|
2012年6月16日18時37分，酒泉發(fā)射中心，神舟九號飛船搭載三名宇航員發(fā)射升空，起飛后583秒，船箭分離之際，控制計算機開始輸出指令，神舟九號入軌。17日，神九完成三次變軌，逐步運行至對接高度。18日，神九追上天宮一號，完成自動對接……在這些關(guān)鍵時刻，飛船和天空一號上的控制計算機發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。天宮一號的大腦 人們常用一個天上，一個地上來形容事物給人印象的巨大反差。 “天宮一號”的大腦，準確說是“天宮一號”的控制計算機，初看就是一個黑色的方盒子，有十幾公斤重，與地面上電腦的差別不是一星半點。 “剛畢業(yè)來這里第一次見到太空用計算機，我也驚詫它與一般計算機的不同。”航天部502所電子中心設(shè)計部副主任劉波說，十幾年來，它的外形一直沒變過。 但就是這個簡樸的黑盒子，它的造價是地面普通商用計算機的500倍以上，因此，設(shè)計開發(fā)人員在工作中分外嚴格遵守操作流程，大家開玩笑說，如果不小心燒毀一個芯片，一輛奧迪車就沒了。 劉波他們自行設(shè)計的全封閉機箱可以承受火箭起飛加速帶來的一瞬間幾千公斤的沖力和巨大的震動，進入太空后，為了防輻射，方盒子5個面都涂上黑色，計算機與天宮一號連接的一面非常光滑，保持金屬本色，可以確保與天宮一號緊密結(jié)合，方便傳導(dǎo)散熱，（太空中沒有空氣，不能使用普通電腦的散熱風(fēng)傘）。輸入輸出則通過數(shù)排特殊的插撥接口與天宮一號其他系統(tǒng)相連。 控制計算機被安裝在天宮一號軌道艙內(nèi)，主要負責(zé)采集敏感器姿態(tài)與軌道狀態(tài)，完成控制規(guī)律的計算，發(fā)出控制指令控制CMG、推力器工作，完成天宮一號單獨飛行、以及天宮一號與神舟飛船對接后組合飛行體兩種狀態(tài)下的姿態(tài)、軌道控制。 “神舟九號飛船的控制計算機也是這樣的外貌和結(jié)構(gòu)，只是個頭比天宮一號的略大一些。”曾經(jīng)在實驗室里，神九的大腦和天宮一號的大腦就在相鄰的兩張桌子上同時測試著，如今在太空中，這兩臺計算機再次相逢。 穩(wěn)定運行于太空的計算機該有怎樣獨特的內(nèi)芯？ 劉波的團隊負責(zé)硬件部分，彭飛負責(zé)的軟件組完成了我國航天第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式實施操作系統(tǒng)-----SpaceOS的研發(fā)，保證了將交會對接由紙面上的一個方案變成一個完美的工程實現(xiàn)。 據(jù)介紹，整個計算機系統(tǒng)由三個冗余單機組成，分為主控器、備份控制器、兩個故障包容區(qū)域。每個單機都使用一顆SPARC兼容格式的32位ERC32處理器，主頻為10MHz，運算能力大致比386強。 數(shù)據(jù)存儲器為2MB的SRAM，存儲芯片具有極強的抗輻射能力，所有程序都裝在256KB的PROM中。控制計算機系統(tǒng)功耗僅為15W，非常節(jié)能。 不過，這些參數(shù)不是最重要的，航天專家們需要的計算機是在太空惡劣條件下的高可靠性和安全性。 “每臺星載計算機被送入太空后，絕對不能出現(xiàn)運行錯誤，它們的運行壽命是15年，從火箭發(fā)射前加電開始，就不能停機，直至飛行器的整個生命周期。” “不關(guān)機、不重啟、不復(fù)位”是天宮一號控制計算機的基本要求，地面上的通用計算機不可能做到一直運行，總有開機、關(guān)機的時候，如果出錯，換個零件、升級一下軟件都很容易實現(xiàn)，但是太空計算機如果出錯，不可能把它抓回來修理一番，更糟的是，計算機的錯誤可能導(dǎo)致飛行器的使命終結(jié)。1998年阿麗亞娜5號運載火箭的失敗就是計算機系統(tǒng)錯誤。 對可靠性的保證，就是冗余單機組成容錯系統(tǒng)。每一刻，主機模塊運行，備份模塊預(yù)備，還有一個應(yīng)急模塊，隨時保證發(fā)出的指令正確無誤。主份模塊是三個計算機同時在跑，備份計算機、手動計算機同樣結(jié)構(gòu)。“不是計算機模塊越多越好，飛船和空間站對重量資源都有嚴格限制。”節(jié)省寶貴的重量資源也是劉波他們設(shè)計時要考慮的重要因素。 八千多行代碼的操作系統(tǒng)-SpaceOS1，歷時5年完成，從2006年已成功運行于通訊衛(wèi)星上，截至2012年3月，使用SpaceOS的飛行器已發(fā)射了33顆星（船），全部軌道穩(wěn)定運行，運行時間累計約40星年，未發(fā)生任何問題。 航天五院星載計算機首席專家華更新研究員總結(jié)說，SpaceOS操作系統(tǒng)與國外航天操作系統(tǒng)相當(dāng)，天宮一號的控制計算機與國際空間站俄羅斯段主計算機的系統(tǒng)規(guī)格、性能相當(dāng)，與美國段主計算機電容錯結(jié)構(gòu)相同；支持完成的制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制系統(tǒng)功能與性能，同國外產(chǎn)品無明顯差異。 太空計算機經(jīng)歷的嚴酷考驗太空中，計算機最怕什么？專家說宇宙射線是計算機運行最大的危害。 地球上的計算機，因為有地球大氣層的保護，可以擋住大部分來自太陽的高能粒子射電流，而在太空，天宮一號控制計算機將遭到質(zhì)子、中子、離子、電子的轟炸。 高能粒子“門鎖效應(yīng)”和“單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)”是兩種典型的太空射線對計算機造成的損害，電子工程師最頭疼這兩大問題。 專家所說“門鎖效應(yīng)”是因中子或質(zhì)子沖入芯片造成短接從而損壞模塊組件，若發(fā)生門鎖效應(yīng)，地面控制中心的工程技術(shù)人員即可察覺，相比之下，“單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)”是破壞存儲芯片，但不是造成物理損壞，只是悄無聲息地改變存儲內(nèi)容，隱密破壞不易發(fā)現(xiàn)。 從天宮一號控制計算機地面遙測數(shù)據(jù)分析，天宮一號控制計算機今年已發(fā)生6次存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)事件，其中有一次就發(fā)生在第二次交會對接前幾小時。我們看到的結(jié)果是天宮一號控制計算機系統(tǒng)可以抵御單粒子翻轉(zhuǎn)的危害，一直在軌工作穩(wěn)定、表現(xiàn)優(yōu)異。 劉波講述的空間計算機測試，完全顛覆記者想象。 溫度要承受攝氏零下35度到70度的巨大變化，防輻射、防靜電、機箱要求特別材質(zhì)，抗沖擊，抱著機器往地下砸，拿起來能正常運行，最主要一關(guān)是綜合應(yīng)力實驗，一邊震動、一邊溫度變化懸殊、同時多個條件加載，考驗產(chǎn)品的極限性能。最終單故障要保證能正常運行，雙故障要保證飛行器和宇航員安全。 神舟九號與天空一號對接時有多危險？可以想象的是地面上兩輛高速汽車相碰的可怕場景，然而專家說，在幾秒內(nèi)太空中的兩個高速飛行器穩(wěn)穩(wěn)地緊密結(jié)合，不偏離軌道、不晃動，當(dāng)神舟九號對接天宮一號后，神九的控制計算機暫時斷電敏感器部分，整體部件加電狀態(tài)但不發(fā)出操作指令，天宮一號的控制計算接管整個合體的控制權(quán)。這才是此次天空一號控制計算機經(jīng)受的最大考驗。 探月工程將再顯神威 “天宮一號控制計算機系統(tǒng)就是我們所設(shè)計、測試、生產(chǎn)的第二代控制計算機。”502所電子中心的楊樺書記告訴《電腦報》讀者，事實上，我國的衛(wèi)星、飛船上80%的電子控制產(chǎn)品都是502所提供。 由著名的院士、專家引領(lǐng)的502所有56年的研發(fā)歷史，電子中心133人是全所最大的團隊，他們承擔(dān)了敏感器、紅外、成像、機電部件、一體化產(chǎn)品、電腦的結(jié)構(gòu)設(shè)計，大部分都是35歲以下的年輕人，他們的專業(yè)最多的是軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、可靠性分析。 502所從1998年開始研制星載計算機，當(dāng)時看到微軟正在研發(fā)WINDOWS2000，電子中心內(nèi)部給這臺電腦取了一個代號“RISC2000”，到2001年，才改為型號命名。第一代控制計算機采用國外CPU和操作系統(tǒng)，2006年，自主研發(fā)的SpaceOS操作系統(tǒng)成功運行，第二代控制計算機問世。現(xiàn)在的神九和天宮一號都是第二代控制計算機。 “我們已掌握了芯片設(shè)計技術(shù)，未來5年，從硬件到軟件完全自主設(shè)計生產(chǎn)的第三代空間計算機將在太空運行。”首席計算機專家華更新預(yù)言。 最新的成果是探月項目的飛行器和著陸器控制計算機已經(jīng)搭建初步雛形。在測試天宮一號控制計算機相鄰的實驗室里，探月飛行的兩臺計算機正在裸機檢測中。 太空電腦是航天探險的靈魂對話人：本報記者朱文利 對話嘉賓：華更新 航天部五院星載計算機首席專家、產(chǎn)品總工程師研究員 電腦報：從劉主任的介紹中，了解到太空中計算機構(gòu)造與地面計算機有太多的不同，您可以總結(jié)一下這個區(qū)別嗎？ 華更新：首要一點空間計算機可靠性要求非常高，不可維護，不易維護。當(dāng)然，以后空間站有宇航員上去，可能適當(dāng)維護。 第二點是性能要求不同，地面計算機追求效率，太空的嵌入式電腦滿足特定任務(wù)需要，性能以夠用為標準。 第三點是運行環(huán)境不同，太空力學(xué)環(huán)境惡劣，艙內(nèi)溫度變化大，電腦散熱靠傳導(dǎo)，導(dǎo)致空間計算機異于普通電腦的結(jié)構(gòu)。 電腦報：太空計算機研制中遇到的最大困難是什么？ 華更新：最先遇到的困難是內(nèi)存的配置。 防輻射的內(nèi)存昂貴，一開始的8K×8K內(nèi)存體積比較大，幾百K組合在一起顯得太過龐大，研發(fā)人員努力的結(jié)果，內(nèi)存變小很多，節(jié)省寶貴空間，也節(jié)省費用。 其次是操作系統(tǒng)，我們不可能把Windows搬上去用啊，系統(tǒng)占用龐大的容量，微軟一周發(fā)布幾個補丁，怎么能用在不可維護的空間電腦上。要在小容量情況下高可靠運行，我們的SpaceOS占用12.9K就實現(xiàn)了目標。 現(xiàn)在神九上控制計算機比天宮一號略重，主要是載人飛船備份比較多，安全性更高。以后的控制計算機我們將控制在十公斤以內(nèi)。 電腦報：神九上的宇航員需要掌握飛船上控制計算機的操作系統(tǒng)嗎？24號手控對接時，控制計算機在工作嗎？ 華更新：控制計算機的操作系統(tǒng)對宇航員而言是后臺運行的，他們不會直接面對控制計算機，宇航員面對的是操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件。我們的操作系統(tǒng)正在進入第三代研發(fā)進程，未來會支持圖形化界面操作，做到人機交互界面友好，到那時，宇航員可能會直接面對操作系統(tǒng)的操作，最理想的，還是ipad似的，不用學(xué)習(xí)，直接可用。 24號的手控對接，控制計算依然在發(fā)揮作用。這時，控制計算機捕捉的是宇航員的動作，向左、向右，轉(zhuǎn)換為指令控制飛船與天宮一號的對接。 電腦報：未來太空中的控制計算機會發(fā)展成什么樣？ 華更新：集成電路的進步，會從規(guī)模上控制整個計算機體積的大小，單核有一天也會變多核，存儲容量會越來越大，機器結(jié)構(gòu)也在不斷更新。 探月項目對計算機的要求越來越高，兩年后，探月項目成功時，一定又是一次新突破。 采訪手記 對航天部502所的采訪得益于一次有效的讀編互動。記者通過《電腦報》的老讀者、502所的薛英民，經(jīng)過層層安保，見到了研發(fā)航天計算機系統(tǒng)的專家們，被允許近距離看了一眼傳說中的“天上的計算機”。 幾個小時的采訪里，體驗了一下航天工程師們緊張的工作節(jié)奏，12：30，薛英民才放下手里的工作和另外兩個年輕人一起走進食堂。記者蹭了一頓工作餐，隨意問起是否等神九飛船返回地面后，他們都會放假慶賀，“不會放假的，還有別的項目在做啊。”1：00回到辦公室，又開始電腦前的工作。 讓記者很感概的是，這些支撐著中國航天工程的年輕人們都有著一種信念，也許工資不如在外企的同學(xué)高，也許待遇不如在機關(guān)的朋友好，甚至他們工作的環(huán)境也算不上第一流，但是這些年輕人對于航天工程的熱情和執(zhí)著，卻是讓記者非常感動的。尤其是在太空計算機開發(fā)沒有現(xiàn)成可以借鑒的情況下，完全是靠著我們中國航天人自己的探索和決心去一步一步克服困難，完成了一個又一個難關(guān)的攻克，最終開發(fā)出能夠讓神舟飛船上天并與天宮一號對接的太空計算機系統(tǒng)，完成了一次中國航天事業(yè)的騰飛。 薛英民向《電腦報》提供了寶貴的研發(fā)工作照，電腦報讀者得以第一時間看到這些幕后英雄。 我們分享這份成功的秘密，期待的是更棒的計算機研制成功，更多的太空夢想變成現(xiàn)實。 本篇文章出自《電腦報》2012年第26期(2012年07月02日出版)新聞評論周刊 |
