Komputery w misjach kosmicznych

Komputery w misjach kosmicznychWspółczesny świat nie mógłby istnieć bez komputerów. Dynamiczny rozwój technologii sprawia, że niemal wszystkie urządzenia, z których na co dzień korzystamy, są mniej lub bardziej skomputeryzowane. I bynajmniej nie chodzi tu o ich budowę, a przede wszystkim o oprogramowanie, które znajduje się w używanym przez nas sprzęcie RTV i AGD, smartfonach, samochodach, a nawet urządzeniach grzewczych. Bez komputeryzacji nie istniałaby również współczesna astronautyka i misje kosmiczne.

Co było przedtem?

Młodemu pokoleniu może to się wydać dziwne, ale loty w kosmos, także z udziałem człowieka, odbywały się na długo przed pojawieniem się na rynku komputerów. Jurij Gagarin, pierwszy w historii człowiek w kosmosie, odbył swój lot 12 kwietnia 1961 roku. Wprawdzie na pokładzie statku "Wostok", którym okrążył Ziemię, znajdowały się urządzenia elektroniczne do kontroli lotu, jednak nie były to komputery. Podobnie było na statku amerykańskim Mercury 6, który wyniósł na orbitę okołoziemską amerykańskiego kosmonautę Johna G. Glenna 20 lutego 1962 roku. Oba loty kontrolowane były z Ziemi za pomocą fal radiowych.

O ile ta metoda mogła zdawać egzamin w przypadku lotów blisko Ziemi, o tyle podczas wypraw w dalszą przestrzeń kosmiczną była zupełnie nieprzydatna, bowiem czas dotarcia sygnału radiowego ze statku kosmicznego, znajdującego się w dużej odległości od Ziemi, byłby zbyt długi, aby można było sterować statkiem z Ziemi. Tymczasem oba wielkie mocarstwa - USA i ZSRR - miały w planach zdobycie Księżyca. Potrzebne było zatem opracowanie technologii, która umożliwiałaby sterowanie statkiem kosmicznym w czasie rzeczywistym.

Nie tylko moc obliczeniowa

Urządzenia, przeznaczone do pracy w warunkach kosmicznych, muszą mieć parametry zupełnie odmienne od tych, które funkcjonują na Ziemi. Przede wszystkim muszą być odporne na temperaturę w znacznie szerszym przedziale - od minus 60 do plus 120 stopni. Oprócz tego muszą znosić przeciążenia, co w praktyce oznacza niemożliwość korzystania w kosmosie z twardych dysków jako nośników danych, które w warunkach przeciążenia nie będą poprawnie. We współczesnych komputerach pokładowych na statkach kosmicznych korzysta się z pamięci flash, która zastąpiła pamięć ferrytową w dawniejszych urządzeniach.

Problemem, z którym w dalszym ciągu zmagają się projektanci komputerów do zastosowań pozaziemskich, jest promieniowanie kosmiczne. Przenika ono przez powłoki statku i może powodować zakłócenia w pracy procesorów, skutkujące błędnymi obliczeniami, zakłóceniami pamięci, a w skrajnych przypadkach nawet zwarciem i awarią całego systemu. Powłoki statków kosmicznych wykonywane są z materiałów coraz nowszej generacji i coraz bardziej odpornych na promieniowanie, jednak całkowite wyeliminowanie jego wpływu nie jest jak dotąd możliwe.

Wyposażenie promów kosmicznych

W 1973 roku NASA wyniosła na orbitę okołoziemską stację Skylab, wyposażoną w komputer TC-1. Był on skonstruowany w dużej mierze przy udziale koncernu IBM i na bazie urządzeń serii 360, choć nieco uproszczony w stosunku do maszyn serii 360, pracujących na Ziemi. Od tej pory komputery, w które wyposażano statki kosmiczne, były prostsze w konstrukcji od "ziemskich" i tak już pozostało. W pierwszych promach instalowane były komputery IBM AP-101, kompatybilne z 360, wcześniej z powodzeniem sprawdzone w samolotach bojowych US Air Force. Komputery te nie posiadały mikroprocesorów, a układy scalone oraz pamięć ferrytową 416 kB. Mogły wykonywać około 400 tys. operacji na sekundę. W latach 80. XX wieku zastąpiono te urządzenia komputerami IBM AP-101F z procesorami Intel 8086, znanymi u nas z pierwszych pecetów kompatybilnych z IBM XT. Pod koniec lat 90. zmodernizowano wyposażenie promów, zamieniając procesory 8086 na 80386 oraz pamięci ROM i RAM z podtrzymaniem bateryjnym, a ich moc obliczeniowa przekraczała milion operacji na sekundę.

Komputery a badania Słońca

W lutym 2020 roku wystartowała sonda kosmiczna SolO (Solar Orbiter) do przeprowadzenia badań niewidocznych z Ziemi obszarów Słońca. Misja, planowana na siedem lat, jest wspólnym przedsięwzięciem ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) i NASA. SolO ma w tym czasie krążyć wokół Słońca, zbliżając się do niego na odległość około 42 mln kilometrów, a więc o około 4 mln kilometrów bliżej Słońca, niż znajdująca się najbliżej niego planeta Merkury, której powierzchnia (strony zwróconej w kierunku Słońca) może osiągnąć temperaturę do 450 stopni Celsjusza.

Sonda, aby mogła prawidłowo wykonywać swoje zadanie, musi być przez cały czas zwrócona tą samą stroną ku Słońcu i to pod określonym nachyleniem. Utrzymanie jednej pozycji statku w przestrzeni kosmicznej jest zadaniem, które nadzoruje komputer pokładowy. Każda zmiana nachylenia może skutkować zniszczeniem sondy w ciągu niespełna minuty pod wpływem wysokiej temperatury. Sterowanie pozycją sondy z Ziemi jest niemożliwe, bowiem światło pokonuje odległość pomiędzy Ziemią a Słońcem w ciągu 8 minut.

Urządzenie pokładowe na sondzie wyposażone jest w system operacyjny RTOS (Real Time Operating System - system operacyjny czasu rzeczywistego), zaprojektowany i opracowany specjalnie na potrzeby tej misji. Kierowano się doświadczeniem z prac nad oprogramowaniem, stosowanym w różnych gałęziach przemysłu wszędzie tam, gdzie wysoka moc obliczeniowa ustępuje w hierarchii ważności czasowi reakcji na określone zdarzenie.

Tymczasem NASA przygotowuje się do powrotu lotów załogowych na Księżyc. Oficjalna nazwa programu, który ma wystartować w 2024 roku, brzmi Artemida. Na razie nie są znane bliższe szczegóły dotyczące jego komputeryzacji. Można jednak przypuszczać, że za tę stronę przedsięwzięcia odpowiedzialny będzie koncern IBM.

Artykuł powstał we współpracy z Datalab - firmą oferującą profesjonalne odzyskiwanie danych z dysku i innych nośników pamięci.

Komentarze