Pokušaćemo da proanaliziramo šest misija te se podsetimo kako je kosmičko istraživanje teško. Jupiterovo magnetno polje je 18.000 puta jače od Zemljinog a planeta zrači u svim mogućim spektrima. Osetljiva brodska elektronika nema šanse da preživi, ali ipak ... kako joj to uspeva?
Novembar 2011. je bio posebno interesantan za planetne naučnike. Rusija je lansirala svoju moćnu kosmičku letilicu 'Fobos-grunt', konstruisanu da sleti na Fobos– što je trebalo da bude prvi takav pokušaj u istoriji. Ono što je bilo najinteresantnije, sonda je trebala da donese na Zemlju oko 200 grama prašine sa Fobosa! Koji bi to bio uspeh nauke!
Manevri koje je trebalo da izvede 'Fobos-grunt'u blizini Marsa.
Lansiranje je proteklo uspešno, ali letilica nikad nije napustila Zemljinu nisku orbitu (LEO). Sonda nije uspela da uključi motore već joj je orbita polako počela da degradira. Zarobljena u Zemljinom gravitacionom polju, dva meseca kasnije je pala u Tihi okean, stavivši tačku na potpuno neuspešnu misiju. Zajedno sa sondom, nestali su 'Yinghuo-1', prvi kineski orbiter, i eksperiment LIFEPlanetnog udruženja sa 10 malih ali živih putnika.
Šta se dogodilo?Izveštaj o kvaru je otkrioda komponente brodske elektronike niti su bile kvalifikovane za upotrebu u kosmosu niti su bile testirane pre lansiranja. Gubitak 'Fobos-grunta' je i danas odličan podsetnik na neoprostivu prirodu kosmičkog istraživanja. Korišćenje prečica pri razvoju i testiranju kosmičkih brodova može da ušteni nekoliko miliona, ali će na kraju sigurno sve to biti krvavo nadoknađeno.
Pokušaću u ovoj priči da objasnim kako je brodska elektronika napravljena da preživi nedaće kosmičkog okruženja i da podsetim na nekoliko pikova različitih kosmičkih misija.
Ojačavanje elektronika radi korišćenja u kosmosu
Elektroničke komponente koje se koriste u kosmičkim letilicama moraju da budu napravljene da izdrže jezive uslove kosmičkog okruženja i da još – odrade svoj posao! Američko Ministarstvo odbrane sprovodi preko 100 testovada bi osiguralo pouzdano funkcionisanje određenih komponenti pod mehaničkim opterećenjima, širokim temperaturnim fluktuacijama i intenzivnim jonizujućim zračenjem. Sve kosmičke komponente moraju biti pojedinačno isprobane, za razliku od jednostavnih testiranja u komercijalnim ili industrijskim primenama.
To je razlog zbog koga je sva elektronika u, recimo, el ektroničkom modulu IAU[1](Integrated Avionics Unit) prvog indijskog privatnog lendera 'TeamIndus'koji bi trebalo da dogodine meko sleti na Mesec, u potpunosti primerena za rad u kosmosu. Takve su sve vitalne komponente, kao npr. zvezdani senzor. Ostali elektronički sistemi kao što su jedinice za obradu snimaka na lenderu i kamere na roveru napravljene su da budu kako se to kaže 'tolerantni prema kvarovima'.
Levo: ruski 'Fobos-grunt'nije uspeo. Desno: indijski lender 'TeamIndus', koji će poneti i mali rover ECA, što je skraćenica od 'Ek Choti si Asha', što znači 'Mala nada'.
Da bi osigurali potrebnu pouzdanost, sistemski inženjeri nikad ne koriste najnovije i najbolje čipove. Ako bacimo pogled na procesore (CPUs) koji su korišćeni u dosadašnjim letilicama, videćemo da je većina njih vrlo starog dizajna, od kojih su mnoge iz ranih devedesetih. Najvažnije je ugraditi nešto što je već isprobano i testirano, što svi znaju da će dobro i pouzdano raditi.
Elektroničke komponente su ojačane za kosmičku upotrebu korišćenjem neke od sledećih tehnika:
- Konzerviranje
Snažne vibracije tokom lansiranja rakete izazivaju takva mehanička opterećenja elektronike da ova lako može da se ošteti. Proces konzerviranjauključuje potapanje elektroničkih komponenti u čvrste ili želatinozne materije da bi se oduprli udarima i vibracijama.
Transformator zaštićen smolom je dizajniran za upotrebu u kosmosu. Površina koja je dobijena konzervacijom vidi se sa desne strane.
- Izolovani silicijum
Čipovi za korišćenje u kosmosu proizvode se na izolovanim supstratima umesto na silicijumu, omogućavajući im da budu otporniji na zračenje i tolerantniji na kvarove. Danas je vodeća tehnologija korejski silicijumski čip koji može sam da se izleči posle oštećenja od zračenja.
Produkciona linija komponenti za misiju 'Apollo'podrazumevala je bezbrojna testiranja za lender i servisni modu.
Fon Braun pregleda digitalni IBM računar koji će da kontroliše let rakete 'Saturn V'. Desno je mikroskopski snimak unutrašnjosti dajasilicijumskog čipa koji je korišćen u 'Apollu'. Ta misija je zapravo dala zamajac Silicijumskoj Dolini.
Levo je najnoviji čip a desno jedan od oko 100.000 tranzistora u koji je udario kosmički zrak. On bi trebalo da može sam da se popravi i prati misiju na recimo drugu zvezdu.
- RAM tipovi
Statička memorija RAMs (SRAM)je omiljenija među inženjerima od one dinamičke (DRAM)jer je manji elektro-trošadžija. To je jako bitno u situacijama kada kosmička letilica uđe u režim manje potrošnje struje a mora da nastavi da šalje telemetrijske podatke.
- Spoljnji oklop
Spoljnja zaštita (kao što je olovo) oko elektronskih komponenti smanjuje izloženost radijaciji, te tako produžava radni vek misije. To je posebno korisno za misije na duge staze, kao što je 'New Horizons'koji se trenutno kreće ka jednom dalekom objektu Kajperovog pojasa.
Dimenzije elektronskih komponenti koje se koriste u kosmosu obično su mnogo veće od onih za komercijalnu/industrijsku upotrebu.
Efekti zračenja na brodsku elektroniku
Čak i pored svih tih modifikacija koje čine elektroniku pogodnu za korišćenje u kosmosu, ona i dalje ima velikih problema sa intenzivnom kosmičkom radijacijom. Veliki broj efekata, poznatih kao SEE (Single Event Effects), mogu da izazovu brojne operativne probleme.
- Joni iz kosmičkog zračenja reaguju sa komponentama čipa i u stanju su da promenom samo jednog bita izazovu greške u memoriji.
- Joni ili protoni visoke energije lako prolaze kroz unutrašnjost tranzistora i dovode do kratkog spoja (tzv. latch-up).
- Isto tako, te čestice visoke energije mogu da lako izbiju poneki elektron iz kola i stvori nepopravljiva oštećenja.
Gubitak memorije, remećenje kodova pojedinih sekvenci, kratki spojevi, neočekivana oštećenja itd. nisu omiljeni događaji za uspešnost kosmičke misije. Neki put je to moguće prevazići resetovanjem čitavog sistema elektronike, što može da traje ili da padne u kritičnom trenutku misije, ili može da izazove trajnu štetu. Elektronika letilice mora da se projektuje sa svim ovim faktorima na umu.
Pored incidenta koji je doživeo 'Fobos-grunt', pogledajmo kosmičke misije koje služe kao podsetnik na surovu, nezaboravnu prirodu kosmičkog istraživanja.
- Kad izgubiš svoje zvezdane senzore
Prvi indijski lunarni orbiter 'Chandrayaan-1' ostao je bez zvezdanog senzora, koji je služio za orijentaciju, nakon samo par meseci provedenih u lunarnoj orbiti. Ekstremna izloženost solarnom zračenju kombinovana sa drugim faktorima dovela je do toga da se i rezervni zvezdani senzor uskoro pokvario.
'Chandrayaan-1'sa dva stelarna senzora.
Sledeće dve godine misija je nastavljena korišćenjem brodskih žiroskopai neprestanim korekcijama kontrolisanim sa Zemlje. Misija je na kraju ocenjena kao uspešna, ali je ostao podsetnik da čak i komponente projektovane za rad u kosmosu mogu da se pokvare…
- Kad imaš 6 računara da obave 1 posao
'Galileo'sonda, dizajnirana da kruži i istražuje Jupiter, imala je ne jedan već šest mikroprocesorskihCPU-a. Preživljavajući u Jupiterovom okruženju, čije je zračenje hiljadama puta jače od Zemljinog, omogućavalo je da svi bitni podsistemi budu kontrolisani sopstvenim procesorom, tako da u slučaju da jedan CPU 'crkne', iz igre ispadne samo jedan od 16 instrumenata.
Svaki CPUje bio 40-pinski 8-bitniCMOSprocesor RCA 1802COSMACna 1,6 MHz. Procesori su bili napravljeni na safiru(SOSproces, u kome se na izolatorsku safirsku pogaču nanosi jako tanak sloj provodničkog silicijuma), i bili su otporni na zračenje i pogodni za opako okruženje, iako su dizajnirani još 1976. godine. Isti procesori su instalirani i na Hablov teleskop, Venerim orbiter 'Magellan', i brojne amaterske satelite. Procesorske mogućnosti sonde 'Galileo'su bile adekvatne klasičnom računaru 'Apple II' prodavanom deceniju ranije.
Jovijanska magnetosfera okružuje sva 4 velika meseca.
RCA CDP1802 kompanije RCA bio je njihov prvi mikroprocesor na jednom čipu. Zaštitu procesora od zračenja radila je kompanija Sandia National Laboratories. Ko se zaluđuje i misli da je zaštita komponenti u kosmosu jedini cilj kompanija a da to nije i testiranje vezano za vojsku, onda nemam reči…
Korišćenje redundantnih bekap modula je standardna praksa u zaštiti. Uprkos svim zaštitnim merama, Jupiterovo surovo zračenje je tokom misije uzrokovalo više od dvadesetak anomalijana 'Galileu', uključujući često restartovanje brodskog računara.
- Kad solarne baklje oštete solarne panele
Na putu ka asteroidu Itokawi2003, japansku sondu 'Hayabusu'je strefila jedna od najvećih solarnih baklji ikad zabeleženih u istoriji. Udar jezivih čestica protona i elektrona iz jedne solarne pege je oštetio solarne panele, i smanjio njihovu snagu, što je za posledicu imalo redukovanje snage jonskih motora. Uz to, baklja je oštetila i jedan od četili jonska motora na sondi, ozbiljo ugrozivši ionako osetljivu višegodišnju misiju…
'Hayabusa'na putu ka Itokawi. Misija je trajala preko 7 godina, a sonda se usled brojnih i neverovatnih kvarova jedva dovukla do kuće... Kući je donela mnogo manje od 1 grama uzorka prašine sa asteroida.
Prekomereno zračenje oštetilo je kontakte u solarnim ćelijama, što je takođe bio uzrok zabrinutosti i prilikom konstruisanja 'Junone', Nasine letilice koja trenutno orbitira oko Jupitera bliže nego ijedan brod pre toga. Inženjeri znaju da će solarni paneli vremenom degradirati zbog intenzivnog jovijanskog zračenja. Zato je rizik smanjen do prihvatljivog nivoa korišćenjem dvaput debljeg stakla na solarnim panelimanego što je uobičajeno i povećavanjem veličine panela da bi davali što više struje.[2]
Jedan od 'krila' sa solarnim panelima. Umesto jednog panela, na kraju, nalazi se velika antena magnetometra.
- Ojačanje protiv zračenja korišćenjem RAD računara
Jedan od računara najnovije generacije koji su zaštićeni od radijacije jeste 32-bitni računar RAD750koji je proizvela kompanija BAE, baziran na IBM-ovom računaru PowerPC 750. Konstruisan je da smanji gubitke čak i kada se suoči sa ekstremnim zračenjem solarnih baklji. Imajući širi temperaturni raspon i 10 puta bolje performanse od prethodne generacije računara RAD6000,RAD750 je od prvog lansiranja 2005. korišćen u više od 150 kosmičkih misija, uključujući i svima znani Marsov rover 'Curiosity'.
Procesor računara RAD6000ima 1,1 miliona tranzistora. Leteo u kosmos na skoro svim Nasinim misijama.
I druge popularne kosmičke misije korisre RAD750, uključujući 'Lunar Reconnaissance Orbiter', teleskop 'Kepler', 'Solar Dynamic Observatory', i naravno, orbiter 'Junona'. Svaki RAD750 košta oko $200.000.
Kao što je malopre rečeno, mnoge misije imaju rezervne računare za slučaj kvara. Rover 'Curiosity' ima dva RAD750 CPUs, jedan koji služi kao bekap jedinica dok drugi služi kao 'fleš'.
- Slučaj 'Junone' i Jupitera
Konstruisani za studiranje Jupiterovih polova sa veće blizine od bilo koje druge letilice ranije, 'Junona' se suočava sa brojnim izazovima. To što koristi sve pojedinačno testirane komponente, jedan od najzaštićenijih CPU-a od zračenja, i ima brojne redundantne komponente, još uvek nije dovoljno za suočavanje sa užasnim uslovima u blizini Jupitera, planete sa najvećom magnetosferom u solarnom sistemu.
'Juno' na Jupiteru.
RAD750 CPUje dizajniran da izdrži do 1 milion radova(od 2.000 do 10.000 graya), što je izuzetno. Ali misija očekuje da će komponente 'Junone'biti izložene ukupnoj radijaciji od preko 20 miliona rada. To je jako mnogo.
Da bi zaštitili elektroničke komponente, inženjeri su napravili zaštitni oklop napravljen od titanijumakoji ima zidove debljine oko 1 santimetra! Takva zaštita je smanjila izloženost bitnih komponenti zračenju za oko 800 puta.
Inženjeri iz 'Lockheed Martina'instaliraju brodsku elektroniku zaštićenu titanijumskom kutijom. Ploče imaju površinu oko 1 m2, debljinu 1 cm i težinu oko 18 kg. Čitava kutija je teška oko 200 kg.
Zaštitna titanijumska kutija sa elektronikom, smeštena je ispod tanjira glavne antene. Unutar kutije se nalazi 20 komponenti osetljivih na zračenje...
Štit je bio toliko bitan za funkcionisanje 'Junone', da je dobio i ime – Juno Radiation Vault.
Kako lepo kaže Scott Bolton, glavni naučnik misije, 'bez zaštitne kutije, 'Junonin' mozak bi bio spržen još tokom prilaska Jupiteru!'
Čak i tako, 'Junona'ima znakove posustajanja usled čestog proletanja iznad Jupitera, u dubinu radijacionig pojaseva, ali sve to samo podseća kako je istraživanje kosmosa teško.
Ali vredi pokušavati...
[1]Svi veliki podsistemi (termalni, pogonski, električni, telemetrijski, itd.) moraju da rade složno na precizan način da bi misija bila uspešna. IAU će imati 6 modula.
[2]'Junona'ima oko 18.600 solarnih galijum-arsenidnih ćelija. Za rad, sondi treba oko 405 W, što nije dovoljno ni za fen za kosu. Od tih 405 W, skoro polovina otpada na zagrevanje broda. Ostatak, oko 250 W, pokreće sve instrumente i avioniku. Postoje tri 'krila' sa ukupno 11 panela.
, 
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
