20 lipca 1969 człowiek stanął na powierzchni Księżyca. Zapoczątkowany niecałe dziesięć lat wcześniej przez prezydenta Kennedy'ego program Apollo znalazł swoje uwieńczenie. Przez jedną dekadę osiągnięto cel, który wydawał się równie nieosiągalny jak gwiazdy na niebie. W roku 1961, gdy zapadła decyzja o rozpoczęciu realizacji prgramu Apollo, naukowcy nie mieli bladego pojęcia jak tego dokonać. NASA miała dopiero trzy lata, amerykanie nie dysponowali technologią zdolną wynieść człowieka na orbitę, a co dopiero na Księżyc.

Zasoby finansowe i ludzkie włożone w realizację programu Apollo były imponujące, nic zatem dziwnego że zakończył się on sukcesem po stosunkowo krótkim okresie przygotowań. Aby umożliwić kosmonautom dolecenie na Srebrny Glob i bezpieczny powrót na Ziemię naukowcy musieli wynaleźć szereg zupełnie dotąd nieznanych urządzeń i materiałów. Bardzo wiele przedmiotów codziennego użytku ma swój początek w badaniach NASA z lat 60-69. Podam tu tylko kilka przykładów, lecz cała lista jest znacznie, znacznie dłuższa. Teflon używany obecnie chociażby do pokrywania patelni został wynaleziony jako powłoka ochronna dla statku Apollo i miał za zadanie chronić go przed wysoką temperaturą przy przechodzeniu przez atmosferę ziemską. Dzięki opracowaniu nowych technik łączności niedługo po zakończeniu lotów księżycowych możliwe stało się stworzenie globalnej sieci telefonii komórkowej. Nawet niektóre rzeczy tak prozaiczne jak rzepy przy butach zostały stworzone na potrzeby pierwszych kosmonautów. Niezliczona ilość drobnych wynalazków złożyła się na sukces pierwszego lotu na Księżyc.

Najważniejszy jednak był gwałtowny postęp elektroniki pokładowej, a w szczególności komputerów. Ze względu na ograniczoną siłę nośną rakiet używanych przy lotach Apollo, masa, którą można było wynieść na orbitę i dalej była stosunkowo mała. A przecież wtedy komputery zajmowały czasami po kilka pięter i były, według naszych standartów, żałośnie mało wydajne. Koniecznością stało się zbudowanie komputerów mniejszych, wydajniejszych i pobierających mniej prądu. Ta ostatnia kwestia była szczególnie ważna, gdyż nagły zanik energii elektrycznej oznaczałby pewną śmierć dla załogi, o czym o mały włos przekonaliby się kosmonauci z Apollo 13. Komputer pokładowy Apollo 11 miał rozmiary zbliżone do dzisiejszego Craya, zaś jego moc obliczeniowa była niewiele większa od dzisiejszych kalkulatorów. Pomimo tej prymitywnej techniki ludziom udało się dolecieć na Księżyc. Niedawno obchodziliśmy trzydziestą rocznicę lotu Apollo 11. Od tego czasu technika poszła do przodu w ogromnym tempie, a najszybciej rozwinęły się komputery. Zwykły, przeciętny pecet stojący na biurku ma tysiące razy większe możliwości niż komputer pokładowy Apollo. Te same urządzenia, które kiedyś miały rozmiary pokoju i pobierały olbrzymie ilości energii, dzisiaj mieszczą się na mikroskopijnej płytce krzemowej.

Wbrew temu co się powszechnie sądzi, komputery pokładowe wahadłowców również nie należą (według obecnych standartów) do maszyn potężnych. Przeciętna elektronika mieszcząca się na przykładowym promie Discovery stoi na poziomie porządnego komputera ośmiobitowego, na przykład Amstrada 6128. Po zdemontowaniu lini produkcyjnych rakiet Saturn 5, które wykorzystywane były w programie Apollo amerykanie zajęli się opracowaniem systemu wahadłowych lotów promów kosmicznych. Pierwsze tego typu maszyny odbyły loty próbne pod sam koniec lat siedemdziesiątych, na stałe zaś weszły w poczet urządzeń wykorzystywanych przez NASA w latach osiemdziesiątych. Nie można zapominać iż w latach 78-82, gdy powstawały systemy pokładowe wahadłowców, komputery osobiste znajdowały się jeszcze w powijakach. Pomimo iż komputer pokładowy Discovery jest znacznie bardziej skomplikowany i ma dużo większe możliwości niż jego odpowiednik w module załogowym Apollo, w dalszym ciągu daleko mu do zwykłych komputerów osobistych, z których korzystamy na codzień. Podobnie zresztą rzecz się ma z wyposażeniem stacji orbitalnej Mir, której przestarzała konstrukcja od lat dostarcza Amerykanom tematów do żartów (swoją drogą śmiać się raczej nie powinni biorąc pod uwagę iż sami taką stacją nie dysponują).

Zanim przejdę do najnowszych osiągnięć kosmicznego przemysłu komputerowego, spróbujmy zastanowić się dlaczego właściwie loty kosmiczne wymagają aż tak dokładnych obliczeń by wymagało to komputerów. Mogłoby się wydawać, iż nie ma nic prostszego niż nawigowanie w pustce kosmosu. Nie ma na co wpaść, nie ma ruchu z naprzeciwka, idealne wręcz warunki. Ale tak się tylko wydaje. Piewszą przeszkodą w ręcznym sterowaniu statkiem kosmicznym staje się jego główna zaleta, czyli prędkość. Pędząc z prędkością 140,000 kilometrów na godzinę każde, najmniejsze nawet opóźnienie reakcji może spowodować tragiczne w skutkach zejście z toru lotu. Komputer natomiast radzi sobie w tego typu sytuacjach zdecydowanie lepiej, gdyż czas jego reakcji jest nieporównywalnie mniejszy.

Problemem staje się również specyfika sterowania pojazdem kosmicznym. Wbrew temu co pokazują nam we wszelkich filmidłach s-f, nikt w kosmosie nie lata na stale włączonych silnikach (może z pominięciem napędu jonowego). Statek kosmiczny w momencie startu nabiera prędkości i wchodzi na precyzyjnie wyliczony kurs. Gdy wyjdzie poza ziemską orbitę, zużyte człony rakiety są odrzucane. W przestrzeni kosmicznej statek leci z prędkością, którą osiągnął przy starcie i przeważnie pozostaje na tym samym kursie przez wiele miesięcy. Manewry korekcyjne są przeprowadzane jak najrzadziej, gdyż zawsze istnieje ryzyko usterki, a poza tym każdy manewr zużywa cenne paliwo w silnikach korekcyjnych. Silniki te są w związku z tym włączane impulsowo, na bardzo krótkie okresy czasu. I tu właśnie przydają się ponownie komputery pokładowe. W odróżnieniu od człowieka, komputer potrafi wyliczyć z dokładnością do milionowych części sekundy w którym momencie i na jak długo włączyć ciąg silnika.

Kolejnym delikatnym momentem jest wchodzenie na orbitę docelowej planety lub innego ciała niebieskiego. Nie można zapominać iż rozpędzony statek musi jakoś wyhamować. A nie jest to wcale takie proste, biorąc pod uwagę że tym razem nie ma żadnego potężnego silnika rakietowego, który byłby w stanie statek wyhamować. Aby rozwiązać ten problem naukowcy z NASA opracowali manewr tzw. hamowania atmosferycznego. Polega on na tym iż statek odpala silniki korekcyjne i wchodzi na bardzo wydłużoną eliptyczną orbitę wokół planety, po czym powoli, w miarę obniżania orbity zaczyna zwalniać na skutek tarcia o górne warstwy atmosfery, zaś jego orbita staje się coraz bardziej kolista. W ten właśnie sposób na orbicie Marsa umieszczono z wielką precyzją orbiter Mars Global Surveyor. Aby manewr hamowania atmosferycznego przeprowadzić jak należy potrzeba olbrzymiej ilości skomplikowanych obliczeń, które może wykonać tylko komputer. Jeżeli statek wejdzie w atmosferę zbyt głęboko, spali się (tak jak feralny Mars Climate Orbiter dwa miesiące temu). Jeżeli wejdzie zbyt płytko, nie da rady wyhamować. Skomplikowane obliczenia są również wymagane podczas lądowania wahadłowców. Korytarz powietrzny wejścia w atmosferę jest tak wąski, że człowiek nigdy nie poradziłby sobie z utrzymaniem promu w odpowiedniej płaszczyźnie. Gdyby kula ziemską miała rozmiary piłki nożnej, korytarz ten miałby grubość kartki papieru. Poza tym prom musi utrzymać odpowiedni kąt schodzenia w atmosferę. Zbyt duży kąt wejścia grozi spaleniem, natomiast przy zbyt małym załoga ryzykuje "odbicie" od atmosfery tak, jak płaski kamień od bija się od powierzchni wody i poszybowanie w pustkę kosmosu bez możliwości powrotu. Jak widać, bez dobrych komputerów pokładowych nie ma co się wybierać w kosmos.

Wydawałoby się że skoro daliśmy radę dolecieć na Księżyc korzystając ze stosunkowo prymitywnych urządzeń pokładowych, nic nie stoi na przeszkodzie by przy użyciu tej samej technologii dolecieć gdziekolwiek indziej. Tak jednak nie jest. Pomijając już kwestie większej prędkości nowoczesnych sond (a więc i konieczności szybszych reakcji urządzeń), główną przeszkodą staje się odległość. Księżyc jest oddalony od ziemi o około 400,000 km (w przybliżeniu). Od Marsa dzieli nas już 400 milionów kilometrów podczas opozycji, a w najlepszym przypadku 65 milionów podczas koniunkcji. Przy tak znacznych odległościach opóźnienie sygnału jest tak duże, że niemożliwe staje się precyzyjne sterowanie pojazdem kosmicznym. Oprogramowanie pokładowe musi więc być coraz "inteligentniejsze", coraz bardziej samodzielne i niezależne od ingerencji człowieka. Właśnie autonomiczne systemy pokładowe powodują iż komputery używane w nowoczesnych sondach muszą być tak potężne. O ile bowiem przeliczenie kilku równań, nawet skomplikowanych, nie jest wielkim wyzwaniem, o tyle stworzenie programu mającego cechy sztucznej inteligencji wymaga nieporównywalnie większej mocy obliczeniowej. Aby sonda była w stanie reagować na zaistniałe na zewnątrz warunki oraz dynamicznie dostosowywać się do zaistniałej sytuacji, komputer pokładowy musi należeć do najnowszej generacji. Do tego dochodzi oczywiście większa liczba różnych, coraz bardziej skomplikowanych urządzeń pokładowych takich jak kamery, czujniki, spektrometry, mechanika układu pędnego i wiele, wiele innych. Poniżej zamieściłem krótkie opisy kilku najświeższych misji, które, mam nadzieję, dobrze zobrazują skalę dzisiejszych badań kosmosu i technologie używane w tych badaniach.


GALILEO


Niektórzy nazywają misję Galileo najbardziej pechową misją w historii bezzałogowych lotów kosmicznych. Celem było zebranie danych naukowych na temat największej planety Układu Słonecznego oraz jej księżyców. Prace nad Galileo przeciągnęły się jednak jeszcze wiele lat. Pierwszy dotkliwy cios nadszedł w roku 1986, kiedy to prom kosmiczny Challenger uległ awarii podczas startu i spłonął w atmosferze. Po tym wypadku program lotów wahadłowców uległ wstrzymaniu na trzy lata, ponadto NASA zakazała przewożenia rakiet na paliwo ciekłe w ładowniach promów kosmicznych. W tej sytuacji cały plan dostarczenia sondy na orbitę Jowisza legł w gruzach. Ostatecznie Galileo został wyniesiony na orbitę dopiero w roku 1989. Z braku rakiety nośnej sonda musiała powoli nabierać prędkości korzystając z asysty grawitacyjnej innych planet w drodze na Jowisza. Technika ta jest energooszczędna, jednak znacznie wydłuża czas lotu -- Galileo dotarł do Jowisza w sześć lat po wystartowaniu z Ziemi. Problemy ze startem i lotem to jednak nie jedyne, które prześladowały sondę. Wkrótce po rozpoczęciu misji naukowcy stanęli przed problemem, który postawił pod znakiem zapytania całą misję. Główna antena nadawcza nie otworzyła się i nie można było przetransmitować na ziemię olbrzymich ilości danych zebranych przez sondę. Całe szczęście naukowcy uwzględnili możliwość zmiany programów obsługujących urządzenia pokładowe z Ziemi. Oprócz głównej anteny nadawczej Galileo posiadał mniejszą antenkę, którą po zmianie oprogramowania pokładowego wykorzystano do transmisji. Oczywiście strumień danych był znacznie mniejszy niż gdyby użyto anteny właściwej, ale i tak można mówić o dużym szczęściu. Ostatnim pechowym wydarzeniem było przypadkowe wykasowanie części taśmy z nagraniami podczas przelotu koło Callisto, jednego z księżyców Jowisza. Utracono część cennych danych, tym razem jednak był to błąd człowieka. Potem misja przebiegała już bez większych problemów. Galileo wykonał dokładne pomiary Jowisza, wykonał też mnóstwo przepięknych zdjęć powierzchni planety. Jego kamery zwrócone były w kierunku Jowisza gdy fragmenty komety Shoemaker-Levy bombardowały powierzchnię gazowego giganta. Zdjęcia te są uważane przez astronomów za jedne z najcenniejszych w historii tej dziedziny nauki, gdyż przekazują nam bezcenne informacje na temat kosmicznych kolizji i ich skutków dla planet. Fragmenty komety eksplodowały przy wejściu w gęstą atmosferę Jowisza wyrzucając do niej olbrzymie ilości pyłu. Największe z plam, które pojawiły się na obliczu Jowisza po katastrofie miały średnicę zbliżoną do średnicy Ziemi... Przelatując obok Jowisza sonda wystrzeliła lądownik, który z prędkością 170,000 kilometrów na godzinę wszedł w atmosferę. Po wyhamowaniu do 30,000 km/h otworzyły się spadochrony, które łagodnie opuściły lądownik w kierunku dolnych warstw atmosfery. Przez ponad 150 km lądownik zbierał cenne dane na temat składu chemicznego i warunków panujących w chmurach pokrywających Jowisza, po czym stopił się w rozgrzanym do wielkich temperatur wnętrzu planety. Dokonawszy pomiarów Jowisza Galileo skierował swoje szklane oczy w kierunku jego księżyców. Wykonał kilka przelotów wokół Callisto, Ganimedesa, Europy oraz Io. Ten ostatni księżyc jest w centrum uwagi właśnie teraz -- kilka tygodni temu sonda dokonała niezwykle bliskiego przelotu nad powierzchnią Io i zrobiła spektakularne zdjęcia wulkanów siarki. Misja Galilwo trwa nadal, możemy więc spodziewać się kolejnych odkryć lada dzień.

http://galileo.jpl.nasa.gov


MARS GLOBAL SURVEYOR, PATHFINDER I SOJOURNER


Mars Global Surveyor miał za zadanie wejść na orbitę Marsa i wykonać szczegółowe mapy powierzchni planety. Wystartował z Ziemi w listopadzie 1996 roku, na orbitę Marsa dotarł na wiosnę 1997. Zadanie powiodło się znakomicie pomimo przejściowych problemów z anteną nadawczo odbiorczą, która nie chciała się obrócić w kierunku Ziemi. Spowodowało to lekki opóźnienie w dostarczeniu danych, lecz całe szczęście wszystkie zdjęcia na Ziemię dotarły. Dzięki MGS wiemy na temat Marsa znacznie więcej niż jeszcze kilka lat temu. W oparciu o materiały zebrane przez orbiter będzie można z większą precyzją wyznaczać miejsca pod przyszłe lądowania. Mars Global Surveyor w dalszym ciągu działa bez zarzutu i obecnie znajduje się na orbicie kołowej wokół Marsa. Po zakończeniu głównych celów misji naukowcy przeprowadzają różne ekperymenty korzystając z aparatury pokładowej.

Pathfinder, w odróżnieniu od MGS, był lądownikiem. Wystartował w grudniu 1996 a na Czerwonej Planecie wylądował 4 lipca 1997 (ech to amerykańskie zamiłowanie do dat). Po wejściu w atmosferę i przejściu przez jej górne warstwy wokół statku rozwinęły się poduszki powietrzne, które szczelnie go otoczyły. Wielka "piłka plażowa" odbiła się wielokrotnie od powierzchni planety zanim znieruchomiała i lądownik mógł wygrzebać się ze środka. Taka technika lądowania może wydać się amatorska czy wręcz śmieszna, jednak w rzeczywistości zaoszczędziła skomplikowanych manewrów hamowania atmosferycznego. Pathfinder przeżył wstrząsy całkiem dobrze i wkrótce po wylądowaniu zaczął przekazywać piękne kolorowe panoramy z miejsca lądowania. Niedługo później z jego wnętrza wyjechał Sojourner, mały zautomatyzowany pojazd na sześciu kołach, który stał się symbolem badań Marsa. Malutki srebrny rover jadący powoli po rdzawym piasku Marsa rozbudził wyobraźnię telewidzów na całym świecie. Jego zadaniem było zbadanie prawdopodobieństwa występowania podpowierzchniowych złóż zamarzniętej wody. Sojourner wyposażony był w zaawansowane komputery podobne do tych, jakich używa się w prototypach robotów na Ziemi. Oprogramowanie pieczołowicie przygotowane przez naukowców pozwoliło Sojournerowi na sprawne poruszanie się po powierzchni Marsa i omijanie przeszkód terenowych bez pomocy z Ziemi (opóźnienie sygnału dochodzi w tym przypadku do 10 minut, co skutecznie uniemożliwia zdalne sterowanie). Sojourner zaopatrzony był w zestaw kamer i czujników za pomocą których badał powierzchię przed sobą. Pomimo iż elektronika użyta przy jego konstrukcji była bardzo zaawansowana, komputer pokładowy Sojournera borykał się z tak dużym napływem danych, że tempo ich analizy pozwalało na poruszanie z prędkością zaledwie kilku metrów na godzinę. Obrazuje to znakomicie jak ciężkim zadaniem jest zbudowanie dobrego komputera pokładowego dla misji kosmicznych nowej generacji. Sojourner swoje zadanie wykonał, a nawet działał tydzień dłużej niż zakładano. Niewątpliwie kolejny pojazd, który wyruszy na powierzchnię Marsa będzie posiadał jeszcze bardziej rozbudowane systemy autonomicznego podejmowania decyzji.

http://mpfwww.jpl.nasa.gov/mgs/index.html
http://mars.jpl.nasa.gov/default.html


DEEP SPACE 1


Jeżeli chodzi o niesioną na pokładzie elektronikę, sonda Deep Space 1 jest jedną z najciekawszych misji kosmicznych ostatnich lat. Wystrzelona w zeszłym roku sonda ma za zadanie wykonać bliski przelot koło asteroidu 1992 KD i dokonać szeregu pomiarów naukowych. Cele misji nie są może bardzo spektakularne, zdecydowanie natomiast spektakularną można nazwać aparaturę testowaną na pokładzie sondy. Deep Space 1 wypróbowuje bowiem 12 nowych technologii, z których dwie najbardziej nowoczesne to silniki jonowe (przypominam, że słynny TIE Fighter z Gwizednych Wojen to skrót od Twin Ion Engine Fighter) oraz Autonomiczny Komputer Nawigacjny, bodaj najbardziej zaawansowany system Sztucznej Inteligencji, jaki do tej pory powstał. Podczas lotu przez pustkę kosmosu komputer pokładowy DS1 jest w stanie obejść się całkowicie bez ingerencji człowieka. Sam wyznacza sobie cele, sam planuje trasę przelotu, sam jest w stanie wyliczyć wszystkie potrzebne korekty kursu. Ale to nie wszystko. Prawdziwa rola komputera i oprogramowania nazwanego Remote Agent to reagowanie na nieprzewidziane problemy. Komputer potrafi sam diagnozować wszystkie systemy na pokładzie sondy i, w razie potrzeby, usiłować naprawić lub obejść uszkodzenie. Podczas prób urządzenia zasymulowano uszkodzenie instrumentów badawczych aby sprawdzić jak komputer zareaguje. Po ustaleniu miejsca uszkodzenia i kilku próbach przywrócenia instrumentów do życia Remote Agent opracował nowy plan misji oraz nowy kurs tak, by zrekompensować braki w wyposażeniu większą liczbą pomiarów z innych instrumentów pokładowych. Może się to wydawać mało skomplikowane, lecz w rzeczywistości wymaga bardzo rozbudowanych systemów podejmowania decyzji, co jest jednym z najtrudniejszych zagadnień informatyki. Równie cenne dla rozwoju lotów kosmicznych są próby silników jonowych na pokładzie DS1. Silniki te charakteryzują się bardzo małym ciągiem, lecz są niezwykle oszczędne, co ma duże znaczenie przy bardzo długich lotach. Sonda wyposażona w silniki jonowe rozpędza się powoli, lecz przez dłuższy okres czasu może osiągnąć dużo wyższe prędkości niż klasyczny napęd rakietowy na paliwo ciekłe lub stałe. Urządzenia testowane na Deep Space 1 z pewnością już niedługo staną się standartowym wyposażeniem statków kosmicznych.

http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1


ROTON


Ten projekt ma szanse zrewolucjonizować loty kosmiczne. Do tej pory każdy start rakiety nośnej wiązał się z olbrzymimi kosztami. Głównym problemem był fakt iż rakiety były (i są) jednorazowego użytku, co powyższa koszty całego przedsięwzięcia. Odpowiedzią inżynierów jest Roton, pierwsza rakieta wielokrotnego użytku, która właśnie przechodzi wstępne testy. Przy starcie Roton zachowuje się jak zwykła rakieta nośna. Po dotarciu na orbitę stabilizuje lot, po czym wykonuje swoje zadanie (maszyny tego typu wykorzystywane będą między innymi do dostarczania zasobów niezbędnych do życia na orbitalne stacje naukowe). Po wykonaniu zadania rakieta odpala silniki korekcyjne, które obracają ją dyszami w kierunku Ziemi, po czym kierują ją na tor lotu powrotnego na planetę. Po wejściu w atmosferę Roton wysuwa śmigła których obrót wytwarza siłę nośną potrzebną do zmniejszenia prędkości zejścia na Ziemię. Możliwość wielokrotnego użycia czyni z Rotona rewelacyjny środek transportu ludzi i sprzętu na orbitę okołoziemską. Bardzo ważną innowacją jest pokładowa elektronika umieszczona na pokładzie rakiety. Zarówno klasyczne rakiety nośne, jak i technika stosowana przy startach promów kosmicznych, wymaga obecności centrum sterowania lotów i setek ludzi na Ziemi, którzy czuwają nad prawidłowym rozwojem wydarzeń. Większość komputerów potrzebnych do obliczenia toru lotu i do wykonania manewrow korekcyjnych mieści się właśnie w centrum kontroli. Nie muszę chyba dodawać, jak bardzo podnosi to koszty wszelkich misji (dodatkowa infrastruktura naziemna, wielka liczba osób zaangażowanych w projekt). Otóż konstruktorzy Rotona postanowili umieścić wszystkie te przyrządy, całą potrzebną elektronikę, na jego pokładzie. Stało się to możliwe dzięki galopującemu postępowi technik komputerowych. Te same maszyny, które na Cape Canaveral zajmują kilka pięter, teraz mieszczą się w jednym małym chipie. Roton ma na wyposażeniu całą potrzebną aparaturę, dzięki czemu jest w stanie obejść się praktycznie bez wsparcia z Ziemi. Prototyp rakiety rozpoczął pierwsze testy na pustyni Mojave w Kaliforni kilka tygodni temu (na razie przelot próbny bez wychodzenia poza atmosferę ziemską). Oblatywaczem był dr Marti Sarigul-Klijn, szef inżynierów firmy Rotary Rocket Company i doświadczony pilot marynarki. Zgodnie z planami Roton będzie gotowy do pełnienia misji pod koniec 2001 roku.

http://www.rotaryrocket.com

Webmaster: Piotr Moskal

Ogólne pytania proszę kierować pod adres mspolska@kki.net.pl
Copyright © The Mars Society 1998