През 2016 г. ISS все още работи на Intel 80386SX 20 MHz процесори, които вече са на четвърт век. наземните станции GLONASS са оборудвани с първата версия на Elbrus. В „малкото пространство“ приоритетите са различни: ниска цена, бърза итерация и използването на CubeSats на контейнери Raspberry Pi и Linux. Нека да разгледаме защо технологиите, тествани във времето, се оценяват в пространството. Защо всичко се случва толкова бавно Ако погледнете космическия проект през очите на инженерите и мениджърите, той не прилича на стартап, а по-скоро на строителството на атомна електроцентрала. Първият етап е да се определят целите и целите на мисията.Това е мястото, където се формират основната идея, задачите, бюджета и сроковете.Този етап включва проучване на техническата осъществимост и оценка на ключовите технологии, които трябва да бъдат разработени от нулата за специфичните условия на пространството. След това идва предварителният дизайн. По време на този етап се създава предварителен вид на космическия кораб и се разработват технически спецификации за по-нататъшна работа. И това е мястото, където започват спецификациите. В сателит, не можете просто да вземете и замените компонентите, както бихте направили в сървър в център за данни. И със сигурност не можете просто да вземете и започнете да използвате нов спътник, ако нещо не е наред със стария, както правим с нашите приспособления. Всичко, което инженерите са избрали, ще остане на борда за целия живот. Те биха могли да направят своя избор в началото на 2010 г., но изстрелването се случва само сега. На този етап се разработват дизайна, материалите и софтуера, като се вземат предвид изискванията за надеждност. Следва сертификация.Това е един от най-строгите и дълги етапи от жизнения цикъл на проекта.Има международен стандарт, DO-178C, който е "код на поведение" за разработчиците на космически и авиационен софтуер.В съответствие с този стандарт, никоя линия от код не може да бъде официално одобрена, докато не бъде абсолютно доказано, че всеки елемент на системата - от най-мрачната идея до кода в микропроцесора - е бил проследен, описан и тестван. Сертифицирането е бавен процес: одиторите проверяват плановете, тестовете и документацията, до покритието на кода (в критичните системи, използващи метода MC/DC – Modified Condition/Decision Coverage). След това започва тестовата фаза.Устройството се тества при условия, които са възможно най-близки до тези в космоса – вакуум, ниски температури, вибрации и радиация. След това идва системната интеграция и подготовката за изстрелване.Това включва и окончателното сертифициране и одитите, необходими за устройството, за да бъде одобрено за изстрелване.Но именно този „бюрократичен маратон“ гарантира, че спътникът ще работи безпроблемно в продължение на 15-20 години в условия на радиация, температурни колебания и без ремонт. След това устройството се пуска в експлоатация и започва работа в космоса. През този период се поддържа комуникация, се изтеглят актуализации на софтуера (с значителни ограничения) и се наблюдават и коригират параметрите на орбитата. Всичко това се прави чрез наземни станции, с многостепенна проверка, за да се гарантира, че случайна грешка не изключва мисия на стойност стотици милиони долари. Инцидентът с телескопа Въпреки това, в изключителни случаи, ремонти и модификации все още са възможни директно в космоса. Например, през 1990 г. телескопът Хабъл е изстрелян в орбитата на Земята.Той е изпратен извън нашата планета, за да се избегнат изкривявания, причинени от атмосферата на Земята при събирането на данни.Наземните обсерватории постоянно се сблъскват с проблеми като въздушна турбуленция и абсорбцията на ултравиолетова и инфрачервена радиация. Няколко седмици след изстрелването се оказа, че главното огледало на телескопа има сферична аберация – отклонение във формата на 2,2 микрона (по-малко от дебелината на човешка коса). Причината за неизправността е неправилна настройка на оборудването по време на огледално полиране. През 1993 г. се състоя една от най-трудните ремонтни мисии в историята на пилотираните космически полети. Астронавтите пътуват до Хабъл и инсталират системата COSTAR, набор от обективи, които компенсират отклоненията. В същото време те заменят основната камера с нова, вече оборудвана с вградена корекция. След успеха на мисията, НАСА проведе още четири експедиции. През 1997 г. те заменят спектрографа GHRS с по-мощен спектрограф STIS с висока чувствителност, а също така добавят NICMOS, камера за инфрачервени наблюдения, охладени с течен азот. През 1999 г. те заменят всичките шест жироскопа и модернизират основния бордов компютър. През 2002 г. е инсталирана камерата ACS, а слънчевите панели са заменени с нови. През 2009 г. е инсталирана камерата WFC3, а всички жироскопи и електронни единици са заменени. И все пак, този случай е изключение. Важно е да запомните, че ако вашият спътник не е на ниво с Хабъл по отношение на цената и научното значение, никой няма да лети да го поправи. Между другото, животът на телескопа е удължен от планираните 15 години на повече от 35 години благодарение на надстройките. Какво се случва, ако космическият кораб остане на орбита твърде дълго? Сред тези стари таймери е Transit 5B-5, изстрелян от Съединените щати на 21 декември 1964 г. Той все още работи.По-точно, той предава сигнали - главно за научни и тестови цели.Тази машина от епохата на първите навигационни системи работи на радиоактивния изотоп плутоний-238, поради което е в орбита толкова дълго време. В края на жизнения си цикъл устройството или се изпраща на „копаеща орбита“ или се изпраща на дъното на океана по контролиран начин.Според оценки на Европейската космическа агенция (ЕКА), има повече от 54 000 обекта по-големи от 10 сантиметра, летящи над главите ни. До началото на 2025 г. около 40 000 сателита са били в орбита около Земята и само 11 000 от тях са в експлоатация.Ако плътността на космическите отломки продължава да расте, това може да предизвика ефекта на Кеслер, което прави почти невъзможно използването на космическото пространство.Дори малка част от пясъка, летящ със скорост от няколко хиляди или десетки хиляди километра в час, може непоправимо да повреди космическия телескоп Хабъл или системата за поддържане на живота на МКС. Това е пример за това как най-простата електроника на 60-те години, с надеждно захранване и устойчивост на екстремни условия, може да работи на орбита много пъти по-дълго от повечето съвременни спътници. Учените са сериозно загрижени за останките в орбита.Трябва да се почисти, но къде? Понастоящем в Тихия океан за тази цел съществува изолирано място – Точка Немо.Той се намира в южното полукълбо, на около 4800 км от брега на Нова Зеландия и на около 2700 км от най-близките острови.Това е така нареченото „гробище на космически кораби“, където се потопяват останки от космически кораби, които не са изгорени в атмосферата. В Пойнт Немо океанът е на дълбочина около 4 км, с ниско съдържание на хранителни вещества и практически без живот.Когато МКС достигне края на експлоатационния си живот, тя ще бъде изведена на орбита над океана и потъна там. За да бъдем по-точни по отношение на цифрите: времето от началото на предварителното проектиране до изстрелването обикновено отнема 7-10 години (Sentinel-1A: одобрение - 2007, изстрелване - 2014), последвано от 15-20 години (или дори повече) на експлоатация, което корелира добре с текущите програми на НАСА и ЕКА. Това създава изключително парадоксална ситуация: космическите кораби използват технология от миналия век, но тази стратегия е това, което прави космоса надежден.В резултат на това сателитите, проектирани и сертифицирани по стандартите на 90-те години, продължават да осигуряват комуникации, навигация и научни данни в продължение на десетилетия, докато нашите наземни приспособления са били заменени няколко пъти. Радио и топлинна устойчивост на доказани стандарти Процесорите и изчислителните системи, използвани в космоса, особено тези на борда на спътници и междупланетни космически кораби, трябва да имат висока радиационна и топлинна устойчивост. Вземете легендарния микропроцесор BAE RAD750, базиран на архитектурата IBM PowerPC 750 и разработен с помощта на 250 nm (или 150 nm) CMOS технология. Той работи на честоти от 110 до 200 MHz, осигурява до 400 MIPS на изчислителна мощност и консумира около 5 W (или 10 W като част от система с една дъска). Това се постига чрез специален кристален дизайн, изолация и рекодиране на данни, както и внимателен подбор на компоненти и изпитвания за излагане на космическа радиация в условия, близки до тези на реалните мисии. В СССР, един от първите съветски бордови компютри е Argon-11S. Това е първият в света космически компютър.Той има трикратна хардуерна редукция и автоматично контролира космическия полет според програмата Zond (полет около Луната с връщането на модула за кацане на Земята). Отличителна черта на тези съветски и руски системи е, че те са разработени според по-консервативни технологични стандарти, използвайки по-малко плътни технологични процеси - например, 0,18 μm. Това увеличава тяхната устойчивост на радиация и намалява риска от неуспех.Въпреки че остарели от съвременните стандарти, тези технологии са доказани в продължение на десетилетия на работа в космоса.Те могат да издържат на условия на интензивна радиация, екстремни температурни колебания и дълги периоди на работа без възможност за поддръжка или ремонт. RTOS и езици Ако всичко е толкова сложно, наистина ли е възможно да се изпрати компютър / сървър, работещ с Windows или Linux в космоса? Теоретично, да, но обикновено такива задачи изискват RTOS - операционна система, която гарантира изпълнението на критични функции без най-малка неизправност или забавяне. VxWorks, разработен от Wind River, е търговски RTOS с висока степен на надеждност и многобройни функции. Той поддържа мултитаскинг с приоритетно предотвратяване и осигурява минимално време за реакция. ОС се използва от НАСА, както и в европейски и американски сателити и научни инструменти. VxWorks има модулна архитектура и е сертифициран за стандартите за авиация и космическа безопасност. Най-новите версии дори интегрират възможности за работа с AI и сервизна контейнеризация. Алтернатива с отворен код е RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). Тя първоначално е разработена за контрол на ракетните системи на армията на САЩ и по-късно е адаптирана за многопроцесорни архитектури. Европейската космическа агенция активно използва RTEMS, защото е лесно преносима към различни хардуерни платформи, включително радиационно-устойчивото семейство SPARC LEON на процесорите, които се използват широко в европейските мисии. RTEMS има по-гъвкава система за планиране на задачи и позволява модификации на компоненти. ОСът е преминал през строги тестове и е награден с ниво на надеждност "B" според класификацията на ESA, което показва неговата пригодност за критични космически системи. Има също така Ada95, език за програмиране, създаден в САЩ през 1980 г. за критичен софтуер в системи в реално време. Подобно на операционната система RTEMS, тя първоначално е била военно развитие, което е било адаптирано за научни задачи. Ada95 се използва в авиацията и космическото пространство поради строгото си въвеждане, поддръжка за паралелизъм, проверки на границите на масивите за изпълнение и управление на изключения. Специализираният софтуер, наречен "C", осигурява ниско ниво на контрол на времето за реакция и паметта, така че в проекти за безопасност, той е ограничен от профили като MISRA C и допълнен от строг статичен анализ. За сертифицирани в реално време има профил на Ravenscar, който намалява задачите до анализируем подкомплект. SPARK, подкомплект от Ada, съвместим с изискванията на DO-178C/DO-333, се използва за официална проверка. На практика тези инструменти значително намаляват количеството проверка и оперативни рискове в големи проекти, от fly-by-wire системи като Boeing 777 до авиониката на ЕКА. CubeSat и COTS Revolution Това се дължи отчасти на революцията, предизвикана от CubeSats. Тези спътници са малко по-големи от кубчето на Рубик, с размери 10×10×10 см и тежат не повече от 1.33 кг. Благодарение на малкия си размер и модулност, CubeSats опростяват и намаляват разходите за създаване и изстрелване на космическо оборудване в орбита.Това отваря нови възможности за бизнеса и изследователите.Например, за стартиране на търговски и научни мисии на по-ниска цена, включително комуникации, дистанционно сензориране, IoT и експерименти в ниска орбита на Земята. CubeSats са се превърнали в един от драйверите на масовата демократизация на достъпа до космоса и развитието на съвременната космическа индустрия. Това се случва, наред с други неща, благодарение на пускането на серийни устройства, използващи търговски оборудване (COTS).
