In 2016, the ISS was still running on Intel 80386SX 20 MHz processors, which were already a quarter of a century old. GLONASS ground stations are equipped with the first version of Elbrus. In “small space”, the priorities are different: low cost, rapid iteration, and the use of CubeSats on Raspberry Pi and Linux containers. Let's take a look at why time-tested technologies are valued in space. Pourquoi tout se passe si lentement Si vous regardez un projet spatial à travers les yeux des ingénieurs et des gestionnaires, il ne ressemble pas à une start-up, mais plutôt à la construction d'une centrale nucléaire. La première étape consiste à définir les objectifs et les objectifs de la mission. C'est là que l'idée principale, les tâches, le budget et les délais sont formés. Cette étape comprend la recherche de la faisabilité technique et l'évaluation des technologies clés qui doivent être développées à partir de zéro pour les conditions spécifiques de l'espace. Ensuite vient la conception préliminaire. Au cours de cette phase, une apparence préliminaire du vaisseau spatial est créée, et des spécifications techniques sont développées pour un travail ultérieur. Et c'est là que les spécifications commencent. Dans un satellite, vous ne pouvez pas simplement prendre et remplacer des composants comme vous le feriez dans un serveur dans un centre de données. Et vous ne pouvez certainement pas simplement prendre et commencer à utiliser un nouveau satellite si quelque chose ne va pas avec l'ancien, comme nous le faisons avec nos gadgets. Tout ce que les ingénieurs ont choisi restera à bord pendant toute la durée de vie. Ils auraient pu faire leur sélection au début de 2010, mais le lancement ne se produit que maintenant. À ce stade, la conception, les matériaux et le logiciel sont élaborés en tenant compte des exigences de fiabilité. C’est l’une des étapes les plus rigoureuses et les plus longues du cycle de vie du projet. Il existe une norme internationale, DO-178C, qui est un « code de conduite » pour les développeurs de logiciels spatiaux et aéronautiques. Conformément à cette norme, aucune ligne de code ne peut être formellement approuvée jusqu’à ce qu’il soit absolument prouvé que chaque élément du système – de l’idée la plus vague au code dans le microprocesseur – a été tracé, décrit et testé. La certification est un processus lent : les auditeurs vérifient les plans, les tests et la documentation, jusqu'à la couverture du code (dans les systèmes critiques en utilisant la méthode MC/DC - Couverture des conditions modifiées / décision). Ensuite, la phase de test commence.L'appareil est testé dans des conditions aussi proches que possible de celles de l'espace - vide, basses températures, vibrations et rayonnement. Ensuite vient l'intégration du système et la préparation du lancement. Cela inclut également la certification finale et les audits nécessaires pour que le dispositif soit approuvé pour le lancement.Mais c'est ce "marathon bureaucratique" qui garantit que le satellite fonctionnera sans problème pendant 15-20 ans dans des conditions de radiation, de fluctuations de température et sans réparation. Après cela, l’appareil est mis en service et commence à travailler dans l’espace. Pendant cette période, la communication est maintenue, les mises à jour logicielles sont téléchargées (avec des restrictions importantes), et les paramètres de l’orbite sont surveillés et ajustés. Tout cela est fait à travers des stations au sol, avec une vérification à plusieurs étapes pour s’assurer qu’un bug accidentel ne désactive pas une mission d’une valeur de centaines de millions de dollars. L'incident du télescope However, in exceptional cases, repairs and modifications are still possible directly in space. For example, in 1990, the Hubble telescope was launched into Earth's orbit. It was sent beyond our planet to avoid distortions caused by the Earth's atmosphere when collecting data. Ground-based observatories constantly face problems such as air turbulence and the absorption of ultraviolet and infrared radiation. A few weeks after launch, it turned out that the telescope's main mirror had spherical aberration — a deviation in shape of 2.2 microns (less than the thickness of a human hair). This caused the image to become blurred. The cause of the malfunction was incorrect equipment settings during mirror polishing. In 1993, one of the most difficult repair missions in the history of manned spaceflight took place. Astronauts traveled to Hubble and installed the COSTAR system, a set of lenses that compensates for aberration. At the same time, they replaced the main camera with a new one, already equipped with built-in correction. Thus, Hubble finally began to produce clear images. After the success of the mission, NASA conducted four more expeditions. En 1997, ils ont remplacé le spectrographe GHRS par un spectrographe STIS plus puissant avec une sensibilité élevée, et ont également ajouté NICMOS, une caméra pour les observations infrarouges refroidi par l'azote liquide. En 1999, ils ont remplacé les six gyroscopes et mis à niveau l'ordinateur principal à bord. En 2002, la caméra ACS a été installée et les panneaux solaires ont été remplacés par de nouveaux. In 2009, the WFC3 camera was installed, and all gyroscopes and electronic units were replaced. The STIS spectrograph, which had failed in 2004, was also repaired. Et pourtant, ce cas est une exception.Il est important de se rappeler que si votre satellite n'est pas au même niveau que Hubble en termes de prix et de signification scientifique, personne ne s'envolera pour le réparer.Par ailleurs, la durée de vie du télescope a été prolongée de 15 ans à plus de 35 ans grâce à des mises à niveau. Que se passe-t-il si un vaisseau spatial est laissé en orbite trop longtemps ? Parmi ces vieux timers se trouve le Transit 5B-5, lancé par les États-Unis le 21 décembre 1964. Il fonctionne encore. Plus précisément, il transmet des signaux - principalement à des fins scientifiques et de test. Cette machine de l'ère des premiers systèmes de navigation fonctionne sur l'isotope radioactif plutonium-238, ce qui explique pourquoi elle est en orbite depuis si longtemps. At the end of its life cycle, the device is either sent to a “graveyard orbit” or sent to the bottom of the ocean in a controlled manner. According to estimates by the European Space Agency (ESA), there are more than 54,000 objects larger than 10 centimeters flying above our heads. There are already about 1.2 million small fragments measuring 1 to 10 centimeters. And the number of sub-centimeter fragments has long exceeded 130 million. By the beginning of 2025, there were about 40,000 satellites in Earth's orbit, and only 11,000 of them are operational. If the density of space debris continues to grow, it could cause the Kessler effect, rendering near space unusable. Even a tiny grain of sand flying at a speed of several thousand or tens of thousands of kilometers per hour could irreparably damage the Hubble Space Telescope or the ISS life support system. An interesting fact: Transit 5B-5 became the direct ancestor of GPS. It is an example of how the simplest electronics of the 1960s, with a reliable power supply and resistance to extreme conditions, can operate in orbit many times longer than most modern satellites. Les scientifiques sont sérieusement préoccupés par les débris en orbite.Il faut le nettoyer, mais où? Actuellement, il existe un endroit isolé dans l'océan Pacifique à cette fin - Point Nemo. Il est situé dans l'hémisphère sud, à environ 4.800 km de la côte de la Nouvelle-Zélande et à environ 2.700 km des îles les plus proches. À Point Nemo, l'océan est à environ 4 km de profondeur, avec une faible teneur en nutriments et pratiquement aucune vie.Lorsque l'ISS atteint la fin de sa vie opérationnelle, il sera mis en orbite au-dessus de l'océan et y sera noyé. Pour être plus précis en termes de chiffres: le temps entre le début de la conception préliminaire et le lancement prend généralement 7-10 ans (Sentinel-1A: approbation - 2007, lancement - 2014), suivi de 15-20 ans (ou même plus) d'exploitation, ce qui correspond bien aux programmes actuels de la NASA et de l'ESA. Cela crée une situation extrêmement paradoxale: les vaisseaux spatiaux utilisent la technologie du siècle dernier, mais cette stratégie est ce qui rend l'espace fiable.En conséquence, les satellites conçus et certifiés selon les normes des années 1990 continuent de fournir des communications, de la navigation et des données scientifiques pendant des décennies, tandis que nos gadgets terrestres ont été remplacés plusieurs fois. Résistance radio et thermique des normes éprouvées Les processeurs et les systèmes informatiques utilisés dans l'espace, en particulier ceux à bord des satellites et des vaisseaux spatiaux interplanétaires, doivent avoir une résistance élevée aux radiations et à la chaleur. Prenez le légendaire microprocesseur BAE RAD750, basé sur l'architecture IBM PowerPC 750 et développé à l'aide de la technologie CMOS de 250 nm (ou 150 nm). Il fonctionne à des fréquences allant de 110 à 200 MHz, fournit jusqu'à 400 MIPS de puissance de calcul, et consomme environ 5 W (ou 10 W dans le cadre d'un système à table unique). Ceci est réalisé grâce à la conception spéciale en cristal, à l'isolation et au recodage des données, ainsi qu'à la sélection et aux tests minutieux des composants pour l'exposition aux rayonnements spatiaux dans des conditions proches de celles des missions réelles. le RAD750 est utilisé dans les systèmes de contrôle des sondes satellites et interplanétaires, tels que les rovers Curiosity et Perseverance, ainsi que dans les télescopes. Dans l'URSS, l'un des premiers ordinateurs soviétiques à bord était l'Argon-11S. Il était le premier ordinateur spatial du monde. Il avait une redondance matérielle triple et contrôlait automatiquement le vol spatial selon le programme Zond (un vol autour de la Lune avec le retour du module d'atterrissage sur Terre). Une caractéristique distinctive de ces systèmes soviétiques et russes est qu'ils ont été développés selon des normes technologiques plus conservatrices en utilisant des processus technologiques moins denses - par exemple, 0,18 μm. Cela augmente leur résistance aux rayonnements et réduit le risque d'échec. Bien que dépassés par les normes modernes, ces technologies ont été prouvées au cours de décennies d'exploitation dans l'espace. RTOS et les langues If everything is so complicated, is it really possible to send a computer/server running Windows or Linux into space? In theory, yes, but usually, such tasks require an RTOS — an operating system that guarantees the execution of critical functions without the slightest failure or delay. Among the most well-known and trusted RTOSs are the American VxWorks and RTEMS. VxWorks, développé par Wind River, est un RTOS commercial avec un haut degré de fiabilité et de nombreuses fonctionnalités. Il prend en charge le multitasking avec préemption de priorité et fournit des temps de réponse minimaux. L'OS est utilisé par la NASA, ainsi que dans les satellites européens et américains et les instruments scientifiques. VxWorks a une architecture modulaire et est certifié aux normes de sécurité de l'aviation et de l'espace. An open source alternative is RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). It was originally developed to control US Army missile systems and was later adapted for multiprocessor architectures. The European Space Agency actively uses RTEMS because it is easily portable to different hardware platforms, including the radiation-resistant SPARC LEON family of processors, which are widely used in European missions. RTEMS has a more flexible task scheduling system and allows for component modifications. The OS has undergone rigorous testing and has been awarded a reliability level of “B” according to the ESA classification, which indicates its suitability for critical space systems. Il y a aussi Ada95, un langage de programmation créé aux États-Unis en 1980 pour les logiciels critiques dans les systèmes en temps réel. Comme le système d'exploitation RTEMS, il était à l'origine un développement militaire qui a été adapté pour des tâches scientifiques. Ada95 est utilisé dans l'aviation et l'espace en raison de son typage strict, le soutien pour le parallélisme, les contrôles des limites de la gamme de temps d'exécution et le traitement des exceptions. Specialized software called “C” provides low-level control of response time and memory, so in safety projects, it is restricted by profiles such as MISRA C and supplemented by rigorous static analysis. For certified real-time, there is the Ravenscar profile, which cuts tasks down to an analyzable subset. SPARK, a subset of Ada compatible with DO-178C/DO-333 requirements, is used for formal verification. In practice, these tools significantly reduce the amount of verification and operational risks in large projects, from fly-by-wire systems such as the Boeing 777 to ESA avionics. CubeSat et COTS Revolution Il y a actuellement une augmentation significative de l'intérêt pour les petits satellites dans le monde entier.Cela est en partie dû à la révolution provoquée par CubeSats.Ces satellites sont légèrement plus grands qu'un cube de Rubik, mesurant 10×10×10 cm et pesant pas plus de 1,33 kg. Thanks to their small size and modularity, CubeSats simplify and reduce the cost of creating and launching space equipment into orbit. This opens up new opportunities for businesses and researchers. For example, to launch commercial and scientific missions at a lower cost, including communications, remote sensing, IoT, and experiments in low Earth orbit. CubeSats sont devenus l'un des moteurs de la démocratisation de masse de l'accès à l'espace et le développement de l'industrie spatiale moderne. Cela se produit, entre autres, grâce au lancement de dispositifs en série à l'aide d'équipements commercialement disponibles (COTS). Cette approche permet la création rapide de satellites modulaires et peu coûteux pour les tâches scientifiques, commerciales et industrielles.
