Nel 2016, la ISS era ancora in funzione su processori Intel 80386SX 20 MHz, che erano già un quarto di secolo vecchi. Le stazioni a terra GLONASS sono dotate della prima versione di Elbrus. In “piccolo spazio”, le priorità sono diverse: basso costo, iterazione rapida, e l'uso di CubeSats sui contenitori Raspberry Pi e Linux. Diamo un'occhiata a perché le tecnologie testate nel tempo sono apprezzate nello spazio. Perché tutto avviene così lentamente Se guardi un progetto spaziale attraverso gli occhi degli ingegneri e dei manager, non assomiglia a una startup, ma piuttosto alla costruzione di una centrale nucleare. La prima fase è quella di definire gli obiettivi e gli obiettivi della missione.Questo è dove si formano l'idea principale, i compiti, il budget e i termini.Questa fase comprende la ricerca della fattibilità tecnica e la valutazione delle tecnologie chiave che devono essere sviluppate da zero per le condizioni specifiche dello spazio. Poi arriva il design preliminare. Durante questa fase, viene creato un aspetto preliminare della navicella spaziale e vengono sviluppate specifiche tecniche per ulteriori lavori. E questo è dove iniziano le specifiche. In un satellite, non puoi semplicemente prendere e sostituire i componenti come faresti in un server in un data center. E certamente non puoi semplicemente prendere e iniziare a usare un nuovo satellite se qualcosa va storto con il vecchio, come facciamo con i nostri gadget. Tutto ciò che gli ingegneri hanno scelto rimarrà a bordo per tutta la vita di servizio. Avrebbero potuto fare la loro selezione all'inizio del 2010, ma il lancio sta accadendo solo ora. In questa fase vengono elaborati il design, i materiali e il software, tenendo conto dei requisiti di affidabilità. Successivamente arriva la certificazione. Questa è una delle fasi più rigorose e lunghe del ciclo di vita del progetto. C'è uno standard internazionale, DO-178C, che è un "codice di condotta" per gli sviluppatori di software spaziali e aeronautici. Secondo questo standard, nessuna linea di codice può essere formalmente approvata fino a quando non è stato assolutamente dimostrato che ogni elemento del sistema - dalla più vaga idea al codice nel microprocessore - è stato tracciato, descritto e testato. La certificazione è un processo lento: gli auditori controllano i piani, i test e la documentazione, fino alla copertura del codice (in sistemi critici utilizzando il metodo MC/DC - Modified Condition/Decision Coverage). Il dispositivo viene sottoposto a test in condizioni il più vicine possibile a quelle nello spazio: vuoto, basse temperature, vibrazioni e radiazioni. Questo include anche la certificazione finale e gli audit necessari per l'approvazione del dispositivo per il lancio.Ma è questa "maratona burocratica" che garantisce che il satellite funzionerà senza problemi per 15-20 anni in condizioni di radiazione, fluttuazioni di temperatura e senza riparazione. Poi arriva il lancio stesso. Dopo di che, il dispositivo viene messo in funzione e inizia a lavorare nello spazio. Durante questo periodo, la comunicazione viene mantenuta, gli aggiornamenti del software vengono scaricati (con significative restrizioni), e i parametri orbitali vengono monitorati e regolati. Tutto questo viene fatto attraverso stazioni a terra, con verifica in più fasi per garantire che un bug accidentale non disabiliti una missione di centinaia di milioni di dollari. Incidente con il telescopio Tuttavia, in casi eccezionali, riparazioni e modifiche sono ancora possibili direttamente nello spazio. Ad esempio, nel 1990, il telescopio Hubble è stato lanciato in orbita terrestre. È stato inviato al di là del nostro pianeta per evitare distorsioni causate dall'atmosfera terrestre quando si raccolgono dati. Poche settimane dopo il lancio, si è scoperto che lo specchio principale del telescopio aveva un'aberrazione sferica - una deviazione in forma di 2,2 micron (meno dello spessore di un capello umano). La causa del malfunzionamento è stata l'impostazione errata dell'attrezzatura durante la pulizia dello specchio. Nel 1993 è avvenuta una delle missioni di riparazione più difficili nella storia del volo spaziale equipaggiato. Gli astronauti hanno viaggiato per Hubble e installato il sistema COSTAR, un set di obiettivi che compensano l'aberrazione. Allo stesso tempo, hanno sostituito la fotocamera principale con una nuova, già dotata di correzione incorporata. Così, Hubble ha finalmente iniziato a produrre immagini chiare. Dopo il successo della missione, la NASA ha condotto altre quattro spedizioni. Nel 1997 hanno sostituito lo spettrografo GHRS con uno spettrografo STIS più potente con alta sensibilità, e hanno anche aggiunto NICMOS, una telecamera per le osservazioni a infrarossi raffreddate da azoto liquido. Nel 1999 hanno sostituito tutti e sei i giroscopi e hanno aggiornato il computer principale a bordo. Nel 2002 è stata installata la fotocamera ACS e i pannelli solari sono stati sostituiti con nuovi. Nel 2009 è stata installata la fotocamera WFC3, e tutti i giroscopi e le unità elettroniche sono stati sostituiti. lo spettrografo STIS, che era fallito nel 2004, è stato anche riparato. Eppure, questo caso è un'eccezione. È importante ricordare che se il tuo satellite non è al pari di Hubble in termini di prezzo e significato scientifico, nessuno volerà per ripararlo. Incidentalmente, la vita del telescopio è stata estesa dai pianificati 15 anni a più di 35 anni grazie agli aggiornamenti. Cosa succede se una nave spaziale rimane in orbita troppo a lungo? Tra questi vecchi temporizzatori c'è il Transit 5B-5, lanciato dagli Stati Uniti il 21 dicembre 1964. È ancora in funzione. Più precisamente, trasmette segnali - principalmente per scopi scientifici e di test. Questa macchina dall'era dei primi sistemi di navigazione funziona sull'isotopo radioattivo plutonio-238, motivo per cui è in orbita da tanto tempo. Alla fine del suo ciclo di vita, il dispositivo viene inviato in “orbita del sepolcro” o inviato al fondo dell’oceano in modo controllato. Secondo le stime dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ci sono più di 54.000 oggetti di dimensioni superiori a 10 centimetri che volano sopra le nostre teste. Ci sono già circa 1,2 milioni di piccoli frammenti di dimensioni da 1 a 10 centimetri. Entro l'inizio del 2025, c'erano circa 40.000 satelliti in orbita terrestre, e solo 11.000 di essi sono operativi.Se la densità dei detriti spaziali continua a crescere, potrebbe causare l'effetto Kessler, rendendo quasi inutilizzabile lo spazio.Anche un piccolo granello di sabbia che vola a una velocità di diverse migliaia o decine di migliaia di chilometri all'ora potrebbe danneggiare irreparabilmente il telescopio spaziale Hubble o il sistema di supporto alla vita della ISS. Un fatto interessante: il Transit 5B-5 è diventato l'antenato diretto del GPS. È un esempio di come l'elettronica più semplice degli anni Sessanta, con un'alimentazione affidabile e resistenza alle condizioni estreme, può operare in orbita molte volte più a lungo della maggior parte dei satelliti moderni. Gli scienziati sono seriamente preoccupati per i detriti in orbita. Ha bisogno di essere pulito, ma dove? Attualmente, c'è un posto isolato nell'Oceano Pacifico per questo scopo - Point Nemo. Si trova nell'emisfero meridionale, a circa 4.800 km dalla costa della Nuova Zelanda e a circa 2.700 km dalle isole più vicine. A Point Nemo, l'oceano è di circa 4 km di profondità, con basso contenuto di nutrienti e praticamente nessuna vita.Quando la ISS raggiunge la fine della sua vita operativa, sarà portato in orbita sopra l'oceano e affondato lì. Per essere più precisi in termini di numeri: il tempo dall'inizio della progettazione preliminare al lancio di solito richiede 7-10 anni (Sentinel-1A: approvazione - 2007, lancio - 2014), seguito da 15-20 anni (o anche più) di funzionamento, che correlano bene con i programmi attuali della NASA e dell'ESA. Questo crea una situazione estremamente paradossale: le navi spaziali utilizzano la tecnologia del secolo scorso, ma questa strategia è ciò che rende lo spazio affidabile.Di conseguenza, i satelliti progettati e certificati ai standard degli anni '90 continuano a fornire comunicazioni, navigazione e dati scientifici per decenni, mentre i nostri gadget terrestri sono stati sostituiti più volte. Resistenza radio e termica di standard comprovati I processori e i sistemi informatici utilizzati nello spazio, specialmente quelli a bordo dei satelliti e delle navi spaziali interplanetarie, devono avere elevata radiazione e resistenza termica.In elettronica commerciale convenzionale, queste caratteristiche sono considerate eccessive, ma per lo spazio, sono vitali. Prendiamo il leggendario microprocessore BAE RAD750, basato sull'architettura IBM PowerPC 750 e sviluppato utilizzando la tecnologia CMOS a 250 nm (o 150 nm). Funziona a frequenze da 110 a 200 MHz, fornisce fino a 400 MIPS di potenza di calcolo e consuma circa 5 W (o 10 W come parte di un sistema single-board). Ciò si ottiene attraverso la progettazione speciale di cristalli, l’isolamento e la ricodifica dei dati, nonché la selezione accurata dei componenti e i test per l’esposizione alle radiazioni spaziali in condizioni simili a quelle delle missioni reali.Il RAD750 è utilizzato nei sistemi di controllo delle sonde satellitari e interplanetari, come i rover Curiosity e Perseverance, nonché nei telescopi. Nell'URSS, uno dei primi computer sovietici a bordo fu l'Argon-11S. Era il primo computer spaziale del mondo. Aveva una redundanza hardware tripla e controllava automaticamente il volo spaziale secondo il programma Zond (un volo intorno alla Luna con il ritorno del modulo di atterraggio sulla Terra). Una caratteristica distintiva di questi sistemi sovietici e russi è che sono stati sviluppati secondo standard tecnologici più conservatori utilizzando processi tecnologici meno densi - ad esempio, 0,18 μm. Questo aumenta la loro resistenza alla radiazione e riduce il rischio di guasto. Anche se obsoleti da standard moderni, queste tecnologie sono state dimostrate nel corso di decenni di funzionamento nello spazio. Possono resistere a condizioni di radiazione intensa, fluttuazioni estreme di temperatura e lunghi periodi di funzionamento senza la possibilità di manutenzione o riparazione. RTOS e lingue Se tutto è così complicato, è davvero possibile inviare un computer / server che esegue Windows o Linux nello spazio? In teoria, sì, ma di solito, tali compiti richiedono un RTOS - un sistema operativo che garantisce l'esecuzione di funzioni critiche senza il minimo fallimento o ritardo. Tra i più noti e affidabili RTOS sono gli americani VxWorks e RTEMS. VxWorks, sviluppato da Wind River, è un RTOS commerciale con un alto grado di affidabilità e numerose funzionalità. Supporta il multitasking con preemption di priorità e fornisce tempi di risposta minimi. L'OS è utilizzato dalla NASA, così come nei satelliti europei e americani e negli strumenti scientifici. VxWorks ha un'architettura modulare ed è certificato per gli standard di sicurezza aerea e spaziale. Le ultime versioni integrano anche capacità per lavorare con l'IA e la containerizzazione dei servizi. Un'alternativa open source è RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). È stato originariamente sviluppato per controllare i sistemi missilistici dell'esercito degli Stati Uniti ed è stato successivamente adattato per le architetture multiprocessore.L'Agenzia Spaziale Europea utilizza attivamente RTEMS perché è facilmente trasportabile su diverse piattaforme hardware, tra cui la famiglia di processori SPARC LEON resistenti alla radiazione, che sono ampiamente utilizzati nelle missioni europee. RTEMS ha un sistema di pianificazione delle attività più flessibile e consente modifiche dei componenti.Il sistema operativo è stato sottoposto a rigidi test ed è stato assegnato un livello di affidabilità di "B" secondo la classificazione ESA, che indica la sua idoneità per sistemi spaziali critici. C'è anche Ada95, un linguaggio di programmazione creato negli Stati Uniti nel 1980 per il software critico nei sistemi in tempo reale. Come il sistema operativo RTEMS, è stato originariamente uno sviluppo militare che è stato adattato per i compiti scientifici. Ada95 è usato nell'aviazione e nello spazio a causa della sua stricta tipografia, supporto per il parallelismo, controlli dei confini dell'array del tempo di esecuzione e gestione delle eccezioni. Il software specializzato chiamato “C” fornisce un controllo a basso livello del tempo di risposta e della memoria, quindi nei progetti di sicurezza è limitato da profili come MISRA C e integrato da analisi statica rigorosa. SPARK, un sottoinsieme di Ada compatibile con i requisiti DO-178C/DO-333, viene utilizzato per la verifica formale. In pratica, questi strumenti riducono significativamente la quantità di verifica e i rischi operativi in grandi progetti, dai sistemi fly-by-wire come il Boeing 777 all'avionica dell'ESA. CubeSat e COTS Revolution Questo è in parte dovuto alla rivoluzione portata avanti da CubeSats. Questi satelliti sono leggermente più grandi di un cubo di Rubik, misurando 10×10×10 cm e pesando non più di 1,33 kg. Grazie alla loro piccola dimensione e modularità, CubeSats semplifica e riduce i costi di creazione e lancio di attrezzature spaziali in orbita. Questo apre nuove opportunità per le imprese e i ricercatori. Ad esempio, per lanciare missioni commerciali e scientifiche a un costo più basso, tra cui le comunicazioni, la sensazione remota, l'IoT e gli esperimenti in orbita terrestre bassa. CubeSats sono diventati uno dei driver della democratizzazione di massa di accesso allo spazio e lo sviluppo dell'industria spaziale moderna. Questo sta accadendo, tra l'altro, grazie al lancio di dispositivi seriali utilizzando attrezzature commercialmente disponibili (COTS). Questo approccio consente la rapida creazione di satelliti modulari e a basso costo per compiti scientifici, commerciali e industriali.
