Computer in der Raumfahrt. J.-D. Wörner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Transkript

1 Computer in der Raumfahrt J.-D. Wörner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

2 Luftfahrt Raumfahrt Energie Verkehr Forschungszentrum Raumfahrtagentur Projektträger

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5 Globale Herausforderungen Mobilität Kommunikation Energie Klimawandel Ressourcenverknappung Demografische Entwicklung Konflikte Gesundheit...

6 Weltjugendtag 2005

7 NASA 1972 Pioneer 10 Gravitationsanomalie

8 Dunkle Materie Kompositbild des Bullet Clusters Rot: Verteilung gewöhnlicher Materie Blau: Verteilung dunkler Materie. wikipedia

9 Dunkle Energie physik.uni-tuebingen

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11 Neugier des Menschen! Wasser Feuer Erde Luft

12 Standorte und Mitarbeiter Mitarbeiter 27 Forschungsinstitute 1,3 Milliarden 13 Standorte Büros in Berlin, Brüssel, Paris und Washington D.C. Hamburg Bremen Neustrelitz Trauen Berlin- Braunschweig Göttingen Köln Bonn Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim

13 LUFTFAHRT Bearbeitung des Gesamtsystems Lufttransport

14 LUFTFAHRT Sicherheit Umwelt / Klima Verbrauch

15 Raumfahrt: Bearbeitung des Gesamtsystems Raumfahrt (robotisch/astronautisch)

16 Erdbeobachtung Technologie, Exploration, Kommunikation, Wissenschaft Navigation, μg-forschung, internationale Kooperation

17 Radarsatellit TerraSAR X ppp-projekt Start Erste Bilder Operationeller Betrieb

18 Walldorfer Kreuz

19 Laser Communication Terminal LCT (Tesat) TESAT TerraSAR-X NFIRE 5.5 Gbps über 5000 km! TESAT

20 STS 126 Endeavour MEZ

21 Internationale Raumstation

22 Computer Krankenhausrechner1959 (IBM) C²A²S²E (Center für Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)

23 C²A²S²E (Center for Computer Applications in AeroSpace Science and Engineering)

24 Rechner im Weltraum was ist anders als auf der Erde? Verlässlichkeit Self-Healing Fehlertoleranz Sehr begrenzte Raum-, Energie- und Masse-Ressourcen Kälte/Hitze: Raumfahrzeug -170 bis +120, Rechner i.d.r. +10 und +50 Vakuum: Wärmeabfuhr im Vakuum ein Problem Keine Gravitation: i.d.r. kein Problem für Hard- und Software (aber lose Teile!) Referenz: S. Montenegro, DLR

25 X 38 CRV Mercury Gemini Apollo Shuttle Orion

26 Mercury 7 Mercury 13

27 Betriebssystem kommt aus Raumfahrt Projekt Mercury: Erstes Computer-Betriebssystem (Rechner am Boden, Mercury-Kapsel ohne Computer). Motivation: bis dato Programme (z.b. über Lochstreifen) seriell in den Computer eingelesen, ausgeführt und beendet. In der hektischen Startphase der Mercury- Missionen wollte man aber mehrere Programme lauffähig haben, und kurzfristig zwischen ihnen hin- und herschalten Geburtsstunde der Betriebssysteme.

28 Historie und Bedeutung Apollo-Projekt Mitte 50er ohne Rechner unmöglich, z.b. Navigationsaufgaben in Mondnähe Onboard-Computer im Apollo-CM und LEM nicht autonom "Supercomputer" auf der Erde schlappe Computer - aber tolle Leistungen! z.b. Design des Space-Shuttles in den 70er: hochgenaue CFD-Rechnungen (Navier-Stokes) für komplexe Geometrien nicht einmal in 2D, geschweige denn in 3D möglich!

29 Die Rechnerentwicklung im Bild Neuentwicklung: 1961 bis 1966 Weiterentwicklung: 1966 bis ca. 1972

30 Rechneraufgaben im Weltraum: Gestern Navigation (Guidance Computer: AGC): 1. Informationen bereitstellen 2. Steuern mit menschlicher Hilfe gleiche Rechner und selbe Bauart unterschiedliche Software für verschiedene Aufgaben wie Orbiter, Lander

31 Apollo 11 Landemodul 1969 Apollo Guidance Computers (AGC)

32 Rechnertechnologie Technologie: etwa 4100 ICs (Chips) CPU: << 0,5 MIPS Speicher: 24K Bytes Sprache: Assembler Strahlung: Geringe Vorkehrungen gegen Strahlung, nur Gehäuseabschirmung Technologie kaum empfindlich für Bit- Umkehrungen Kernspeicher: Jeder Ring ein Bit

33 Referenz:

34 Rechengeschwindigkeit und Speicher Jahr Computer kops Speicher (words) 1960 Saturn I 3, (27-bit) 1963 Gemini 7, (39-bit) 1964 Saturn IB,V 11, (26-bit) 1971 Skylab (16-bit) 1974 Space Shuttle 325 1) (32-bit) 480 2) 2008 BMW 750i GB 1) Fixed Point, 2) Floating Point Referenz: IBM

35 SPACELAB Missionen Ulf Merbold

36 Zentralrechnersystem SPACELAB IBM Advanced System/4 Pi Model AP-101 = früher MATRA/MITRA SPACELAB CDMS (Command and Datamanagement System): Mass Memory Unit (Bandlaufwerk): bis zu 34 MBit + Display Skeleton-Software basierend auf einer Telemetrie-Datenbank, kompatibel mit der Datenbank des Kontrollzentrums im DLR Oberpfaffenhofen Housekeeping Informationen zu den SPACELAB Experimenten in gleicher Weise an Bord wie am Boden mit Windows Technik keyboardgesteuert (ohne Maustechnik) IBM AP101 General Purpose Computer D-2 Pilot Tom Hendricks Inflight Maintenance (IFM) am Bordcomputer

37 Rechner für Astronauten im SPACELAB der Vorbote für die ISS Rechner für den Astronauten: GRID Laptop (Commercial off the Shelf - COTS) - Schnittstelle zum SPACELAB Zentralrechner - qualifiziert für RF, z.b. Rechnerinnenleben gecoatet + raumfahrttaugliche Akkus Apple Macintosh Laptop (MC68000 Prozessor) als Crew Telesupport Experiment (CTE) - parallel mit der Bodenkontrolle Bildbearbeitung - Unterstützung bei Astronautenarbeiten mit Experimenten über ein Modemlink zum Boden (Distributed Workplace) - erster CD-Schreiber im Weltraum! D-2 Pilot Tom Hendricks am CTE

38 Heutige und zukünftige Missionen

39 Rechneraufgaben im Weltraum: Heute Informationen Steuern Autonomie Kommandierung Housekeeping & Telemetrie Navigation Lageregelung thermale & Energiekontrolle Überwachung Nutzlastaufgaben Bildbearbeitung Klassifizierung Mustererkennung.

40 Rechnertechnologie im Weltraum: Heute Trend: System on Chip: < 20 Chips pro Rechner CPU: MIPS Speicher: 8 MBytes.512 MBytes Sprache: C, C++, ADA,

41 Rosetta Tschurjumow-Gerasimenko

42 Start: 2. März 2004 Erster Erdvorbeiflug Marsvorbeiflug (25. Februar 2007 in 250 km Entfernung) Zweiter Erdvorbeiflug (November 2007) Vorbeiflug am Asteroiden Šteins (September 2008) Dritter Erdvorbeiflug (November 2009) Vorbeiflug am Asteroiden Lutetia (Juli 2010) Landung auf dem Kometen (November 2014) Rosetta Tschurjumow-Gerasimenko

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44 ATV Jules Verne Start 9. März 2008 Automated Transfer Vehicle

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46 ATV

47 Rechnersysteme für den Weltraum brauchen Zeit Neuentwicklung: ca. 3 Jahre und Weiterentwicklung: ca. 10 Jahre! Aktuell - SS Computer (Columbus) Leistung: 40 MIPS Größe: 40x40x20 cm (Europa) Zukunft: Entwicklungskonzept für Raumfahrteinsatz (DLR-RY) Leistung: 1x1200 MIPS Größe: 20x10x40 cm.

48 Rechnerschutz gegen Strahlung im Weltraum - Heute große und teure elektronische Vorkehrungen Chiptechnologie Interne Redundanz & Schutz der Mechanismen Trends COTS Elemente (nicht strahlungsimmun) externe Redundanz moderne Chiptechnologie: kleine Strukturen (< 0,13 Mikrometer Strukturen) niedrige Spannung (1,5 oder 1,3 Volt) kaum empfindlich gegen Vernichtung durch Strahlung, aber sehr empfindlich für Bit-Umkehrungen.

49 Entwicklung im DLR + Partnern SOC (System On Chip) Technology Leistung: > 4x 1200 MIPS Speicher: 4x 16 GBytes COTS (Commercial off the Shelf) Technology + intelligentes Redundanzmanagement Strahlungresistente Technologie, per Design Netzwerkstruktur: autonome Diagnose Selfhealing selbst rekonfigurierend höchste Autonomie (in Software)

50 Nächste Ziele?

51 Werft > 2 Jahre < 1 Woche Mars: Antrieb Sicherheit Gesundheit Psychologie Strahlung Kommunikation

52 Der Mond wird in den nächsten Jahren ein zentrales Explorationsziel sein!

53 20. Juli 1969

54 Aufnahme der Topographie, Gravitation und spektraler Charakteristik der Mondoberfläche Untersuchung der inneren Struktur, Geologie Vorbereitung von (astronautischen) Landemissionen Kompetenznachweis Wissenschaft, Technik, Missionsmanagement ESA Public Outreach

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56 Lunar Exploration Orbiter (LEO) EADS Astrium

57 Mondstation

58 Der erste Deutsche auf dem Mond wird

59 Der erste Deutsche auf dem Mond wird ein DLR-Robonaut sein!

60 Nutzen der Raumfahrt? Teurer Luxus, bringt nichts! Wir haben doch genug Probleme auf der Erde! Noch nicht einmal die Teflon-Pfanne kommt aus dem All! Verständlich im Kalten Krieg, nutzlos/gefährlich im Frieden!

61 Wetterbeobachtung aus dem geostationären Orbit 2008: METEOSAT-8 EUMETSAT

62 Navigation

63 Katastrophenmanagement

64 Katastrophenmanagement Tsunami 2004 Lho Nga, Indonesia December Januar 29, 10,

65 Forschung unter Weltraumbedingungen Biowissenschaften: vom Gen zum Menschen Matroshka Strahlung Kreislauf, Blut, Salzhaushalt Immunsystem Bewegungskoordination

66 Aus dem Weltraum in das Haus Ölbrenner mit Raketentechnolgie

67 Aus dem Weltraum ins Auto Scheibenbremsen aus Keramikverbundmaterial Aufbereitungsprojekt Produktentwicklung mit Industriepartner Produkt im Markt Transfermuster (Keramik-Bremsscheibe) DLR Know How (z. B. Faserkeramik)

68 Aus dem Weltraum ins Auto Thermoelektrische Generatoren

69 (source: EADS) Tourismus? (source: scifiartposters)

70 Raumfahrt V > km/h Tourismus V 0 km/h > 300 km 100 km

71 WELTRAUM + RAUMFAHRT: Beobachtungsplattform Experimentierlabor Innovationstreiber Infrastruktur Internationales Forum Grundlagenforschung Angewandte Forschung Entwicklung Arbeitsplätze Raumfahrt nötig und sinnvoll! Jeder Tag ist ein All-Tag!

72 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!