ایسنا: طرح عظیم «هویگنس ـ كاسینی» چقدر هزینه مالی داشته است و چه كشورهایی در این طرح همكاری دارند؟
«هزینه پروژه كاسینی در حدود 3/3 میلیارد دلار تخمین میزنند. من از جزییات این بودجه اطلاع ندارم اما باید متذكر شد كه بخش عمده این هزینهها صرف ادامه ماموریت میشود و تنها صرف تولید آن نشده است. همیشه یك نگرانی در تصمیمات گسترش مدت ماموریت وجود دارد. سهم ناسا از بودجه تاكنون بیشتر از آژانسهای فضایی اروپا و ایتالیا بوده است و ناسا بیش از دو سوم بودجه را پرداخت كرده است.»
ایسنا: با توجه به این كه برنامهریزی ماموریت «هویگنس» از سالها قبل انجام شده بود آیا در این مدت با مشكل پیشبینی نشدهای در سیستم ارتباطی «كاسینی» و «هویگنس» مواجه نشدید؟ چطور این مشكل را رفع كردید؟
« یك اشكال مهم در طراحی خط ارتباطاتی میان فضاپیمای كاسینی و كاوشگر هویگنس وجود داشت. این اشكال از این واقعیت نشات گرفت كه وقتی یك موج (مانند امواج صوتی و رادیویی) از یك منبع در حال حركت منتقل میشوند، یك گیرنده در جلوی منبع شاهد افزایش در فركانس موج خواهد بود، در حالی كه گیرنده پشت منبع فركانس پایینتری را اندازهگیری خواهد كرد.
زمانی كه هم فرستنده و هم گیرنده حركت میكنند، سرعت نسبی آنها در طول خطی كه آنها را به هم مرتبط میكند. این جهش در فركانس مشاهده شده را نشان میدهد. این وضعیت «Doppler Shift» نامیده میشود كه برای مثال زمانی اتفاق میافتد كه ما صدای آژیر آمبولانسی را میشنویم.
در ابتدا ما صدایی با فركانس پایین را میشنویم (صدای بم) و هرچه آمبولانس نزدیكتر میشود، موج صوتی دریافتی شدت بیشتری پیدا میكند (صدای زیر)، برای خط ارتباطاتی كاسینی ـ هویگنس، این پدیده باید به گونهای مناسب در نظر گرفته میشد، چرا كه در طول مهمترین مرحله از فرود هویگنس بر روی تیتان، در حالی كه كاسینی، سفینه مادر در مدار بالا میگردد، سرعت نسبی میان این دو بین 5/5 كیلومتر در ثانیه خواهد بود كه نتیجه آن یك Doppler Shift 38 كیلوهرتزی است.
مهندسان آژانس فضایی اروپا پی بردند در حالی كه خط ارتباطی طوری طراحی شده است كه این جهش در فركانس حاصل سیگنالهای هویگنس به سمت كاسینی در نظر گرفته شد، یك حقیقت ظریف و مربوط دیگر نادیده گرفته شد.
در سیستمهای ارتباطاتی، ارسال سیگنال حاوی اطلاعات در راس یك سیگنال حامل امری متداول است؛ بنابراین اطلاعات، كه یك سیگنال با پهنای باند كوچكتر است، در راس یك موج حامل با فركانس بالاتر حركت میكند. طرحهای گوناگونی برای كد گذاری سیگنال اطلاعاتی جهت دسترسی به كمیت و كیفیت بالای اطلاعاتی برای یك پهنای باند موجود كم در اطراف فركانس حامل متمركز شده وجود دارد.
خط ارتباطاتی میان كاسینی و هویگنس از یك طرح كدگذاری موسوم به «Phase-Shift Keying » یا PSK برای انتقال بیتهایی از جریان دادهها شامل یكها و صفرها استفاده میكند. در PSK، مرحله سیگنال دیجیتالی دریافتی مشخص میشود كه آیا به یك بیت «1» یا به یك بیت «0» در مقایسه با یك سیگنال مرجع ترجمه شده است یا نه.
این امر نیازمند زمانبندی دقیقی بین سیگنال دریافتی و سیگنال مرجع است. اگر زمانبندی اشتباه باشد، بیتها به اشتباه رمزگشایی میشوند به طوری كه ممكن است یك بیت «1» به اشتباه به بیت «0» تعبیر شده و بنابراین كل سیگنال اطلاعاتی در هم ریخته و مغشوش میشود.
اشكال در طراحی خط كاسینی ـ هویگنس این بود كه اگرچه بر روی سیگنال حامل Doppler Shift توضیح داده شد، فاقد یك طرح مشابه برای سیگنال اطلاعاتی واقعی بود كه بر روی حامل حركت میكند. در نتیجه این امر باعث گم شدن همزمانی میان دو سیگنال میشود و در نهایت سیگنال مربوطه قابل رمزگشایی نخواهد بود.
یك مهندس سوئدی به نام «بوریس المرز»، كه برای آژانس فضایی اروپا كار میكند، موفق به كشف این مشكل شد.
زمانی كه وی مهندسان و مدیریت پروژه «كاسینی» را در این واقعیت مطرح كرد، تیمی برای حل این مشكل تشكیل شد. اگر «كاسینی» هنوز بر روی زمین میبود، راه حل بسیار ساده بود؛ اما با توجه به این كه فضاپیما تا آن هنگام در مسیر حركت بود و بنابراین تعمیر نرمافزار ثابت كه پارامترهای سیستم ارتباطاتی را كنترل میكند غیر ممكن بوده و باید راهحلهای دیگری پیدا میشد، پس از بررسی بسیاری از گزینههای پیشنهادی، آخرین موردی كه درباره آن به توافق رسیدند، تغییر مسیر طراحی شده فضاپیمای «كاسینی» بود به طوری كه در طول فرود «هویگنس» بر سطح «تیتان»، «كاسینی» و «هویگنس» سرعت نسبی صفر در طول خطی كه آنها را به هم مرتبط میكند، داشته باشند.
تنها سرعت نسبی آنها حالت عمود نسبت به آن خط بود كه باعث یك Doppler Shift نمیشد. تاثیر این تغییر بر روی ماموریت این بود كه برخورد با «تیتان» به مدت یك ماه به تاخیر افتاد كه پس از آن «كاسینی» قرار بود به مدار از قبل برنامهریزی شده خود بازگردد. از آن جا كه ذخیره سوختی موشك كافی بود، آتش كردن اضافی موشكها تغییر مهمی در ادامه ماموریت ایجاد نمیكرد.»
ایسنا: لطفا قدری هم درباره سیستمهای سختافزاری و نرمافزاری رادار فضاپیمای «كاسینی» توضیح دهید.
« سیستمهای سختافزاری «كاسینی» شامل ابزارهای اندازهگیری علمی مختلف، زیرسیستمهای انرژی مسوول تهیه انرژی برای سیستمهای سختافزاری مختلف دیگر (با استفاده از ژنراتورهای رادیو ایزوتوپ ترموالكتریكی)،سیستم كنترل موقعیتی و صوتی برای كنترل وضعیت، آوا و تعیین موقعیت فضاپیما، الگوی رانشی برای ایجاد اطمینان در هنگام تغییر ضروری مسیر و جهت فضاپیما، زیرسیستمهای فركانس رادیویی و آنتنی برای ارتباط گیری با زمین (در این جا یك آنتن با گیرندگی بالا و دو آنتن باگیرندگی پایین وجود دارد كه برای ارسال اطلاعات و دادهها و نیز تبادل دستور و كنترل سیگنالها به كار میروند)، زیرسیستم كنترل فرمان و دادهها كه تمام زیرسیستمها و دستهبندیهای اطلاعاتی را كه از كنترل كنندههای زمینی دریافت میكند برای فرمان دادن به هرچیز دیگری در فضاپیما، كنترل میكند، دستگاه ثبت داده برای جمعآوری و ضبط دادهها از تمام ابزار بار مفید علمی (این وسیله بر خلاف وسایل ضبط نواری قبلی جامد است)، یك زیرسیستم ساختاری برای ایجاد حمایت ساختاری و متحد كردن تمام تجهیزات و چندین زیرسیستم سختافزاری دیگر از جمله زیرسیستمهای سیمكشی، زیرسیستمهای دستهبندی الكترونیك و زیرسیستم كنترل دما است.
«كاسینی» همچنین دارای سیستمهای نرمافزاری مختلف برای كنترل سختافزار و ایجاد ارتباط بین آنها، فضاپیما و زمین است.»
ایسنا: «كاسینی» برای ارتباط با زمین و «هویگنس» از چند رادار و سیستم ارتباطی استفاده میكند؟ آیا برای پیشگیری از مشكلات احتمالی رادارهای جایگزین هم برای آن پیشبینی شده است؟
« ارتباطات با زمین از طریق آنتنهایی با گیرندگی بالا (HGA) و دو آنتن با گیرندگی پایین (LGA-2 و LGA-1) صورت میگیرد.
این دو منتقل كننده خودكار مسیر ارتباط دو طرفه میان «كاسینی» و تعدادی از ایستگاههای ردیابی بر روی زمین كه شبكه فضایی عمیق ناسا را تشكیل میدهد، ایجاد میكند. آنتنهای ضعیفتر برنامه پشتیبانی برای ارتباط گیری در موقعیتهای اضطراری مانند نقص در جریان برق ارایه میكند.
به طور طبیعی آنتن قویتر ارتباط با زمین را برقرار میكند. این آنتن همچنین به عنوان آنتنی برای رادار تصویری كاسینی و وسیله رادیومتری استفاده میشود. در طول بخش ابتدایی از سفر، این آنتن به عنوان یك چتر محاظفت از خورشید برای فضاپیما عمل میكند.»
ایسنا: فضاپیمای «كاسینی» چطور از این فاصله بسیار زیاد اطلاعات خود را به زمین میرساند؟
«اطلاعات از «كاسینی» و به سمت آن از طریق شبكه فضایی عمیق (DSN) ناسا كه یك شبكه گسترده از آنتنهای بزرگ بر روی زمین است، منتقل میشوند. ایستگاههای این شبكه در سه موقعیت اساسی متمركز میشوند. یك ردیف آنتن در گلداستون در كالیفرنیای آمریكا، یكی نزدیك مادرید در اسپانیا و مجموعه دیگر نزدیك كانبرا در استرالیا قرار دارد.
این موقعیتها تقریبا 120 درجه از طول جغرافیایی از هم فاصله دارند و امكان نظارتهای دایمی از فضاپیمای مختلف همزمان با چرخش زمین را فراهم میكند. هم مقر این شبكه مجموعهای از آنتنهای منعكس كننده سلجمی شكل با گیرندگی قوی دارد.»
ایسنا: آیا در جریان ارسال این اطلاعات پارازیت یا اختلالی ایجاد نمیشود؟
« امكان بروز اختلال یا قطع ارتباطات همواره وجود دارد. این مشكلات حتی میتوانند در سایتهای شبكه فضایی ناسا كه ممكن است یك یا چندین آنتن آن گهگاهی دچار اشكال شود و یا بر روی كاسینی به وجود آیند. در اغلب موارد مشكلات دایمی و یا بسیار جدی نیستند. اگر یكی از این پایگاهها دچار اشكال شود، معمولا دو مقر دیگر دریافت و انتقال دادهها را ادامه میدهند.»
ایسنا: آیا كنترل «كاسینی» صرفا از طریق ایستگاههای زمینی است؟( یعنی اگر ارتباط آن با زمین برای مدتی قطع شود، امكان ادامه فعالیت آن وجود دارد؟)
«بله، «كاسینی» هماكنون تنها از طریق ایستگاههای زمینی كنترل میشود. از آن جا كه فضاپیما تاكنون از زمین دور بوده است، مگر این كه سیگنال بسیار قوی از آن و یا به سمت آن مخابره شود، ارتباطات قابل اطمینان قابل برقرار شدن نیستند. قدرت یك سیگنال پس از مسافرت در مسافت بالای یك میلیارد كیلومتر بسیار كمتر میشود؛ بنابراین، یك سیستم آنتی بسیار حساس بر روی زمین مورد نیاز است.
در حال حاضر هیچ مقر دیگری بر روی زمین یا در مدار اطراف زمین وجود ندارد كه برق محدود یا نیاز به جریان را برای ماموریت كاسینی هماهنگ كند.»
ایسنا: سیستم ارتباطی كاسینی چگونه طیف متنوع دیتاها مثل اطلاعات دریافتی از «هویگنس» شامل عكس، صدا و اطلاعات به دست آمده از ابزارهای مختلف آن را دریافت و به زمین ارسال میكند؟
« دادههای جمعآوری شده توسط هویگنس از طریق سیستمهای گوناگون جمعآوری صدا، تصویر و دادههای رادیویی ابتدا دیجیتالی شده و سپس از طریق سیستمهای ارتباطاتی خود آنها به فضاپیمای كاسینی فرستاده شد. در پاسخ سوالهای قبل برخی از ویژگیهای این سیستم توضیح داده شد.
اطلاعات ارسال شده به كاسینی از هویگنس ضبط شدند و سپس با گذشت زمان به زمین بازگردانده شدند. آنچه در طول فرود هویگنس اتفاق افتاد، این بود كه یكی از دو كانال ارتباطاتی میان آنها (در فضاپیمای كاسینی) به اشتباه روشن نشد و بنابراین برخی از دادههای جمعآوری شده به سفینه مادر منتقل نشدند.
ایستگاه فضایی اروپا مسوولیت این خطای كوچك را بر عهده گرفته است. خوشبختانه، چندین تلسكوپ رادیویی زمینی در آمریكا، استرالیا، ژاپن و چین برای گوش دادن به هویگنس در طول این مدت طراحی شده بودند به طوری كه حجم زیادی از دادهها دوباره احیا شدند و در نهایت در اختیار دانشمندان قرار خواهند گرفت.»
ایسنا: چه خطرات احتمالی «كاسینی» و تجهیزات رادار آن را در این سفر طولانی فضایی تهدید میكند؟
« به طور كلی موارد زیادی هستند كه میتوانند در سیستمی به پیچیدگی «كاسینی» به طور غیر طبیعی كار كرده و دچار نقص شوند ولی با طراحی دقیق و اقدامات مهنسی سعی شده است كه در پروژه این مشكلات پیشبینی شده و طرحهای پشتیبانی و سیستمهای تصادفی برای جلوگیری از مشكلات و نواقص بزرگ وجود داشته باشد. دهها و صدها سناریوی احتمالی خطا برای هر زیرسیستم بر روی زمین در نظر گرفته شده و هر یك اصلاح میشوند.
البته هنوز ممكن است سناریوهای دیگری نیز وجود داشته باشند كه ما نمیتوانیم پیشبینی كنیم. گاهی اوقات سادهترین مشكلات نادیده گرفته میشوند (مانند مورد طراحی ایتالیایی از سیستم ارتباطاتی میان كاسینی و هویگنس كه در سوالات قبل شرح داده شد.) در این موقعیتها، ما به بهبودپذیری سیستمهای موجود و تجربه و خلاقیت بسیاری از مهندسان و دانشمندان باهوش برای حل مشكلات در دقایق آخر اطمینان میكنیم. گاهی اوقات مشكلاتی وجود دارند كه نسبت به آنها نه كنترل و نه راه حلی در اختیار داریم.
نه تنها در مورد «كاسینی» بلكه در مورد هر ماموریت فضایی دیگر، اگر برای مثال زیرسیستم برق دچار نقص شود، هیچ سیستم دیگری كار نخواهد كرد كه بدیهی است این امر مضر است.
خوشبختانه از طریق چندین ماموریت پیشین قابل اطمینان بودن این زیرسیستمهای اصلی ثابت شده است.
برای تصور سیستم راداری این قبیل مشكلات مشاهده نشدهاند ولی برای هر سیستم الكترونیك، آنچه ممكن است در نهایت عمر ماموریت را محدود كند در بیانی ساده استهلاك و فرسودگی است.»
ایسنا: آیا امكان تغییر مسیر «كاسینی» برای جلوگیری از برخوردهای احتمالی مثلا برخورد با شهاب سنگها و اجرام كوچك آسمانی وجود دارد؟ سیستمهای حساس راداری و سایر بخشهای كاسینی چگونه در مقابل حوادث احتمالی محافظت میشوند؟
«ابعاد كاسینی حدودا دو برابر یك خودروی كوچك است. اندازه آن در حدود هفت متر در چهار متر است و تقریبا دو هزار و 500 كیلوگرم وزن دارد؛ بنابراین برخورد اجرام كوچك به سفینه تاثیر مهمی بر عملكرد و مسیر آن ایجاد نمیكند. برخورد كاسینی با یك جرم بزرگتر مانند یك شهاب سنگ اگرچه غیر ممكن نیست اما احتمال آن بسیار اندك است، به ویژه اگر احتمال برخورد دو نقطه در حال حركت را در یك چنین فضای بزرگی در نظر بگیرید. به منظور حفاظت علیه اجرام خارجی دیگر، زیرسیستمهای مختلفی كه درباره آن شرح داده شد، به كار گرفته میشوند.»
ایسنا: یكی از مهمترین استدلالهایی كه طرفداران ماموریتهای پرخرج فضایی در برابر مخالفان دارند این است كه ماموریتهای فضایی به توسعه فنی و تكنولوژیك در سایر زمینههای مورد نیاز انسان منجر میشود. به نظر شما ماموریت «كاسینی» و به ویژه سیستم راداری آن كه شما از نزدیك با آن آشنایی دارید چه دستاوردی علمی و تكنولوژیك برای بشر داشته است؟
«مهمترین سهم كاسینی تهیه اطلاعات جدید و بیسابقه درباره قسمت مهمی از منظومه شمسی ما و در نتیجه تهیه سرنخهایی از منابع پیداش آن خواهد بود. بعلاوه، این ماموریت مهمترین همكاری میان ایالات متحده و آژانس فضایی اروپا در زمینه یك ماموریت فضایی بوده و راه را به سوی سایر همكاریهای فعلی و آتی میان این دو آژانس باز كرده است.
این ماموریت بدون همكاری تمام شركا امكانپذیر نمیشد و در همین راستا نمادی از روح همكاری و موفقیت بوده است. همچنین تاثیرات آموزشی این ماموریت را نمیتوان نادیده گرفت. این ماموریت تلاشهای بسیاری را برای تدریس و اطلاعرسانی به محصلان مدارس و دانشجویان و دانشپژوهان درباره ماموریتهای فضایی، منظومه شمسی، حسگرهای مختلف كنترل از راه دور، فناوریهای ابزار مستقر و نیز دینامیكهای مداری در پی داشته است.»