DANI SVEMIRA 2014. – TEHNIČKI MUZEJ, ZAGREB

GORAN VOJKOVIĆ

9A3QY

PRIČA NA ZEMLJI…

The ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeterArray) correlator

2

I PRIČA U SVEMIRU…

3

SASVIM SU DRUGAČIJE…

4

OGRANIČENI ENERGETSKI RESURSI:AKO IMAMO NOVCA I VELIKA SMO SILA -TERMOGENERATORI

5

TERMOGENERATOR – VOYAGER II

6

PRIMJER KORIŠTENJA TERMOGENERATORA - CASINI

7

PROBLEM – PLUTONIJ 238 JE OGRANIČEN RESURS

Ovaj komad 238PuO2

inicijalno daje 62 W energije.

8

IMAMO LI ALTERNATIVE?

Kakvo gorivo trebamo?

1. Treba proizvoditi visokoenergetsku radijaciju (alfa raspad)

2. Radijacija mora biti tipa koji se lako pretvara u toplinsko zračenje.

3. Poluraspad elementa mora biti dovoljno dug za potrebe misije.

4. Mora proizvoditi dovoljnu količinu energije po kilogramu i biti malog obujma (za korištenje u svemiru.

Što imamo na raspolaganju?

• Plutonij 238 – poluraspad 87,7 godina, 0,54 kilovata po kilogramu, malo gama i neutronsko zračenje, USA obnovila proizvodnju 2013. godine, oko 1,5 kg po godini.

• Stroncij 90 – koristio ga je SSSR za zemaljske generatore.

• Polonij 210 – koristio se eksperimentalno u USA, poluraspad 138 dana

• Amerincum 241 – ima poluraspad 432 godine i jedan je od kandidata za budućnost temogeneratora

9

SOLARNE ĆELIJE

• Solarna ćelija (zvana i fotonaponskaćelija) je poluvodički uređaj koji pretvara sunčevu energiju izravno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta.

• Grupe ćelija tvore solarne module, poznate i kao solarni paneli ili fotonaponska ploča.

• Prva moderna fotonaponska ćelija proizvedena je 1954. u Bell laboratoriju. Zanimljivo je da ih je od zaborava ili rubne primjene spasio upravo svemirski program – Satelit Vanguard 1 iz 1958. godine!

10

SOLARNE ĆELIJE – SVE ŠIRA PRIMJENA

11

Zanimljivost: koriste se cijevna pojačala.

I DANAS POZNATA SLIKA!

12

SOLARNE ĆELIJE U SVEMIRU NISU ONE KOJE IMAMO DOSTUPNE NA SVAKODNEVNOM TRŽIŠTU

13

NO, NEMOJTE MISLITI DA JE FOTOELEKTRIČNI UČINAK UVIJEK SUPER!

• Fotoelektrični učinak ili fotoefekt je fizikalna pojava kod koje djelovanjem elektromagnetnog zračenja dovoljno kratke valne duljine (npr. u vidljivom ili ultraljubičastom području spektra) dolazi do izbijanja elektrona iz obasjanog materijala (obično kovine).

• Fotoefekt uzrokuje da plohe kod svemirske letjelice, koja su izložene Sunčevom zračenju, da se pozitivno nabiju. To može biti i do 10-tak volti. Problem je što je druga strana letjelice obično negativno nabijena (nekoliko tisuća volti) zbog prisutne plazme, pa dolazi do pojave električne struje, koja može oštetiti neke električne dijelove.

14

TEMPERATURA…

• Bez sustava kontrole temperature –temperatura na osunčanoj strani Međunarodne svemirske stanice išla bi do 121 C, a na onoj koja je u sjeni do -157 C.

• Izvor: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast21mar_1/

15

NEDOSTATAK GRAVITACIJE…

• NASA Image: ISS014E18307 -Astronaut Sunita L. Williams, Expeditions 14 and 15 Flight Engineer, talks with students at the International School of Brussels in Belgium during a ham radio pass from Amateur Radio on the International Space Station (ARISS) in the Zvezda Service Module.

Pažnja – let u Svemir kvari frizuru!

Nedostatak gravitacije –otežava hlađenje uređaja, primijećeno je kod amaterske stanice na ISS-u!

16

NULTA GRAVITACIJA STVARA PROBLEME SVIM POKRETNIM SUSTAVIMA

17

KAKO SMO KRENULI…

18

NEKADA SU STVARI BILE JEDNOSTAVNE….

19

A ONDA JE PRIČA POSTALA SLOŽENA…

20

„We choose to go to the moon. We choose to go to the moon in thisdecade and do the other things, not because they are easy, but becausethey are hard, because that goal will serve to organize and measure thebest of our energies and skills, because that challenge is one that we arewilling to accept, one we are unwilling to postpone, and one which weintend to win, and the others, too.”

John F. Kennedy

UPRAVLJANJE SA ZEMLJE NIJE MOGUĆE KOD VELIKIH UDALJENOSTI U SVEMIRU…

PIA00451: Solar System Portrait - 60 Frame MosaicThe cameras of Voyager 1 on Feb. 14, 1990,NASA

21

NO, IDEMO REDOM…APOLLO PROGRAM

22

RAČUNALO: AGC - APOLLO GUIDANCE COMPUTERSUČELJE – DSKY – DISPLAY AND KEYBOARD

23

AGC - KARAKTERISTIKE

• Jači model, od 1966. godine, Block II:

• 2 kilobajta RAM

• 32 kilobajta ROM

• Frekvencija: 2 MHz takt, interno 1 MHz, vanjska komunikacija 512 kHz

• Softver: AGC strojni jezik

• Kooperativni multitasking do 8 procesa

• Interpretator s virtualnim strojem za zahtjevnije instrukcije

• Integrirani krugovi!

• Razvio: MIT Instrumentation Laboratory

24

DSKY – KORISNIČKO SUČELJE

• Komande se unose numerički.

• Prvo se unosi naredba, a onda na koje podatke se ta naredba odnosi.

• Prikazuje podatke oktalno i digitalno.

• Podaci se interno spremaju metrički, ali se pokazuju u američkim mjerama.

25

DSKY DIJAGRAM

26

DSKY – ŠALABAHTER!

27

I KAO SVAKO RAČUNALO – JAVLJA POGREŠKE I TREBA SIGURNOSNE NADOGRADNJE

• Apollo 11:

• Kod slijetanja na Mjesec računalo je javljalo:

• 1201 alarm ("Executive overflow - no vacant areas")

• 1202 alarm ("Executive overflow - no core sets")

• Apollo 14:

• Računalo je greškom primalo informaciju da netko aktivira „abort” misije. Pogreška je bila u ROM-u. U roku od 90 minuta je pogreška otkrivena, razvijen „patch” i ručno ugrađena nadogradnja.

28

NO, RAČUNALA SU JOŠ BILA PRESLABA ZA DIGITALNE PRIJENOSE, PA SMO IMALI…

29

PRIMJERNA INTEGRIRANIH SKLOPOVA U APOLLOPROGRAMU ZASIGURNO JE POMOGLA RAZVOJU…

INTEL 4004

• Takt: 750 kHz

• Tehnologija: 10 μm PMOS

• Hardverska arhitektura: odvojeno spremište za podatke i program

• Adrese: 12-bitne

• Naredbe: 8-bitne

• Podaci: 4-bitni

• Broj naredbi: 4830

PROGRAM VIKING – ISTRAŽIVANJE MARSA 1976.

31

VIKING ORBITER - RAČUNALO

General Electric 18-bit TTL

4.096 riječi RAM plated-wire

Oko 25.000 instrukcija u sekundi 32

PLATED WIRE MEMORIJA

• plated-wire – vrsta memorije s magnetskim jezgrama, gdje se magnetsko polje umjesto feritnoj jezgri nalazi u samoj žici.

• Može se izraditi u inačici koja ne zahtjeva osvježavanje

• Koristili su je serije računala UNIVAC 1110 i UNIVAC 9000

• Često korištena u računalima svemirskih letjelica

33

One of the Viking Orbiter plated wire memories in a vibration test device. (JPL photo 360-276-AC)

IZRAVNA KOMUNIKACIJA SA ZEMLJOM!

• Omogućena izravna komunikacija lendera sa Zemljom – 20 W kroz dvije elektronske cijevi.

• Postojao je i 30 W repetitor za jednosmjernu komunikaciju prema orbiteru – na 381 MHz.

• Memorija za podatke je bila 40-megabitna traka i 6.000 riječi RAM-a u računalu lendera.

34

VIKING LENDER - RAČUNALA

• Guidance, Control and Sequencing Computer (GCSC)

• Dva Honeywell HDC 402 24-bit računala s 18.000 24- bitne riječi te plated-wire memory.

35

I JEDNA OD PRVIH VELIKIH SOFTVERSKIH POGREŠAKA…

Lender Dolazak Isključenje Vrijeme rada Razlozi pogreške

Viking 1 lander July 20, 1976 November 13, 1982

6 years, 3 months, 22 days

Human error during software update caused the lander's antenna to go down, terminating communication.

36

VOYAGER - ZASIGURNO JEDNI OD NAJUSPJEŠNIJIH STROJEVA U POVIJESTI ČOVJEČANSTVA – 1977.

37

TRI RAČUNALA – TRI PROCESORA!

• Computer Command System (CCS) - 18-bit word, interrupt type processors (2) with 4096 words each of plated wire, non-volatile memory.

• Flight Data System (FDS) - 16-bit word machine (2) with modular memories and 8198 words each

• Attitude and Articulation Control System (AACS) - 18-bit word machines (2) with 4096 words each.

• Ukupno oko 32 k riječi u svih šest računala (sve je udvostručeno) – ili oko 68 kilobajta ukupno

• Glavni takt ide na 4 MHz, ali CPUradi na 250 KHz.

• Tipična instrukcija se procesuira oko 80 milisekundi.

• Računala je projektirao JPL –proizveo General Electric.

38

USPOREDIMO!

20,5 milijardi operacija u sekundi8.000 operacija u sekundi39

SPACE SHUTTLE – 1981.

40

PRVA FAZA – DO POČETKA 90-TIH.

41

RAČUNALA PRVE FAZE

• Ukupno 5 IBM AP-101 računala

• Procesori:

• Intel 8086

• RCA 1802 – prikaz ekrana

• Feritne memorije

• Cijeli kontrolni softver je ispod jednog megabajta!

42

INTEL 8086 ZNAMO, NO RCA 1802?

• RCA CDP1802

• Drugi naziv: COSMAC(Complementary Symmetry Monolithic Array Computer)

• Predstavljen od RCA početkom 1976.

• 8-bitni CMOS microprocessor

• RCA 1802 ima statički CMOS dizajn bez minimalne frekvencije sata. To mu omogućava rad na vrlo malim brzinama i uz minimalnu potrošnju energije.

43

SILIKON NA SAFIRU

• Procesor 1802 moguće je nabaviti i u tehnologiji silikon na safiru, što mu daje dodatnu otpornost na radijaciju i elektrostatska pražnjenja.

• Uz mogućnost rada na vrlo niskim frekvencijama i malu potrošnju energije – postao je idealan za svemirske letjelice.

44

ZANIMLJIVOST 1802B – POKRETAO JE PECOMRAČUNALA EI-NIŠ IZ 1985. GODINE (NARAVNO U „OBIČNOJ” TEHNOLOGIJI).

45

II FAZA – GLASS COCKPILT

46

NOVI ZAHTJEVI – NOVO RAČUNALO!

AP-101S - na slici lijevo, desno su starije verzije47

I FERITNE JEZGRE ODLAZE U POVIJEST – SHUTTLEDOBIVA POLUVODIČKE MEMORIJE

48

I NOVI PROCESOR!

• Novim, osvježenim SpaceShuttleom upravlja Intel 386s Silicon-on-Sapphireprocesor – i s njime Shuttledočekuje mirovinu!

49

GALILEO MISIJA 1989.

• Dva sustava:

• RCA 1802 - Command and Data System

• Sandia Labs Rad hard 2901s - Attitude Control Computers

• Kod letjelice Galileo ukupno je korišteno šest 1802 procesora (2 za module visoke razine, 4 za module niže razine) i ukupno 176 k memorije.

• 2901s je konfiguriran kao 16 bitni procesor i udvostručen radi redundancije.

50

HUBBLE SPACE TELESCOPE – 1990.

Originalno: DF-224 (8-bit)Prva nadogradnja: 80386Druga nadogradnja: 80486

51

HUBBLE – PRVI PROCESOR DF-224

• Iznimno redudantan: tri CPU, jedan aktivan, dva pričuvna.

• Šest memorijskih jedinica, svaka s 8 k 24-bitnim riječima u tehnologiji plated wire memory (Hubble je koristio manje memorijske banke)

• Takt ide na 1,25 MHz.

• Procesor je ogroman – 45x45x30 cm, težak 50 kg!

52

HUBBLE DOBIVA INTEL TEHNOLOGIJU

• Servicing Mission 1 – 1993.

• Ugrađuje se INTEL 80386 koprocesor (kao dodatni procesor)

• Servicing Mission 3A – 1999.

• Velika nadogradnja – INTEL 80486DX na 25 MHz

• U potpunosti zamijenio DF-224, 20x brži s 6x više memorije

• Omogućio korištenje suvremenih programskih jezika

53

HUBBLE – KRIZA 2008.USPJEŠNO RIJEŠENA

• „The 486 computer on Hubble was reloaded with data around noon and successfully performed a data dump back to the ground to verify all the loads were proper. At 1:10 p.m. this afternoon the team brought Hubble out of safe mode and placed the 486 computer back in control. Late this afternoon, Gyro #4 (which was needed for safe mode) will be turned off.”

• www.nasa.gov

54

MARS PATHFINDER & SOJOURNER – 1996.

55

MARS PATHFINDER

• Pathfinder

• „The computer is a Radiation Hardened IBM Risc 6000 Single Chip (Rad6000 SC) CPU. It is the same as the IBM R6000 workstation. Lockeed-Martin Federal Systems in Manassas, VA, is responsible for doing the radiation hardening of the Rad6000 SC as well as developing the complete Mars Pathfinder Flight Computer (MFC).

• The MFC contains 128 MBytes of DRAM memory and runs at speeds of 2.5, 5, 10 and 20 MegaHertz. This translates to approximately 2.7, 5.5, 11, and 22 MIPS (this does vary, depending on which benchmark is being used). The code was developed using VxWorks as the real-time OS and "C" and assembly languages. It utilizes object-oriented constructs.”

• --Lloyd Keith, MFC (Mars Pathfinder Flight Computer) Chief Engineer

• http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/faqs_general.html

56

SOJOURNER

• INTEL 80C85

• 8 bitni procesor

• 100.000 instrukcija u sekundi

57

RAD 6000 KAO STANDARD

58

RAD 6000 - OPŠIRNIJE

• Naziv RAD6000 je kratica od radiation-hardened single board computer. U pitanju je prvi 32-bitni procesor s pojačanom otpornošću na radijaciju.

• Jednak naziv ima i računalo i procesor koji ga pogoni.

• RAD6000 je kreiran od strane IBM Federal Systems u suradnji s državnim Air Force Research Laboratory (temelj mu je komercijalna IBM-ova platforma IBM RISC System/6000 predstavljena 1990. godine).

• IBM Federal Systems je par puta preprodavan, tako da je sada RAD6000 dio BAE Systems, koji su svoje produkte vezane za svemirski program konsolidirali u sklopu odjela pod nazivom Space Systems and Electronics (SS&E).

• RAD6000 sadrži nešto preko milijun tranzistora.

59

RAD 6000 – TEHNIČKE KARAKTERISTIKE

• Maksimalni takt– 33 MHz

• Brzina: 35 MIPS

• 128 MB of ECC RAM

• Tipični operativni sustav: VxWorks

• Moguće je smanjiti brzinu rada na 2.5, 5, 10, ili 20 MHz (izvrsno za svemirske misije!)

60

RAD 6000 – PRIMJENA

• Preko 200 letjelica (za vojne ni ne znamo) – primjeri:

• the Spirit and Opportunity Mars rovers

• the Deep Space 1 probe

• the Mars Polar Lander and Mars Climate Orbiter

• the STEREO Spacecraft

• the Genesis and Stardust sample return missions

• the Phoenix Mars Polar Lander

• the DAWN Mission to the asteroid belt using ion propulsion

• the Solar Dynamics Observatory, Launched Feb 11, 2010 (koristi RAD6000 i njegovog nasljednika - RAD750)

61

RAD 750 - KARAKTERISTIKE

• RAD750 je također pojačane otpornosti na radijaciju i cijelo računalo se nalazi na jednoj ploči.

• Osnovna platforma je i dalje IBM i to PowerPC 750, no računalo proizvodi BAE Systems, kao i prethodnika.

• RAD750 je također baziran na CMOS tehnologiji, a ima 10,4 milijuna tranzistora, dakle desetak puta više nego RAD6000.

• Radni takt novog procesora je respektabilan: 110-166 MHz, a najavljuju se i veće brzine.

• Performanse dostižu 300 MIPS-a, pa i više uz prošireni L2 cache.

• Sam procesor može djelovati u temperaturnom rasponu od -55 do 125°C, dok je cijelo računalo predviđeno za temperaturni opseg između -55 i 70 °C, a za rad treba najviše 5 vati snage.

• Zadržana je kompatibilnost prema RAD 6000 – nitko se ne želi odreći dobrog koda.

62

RAD 750

• Deep Impact comet chasing spacecraft, launched inJanuary 2005 – Prva uporaba RAD750

• XSS 11, small experimental satellite, launched April 11, 2005

• Mars Reconnaissance Orbiter, launched August 12, 2005

• Kepler space telescope, launched in March 2009

• Lunar Reconnaissance Orbiter, launched on 18 June, 2009

• Solar Dynamics Observatory, launched Feb 11, 2010

• Curiosity rover, launched November 26, 2011

63

RAD 750

• Rad 750 se pokazao iznimno dobrim – koristi se u preko 150 letjelica (naravno nemamo podatke za vojne misije).

• Kako smo naveli – glavno je računalo rovera Curiosity koji se ovih mjeseci veselo vozika po Marsu! Njegova verzija procesora ide do 200 MHz i 400 MIPS-a. Ima i proširenu memoriju u odnosu na starije verzije.

64

A KAKO SVE TO UOPĆE KOMUNICIRA?

65

U MEĐUVREMENU, NEKI MUZEJSKI PRIMJERCI VODE ISS – MEĐUNARODNA SVEMIRSKA POSTAJA 1998.

• ISS naravno ima veći broj računala, uključivo i nešto prilagođena prijenosna računala koja koriste astronauti.

• No, računala koja upravljaju postajom koriste Intel 80386SX na 20 MHz s matematičkim koprocesorom Intel 80387.

66

A ŠTO KORISTE ASTRONAUTI?

• IBM i Lenovo ThinkPad model A31 iT61P prijenosnici.

• Prilagođeni radu na ISS-u:

• izmijenjeni konektori,

• hlađenje (dodatni ventilatori)

• napajanje 28 V DC

• Postoji wireless LAN, dakle Wi-Fi mreža na stanici, a veza sa Zemljom omogućava 10 Mbita prema stanici i 3 megabita od stanice prema Zemlji.

67

NEW HORIZONS – 2006.MISIJA PREMA PLUTONU KOJA SE UPRAVO BUDI…

• Letjelica ima dva računalna sustava:

• Command and Data Handling system

• Guidance and Control processor.

• Svaki od sustava je dupliciran, tako da ima četiri računala.

• Proesor je Mongoose-V, a 12 MHz radiation-hardened verzija MIPS R3000 CPU. Može raditi na više frekvencija.

• R3000 je puni 32 bit RISC microprocessor chip razvijen od MIPS Computer Systems, predstavljen 1988 godine.

68

NEW HORIZONS – SPECIFIČNOST – IZNIMNO VELIKA MEMORIJA

• „For data storage, New Horizons carries two low-power solid-state recorders (one backup) that can hold up to 8 gigabytes (64 gigabits) each. The main processor collects, compresses, reformats, sorts and stores science and housekeeping data on the recorder -similar to a flash memory card for a digital camera - for transmission to Earth through the telecommunications subsystem. ”

• http://spaceflightnow.com/atlas/av010/060108spacecraft.html

69

BUDUĆNOST JE NA PUTU!ESA - HERSCHEL-PLANCK ONBOARD COMPUTER

70

ESARAZVOJ ATMEL - AT697

• „The availability of high-performance radiation-tolerant microprocessors to the European space industry is a key element of European independence and European industry competitiveness. The third generation of SPARC-based processor is available (AT697E,F, Leon 3) and a multicore solution (the Next generation Multipurpose Microprocessor NGMP based on a Quad core Leon4FT) is under development.”

• www.esa.int

71

GDJE NITKO NIKADA NIJE IŠAO…

72

Goran Vojković, 9A3QY

goran.vojkovic@gmail.com

www.vojkovic.info

73