Recuperación de datos extrema: El disco duro del transbordador Columbia – IdeasYCiencia

En el año 2003, inmediatamente después del trágico accidente del transbordador espacial Columbia comenzó una exhaustiva búsqueda de restos (debris) para esclarecer en lo posible las causas del fatal desenlace del vuelo STS-107 y acotar exactamente la cadena de acontecimientos que llevó al desastre aquella misión.

El estado original del disco duro.

El transbordador Columbia llevaba entre otros un “flamante” disco duro Seagate de 340 MB (si MB, no GB) donde se guardaron datos y resultados de algunos experimentos sobre física realizados durante la misión.

Jon Edwards, un especialista en recuperación de datos de Kroll Ontrack se embarcó en la tarea de recuperar los datos de este maltratado (y venerable por otro lado) disco duro cuando, unos seis meses después del accidente, le fue enviado por la NASA.

  Otra vista del disco.

El primer paso consistió en retirar la, fundida y llena de residuos, placa de circuitos.

Aspecto de la parte inferior.

Vista superior con la etiqueta del disco.

Después se procedió a abrir el disco retirando la tapa superior, los sellos anti polvo estaban dañados, literalmente se habían fundido por las temperaturas extremas de la reentrada.

El disco duro abierto.

Se aprecia que la temperatura superó la de la fusión del estaño y por ello los chips se desprendieron de sus alojamientos. Además los sellados anti polvo del disco también se fundieron por las altas temperaturas y permitieron la entrada de polvo y otras partículas externas.

Se aprecia la suciedad que cubría todo el interior.

Las dudas de los profesionales de recuperación de datos eran sobre si las partículas que habían entrado en el encapsulado del disco podían estar magnetizadas, pues ello habría borrado los datos.

  Se aprecia corrosión en numerosas áreas.

Cabezas retiradas de los platos.

El resultado final fue un 99% de los datos recuperados de los platos del disco, por suerte los daños en estas áreas fueron casi inexistentes.

Numerosos artículos recogieron la noticia.

Algo que ayudó mucho en el éxito de la operación fue que el PC al que estaba conectado el disco duro utilizaba una antigua versión de MS-DOS.

MS-DOS es conocido por mantener los datos juntos en el principio del disco y no como los sistemas actuales, muy dados a la fragmentación y a extender los datos por toda el área de los platos del disco duro.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

STS-107. Reentrada Fase 2. Entry Interface hasta Loss Of Signal. 13:44:09 – 13:59:32, EI - EI+923 - IdeasYCiencia

Esta fase de la reentrada comprende desde EI (Entry Interface) hasta la pérdida de contacto (LOS, Loss Of Signal) con el transbordador (pérdida de comunicación de voz y de datos telemétricos) sucedida a las 13:59:32.

Cronología de la segunda fase de la reentrada. Fuente: NASA.

Debido a las daños producidos en el borde de ataque del ala izquierda (en los paneles RCC, Reinforced Carbon Carbon), el aire supercalentado por las extremas velocidades relativas entraba dentro de la débil estructura de aluminio del ala, debilitándola y produciendo deformaciones y afectando así a su aerodinámica.

Estructura del ala izquierda. Fuente: NASA.

En el esquema superior podemos ver numerados los paneles RCC del borde de ataque del ala y la situación del tren de aterrizaje izquierdo. En la parte trasera los dos alerones y detrás en el centro los RCS (Reaction Control System) traseros izquierdos y uno de los tres motores principales.

Según las simulaciones, los daños se produjeron entre el panel 7 u 8. Fuente: NASA.

Estructura tridimensional del ala izquierda. Se muestran en rojo los tirantes de aluminio que le dan rigidez estructural. Fuente: CAIB (Columbia Accident Investigation Board).

Contornos de velocidad del aire supercalentado que se introducía en el ala izquierda por el agujero en el panel RCC. Fuente: CAIB (Columbia Accident Investigation Board).

El plasma entrante pudo llegar a temperaturas de unos 4400 ºC y velocidades de hasta 9600 Km/h, lo que supera y mucho el punto de fusión del aluminio (unos 650 ºC) comprometiendo severamente la estabilidad estructural del ala y con ella la de la nave.

Interior del ala izquierda, tras los paneles RCC 9 y 10. Fuente: CAIB (Columbia Accident Investigation Board).

Detrás de los RCC se encuentra la estructura de aluminio del ala y sobre ella multitud de sensores de temperatura, vibraciones, tensión,… El primer sensor que detectó datos anómalos es el señalado como sensor 1 en la imagen superior.

Datos del sensor. Fuente:  CAIB (Columbia Accident Investigation Board).

Las lecturas de este sensor no fueron notificadas a la tripulación ni al control de tierra pues pertenecía a un sistema único en el Columbia de recogida de datos para análisis posterior en tierra (MADS).

13:46:48 Velocidad Mach 24.66.

13:47:52 Empiezan a ser operativos los alerones para dirigir el curso de la nave. El sistema de navegación activa su control sobre las superficies de vuelo.

13:48:45 Final del Flight Deck Video.

13:49:16 Desactivación de los roll jets por el sistema automático de vuelo. Los jets del RCS que controlan el roll de la nave.

13:50:53 Velocidad Mach 24.12. Altitud 74080 m.

A las 13:52:05 se empiezan a notar los primeros efectos de los daños en el ala en la actitud del Columbia, detectándose una guiñada o rotación (yaw) hacia la izquierda, el FCS (Flight control System) envió comandos para intentar controlar esta deriva no nominal a los alerones.

Captura del Flight Deck Video, se observa el plasma a través de la ventanilla superior de la nave.

Las temperaturas en el borde de ataque de las alas (RCC) y en el frontal de la nave (RCC Nose Cap) alcanzaban los 1538 ºC.

A las 13:52:17 la temperatura del circuito de frenado del tren de aterrizaje principal izquierdo empezó a mostrar una subida anormal (no nominal).

Entre las 13:53:10 y las 13:53:36 fallaron cuatro sensores térmicos de líneas hidráulicas del ala izquierda indicando daños producidos por entrada de plasma supercalentado. En el MCC (Centro de control de la misión) recibieron estos datos y empezaron a analizarlos, en cambio la tripulación no fue notificada; ni en sus pantallas o ni en los indicadores había información sobre ello.

A las 13:53:38 la actitud del transbordador excedía la experiencia de los vuelos previos por la degradación estructural del ala izquierda, pese a que, el sistema de guiado automático (Flight Control System) del transbordador estaba corrigiendo la actitud y trayectoria de vuelo mediante órdenes a las superficies de control.

El transbordador guiñaba hacia la izquierda (left yaw) debido al arrastre creado por el ala izquierda dañada.

Yaw, roll y picth. Dinámica de una aeronave. Fuente: Wikipedia, ZeroOne.

A las 13:53:46 se detecta el primer resto del transbordador visible en los videos desde tierra (Debris 1). Su masa estimada mediante análisis balísticos y de brillo es de unos 4 kg y procedía con alta probabilidad del ala izquierda.

Debris 1. Primera indicación visual de problemas en la reentrada. Fuente: NASA.

A las 13:54:24 y después de confirmar y analizar los datos, el oficial del MMACS (Mechanical, Manteinance, Arm and Mechanical Systems) notifica al director de vuelo (FD, Flight director) de los fallos de los sensores de temperatura de las líneas hidráulicas.

A las 13:54:36 es visible el resto más brillante del Shuttle (Debris 6) en esta parte. Su masa calculada es de unos 45 kg. Ni la tripulación en cabina ni ningún sensor mostraron señales del suceso.

Debris 6.

A las 13:58:03 el ángulo de los alerones empieza a superar ampliamente los valores nominales para compensar los momentos producidos por el deterioro estructural y aerodinámico del ala izquierda.

En rojo el ángulo de alerones en STS-107. En negro una reentrada nominal. Fuente: NASA.

En este momento deducimos que se produjo un gran daño estructural al ala izquierda por fusión de sus componentes estructurales de aluminio y con la consiguiente pérdida de sustentación.

A las 13:58:39 la tripulación recibió el primero de cuatro avisos en los monitores y mediante tonos sonoros. Estos alertaban sobre pérdida de presión en los neumáticos del tren de aterrizaje principal izquierdo.

A las 13:58:48 la tripulación contactó con el centro de control pero fue interrumpida por dificultades en las comunicaciones (dificultades que son habituales por cambios de satélite en esos momentos de la reentrada).

La famosa Columbia Kirtland image. Fuente: CAIB (Columbia Accident Investigation Board).

Aproximadamente en este momento se toma la imagen superior, que muestra una silueta anómala en el ala izquierda del transbordador, desde la base aérea de Kirtland. Foto tomada desde abajo.

A las 13:59:06 la tripulación recibió lecturas de algunos sensores que indicaban el despliegue del tren de aterrizaje izquierdo junto con otras lecturas contradictorias que indicaban posición nominal. Posteriormente se verificó que el tren de aterrizaje estaba en so posición normal.

A las 13:59:29 el Shuttle excedía ya la capacidad máxima de las superficies de control de vuelo de corregir la actitud anómala en guiñada e inclinación (yaw and pitch). Un segundo después (13:59:30.66) el sistema de control de vuelo (FCS) comandó la activación de los cohetes R2R y el R3R a las 13:59:30.68 del OMS (Orbital Maneuving System) Pod izquierdo del RCS (Reaction Control System) pertenecientes al lado derecho trasero del Shuttle para intentar compensar su actitud.

El OMS Pod izquierdo en la misión STS-1 del Columbia.

Lo anormal es que estos dos jets fueron activados continuamente por el sistema de control de vuelo en lugar de su funcionamiento a base de pulsos durante una reentrada típica nominal. Era un intento desesperado del software de vuelo por conservar dentro de límites la actitud del transbordador…

Un RCS jet en funcionamiento. Fuente: JSC Digital Image Collection.

En cualquier caso, el combustible disponible para estos jets se limita a pocos segundos (unos 30 – 40 s) de funcionamiento constante.

13:59:31 Últimas posiciones conocidas de los alerones:

Izquierdo: –8.11 º, Derecho: –1.15 º

13:59:31.04 El sensor de la posición de los alerones tiende hacia valores nulos. Esto sucede cuando hay daños en el cableado por cortocircuito.

13:59:31.478 Fallo del actuador del servo de los alerones.

A las 13:59:32 la tripulación responde a una llamada del centro de control de la misión pero se corta la comunicación. En este momento se pierde la comunicación verbal y la telemetría, es el momento del Loss of Signal (LOS).

13:59:32:136 Altitud: 61173 m, Velocidad: Mach 18.1 (sobre 22000 km/h), Temperatura de cabina: 22 ºC, Humedad: 37.9 %

Hasta este momento, el vuelo del transbordador era prácticamente nominal para la tripulación. Posiblemente eran conscientes de que algo marchaba mal cuando notaron la inclinación exagerada y las fuerzas anómalas desde las 13:59:29, aunque probablemente estaban bastante ocupados con las lecturas de los sensores del tren de aterrizaje ocurridas segundos antes.

Desde este momento ya no hay transmisiones telemétricas ni habladas con la nave, podemos decir que los astronautas están “solos ante el peligro” y los acontecimientos que rápida y bruscamente se desencadenarán más adelante.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

STS-107. Reentrada Fase 1. 09:15:30 – 13:44:09, EI-16119 – EI - IdeasYCiencia

Esta fase comprende desde el inicio de los preparativos para la reentrada hasta el EI y dura unas 4h y 28 minutos.

En el momento de cruzar el límite de la atmósfera EI (122000 m) la velocidad del Columbia superaba el Mach 24 (unos 29400 Km/h). Entry Interface es la altitud convenida a la que la atmósfera comienza a tener algún efecto sobre la trayectoria de la nave y las superficies de control (alerones, timón de cola) empiezan a ejercer algún guiado.

Hasta este punto el transbordador solo puede modificar su trayectoria mediante los cohetes del RCS (Reaction Control System) distribuidos por la nave pues las superficies de control no son efectivas.

Cronología de esta fase.

A las 13:15:30 empieza la deceleración (Deorbit Burn) para salir de la órbita terrestre e iniciar el descenso poniendo el transbordador con los motores empujando en contra de la dirección de avance para reducir la velocidad.

Durante parte de esta fase se grabó un video desde una cámara doméstica (Flight Deck Video) por uno de los tripulantes, este comprende desde las 13:35:34 (EI-515) hasta las 13:48:45 (EI+276), unos 13 minutos de duración durante los cuales el transbordador atraviesa el límite EI.

Los daños de la nave producidos por el impacto de espuma aislante procedente del anclaje del tanque de combustible en el borde del ala izquierda todavía no tenían ningún efecto y no se estaba produciendo ningún daño a la estructura del Columbia.

Daños a un panel RCC tras el impacto de un bloque de espuma en ensayos realizados por la NASA.

Todos los datos telemétricos eran nominales. Simplemente surcaba el vacío en dirección a la atmósfera terrestre con un agujero en el borde de ataque del ala izquierda.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

STS-107. Accidente del transbordador espacial Columbia 2ª Parte: Cronología del desastre – IdeasYCiencia

En este artículo voy a detallar la cronología de los acontecimientos previos al fatal desenlace del transbordador Columbia el 1 de febrero de 2003, desde los preparativos previos para la entrada en la atmósfera hasta el impacto sobre el suelo de los restos del módulo tripulado.

STS-107: el comandante y el piloto se colocan los guantes durante la reentrada. Fuente: NASA.

Los horarios son en tiempos GMT y también van relacionados en segundos al tiempo de paso por el límite de la atmósfera (arbitrario) situado en los 121000 m de altitud (Entry Interface, EI).

Este análisis cronológico ha sido dividido en seis fases consecutivas por los investigadores:

Cronología del accidente del Columbia. Fuente: NASA.

Fase 1. 09:15:30 – 13:44:09, EI-16119 – EI. Duración: 4h 28 min 39s

Desde el inicio de los preparativos para la reentrada hasta EI. En el momento de cruzar la EI la velocidad del Columbia superaba el Mach 24 (unos 29400 Km/h).

Fase 2. 13:44:09 – 13:59:32, EI - EI+923, EI - LOS

Desde EI hasta la pérdida de contacto (Loss Of Signal, LOS) con el transbordador (pérdida de comunicación de voz y de datos telemétricos) sucedida a las 13:59:02.

Fase 3. 13:59:32 –14:00:18, EI+923 - EI+969, LOS - CE

Desde la pérdida de contacto (LOS) hasta la ruptura del transbordador en sus componentes primarios o CE, Catastrophic Event (fuselaje frontal incluyendo el compartimento tripulado, medio y trasero incluyendo los motores principales).

Fase 4. 14:00:18 – 14:00:53, EI+969 - EI+1004, CE - CMCE

Durante esta fase el modulo tripulado (Crew Module, CM) mantenía todavía íntegra su estructura pese a que viajaba en trayectoria balística hipersónica literalmente “dando veletas” sin control alguno.

Comprende desde el CE (ruptura del transbordador) hasta la pérdida de integridad del módulo tripulado (CMCE, Crew Module Catastrophic Event).

Fase 5. 14:00:53 – 14:01:10, EI+1004 - EI+1021, CMCE - TD

Desde el CMCE hasta la dispersión total (TD) en restos demasiado pequeños para apreciarse en los videos de la reentrada.

Fase 6. 14:01:10 – 14:35:00, EI+1021 - EI+3051, TD - GI

Desde la dispersión total (TD) hasta el impacto (Ground Impact, GI) en el suelo de los restos de la tripulación y el módulo tripulado.

En los artículos que siguen detallaré cada una de estas fases de la reentrada que desencadenaron en la pérdida de la nave y su tripulación.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium

Técnicas de deconvolución - IdeasYCiencia

Muchas veces tenemos una imagen o video del que queremos extraer más información de la que “en bruto” podemos obtener, un ejemplo concreto son algunas de las imágenes del transbordador Columbia en su reentrada en la atmósfera terrestre.

Todas ellas eran de bastante mala calidad, con sobreexposición y movimientos relativos acusados de la cámara respecto a la nave. Aquí entra en juego la deconvolución.

Reentrada del Columbia (vista inferior) a su paso por la base aérea de Kirtland, New Mexico.

Se aprecian irregularidades en el ala izquierda y un penacho anómalo tras de ella.

Vista del impacto en el ala izquierda durante el lanzamiento.

 Y desde otro ángulo.

Otros ejemplos de deconvolución:

M100 vista desde el telescopio espacial Hubble, a la derecha la imagen tratada por deconvolución.

Fuente: School of Physics and Astronomy. Cardiff.

Io capturado desde la sonda Voyager. Tras deconvolución a la derecha.

Fuente: Raoul Behrend, Geneva Observatory

¿Qué es la deconvolución?

Sin ser estrictos, podríamos definir la deconvolución como un proceso iterativo basado en un algoritmo (sistema de ecuaciones) que se aplica a una fuente o datos iniciales para “refinar” su calidad o ver detalles no visibles en el original (también es aplicable al sonido o cualquier otra señal).

Siendo matemáticamente más correctos, deconvolución es una operación numérica sobre un conjunto de datos iniciales para recuperar la información original (señal) presente en ellos, que está enmascarada por un proceso (ruido) que puede ser  descrito por una convolución (o superposición – combinación de datos reales más las degradaciones propias del instrumento y de las condiciones de la toma de datos).

Es un proceso extremadamente exigente en tiempos de cálculo y con un coste de software muy elevado.

Orgánulos secretores de una célula. Imagen tras la deconvolución a la derecha.

Fuente: Institute of Inherited Metabolic Disorders

Lo que realiza este proceso de deconvolución es extraer la señal de entre el ruido, preferiblemente conociendo el patrón de éste o sus características y en su defecto “a ciegas” (Blind Deconvolution).

Creo que con este pequeño inciso no son necesarios más detalles para comprender la dinámica del proceso, o más bien sus resultados que es lo que pretendo para más adelante en este blog.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium