Très bonne question! La réponse se résume aux statistiques d'échec. Certains aspects impliquent les statistiques de pannes «aléatoires» - pour une raison quelconque, un composant critique ne fait que mordre la poussière - et certains impliquent des pannes provoquées par des événements, telles que des pannes induites par des chocs à l'atterrissage, de longues brûlures de moteur, des contraintes atmosphériques d'entrée, etc.

Quand quelqu'un (un gouvernement, généralement) dépense des centaines de millions à des milliards de dollars / euros (ou l'équivalent en yens, ou en roupies, ou en roubles, ou autre) pour une mission scientifique, ils veulent la probabilité d'échec être "suffisamment bas", ce qui signifie généralement très bas. Plus on dépense, généralement plus la probabilité d'échec acceptée est faible. Les chiffres typiques que j'ai vus en travaillant avec la NASA et le JPL sont une probabilité de succès de 95% pour une mission relativement peu coûteuse et de 99% ou même plus pour les missions de classe phare (Probabilité de succès = 1 - Probabilité d'échec). Pousser vers ces probabilités de succès élevées devient très coûteux.

Les probabilités d'échecs aléatoires ne sont pas exactement normalement distribuées, mais traitons-les comme telles. Pour que la probabilité d'échec attendue au cours de la durée de vie prévue de la mission atteigne des valeurs très faibles, vous devez faire en sorte que la probabilité d'échec de 50% soit beaucoup plus longue que cela, parfois plusieurs fois. Vous êtes sur les ailes d'une distribution normale. À 95% de probabilité de succès, vous êtes 2 $ \ sigma $ (deux "écarts-types") par rapport à la moyenne, soit 50% de probabilité d'échec. Si vous souhaitez une durée de mission de, par exemple, 5 ans, avec une probabilité de succès de 95% (probabilité d'échec de 5%) et l'écart-type d'échec est de 4 ans, vous devez alors concevoir une durée moyenne jusqu'à l'échec. de 5 $ + (2 \ fois 4) $ ans, soit 13 ans. Donc, la moitié du temps, vous vous attendez à ce que ce vaisseau spatial conçu pour une mission de 5 ans dure 13 ans.

Les statistiques basées sur les événements peuvent modifier cela davantage. Les composants d'un atterrisseur ou d'un rover doivent être conçus pour survivre à l'entrée atmosphérique (pour une destination avec une atmosphère) et à l'atterrissage. Il existe une probabilité statistique que ces composants échouent, mais ils doivent être conçus avec la robustesse nécessaire pour rendre cette probabilité très faible. Mais concevoir pour survivre pendant l'atterrissage signifie souvent qu'une fois qu'ils ont atterri avec succès, la durée de vie attendue augmente d'un lot.

C'est également vrai pour les engins spatiaux autres que les atterrisseurs. Les engins spatiaux qui sont au repos, c'est-à-dire qui ne font pas de manœuvres de propulsion, ne font pas beaucoup de variations d'attitude radicales, ne font pas fonctionner rapidement des plates-formes de balayage dans le ciel, ont tendance à durer longtemps. C'est le cas des deux vaisseaux spatiaux Voyager : depuis Saturne pour Voyager 1 et Neptune pour Voyager 2 , ils sont en grande partie " croisière tranquille ". De plus, une petite équipe opérationnelle dédiée a mis au point des moyens créatifs de conserver l'énergie électrique. Ils découvrent des tactiques telles que éteindre les instruments qui ne sont plus utiles, éteindre les appareils de chauffage dans les composants qui ne sont plus nécessaires, etc. Lorsque je travaillais sur la rencontre Neptune, je me souviens du projet disant qu'ils s'attendaient à avoir suffisamment d'énergie pour fonctionner jusqu'en 2015 environ. Nous sommes allés bien au-delà de cela, principalement grâce à ces stratégies de conservation de l'énergie. Suzie Dodd, la chef de projet, dit maintenant qu'ils pensent peut-être à 2025.

Il y a beaucoup de réponses génériques ici sur les vaisseaux spatiaux. J'essaierai de répondre à la question spécifiquement pour l'esprit et l'opportunité.

90 sols ont été jugés suffisants pour mener à bien la mission principale des rovers, donc les systèmes ont été conçus et testés pour assurer la pleine capacité à travers les 90 sols entiers.

La première chose qui devrait amener un rover au-dessous de sa pleine capacité était la poussière sur les panneaux solaires. Le taux de dépôt de poussière et l'impact sur les panneaux solaires étaient bien connus d'après Mars Pathfinder, une perte de puissance multiplicative de 0,3% par sol, et était considéré comme une constante globale dans des conditions météorologiques normales. Il s'avère que c'est mondial. Ainsi, les panneaux solaires ont été dimensionnés pour prendre en charge toutes les opérations de conduite, d'instruments et de bras, de communication et de contrôle thermique nécessaires pour une pleine capacité étant donné environ 3/4 de la puissance des panneaux solaires. C'est à dire. ils étaient surdimensionnés d'un tiers, par rapport à la puissance qu'ils pouvaient fournir sans poussière.

(Je sais que quelqu'un voudra alors demander pourquoi il n'y avait pas de mécanismes pour enlever la poussière des panneaux. Il y a beaucoup de réponses sur ce site et à d'autres endroits pour répondre à cette question. Qu'il suffise de dire que surdimensionner les panneaux d'un tiers était de loin le moyen le moins cher et le plus fiable de répondre à l'exigence de durée de vie de 90 sol. Aucun argent ne pouvait être dépensé pour aller au-delà du contrat exigences.)

Nous pouvons voir que même avec le dépôt de poussière attendu, le rover ne mourrait pas simplement à 90 sols. Sa capacité ne commencerait qu'à être réduite au-dessous de «pleine». Vous pourriez continuer pendant longtemps, en continuant à réduire les opérations jusqu'à ce que les panneaux solaires soient tellement couverts de poussière que le rover ne pourrait plus communiquer ou maintenir le contrôle thermique. En outre, la puissance requise pour la pleine capacité a été estimée de manière prudente pendant le processus de conception, et le mobile a en fait besoin de moins que ces estimations pour «plein». Au fur et à mesure que le rover fonctionnait, nous devenions plus intelligents sur la façon d'économiser l'énergie, et pourrions faire chaque watt-heure en voiture beaucoup plus loin ou renvoyer beaucoup plus de données.

Pourtant, ce 0,3% par sol est implacable . Vous ne pouvez pas y aller éternellement. Avant notre lancement, j'avais prédit que les rovers dureraient chacun au moins neuf mois avant de succomber. Ils seraient réduits à 44% de puissance sur les panneaux, et encore plus de perte en raison du mouvement saisonnier du soleil au nord et donc moins de lumière sur les panneaux de niveau. D'autres personnes sur le projet pensaient que j'étais fou. Ils pensaient à six mois, en haut. En tout cas, il n'y avait aucun moyen qu'ils puissent continuer indéfiniment, même s'ils étaient garés sur les flancs des collines pour essayer de pointer davantage les panneaux vers le Soleil.

Alors que s'est-il passé? Comment ont-ils continué après neuf mois? Pendant des années?!

Chance.

De temps en temps, à peu près au même moment de l'année martienne, les rovers vivaient des «événements de nettoyage». Pour la terminologie, le «facteur de poussière» est un pourcentage d'énergie fournie par les panneaux solaires par rapport à l'époque où ils étaient brillants et neufs, en tenant compte de l'inclinaison, de la latitude du Soleil et de l'opacité atmosphérique. Lorsqu'un événement de nettoyage se produisait, le facteur de poussière augmentait soudainement de 10% du jour au lendemain! Cela pourrait se produire pendant quelques nuits, éliminant la majorité de la poussière sur les panneaux. Voici une photo avant et après de l'opportunité des événements de nettoyage de 2014:

(cliquez, puis cliquez à nouveau pour embiggen)

Chaque fois que cela arrivait, les rovers reprenaient vie. Nous avons organisé des événements de nettoyage de manière fiable chaque année martienne. Jusqu'à un an, nous n'en avons pas eu pour Spirit. Spirit est mort peu de temps après.

Les autres limites de vie attendues sur les rovers étaient les moteurs électriques CC à balais et la batterie lithium-ion. En fait, l'un des moteurs d'entraînement des roues est sorti sur Spirit, environ deux années terrestres après le début de la mission. Spirit a continué à boiter pendant quatre ans, traînant cette roue dans la terre. (Une fois résultant en une découverte scientifique trouvée dans la tranchée laissée derrière. Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir de la silice blanche dans une partie de la tranchée Spirit typique creusée par une roue coincée.) En raison de la roue défaillante, Spirit est resté coincé et n'a pas pu se libérer. Son incapacité à se positionner sur le flanc d'une colline lorsque le Soleil s'est déplacé à nouveau vers le Nord a contribué à sa perte lorsque les événements de nettoyage ne sont pas revenus.

Opportunity a également perdu un moteur, mais c'était un moteur de direction et avait donc moins d'impact sur la mobilité. Et Opportunity a continué à voir des événements de nettoyage chaque année martienne, jusqu'à ce qu'il soit frappé par la gigantesque tempête de poussière mondiale.

Les moteurs n'ont été testés que jusqu'à trois fois les 90 sols, simulant le fonctionnement et les variations de température de l'environnement. Et certains de ces tests ont échoué, ce qui a entraîné des changements. Il est donc assez étonnant que ces moteurs aient duré aussi longtemps qu’ils l’ont fait, même avec les deux pannes.

Bien que nous nous inquiétions de la durée de vie des batteries des rovers, ils ont été remarquablement fiables au cours de leurs nombreuses années. d'opérations, et ont perdu très peu de leur capacité.

En général, l'électronique ne devrait pas se dégrader avec le temps, tant que le contrôle thermique est maintenu. Vous n'êtes soumis qu'à des échecs aléatoires, qui peuvent se produire. Il y a eu des pannes dans la mémoire flash d'Opportunity, car elle vieillissait. La mémoire flash a un mécanisme d'usure, bien que nous ayons tendance à ne pas le remarquer car nous n'utilisons pas la même mémoire flash depuis une décennie. Finalement, l'équipe des opérations a abandonné le flash.

En fin de compte, Mars a nettoyé les panneaux solaires la plupart du temps, mais à la fin, les deux rovers sont morts à cause de la poussière. Il y a eu en fait deux pannes de moteur, mais les rovers ont pu continuer. Les batteries ont mieux résisté que prévu. Je m'attendrais à ce que l'électronique continue de fonctionner, même si la mémoire flash a échoué sur l'un des rovers.

C'est ainsi que les rovers ont duré si longtemps. L'histoire de chaque vaisseau spatial est différente.

Ils devaient garantir qu'il fonctionnerait pendant la durée prévue. Chaque composant a un temps moyen entre les pannes (MTBF). L'important ici est que le MTBF soit une moyenne. Cela signifie que la moitié des composants similaires échoueront avant ce moment. Le MTBF, comme la plupart des mesures statistiques, suit une courbe en cloche (voir ci-dessous):

Dans ce graphique, figurez que l'axe horizontal mesure le temps et que le MTBF est au position zéro.

L'astuce est de rendre la pièce suffisamment robuste et / ou d'avoir suffisamment de sauvegardes (la NASA va généralement avec le "et" ici) pour que la durée de vie prévue se situe dans la plage -3.

Cela rend extrêmement improbable la défaillance de la pièce avant la fin de sa durée de vie prévue et beaucoup plus susceptible de durer un peu après le MTBF.

Chaque composant et groupe de composants est conçu de cette façon. Cela signifie que tout ce qu'ils construisent durera, dans la plupart des cas, beaucoup plus longtemps que son MTBF.

Bien qu'ils soient disponibles à l'achat, les fruits du travail de 58 ans d'excellence dans les voyages dans l'espace ne sont pas disponibles chez Radio Shack.

Est-il vraiment difficile de prévoir la durée d'un appareil durera?

Oui. Le contrôle qualité vous indique le nombre de cycles que quelque chose doit être capable de parcourir jusqu'à ce qu'il ne soit peu fiable . Les pièces que vous choisissez d'utiliser doivent être basées sur leur fiabilité. Vos achats basés sur la Terre (mis à part l'obsolescence planifiée *, l'économie et la disponibilité) n'ont pas de telles exigences.

Je ne comprends toujours pas comment ils ont fait cela : concevoir un rover qui a duré près de deux décennies sur une autre planète, et les sondes extra-solaires maintenant de + 30 ans?

Ce que vous ne comprenez pas, c'est que les humains savent comment construire des choses *, faire tout ce que vous pouvez payer, aussi longtemps que nécessaire. Et si vous allez dépenser un milliard de dollars pour lancer une sonde d'un million de dollars, vous achetez les engrenages coûteux et installez des circuits coûteux. - Je dois acheter une nouvelle cafetière à 10 dollars environ une fois tous les deux ans. Payez-moi 10 000 $ et je vous en construirai un que vous pourrez transmettre aux prochaines générations. Combien de zéros dans votre chéquier?

Des personnes ont peut-être été promues pour avoir pu dire: "Oui, j'ai travaillé sur Opportunité ". - mais pas s'il faisait noir depuis 12 heures. À la NASA, tout le monde fait tout exactement et au-dessus de la normale, ou ils pourraient tout aussi bien avoir tout de rester au lit.

Au début, la plupart des sondes ne survivaient pas au lancement ou pendant très longtemps - mais c'est pourquoi nous savons maintenant comment faire un mission durera probablement dix. La mission critique était les 90 premiers jours. Il devait travailler aussi longtemps pour remplir sa propre déclaration. Ce n'est plus de la sauce, mais s'il est mort 89 jours après, c'est un échec de mission.

Garantir que quelque chose fonctionne pendant une période de temps est facile: exécutez simplement les chiffres et appliquez un bon facteur de sécurité. Mais savoir quand quelque chose échouera ne peut être mesuré qu'avec des données de test sacrificielles. Ce que nous avons maintenant pour les rovers sur Mars, et les sondes Pioneer nous avaient dit que les Voyagers seraient capables de gérer le passage, par exemple, le rayonnement de Jupiter (et maintenant même, après le choc de l'arc du soleil).

(*) les humains savent comment construire des choses (pour les faire casser) qui ne devraient jamais se casser, pour vous les acheter à plusieurs reprises, ou des choses qui n'existent pas physiquement comme, The White Album .

S'il y a un seul mot inversé pour obsolescence planifiée , ce serait le mot pour l'amour qui a été mis dans toutes ces sondes.

Comment pouvez-vous tant aimer quelque chose? Payer pour cela et payer les bonnes personnes pour le faire.

Ils écrivent the Right Stuff , "The Onboad Shuttle Group": 260 femmes et hommes basés dans un immeuble de bureaux anonyme en face du Johnson Space Center à Clear Lake, Texas, au sud-est de Houston.

Ce logiciel ne plante jamais. Il n'a jamais besoin d'être redémarré. Ce logiciel est sans bug. C'est parfait, aussi parfait que les êtres humains l'ont atteint. Considérez ces statistiques: les trois dernières versions du programme - chacune d'une longueur de 420 000 lignes - avaient une seule erreur chacune. Les 11 dernières versions de ce logiciel avaient un total de 17 erreurs. Les programmes commerciaux de complexité équivalente contiendraient 5 000 erreurs.

Le groupe écrit un logiciel aussi bon parce que c'est à quel point il doit être. Chaque fois qu'il déclenche la navette, son logiciel contrôle un équipement de 4 milliards de dollars, la vie d'un demi - douzaines d'astronautes, et les rêves de la nation. Même la plus petite erreur dans l'espace peut avoir d'énormes conséquences: la navette spatiale en orbite se déplace à 17 500 miles par heure; un bogue qui cause un problème de chronométrage de seulement deux tiers de seconde met la navette spatiale à trois milles de la route.

L'espace est peut-être vraiment très grand. Mais il n'y a absolument aucune place à effaround.

La plupart des sondes spatiales ne survivent pas beaucoup plus longtemps que ce pour quoi elles ont été conçues.

Exemple: missions sur Mars. 30 échecs, 18 missions réussies et 8 missions en cours. Je compte 4 missions (Viking 1 et 2 atterrisseurs, Spirit et Opportunity) qui ont duré bien plus longtemps que leur mission principale. Donc 4/56 représente 7% des missions sur Mars.

Il y a une courbe de baignoire au travail: si une mission survit au lancement et à l'insertion / l'atterrissage en orbite, il y a de fortes chances qu'elle remplisse sa mission principale (pour les raisons données dans d'autres réponses). À un moment donné, le matériel commence à atteindre la fin de sa vie et vous obtenez des pannes de composants (dont certaines ont une redondance ou peuvent être compensées, comme le grippage de la plate-forme de la caméra du Voyager ou la panne de la roue MER, une panne d'ordinateur, etc.).

Certains types de missions durent plus longtemps que d'autres:

• les atterrisseurs stationnaires ont une quantité limitée de science à faire. À un moment donné, le retour de la science diminue et la mission est terminée.
• les rovers peuvent se rendre à un nouvel endroit, il est donc logique de les concevoir avec des missions étendues à l'esprit
• les orbiteurs finissent par manquer de carburant pour l'entretien de la station
• missions de survol à court de cibles (mais les quelques missions dans l'espace lointain que nous avons, donnent des informations intéressantes sur l'espace lointain afin que nous les maintenions sous tension aussi longtemps que possible).

Il y a de très bonnes réponses ici sur les modes d'échec et les statistiques, en regardant les cas spécifiques d'Esprit et d'Opportunité, il y a un peu plus. La NASA venait de subir 2 échecs consécutifs avec Mars Climate Orbiter et Mars Polar Explorer, tous deux causés par des erreurs de développement, vu comme le résultat de l'approche "Better, Faster, Cheaper" de la NASA (pour plus de détails à ce sujet, voir ma réponse ici).

La NASA avait besoin d'une victoire pour montrer aux contribuables américains, au congrès et au monde entier qu'ils étaient toujours en affaires, ils ont donc construit 2 sondes au lieu d'1 pour doubler leurs chances de succès, puis ils ont travaillé dur pour obtenir les bonnes conceptions, en ajoutant les meilleures pièces et matériaux qu'ils pouvaient obtenir. La NASA essaie toujours de sous-promettre et de sur-livrer, mais dans ce cas, ils étaient encore plus conservateurs que d'habitude en ce qui concerne la durée de la mission, 90 jours était un objectif qu'ils étaient raisonnablement certains d'atteindre si les sondes arrivaient.

Il vaudrait peut-être mieux voir cela comme: "Pourquoi certaines estimations de la longévité sont-elles si prudentes?".

Je pense que c'est clair. Ils traitent de nombreuses inconnues. Les rovers mars en sont un excellent exemple. "Combien de temps avant que la poussière ne s'accumule?" est une question difficile à répondre sans y avoir été. Ce n'est pas toujours le cas BTW. Parfois, le facteur limitant est quelque chose de très bien compris, et je suis toujours surpris de la précision de certaines prédictions d'échec.

En tant que technicien au travail, je suis parfois confronté à la question "Pourquoi ça n'a pas marché?". Il est parfois difficile de faire comprendre aux gens que des choses comme Internet nécessitent beaucoup de choses pour fonctionner et, si l'une d'entre elles échoue, tout s'écroule. J'appelle cela une chaîne logistique.

Tout projet spatial va faire face à de nombreux points d'échec. Vos missions sur Mars doivent être (liste simplifiée à l'extrême pour discussion)

1. Construites de manière résistante aux pannes
2. Chargées sur une fusée
3. Lancez-vous dans orbite
4. Libérez-vous de l'orbite sur une trajectoire vers Mars
5. Survivez à une balade dans le vide vers Mars (un seul coup de météore pourrait ruiner votre voyage)
6. Insérer vers l'orbite de Mars
7. Descendez dans l'atmosphère de Mars
8. Atterrissez en toute sécurité
9. Opérez dans un environnement difficile que nous connaissons encore peu

Tout le monde ne va pas aussi loin. Les problèmes imprévus et les mauvaises hypothèses peuvent manger votre déjeuner ( comme une faute de frappe détruisant le tout au cours de l'étape 3)

Ce qui a rendu Spirit et Opportunity différent, c'est qu'ils ont dû fonctionner sous une mauvaise hypothèses sur Mars (car nous en savons peu sur les conditions de surface à long terme de la planète sur le matériel). La mauvaise hypothèse la plus notable était que la poussière martienne recouvrirait de façon permanente les panneaux solaires, les rendant inutiles après 90 jours. Nous avons appris que cette hypothèse était erronée et on pense que le vent martien la fait tomber. Avec le nettoyage des panneaux solaires, les rovers pourraient continuer à fonctionner plus longtemps. Spirit est mort après que ses roues ont cessé de fonctionner et il n'a pas pu s'orienter pour l'hiver. L'opportunité (qui s'en sortait mieux avec ses roues) est morte lorsqu'une tempête de poussière a probablement coupé le courant trop longtemps.