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ÔNIBUS ESPACIAL: AS LIÇÕES ESQUECIDAS

publicado por André Dantas em julho 22, 2011 41 comentários

É finda uma era na história da exploração espacial.

Ontem, com o pouso do Atlantis, terminou o último voo de um ônibus espacial, e agora eles irão virar (enormes) peças de museu.

O ônibus espacial fez parte dos meus sonhos de juventude, e é inegável sua influência na minha decisão de seguir uma carreira técnica, e eu não poderia me despedir dele sem alguma reverência.

Isso me leva diretamente uma uma história pessoal de 30 anos atrás.

Em 1981, o ônibus espacial fez seu primeiro voo orbital. Isso foi notícia em todos os jornais. Ele prometia o espaço para as pessoas comuns em voos rotineiros, baratos e tecnicamente simples. Foram promessas que nunca foram plenamente cumpridas.

Considerava-se naquela época que cápsulas descartáveis eram um grande desperdício, e que naves reutilizáveis sairiam muito mais barato.

No pouso do Columbia, a Nasa fez uma foto que correu o mundo. E ela não parou aí.

Poucos meses depois do pouso, todas as lojas que vendiam eletrônicos passaram a ostentar um enorme poster de propaganda da calculadora HP-41C usando a foto da Nasa como fundo, e a calculadora, pequena para a figura, embaixo e ao lado da seguinte nota:

"Os astronautas a bordo da nave Columbia utilizaram duas calculadoras HP-41 para executar o que a NASA denominou "cálculos críticos de voo". Para seus cálculos críticos, faça como a Nasa,: escolha uma HP-41."

Não preciso dizer o quanto, naquela época, não só eu, mas todos os nerds de plantão desejaram aquele pôster.

As grandes lojas de departamento que vendiam eletrônicos naquela época possuiam balcões espacializados na venda de calculadoras, num espaço mais nobre do que hoje são vendidos computadores, e a Texas TI-59 e a HP-41C eram as mais caras.

Todas as idas ao centro eram oportunidades para pedirmos um pôster daqueles, e os vendedores já não nos suportavam mais. Até que surgiu um bordão, repetido em todas as lojas.

A cada vez que íamos numa dessas lojas e pedíamos o pôster, o vendedor dizia que se comprássemos uma HP-41 ganharíamos um deles.

Um dia, já meio sem esperança de conseguir um, fui na loja do Mappin, e fiz o ritual com uma vendedora.. Após a resposta do bordão, perguntei se eu comprasse o pôster ela me daria a calculadora. A moça sorriu, foi até o fundo da loja, e me trouxe um poster enrolado. Ela me deu e pediu pra eu sumir dali antes que alguém percebesse o que ela fez. Pedido feito, pedido prontamente atendido com todo prazer.

Pois bem, aqui está o meu pôster, ainda inteirinho e conservado: Provavelmente nem a HP tenha uma cópia desse anúncio em tão bom estado.

Pode parecer uma historinha boba, mas ela não parou aí.

Aquela frase de que a Nasa havia utilizado calculadoras para cálculos vitais de voo soavam como propaganda pura, afinal, a agência possuía computadores muito mais potentes para este fim. Por outro lado, a Nasa não aceitaria uma propaganda daquelas se não fosse real. Havia um fundo de verdade naquilo.

Esse pensamento não saiu totalmente da minha cabeça com o passar dos anos.

Comecei a ter mais respostas quando tive acesso total à internet, uns 15 anos depois disso. A HP não havia feito essa propaganda e usado a foto da Nasa apenas no Brasil. Ela destacou esse uso de sua calculadora em diversos outros anúncios e artigos em revista mundo afora.

Definitivamente aquilo não era uma mentira. Então, para que usar calculadoras com tantos computadores, muitos deles a bordo do ônibus espacial? Esse foi um novelo que desenrolei aos poucos.

O projeto do ônibus espacial começou a ser desenvovlido ainda durante o projeto Apollo. Reza a lenda oficial que todos os documentos, desenhos e especificações do Saturn V, o foguete que levou o homem até a Lua, foram destruídos para que os projetistas começassem o projeto de seu sucessor do zero, sem vínculos com o passado.

Entendia-se que foguetes e cápsulas descartáveis era um meio fácil e rápido de se chegar ao espaço, mas era um enorme desperdício de dinheiro, como já comentei. O novo projeto deveria reaproveitar o máximo de componentes para outras missões, e não deveriam ser contaminados com ideias atávicas de projetos anteriores.

O novo rumo a ser seguido fora apontado por outro projeto experimental da Nasa, o dos lifting bodies, sobre os quais já escrevi aqui.

Muitas tecnologias e conceitos desenvolvidos nos lifting bodies foram incorporados ao projeto do ônibus espacial, de estruturras a arranjos aerodinâmicos, e em especial a tecnologia de fly-by-wire.

Em 1972, na época em que as últimas missões Apollo colocavam os pés na Lua para mais ninguém retornar lá, a concepção original do então futuro ônibus espacial foi apresentado ao presidente Nixon.

Quando esta apresentação foi feita, muito da engenharia do novo veículo já estava definida, incluindo seu sistema de computadores.

Entre os computadores embarcados, haviam cinco computadores IBM AP-101, versão de aplicação aeronáutica do mainframe System/360 do mesmo fabricante. Este computador era usado na época do projeto por bombardeiros B-52 e caças F-15 de primeira geração.

Estas cinco unidades controlam diversas funções da nave, em especial o sistema fly-by-wire. Elas trabalham em redundância. Caso uma falhe, outra assume seu papel.

Este sistema embarcado foi exaustivamente testado durante os 13 vôos de teste com o protótipo, o Enterprise, em 1977.

Para termos uma idéia da tecnologia destes computadores, cada unidade possuía 424 kbytes de memória do tipo de núcleo magnético, característica dos computadores dos anos 50 e 60, e seu processador executava 400.000 instruções por segundo.

Como base de comparação, a injeção de combustível Motronic, da Bosch, que estava entrando no mundo automobilístico quando o ônibus espacial realizou seu primeiro voo, usava um microcontrolador 8051, capaz de enderaçar até 128 kbytes de memória, e executava 1.000.000 de instruções por segundo.

Quando realizou seu primeiro voo, o ônibus espacial já possuía um sistema computacional francamente obsoleto, e sua baixa capacidade de memória estava lotada com programas de controle da nave.

O sistema já operava no limite de sua capacidade, vindo daí a necessidade de usar calculadoras para cálculos que não afetassem o controle da nave.

Estava explicada a presença das HP-41 a bordo. Uma delas fora programada para cálculo do centro de gravidade da nave a ser introduzido nos computadores de controle.

E outras missões também usaram calculadoras da HP antes que computadores portáteis estivessem disponíveis.

Em 1990, os ônibus espaciais passaram por um processo de upgrade destes computadores, passando a usar o IBM AP-101S, versão melhorada do computador anterior, com duas vezes e meia a capacidade de memória (agora usando memórias de semicondutor) e três vezes a velocidade de processamento. Os AP-101S continuam em uso nos ônibus espaciais até hoje.

Durante a década de 90, um especulador descobriu que a Nasa vinha anonimamente participando de leilões de sucata hospitalar, interessada em modelos específicos de equipamentos médicos com controles computadorizados.

Este especulador investigou e descobriu que boa parte da eletrônica dos ônibus espaciais, em especial seus computadores, teve pouco sucesso comercial e sua fabricação encerrada havia muitos anos. Não haviam peças sobressalentes. Sendo uma eletrônica muito especializada, voltada para a alta confiabilidade, ela fora empregada em poucos projetos, notadamente em computadores embarcados e em computadores de equipamentos médicos. Para que a Nasa estivesse tão interessada em sucata de equipamentos médicos, o reaproveitamento de peças aeronáuticas já deveria ter se esgotado.

Este especulador arriscou. Levantou junto aos fabricantes destes equipamentos médicos onde se encontravam todas as unidades fabricadas excedentes e as adquiriu a baixíssimo preço.

Quando a Nasa precisou de mais peças, teve de negociar com ele e ao preço dele para manter os ônibus voando.

Eu já discuti alguns desses problemas de obsolescência eletrônica aqui no blog, e a Nasa sentiu na pele seus inconvenientes.

É evidente que o leitor esteja se perguntando por que a Nasa insistiu num sistema obsoleto ao ponto de se curvar ante a um especulador atrevido. Vou responder a esta pergunta, mostrando um caso paralelo.

Às portas da virada do milênio, a FAA (Federal Aviation Administration) utilizava programas escritos no começo dos anos 70 e rodando em velhos mainframes IBM 9020 (outro computador derivado do System/360) da década de 60 em seu sistema de tráfego aéreo. Este sistema contribuiu para quase uma dúzia de falhas no controle aéreo americano em 1997, incluindo um "apagão" nos dias 23 e 34 de julho daquele ano na região de Chicago.

A FAA vinha investindo havia mais de 10 anos para substituir este sistema, mas o sistema substituto ("Advanced Automation System") estava cheio de bugs nas mais de 1 milhão de linhas de programação, acumulando mais de 6 anos de atraso.

Diante de um software muito pouco confiável, o FAA estava nas mãos de um sistema velho e capenga, porém muito bem compreendido, de controle de tráfego aéreo.

Esta é uma realidade dura. Quando falamos em sistemas de alta confiabilidade, o upgrade se torna secundário enquanto novos sistemas não apresentarem índices de confiabilidade comparáveis aos sistemas mais velhos

A Nasa ficou presa ao sistema de computadores AP-101 porque o ônibus espacial nunca fora pensado em termos de upgrade, e o velho computador e seus programas eram muito confiáveis.

Um upgrade para algo mais atual significaria desenvolver novo hardware e software, testá-los e homologá-los para voo. Isso tomaria muito tempo e dinheiro, além de ter de lidar com bugs ainda desconhecidos.

Em sistemas de alta confiabilidade, vale muito o ditado "em time que está ganhando não se mexe", e a Nasa seguiu esta regra à risca.

Este comportamento não é exclusivo da Nasa

A cápsula Soyuz russa é uma evolução em linha direta das primeiras Soyuz dos anos 60. São muito confiáveis (hoje muito mais que os ônibus espaciais), e, produzidas em série, são baratas. Mas estão francamente obsoletas. Seus instrumentos ainda são eletromecânicos, entre outros detalhes.

Há projetos para substituí-las por outras maiores e melhor equipadas, mas muitos dirigentes russos ainda preferem a velha Soyuz pela confiabilidade, o que tem atrasado o surgimento de sua herdeira.

Esta é uma lição que parece que ainda não aprendemos, e a própria Nasa dá mostras que, em algumas situações, também não.

Recentemente a NASA se viu envolvida no papel de realizar a perícia do caso de aceleração súbita dos carros da Toyota, e em poucos meses ela emitiu um relatório isentando a fabricante quanto a problemas eletrônicos.

Este caso precisa ser visto sob um ângulo mais amplo.

A entrada da NASA como especialista neste caso faz todo sentido.

Além de ter uma equipe técnica altamente qualificada no desenvolvimento de sistemas eletrônicos autônomos à prova de falhas, os carros da Toyota utilizam tecnologia drive-by-wire, derivada da fly-by-wire que ela criou e desenvolveu.

Melhor do que ninguém a equipe da NASA sabe o que dá certo e o que dá errado em sistemas de controle computadorizados.

A NASA disse que avaliou cerca de 280 mil linhas de código das mais de 8 milhões de linhas existentes nos programas que controlam os carros da marca. Isso representa apenas 3,5% do código embarcado nestes carros.

Primeira comparação: em 1980, uma injeção eletrônica Motronic continha todo programa de controle e mais todos os mapas necessários em uma única memória de 8 kbytes. 30 anos depois, os carros da Toyota possuem 8 milhões de linhas em linguagem de alto nível para controlar um automóvel. É um crescimento exponencial no tamanho dos programas de controle.

Quando imaginamos que quanto mais funções de controle tem em um sistema, mais estas novas funções dependem das demais, e vemos que o crescimento da complexidade de um código é proporcional ao quadrado do crescimento linear de seu tamanho. Isto mostra que o crescimento da complexidade destes sistemas ocorreu numa razão muito superior à da comparação direta entre seus tamanhos.

Debugar um sistema deste porte não é uma tarefa fácil.

Podemos dizer que boa parte das 8 milhões de linhas estão relacionadas com a apresentação de dados para o motorista, por exemplo. Entretanto, este conjunto introduz dados que, de alguma forma, afeta os programas de controle do veículo. É preciso um bom critério para eliminar mais de 96% do código do processo de análise para se afirmar categoricamente que o pouco restante não oferece problema.

A segunda comparação: o FAA estava envolvido no desenvolvimento de um sistema de mais de um milhão de linhas de código por mais de uma década, e neste tempo todo o código ainda não era considerado seguro de bugs para substituir o sistema antigo. Sistemas de alta segurança como este ou sistemas embarcados para uma nova aeronave podem demorar mais de 10 anos entre desenvolvimento, testes e homologações oficiais antes de serem liberados para uso.

Em contraste, um automóvel demanda um período de 2 a 3 anos de desenvolvimento. Seus sistemas embarcados não passam por homologações oficiais obrigatórias e nem suas tecnologias, incluindo seu código fonte, estão disponíveis para perícia em caso de acidente.

Por outro lado, o mercado de automóveis é bastante acirrado, e oferecer um automóvel com tecnologia atualizada a cada dia é uma obrigação imposta pelo mercado. O resultado é o crescimento explosivo dos softwares embarcados, muitas vezes refeitos total ou parcialmente, sem compromisso legais quanto à sua estabilidade e segurança e sem o mesmo tempo de amadurecimento dos sistemas aeronáuticos.

O potencial para bugs nestes sistemas automotivos é muito maior que nas aplicações aeronáuticas.

Aí entra a NASA.

Ela pega um código de 8 milhões de linhas que era completamente desconhecido de seus técnicos, e, em questão de meses ela isola apenas 3,5% do código para análise e consegue isentá-lo totalmente de falhas.
Compare este procedimento ao fato da FAA possuir um sistema com apenas 1 milhão de linhas, retrabalhado por ela durante 10 anos sem os resultados desejados de qualidade.
Evidentemente, a NASA fez um trabalho excepcionalmente rápido no sistema da Toyota.

Enquanto isso, ela não se arriscou a fazer atualizações nos computadores e pequenos programas que controlavam o ônibus espacial.

Pela capacidade dos computadores dos ônibus espaciais, os programas escritos nos anos 70 são muito menores do que o código de 280 mil linhas da Toyota que ela diz ter analisado em questão de meses com absoluta certeza de ausência de falha. Se debugar um programa deste porte e desta natureza fosse tão fácil e tão rápido, porque ela nunca se aventurou em atualizar computadores e programas dos ônibus espaciais nos últimos 20 anos?

É um total contra-senso de atitudes.

A NASA hoje está sob pressão.

O governo Obama sofre forte pressão orçamentária, refletindo dentro da NASA no fim prematuro do programa dos ônibus espaciais antes que um substituto estivesse disponível.

A NASA deve se voltar agora para a exploração robótica do espaço e do Sistema Solar, o que é mais barato e efetivo, deixando a exploração humana nas mãos da iniciativa privada.

Mais do que em qualquer época anterior, a NASA depende da iniciativa privada, e visivelmente ela não aplicou ao caso Toyota os mesmos critérios que adotou desde a época de projeto dos ônibus espaciais.

Ou ela esqueceu as lições que aprendeu a duras penas, ou preferiu uma resposta política ao caso, o que é uma pena, qualquer que seja a alternativa.

Embora o favorecimento à Toyota não seja totalmente descartável, a NASA mostrou que esquece as lições aprendidas.

Numa época de pouca engenharia e muitas tentativas, o programa espacial americano conseguiu executar os programas Mercury e Gemini sem qualquer fatalidade. Com a confiança exacerbada e o orgulho inflado aliados à pressão de chegar à Lua antes do final da década, fez a NASA baixar a guarda e tomar atalhos que levariam ao acidente que matou três astronautas da Apollo 1.

Este acidente criou um espírito de cuidado que manteve o fantasma dos acidentes afastado por 20 anos

Aí veio o acidente fatídico com o Challenger.

As investigações sobre o acidente com o Challenger mostraram que muita gente dentro e fora da NASA baixaram a guarda, considerando que vôos espaciais como pura rotina, enquanto preocupações com prazos e custos pressionavam todos os aspectos das missões.

O acidente com o Challenger poderia ter acontecido a qualquer instante, em qualquer missão anterior ou posterior. A NASA desaprendera as lições aprendidas com a Apollo 1.

De novo, o cuidado foi retomado e o fantasma dos acidentes se manteve afastado por 17 anos, quando ocorreu a fatalidade com o Columbia.

Novas investigações encontraram os mesmos erros e as mesmas motivações básicas presentes no acidente com o Challenger.

Cada nova geração de técnicos e dirigentes da NASA parecem não aprender com os erros e as lágrimas das gerações anteriores.

Esperemos que as lições aprendidas com os ônibus espaciais não virem peças de museu como será com estas naves majestosas.

Os ônibus espaciais falharam muito em suas promessas.

Nunca foram baratos, nunca foram fáceis de reparar e preparar para uma nova missão, nunca conseguiram se manter no espaço com pequeno intervalo entre missões, na única vez que transportaram uma pessoa comum, a professora Christa McAuliffe, houve também seu primeiro acidente fatal.

Ainda assim, eles se revelaram excelentes "burros de carga" confiáveis e até espaçosos e confortáveis. Seus acidentes nunca revelaram erros de concepção, mas de operação.

Nestas últimas três décadas em operação, não só eles ofereceram muitas lições como comprovaram outras aprendidas anteriormente.

Muitas dessas lições precisam ser aprendidas e mantidas por todos nós.

Num tempo em que os carros eliminam links mecânicos entre o acelerador e o motor, entre o volante e a caixa de direção e entre o pedal e as pinças de freio e colocam computadores em seus lugares, as lições dos ônibus espaciais são inestimáveis.

Se aviões e naves espaciais são responsáveis pelas vidas que transportam, e automóveis também o são.

Se os automóveis cada vez mais adotam tecnologias do setor aeroespacial, deveriam juntamente adotar seus procedimentos de segurança.

Muitos podem alegar que isso sairá muito caro e inibirá a inovação, mas nada é capaz de pagar por uma vida salva por sermos cuidadosos.

Aos ônibus espaciais, às suas tripulações e aos técnicos que os tornaram realidade, minhas reverências. Não só pelas belas realizações, mas por oferecer a possibilidade de sonhar.

E que venha o futuro!

AAD

• 49,35km
  Distância
 
• 1:38:17
   Tempo de movimentação
 
• 1.087m
  Elevação
 
• https://www.strava.com/activities/2254897973/heartrate - 257
  Esforço relativo épico

• 390W
  Estimativa de potência média
 
• 2.299kJ
  Saída de energia