В 2016 году МКС по-прежнему работала на процессорах Intel 80386SX 20 MHz, которым уже было четверть века.ГЛОНАСС наземные станции оснащены первой версией Elbrus.В «малом пространстве» приоритеты отличаются: низкая стоимость, быстрая итерация, а также использование CubeSats на контейнерах Raspberry Pi и Linux. Почему все происходит так медленно Если посмотреть на космический проект глазами инженеров и менеджеров, то он напоминает не стартап, а скорее строительство атомной электростанции. Первый этап заключается в определении целей и целей миссии. Это место, где формируются основные идеи, задачи, бюджет и сроки. Этот этап включает исследование технической целесообразности и оценку ключевых технологий, которые необходимо разработать с нуля для конкретных условий пространства. Затем наступает предварительный дизайн. Во время этого этапа создается предварительный вид космического корабля, и разрабатываются технические спецификации для дальнейшей работы. И здесь начинаются спецификации. В спутнике вы не можете просто взять и заменить компоненты, как вы бы в сервере в центре данных. И вы, безусловно, не можете просто взять и начать использовать новый спутник, если что-то идет не так со старым, как мы делаем с нашими гаджетами. Все, что инженеры выбрали, останется на борту на всю жизнь службы. Они могли сделать свой выбор в начале 2010 года, но запуск происходит только сейчас. На этом этапе разрабатываются дизайн, материалы и программное обеспечение с учетом требований к надежности. Далее идет сертификация. Это один из самых строгих и длительных этапов жизненного цикла проекта. Существует международный стандарт, DO-178C, который является «кодексом поведения» для разработчиков космического и авиационного программного обеспечения. Согласно этому стандарту, ни одна линия кода не может быть официально одобрена, пока не будет абсолютно доказано, что каждый элемент системы — от самой неясной идеи до кода в микропроцессоре — был отслежен, описан и протестирован. Сертификация является медленным процессом: аудиторы проверяют планы, тесты и документацию, вплоть до покрытия кода (в критических системах с использованием метода MC/DC — Modified Condition/Decision Coverage). Затем начинается фаза испытаний.Устройство проходит испытания в условиях, максимально приближенных к условиям в космосе — вакууме, низких температурах, вибрациях и радиации. Это также включает в себя окончательную сертификацию и аудиты, необходимые для того, чтобы устройство было одобрено для запуска.Но именно этот «бюрократический марафон» гарантирует, что спутник будет работать без проблем в течение 15-20 лет в условиях радиации, колебаний температуры и без ремонта. Затем наступает сам запуск. После этого устройство вводится в эксплуатацию и начинает работать в космосе. В этот период поддерживается связь, загружаются обновления программного обеспечения (с значительными ограничениями), а параметры орбиты контролируются и регулируются.Все это делается через наземные станции, с многоступенчатой проверкой, чтобы гарантировать, что случайный дефект не отключит миссию стоимостью сотни миллионов долларов. The Telescope Incident Однако в исключительных случаях ремонт и модификации все еще возможны непосредственно в космосе. Например, в 1990 году телескоп Хаббл был запущен на орбиту Земли. Он был отправлен за пределы нашей планеты, чтобы избежать искажений, вызванных атмосферой Земли при сборе данных. Через несколько недель после запуска стало известно, что главное зеркало телескопа имело сферическую отклонение — отклонение в форме 2,2 микрона (менее толщины человеческого волоса). В 1993 году состоялась одна из самых сложных ремонтных миссий в истории пилотируемых космических полетов. Астронавты отправились в Хаббл и установили систему COSTAR, набор линз, компенсирующих отклонения. В то же время они заменили главную камеру новой, уже оборудованной встроенной коррекцией. Таким образом, Хаббл наконец-то начал производить четкие изображения. После успеха миссии НАСА провело еще четыре экспедиции. В 1997 году они заменили спектрограф GHRS более мощным спектрографом STIS с высокой чувствительностью, а также добавили NICMOS, камеру для инфракрасных наблюдений, охлажденную жидким азотом. В 1999 году они заменили все шесть гироскопов и обновили основной бортовой компьютер. В 2002 году была установлена камера ACS, а солнечные панели были заменены новыми. В 2009 году была установлена камера WFC3, а все гироскопы и электронные агрегаты были заменены. И все же, этот случай является исключением. Важно помнить, что если ваш спутник не на равных с Хаббла в плане цены и научного значения, никто не будет летать, чтобы исправить его. кстати, срок службы телескопа был продлен с запланированных 15 лет до более чем 35 лет благодаря обновлениям. Что будет, если космический корабль останется на орбите слишком долго? Среди этих старых таймеров - Транзит 5Б-5, запущенный Соединенными Штатами 21 декабря 1964 года. Он до сих пор работает. Точнее, он передает сигналы - главным образом для научных и испытательных целей. Эта машина из эпохи первых навигационных систем работает на радиоактивном изотопе плутоний-238, поэтому она находится на орбите так долго. В конце своего жизненного цикла устройство либо отправляется на «гробовую орбиту», либо отправляется на дно океана контролируемым образом. Согласно оценкам Европейского космического агентства (ESA), над нашими головами летает более 54 000 объектов размером более 10 сантиметров. К началу 2025 года на орбите Земли насчитывалось около 40 000 спутников, и только 11 000 из них работают.Если плотность космических обломков продолжает расти, это может вызвать эффект Кесслера, делая около космоса неиспользуемым.Даже крошечное зерно песка, летящее со скоростью нескольких тысяч или десятков тысяч километров в час, может непоправимо повредить Космический телескоп Хаббла или систему поддержки жизни МКС. Это пример того, как самая простая электроника 1960-х годов, с надежным питанием и устойчивостью к экстремальным условиям, может работать на орбите в много раз дольше, чем большинство современных спутников. Ученые серьезно обеспокоены обломками на орбите.Это необходимо очистить, но где? В настоящее время в Тихом океане для этой цели существует уединенное место — Точка Немо. Она расположена в южном полушарии, примерно в 4800 км от побережья Новой Зеландии и примерно в 2700 км от ближайших островов. В Точке Немо океан находится на глубине около 4 км, с низким содержанием питательных веществ и практически без жизни.Когда МКС достигнет конца своей эксплуатационной жизни, она будет выведена на орбиту над океаном и затонула там. Чтобы быть точнее с точки зрения цифр: время от начала предварительного проектирования до запуска обычно занимает 7-10 лет (Sentinel-1A: одобрение - 2007, запуск - 2014), за которым следуют 15-20 лет (или даже больше) эксплуатации, что хорошо коррелирует с текущими программами NASA и ESA. Это создает крайне парадоксальную ситуацию: космические корабли используют технологии прошлого века, но именно эта стратегия делает космос надежным.В результате спутники, разработанные и сертифицированные по стандартам 1990-х годов, продолжают предоставлять коммуникации, навигацию и научные данные на протяжении десятилетий, в то время как наши наземные гаджеты были заменены несколько раз. Радио и тепловое сопротивление проверенных стандартов Процессоры и вычислительные системы, используемые в космосе, особенно на борту спутников и межпланетных космических аппаратов, должны иметь высокое излучение и тепловое сопротивление. Возьмите легендарный микропроцессор BAE RAD750, основанный на архитектуре IBM PowerPC 750 и разработанный с использованием технологии CMOS 250 нм (или 150 нм). Он работает на частотах от 110 до 200 МГц, обеспечивает до 400 MIPS вычислительной мощности, и потребляет около 5 Вт (или 10 Вт в составе однослойной системы). Это достигается за счет специального кристаллического дизайна, изоляции и перешифровки данных, а также тщательного отбора компонентов и испытаний для воздействия космического излучения в условиях, близких к действительным миссиям. RAD750 используется в спутниковых и межпланетных системах управления зондами, таких как роверы Curiosity и Perseverance, а также в телескопах. В СССР одним из первых советских бортовых компьютеров был Аргон-11С. Это был первый в мире космический компьютер, который имел тройную аппаратную избыточность и автоматически контролировал космический полет по программе Зонд (полет вокруг Луны с возвращением модуля посадки на Землю). A distinctive feature of these Soviet and Russian systems is that they were developed according to more conservative technological standards using less dense technological processes — for example, 0.18 μm. This increases their resistance to radiation and reduces the risk of failure. Although outdated by modern standards, these technologies have been proven over decades of operation in space. They can withstand conditions of intense radiation, extreme temperature fluctuations, and long periods of operation without the possibility of maintenance or repair. RTOS и языки Если все так сложно, действительно ли возможно отправить в космос компьютер/сервер, работающий под Windows или Linux? В теории, да, но обычно для таких задач требуется RTOS — операционная система, которая гарантирует выполнение критических функций без малейшей неисправности или задержки. VxWorks, разработанный Wind River, является коммерческим RTOS с высокой степенью надежности и многочисленными функциями. Он поддерживает многозадачность с приоритетным предотвращением и обеспечивает минимальное время отклика. ОС используется NASA, а также в европейских и американских спутниках и научных инструментах. VxWorks имеет модульную архитектуру и сертифицирован по авиационным и космическим стандартам безопасности. Последние версии даже интегрируют возможности для работы с ИИ и контейнеризацией услуг. Альтернативой с открытым исходным кодом является RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). Он был первоначально разработан для управления ракетными системами армии США и позже был адаптирован для многопроцессорных архитектур. Европейское космическое агентство активно использует RTEMS, потому что он легко переносится на различные аппаратные платформы, включая радиационно-устойчивую семью процессоров SPARC LEON, которые широко используются в европейских миссиях. RTEMS имеет более гибкую систему планирования задач и позволяет модифицировать компоненты. ОС прошла строгие испытания и была награждена уровнем надежности «B» в соответствии с классификацией ESA, что указывает на ее пригодность для критических космических систем. Есть также Ada95, язык программирования, созданный в США в 1980 году для критического программного обеспечения в системах реального времени.Как и операционная система RTEMS, она изначально была военной разработкой, которая была адаптирована для научных задач. Ada95 используется в авиации и космосе из-за его строгого ввода, поддержки параллелизма, проверки границ массива запуска и обработки исключений. Специализированное программное обеспечение под названием «С» обеспечивает низкий уровень контроля времени отклика и памяти, поэтому в проектах безопасности оно ограничено профилями, такими как MISRA C, и дополняется строгим статическим анализом. Для сертифицированного реального времени существует профиль Ravenscar, который сокращает задачи до анализируемого подмножества. SPARK, подмножество Ada, совместимое с требованиями DO-178C/DO-333, используется для официальной проверки. На практике эти инструменты значительно уменьшают объем проверки и операционных рисков в крупных проектах, от систем fly-by-wire, таких как Boeing 777 до авионики ESA. CubeSat и COTS Revolution В настоящее время существует значительный рост интереса к малым спутникам по всему миру.Это отчасти связано с революцией, вызванной CubeSats.Эти спутники немного больше, чем кубик Рубика, измеряя 10×10×10 см и весом не более 1,33 кг. Благодаря своим небольшим размерам и модульности, CubeSats упрощают и уменьшают затраты на создание и запуск космического оборудования на орбиту.Это открывает новые возможности для бизнеса и исследователей.Например, для запуска коммерческих и научных миссий по более низкой стоимости, включая коммуникации, дистанционное зондирование, IoT и эксперименты на низкой орбите Земли. CubeSats have become one of the drivers of the mass democratization of access to space and the development of the modern space industry. This is happening, among other things, thanks to the launch of serial devices using commercially available equipment (COTS). This approach allows for the rapid creation of modular and inexpensive satellites for scientific, commercial, and industrial tasks.
