Le problème avec Hubble: un problème informatique de charge utile arrête la science à l’observatoire spatial

La durée de vie remarquablement longue du télescope spatial Hubble et sa série de contributions étonnantes à l’astronomie démentent son histoire mouvementée. Bien avant son lancement en orbite terrestre basse en 1990, Hubble a souffert de conflits de conception, de pressions financières et budgétaires, et même de la mort de sept astronautes. Longtemps retardé, très modifié et envoyé par erreur en altitude avec une optique sous-optimale, Hubble a quand même réussi à fournir des résultats qui ont littéralement changé notre vision de l’univers, et est peut-être responsable de plus d’écrans de veille et d’images de bureau que toute autre source unique.

Mais tout cela a changé le 13 juin de cette année, lorsque Hubble a subi un problème informatique qui a interrompu le flux de données scientifiques de l’observatoire en orbite. On ne sait pas encore comment le problème actuel avec Hubble va se dérouler et ce que tout cela signifie pour l’avenir de cet atout scientifique presque irremplaçable. Nous espérons tous le meilleur, bien sûr, mais pendant que nous attendons de voir ce qui se passe, cela vaut la peine de saisir l’occasion de plonger à l’intérieur de Hubble pour jeter un coup d’œil à son ingénierie et à ce qui a mal tourné là-haut.

Au-dessus de tout

L’idée de placer un télescope dans l’espace, bien au-dessus de la soupe atmosphérique bouillonnante dans laquelle nous vivons tous près du fond, n’était pas vraiment nouvelle, même au début des années 1960, lorsque les premiers pas hésitants de l’humanité dans l’espace ont en fait rendu possible un plan aussi audacieux. Avant même d’avoir mis une botte sur la Lune, la NASA aspirait à mettre un grand télescope à réflexion en orbite terrestre, dans le but provisoire d’y arriver d’ici la fin de 1979. Ils ont reconnu qu’une telle installation nécessiterait des visites fréquentes pour maintenir et le mettre à niveau, et ainsi la conception du futur télescope spatial s’est déroulée parallèlement au remplacement prévu par la NASA des puissantes fusées jetables de l’ère Apollo : l’avion spatial réutilisable qui deviendrait la navette spatiale.

Le développement parallèle de la navette spatiale et du télescope spatial, qui portera finalement le nom de l’astronome américain Edwin Hubble, a entraîné des décisions de conception qui rapporteraient d’énormes dividendes sur la route. Hubble a été conçu dès le départ pour être entretenu, et plus particulièrement par des missions de navette spatiale. En tant que tel, le vaisseau spatial transportant le télescope et tous les divers instruments scientifiques qui peuvent être commutés sur son chemin optique possède de nombreuses poignées, des points d’attache et des trappes et compartiments facilement accessibles, tous conçus pour faciliter l’exécution de leurs tâches par les astronautes en voyage dans l’espace. À l’intérieur des nombreuses baies d’équipement du vaisseau spatial, les instruments sont fixés avec des attaches standardisées conçues pour être manipulées avec des mains gantées. Hubble est même venu avec un kit complet d’outils spécialisés, à utiliser lors de futures missions de service.

Tous les meilleurs véhicules sont livrés avec une belle boîte à outils. Les outils de service spécialisés de Hubble. Source : NASA

Toujours soucieux de la marche du progrès, les concepteurs de Hubble savaient que les instruments qu’ils pouvaient imaginer et construire dans les années 1980 seraient pâles par rapport à ce qui suivrait sans aucun doute. Pour éviter l’obsolescence intégrée, Hubble a été spécialement conçu non seulement pour les réparations, mais aussi pour les mises à niveau de ses packages scientifiques. Vraiment la seule partie de Hubble qui a été constante au cours de sa durée de vie a été l’assemblage du télescope optique, composé du célèbre miroir primaire mal mis à la terre, d’un miroir secondaire et de structures de support comme les fermes qui les maintiennent en alignement et les déflecteurs pour contrôler les réflexions .

La baie d’instruments derrière le miroir primaire a été conçue pour accueillir cinq instruments scientifiques à la fois. La première mission de service sur le Hubble, qui s’est déroulée le Effort en 1993 et ​​a fait de Story Musgrave et Kathyrn Thornton des noms familiers, incluait le package d’optique corrective COSTAR, qui a restauré la mise au point fine de Hubble et lui a permis d’explorer les objets les plus faibles et les plus éloignés de l’univers. Une douzaine d’autres spectrographes et caméras ont occupé les baies d’équipement au fil des années, certains n’étant restés en place que quelques années ; d’autres font partie intégrante de Hubble, générant des données depuis le tout début.

Ordinateur de vaisseau spatial standard de la NASA : conçu pour être modifié

La prévoyance que les concepteurs de Hubble ont montrée en reconnaissant la nécessité d’échanger des packages scientifiques sur Hubble a également influencé leurs conceptions pour d’autres domaines du vaisseau spatial. Dès le milieu des années 1970, la NASA s’est rendu compte que la construction de sous-systèmes personnalisés pour chaque mission, qui avait si bien fonctionné pour les vols spatiaux habités de Mercure, Gemini et Apollo, serait un obstacle au développement et à la mise en service d’un large éventail de vaisseaux spatiaux pour explorer l’espace proche. À cette fin, le NASA Standard Spacecraft Computer-1 (NSSC-1) a été développé, dans le but de normaliser l’entreprise délicate de maintenir à peu près n’importe quel vaisseau spatial qui l’a transporté stable et en orbite, ainsi que d’exécuter n’importe quelle science la mission les planificateurs pourraient imaginer et faire tout cela avec essentiellement des modifications logicielles.

Le Hubble SI C&DH. Les NSSC-1 sont appelés CPU à l’arrière du plateau, flanqués des piles de modules de mémoire principale et de sauvegarde. Source : NASA

NSSC-1 a effectué un certain nombre de missions avant de se retrouver dans la baie d’équipement de Hubble. Selon les normes modernes, l’ordinateur semble primitif, avec des puces TTL discrètes et seulement 64 Ko de mémoire centrale de 18 bits (la mémoire à fil plaqué a également été utilisée et semble être celle qui était à l’origine sur le NSSC-1) de Hubble. Mais la conception était robuste, résistante aux radiations et redondante au niveau du module, et plus important encore, elle offrait pour la première fois aux planificateurs de mission ce qui était en grande partie absent des contrôleurs d’engins spatiaux précédents : la programmabilité en vol.

Sur Hubble, le NSSC-1 forme le noyau d’un sous-ensemble appelé Scientific Instrument Command and Data Handling Unit, ou SI C&DH. Il s’agit d’un grand plateau sur lequel sont fixés le module NSSC-1 et d’autres modules, comme les régulateurs de puissance, les interfaces vers les instruments scientifiques et les interfaces de télécommande. Tout est redondant et l’ensemble de l’ensemble est conçu pour supporter les remplacements par les astronautes en sortie dans l’espace. En fait, le dernier appel de service payé à Hubble en 2009 comprenait le remplacement du SI C&DH par une nouvelle unité, une avec les modules de mémoire de base d’origine mis à niveau vers CMOS. La vidéo ci-dessous montre le SI C&DH subissant des tests au sol avant de monter à l’étage.

Problème à l’étage

Le problème actuel avec Hubble est centré sur l’assemblage SI C&DH, que les médias ont heureusement surnommé « l’ordinateur de la charge utile ». Le 13 juin, le NSSC-1 de l’unité est passé en mode sans échec, ce qui était le « problème » largement rapporté. Les diagnostics initiaux ont conduit les opérateurs à soupçonner que l’un des modules de mémoire s’était suffisamment dégradé pour que l’ordinateur ne puisse pas continuer à fonctionner. La manière exacte dont un seul module de mémoire dégradé est à l’origine de ce problème est un peu un mystère ; le NSSC-1 n’a besoin que d’un module de mémoire à la fois pour fonctionner, laissant les trois autres – ainsi que les quatre modules de mémoire de la sauvegarde NSSC-1 – en réserve. Mais compte tenu des données disponibles, cela semblait être l’explication la plus logique.

La tentative initiale de récupération à partir de l’état d’erreur était à peu près ce que nous essayions tous en premier : l’éteindre et le rallumer. Les commandes pour le faire ont été envoyées le 14 juin, en vain. L’étape suivante consistait à basculer le NSSC-1 sur l’un des trois modules de mémoire de sauvegarde, mais cette commande a également échoué. Ce diagnostic et d’autres ont conduit la NASA à croire que le problème ne réside peut-être pas du tout dans le NSSC-1 ou ses modules de mémoire, mais plutôt dans d’autres modules du SI C&DH, en particulier le matériel d’interface standard (STINT) ou le module de processeur central. (CPM).

Tester cette hypothèse a nécessité une étape radicale : allumer la sauvegarde NSSC-1 pour la première fois dans l’espace. La sauvegarde n’avait jamais été testée sur Terre et est restée en sommeil depuis son installation il y a douze ans. Cette mesure a été prise les 23 et 24 juin et les données indiquaient que l’ordinateur de secours souffrait exactement de la même panne que l’ordinateur principal.

Il est extrêmement peu probable que l’ordinateur principal et un ordinateur de secours qui est resté inactif pendant plus d’une décennie échouent exactement de la même manière exactement au même moment, de sorte que ce test a fourni des preuves solides que la faute se situe ailleurs. La pensée actuelle est qu’un autre élément matériel sur le SI C&DH, quelque chose partagé par les deux ordinateurs, est en fait à l’origine de la panne et que l’erreur de mémoire n’est qu’un symptôme. La NASA considère le Command Unit/Science Data Formatter (CU/SDF), qui formate et envoie des commandes aux divers instruments scientifiques et données au sol, comme le coupable probable. L’autre suspect est la Power Control Unit, qui conditionne et régule les différents rails de tension nécessaires autour du SI C&DH.

Est-ce la fin?

Bien qu’il semble que la NASA maîtrise bien ce qui se passe avec Hubble, étant donné tout ce que le vaisseau spatial a traversé au cours des 31 dernières années, il est difficile de dire que les chances de récupération sont en sa faveur à ce stade. C’est dommage, car mis à part le problème actuel, le vaisseau spatial et les instruments sont en très bon état. Mais il y a aussi le fait que depuis le retrait de la flotte de navettes en 2011, Hubble est sans le véhicule avec lequel il a été conçu pour être entretenu, et pour le propulser sur une orbite plus élevée de temps en temps pour lutter contre la traînée atmosphérique.

Ce qui est encore plus inquiétant, c’est l’une des dernières modifications apportées à Hubble lors de l’appel de service de 2009 : l’apposition d’un dispositif appelé Soft Capture Mechanism à l’arrière du vaisseau spatial. Initialement destiné à fournir un moyen de ramener Hubble sur Terre dans la soute d’une navette, le but du SCM est désormais de fournir un point d’attache pour une future mission de désorbitation. Livré à lui-même, Hubble se désorbitera naturellement entre 2028 et 2040, prenant une trajectoire qui pourrait laisser le miroir de plus de 800 kg au moins partiellement intact. Le SCM permettra à la NASA de contrôler plus précisément la rentrée, donnant à Hubble une fin rapide et digne à une carrière de plusieurs décennies de réalisations scientifiques inégalées.

Il nous semble qu’une hypothétique mission de désorbite pourrait tout aussi bien être une mission de poussée orbitale, mais cela suppose que la NASA sera en mesure d’éliminer le bogue actuel et de remettre Hubble au travail. En espérant que c’est exactement ce qui se passe, et que le SCM n’ait pas à être utilisé une minute plus tôt que nécessaire.

Un grand merci à [David Anders] pour avoir rassemblé un tas d’excellentes sources sur le NSSC-1 et le SI C&DH et les avoir publiées sur Hackaday.io. Il a été inestimable pour rassembler cet article.

[Main image via Wikimedia Commons]