Große Datenmengen, die von heutigen sensiblen wissenschaftlichen Instrumenten gesammelt werden, stellen eine Herausforderung bei der Datenverarbeitung für kleine suborbitale Missionscomputer und Avioniksysteme für Raketen und Ballons dar.
Große Datenmengen, die von heutigen sensiblen wissenschaftlichen Instrumenten gesammelt werden, stellen eine Herausforderung bei der Datenverarbeitung für kleine Rechensysteme für Raketen- und Ballonmissionen dar.
„Im Allgemeinen werden wissenschaftliche Nutzlasten immer größer und komplexer“, sagte der Astrophysiker Alan Kogut vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Sie gehen immer an die Grenzen des Machbaren, und die schnelle Wiederherstellung Ihrer Daten hat für die Ballonwissenschaftsgemeinschaft eindeutig hohe Priorität.“
Suborbitale Wissenschaftsplattformen bieten kostengünstige und schnelle Testmöglichkeiten zur Erforschung der Erde, unseres Sonnensystems und des Universums. Ingenieure der Wallops Flight Facility der NASA in Virginia entwickeln mithilfe des internen Forschungs- und Entwicklungsprogramms des IRAD neue Systeme mit höherer Kapazität, um diese Daten zu verarbeiten, zu speichern und zu übertragen.
Eine datenintensive Anstrengung, sagte Kogut, erfordert neue Arten von Sensoren, um schwache Muster innerhalb des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu erfassen: das älteste Licht im Kosmos, das 380.000 Jahre nach dem Urknall erzeugt wurde, als das Universum ausreichend abgekühlt war, um das zu bilden erste Atome.
Die Erfassung der Polarisation – der Ausrichtung dieses Lichts relativ zu seinem Ausbreitungsweg – sollte Muster aus dem ursprünglichen Quantenzustand des Universums zeigen, erklärte er. Wenn diese Muster gesehen werden, könnten sie den Weg zu einer Quantentheorie der Schwerkraft weisen: etwas, das über Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hinausgeht.
„Um diese Polarisierung zu beobachten, sind viele Daten erforderlich“, sagte Kogut. „Die Ergebnisse werden durch das Rauschen in jedem einzelnen Detektor begrenzt, daher wollen Wissenschaftler bis zu 10.000 Detektoren auf einem Ballon fliegen, um dieses Rauschen zu minimieren.“
Während ein hoch über den Wolken schwebender Ballon ein idealer Ort für Missionen sei, um ohne Störungen durch die Erdatmosphäre in den Weltraum zu blicken, sei er auch ein guter Ort, um von der kosmischen Strahlung getroffen zu werden, die unsere Atmosphäre herausfiltert, erklärte er. Diese hochenergetischen Partikel verteilen sich über die festen Strukturen der Ballonnutzlast und erzeugen unerwünschte Signale – Rauschen – in den Detektoren.
Schneller, leichter, günstiger
Das CASBa, Comprehensive Avionic System for Balloons, soll ein ursprünglich in den 1980er Jahren entwickeltes System ersetzen, sagte er Sarah Wright, Leiterin der suborbitalen Technologie bei NASA Wallops. CASBa erfasst, verarbeitet und überträgt Gigabyte statt der Megabyte-Kapazität des aktuellen Systems. Der Aufbau auf kommerziell erhältlichen Computerkernen halte auch die Missionskosten niedrig und reduziere gleichzeitig die Masse, fügte Wright hinzu.
„Das ist die Essenz der Höhenforschungsraketen- und Ballonwissenschaft“, sagte sie. „Wenn es relativ kostengünstig und serienmäßig ist, könnten Wissenschaftler mehr Ressourcen in die Entwicklung des Wissenschaftspakets stecken.“
CASBa werde eine Vielzahl von Optionen und Konfigurationen für unterschiedliche Missionsanforderungen bereitstellen, sagte sie, und mit der Kernbetriebssoftware des Flugsystems arbeiten, die bei NASA Goddard entwickelt wurde.
Sobald sich dies bei einem Ballonflug in diesem Sommer bewährt hat, wird 2025 eine Höhenforschungsraketenversion getestet. Weitere IRAD-Projekte zielen darauf ab, effizientere Leistungsschaltelektronik und Übertragungsfunktionen mit höheren Datenraten zu entwickeln, die zusammengenommen die Rechen- und Downloadkapazität vervollständigen Überholung.
Der Ingenieur Ted Daisey leitet die IRAD-Bemühungen, einen handelsüblichen Computer in der Größe einer Kreditkarte in ihr Steuermodul zu integrieren.
„Wir bauen dies auf der Grundlage eines Raspberry Pi Compute Module 4 auf, einem Industrieprodukt für eingebettete Systeme“, sagte Daisey, „also wird es für suborbitale Projekte, die wir hier bei Wallops durchführen, sehr kosteneffektiv sein.“
Der Ingenieur Scott Hesh entwickelt die Leistungsschalteinheit als Ergänzung zum Raspberry Pi CM4-Computer. Er beschrieb es als einen modularen Switch, der die Stromversorgung des Systems auf bis zu acht verschiedene Hardwaresysteme verteilt. Es verwendet programmierbare Software-„Sicherungen“, um Komponenten vor Überhitzung zu schützen, sowie Hardware-Sicherungen, um die Leistungsschalteinheit zu schützen.
„Das Avionikpaket benötigt etwas weniger Platz und weniger Masse als ein aktuelles Höhenforschungsraketensystem“, sagte er. „Aber es ist ein Game Changer, wenn es um die Implementierung von Avionik und Kommunikation geht. Jedes Modul misst etwa 8 x 6 Zoll, was im Vergleich zu unseren aktuellen Ballonsystemen viel kleiner ist.“
„Diese ganze 21st „Das Avioniksystem des „Century Century“ basiert auf unserer Wallops-Philosophie schneller, agiler und kostengünstiger Lösungen für unsere suborbitalen Plattformen“, fügte Hesh hinzu.
Von Karl B. Hille
Das Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Maryland.
