Naveta spațială: computerele de bord

Un sistem integrat asigura colectarea datelor, ghidarea navetei și procesarea informațiilor provenite de la senzorii navetei spațiale și a încărcăturii acesteia din cală. Acesta era conectat și la sistemele electrice ale rezervorului extern și al boosterelor, atâta timp cât aceastea erau conectate cu naveta. Peste 2000 de puncte din întreagul vehicul erau monitorizate și trecute prin cele 20 unități MDM-uri (multiplexoare/demultiplexoare).

Sistemul de procesare al datelor (DPS – data processing system) cuprinde cinci computere (GPC – general purpose computer) pentru calcul și control, două unități de memorie pe suport magnetic (134 Mb), 20 unități MDM-uri ale navetei, 4 ale boosterelor și 3 unități de interfațare a motoarelor principale, 4 sisteme monitoare și 2 magistrale pentru interfațarea cu sistemul de lansare de la sol. În primele zboruri, un al șaselea computer se afla la bord, dar nu era conectat, putând însă fi manual montat în timpul zborului.

GPC 1 și 4 sunt situate în puntea inferioară-față, GPC 2 și 5 în puntea inferioară-spate iar GPC 5 în cala destinată altor sisteme de zbor, tot în puntea inferioară. Două ventilatoare asigurau debitul de aer necesar răcirii computerelor. Dacă aceste ventilatoarele cedau, supraîncălzirea computerelor de bord avea loc în 25 de minute (la o presiune a cabinei de 1 atm) sau în 17 minute (la o presiune a cabinei de 0.7 atm), moment după care datele oferite de acestea nu mai erau demne de încredere. Computerele mai puteau supraviețui încă 30 de minute după depășirea limitelor termice certificate.

Fiecare din cele cinci computere originale IBM 4Pi/AP-101B erau compuse din două unități separate, un procesor central (CPU) și un procesor pentru intrări/ieșiri (IOP). Procesoarele aveau memorie de 512 KB, adică 106496 cuvinte pe 32 de biți (81920 în CPU și 24576 în IOP), nevolatilă (informația rămânea stocată după întreruperea alimentării), cu miez de ferită. Acest tip de memorie a fost ales deoarece nu se cunoșteau efectele radiației cosmice asupra memoriilor RAM folosite în majoritatea computerelor de astăzi. Faptul că AP-101B avea memorie nevolatilă a ajutat foarte mult în refacerea determinarea exactă a ultimelor acțiuni de la bordul navetei Challenger, după ce părți ale computerelor de bord au fost recuperate de pe fundul oceanului.

Fiecare CPU AP-101B era înalt de 19.2 cm, lat de 25.9 cm, lung de 49.7 și cântărea peste 28 de kilograme. IOP-urile aveau aceiași parametri. Au fost construite 38 de computere AP-101B. În 1991, modelul AP-101B a fost înlocuit cu AP-101S, primul nou model zburând în misiunea STS-37 (aprilie 1991). Până în 1993, tranziția a fost completă pentru toate navetele. Noul model a fost derivat după AP-101F, model cu care erau echipate bombardierele B-1B ale forțelor aeriene. Au fost achiziționate 36 de astfel de computere, din care 1 prototip, 1 pentru teste și 8 aflate în stadiul de pre-producție. Memoria a fost schimbată cu una de tip CMOS și mărită la 1 MB, 262144 cuvinte (32 biți). Procesorul ajungea la 1.2 milioane instrucțiuni pe secundă, față de 400000 instrucțiuni pe secundă cât permitea modelul precedent. Deoarece memoria CMOS putea fi alterată de radiația cosmică, aceasta a fost prevăzută cu sisteme de detecție și control al erorilor. Când GPC-ul era pornit, un proces hardware verifica încontinuu memoria. Acest proces putea detecta și corecta toate erorile care afectau un singur bit, dar cele multi-bit erau doar detectate dar nu și corectate. Toată memoria GPC-urilor era verificată la fiecare 1.7 secunde și fiecare locație de memorie era verificată înainte de a fi executată.

Durata de funcționare a unui computer AP-101S între două defecțiuni era de aproximativ 6000 de ore, putând fi extinsă până la 100000 ore. Modelele precedente contorizau în medie 5200 de ore între defecțiuni, de cinci ori valoarea prevăzută în contractul inițial, care cerea doar 1000 de ore.

În timpul fazelor critice ale zborului, patru din cinci computere de la bord rulau sarcini pentru ghidare, navigație și control (GNC – guidance, navigation and control). Cele patru computere erau sincronizate unele cu celelalte și fiecare calcul al unui computer era verificat de celelalte trei. Software-ul de la bord, PASS (Primary Avionics Software System) rămâne și în prezent cel mai complex și sofisticat software scris vreodată pentru vehicule aerospațiale, având doar 500000 cuvinte, departe de a fi cel mai lung. Limbajul în care a fost scris, HAL/S, a fost dezvoltat special pentru naveta spațială. În afara fazelor critice ale misiunii, doar un singur computer era folosit pentru GNC și unul pentru managementul sistemelor (comunicații, aerul condiționat, sisteme de menținere a vieții), restul de 3 fiind folosite pentru managementul încărcăturii sau erau în stand-by.

Există definite rutine pentru diverse etape ale zborului, denumite OPS (operational sequence). Fiecare OPS este asociat cu o anumită configurație a memoriei, care trebuie încărcată de pe banda magnetică și poate avea mai multe subrutine, denumite MM (major modes). Trecerea de la un OPS la altul trebuie inițiat de echipaj, dar trecerea de la o subrutină MM la alta poate fi efectuată și automat. Fiecare MM are asociată o anumită configurație a monitoarelor de bord. Afișajul acestora poate fi manipulat de echipaj sau de către cei de la sol.

Pentru a evita orice bug-uri, la bord există un al cincilea computer de bord, denumit BFS (Backup Flight Software), cu un soft scris de o altă companie. BFS poate iniția și rula operațiuni de lansare, menținere pe orbită și revenire la sol, dar nu poate rula soft specific unei anumite misiuni. BFS poate fi activat oricând în timpul misiunii printr-un buton aflat la îndemâna pilotului sau a comandantului. Softul BFS putea teoretic fi încărcat pe oricare din celelalte 4 computere.

În timpul zborurilor au fost folosite și computere portabile comerciale, PC sau Mac-uri, pentru interfațarea cu hardware-ul diverselor experimente rulate la bord sau pentru monitorizarea sau prelucrarea altor date de la bord. Un adaptor permitea conectarea unui astfel de laptop (denumit PGSC – portable general support computer) la sistemul de comunicațui în bandă S sau Ku. Primirea și trimiterea de fișiere de la bord, inclusiv email-uri, se făcea astfel printr-un modem de 4 Mbps.

Traducerea și adaptarea după Dennis Jenkins, “Space Shuttle – The History of the National Space Transportation System”, Third Edition, , World Print Ltd, Hong Kong, 2010.