Maken we ruimtevaartuigen te autonoom?

Het interieur van het ruimtevaartuig Crew Dragon. Dimitri Gerondidakis / NASA

Toen SpaceX's Crew Dragon NASA-astronauten naar het ISS bracht bijna eind mei , bracht de lancering een bekend gezicht terug. Voor het eerst sinds de pensionering van de spaceshuttle werden Amerikaanse raketten gelanceerd vanaf Amerikaanse bodem om Amerikanen de ruimte in te brengen.

In het voertuig had het er echter niet anders uit kunnen zien. Weg was het uitgestrekte dashboard met lichten, schakelaars en knoppen die ooit het interieur van de spaceshuttle domineerden. Alles werd vervangen door een futuristische console met meerdere grote aanraakschermen die door een verscheidenheid aan schermen bladeren. Achter die schermen wordt het voertuig bestuurd door software die is ontworpen om volledig autonoom de ruimte in te gaan en naar het ruimtestation te navigeren.

Opgegroeid als piloot, mijn hele carrière, met een bepaalde manier om een ​​voertuig te besturen - dit is zeker anders, vertelde Doug Hurley aan NASA TV-kijkers kort voor de SpaceX-missie. In plaats van een hand op de stuurknuppel te vragen, is navigatie nu een reeks vooraf bepaalde inputs. De SpaceX-astronauten zijn misschien nog steeds betrokken bij de besluitvorming op kritieke momenten, maar veel van die functie is uit hun handen verdwenen.

Maakt dit uit? Software heeft nog nooit een cruciale rol gespeeld in ruimtevluchten. Het heeft het veiliger en efficiënter gemaakt, waardoor een ruimtevaartuig zich automatisch kan aanpassen aan veranderende omstandigheden. Volgens Darrel Raines, een NASA-ingenieur die de softwareontwikkeling voor de Orion-ruimtecapsule leidt, is autonomie met name van cruciaal belang voor gebieden met kritieke responstijd, zoals het opstijgen van een raket na de lancering, wanneer een probleem kan vereisen dat een afbreekprocedure in slechts een paar seconden moet worden gestart. kwestie van seconden. Of in gevallen waarin de bemanning om de een of andere reden arbeidsongeschikt zou kunnen zijn.

En meer autonomie is praktisch essentieel om sommige vormen van ruimtevluchten zelfs maar te laten werken. Ad Astra is een in Houston gevestigd bedrijf dat de voortstuwingstechnologie van plasmaraketten levensvatbaar wil maken. De experimentele motor maakt gebruik van plasma gemaakt van argongas, dat wordt verwarmd met elektromagnetische golven. Een afstemmingsproces onder toezicht van de software van het systeem berekent automatisch de optimale frequenties voor deze verwarming. De motor komt in slechts enkele milliseconden op vol vermogen. Het is onmogelijk voor een mens om op tijd op zoiets te reageren, zegt CEO Franklin Chang Díaz, een voormalige astronaut die van 1986 tot 2002 op verschillende spaceshuttle-missies vloog. Algoritmen in het besturingssysteem worden gebruikt om veranderende omstandigheden in de raket te herkennen terwijl het door de opstartvolgorde gaat - en handel dienovereenkomstig. Zonder software zouden we dit allemaal niet goed kunnen doen, zegt hij.

Maar te veel vertrouwen op software en autonome systemen in ruimtevluchten creëert nieuwe kansen voor het ontstaan ​​van problemen. Dat is vooral een punt van zorg voor veel van de nieuwe concurrenten in de ruimtevaartindustrie, die niet per se gewend zijn aan het soort agressieve en uitgebreide tests die nodig zijn om problemen in software uit te bannen en die nog steeds proberen een goede balans te vinden tussen automatisering en handmatige besturing.

• 

  De Space Shuttle Atlantis had een meer traditioneel dashboard waar de piloten gebruik van konden maken.

• 

  De Crew Dragon capsule vervangt de knoppen en schakelaars door grote touchscreens.

Tegenwoordig kunnen een paar fouten in meer dan een miljoen regels code het verschil betekenen tussen missiesucces en missiemislukking. Dat zagen we eind vorig jaar, toen de Starliner-capsule van Boeing (het andere voertuig waar NASA op rekent om Amerikaanse astronauten de ruimte in te sturen) heeft het ISS niet gehaald vanwege een storing in de interne timer . Een menselijke piloot had de storing kunnen verhelpen die ervoor zorgde dat de stuwraketten van Starliner voortijdig verbrandden. NASA-beheerder Jim Bridenstine merkte kort nadat de problemen van Starliner waren ontstaan ​​op: als we een astronaut aan boord hadden gehad, zouden we nu heel goed in het internationale ruimtestation kunnen zijn.

Maar later werd onthuld dat veel andere fouten in de software waren niet ontdekt vóór de lancering, waaronder een fout die had kunnen leiden tot de vernietiging van het ruimtevaartuig. En dat was iets wat menselijke bemanningsleden gemakkelijk hadden kunnen negeren.

Boeing is zeker geen onbekende in het bouwen en testen van ruimtevaarttechnologieën, dus het was een verrassing om te zien dat het bedrijf deze problemen niet opmerkte vóór de Starliner-testvlucht. Softwaredefecten, met name in complexe code van ruimtevaartuigen, zijn niet onverwacht, NASA zei: toen de tweede storing openbaar werd gemaakt. Er waren echter talloze gevallen waarin de kwaliteitsprocessen van Boeing-software de gebreken hadden moeten of hadden kunnen ontdekken. Boeing heeft een verzoek om commentaar afgewezen.

Volgens Luke Schreier, de vice-president en algemeen directeur van lucht- en ruimtevaart bij NI (voorheen National Instruments), zijn problemen met software onvermijdelijk, zowel in autonome voertuigen als in ruimtevaartuigen. Dat is gewoon het leven, zegt hij. De enige echte oplossing is om van tevoren agressief te testen om die problemen te vinden en op te lossen: je moet een echt rigoureus softwaretestprogramma hebben om die fouten te vinden die er onvermijdelijk zullen zijn.

Voer AI in

De ruimte is echter een unieke omgeving om op te testen. De omstandigheden die een ruimtevaartuig zal tegenkomen, zijn niet gemakkelijk na te bootsen op de grond. Hoewel een autonoom voertuig uit de simulator kan worden gehaald en in lichtere praktijkomstandigheden kan worden gebracht om de software beetje bij beetje te verfijnen, kun je niet echt hetzelfde doen voor een draagraket. Lancering, ruimtevlucht en een terugkeer naar de aarde zijn acties die plaatsvinden of niet - er is geen light-versie.

Dit, zegt Schreier, is de reden waarom AI tegenwoordig zo belangrijk is in ruimtevluchten: je kunt een autonoom systeem ontwikkelen dat in staat is om op die omstandigheden te anticiperen, in plaats van te eisen dat de omstandigheden tijdens een specifieke simulatie worden geleerd. Je zou onmogelijk alle hoeken van de nieuwe hardware die je aan het ontwerpen bent in je eentje kunnen simuleren, zegt hij.

Dus voor sommige groepen is het testen van software niet alleen een kwestie van fouten in de code vinden en oplossen; het is ook een manier om AI-gestuurde software te trainen. Neem bijvoorbeeld Virgin Orbit, dat onlangs voor het eerst probeerde zijn LauncherOne-voertuig de ruimte in te sturen. Het bedrijf werkte samen met NI om een ​​testbank te ontwikkelen die alle sensoren en avionica van het voertuig aan elkaar koppelde met de software die bedoeld was om een ​​missie in een baan om de aarde te brengen (tot de exacte lengte van de bedrading die in het voertuig wordt gebruikt). Tegen de tijd dat LauncherOne klaar was om te vliegen, geloofde het dat het dankzij de tests al duizenden keren in de ruimte was geweest en had het al met veel verschillende soorten scenario's te maken gehad.

Natuurlijk de eerste testvlucht van de LauncherOne eindigde in mislukking , om redenen die nog steeds niet zijn bekendgemaakt. Als het te wijten was aan softwarebeperkingen, is de poging het zoveelste teken dat er een limiet is aan hoeveel een AI kan worden getraind om het hoofd te bieden aan reële omstandigheden.

Raines voegt eraan toe dat in tegenstelling tot de langzamere benadering van NASA voor het testen, particuliere bedrijven veel sneller kunnen handelen. Voor sommigen, zoals SpaceX, pakt dit goed uit. Voor anderen, zoals Boeing, kan het tot verrassende haperingen leiden.

Uiteindelijk is het slechtste wat je kunt doen, iets volledig handmatig of volledig autonoom maken, zegt Nathan Uitenbroek, een andere NASA-ingenieur die aan de softwareontwikkeling van Orion werkt. Mensen moeten kunnen ingrijpen als de software hapert of als het geheugen van de computer wordt vernietigd door een onverwachte gebeurtenis (zoals een explosie van kosmische straling). Maar ze vertrouwen ook op de software om hen te informeren wanneer zich andere problemen voordoen.

NASA is gewend om dit evenwicht te vinden en heeft redundantie ingebouwd in zijn bemande voertuigen. De spaceshuttle werkte op meerdere computers met dezelfde software, en als er één een probleem had, konden de anderen het overnemen. Een afzonderlijke computer draaide op geheel andere software, dus het zou het hele ruimtevaartuig kunnen overnemen als een systemische storing de anderen zou treffen. Raines en Uitenbroek zeggen dat dezelfde redundantie wordt gebruikt op Orion, die ook een laag automatische functie bevat die de software volledig omzeilt voor kritieke functies zoals het loslaten van parachutes.

Op de Crew Dragon zijn er gevallen waarin astronauten handmatig afgebroken sequenties kunnen initiëren en waar ze software kunnen negeren op basis van nieuwe invoer. Maar door het ontwerp van deze voertuigen is het nu moeilijker voor de mens om de volledige controle over te nemen. De console met aanraakscherm is nog steeds gekoppeld aan de software van het ruimtevaartuig, en je kunt het niet zomaar helemaal omzeilen als je het ruimtevaartuig wilt overnemen, zelfs niet in een noodgeval.

Er is geen consensus over hoeveel verder de menselijke rol in ruimtevluchten zal of zou moeten krimpen. Uitenbroek denkt dat het gewoon onpraktisch is om software te ontwikkelen die alle mogelijke onvoorziene omstandigheden kan opvangen, vooral als je deadlines moet halen.

Chang Díaz is het daar niet mee eens en zegt dat de wereld verschuift naar een punt waarop uiteindelijk de mens uit de vergelijking zal worden gehaald.

Welke aanpak wint, kan afhangen van het succesniveau van de verschillende partijen die mensen de ruimte in sturen. NASA is niet van plan om mensen uit de vergelijking te halen, maar als commerciële bedrijven ontdekken dat ze het gemakkelijker hebben om de rol van de menselijke piloot te minimaliseren en de AI de leiding te laten nemen, dan zijn touchscreens en een onbemande vlucht naar het ISS slechts een voorproefje van wat er moet gebeuren. komen.

zich verstoppen