Научные эксперименты. За ответами в космос (страница 4)
Другое дело – межпланетные автоматические станции, например марсоходы, размером с тумбочку или ботинок. Для них был создан RAD600 – один миллион транзисторов в одной плате, больше 600 граммов массой. Такой компьютер уже влезет в мобильный телефон.
Тем временем в СССР разрабатывались новые версии «Аргонов». Правда, цель была не в уменьшении размеров, а в повышении надежности. «Аргон‐16» стал оптимальным вариантом, и его испытывали и использовали на кораблях «Союз», станциях «Салют» и первое время на станции «Мир». В 1990‐е его сменил «Салют‐5Б». Однако всемирную известность получила другая бортовая ЭВМ – для многоразового корабля «Буран» был разработан компьютер «Бисер‐5». Два мегабайта оперативной памяти и 350 000 операций в секунду позволили совершить полет в полностью автоматическом режиме. Более того, «Буран» при возвращении совершил незапланированный маневр, что инженеры на Земле сочли сбоем и даже начали обсуждать возможность подрыва аппарата, чтобы при падении он не вызвал разрушений. Но оказалось, что компьютер заметил боковой ветер и принял правильное решение развернуть «Буран» другим боком. Посадка произошла идеально. Автопилоты таких же характеристик появились только через 12 лет.
Космонавтика подстегнула развитие компьютерной техники. В 2013 году инженеры ради эксперимента взяли обычный смартфон из магазина, прикрепили к нему дополнительный аккумулятор, обмотали защитной пленкой от радиации и перепада температур и запустили в космос как самостоятельный спутник. Внутри было все необходимое не только для ведения полета, но и для научных исследований.
Вместе с компьютерами появились миллионы строк кода. Чаще всего речь идет о специализированных программах для конкретной ситуации, но бывали случаи использования наработок и в других отраслях. Один из таких примеров – язык программирования ДРАКОН. Название расшифровывается как дружелюбный русский алгоритмический язык, который обеспечивает наглядность. Сначала программисты создали три языка под разные цели: Диполь, Прол2 и Лакс, но потом было принято решение применить универсальный подход. ДРАКОН – язык – визуальный, то есть программы писать не нужно, их составляют из блок-схем или диаграмм. Такой подход оказался более удобным благодаря наглядности в каждой последовательности действий. Затем появились гибридные языки: Дракон-Java, Дракон-C, Дракон-Python и т. д. После снятия грифа секретности космический язык программирования стали применять для моделирования поведения или создания инструкций для специалистов в больших группах или при оперативных мероприятиях, например, алгоритмы скорой помощи, реанимации и т. д.
В 1964 году в США произошла похожая история. Инженеры запросили у программистов целую кучу программ для вычисления характеристик материалов: прочность, гибкость, ковкость, целостность и т. д. Поступило предложение создать один универсальный код, хотя задача оказалась очень сложной. Дело сдвинулось в 1968 году с появлением Space Shuttle, для которого требовалось множество расчетов. Получившаяся программа использовала метод численного моделирования и состояла из разных модулей, написанных на языке FORTRAN. Этот продукт очень понравился инженерам, и теперь он используется повсеместно, например при проектировании железнодорожных путей, автомобилей, мостов, электростанций, небоскребов, самолетов и многого другого. По оценкам, одна только эта программа позволила сэкономить более 700 миллионов долларов.
Также в США получила известность платформа облачных вычислений Nebula, разработанная NASA, чтобы предоставить своим инженерам дополнительные ресурсы для вычислений и памяти. В 2008 году космическое агентство стало первой организацией, предоставившей исходный код Nebula для общего пользования. Впоследствии облачные платформы приобрели огромную популярность.
Вместе с компьютерами для космоса разрабатывались роботы на замену человеку. По сути, все автоматические станции, спутники, межпланетные зонды, планетоходы – это роботы. Проводились эксперименты с отправлением на орбиту многофункциональных автоматов. Так, в 2019 году на МКС отправился антропоморфный (похожий на человека) робот F.E.D.O.R. Он мог ходить, управлять машиной и мотоциклом, сверлить, закручивать гайки и проводить разного рода ремонтные работы. Функция самообучения позволяла со временем расширить его функционал. На орбите F.E.D.O.R., выбравший себе позывной Skybot F‐850, работал в режиме «аватар». Космонавты Алексей Овчинин и Александр Скворцов использовали специальный костюм с VR-очками, выполняя простейшие действия, а робот их определял и повторял за космонавтами. Затем F. E.D.O.R. уже самостоятельно выполнял те же операции. Космонавты протестировали возможности в рамках эксперимента «Испытатель». Еще три таких робота используют сотрудники МЧС, пока в рамках обучения, но у модели F.E.D.O.R. большое будущее. Он сможет работать там, где не смогут люди.
Чуть раньше, в 2011 году, на орбите появился американский андроид Robonaut2. Он позиционировался как ловкий, то есть руки позволяли выполнять весьма сложные операции, требующие мелкой моторики. Задачей робота было выполнение часто повторяющихся рутинных операций, например, замена фильтров, настройка фотоаппаратов и т. д. Технология успешно проработала на МКС несколько лет, а NASA продала 50 патентов на отдельные технологии. Стоит отметить, что Robonaut2 работал в космосе без нижней части тела, хотя и были попытки присоединить дополнительные конечности.
В невесомости ноги не нужны, и автоматическим системам быть похожими на человека невыгодно. В 2018 году сферический робот по имени CIMON с видеокамерой и мультяшным лицом на экране летал по МКС и давал указания космонавтам. За его работой следил астронавт Александр Герст. Функциональных задач у CIMON не было, он только фиксировал результаты экспериментов и общался как на профессиональные, так и на отвлеченные темы. Например, робот запечатлел долгий процесс выращивания кристалла, прокомментировал последовательность действий медицинского исследования и собрал кубик Рубика. Подобный помощник может облегчить работу как в космосе, так и на Земле. Первая такая система появилась в космосе еще в 2006 году, а сейчас умные голосовые помощники – часть привычного быта.
Были также экспериментальные образцы шарообразных роботов под названием SPHERES. Как в фантастических фильмах, они летали самостоятельно и ориентировались при помощи ультразвуковых маячков, примерно как летучие мыши или подводные лодки. Испытания были успешны. Более того, каждый год студентам предлагали посоревноваться в написании программ для этих роботов. В этих битвах родилось много вариантов модернизации, и сейчас на МКС используется усовершенствованная версия робота по имени Astrobee.
Но шарообразным автоматическим аппаратам все же не хватает рук – их роль в космических аппаратах выполняют манипуляторы, как роботизированные, так и управляемые вручную. Первый полноценный манипулятор появился в космосе в составе шаттла Columbia в 1981 году. RMS, или «Канадарм», был длиной от 15 до 32 метров и состоял из двух основных секций и семи моторизованных сочленений. Можно провести аналогию с рукой человека: плечевой сустав имеет две степени свободы, то есть может поворачиваться влево-вправо, локтевой – одну: может только сгибаться. Кисть человека имеет две степени свободы, а космический манипулятор имел сразу три. То есть он мог поворачиваться и перемещать груз в любую сторону. Правда, с первого раза не все получилось – космонавты не смогли повернуть манипулятор в плечевом суставе. Дефект исправили, и манипулятор проводил эксперименты – как сам, так и с разным оборудованием – до 2001 года. Он ловил и запускал спутники, двигал приборы, активировал системы, производил ремонтные работы и искал дефекты, использовался для точного наведения камер и даже катал на себе людей. В XXI веке его заменила модифицированная и улучшенная версия «Канадарм 2», которая потом попала и на МКС. На современной станции к нему можно еще подключать так называемый ловкий манипулятор «Декстер», уже двурукий. Каждая из его «конечностей» – уменьшенная версия «Канадарма». «Декстер» может работать как одной, так и двумя руками. Самое главное – его подвижность и набор программ, позволяющих выполнять сотни сложных задач. В 2001 году его испытали: «Декстер» смог провести распаковку оборудования грузового корабля, пока космонавты спали. Правда, стоит отметить, что его прототип использовался еще на шаттле Discovery STS‐85. Тогда без проблем не обошлось, так как системы оказались не полностью совместимы с «Канадармом». В будущем есть вариант использовать в космосе трехрукий манипулятор SARAH.
Канадарм 2
В СССР для аналога шаттла, корабля «Буран», тоже был изготовлен манипулятор, но так и не был использован. Однако на станции «Мир» появился АСПр – автоматическая система перестыковки. Орбитальный комплекс предполагал соединение модулей не только спереди и сзади по направлению движения станции, но и сверху, снизу и по бокам. Советский манипулятор как раз и нужен был для перемещения тяжелых частей, для чего важна была не столько ловкость, сколько надежность и точность. Впервые АСПр использовался при перестыковке второго модуля «Квант‐2» станции «Мир» на боковой стыковочный узел. Манипулятор имел два шарнира, мог поворачиваться всего в двух плоскостях и присоединяться концом к специальным гнездам станции. Зато в нем были заложены значительные резервы по прочности и амортизации. Совмещение идей «Канадарма» и АСПр позволило создать манипулятор ERA, который используется на российском сегменте МКС. Он имеет семь степеней свободы, крепится к специальным гнездам и перемещается по ним вдоль корпуса станции.
Также интересны были технологические эксперименты и последующее применение специального крана «Стрела», который выдвигался телескопически, и манипулятора OBSS, который удлинял «Канадарм» в два раза. Планировался эксперимент по использованию полностью механического копирующего манипулятора «Пеликан», но на орбите идея не получила продолжения. Зато на Земле на основе этих технологий были созданы механизмы, нашедшие применение в строительстве, грузоперевозках, работе в опасных зонах, конвейерном высокоточном производстве и медицине. Хирурги все чаще и чаще прибегают к куда более подвижным механическим рукам, схожим с космическими «собратьями».