למערכות המחשב המותקנות על רכב המאדים "קיוריוסיטי" יש תרומה עיקרית להצלחת הנחיתה היחידה במינה שלו על כוכב הלכת השכן. למי שלא ראה אותה עדיין מומלץ לצפות בה בסרט של נאס"א:
בגלל המרחק הגדול של כדור הארץ מהמאדים נדרש זמן רב יחסית (כ-15 דקות) עד שאות שנשלח במהירות האור יגיע אל הרכב וייתן לו פקודה לשנות את תנועתו. לכן, האפשרות היחידה לשלוט בתהליך הנחיתה המסובך היתה באמצעות תהליך נחיתה אוטומטי לחלוטית שנוהל מאל"ף ועד ת"ו על ידי מחשב הקיוריוסיטי.
המחשב משמש גם כ"מוח האלקטרוני" של הרכב, ושולט בין היתר במכשור שלו, כגון זרוע הרובוט של הקיוריוסיטי ומערכת הנעת הגלגלים.
רכב המאדים נחשב "מערכת משובצת מחשב" (Embedded System) ודומה בזה להרבה מהמכשירים שבהם אנו משתמשים מדי יום ביומו. להבדיל ממחשב אישי רגיל, שמשמש אותנו לצרכים רבים ומגוונים, מחשב במערכת כזאת מבצע פעולות מאוד ספציפיות ומוגבלות, לצורך הפעלת המכשיר המיוחד שבו הוא מותקן. להלן כמה דוגמאות למערכות משובצות מחשב:
- בכלי רכב חדישים, מחשבים שולטים בהזרקת הדלק, בהיגוי ובניווט.
- בטלפונים החכמים, מחשב מגיב מיידית למיקומנו בשטח ושולח לנו הודעות בהתאם.
- במטוסי נוסעים, המחשבים אחראים כמעט על כל תהליכי הטיסה.
- ברמזורים, מחשבים שולטים במערכות בקרת התנועה.
- בתעשייה, מחשבים אחראים לבקרה על מכונות הייצור.
- במצלמות דיגיטליות, מחשבים מצלמים בשבילנו.
בדרך כלל, מערכות משובצות מחשב דורשות "ביצועי זמן אמת" (Real time). ושוב, להבדיל ממחשבים רגילים נדרש מהם חישוב מיידי, שאם לא כן המערכת לא תמלא את תפקידה. לדוגמה, אם המערכת מזהה מכשול פיזי העומד בדרכו של רכב החלל, עליה להסיט אותו לאלתר ממסלולו על מנת שלא יינזק. לשם כן עליה לחשב ללא דיחוי מסלול תיקון לנסיעתו.
מערכות כאלה הופכות יותר ויותר נפוצות כיום בגלל המזעור של מרכיבי המחשב, שמאפשר לכלול אותם במכשור כמעט בלי תוספת של נפח או משקל, עם צריכת הספק קטנה ובעלות לא גבוהה.
אחת המערכות המשובצות הראשונות הייתה מחשב הניווט והשליטה של החללית אפולו 11, שאפשרה את הנחיתה הראשונה של אדם על הירח בשנת 1969. המחשב פותח במכללת MIT במיוחד עבור הפרויקט. בתקופה ההיא מחשב הניווט של האפולו נחשב הרכיב המסוכן ביותר להצלחת הפרויקט, שכן הוא הכיל טכנולוגיה חדשה של מעגלים משולבים שנועדו להפחית את הגודל והמשקל של החללית.
כדי לקבל מושג על ההתקדמות האדירה שחלה מאז במחשוב, אלו הם הנתונים של מחשב הניווט של אפולו 11:
- זיכרון: 2k
- זיכרון נוסף: 32k
- מהירות שעון: 1.024 MHz
רק לשם ההשוואה, מדובר במחצית מהיכולות של המחשב האישי הראשון שיצא כעבור עשר שנים: IBM PC XT!
על החומרה המינימלית הזאת הותקנה תוכנת Real Time שניהלה עד שמונה משימות במקביל, הכול בתוך גבולות הזיכרון הזעיר הזה. היום זה נראה מבצע תכנותי כמעט בלתי אפשרי!
המחשב ברכב המאדים קיוריוסיטי הוא מסוגRAD750 , שנמצא בשוק כבר כעשר שנים ומרבים להשתמש בו ברכבי חלל. באופן מפתיע, מדובר במחשב איטי יחסית, כך שכמעט כל טלפון חכם מודרני מהיר ממנו! עם זאת, הוא מתאים מאוד לתפקידו, מאחר שהוא מסוגל בתנאים קיצוניים שכוללים:
- טמפרטורות שנעות בין מינוס 55 מעלות צלזיוס ל-70 מעלות צלסיוס מעל לאפס.
- רמות קרינה גבוהות, עד כאלף Gray (יחידת מידה לקרינה מייננת).
בתנאי קרינה קוסמית חזקה, כל מחשב רגיל, או מכשיר טלפון, היה מתקלקל מיד. המהנדסים העדיפו להשתמש במחשב ישן יחסית, מאחר שמדובר במערכת שכבר הוכיחה את אמינותה במשך שנים, וברור כמה קריטית עלולה להיות תקלה במחשב. הרי אין הרבה הזדמנויות לחזור על מבצע יקר ומסובך כזה!
ברכב החלל יש שתי יחידות זהות של המחשב הזה. אחת היחידות פעילה, ואילו השנייה משמשת לה גיבוי למקרה של תקלה.
אלו הן התכונות הטכניות העיקריות של חומרת המחשבים:
- מהירות עיבוד – 200 MH
- זיכרון פלאש – 2 GB
- זיכרון RAM – 256 MB
- אנרגיה נדרשת לתפעול – 10 ואט
- כל המרכיבים נמצאים על לוח אחד
כפי שאפשר לראות, גם אם מדובר במחשב "חלש" יחסית, עדיין הוא מהיר פי כמה וכמה מהמחשב שהנחית את חללית אפולו על הירח.
עלות מחשב כזה יכולה להגיע לחצי מיליון דולר, מאחר דאמינותו ושרידותו גבוהים מאלה של כל מחשב רגיל, דבר שדורש תהליכים רבים במהלך הבנייה ועוד בדיקוות רבות אחריה.
מערכת ההפעלה של המחשב נקראת VxWorks. היא תוכננה למחשבים עם ביצועי זמן אמת וגרסתה הראשונה פותחה בשנת 1987 על ידי חברת Wind River Systems. המערכת נמצאת כיום בהרבה מערכות משובצות מחשב. להלן כמה מהן:
- מטוס התובלה איירבוס A400M
- מערכת הבקרה של מכוניות BMW מסוג iDrive
- רכבות מתוצרת Bombardier, שנמצאות בשימוש בכל רחבי אירופה
- כמה מרכבי החלל שקדמו לקיוריוסיטי
לצורך הנחיתה והבקרה של הקיוריוסיטי פותחה תוכנה מורכבת במיוחד שכוללת כשלושה מיליון שורות קוד. גרסת התוכנה הראשונה פותחה לצורך ניהול הנחיתה המסובכת. לאחר שהסתיימה הנחיתה לא היה בה צורך יותר, כך שהתוכנה כולה שודרגה והוחלפה לגרסה שמתאימה לתפקידים החדשים שנדרשו מהרכב: נסיעה על פני כוכב הלכת וביצוע משימות מחקר.
ההחלפה היתה הכרחית, מום שזיכרון המחשב היה קטן מדי להכיל את שתי גרסאות התוכנה. השדרוג ארך ארבעה ימים ונעשה ממרחק אדיר (כ-250 מיליון קילומטר) ובזהירות מירבית, מאחר שכל תקלה שתקרה לתוכנה עלולה להשבית את הפרויקט לתמיד!
גיזי בן-טובים
המחלקה להוראת מדעים
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
