一种新的数据恢复系统成功检索了气球望远镜图像

SUPERBIT/NASA

今年早些时候，美国国家航空航天局的一次高空气球飞行提醒我们要注意一个非常重要的教训：永远备份你的数据。

4月，研究人员在新西兰Wānaka发射了超压气球成像望远镜（SuperBIT，Super Pressure Balloon Imaging Telescope，https://blogs.nasa.gov/superpressureballoon/category/2023-campaign/superbit/），悬挂在地球大气层顶部一个体育场大小的氦气气球下，旨在通过对碰撞星系成像来收集暗物质分布数据。SuperBIT在大气层边缘漂浮了40天，环绕地球飞行5.5次，在返回地球之前收集数据。然而，在着陆时，气球严重受损 —— 降落在阿根廷南部时被损坏。

两个数据恢复系统包拯救了SuperBIT通过降落伞降落并安全着陆的超过200 gb的信息，包括星系周围的暗物质地图和令人惊叹的太空照片。暗物质是一种不可见的物质，其质量是宇宙中普通物质的六倍。

英国杜伦大学物理学教授Richard Massey说：“对于元素周期表上的所有元素，暗物质的数量大约是它们的六倍。”众所周知，暗物质对可见物质的唯一影响只能通过引力效应间接观察到。“这有点像研究风，”Massey解释道，“如果你一眼望过去，你看不到风，但你可以看到树叶在四处飞舞。”

BILL RODMAN/NASA

SuperBIT已经将注意力集中在星系团上，在那里，数百到数千个星系聚集在一起，有时还会碰撞。Massey说：“我们正在使用SuperBIT来绘制比特的飞行位置，这样我们就有希望弄清楚这种看不见的东西是什么。”

地面望远镜没有研究人员进行这些观测所需的分辨率，而现有的太空望远镜——通过避免来自大气层的散射来实现更高的分辨率——使用的视野要么太窄，要么太宽。将望远镜与30多公里高空的气球挂在一起提供了一个理想的解决方案，只需花费一小部分成本就可以实现与太空望远镜几乎相同的分辨率。悉尼大学的研究助理Ellen Sirks说：“这听起来有点疯狂，但效果非常好。” 作为Massey的博士生，她开始在SuperBIT方向上工作。Sirks说，虽然哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜等望远镜耗资数十亿美元，但气球望远镜可以“在大学所支持的预算内”完成发射。

基于气球的望远镜也带来了挑战，比如可靠的数据检索。一般来说，这些望远镜将数据传送到地面站或附近的卫星。SuperBIT在SpaceX的星链卫星上做到了这一点，但该望远镜收集的数据太多，无法在整个飞行过程中连续传输。

Massey说：“这就像是从太空边缘流式传输Netflix。”在没有稳定连接的情况下，“流媒体”在飞行过程中中断了几次，并在任务开始后损失了大约两周。幸运的是，该团队设计了一个物理备份系统，补充了卫星连接和望远镜的主硬盘。这些数据被复制到数据恢复系统上，从天上被抢救出来。

Massey说：“这有点像20世纪60年代的间谍卫星。”这些卫星没有把科学数据放在SD卡上，而是把监控录像放在胶卷暗盒里。

Sirks说，数据检索系统由“相对常见”的部分组成。在电子产品方面，它使用了一台树莓派紧凑型电脑和一张存储容量为5TB的SD卡。该存储设备通过以太网连接到望远镜的机载计算机，以连续传输数据，并通过专业机械钳连接到望远镜上，因为它们能够承受高张力而被选择。“有时候，最简单的事情就是最好的解决方案，”Sirks说。

当天文学家准备释放该系统时，他们会向树莓派发送一条信息，开始这一过程。30秒后，它从望远镜上滑下，开始下降。降落伞打开以减缓坠落速度，进而滑翔至地球。由于基于气球的方法比将望远镜送入轨道便宜，研究人员能够迭代设计并改进他们的数据恢复系统。因此，虽然在数据恢复系统的开发过程中，基本设计是一致的，但一些细节已经发生了变化。

例如，在2019年SuperBIT及其数据恢复的试飞中（oar.princeton.edu/bitstream/88435/pr10p0wq45/1/Sirks_2020_J._Inst._15_P05014.pdf），Massey和Sirks惊讶地发现，尽管环境寒冷，树莓派还是过热了。Massey解释说，在高层大气中，“温度是-60摄氏度，但电子设备往往会过热并断电。”罪魁祸首很快被发现：风扇通常用来冷却这些计算机，但在那个高度，几乎没有空气来输送热量。所以，在该系统的更新版本中，研究人员添加了一个带有铜管的散热器系统，将计算机与周围环境连接起来。这样，计算机就可以将热量散发到太空中，并保持系统的凉爽。

美国国家航空航天局气球项目代理负责人Andrew Hamilton表示，对于像SuperBIT这样很长飞行时间来说，数据恢复系统也是一个很好的解决方案。在这些飞行中，望远镜在海洋中丢失的可能性更大，因此他们不能依赖机载硬盘。然而，Hamilton说，检索本身就带来了挑战：首先，你必须获得当地空中交通管理局的许可才能放下数据胶囊。然后，研究人员必须找到胶囊落在哪里。

在放下两个分别携带数据副本的胶囊之前，SuperBIT团队与阿根廷警方进行了协调，Massey和Sirks表示，阿根廷警方是检索的关键部分。太空舱降落在一个地形崎岖的偏远地区，研究人员只知道大致位置；Sirks开发了根据天气状况计算着陆点的软件，但安第斯山脉上空的强风和电池故障意味着他们无法准确跟踪登陆艇。

Massey说，其中一个数据恢复系统在着陆时还“接受了当地野生动物的检查” ——一只美洲狮发现了这个装置，并把它从最初的地点拖走了。幸运的是，系统没有严重损坏，数据是安全的。

Hamilton说，SuperBIT今年早些时候的飞行是美国国家航空航天局气球项目首次使用这种类型的数据恢复系统。他说，现在，美国国家航空航天局正在研究其他进行“数据丢弃”的方法，通过包括“FLOATing DRAGON Challenge（https://floatingdragon.nianet.org/）”在内的项目，这是一项从大学生那里寻找类似设备原型的竞赛。

Sirks和Massey还计划通过修复系统下降过程中电池的问题来改进未来望远镜的设计。而且，为了保证在着陆后保护系统免受野生动物的伤害，Massey有一个想法：“下次，”他说，“我想我们必须在上面放一些闻起来有点难闻的东西。”