Ile MHz trzeba, by polecieć w kosmos? Komputery na promach kosmicznych

Promy kosmiczne przez ponad trzydzieści lat pozwalały człowiekowi eksplorować kosmos - choć nie były to podróże dalekie, to jednak w miarę regularne. Wraz z lądowaniem 135. misji skończyły swoją karierę, lecz nadal rozbudzają ludzką wyobraźnię.

Myśląc o statkach kosmicznych, nie możemy wyzwolić się od wizji, które zaszczepiły nam książki, a zwłaszcza filmy science fiction. Hasło "komputer zarządzający pojazdem kosmicznym" kojarzyć może się z HALem 9000 - bardzo szybką i sprawną w obliczeniach lub nawet niemalże inteligentną maszyną, która wykonuje większość operacji za człowieka. Tymczasem moc obliczeniowa urządzenia, które kontroluje m.in. sekwencję startu wahadłowca, nie ma porównania do komputerów domowych - nie mogłoby się mierzyć nawet z netbookiem, tabletem, czy smartfonem, na których być może czytacie ten artykuł.


HAL 9000, komputer z jakim raczej nie chcielibyśmy latać w kosmos. fot. Wired

Jak nie zgubić się w kosmosie?

Nie ulega wątpliwości, że prom kosmiczny potrzebuje komputera - choć wydawałoby się, że nawigowanie w kosmicznej pustce to bardzo prosta sprawa. Przy locie z prędkością do 40 tysięcy kilometrów na godzinę każde najmniejsze nawet opóźnienie w reakcji może spowodować zejście z kursu. Komputer potrzebny jest też do ewentualnego korygowania toru lotu. Prom nie korzysta bowiem cały czas z silników - jest za pomocą rakiety wynoszony na orbitę, gdzie pozbywa się jej elementów i leci z nadaną mu prędkością, pozostając przez wiele dni na ustalonym kursie. Ponieważ każde włączenie silników korekcyjnych zużywa cenne paliwo, komputer oblicza precyzyjnie, z dokładnością do części sekundy, kiedy i na jak długo trzeba to zrobić. Trzecim z głównych powodów korzystania z komputerów jest manewr lądowania, gdy komputer pozwala obliczyć optymalny kąt wejścia w atmosferę, który pozwoli wyhamować prom, bez ryzyka jego nadmiernego rozgrzania lub "odbicia się" od warstwy atmosfery z powrotem w przestrzeń kosmiczną.

Wydawałoby się, że do wykonania tak wielu obliczeń na raz potrzebny jest potężny procesor. Jednak nie, ponieważ komputer pokładowy - tzw. GPC - General Purpose Computer - wykonuje czysto matematyczne operacje. Nie potrzebuje on mocy obliczeniowej dorównującej współczesnym pecetom, ponieważ nie będzie wyświetlał skomplikowanego graficznego interfejsu użytkownika, do czego potrzeba bardzo wielu zasobów. GPC skupia się na czystych funkcjach - np. włączyć silniki, wyłączyć silniki, które choć są skomplikowane i muszą być wykonywane bardzo szybko, lecz jednak są tylko obliczeniami. Dlatego właśnie przeciętna elektronika mieszcząca się na przykładowym promie Discovery stoi na poziomie porządnego komputera ośmiobitowego, które były standardem w latach 1978-82, gdy projektowano promy. Komputer pokładowy to model AP-101 firmy IBM stosowany w myśliwcach F-15 i bombowcach B-52. Co ciekawe nie był zbudowany z mikroprocesorów, a z układów scalonych średniej i dużej skali integracji. Wyposażony był w ok. 420kB pamięci i wykonywał 400 tysięcy operacji na sekundę. W latach 1988-90 do użytku wszedł AP-101F oparty o znany użytkownikom pecetów procesor Intel 8086, który przy szybkości od 5 do 10MHz zdolny był do wykonania 1,2 miliona instrukcji. Przy okazji rozbudowano pamięć do ok. 1MB.


AP-101S. Fot. NASA

Do kolejnej zmiany doszło dopiero dziewięć lat później - misja STS-101 była pierwszą, w której zastosowano tzw. szklany kokpit, gdzie wskaźniki mechaniczne i cyfrowe zostały w pełni zastąpione cyfrowymi wyświetlaczami, które łatwiej wymienić w razie awarii, są czytelniejsze i można je dostosować do potrzeb konkretnej załogi. Przy tej okazji również zmieniono procesor na Intel 80386, czyli popularne 386 (od 12 do 40MHz), zdolny do wykonania 1,4 miliona instrukcji - tak powstał używany do dziś AP-101S. Dla porównania - komputer AGC (Apollo Guidance Computer), który umożliwił lot człowieka na Księżyc miał 16kB pamięci i procesor o taktowaniu rzędu 2MHz.

Mała cząsteczka, wiele zamieszania

W różnych miejscach promu znajduje się pięć identycznych GPC, choć pochodzących od różnych dostawców. Każdy z nich waży ok. 29 kilogramów, a w sumie wymagają zasilania o mocy 550 watów - dla porównania każdy AP-101 ważył ok. 51 kilogramów, a pięć jego kopii potrzebowało 650 watów mocy. Czemu aż tyle komputerów? Cztery pracują synchronicznie, wykonując te same obliczenia - gdy jeden popełni błąd jest "większością głosów" wykluczany przez pozostałe. Piąta maszyna służy jako kopia zapasowa danych. Zaś szóstą astronauci mogą zamontować na miejsce dowolnej, która się zepsuje. By uniknąć błędów zamontowane na promach komputery wykorzystują pamięć z ferrytowym rdzeniem (wcześniej używano żelaznych) - ten materiał jest odporniejszy na promieniowanie kosmiczne. Na Ziemi jest ono blokowane przez atmosferę, lecz w kosmosie elementy elektroniczne muszą być chronione przed działaniem protonów i elektronów, które przenikają przez osłony statku. Uderzenie zjonizowanej cząsteczki w tranzystor może spowodować zmianę jego stanu, co przekłada się często na zmianę 1 na 0 - łatwo wtedy o błąd w obliczeniach.


AP-101S w porównaniu do starszego modelu. Fot. NASA

Jasne staje się, czemu na pokładzie promu kosmicznego nie ma procesora Core2Duo, i5 czy choćby wysłużonego Pentium. Nowoczesne procesory to bardzo skomplikowane urządzenia o złożonej architekturze - ich elementy są bardzo małej wielkości - rzędu 60, 45, a nawet 32 nanometrów, co powoduje małą odporność takich struktur na kwanty promieniowania kosmicznego. Nowoczesny komputer na orbicie przetrwałyby zaledwie kilka miesięcy. Dodatkowo mały rozmiar procesorów wymusza duże upakowanie tranzystorów na ich powierzchni - jedna cząsteczka promieniowania kosmicznego może zakłócić funkcjonowanie wielu podsystemów procesora na raz. Stąd popularność 386 wykonanego w technologii 1500 nm. NASA stosuje także tzw chipy "rad-hard" - specjalne konstrukcje z dodatkowymi tranzystorami, które wymagają większej energii, by zmienić stan. Projektuje się je specjalnie dla Agencji, lecz niestety są drogie, prądożerne i wolniejsze niż normalnie produkowane procesory.

Nie naprawiać czegoś, co działa

Również szybkość powstawania nowych układów nie jest NASA na rękę - współczesne procesory nie są w 100% przetestowane, gdyż firmy chcą wdrażać je jak najszybciej, by ubiec konkurencję. Nowe modele często zawierają błędy wykrywane dopiero po paru miesiącach lub nawet latach od ich debiutu rynkowego.


Dowódca misji STS-132 korzysta z klawiatury podłączonej do centralnego systemu awioniki, którym zarządza GPC. Fot. NASA

Wymiana komputerów w promach byłaby po prostu nieopłacalna - zmiana sprzętu, który przetrwał tyle misji na inny wymagałaby przebudowy architektury promu, a także długich i dokładnych testów, które udowodniłyby, że maszyny pracują bezbłędnie - także w kosmosie. Nie należy naprawiać czegoś, co nie jest zepsute. Rosyjskie Sojuzy od 1974 do 2003 używały komputera Argon-16, który ma zaledwie 6KB pamięci RAM.

Laptop leci w kosmos

Wiele technologii powstało na potrzeby lotów kosmicznych - jedną nich był pierwszy laptop, GRiD Compass, wyprodukowany w 1982 r. przez firmę IDEO. Był całkiem zaawansowany technicznie - miał np. pancerną metalową obudowę i specjalną pamięć bez ruchomych części (tzw. bubble memory) zamiast dysku twardego. Jako pierwszy laptop poleciał też w kosmos - 28 listopada 1983 r. Został tylko lekko zmodyfikowany przez NASA, by mógł działać w pozbawionym grawitacji środowisku - m.in. dodano rzepy pozwalającą przyczepić go do ściany w pozycji pionowej i dodatkowy wentylator, by wywiewał ciepłe powietrze, które w nieważkości nie unosi się do góry. Zmieniono mu także kabel zasilający na pasujący do źródeł prądu na promie. Laptopowi nadano kryptonim SPOC (Shuttle Portable On-Board Computer - Przenośny Komputer Pokładowy Promu) - podobieństwo z imieniem postaci z filmu Star Trek nie jest przypadkowe.


GRiD Compass, zwany tez SPOC - na wyświetlaczu widać Spocka, postać z serii Star Trek. Fot. NASA

Oprócz specjalnego sprzętu, który odpowiada za kontrolę lotu i systemów pokładowych, astronauci korzystają też z nieco bardziej zwyczajnych komputerów, które służą do pisania raportów, dokumentowania eksperymentów czy po prostu korespondencji z Ziemią. Najczęściej są to zmodyfikowane notebooki - NASA często korzysta z serii ThinkPad firmy IBM (od 2005 r. Lenovo). Przechodzą one podobne modyfikacje jak niegdyś GRiD - efekty działania przyczepianych do nich rzepów widać zresztą na zdjęciach.


Laptopy w kosmosie obsługiwane przez załogę misji STS-128. Fot. NASA

Pierwsze ThinkPady 750 poleciały w komos w grudniu 1993 roku podczas misji promu Endeavour, której zadaniem była naprawa Teleskopu Hubble'a. Astronauci używali ich do oglądania zdjęć i szkiców teleskopu, które miały ułatwić im to zadanie. Od tego czasu na pokładzie znajdowało się zawsze kilka laptopów - rekord pobił Discovery zabierając na pokładzie 21 laptopów. W sumie modele IBM wzięły udział w 31 lotach. Wykorzystuje się je nadal - w 2010 r. na pokład Międzynarodowej Stacji Kosmicznej trafiła dostawa nowych komputerów, także najnowszych modeli. Zapewne nie podziałają tam zbyt długo - 3 do 5 miesięcy. Są zresztą wymieniane na nowe po każdej misji.

Ciekawostką jest natomiast laptop Dell widoczny na panoramie wnętrza kokpitu promu Discovery w serwisie 360VR. Nie udało mi się ustalić, czy faktycznie znajdował się na pokładzie promu, czy tez umieszczono go tylko na potrzeby zdjęcia.

Nie tylko komputery

Z bardziej współczesnych gadżetów, w kosmos trafił też iPod, którego internauci wypatrzyli w oknie promu kosmicznego na zdjęciu z misji STS-123, odbytej w marcu 2008 r. Nie było to trudne, bowiem NASA bardzo dokładnie dokumentuje każdy lot i udostępnia na swojej stronie zdjęcia w bardzo wysokich rozdzielczościach.


Fot. NASA

Zabranie takiego gadżetu w kosmos nie jest łatwe - baterie litowe muszą być wymienione na certyfikowane alkaliczne. A po zadokowaniu do ISS nie można go zabrać na imprezę w środku - musi zostać na promie, ponieważ nie został przetestowany na okoliczność bezpiecznego działania w środowisku stacji kosmicznej.

W ostatniej, 135. misji wykorzystywany jest iPhone, stając się jednocześnie pierwszym smartfonem, który poleciał w kosmos. Gadżet ma pomóc astronautom w eksperymentach - firma Odyssey Space Research przygotowała specjalną aplikację SpaceLab for iOS pomocną w śledzeniu i dokumentowaniu wyników doświadczeń. Choć pewnie nigdy nie polecimy w kosmos, możemy ją także przetestować za niecałe 1 euro (ok. 4 zł).

Co przyniesie przyszłość?

Program lotów kosmicznych trwał ponad 30 lat, kosztował ponad 100 miliardów dolarów - teraz jego symbole, wielkie latające maszyny trafiają do muzeów. Wraz z wahadłowcami odchodzą używane na nich komputery. Czy w szykowanych już komercyjnych pojazdach kosmicznych zastąpią je nowsze, szybkie urządzenia, czy doczekamy się jeszcze jednego renesansu wiekowych maszyn? Czas pokaże. Natomiast wahadłowce pokazały, że niektórym maszynom faktycznie wystarczy przysłowiowe 640 KB pamięci, które niegdyś miało wystarczyć każdemu.