Nadchodzi epoka latających „superkomputerów” - co to takiego

Prawdopodobnie pierwszym komputerem (analogowym co prawda), który uniósł się w powietrze był ten zainstalowany na pokładzie latających fortec z czasów II Wojny Światowej. Było to urządzenie tak zaawansowane jak jego czasy i tak też należy podchodzić to komputerów w dzisiejszych pojazdach latających. Tym razem jednak nie chodzi o samolot, ale o działające autonomicznie rakiety, które by radzić sobie z trudnymi warunkami podczas startu i lądowania, muszą przetwarzać szybko dużą liczbę danych.

Rakieta SpaceX Falcon 9 - to jeden z takich „superkomputerów”

Definicja superkomputera być może nie zmieniła się na przestrzeni lat, ale na pewno zmieniły się parametry, które opisują takie urządzenie. Mówiąc o superkomputerze w rakiecie nie mam na myśli superkomputera z pierwszej dziesiątki czy nawet setki rankingu TOP500. Ba, nawet waszego domowego komputera. Jednak w porównaniu z komputerami stosowanymi w wysyłanych na inne planety sondach badawczych i lądownikach, mózg rakiety wielokrotnego użytku SpaceX, to istotnie tytan wydajności obliczeniowej.

Ten „matematyk” z pozoru wygląda podobnie jak dziesiątki innych rakiet, stosowanych od dziesięcioleci. A jednak, nie spada do oceanu, nie spala się w atmosferze, a grzecznie powraca do miejsca startu.

By zapewnić precyzyjne lądowanie nie wystarczą komendy przesyłane z centrum kontroli. Rakieta musi reagować na zmieniającą się szybko sytuację natychmiast i samodzielnie, wprowadzając prawidłowe korekty trajektorii w ciągu ułamka sekundy. A to wymaga wydajnego sprzętu obliczeniowego.

To co wiadomo na pewno, to zastosowanie zoptymalizowanej platformy Linux i kodu napisanego w C++. Komputery pracują w konfiguracji wielokrotnie nadmiarowej wykorzystując dwurdzeniowe procesory w parach, porównując wyniki z pozostałych dla zminimalizowania prawdopodobieństwa błędu.

Przejmuje on pełną kontrolę nad zachowaniem rakiety na minutę przed startem, a 10 minut wcześniej cała procedura staje się zautomatyzowana.

Dokładna jak precyzyjny skoczek spadochronowy

Dokładność z jaką rakieta SpaceX jest w stanie wylądować jest ogromna. Niczym wytrenowany skoczek spadochronowy trafia dokładnie w wyznaczone miejsce. Dzięki temu, że nie jest zdana na spadochrony, które utrudniają korektę toru lotu, czy wcześniej ustaloną trajektorię, której nie da się znacząco zmienić. Takie ograniczenia mają lądowniki wysyłane przez ludzi na inne planety.

Dokładność lądowania na Marsie na przestrzeni lat - porównanie

Najlepszym przykładem jest Mars. W 1976 roku na Marsa dotarł Viking. Lądownik miał określone miejsce lądowania, ale wyliczeniom towarzyszył też błąd. Tak zwana elipsa lądowania, czyli obszar w którym z 99% prawdopodobieństwem wyląduje pojazd, miała wymiary 280x100 kilometrów. Wyobraźcie sobie lądowanie rakiety SpaceX z takim marginesem pomyłki - na pewno nie byłaby to wtedy rakieta wielokrotnego użytku.

W 2012 roku umiejętności NASA były już większe. Łazik Curiosity miał elipsę lądowania o wymiarach 20x6 kilometrów. Wielokrotnie mniej niż nawet Opportunity i Spirit z 2004 roku, ale nadal zbyt wielką.

W przypadku rakiet SpaceX lądowanie odbywa się w elipsie o wymiarach 60x20 metrów, co pozwala na prawie 100% gwarancję, że pojazd osiądzie dokładnie tam gdzie znajduje się oczekująca nań platforma.

Doświadczenia SpaceX są nieocenione i są już pomocne podczas planowania kolejnych misji przez NASA. Takich, w których będzie można pozbyć się spadochronów utrudniających precyzyjne lądowanie w przypadku bezzałogowego pojazdu.

Komputer to nie wszystko, potrzebny algorytm

Jak szybki by nie był komputer, podobnie jak człowiek, będzie tak mądry jak się go nauczy. Dlatego nad przebiegiem lotu i lądowania rakiet SpaceX czuwa wyspecjalizowany algorytm opracowany przez inżynierów ze Stanford. Analizuje on zmianę trajektorii związaną ze zmianą kierunku lotu pod wpływem czynników atmosferycznych i reakcji silników rakiety. Na nowo przelicza kurs, by miejsce lądowania nie uległo zmianie.

Warto podkreślić, że problemy, które doprowadziły do kilku awarii rakiet, a nawet ich zniszczenia, w ostatnim czasie, nie miały związku z błędami w oprogramowaniu. Były wynikiem problemów sprzętowych.

Algorytm stosowany przez SpaceX rozwiązuje problem optymalizacji wypukłej, posiłkując się aparatem matematycznym Johna von Neumanna, który został udoskonalony przez hinduskiego matematyka Narendrę Karkamara. Umożliwia on rozważenie wszelkich rozwiązań (w tym przypadku torów pomiędzy rakietą, a punktem lądowania) i wybór takiego, które gwarantuje minimalny margines błędu.

Pierwszy lot rakiety wielokrotnego użytku z komercyjnym ładunkiem planowany jest na marzec tego roku. SpaceX wyniesie wtedy satelitę SES wykorzystując odzyskany człon rakiety po wyniesieniu ładunku na Międzynarodową Stację Kosmiczną w kwietniu 2016 roku.

A w przyszłości

Określenie superkomputer w odniesieniu do komputera rakiety może wydać się przesadą, jednak w przyszłości, gdy nasze poprawimy swoje umiejętności w lotach międzyplanetarnych, stopień zaawansowania pokładowych komputerów adekwatnie się zwiększy.

Istotniejsze stanie się także zabezpieczenie komputerów przed promieniowaniem kosmicznym, co ma miejsce w dzisiejszych sondach i między innymi dlatego jest powodem stosowania stosunkowo mało wydajnych układów. Inny powód to łatwość wykrycia błędów w mało skomplikowanej konstrukcji.

SpaceX na razie nie stosuje konstrukcji izolowanych przed wpływem promieniowania kosmicznego, a w przypadku lotów na niską orbitę wokółziemską, nadmiarowość (dziesiątki procesorów) wystarcza.

Źródło: Inf. własna, SpaceX, QZ, TechCrunch