Da li vas je ikada zanimalo što se nalazi u svemirskim letjelicama, odnosno koje komponente se koriste u njima? Koji procesori su najpouzdaniji, da li se koristi najnovija tehnologija? Ako je odgovor ‘da’, napravom ste mjestu.
Većini ljudi se takva tehnologija čini kao „znanstvena fantastika“, ali nije tako. To su više manje jednostavne komponente koje su posložene tako da rade fantastično i da rade pouzdano. No, daleko od toga da NASA-ine (i ostale) letjelice u sebi nemaju tehnologiju o kojoj se jako malo zna i koja će možda ostatku svijeta biti dostupna tek za 10-ak godina. Naravno da imaju, ali nas te komponente i ta tehnologija toliko i ne zanima trenutačno. To su najčešće vrlo specifične komponente, izrađene upravo za određenu misiju u svemiru.
Svemirsku tehnologiju trenutačno posjeduju 24 zemlje na svijetu. Prednjače Rusija i Sjedinjene Američke Države, dok za njima malo kaskaju Indija, Kina, Japan i ostale članice Europske svemirske agencije.
Prva letjelica koja se našla u svemiru je ruski Sputnik-1 (Satellite-1), koja je zapravo bila umjetna antena i koja je lebdjela u nižoj zemljinoj orbiti – lansirana 4. listopada 1957. godine. Zapravo i prije ove godine je postojalo nekoliko objekata koji su se našli u svemiru na toj udaljenosti od zemlje, ali to su prvenstveno bile dalekosežne rakete tipa V-2. Vjerojatno je ipak svima poznatija letjelica Vostok 1 u kojoj se nalazio Yuri Gagarin (1961.). Te iste godine se i Amerikanci uključuju u „osvajanje svemira“ sa svojom letjelicom Freedom 7.
Curiosity – Mars 2012
Vjerovali ili ne, Amerika trenutačno u svemiru izvodi 96 misija (većinom su to bespilotne letjelice u nižoj i srednje visokoj zemljinoj orbiti), a ipak je pažnju javnosti privukla samo jedna. Da, radi se o letjelici Curiosity koja je početkom kolovoza sletjela na Mars. Točnije, sletjela je u krater Gale i tu počinje svoju dvogodišnju istraživačku misiju. Što možemo očekivati od ove misije, dosta je teško predviđati – za sada se zna samo da će Curiosity ispitivati klimu na Marsu, analizirati tlo, te tražiti tragove vode. Ovo potonje bi moglo biti najteže, no i najbitnije ispitivanje Marsa do sada.
Razvoj ove letjelice počeo je 2004. godine kada je NASA raspisala natječaj za opremu koja će s njime poletjeti u svemir. Početkom 2008.-e godine je letjelica bila gotova, no testiranje je trajalo gotovo 3 godine i to je ono što nas upravo zanima. Zašto tako dugo? Zato jer je svaka komponenta, svaki procesor, svaka pločica RAM-a bila posebno ispitana i testirana gotovo 100 puta kako bi se inženjeri u NASA-i uvjerili da neće zakazati u svemiru i da je rizik korištenja iste najmanji mogući.
Mozak ove letjelice čine dva identična računala koja se sastoje od RAD750 procesora, 256MB DRAM, 256kb EEPROM i 2GB flash memorije. U upotrebi će biti samo jedno računalo dok će drugo služiti kao pričuva i kontrola. Računala na Curiosity su višestruko jača od prijašnje generacije rovera i mogu izvršiti do 400 milijuna instrukcija u sekundi, za razliku od 35 milijuna instrukcija po sekundi koliko mogu izvesti računala na roverima Spirit i Opportunity.
Od ostalih instrumenata vrijednih spomena, tu su: Mast kamere (instrumenti za promatranje okoline – mogu snimati panoramske, bojane i multi-spektralne fotografije), Mars Descent Imager (fotoaparat rezolucije 1600×1200 točaka koji je slikao Mars tijekom slijetanja letjelice), Alpha-particle X-ray spectrometer (Uređaj koji će prikupljene uzorke ozračiti sa Alfa-česticama s ciljem otkrivanja elementarnog sastava, te načina na koji su nastali), Rover Environmental Monitoring Station (Senzor za mjerenje 6 atmosferskih parametara), Radiation Assessment Detector (uređaj za proučavanje radijacije na površini Marsa) itd.
Kao što vidite, vrlo složeni sustavi koje pokreću zapravo jednostavne komponente i složen softver (zanimljivost: softver je većinom napisan u C i C++ programskim jezicima). Biti će zanimljivo pratiti ovu misiju, jer bi ovo mogla biti misija sa najtočnijim rezultatima koje je čovjek uspio prikupiti sa ovog planeta. Ali tko zna – možda se prilikom susreta sa nekim novim vrstama, Curiosity zapravo nikada i ne vrati na Zemlju.
Računalni sustavi i procesori u svemirskim letjelicama
Svaka letjelica koja ide u svemir, bez obzira da li će se u njoj nalaziti ljudi ili ne, mora se potanko isplanirati i dizajnirati. Ipak, najviše pažnje se pridaje računalnom sustavu koji će zapravo upravljati letjelicom. To je iz razloga što letjelica može biti savršeno dizajnirana i napravljena od najboljih materijala na svijetu, ali ako zakaže glavni sustav – letjelica pada nazad na Zemlju ili u bespuće svemira. U svakom slučaju je izgubljena i stotine milijuna dolara uloženih u razvoj, padaju u vodu.
Zato se na početku svake misije mora definirati sistem koji će njima upravljati, točnije koja će se računalna arhitektura koristiti, koje komponente, kakvo će biti kodiranje podataka, kolika će biti tolerancija na greške komponenti, te da li će se koristiti postojeći softver ili će se programirati novi.
Nakon toga slijedi izrada dokumentacije, te detaljno definiranje sustava kako bi se sa teorije moglo prijeći na praktični dio, odnosno samu izgradnju letjelice. Kao što smo rekli, taj proces traje i do nekoliko godina.
Vratimo se ipak malo na fazu definiranja sustava – u toj fazi se postavljaju neka vrlo važna pitanja poput specificiranja broja operacija koje će pojedini procesor morati obaviti u jednoj sekundi, koliko će letjelica biti udaljena od zemlje i kolika će biti protočnost podataka (brzina prijenosa podataka između Curiosityja i Zemlje iznosi 30 kb/s), koliko je memorije potrebno, kakve temperature komponente moraju moći podnijeti i slično.
Nakon toga, kreće se u „odabir mozga“ računalnog sustava, odnosno tada se bira procesor koji će pokretati letjelicu. Naravno, ovdje se ne radi o jednom procesoru, nego mnogo njih, no svi oni moraju biti istog tipa/modela. Takvi procesori ne moraju biti najnoviji i najjači. Dapače, u sve i jednoj svemirskoj misiji su se koristili procesori koji su bili stari nekoliko godina, ali su zato bili jako dobro testirani i provjereni. Jedno od važnijih pitanja je bilo i temperature na kojoj procesor može raditi i to je lakše odrediti na starijim procesorima, nego novijim.
Svaki procesor koji ide u svemir mora biti MIL-STD-883, a to znači da je prošao preko 100 testova izdržljivosti i pouzdanosti. Ti testovi uključuju termalni, mehanički, te električni test, te individualno testiranje čipova koji se nalaze na procesoru. Također, važno je odrediti jedan procesor kao glavni, dok će drugi biti „sporedni“. Glavni procesor će primati naredbe i operacije koje mora odraditi, te će on paliti i gasiti ostale procesore koji će zajedno s njime te operacije i odraditi.
Kod definiranja procesora, odnosno odabira procesora, važno je obratiti pozornost na nekoliko pitanja – što sistem mora biti sposoban učiniti i zašto to mora moći učiniti? Koliko brzo mora to odraditi, koje su alternative, koje su pod-funkcije koje će obavljati i da li su sve te funkcije tehnički izvedive. Ipak zadnju riječ u tome imaju inženjeri koji će to morati i implementirati.
Početkom sedamdesetih su se koristili prilagođeni procesori koji i nisu bili posebno dobri, pa čak ni za ono vrijeme – bili su veliki i teški sa malim mogućnostima. Tu govorimo o letjelicama Pioneer 10 i 11, Vikingu, Voyagerima 1 i 2 … Početkom osamdesetih je već druga priča. Space Shuttle je prva letjelica koja je koristila Intelov procesor 8086, te kasnije prešla na Intelov novi procesor 80386. 1989. godine, letjelica Galileo ipak koristi 6 RCA 1802 procesora u kombinaciji sa 176 kb memorije. Godinama kasnije se ponovno prelazi na Intelove i IBM-ove procesore jer su se pokazali kao najbolje rješenje sa najmanjim rizikom od grešaka i kvarova. Konkretno, govorimo o procesoru 80486 (Intel), te RAD 6000 (IBM). Tako ostaje sve do danas, samo što se koriste noviji modeli procesora, tipa Intel 80386SX-20 (+ Intel 80387), Intel 8086, 80C85, BAE RAD 6000 (cijena jednog ovog procesora iznosi oko 250 000 dolara) … Roveri Spirit i Opportunity su imali po 200 komada spomenutih procesora! To je jedan od razloga zašto letjelica tako puno košta. Jedino još valja napomenuti da se danas uz svaki procesor ugrađuju i memorijski moduli od 8 GB, te SSD diskovi u slučaju da zatrebaju. 99 posto vremena te „sporedne“ komponente ne rade i ne troše struju, ali ponekad je bez njih jednostavno teško. Spomenimo još letjelicu Pluto, koja je lansirana 2006.-te godine (misija će trajati 20 godina), a u sebi sadrži procesore Synova R3000 (svaki košta u prosjeku 30 000 dolara), te module od 8 GB Flash memorije za pohranu podataka.
Sada sve te komponente pomnožite sa tri puta. Zašto? Zato jer većina svemirskih agencija ima pravilo o trostrukoj redundanciji, odnosno sav hardver i softver mora biti umnožen tri puta. U slučaju da primarni zakaže, pokreće se sekundarni i sukladno tome – ako zakaže sekundarni, pokreće se tercijarni (sustav). To znači da svaki senzor, kompjuter ili neki izvršni uređaj se replicira tri puta. Naravno, svi ti sustavi su povezani, ali je i moguće sa svakim upravljati zasebno i pristup svakome sustavu je drugačiji iz razloga što ako zakaže jedan pristup i jedan sustav, ostali moraju funkcionirati.
Nije problem ako procesor radi sa smanjenim kapacitetom i izvrši 300 milijuna operacija u sekundi, umjesto planiranih 350 milijuna, no problem je ako ne radi uopće. Spomenimo još da je glavna odlika spomenutih procesora mala potrošnja energije, mala masa, te velika pouzdanost. Najveći problem kojeg većina letjelica ima je napajanje. Iako unutar letjelice postoje generatori struje, oni nisu dovoljni. Današnja praksa je da se veći dio računalnog sustava napaja preko solarnih panela, odnosno napajaju se sunčevom energijom koje u svemiru ima dovoljno, a oni kritični dijelovi sustava iz internog izvora.
Softver, memorija i ulazno/izlazni uređaji
Nakon odabira procesora, vrijeme je da se inženjeri pozabave nekim drugim segmentima, a to su softver koji će se koristiti, memorijom (koja memorija će biti primarna, koja sekundarna), koji vanjski uređaji će se koristiti, da li će se raditi novi specifični uređaji ili će se koristiti već provjereni i slično. Iako biste očekivali da će se prvo složiti hardver, a onda softver – bili biste u krivu. Tek na osnovu softvera se gradi ostatak računalnog sustava.
Prvi korak je definiranje softverskih zahtjeva – „na papiru“ se napišu sve moguće i nemoguće funkcije koje bi letjelica trebala biti u stanju obaviti. Taj proces traje neko određeno vrijeme tijekom kojeg se određene stavke nadopunjuju, neke odbacuju, neke modificiraju … Nakon toga slijedi proces u kojem programeri pokušavaju napraviti okvirni softver te vidjeti da li je uopće moguće sve nabrojane stavke isprogramirati i da li će sustav funkcionirati. Nakon toga opet slijedi proces analiziranja funkcija, te se nakon toga kreće u izradu konačnog softvera. Najčešće je to najduži proces u izgradnji računalnog sustava i traje u prosjeku od 3 do 7 godina. Naravno da tijekom izgradnje softvera nije moguće provjeriti da li će softver funkcionirati u svim situacijama, pa finalni test slijedi tek neposredno prije polijetanja letjelica, odnosno to je zadnji test koji se radi prije lansiranja letjelice.
Nakon što je softver napravljen, treba napraviti posebno sučelje za letjelicu jer svaka letjelica ima specifične uređaje s kojima mora biti moguće upravljati i svi uređaji moraju biti odvojeni od ostalih (zbog mogućnosti kvara). U praksi se to pokazalo kao rutinski zadatak, jer ako softver funkcionira, nema razloga da sučelje ne funkcionira. Ipak je sučelje samo posrednik između ljudi koji upravljaju letjelicom i samog softvera.
Važno je naglasiti da se softver dijeli na 4 glavne stavke – kontrolni sustav (master), podređeni sustav kojim upravlja glavni sustav (slave), sustav koji će upravljati prikupljenim podacima, te sustav koji upravlja specifičnim uređajima. Naravno, i ovdje vrijedi pravilo o trostrukoj redundanciji, kao i kod hardvera.
Ako su softver i sučelje gotovi, kreće se u testiranje sustava tako da se na zemlji simuliraju sve operacije koje će se raditi u svemiru, te se sustav opterećuje do krajnjih granica (bilo to mehanički, termalno ili sa ogromnom količinom podataka koje bi softver trebao obraditi). Ti testovi se ponavljaju nekoliko puta i ako je sve u redu, kreće se u daljnju izgradnju sustava.
Nakon softvera, ostaju još neriješena dva pitanja. Točnije tri. Prva dva su memorija, te ulazno/izlazni uređaji, a treći je zaštita od zračenja.
Kod memorije postoji nekoliko stavki na koje se mora obratiti pozornost – prvo je pitanje koliko će dugo trajati misija i kolika je količina memorije potrebna za pohranu podataka. Važno je i pitanje da li će letjelica tijekom misije slati podatke na zemlju ili će se ti podaci analizirati tek po povratku letjelice. Najkorištenija memorija je ROM memorija koja je neizbrisiva, nezamjenjiva i u koju se pohranjuju kritični podaci. Tu govorimo o EAROM, EEROM, EEPROM i sličnim memorijama. To je spora memorija, bez koje letjelica ne bi mogla raditi. Uz nju postoje još dvije vrste memorije – jedna je RAM memorija, odnosno radna memorija koja centralnoj jedinici (procesoru) pomaže da što brže obradi podatke, te specifična memorija za akumuliranje i spremanje podataka. Ako govorimo o masovnoj memoriji za obrađene podatke, tada govorimo o klasičnim tvrdim diskovima (naravno, u velikoj količini -> ponekad i 10+ TB), te o SSD diskovima koji se primjenjuju od 2007.-e godine. Zanimljivo je da se SSD diskovi koriste, pošto oni spadaju u relativno novu memoriju (tehnologiju), odnosno memoriju koja se još uvijek ne koristi dovoljno, te se o njoj se mnogo toga ne zna – vijek trajanja, kakvo opterećenje može podnijeti, da li je isplativa na dugačkim misijama …
Ostaju još ulazi (engl. portovi) koje letjelica mora imati. Oni služe kako biste podatke sa uređaja prenijeli na glavu sabirnicu, koja te iste podatke predaje procesoru na obradu. Postoje 4 vrste – serijski ulazno/izlazni port, paralelni ulazno/izlazni port, ulazno/izlazni preslikani port, te memorijski planirani port. Potonja dva su pomalo neuobičajeni, no imaju svoju svrhu. Problemi koji se ovdje javljaju su razni prekidi koji se mogu dogoditi zbog lošeg vodiča (kabla) kojime su uređaj i računalo spojeni, te zbog lošeg ulaza u računalo. Zato se svaki uređaj pokušava paralelno spojiti sa dva ulaza ukoliko dođe do problema na jednom ulazu. Takvi kvarovi nisu baš česti, ali se dogode. Ujedno, kod planiranja letjelice, inženjeri dizajneri koriste pozlaćene i plemenite materijale, te dodatno osnažuju kablove i na taj način pokušavaju spriječiti moguću „katastrofu“. Zamislite da na Curiosityju prestanu raditi vanjske kamere koje služe NASA-i za usmjeravanje letjelice.
Radijacija
U prijašnjem odlomku smo spomenuli radijaciju. Nažalost, ona je vrlo izražena u svemiru i sve komponente koje se nalaze u svemirskoj letjelici moraju biti pojačane, odnosno moraju se dodatno zaštititi od radijacije. Također jedan od razloga zašto je svaka komponenta nekoliko stotina puta skuplja od „obične“.
Efekti radijacije su prilično veliki – radijacija može uzrokovati strukturalna oštećenja na čvrstim materijalima (hardveru) i to na više načina. Radijacija usporava rad digitalnih uređaja, mijenja voltažu istih i uzrokuje smetnje u radu, te smanjuje kapacitet pojedinih uređaja. Kada to sve uzmete u obzir, jasno je da nešto morate učiniti po tome pitanju.
Unutar svemirskih letjelica uređaji se mogu zaštititi na dva načina – jedan je da se glavni uređaji smjeste u posebne komore u kojima je mala šansa da budu izloženi radijaciji, a drugi je da se svaka komponenta izradi od posebnih materijala, te da se oko komponenti napravi posebna kutija koja smanjuje radijaciju. I jedan i drugi način štićenja računala su prilično skupi, a treba imati na umu da je neke uređaje nemoguće zaštititi jer se nalaze van letjelice i jednostavno će biti izloženi radijaciji. Ovo je još jedan izazov za inženjere koji se ponekad čini minoran, a zapravo je prilično velik.
Kao što vidite, računalni sustavi u letjelicama pomalo nalikuju na računala kakva mi posjedujemo u svojim uredima ili kućama, no zapravo su to super računala načinjena od posebnih materijala kojima upravlja specifični softver. Stoga nije ni čudno kada čujemo da softver za letjelicu košta 160 milijuna dolara, kada izrada letjelice košta 3 milijarde dolara, a na cijelu misiju se ponekad potroši i preko 10 milijardi dolara (što je oko pola godišnjeg proračuna NASA-e). Nažalost, za ostale svemirske agencije nema podataka i ne zna se koliko novaca točno troše, no svote nisu male.
I za kraj jedna zanimljiva činjenica – jezgra letjelice Apollo 11 koja je prva sletjela na Mjesec, bila hardverski slabija nego današnji iPhone. Danas je situacija nešto drugačija, no za 1969.-u godinu, to je veliko postignuće.
