آرتمیس ۲، مسافرت از زمین تا ماه

برنامه آرتمیس ناسا با هدف بازگرداندن انسان به ماه و ایجاد زیرساخت برای مأموریت‌های آینده به مریخ طراحی شده است. مأموریت Artemis II نخستین پرواز سرنشین‌دار این برنامه هست که طی آن چهار فضانورد با فضاپیمای Orion  به دور ماه سفر کرده و به زمین بازگشتند.

آنچه این فضاپیما را از بسیاری از مأموریت‌های تاریخی متمایز می‌کند، سطح پیشرفته فناوری‌های کامپیوتری، شبکه‌های داده و نرم‌افزارهای پرواز آن است. در این مقاله بعد از معرفی فناوری های مهم این ماموریت، به سه بخش مهم می‌پردازیم: معماری کامپیوتری Orion، سخت‌افزارهای استفاده‌شده و مقایسه آن با سیستم‌های مأموریت Apollo.

 

مهم‌ترین فناوری‌های مرتبط با IT در این مأموریت

 

۱. کامپیوتر پرواز (Flight Computers)

فضاپیمای Orion چندین کامپیوتر پرواز افزونه‌ای (Redundant) دارد.

ویژگی‌ها:

• چند کامپیوتر موازی برای fault tolerance
• اگر یکی خراب شود سیستم فوراً به کامپیوتر دیگر سوئیچ می‌کند
• پردازش داده‌های ناوبری، کنترل موتور، مدیریت انرژی و ارتباطات

معماری معمولاً شامل:

• پردازنده‌های radiation‑hardened
• سیستم‌های real‑time

در فضا تشعشع زیاد است، بنابراین از پردازنده‌های مقاوم به تشعشع (Rad‑Hard CPUs) استفاده می‌شود.

شرکت اچ پی اینترپرایز (HPE) به تازگی ابر کامپیوتر جدیدی را با نام Atiken طراحی و معرفی کرده است که قدرت پردازشی معادل ۳.۶۹ PFLOPS (پتافلاپس) دارد و می‌تواند شبیه سازی ورود، فرود و نشستن بر روی ماه را انجام دهد. این ابر کامپیوتر جدید در انبار مخصوص در مرکز تحقیقاتی ناسا قرار دارد.

این سیستم از پلتفرم (SGI-۸۶۰۰ HPC-High Performance Computer) استفاده می‌کند که از خوشه‌ای با چگالی بالا به همراه گره‌های محاسباتی نسل دوم پردازنده Xeon ساخت اینتل و سیستم شبکه‌ای Mellanox Infiniband بهره مند است.

Atiken در مجموع از ۱۱۵۰ گره و ۲۲۱ ترابایت حافظه استفاده می‌کند که هر کدام از این گره‌ها عملکردی مانند دو پردازنده ۲۰ هسته‌ای بدون شتاب دهنده دارند. در نتیجه این ابر کامپیوتر دارای قدرت تئوری معادل ۳.۶۹ پتافلاپس بوده که آن را در رتبه ۵۵ بین ۵۰۰ ابر کامپیوتر برتر ماه ژوئن قرار می‌دهد.

این ابر کامپیوتر در مرکز ماژولار جدید واقع در مرکز تحقیقات Ames ناسا در کالیفرنیا قرار دارد. به ‌گفته‌ ناسا، این ابر کامپیوتر در اولین قطعه کارخانه که بر اساس مرکز داده‌های مدولار (MDC) طراحی شده، قرار گرفته است.

مرکز جدید ناسا توانایی ارتقا به ۱۶ قطعه مختلف به منظور افزایش محاسبه و ذخیره اطلاعات را دارد. همچنین به گفته HPE سیستم خنک کننده آن شامل هوای محیط بیرون، سیستم فن و سیستم چرخشی آب می‌شود که این مرکز را از برج‌های خنک کننده و میلیون‌ها لیتر آب بی نیاز کرده است. هدف ناسا فرستادن فضانوردان به خصوص یک فضانورد زن به قسمت جنوبی ماه بوده است٬ که این ابر کامپیوتر توانسته شبیه سازی این ماموریت را در سال ۲۰۲۴ انجام دهد.

بر گرفته از وب سایت tomshardware

از خدمات سرور اختصاصی شرکت  IRPOWER استفاده کرده اید؟

۲. سیستم‌عامل Real-Time

کامپیوترهای پرواز از سیستم‌های Real‑Time Operating System (RTOS) استفاده می‌کنند.

کار این سیستم‌ها:

• اجرای وظایف حیاتی با زمان‌بندی دقیق
• مدیریت سنسورها و کنترل‌ها در حد میلی‌ثانیه
• تضمین پاسخ فوری در شرایط اضطراری

در پروژه‌های ناسا معمولاً از سیستم‌هایی مثل VxWorks و یا RTOSهای سفارشی استفاده می‌شود.

۳. شبکه داخلی فضاپیما (Spacecraft Data Network)

Orion یک شبکه داده داخلی شبیه شبکه‌های کامپیوتری دارد.

ویژگی‌ها:

• ارتباط بین صدها سنسور و سیستم
• استفاده از Time‑Triggered Ethernet یا استانداردهای مشابه
• انتقال داده بین:
  • سیستم ناوبری
  • کنترل محیط (Life Support)
  • سیستم پیشران
  • نمایشگرهای کابین

این شبکه در واقع چیزی شبیه LAN داخل فضاپیما است.

۴. نمایشگرهای دیجیتال کابین (Glass Cockpit)

کابین Orion کاملاً دیجیتال است.

ویژگی‌ها:

• چند صفحه نمایش لمسی بزرگ
• رابط کاربری گرافیکی پیشرفته
• جایگزین صدها کلید و عقربه سنتی

نرم‌افزار کابین:

• داده‌های پروازی
• نقشه مسیر
• وضعیت سیستم‌ها
• هشدارها

را به فضانوردان نشان می‌دهد.

۵. سیستم ناوبری و تعیین موقعیت

Orion از چند سیستم ترکیبی استفاده می‌کند:

IMU (Inertial Measurement Unit) برای تعیین موقعیت و حرکت

• ژیروسکوپ
• شتاب‌سنج

Star Tracker

یک سیستم بینایی کامپیوتری (Computer Vision) که:

• ستاره‌ها را می‌بیند
• موقعیت فضاپیما را با مقایسه با نقشه آسمان محاسبه می‌کند

GPS نزدیک زمین

در مدار زمین از GPS استفاده می‌شود.

۶. ارتباطات فضایی (Deep Space Communications)

برای ارتباط با زمین از Deep Space Network (DSN) ناسا استفاده می‌شود.

فناوری‌های IT اینجا شامل:

• High‑gain antenna
• پروتکل‌های ارتباطی فضایی
• تصحیح خطا (Error Correction)
• فشرده‌سازی داده

داده‌ها شامل موارد زیر است:

• telemetry
• video
• داده‌های علمی
• فرمان‌های زمینی

 

۷. سیستم مدیریت خطا و خودکارسازی

Orion دارای سیستم‌های نرم‌افزاری پیشرفته برای:

• Fault Detection
• Fault Isolation
• Fault Recovery (FDIR)

اگر مشکلی رخ دهد:

• سیستم خودش تشخیص می‌دهد
• سیستم معیوب را جدا می‌کند
• حالت ایمن فعال می‌شود.

این‌ها از پیچیده‌ترین نرم‌افزارهای real‑time هستند.

۸. شبیه‌سازی و Digital Twin

قبل از پرتاب، همه چیز با اینها تست می شود:

• Simulation software
• Digital twin of spacecraft

این شبیه‌سازها شامل آیتم های زیر هستند:

• دینامیک پرواز
• سیستم‌های الکتریکی
• نرم‌افزار پرواز
• سناریوهای خرابی

 

۹. امنیت سایبری فضاپیما

در مأموریت‌های جدید، Cybersecurity هم بسیار مهم شده.

اقدامات شامل:

• ارتباطات رمزگذاری شده
• احراز هویت فرمان‌های زمینی
• جلوگیری از دستکاری نرم‌افزار

 

۱۰. پردازش داده سنسورها

صدها سنسور داده تولید می‌کنند:

• فشار
• دما
• تشعشع
• اکسیژن
• وضعیت موتور

کامپیوتر پرواز این داده‌ها را:

• فیلتر
• تحلیل
• ارسال به زمین

✅ نکته جالب:

در Orion حدود هزاران سیگنال تله‌متری در هر ثانیه تولید می‌شود که به زمین ارسال می‌گردد.

 

 

معماری کامپیوتری فضاپیمای Orion

سیستم‌های کامپیوتری Orion با معماری توزیع‌شده و افزونه‌ای (Redundant Distributed Architecture) طراحی شده‌اند. در این معماری به جای یک کامپیوتر مرکزی، چندین کامپیوتر پرواز به صورت موازی کار می‌کنند.

افزونگی برای افزایش ایمنی

در مأموریت‌های فضایی، خرابی یک سیستم می‌تواند کل مأموریت را به خطر بیندازد. به همین دلیل Orion از چندین Flight Computer استفاده می‌کند که به صورت همزمان اجرا می‌شوند و داده‌های یکسانی را پردازش می‌کنند.

اگر یکی از سیستم‌ها دچار خطا شود:

• سیستم‌های دیگر بلافاصله کنترل را در دست می‌گیرند
• نرم‌افزار مدیریت خطا سیستم معیوب را ایزوله می‌کند
• عملیات بدون وقفه ادامه می‌یابد

این روش به عنوان Fault Tolerant Computing شناخته می‌شود.

پردازش بلادرنگ

کامپیوترهای پرواز Orion از سیستم‌های Real‑Time Operating System (RTOS) استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها وظیفه دارند پردازش‌های حیاتی مانند موارد زیر را با زمان‌بندی دقیق انجام دهند:

• کنترل مسیر و جهت فضاپیما
• پردازش داده‌های سنسورها
• کنترل موتورهای اصلاح مسیر
• مدیریت سیستم‌های پشتیبانی حیات
• ارسال تله‌متری به زمین

در چنین سیستم‌هایی حتی تأخیر چند میلی‌ثانیه‌ای نیز اهمیت دارد.

شبکه داخلی فضاپیما

در Orion صدها سنسور، ماژول کنترل و سیستم الکترونیکی وجود دارد. این اجزا از طریق یک شبکه داده داخلی پرسرعت به هم متصل هستند.

این شبکه معمولاً بر پایه فناوری‌هایی مانند Time‑Triggered Ethernet یا استانداردهای مشابه در سیستم‌های هوافضا ساخته می‌شود.

ویژگی‌های این شبکه شامل موارد زیر است:

• تأخیر بسیار کم در انتقال داده
• قابلیت اطمینان بالا
• مدیریت دقیق زمان ارسال پیام‌ها
• مقاومت در برابر خطا

در عمل، این شبکه چیزی شبیه یک LAN پیشرفته داخل فضاپیما است که تمام اجزای حیاتی را به هم متصل می‌کند.

سخت‌افزارهای کامپیوتری مورد استفاده در Orion

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های طراحی سخت‌افزار فضایی، محیط بسیار خشن فضا است. تشعشعات کیهانی می‌توانند باعث خطا در حافظه یا حتی از کار افتادن پردازنده‌ها شوند. به همین دلیل از سخت‌افزارهای خاصی استفاده می‌شود.

پردازنده‌های مقاوم در برابر تشعشع

در بسیاری از سیستم‌های فضایی از پردازنده‌های Radiation‑Hardened استفاده می‌شود. این پردازنده‌ها طوری طراحی شده‌اند که در برابر:

• پرتوهای کیهانی
• ذرات باردار
• تغییرات شدید دما

مقاومت داشته باشند.

نمونه‌ای از پردازنده‌های رایج در صنایع فضایی:

• RAD750 (ساخته BAE Systems)
• خانواده PowerPC Space Processors

این پردازنده‌ها ممکن است از نظر سرعت با پردازنده‌های رایانه‌های شخصی قابل مقایسه نباشند، اما در عوض پایداری و قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارند.

حافظه و ذخیره‌سازی

سیستم‌های حافظه در فضاپیما باید در برابر خطاهای ناشی از تشعشع محافظت شوند. به همین دلیل از تکنیک‌هایی مانند:

• ECC Memory (Error Correcting Code)
• حافظه‌های مقاوم در برابر تشعشع
• سیستم‌های تشخیص و اصلاح خطا

استفاده می‌شود.

سنسورها و سیستم‌های ناوبری

Orion از مجموعه‌ای از سنسورها برای تعیین موقعیت و حرکت استفاده می‌کند:

• IMU (Inertial Measurement Unit) شامل ژیروسکوپ و شتاب‌سنج
• Star Tracker که با شناسایی ستاره‌ها موقعیت فضاپیما را تعیین می‌کند
• گیرنده‌های GPS در نزدیکی زمین

این داده‌ها به صورت مداوم توسط کامپیوترهای پرواز پردازش می‌شوند.

نمایشگرهای دیجیتال کابین

کابین Orion به جای پنل‌های سنتی، از یک Glass Cockpit کاملاً دیجیتال استفاده می‌کند. این سیستم شامل چند نمایشگر بزرگ لمسی است که اطلاعاتی مانند:

• وضعیت سیستم‌ها
• مسیر پرواز
• هشدارهای فنی
• داده‌های ناوبری

را به فضانوردان نمایش می‌دهد

مقایسه با کامپیوتر مأموریت Apollo

برای درک میزان پیشرفت فناوری، مقایسه Orion با سیستم‌های مأموریت Apollo بسیار جالب است.

Apollo Guidance Computer (AGC)

در مأموریت‌های آپولو، هدایت فضاپیما توسط Apollo Guidance Computer انجام می‌شد که یکی از اولین کامپیوترهای دیجیتال تعبیه‌شده در یک وسیله فضایی بود.

مشخصات آن:

• سرعت پردازنده: حدود ۱ مگاهرتز
• حافظه RAM: حدود ۲ کیلوبایت
• حافظه برنامه: حدود ۳۶ کیلوبایت
• فرکانس کلاک: حدود ۱.۰۲۴ MHz

برنامه‌های آن به زبان اسمبلی مخصوص نوشته می‌شدند.

رابط کاربری فضانوردان

فضانوردان برای تعامل با کامپیوتر از دستگاهی به نام DSKY (Display and Keyboard) استفاده می‌کردند. این سیستم شامل:

• یک صفحه نمایش عددی
• چند چراغ هشدار
• یک صفحه کلید کوچک

بود و کاربران باید فرمان‌ها را به صورت کدهای عددی وارد می‌کردند.

مقایسه با Orion

اگرچه AGC در زمان خود یک شاهکار مهندسی بود، اما تفاوت آن با سیستم‌های امروزی بسیار چشمگیر است.

در Orion:

• چندین کامپیوتر پرواز به صورت همزمان کار می‌کنند
• پردازنده‌ها میلیون‌ها برابر توان پردازشی بیشتری دارند
• شبکه‌های داده داخلی پرسرعت وجود دارد
• رابط کاربری کاملاً گرافیکی و دیجیتال است
• سیستم‌های پیشرفته تشخیص خطا به صورت خودکار عمل می‌کنند

در حالی که در مأموریت‌های Apollo بسیاری از عملیات به صورت دستی توسط فضانوردان انجام می‌شد، در Orion بخش زیادی از فرآیندها خودکار و نرم‌افزارمحور هستند.

واژه نامه آشنا!

معماری فضاپیما و منابع سخت افزاری و تکنولوژی های بکار رفته یکسری واژه های مشترک با فناوری اطلاعات دارد که برای یک کارشناس فناوری اطلاعات و شخص علاقمند به مدیریت دیتا جالب و در خور تفکر خواهد بود:

پروتکل های ارتباطی – شبیه سازی – تصحیح خطا – فشرده سازی داده – سیگنال و پکت – ارتباط ماهواره ای- تاخیر در ارسال/دریافت – سیستم عامل بلادرنگ – پردازش های موازی و…. عباراتی هستند که در این مقاله به صورت خلاصه و در سطح یک ماموریت و از نگاه یک کارشناس فناوری اطلاعات بررسی شدند!

تصویر زیر یک اینفوگرافی کامل از شروع سفر ( ماموریت) و پرتاب فضاپیما، رهاشدن در مدار، اوج تا مدار ماه، چرخش و چرخش و چرخش به دور ماه تا تکمیل تحقیقات و نهایتا بازگشت و فرود در اقیانوس است. به گفته ناسا، بعد از موفقیت آمیز بودن این ماموریت، در سال ۲۰۲۷ ماموریت آرتمیس ۳ با هدف بررسی توانایی فضاپیمای Orion برای همکاری با چندین ماه‌نشین و آزمایش در مدار زمین خواهد بود.