の彼方からデータを送信し続けており、その初期設計の優秀さとNASAの継続的な創意工夫を証明しています。その並外れた寿命は、前例のない継続的な遠隔メンテナンスを必要としています。
6台のコンピュータ、写真1枚分にも満たないメモリ
Voyager 1は3つの主要なコンピュータサブシステムで動作しており、それぞれに冗長化されたバックアップがあるため、合計6台のコンピュータが搭載されています。Computer Command Subsystem (CCS) はミッションシーケンスを処理し、障害保護を管理します。Attitude and Articulation Control Subsystem (AACS) は宇宙探査機の姿勢を維持し、アンテナを地球に向け続けます。Flight Data Subsystem (FDS) は、科学およびエンジニアリングのテレメトリを収集、フォーマット、圧縮して送信します。
これら6台のコンピュータを合わせても、メモリ容量はわずか69キロバイトしかありません。これは現代のスマートフォンの高解像度写真1枚分にも満たない容量です。エンジニアはオリジナルのソフトウェアをアセンブリ言語で記述しており、打ち上げ時点で空き容量はほとんど残されていませんでした。あるプログラマーは、姿勢制御用コンピュータのメモリは残りわずか2ワードしかなかったと述べています。
重要なのは、Voyagerのメモリが書き換え可能であったという点です。打ち上げ後に変更不可能なApolloミッションのハードワイヤードな「ロープメモリ」とは異なり、Voyagerの設計ではエンジニアがソフトウェアの変更をアップロードすることができました。この機能は不可欠なものとなり、ミッション開始から数十年経った後でも重要なアップデートや修理を可能にしました。1979年の木星フライバイだけでも、18回ものソフトウェア変更が送信されています。
NASAは故障したチップを回避してコードを再配置
2023年11月、新たな試練が訪れました。コマンドは受信できているものの、Voyager 1が0と1の読み取り不能な繰り返しパターンのみを送信し始めたのです。科学データとエンジニアリングデータのパッケージングを担当するFlight Data Subsystem (FDS) が故障し、地上管制は事実上の盲目状態に陥りました。
エンジニアは2024年3月に遠隔診断を開始し、メモリの読み出しを促すための「プローブ（突き）」コマンドを送信しました。この操作により、メモリチップの1つが故障し、FDSメモリの約3%が破損していることが判明しました。この小さくも致命的な故障により、膨大なデータが理解不能なものとなってしまいました。
連続した大きな空きメモリ領域が存在しない中、チームは大胆な解決策を考案しました。彼らは影響を受けたコードを細かく断片化し、メモリ内の散在する未使用領域に再配置するという骨の折れる作業を行いました。さらに重要なことに、彼らはFDSソフトウェア内のすべての参照ポイントを書き換え、これらの新しい場所を反映させました。従来のソフトウェア開発ツールや物理的なテスト用探査機を使用することなく、手作業で変更をバイナリに変換したのです。
この複雑な修復作業は段階的に行われました。宇宙船の健全性を示すエンジニアリングデータが2024年4月に戻り、5か月ぶりにテレメトリの読み取りが可能となりました。6月までには、すべての稼働中の観測機器から科学データの送信が再開され、チームの創意工夫が証明されました。ミッションの歴史や現在の運用に関する詳細は、Voyager - NASA Scienceをご覧ください。
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次の敵は距離ではなく、電力である
Voyager 1の次の大きな課題は電力です。この宇宙船は、地球に向けたアンテナの向きを維持するためにthrusters（スラスター）を使用しており、向きを修正するために断続的に噴射を行います。しかし、燃料システムの経年劣化、特に燃料タンク内のゴム部品から二酸化ケイ素が剥がれ落ち、0.25mmあった微細な燃料通路が徐々に0.035mm程度まで狭まっています。この詰まりがスラスターの信頼性を脅かし、正確な姿勢制御をますます困難にしています。
このエンジニアリング上の戦いは、ミッションのpower budget（電力予算）に直接影響を与えます。Voyager 1は、プルトニウムの崩壊熱を電気に変換する放射性同位体熱電気転換器（RTG）で稼働しています。これらの発電機は、毎年約4ワットずつ出力を失っています。減少する電力を補うため、NASAのエンジニアはヒーターや科学観測機器を選択的に停止させ、通信や姿勢制御といった不可欠なシステムを確実に稼働させ続けなければなりません。現在、Voyager 1の10個の観測機器のうち8個が停止しています。
Deep Space Networkは、1光日近く離れた宇宙船からの、ますます微弱になる信号を捉え続けなければなりません。NASAは少なくとも1つの観測機器が2030年代まで稼働し、通信は約2036年まで続くと予想していますが、残りの電力と稼働中の観測機器が、最終的にVoyager 1が星間空間からデータを送信できる期間を決定することになります。年を追うごとに、ミッションは静かな終焉へと近づいています。
よくある質問
Voyager 1のメモリ容量はどれくらいですか？
資料によると、6台のコンピュータを合わせて約69キロバイトのメモリを搭載しています。
Voyager 1との通信にはどれくらい時間がかかりますか？
1光日という距離では、無線信号が片道で約1日かかるため、コマンドの送信から応答の受信まで約2日かかることがあります。
NASAはVoyager 1の2023年のデータ問題をどのように解決しましたか？
エンジニアが故障したメモリチップを特定し、影響を受けたコードを空いている小さなスペースに移動させ、プログラムの参照先をリモートで更新しました。
Voyager 1は今でも科学データを送信できますか？
2024年のソフトウェア修復後、科学データを送信していますが、宇宙船の老朽化に伴い、観測機器と電力供給の管理が行われています。