Цифровой журнал «Компьютерра» № 78

Компьютер Space Shuttle: пятеро в челноке, не считая экипажа Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 19 июля 2011 года

Восьмого июля 2011 года в половину восьмого вечера по московскому времени успешно стартовала последняя из миссий космической транспортной системы (Space Transportation System), известной в народе как «космический челнок» или Space Shuttle.

В этой миссии с кодом STS-135 главным героем был космический корабль многоразового использования «Атлантис». Экипаж из четырех астронавтов решал по-настоящему «челночные» задачи: доставку необходимого для Международной космической станции оборудования, запасных частей и всего связанного с системой жизнеобеспечения экипажа станции. Все это добро, упакованное в четырехтонный баул-модуль с романтическим названием «Рафаэль», позволит МКС спокойно просуществовать в течение следующего года.

Челнок «Атлантис» (кодовое название OV-104, Orbiter Vehicle), переданный NASA в эксплуатацию в 1985 году, — настоящий ветеран космических прогулок. Тридцать три раза этот «орбитальный транспорт» вылетал на задания, среди которых были и миссии для Министерства обороны США, и стыковка с российской космической станцией «Мир», и грузоперевозки стройматериалов для Международной космической станции.

Немудрено, что такому ветерану доверили с честью завершить почти тридцатилетний космический марафон «челноков» и, приземлившись, занять достойное место в музее Космического центра имени Кеннеди.

Наверное, в таком же пафосном стиле можно было бы рассказать обо всей миссии STS-135, если бы не одно «но». На шестые сутки полета компьютерная система «Атлантиса» заставила сильно понервничать и экипаж и наземные службы. Шутка ли, практически сразу два компьютера космического челнока засбоили, перестав выполнять свои штатные обязанности.

По протоколу миссии, отказ двух компьютерных систем корабля приводит к сокращению времени пребывания челнока на орбите. А если такое случается с тремя компьютерами, миссия в срочном порядке прекращается и шаттл сажают в ближайшее подходящее для посадки время. Комментируя происшествие с двойным отказом, один из представителей NASA честно признался: «если мы вдруг обнаружим еще одну проблему с еще одним, третьим компьютером, — честно говоря, мне кажется, что тогда мы все очень крепко задумаемся о том, что там происходит».

К счастью для NASA, компьютерных отказов в последнем челночном полете не было. Сбои двух машин устранили перезагрузкой их программного обеспечения, восстановив тем самым компьютерное равновесие в сложном хозяйстве «Атлантиса».

Что же за компьютерная система трудилась тридцать лет в глубинах космических челноков? Ведь, судя по проблемам, в шаттлах работает далеко не один компьютер.

Может показаться удивительным, но проектирование системы STS, основанной на космических челноках, началось еще до победоносных пилотируемых полетов США к Луне.

В середине шестидесятых руководство NASA начало рассматривать проекты космического транспортного средства, навеянные ничем иным как фашистскими проектами суборбитального бомбардировщика, способного, на недосягаемой для противоракет высоте, сбросить свой смертоносный груз на любую точку планеты. Как и в случае ракетостроения развивал идею такого самолета Вернер фон Браун, предложив проект челнока-самолета, закрепленного на носу мощной ракеты-носителя. Эта идея фон Брауна даже начала воплощаться в системе Dyna-Soar, использующей ракету-носитель «Титан-III». Dyna-Soar так и остался проектом, хотябы потому что его челнок предлагалось сделать пассивным летательным аппаратом, приземляющимся примерно как планер. Что до инженеров NASA, то они ратовали за челнок-самолет, способный к активному маневрированию и на орбите и при взлете и посадке.

Именно тогда проект Space Transportation System с двумя твердотопливными ускорителями и большой «канистрой» для самолета-челнока с мощными двигателями получил одобрение и хорошее финансирование.

Выбор самолетоподобной конструкции космического корабля поставил перед инженерами ряд сложнейших задач, одной из которых была компьютерная система челнока. Очевидно, что компьютерное наполнение космического самолета должно быть не в пример сложнее компьютеров, используемых в более ранних пилотируемых миссиях. Почему? Да хотя бы потому, что компьютеры шаттла в отличие от компьютеров программ Gemini и Appolo, кроме навигационных функций и систем телеметрии полета должны были отвечать за управление самим челноком.

Развивающаяся семимильными шагами реактивная авиация, доказала, что самостоятельно справиться с сотнями функциональных подсистем мчащегося на сверхзвуковой скорости самолета пилот просто не способен. В помощь ему была предложена авионика (авиационная электроника) — компьютерные системы, поддерживающие все фазы полета в заданных параметрах и активно реагирующие на действия пилота.

Но шаттл — не обычный реактивный самолет. Его компьютерные системы должны работать не только в режиме авионики, но и обеспечивать: ориентацию корабля на орбите, навигацию, стыковку с космическими станциями и запуск в эксплуатацию таких объектов, как, например, спутники.

Кроме того работая в критических условиях космического пространства, компьютерная система челнока должна обеспечивать беспрецедентную надежность, от которой всецело зависит жизнь экипажа и успех дорогостоящей миссии.

Для поиска лучшего решения агентство NASA объявило тендер на создание оптимальной по функциональности и стоимости компьютерной системы.

Тендер был объявлен несмотря на то, что компьютерное обеспечение всех предыдущих пилотируемых миссий выполнялось одной компанией — лабораторией Дрепера при Масачуссетском технологическом институте, и, казалось бы, этой компании вполне можно доверить разработку компьютера для шаттла. Но в NASA решили по-другому. Все дело в том, что компьютеры, разработанные лабораторией Дрепера, например Appolo guidance computer (AGC), были уж очень специализированными — как с точки зрения аппаратной начинки, так и с точки зрения программирования на весьма специфическом языке ассемблера. Расширить их функциональность, а уж тем более быстро перепрограммировать (а именно это и требовалось для разнообразнейших задач Space Shuttle) было очень сложно.

Поэтому в NASA и начали рассматривать проекты систем, имеющих земные аналоги и способных легко расширяться и перенастраиваться.

В качестве претендентов были отобраны компьютеры: IBM серии 4Pi AP-1 , Autonetics D232 от Control Data Corporation Alpha, Raytheon RAC-251 и Honeywell HDC-701.

В 1970 году тендер выиграла компания IBM. Все благодаря тому, что компьютеры ее серии 4Pi, будучи полностью совместимыми по системе команд с известной серией IBM 360, прошли обкатку в модулях авионики самолетов корпорации Rockwell, у которой был контракт на постройку шаттлов. В качестве базового компьютера будущих челноков выбрали 32-разрядный IBM AP-1, который после космической модернизации сменил код на AP-101 и стал именоваться «компьютер общего назначения» (GPC — General Purpose Computer). GPC стал ядром компьютерной системы Space Shuttle DPS.

Итак, компьютер IBM AP-101, под именем GPC, возглавил вычисления в проектируемых космических челноках.

Процессорный модуль AP-101 был сделан на основе микросхем TTL средней и высокой степени интеграции, оформленных на плате-шасси, которую легко заменить в случае поломки. Процессор работал с 16 или 32-битными командами и данными в режиме целочисленных вычислений. С плавающей запятой он обрабатывал 32, 40 и 64-битные данные со средней скоростью 480 тысяч команд в секунду. Кажется немного, но в сравнении с семью тысячами команд в секунду компьютеров кораблей Gemini, это был существенный прогресс. 32-разрядные регистры процессора AP-101 были разбиты на три группы. Две из них — по восемь регистров в каждой, обрабатывали целочисленную арифметику и одна группа трудилась над данными с плавающей запятой.

Память AP-101 первого поколения была реализована на магнитных сердечниках, то есть поддерживала хранение информации и при выключенном питании. Единицей хранения было 18-битное слово, шестнадцать бит которого использовались для команд и данных, и два бита применялись для контроля четности и защиты памяти. Всего один AP-101 поддерживал общий объем памяти в 106496 32-битных слов, считываемых за время 400 наносекунд каждое. На борту было целых пять AP-101.

Почему именно пять? Ответ кроется в стратегии вычислительной избыточности, именуемой NASA «fail operational / fail operational / fail-safe», обеспечивающей практически полную безотказность компьютерной системы. Что кроется за этим заклинанием? Все просто: один отказ — продолжаем работать, второй отказ — все еще трудимся, третий отказ — спасаем корабль.

Исходя из хорошо проработанной в то время троированной системы с мажоритированием, принять решение о правильном сигнале управления можно было только в случае выдачи его не менее чем тремя компьютерами. Значит, избыточная схема GPC, способная минимум два раза отказать и сохранить при этом три работоспособные машины, должна состоять из пяти ЭВМ. Простая арифметика. Чуть позже число избыточных машин было сокращено до четырех, но пятый компьютер всё равно оставался «на подхвате» с резервной копией полетной программы.

Такой подход в корне отличался от компьютерных реализаций миссий Gemini и Appolo, где основная компьютерная система просто однократно дублировалась, и дубль включался только при явном отказе основного компьютера.

Но эти пилотируемые программы работали в режиме баллистического запуска и неуправляемой посадки. Компьютеры же шаттла трудились и на взлете и на орбите и при посадке. Любой промах в любой из этих моментов может оказаться фатальным.

Посему, все пять GPC разбросаны по разным углам челнока и полный отказ минимум двух из них никак не повлияет на полет корабля.

Но раз компьютеры GPC (то бишь, AP-101) голосовали за правильность сигнала, значит они были связаны. И еще как! Шинная архитектура, связывающая всё на шаттле, начиная от GPC и заканчивая, например, контроллерами закрылков, — даже более поразительное творение чем «пятиголовая» компьютерная система.

Шинная архитектура шаттлов объединяла и вычислительные модули системы DPS, и исполнительные компоненты системы авионики, и управление реактивными двигателями корабля, и его многочисленные датчики и измерительные приборы.

Каждый из пяти GPC был интегрирован с процессором ввода/вывода (Input/Output Processor — IOP). К каждому из пяти IOP, разделяющих память со «своим» GPC, подключено целых 24 шины! Все подсистемы корабля с помощью мультиплексоров могут одновременно работать с нужными им шинами. Так, пять шин используются для взаимодействия пяти GPC, через четыре шины работают дисплеи системы DEU, к двум шинам подключены два устройства внешней памяти на магнитной ленте (MMU). Остальные шины используются системой телеметрии и авионики корабля.

В IOP каждой 18-битовой шиной управляет отдельный (!) микрокомпьютер, именуемый Bus Controller Element (BCE). Кроме того, в IOP работает мощный процессор ввода/вывода, курирующий все двадцать четыре BCE. Частота тактирования каждой шины всего один мегагерц, но так как шины работают параллельно и независимо друг от друга, передача данных осуществляется практически в реальном времени.

Каждый из блоков GPC может работать с шиной в двух режимах: «командовать» и «слушать». Командовать каким-либо компонентом полетной программы может только один из GPC. Остальные же только слушают его действия. Таким образом, каждый из пяти GPC командует пятой частью дел на челноке и слушает оставшиеся четыре пятых. То есть, любой из них «в курсе» всех дел, выполняемых остальными вычислительными собратьями.

Как же происходит то самое избыточное голосование, «вычисляющее» неисправный компьютер? GPC, слушая командующие ЭВМ, дублировано выполняют их микропрограммы. Выполнение каждой из них компьютеры завершают формированием трехбитного кода, однозначно определяющего вид процедуры (например, «010 — вывод выполнен без ошибки»). Если все компьютеры из избыточного набора генерируют один и тот же код, значит всё в норме, если же один или даже два из них врут, три оставшиеся с правильным кодом могут понять, кто из пятерки сбоит.

Такая схема проверки создает сильносвязанную группу GPC. Чтобы убедиться, что вся группа трудится слаженно, используется 64-битная структура под названием «sumword». Она отправляется в шину каждым GPC каждые 6,25 секунды и содержит биты последних вызовов к ключевым системам корабля. Сравнивая чужие «sumword» со своим, каждый GPC раз в 6,25 секунды убеждается, что его избыточные братья работоспособны. Или нет.

Связанные через систему шин между собой и с исполнительными элементами компьютеры GPC составляют основу DPS.

Но короля делает свита. В ней состоят устройства внешней памяти и дисплейно-клавиатурная система. Устройства внешней памяти (Mass Memory Unit — MMU) представляют собой два накопителя на магнитной ленте производства компании Odetics, хранящие все программы миссии. Всего каждый из них может хранить по восемь миллионов 16-разрядных слов, что в три раза больше чем объем всех микропрограмм миссии.

При запуске и посадке четыре GPC из пяти загружают из MMU одинаковые программы, именуемые «Управляющая последовательность» (Operational Sequence — OPS). На орбите полетную OPS загружают всего два избыточных GPC. И в любом случае один из компьютеров загружает полную программу миссии, используемую как быстрый бэкап.

Отображение работы всех GPC и их управление производится в помощью модуля дисплейной электроники (Display Electronic Unit — DEU) производства компании Norden. Всего используются четыре электронно-лучевых дисплея диагональю семь дюймов, отображающих 51 строку по 26 символов в каждой. Три из них располагаются в кабине пилотов, а четвертый — на корме, для специалиста по программе полета.

Вводить команды в ПЗУ можно с помощью специализированных клавиатур марки Ebonex. Всего их три: две у пилотов и одна на корме.

Конечно, за время существования STS, компьютерная система DPS неоднократно совершенствовалась. Так, в 1984 году компьютеры IBM AP-101 были модернизированы и стали обрабатывать более миллиона операций в секунду. Память на магнитных сердечниках сменилась флэш-модулями. Появились, усиливающие автономность, аккумуляторы. Компактность и вес системы также были оптимизированы.

Миссии системы STS завершены. Оставшиеся в живых космические челноки достойно заняли почетные места в музее. Сотни успешных полетов доказали надежность как самих кораблей, так и их уникальной компьютерной системы.

И сбой и последующее восстановление двух из пяти GPC «Атлантиса» на орбите скорее подтверждают чем опровергают высочайшую степень отказоустройчивости уникальной во всех отношениях системы Space Shuttle Data Processing System.

К оглавлению

После шаттла: актуальные и отменённые программыЮрий Ильин

Опубликовано 22 июля 2011 года

Эпоха шаттлов — великая, драматичная и противоречивая — завершилась. К тому моменту, как три уцелевшие корабля осуществили свои финальные вылеты, к сожалению, полноценной замены им разработать не смог никто, поэтому в ближайшие несколько лет, по крайней мере, к МКС будут летать только одноразовые корабли — российские «Союзы».

Что будет дальше? Конечно, много приходится слышать про частные аэрокосмические компании, вполне успешно разрабатывающие корабли и ракеты-носители — то есть, орудующие в сфере, прежде монополизированной государственными структурами, однако этих компаний не так много, а самые успешные на данный момент занимаются, главным образом, разработками или испытаниями суборбитальных пассажирских аппаратов, которые будут возить состоятельных граждан к границам атмосферы Земли.

Пока же «Роскосмос» объявляет «начало нового этапа работы по программе МКС, на котором у кораблей «Союз» нет дублеров» и с сомнительным ехидством проезжаются по "красивым и комфортным «птичкам», которые, дескать, уходят, а «Союзы», мол, остаются.

Впрочем, похоже, эта язвительность главным образом представляет собой ответ на вчерашний выпад журнала Time, сравнившему комфортность полёта на «Союзе» с путешествием через всю Америку в желобе авиационного шасси.

К настоящему моменту только две державы смогли разработать технологии кораблей многоразового использования — Россия и США. И только США регулярно использовали эти корабли. Сконструированный на излёте Холодной войны советский «Буран» совершил один-единственный полёт — и был полностью уничтожен в 2002 году в результате обрушения Монтажно-Испытательного Корпуса № 112 на космодроме Байконур.

Его двойник «Буря» так и не взлетел, остальные корабли, чьё строительство началось в рамках программы «Буран», так и не были сконструированы полностью.

Две недели назад New Scientist опубликовал интервью с космонавтом Олегом Котовым, который прямым текстом заявил, что, как «шаттлы» — официально сугубо гражданские корабли, — так и «Буран» имели двойное назначение, то есть вполне могли использоваться как орбитальные ядерные бомбардировщики. С концом Холодной войны надобность в таком виде вооружений, с точки зрения руководства СССР и России, отпала, в 1993 году программа «Буран» была свёрнута полностью.

Так или иначе, далеко не только в России перспективные, казалось бы, космические программы — в частности, связанные с разработками космических кораблей многоразового использования, были свёрнуты: либо в силу финансовых соображений, либо ввиду «техническое нереализуемости», либо по каким-то иным причинам. Итак, давайте взглянем на некоторые программы разработки космических кораблей многоразового использования разрабатывались и/или разрабатывались в мире на протяжении последних десятилетий. Сразу хотелось бы отметить, что речь идёт только о разработках кораблей, способных выходить на орбиту Земли, но не о суборбитальных аппаратах.

McDonnell DC-X, он же Delta Clipper Experimental — одноступенчатый аппарат многоразового использования вертикального взлёта и вертикальной посадки. Разрабатывался корпорацией McDonnell Douglas с начала 1990-х в сотрудничестве с подразделением Минобороны США, отвечавшим за программу СОИ. После 1993 года проект едва не закрылся из-за отсутствия финансирования (программа СОИ была свёрнута), однако тут разработки перехватило NASA, которое потребовало произвести ряд модификаций.

После нескольких мелких аварий в 1996 году произошла крупная катастрофа, в результате которой аппарат оказался не подлежащим восстановлению вовсе. Новый аппарат стоил бы 50 млн долларов, однако NASA предпочло направить эти средства на разработки другого аппарата — Venture Star.

Так или иначе, проект не канул в лету бесследно: часть инженеров, работавших на проекте, сейчас наняты частной компанией Blue Origin, и конструкция её корабля New Sheppard отчётливо напоминает Delta Clipper.

X-33/Venture Star — проект корпорации Lockheed Martin. Название X-33 носил уменьшённый прототип многоразового корабля, который в итоге должен был получить название Venture Star. Разрабатывался в конце 1990-х в рамках государственной программы Space Launch Initiative. X-33 по сути являл собой опытный образец, на котором обкатывались передовые технологии, в частности для X-33 была создана специальная система термальной защиты.

Тем не менее работы над проектом были в основном свёрнуты: официально программу закрыли в 2001 году в связи с массой технических проблем (нестабильность в полёте, избыточный вес, проблемы с топливным баком и т.д.). К великой досаде разработчиков, разработанные технологии также были убраны в долгий ящик...

С другой стороны, корпорация Lockheed Martin между делом продолжала свои разработки и в 2007-2009 провела три тестовых запуска нового прототипа, из которых два закончились весьма успешно. Каково будущее X-33/Venture Star (корабля, который планировалось сделать коммерческим), теперь не вполне понятно.

Rotary Rocket Roton — разработка частной компании Rotary Rocket, внешне несколько напоминающая Delta Clipper, но совершенно иначе устроенная внутри. Изначальный план состоял в том, чтобы совместить вертолётный и ракетный двигатель — т.е. вращающиеся лопасти должны были поднимать аппарат на максимальную высоту, а там, где воздух становился уже слишком разрежённым, в дело вступал бы ракетный двигатель. Вертолётные лопасти также должны были использоваться при посадке.

К сожалению, проект «дожил» только до стадии атмосферного тестирования:

Небезызвестная компания Scaled Composites построила прототип, который удалось поднять на максимальную высоту 3 км. У этого прототипа отсутствовал и ракетный двигатель, и теплозащитное покрытие — на тот момент они были бесполезны. К 2000 году деньги у компании кончились: из необходимых 100 млн долл. инвестиций удалось привлечь всего 30, так что проект был закрыт. Построенный тестовый аппарат теперь красуется на выставке в аэрокосмическом порту Мохаве.

Orion — проект космической капсулы, внешне сходной со старинными Apollo, разрабатываемый всё той же компанией Lockheed Martin. Предполагается использовать Orion в качестве средства доставки грузов и людей на МКС, с дальнейшим прицелом на установление транспортного сообщения между Землёй и Луной и Землёй и Марсом.

Дизайн многократно перерабатывался, стоимость у проекта огромная, а у NASA с финансированием сейчас всё неважно, и не исключено, что даты первых испытательных полётов аппарата могут «уехать» сильно за 2020 год. До недавнего времени планировалось осуществить первый непилотируемый полёт в 2014 году, а первый пилотируемый — в 2016-м. Проблема в том, что в прошлом году программа Constellation, в рамках которой в основном разрабатывались Orion и ракеты-носители Ares, была закрыта; «под нож» было пустили и сам Orion, но затем было принято решение продолжить его разработку как транспортной капсулы.

Продолжение следует

К оглавлению