载人航天的核心是人,空间站更是未来人类大规模星际移民的初代“方舟”。不幸的是,人体也是限制载人航天技术发展的核心原因:一方面,为保障人类肉体凡胎进入太空需要复杂的生命维持系统,高成功率要求导致成本攀升;另一方面,人的体力脑力也着实有限,能做的工作远不如机械和计算机。
幸运的是,人类这种智慧生命之所以站到食物链顶端的优势,恰恰就在于利用工具。我们体力不行,就让飞船、发动机、机械臂、仪器仪表去做;我们脑力(大型科学计算能力)不行,就让计算机来做。
笔记本计算机首次进入太空,就是ThinkPad参与哈勃望远镜拯救计划
所以,当面对空间站在飞行过程中的实时多传感器信息监测、工程和科学仪器海量计算需求、复杂操作下不能出任何故障等需求时,就只有空间站上的计算机能够胜任了。
对这台计算机的要求,会相当高。
实际上,空间站对计算机的性能要求,在火箭发射阶段就开始了。载人火箭都时常面对5倍左右超重,无人货运飞船往往挑战难度更大。如果再碰上“烟大”的火箭(固体助推器),震动也会很强。
火箭发射价格不菲,每千克上万美元已经算是良心价,计算机的重量当然越轻越好。上天时,计算机往往处在加压舱段,与最核心的物资同处一室,体积越小越好。毕竟,计算机小一点,航天员就能多吃一口(航天食品空间大一点)了不是?空间站在太空飞行,往往也环境逼仄,几个人活动空间仅是一个普通卧室大小,计算机也要极致轻薄,才能得心应手。
进入太空后,挑战才刚刚开始。在这里,来自地球磁场的保护会骤然降低,虽然居高临下看极光(太阳辐射被地球磁场屏蔽的最佳证据)更舒服了,但也意味着航天员自身面临的风险更高。如果仅是常规的太阳11周年活动周期还好,可要是赶上宇宙高能粒子无规则冲击,威胁更大就麻烦了。例如,1989年伽利略木星探测器从航天飞机准备离开时,出舱的宇航员“看”到了闪烁的光芒,实际上是大量高能粒子从他们视网膜上穿过,还好当时立即终止舱外活动,“躲过一劫”【1】。对于计算机而言,这些高能粒子威胁更大,半导体元件分分钟会出现单粒子翻转事件,0变成1、1变成0,计算机系统崩溃甚至整个航天器崩溃都不意外。历史上,数个著名任务(如风云1B)的分系统乃至全系统失效,都跟这有很大关系【2】。
太空最大的特点在于零重力,这也会给计算机带来诸多挑战。它排出的热气,并不会因为密度低而上浮或导致空气顺利流动,热量会积压;计算机本身,也会四处飘浮,必须随时方便固定起来;舱内如果有四处飘浮的微小液滴和灰尘,也会更容易进入内部;它也会更容易受到失重环境下舱内“飞来横祸”的威胁,自身强度要高。
而且,不管是早期的机械鼠标(依赖滑球重力),还是后来的光学鼠标(依赖滑鼠垫紧密接触),在失重环境下都很难用。相信用过ThinkPad小红点和键盘灯组合的朋友们,一定明白为啥NASA宇航员们最喜欢用ThinkPad。
国际空间站穹顶舱里的ThinkPad(图源:NASA)
不管是国外的宇航员,还是中国的航天员,他们进入太空都不是为了玩,而是有大量繁重复杂的工作要做。从航天器姿控轨控交会对接,到出舱行走机械臂操作;从生物实验“太空种菜”,到量子密钥天地互联;从对地遥感数据收集,到天文观测宇宙研究……甚至他们自己也成为了航天医学研究太空中人体变化的实验样本,还要经常运动对抗骨质流失和空间适应综合症。好不容易挤下来的时间,还要给家里报个平安,给学生们做一次太空科普,自己再来点娱乐。可以说,这些场景下必须要求全能型的笔记本去全面应对,成为航天员太空生活中的全方位助手。
航天器往往价值不菲,航天员的生命无比珍贵,航天实验器材也高度复杂,这也意味着航天计算机必须高度性能稳定。尤其是对连续收集分析数据要求极高的一些特殊场合,要求计算机绝对不能因为单粒子翻转、电路异常、碰撞冲击等造成数据中断甚至重启,必须工作状态稳定。就算是空间站空气泄漏火灾等出大问题了,它也不能轻易宕机。
计算机本身,也不能给空间站运营带来威胁。例如一个极限场景:即便空间站发生火灾把它烧了(当然,不能助燃是起码要求),它也不能烧出对航天员有害的任何有毒有害物质。
因此,一台好的航天器用计算机,必须做到:
1.稳定的可靠性。长时间、多挑战、多种类的场景下稳定工作,不能被意外事件干扰,更不应该丢数据甚至重启。
国际空间站里有上百台计算机,绝大部分是ThinkPad(图源:NASA)
2.广泛的通用性。各种航天器操作、科学实验平台接入、软件数据分析处理,宇航员/航天员多种语言、多种习惯,Windows/Linux/多种定制系统,都要轻松且稳定应对。
3.绝对的安全性。这里举个例子即可:NASA对空间站计算机的测试之一,就是把它烧了看能烧出点啥有害物质否……
4.极致的轻便性。容易携带,极致轻薄,工作起来顺心顺手。
5.复杂的功能性。既能稳定工作,又能丰富娱乐,还要关键时刻,成为科幻电影里主角努力接上电源后,拯救整个空间站剧情立即峰回路转看到希望的那台“她”。
所以回到主题,为啥在空间站广泛使用了ThinkPad?其实也很简单:因为在经过了大量载人航天的实践后,ThinkPad能够满足上述要求,慢慢胜出了而已。
例如,
1993年,奋进号航天飞机首次进入太空并参与维护哈勃望远镜,ThinkPad上了。
最近的巴黎奥运会预热视频中,法国宇航员在空间站穹顶舱吹萨克斯视频火爆出圈,但其实平时这里更常出现的是ThinkPad(图源:NASA)
1998年,国际空间站正式开始建设,ThinkPad上了。
1999年,进入任务末期的和平号空间站,又迎来了新一批10台ThinkPad,陪伴它在两年后坠入太平洋。
2009年,ThinkPad已经进入联想旗下(2005年并购),新一批T61p上了国际空间站。
2016年,神舟十一载人飞船,ThinkPad 上了。
天宫空间站里出现的ThinkPad(图源:CMS)
2021年,神舟十二对接天宫空间站,ThinkPad也上了,现在正在陪伴三位“天神”遨游太空。
所以,能在世界唯三的载人航天大国(中美俄)核心载人航天器上都能拿到入场券、甚至垄断了部分使用场景,这就是ThinkPad几十年来在航天领域内深耕获得的实力。简单,直接,容易理解的道理。
参考内容:
【1】高能带电粒子对航天活动的影响,中国载人航天官网,http://www.cmse.gov.cn/fxrw/tgyhyszjh/kpzs/201206/t20120628_23339.html
【2】“风云”遨游浩瀚太空,人民网,http://dangshi.people.com.cn/n1/2021/0416/c436975-32079683.html