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.

Naveta spațială: In Memoriam

NASA a lansat de curând o aplicație pentru iPad ce conține un film documentar cu cadre spectaculoase surprinse de sistemul de filmare din timpul lansării navetei spațiale. Aplicația are 645 MB și conține tot filmul care poate fi văzut offline, împreună cu comentariul a doi ingineri NASA implicații în derularea programului. Evident, nu trebuie să plătiți nimic pentru asta.

Pentru cei care nu au iPad, filmul pate fi urmărit și descărcat de pe YouTube, unde este disponibil și în varianta HD 720p. Versiunea pentru iPad conține și un trailer, dar este atât de slab încât un copil de șapte ani putea face unul mai reușit cu Windows Media Player. În schimb, cadrele din documentar sunt absolut excepționale și merită văzute, dacă nu aveți răbdare pentru tot, măcar pe sărite, deși am auzit de unele cazuri în care documentarul a fost văzut în slow-motion.

Cât costă amânarea lansării unei navete spațiale?

În aceste zile echipele de ingineri încearcă să remedieze defecțiunea electrică de vineri, defecțiune ce a dus la amânarea ultimei lansării a celei mai tinere navete spațiale, Endeavour. Un material video interesant din cadrul acestei operațiuni a fost publicat de site-ul SpaceflightNow și poate fi urmărit pe YouTube. Dacă estimările inițiale anunțau o amânare a lansării cu 72 de ore, NASA nu a anunțat o dată fixă pentru o nouă tentativă, însă este de așteptat ca lansarea să aibe loc cel mai devreme în data de 8 mai.

Cât costă însă o astfel de întârziere? Estimările specialiștilor spun că mare parte a cheltuielilor generate de o astfel de întârziere este cauzată de combustibilul pierdut. Înainte de lansare, rezervorul extern este umplut cu hidrogen și oxigen lichid, substanțe extrem de volatile. În cazul unei amânări în ultimele ore premergătoare lansării, rezervorul este golit și o parte din combustibil este recuperat, însă cantitatea pierdută în aceste manevre costă NASA aproximativ 500 000 dolari, suma la care se adaugă și costurile suplimentare generate de activitățile de la sol. Însă aceste costuri sunt prevăzute în buget și nu există riscul ca o misiune să nu mai poată avea loc din cauza amânărilor succesive. Nu se cunoaște costul total al unei lansări, dar suma de 450 de milioane de dolari este considerată a fi o aproximare bună.

Cum se stabilește ora lansării?

V-ați întrebat vreodată cum stabilește NASA ora lansării pentru navetele spațiale? Factorul principal care dictează momentul lansării îl reprezintă sincronizarea planelor orbitale ale navetei și ale țintei acesteia (de obicei ISS).

Stația Spațială Internațională se rotește în jurul Pământului și efectuează o orbită completă în jurul planetei noastre la fiecare 90 de minute, la o altitudine de aproximativ 350 km și o înclinare a planului orbital față de ecuator de 51.6 grade. Însă în timul celor 90 de minute, Pământul s-a rotit și el în jurul axei, astfel că după efectiarea unui tur complet, ISS nu va ajunge deasupra aceluiași punct, permițându-i astfel stației spațiale să survoleze în timp întreaga planetă.

ISS trece de două ori pe zi deasupra Centrului Spațial Kennedy, moment potrivit pentru o lansare. Planul orbital al navetei și cel al ISS trebuie să fie sincronizate cât mai precis, lucru ce îi oferă de obicei navetei o fereastră de 10 minute pe zi. Dincolo de acest interval de timp, naveta nu își mai poate ajusta din zbor sincronizarea planului orbital și nu va mai ajunge din urmă ISS pentru andocare, datorită cantității prea mari de combustibil ce ar trebui folosiți pentru această manevră. Cele 10 minute zilnice nu rămân fixe, ci se deplasează o dată cu trecerea timpului. De exemplu, dacă pentru ieri lansarea era programată pentru 22:47, tentativa de luni va avea loc la ora 21:33.

Mai sunt însă și alte criterii care dictează ora lansării: după incidentul care a dus la pierderea navetei Columbia, NASA a instituit o serie de măsuri de siguranță suplimentare printre care a fost inclusă și filmarea lansării navetei spațiale din mai multe unghiuri folosind camere de luat vederi, pentru a surprinde orice anomalie. Pentru ca acestea să funcționeze corespunzător, o lansare în timpul zilei este de preferat unei lansări pe timp de noapte, deși această regulă nu a fost respectată de fiecare dată.

Se ține cont și de perioadele de somn/veghe ale echipajului (care sunt modificate înainte de lansare pentru a se adapta la intervalele de lucru și odihnă de pe ISS) și de traficul și prognoza meteo din zona rampei de lansare precum și din zonele care ar putea fi folosite în cazul unei aterizări de urgență.

Un alt factor important care a cauzat prima amânare a lansării navetei Endeavour este și traficul de la bordul ISS. Regula spune că atâta timp cât o navetă spațială este andocată, nici un alt vehicul nu va andoca la ISS, pentru a nu crea tensiuni suplimentare în structura stației. Pentru că lansarea rachetei Progress a fost considerată mai importantă pentru ISS, aceasta a avut prioritate în fața navetei Endeavour, care a fost envoită să îsi amâna lansarea până când Progress ar fi andocat cu ISS, lucru ce a avut loc în timpul zilei de ieri.

Naveta Spațială în 14 minute

The Space Shuttle este un excelent mini-documentar NASA, în care William Shatner (căpitanul Kirk din Star Trek) ne face o scurtă istorie a navetei spațiale, o minune inginerească cu peste 2 milioane de piese în mișcare, care împlinește astăzi 30 de ani și care va rămâne probabil mult tmp de acum încolo cel mai complex aparat de zbor conceput vreodată.