曾几何时，当最早的间谍卫星被研制出来时，并没有一种简单的方法来通过空中发送高质量的图像数据。卫星将捕捉胶片上的图像，并将弹药筒用降落伞扔回地球，然后由军用飞机回收。
这一切听起来都很古老，鲁布·戈德堡（Rube Goldberg），1957 年也是如此。然而，它仍然是当今从高空任务中恢复大量数据的可行方法。你问真的吗？哦，是的，确实如此， 美国宇航局最近又恢复了这个习惯！
像 5TB 一样丢弃它
美国宇航局的超压气球任务是一个非常奇特的高空气球，负责携带超压气球成像望远镜（ SuperBIT） 。这个 1880 万立方英尺的气球从新西兰发射升空，在高层大气中飞行了近 40 天，为光学设备提供了一个接近太空的环境。该实验的目的是测量星系团的弱引力透镜效应，作为该机构寻找暗物质的一部分。
该实验于 2023 年初启动，有两个主要数据链路——星链连接和跟踪和数据中继卫星系统 (TDRSS)。不幸的是，今年5月，该气球的星链连接出现故障，TDRSS链路也不稳定。因此，气球被指示在飞越阿根廷时着陆，同时与气球的某些连接仍然是可能的。当气球落回地球时，由于着陆时降落伞未能释放，望远镜被拖着地面3公里而被毁坏。
DRS PCB，具有 Raspberry Pi 3B 和用于部署的伺服版本。图片来源： Ellen L. Sirks 等，2023
值得庆幸的是，在气球意外着陆期间，一切并没有失去。这一切都要归功于有效载荷系统，该系统旨在将实验的宝贵数据与主气球分开返回地球。该飞船的数据恢复系统（DRS）是由悉尼大学的 Ellen Sirks 博士设计的。这个漂亮的恢复方案是 11 月份《航空航天》杂志上发表的一篇论文的主题。
在 (a) 中，可以看到 DRS 从聚酯薄膜裙边下方探出。 (b) 显示了发射前悬挂在起重机上的 SuperBIT 硬件，下面悬挂着 DRS 胶囊。图片来源： Ellen L. Sirks 等，2023
“这个下降包是我们开发了大约五年的东西，但直到现在我们才能够在其最终配置中对其进行测试。 NASA 也希望开始为其他科学任务生产这些软件包，所以这实际上是我们证明该系统有效的最终测试。”瑟克斯博士说。
虽然高带宽卫星通信通常是此类任务卸载数据的首选，但有时会出现障碍，或者传输时间过长。 “目前，我们下载数据最有效的方法是将其复制到 SD 驱动器上，然后将其放到地球上，这有点疯狂，但效果很好，”Sirks 博士解释道。它让人想起计算机早期的一句名言。 “永远不要低估一辆装满磁带的旅行车在高速公路上疾驰的带宽”，Andrew Tanenbaum 在 1981 年说道。
每个 DRS 系统都包含一个降落伞和 5 TB 的固态数据存储。还包括用于定位数据的全球导航卫星系统（GNSS）接收器；我们更通俗地将它们称为 GPS 接收器。为了使 DRS 系统能够在下降过程中和着陆后报告其位置，它们携带了一个短突发数据收发器，该收发器与铱卫星网络进行通信，以在地球上几乎任何地方提供可靠的上行链路。
DRS 开发过程中拍摄的热照片。在 (b) 中，Raspberry Pi 底部的热点来自四个 SD 读卡器在大量写入期间升温。图片来源： Ellen L. Sirks 等，2023
深入了解硬件，每个 DRS 模块都有一个 Raspberry Pi 3B 作为操作的大脑。气球主要有效载荷提供的 24V 直流电源在飞行过程中为 DRS 模块供电，在下降过程中使用两个现成的 9 伏 Energizer 锂电池来运行这些设备。对于近太空任务来说，这听起来像是一个有趣的电池选择。毕竟，根据该公司的数据表，在 500 mAh 的放电率（Raspberry Pi 在中等负载下的典型放电率）下，Energizer 锂 9V 最多可持续使用 90 分钟。显然，对于一对来说，要加倍。然而，设计比这更聪明，因为在下降过程中，DRS 使用低功耗微控制器来运行节目，而不是 Raspberry Pi。这提供了更长的电池寿命。这些电池也是一种廉价的解决方案，几乎在地球上任何地方都可以买到，并且在大多数情况下，人们可以假设 DRS 在跌落后会保持原状。另外，太空和近太空任务还必须考虑污染环境等风险；在这种情况下，最好使用已知量的电池，例如劲量电池。
四个 SD 读卡器插入 Pi，其中两个通过延长线，负责存储实验数据。延长线可以缓解早期测试中出现的故障，即在对 SD 卡进行大量写入时，USB 端口会出现过热现象。由简单伺服系统驱动的钳形机构用于释放 DRS。钳子将气球的主要有效载荷上的尼龙环固定住，当伺服系统被激活时，它会释放并掉落。另一个伺服钳机构释放降落伞。以太网链路用于将 DRS 连接到气球的主要有效载荷。它与主有效负载上的零拔力连接器连接，这样当 DRS 掉落时，电缆可以自由拉动。整个套件封装在一个 3D 打印外壳中，外壳带有泡沫外壳，可提供冲击保护和防风雨。
DRS 以不受控制的方式下降，但通过选择释放的位置和时间，可以粗略地预测设备可能降落的位置。瑟克斯的论文指出，道路附近无人居住的地区是安全且易于恢复的理想地区。
两个 DRS 模块均在阿根廷成功回收。图片来源： Ellen L. Sirks 等，2023
该气球实际上携带了四个 DRS 系统，但在 SuperBIT 任务期间只掉落了两个。另外两个则留下了有效载荷。这意味着恢复有效负载或两个 DRS 模块将允许恢复独立的冗余数据集。设备最初没有报告其位置存在一些小问题，这被认为是由于 DRS 电池由于位于平流层而过冷，从而提供较低的电压。然而，这两个设备最终在着陆后报告了位置并成功回收。
如果您渴望为类似的任务设计自己的坚固耐用的设备，那么整篇论文非常值得阅读。了解任何 NASA 或 NASA 邻近项目的详细工程总是令人印象深刻，并且您通常可以为自己的项目获取一些提示或技巧。因此，无论您是在气球飞行还是在建造自己的间谍卫星（真的吗？），请留意这个成功的数据恢复项目中的重要教训！