ماجرای رایانه دردسرساز کاوشگر وویجر ۱ چه بود؟

به گزارش ایسنا، کاوشگر «وویجر 1»(Voyager 1) دوردست‌ترین فضاپیمای ساخته‌ شده توسط انسان به شمار می‌رود که تاکنون به فضا پرتاب شده است. این کاوشگر بسیار فراتر از مدار پلوتو در فضای میان‌ستاره‌ای می‌چرخد و اطلاعاتی را برای آگاه کردن بشریت جمع‌آوری می‌کند.

به نقل از واشنگتن پست، در 14 نوامبر، وویجر 1 به طور ناگهانی ارسال داده را به زمین متوقف کرد. مهندسان ناسا در آن زمان گفتند که اگرچه تماس رادیویی برقرار مانده اما انتقال داده متوقف شده است. بدین ترتیب، بزرگ‌ترین بحران در تاریخ برنامه ویجر آغاز شد.

طی 6 ماه گذشته، گروهی از مهندسان «آزمایشگاه پیش‌رانش جت» ناسا سعی داشته‌اند تا رایانه نصب‌شده روی وویجر 1 را تعمیر کنند. سه مشکل، کار تعمیر را چالش‌برانگیز می‌کنند که به شرح زیر هستند.

1. رایانه بسیار سفارشی‌سازی‌شده است و به هیچ محصول موجود در بازار امروز شبیه نیست.

2. رایانه در دهه 1970 ساخته شد.

3. رایانه 15 میلیارد مایل دورتر از زمین است.

وویجر 1 و کاوشگر دوقلوی آن وویجر 2 در سال 1977 به فضا پرتاب شدند و در سال‌های بعد، تصاویر نزدیک خیره‌کننده‌ای را از مشتری و زحل به دست آوردند. وویجر 2 در کنار اورانوس و نپتون نیز پرواز کرد و به تنها فضاپیمایی تبدیل شد که از این غول‌های یخی بازدید کرده است.

وویجرها از هلیوپوز عبور کردند که در آنجا باد خورشیدی کاهش می‌یابد 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-238 تامین می‌شود. در آینده نزدیک این منبع انرژی برای گرم نگه داشتن فضاپیما و کارکرد آن بسیار ضعیف خواهد بود اما در حال حاضر، آنها تجهیزات علمی عملیاتی دارند که داده‌های غیر قابل دستیابی را درباره ترکیب فضای فراتر از هلیوپوز به زمین می‌فرستند.

تعمیر وویجر 1 برای ناسا و به ویژه برای «جفری ملستروم»(Jeffrey Mellstrom) که 35 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 در بهار، این چالش را پذیرفت. او در ژانویه به یکی از همکارانش گفت: تنها چیزی که از آن پشیمان خواهم شد این است که پیش از حل کردن مشکل وویجر 1 بازنشسته شوم.

گروه نجات وویجر

پس از این که تلاش‌های اولیه برای حل کردن این مشکل به جایی نرسید، سرپرستی آزمایشگاه پیش‌رانش جت یک گروه متشکل از چند نسل مهندسان ایجاد کرد که برخی از آنها کهنه‌کاران آزمایشگاه هستند و برخی دیگر مدت‌ها پس از پرتاب کاوشگرهای وویجر به دنیا آمده‌اند.

ملستروم که سرپرست این گروه است، گفت: ما در ابتدا نمی‌دانستیم چگونه این مشکل را حل کنیم زیرا اصلا نمی‌دانستیم مشکل چیست.

وویجر 1 سه رایانه دارد. یکی سیستم کنترل موقعیت است که مطمئن می‌شود کاوشگر در جهت درست قرار گرفته باشد. دیگری سیستم کنترل فرمان است که دستورات دریافتی از زمین را کنترل می‌کند. سومین رایانه، زیرسیستم داده‌های پرواز است که داده‌های علم و مهندسی را می‌گیرد و برای انتقال به زمین آماده می‌کند.

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

«سوزان داد»(Suzanne Dodd) مدیر پروژه وویجر از سال 2010 که چهار دهه در آزمایشگاه پیش‌رانش جت بوده است، در سال‌های اولیه کارش کدهای رایانه‌ای را برای پرواز وویجر 2 از نزدیک اورانوس و نپتون نوشت.

او به خوبی اولین نگاه نزدیک وویجر 2 را از نپتون و تصویری را از غول یخی با قمر بزرگش موسوم به «تریتون»(Triton) در پس‌زمینه به یاد می‌آورد. داد گفت: تنها چیزی که در اختیار داشتیم، داده‌های نامنسجم و مخدوش بود. ما نمی‌دانستیم چه بخشی از کاوشگر درگیر این مشکل است.

این گروه پژوهشی، دستوراتی را به وویجر 1 فرستادند و تلاش کردند تا آن را به انسجام برگردانند. آنها فهرستی را از شکست‌های احتمالی داشتند و متوجه شدند که یکی از دستورات ممکن است اثری معادل لگد زدن به یک دستگاه فروش خودکار داشته باشد.

اینجا بود که فرآیند عیب‌یابی با یک مانع خدشه‌ناپذیر روبه‌رو شد. آن مانع، سرعت نور بود. حتی با سرعت 186 هزار مایل در ثانیه، 22 ساعت و نیم طول می‌کشد تا فرمانی که به وویجر 1 ارسال می‌شود، به آن برسد. سپس، مهندسان باید 22 ساعت و نیم دیگر منتظر بمانند تا فضاپیما پاسخی را بفرستد.

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

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

پژوهشگران در اواخر فوریه، یک مجموعه از دستورات را ارسال کردند تا زیرسیستم داده‌های پرواز را برای قرار دادن نرم‌افزار در هر یک از 10 حالت متفاوت ارسال داده ترغیب کنند. آنها به موفقیت امیدوار بودند. پس از دو روز، وویجر پاسخ داد اما هنوز بدون اطلاعات بود. «گِرگ چین»(Greg Chin) این گروه پژوهشی، نمودار فنی را منتشر کرد و درباره وضعیت کاوشگر به طور خلاصه در یک ایمیل نوشت: بنابراین، در حال حاضر هیچ جایی برای خرسندی وجود ندارد.

کامینگز گفت: به طور باورنکردنی افسرده‌کننده بود. خوشبختانه داستان به همین جا ختم نمی‌شود.

رمزگشایی

تنها یک روز پس از ایمیل عدم خرسندی، پژوهشگران موجی از خوش‌بینی را احساس کردند.

آزمایش پیش‌رانش جت، متخصصانی را در حوزه انتقال رادیویی دارد و آنها متوجه شدند که در برخی از حالت‌ها، سیگنال بازگشت از وویجر 1 بر الگویی مطابق با رایانه زیرسیستم پرواز سوار شده است. رایانه زیرسیستم پرواز، داده‌ها را تولید می‌کند اما فرمت داده‌ها عادی نیست. این نشان می‌دهد که پردازنده کار می‌کند و از گمان پژوهشگران مبنی بر خراب شدن برخی از قسمت‌های حافظه پشتیبانی می‌کند. کامینگز گفت: این نتیجه خیلی بزرگی بود. پردازنده نمرده بود.

پژوهشگران در نهایت منشا مشکل را ردیابی کردند. مشکل از یک تراشه حافظه بد بود که یک بیت را برای هر یک از 256 کلمه پیوسته حافظه نگه می‌دارد. زیرسیستم داده پرواز با حافظه 8192 بایت ساخته شده است.

مهندسان طرحی را ارائه دادند. آنها نرم‌افزار را به قسمت‌های متفاوتی از حافظه زیرسیستم داده پرواز منتقل کردند. آنها نمی‌توانستند 256 کلمه را در یک گروه جابه‌جا کنند زیرا جایی برای همه آنها وجود نداشت. مهندسان مجبور شدند آن را به چندین بخش‌ تقسیم کنند. آنها باید 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.

ارسلانیان شخص مناسبی برای این کار بود. او تنها شش سال بود که از کالج فارغ‌التحصیل شده بود اما می‌دانست چگونه برای فضاپیماها کد بنویسد و چگونه از «زبان اسمبلی»(Assembly language) کدنویسی که زیربنای زبان‌های رایج مورد استفاده برنامه‌نویسان امروزی است، استفاده کند. این زبان رایانه‌های دهه 1970 وویجر است. ارسلانیان گفت: در نهایت به آن مهارت نیاز داشتم.

گروه آزمایشگاه پیش‌رانش جت، اسنادی را از دهه 1970 داشتند که عملکرد نرم‌افزار را توصیف می‌کردند اما اغلب توضیحات مشروط به اطلاعات دیگری بودند که پیدا نشدند. همچنین، این گروه پژوهشی فاقد تجهیزات مورد نیاز برای تأیید کدگذاری خود بودند. آنها باید همه چیز را به صورت دستی انجام می‌دادند. این کار مانند تلاش برای یافتن یک سوزن در انبار کاه نبود، بلکه مانند تلاش برای بررسی هر تکه یونجه به منظور یافتن معایب احتمالی بود.

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

پژوهشگران در 18 آوریل، 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.

کارهای بیشتری برای انجام دادن وجود دارد. مهندسان هنوز در حال کار کردن روی انتقال کدهایی هستند که داده‌های علمی را کنترل می‌کنند. آنها می‌دانند چگونه این کار را انجام دهند. آنها مشکل را پیدا کردند، راه حل را پیدا کردند و فقط در حال بررسی انتقال کد هستند.

ملستروم و داد کاملا مطمئن هستند که وویجر 1 نجات یافته است. ملستروم گفت که اکنون می‌تواند بدون پشیمانی بازنشسته شود.

داد گفت: فضاپیما در حال کار کردن است. ادامه بده ویجر!