Linux E X P R E S

Crew Dragon vrací USA do hry

Let pilotovaného Dragonu je významný hlavně ze symbolického hlediska. Poprvé po devíti letech startuje z amerického území pilotovaná výprava. Připomeňme, že po ukončení provozu flotily raketoplánů v roce 2011 neměly Spojené státy pilotovanou kosmickou loď. Krok tehdejšího prezidenta Obamy uzemnit raketoplány bez adekvátní náhrady byl značně kritizován, například i astronauty Buzzem Aldrinem (druhý astronaut na Měsíci) a Eugenem Cernanem (poslední astronaut na Měsíci, po rodičích česko­‑slovenského původu). Situace, do níž se americká kosmonautika dostala, byla způsobena zrušením několika chystaných projektů.

Start rakety Falcon 9 s pilotovanou lodí Crew Dragon (wikimedia.org)

V prvním případě šlo o projekt X-33, jehož cílem bylo sestavení raketoplánu druhé generace VentureStar. Tento projekt však byl velmi technicky náročný (předpokládal využití lineárních aerospike motorů a jako tepelnou ochranu kovové destičky) a navíc se potýkal s nehodami, které projekt odsunuly do říše snů. Projekt byl v roce 2001 zrušen.

Plánovaný raketoplán druhé generace - Venture Star (wikipedia.org)

1. února 2003 se z vědecké výpravy nevrátil raketoplán Columbia. V důsledku proražení křídla zmrzlým kouskem polyuretanové pěny z hlavní palivové nádrže při startu se raketoplán rozpadl vysoko nad Texasem a jeho trosky jakoby předznamenaly konec éry raketoplánů. V té době se však budovala Mezinárodní kosmická stanice, kterou by nebylo možné bez asistence těchto strojů postavit. Po dvouleté pauze tak ke stanici ISS zamířil raketoplán Discovery, jemuž velela plukovnice Elieen Collins. Zájmem představených osob, včetně nového ředitele NASA Michaela Griffina, bylo zbavit se raketoplánů (které představovaly pro rozpočet NASA velké sousto), stůj co stůj. Nejprve však musely splnit několik důležitých úkolů. Krom dostavby stanice ISS šlo o záchranu Hubbleova dalekohledu, nejvýznamnějšího vědeckého přístroji v dějinách – ten se koncem prvního desetiletí 21. století dostal do tak závažného stavu, že byl na hraně použitelnosti. Dvě kosmické mise jej přivedly zpět k životu, takže pracuje dodnes, kdy slaví již neuvěřitelných 30 let na oběžné dráze. Dále bylo nutno překlenout období, než bude k dispozici nový kosmický dopravní systém. Ten se vyvíjel v rámci projektu Constellation, jehož cílem byl návrat na Měsíc. Nosné prostředky, jako byla raketa Ares I a velkokapacitní Ares V, měly využívat technologii vyvinutou pro projekt raketoplán (externí palivovou nádrž, modifikované hlavní pohonné jednotky raketoplánu SSME a postranní urychlovací bloky SRB), čímž by se zlevnily náklady na vývoj. Projekt však byl v roce 2010 přerušen. Od roku 2011 však běží vývoj systému SLS, který navazuje na vývoj rakety Ares V. Přežil také projekt návratu na Měsíc a vývoj kabiny Orion pro dálkové lety (na Měsíc a dál). Nyní se tak děje v rámci projektu Artemis.

Loď Orion, určená pro dálkové lety (wikimedia.org)

Loď Orion však není určená pro lety ke stanici ISS. Jejím úkolem je let k Měsíci či k některému asteroidu (úvahy o letu k Marsu jsou s ohledem na možnosti a kapacity lodě naprosto mimo realitu; loď je použitelná pro krátkodobé lety v maximálním rozsahu několika týdnů). Dopravu posádek na stanici ISS mají zajišťovat soukromí dopravci. V roce 2011 byl spuštěn projekt Commercial Crew Program, během nějž byly vybrány komerční firmy, které jsou s to na stanici dopravit astronauty v nově vyvíjených lodích. Je to Boeing se svou lodí CST-100 Starliner a SpaceX s lodí Dragon 2. Podmínky byly poměrně vyrovnané – SpaceX sice od roku 2012 vynáší ke stanici ISS pomocí bezpilotní nákladové lodě Dragon zásoby, zato Boeing je letitý partner NASA a podílel se na řadě zakázek. Vyrovnaný stav pokračoval až do finiše, kdy obě společnosti vyzkoušely modely svých lodí v bezpilotním režimu. Nicméně zatímco první Crew Dragon (ještě bez posádky) vítězně na jaře 2019 zamířil ke stanici ISS, Starlineru v prosinci 2019 selhal naváděcí systém a mise byla předčasně ukončena.

V dubnu 2020 padlo konečné rozhodnutí – start prvního pilotovaného Dragonu, zcela nové lodě, která pouze názvem navazuje na nákladní verzi, byl naplánován na 27. května 2020. Ani toto datum se však nestalo finálním.

Přerušení na poslední chvíli

Do posádky prvního pilotovaného letu z americké pevniny po uzemnění letky raketoplánů poté, co se symbolicky 21. července 2011 (tedy 42 let po první měsíční procházce) dotkla kola raketoplánu Atlantis v rámci mise STS-135 na přistávací dráze v Kennedyho kosmickém centru na Floridě, byli nominováni zkušení astronauti, oba s již dvěma absolvovanými lety:

• Douglas G. Hurley (nar. 1966), velitel, absolvoval coby pilot mise STS-127 a STS-135.

• Robert L. Behnken (nar. 1970), pilot, účastník letů STS-123 a STS-130 ve funkci letového specialisty.

Posádka prvního pilotovaného Dragonu - Robert Behnken a Douglas Hurley (wikimedia.org)

Posádka mise STS-135 na palubě stanice zanechala malou americkou vlajku. Úkolem nové posádky bylo tuto vlajku odejmout a dopravit zpět na Zemi. Dojde tak k unikátní příležitosti, při níž je účastníkem mise Dragonu 2 astronaut, který byl členem poslední výpravy raketoplánu před devíti lety.

Americká vlajka na přechodových dveřích modulu Harmony, zanechaná posádkou mise STS-135 (wikipedia.org)

Start byl svěřen ověřené raketě Falcon 9 v konfiguraci Block 5. Jde o modifikovanou variantu předchozích verzí této rakety, která je vylepšena hlavně co se znovupoužitelnosti prvního stupně týče. Rovněž byl o 10 % zvýšen výkon motorů. Byla připravena plovoucí plošina Of Course I Still Love You, určená k přistání prvního stupně rakety.

Start původně plánovaný na 27. května 2020 byl 16 minut před startem odvolán. Důvodem byly meteorologické podmínky na místě startu. Ani termín 30. května nebyl po této stránce jistý, nicméně v 19:22 světového času zaburácela devítice motorů Merlin-1D a cesta byla volná.

Podle plánu se po 2 minutách a 38 sekundách letu ukončila činnost prvního stupně, který se o několik sekund poté oddělil, aby v letovém čase T+00:09:31 přistál na dronu. Druhý stupeň s lodí Crew Dragon mezitím pokračoval v cestě. Ve 12. minutě letu se loď Dragon oddělila od druhého stupně a zahájila samostatnou fázi letu.

Pilotovaná loď Crew Dragon se blíží ke stanici ISS, kde je připojen nákladní Dragon (umělecká představa, wikimedia.org)

Ke stanici ISS se Crew Dragon dostal příští den. Necelých 18 hodinách po startu došlo k pevnému spojení lodě s modulem Harmony na ISS. Hurley s Behnkem se po kontrole pevnosti spojení a hermetičnosti přesunuli na palubu stanice, kde je přivítala stálá posádka ve složení Chris Cassidy za americkou stranu a Ivan Vagner a Anatolij Ivanišin za ruskou. Ačkoliv původně byla mise naplánována jako dvoutýdenní, bylo rozhodnuto, že pokud se nevyskytnou nějaké komplikace, zůstanou Hurley s Behnkem na stanici po dobu až tří měsíců, tedy polovinu standardní doby, kterou astronauti na stanici tráví.

Pohled do nitra Dragonu (wikimedia.org)

Celá mise je bedlivě sledována. Samotný start přilepil k monitorům lidi na celém světě. Jako v době Apolla, prvního letu raketoplánu, vynesení Hubbleova dalekohledu nebo startu rakety Falcon Heavy. A tímto letem si společnost SpaceX vizionáře Elona Muska urvala další prvenství. Byla první komerční firmou, která dokázala vlastními prostředky (s podporou NASA) vyvinout, vypustit a provozovat soukromou dopravní kosmickou loď. Byla první, která dokázala dopravit první stupeň zpět a znovupoužít (to se povedlo v historii kosmonautiky pouze v případě raketoplánu); mimo jiné (ale nejen proto) tedy dramaticky snížit cenu za dopravu nákladu na oběžnou dráhu. Dokázala postavit a vypustit nejsilnější raketu v současnosti, Falcon Heavy. Jako první zkouší metanové palivo pro budoucí raketu Starship. A nyní přišla na řadu první komerční pilotovaná loď.

Všechno běží na Linuxu

SpaceX, firma založená v roce 2002 americkým vizionářem Elonem Muskem, používá ve svém letovém hardwaru běžně dostupné komerční počítačové komponenty, které nejsou odolné vůči radiaci. Je tomu tak proto, že tyto komponenty jsou modernější, lépe se s nimi pracuje, mají menší velikost a spotřebu, zato větší výkon. Radiačně neodolné komponenty najdeme i v prvních stupních raket jiných výrobců, protože ty se nedostávají do prostředí kosmické radiace. Zato v případě kosmických lodí je řešení od SpaceX novinkou. SpaceX se mohl pustit do tohoto odvážného řešení díky využití actorového modelu. Na raketě Falcon najdeme tři počítače, každý se dvěma nezávislými procesory, v nichž běží stejný letový program. Čtvrtý počítač s architekturou PowerPC pracuje jako porotce, který vyhodnocuje shodu provedeného výpočtu mezi zbylými, procesními stroji. Jakmile ke shodě nedojde, je výpočet zahozen a běží znovu. Díky tomuto redundantnímu řešení se zvyšuje odolnost vůči chybám, a to jak na straně „běžného“ provozu, tak chybám vzniklým v důsledku radiace.

SpaceX koketuje s Linuxem od samých začátků. Zpočátku využíval Linux jen na provoz komunikačních bran, kdežto primární počítač ovládal VxWorks. Nyní však pro všechny účely využívá pouze Linux, a to jak na nosné raketě Falcon, tak nákladní lodi Dragon a pilotované lodi Crew Dragon (Dragon 2), ale také na demonstrátoru Grasshopper a nepochybně tomu tak bude i na chystané velkokapacitní raketě Starship. Hlavními důvody pro toto rozhodnutí byly dostupnost zdrojového kódu, tedy programovatelnost, vysoká stabilita, dostupnost měkkých oprav v reálném čase a široká komunita uživatelů.

Řídicí software má na starosti vlastní start rakety, přistání prvního stupně na dronu, letové operace vč. přiblížení a spojení, přistání lodě na Zemi. Tyto operace jsou zajištěny výkonem procesorů, kterých má raketa Falcon 9 nejméně 30 a nákladní loď Dragon 54.

SpaceX využívá pouze 10 až 15 procent původního kódu jádra Linuxu. To bylo specificky vylepšeno pro kosmické mise, například přidáním patche PREEMPT_RT, jenž má zlepšit výkon real-timových operací. Dále byly přidány vlastní ovladače. Řídicí software je napsán v C++, vývojáři používají standardní GNU nástroje, např. gcc, gdb, ftrace, netfilter a iptables. Řídicí software rakety a Dragonu využívá stejný základ, což umožňuje snadnější opravu chyb – oprava se projeví na všech platformách.

Uživatelské rozhraní je realizováno prostřednictvím dotykových displejů, k vykreslení se používá webový prohlížeč Chromium s vlastním javascriptovým kódem. V havarijních případech je možno využít hardwarová tlačítka a přepínače. Řídicí systém i uživatelské rozhraní jsou podrobeny nejpřísnějším testům, aby se vyloučila možnost výskytu chyb. I pro toto testování si SpaceX vytvořil vlastní software, napsaný v Pythonu. Testování může probíhat doslova na stole – vývojáři mají na stolech několik letových exemplářů počítačů.

Výhody nasazení Linuxu

Nasazení Linuxu v kosmonautické praxi má celou řadu výhod. V práci Current use of Linux in spacecraft flight software, vydané v říjinovém vydání IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine z roku 2017, je Hannu Leppinen shrnuje:

• Linux má ze všech operačních systémů nejlepší podporu pro velké množství hardwarových architektur, což poskytuje svobodu při výběru hardwarové platformy.

• Linuxový kód je dlouhodobě testovaný, ověřený, spolehlivý a dostupný. Problémy se řeší okamžitě.

• Díky podpoře řady komunikačních protokolů a standardů je propojení s externími zařízeními snadnější.

• Standardizované vývojové nástroje, a to i svobodné s licencí GNU, jsou snadno dostupné.

• Velká vývojářská komunita generuje základnu vývojářů, schopných participovat na projektu.

• Licenční politika poskytuje nezávislost na dodavateli a nízké náklady.

• Řídicí software může být vyvíjen a testován na stolních počítačích a poté přenesen do letového hardwaru s minimálním úsilím.

• K dispozici je ohromný repozitář aplikací z různých oborů, jako jsou komprese dat, souborové systémy, plánování akcí, zpracovávání dat, software týkající se zabezpečení, algoritmů a skriptování.

• Standardy typu POSIX umožňují oddělit letový software pomocí modularizace na soubory programů či procesů, běžících na Linuxu. Díky tomu se zkracuje doba vývoje a aktualizace systému je možná podle jednotlivých programů.

• Díky široké komunitě vývojářů jsou chyby snáze odhalovány a řešeny. To má velký dopad na kvalitu zdrojového kódu Linuxu, jehož chybovost se pohybuje kolem 0,26–0,28 chyb na tisíc řádků zdrojového kódu.

SpaceX není první

SpaceX rozhodně není první, kdo přistoupil na použití Linuxu v letovém hardwaru v oblasti kosmonautiky. První takové pokusy v rámci projektu Flight Linux sahají do roku 1999, kdy NASA studoval možné využití Linuxu. Projekt běžel v letech 1999–2002. Výsledkem byla družice UoSat-12, která měla sloužit jako demonstrátor nasazení Linuxu. Nasazování Linuxu pak kontinuálně probíhalo v různých podobách na dalších družicích. Zájemce o bližší informace odkazujeme na práci Current use of linux in spacecraft flight software.

Mezinárodní kosmická stanice ISS (wikimedia.org)

Za velmi zajímavou lze označit migraci pozemního řídicího střediska NASA v Houstonu (MSC – Manned Spacecraft Control) na Linux, konkrétně Debian, a to samé v případě Mezinárodní kosmické stanice ISS. Na ISS byla provedena náhrada Windows XP za Linux v roce 2013. Důvody přiblížil Keith Chuval z NASA, který měl migraci na starosti: „Přenesli jsme klíčové funkce z Windows na Linux, protože jsme potřebovali operační systém, který je stabilní a spolehlivý a který budeme mít pod kontrolou. Takže když ho bude potřeba záplatovat, vylepšit nebo upravit, tak můžeme.“ O migraci informoval Vlastimil Ott na naší stránce 15. května 2013 a dodává, že migrace byla provedena za přispění nadace Linux Foundation. Rovněž upozorňuje, že Linuxem byl poháněn i první humanoidní robot, pojmenovaný R2.

Linux je pro NASA velké téma. NASA provozuje několik stránek, zaměřených výlučně na open-source, například code.nasa.gov. Zájemce odkazujeme na bližší informace o opoužití open-source v NASA na stránku NASA Open Source Development.