Tìm hiểu các phương trình cơ bản được sử dụng trong khoa học hàng không vũ trụ bằng ngôn ngữ lập trình Python. Trong các hướng dẫn Python này, chúng ta sẽ tính toán các biến cần thiết để phóng tàu vũ trụ vào quỹ đạo quanh Trái đất hoặc đến một hành tinh xa xôi, sau đó chúng ta sẽ xem cách Python có thể được sử dụng để theo dõi Trạm Vũ trụ Quốc tế [ISS]. Chúng tôi sẽ sử dụng Python để tính vận tốc thoát cho từng hành tinh và các dự án khoa học tên lửa thú vị khác
Web cạo các phần tử hai dòng hiện tại
Đối với hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách sử dụng Python để tìm kiếm trên web các bộ phần tử hai dòng mới nhất cho các tàu vũ trụ quay quanh khác nhau. Phần tử hai dòng là định dạng dữ liệu mã hóa danh sách các phần tử quỹ đạo của các vật thể quay quanh Trái đất trong bất kỳ thời điểm nào. TLE thường được sử dụng làm đầu vào để chiếu các quỹ đạo trong tương lai. Chúng tôi sẽ sử dụng Python để loại bỏ các TLE NORAD của chúng tôi khỏi www. lễ kỷ niệm. com. Như chúng ta sẽ tìm hiểu, việc tìm nạp dữ liệu từ web khá dễ dàng
Đối với hướng dẫn này, chúng tôi sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình Python cùng với các thư viện BeautifulSoup và Requests và trình phân tích cú pháp html5lib để quét web cho TLE hiện tại cho Trạm Vũ trụ Quốc tế. BeautifulSoup sẽ được sử dụng để lấy dữ liệu ra khỏi tệp HTML có chứa các phần tử hai dòng. Nó thực hiện điều này bằng cách xây dựng một cây từ các phần tử khác nhau trên trang web và giúp bạn dễ dàng truy cập các phần tử này. Thư viện yêu cầu giúp xử lý các yêu cầu HTML dễ dàng hơn và chúng tôi sử dụng trình phân tích cú pháp html5lib vì nó linh hoạt hơn khi xử lý HTML có định dạng kém
Đọc thêm >>Tên lửa đẩy bằng Python
Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tập trung vào các yếu tố cơ bản của các hệ thống đẩy tên lửa khác nhau và tìm hiểu cách chúng ta có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để tính toán các yếu tố này. Chúng tôi sẽ tập trung vào động cơ tên lửa Ariane 5, Atlas V và Saturn V. Trong phân tích của chúng tôi, chúng tôi sẽ xem xét cả động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng và tên lửa đẩy nhiên liệu rắn được sử dụng trong mỗi tên lửa được liệt kê ở trên
Chúng tôi sẽ bắt đầu với một cuộc thảo luận ngắn gọn về các yếu tố cơ bản của lực đẩy tên lửa và sau đó chúng tôi sẽ cố gắng tính toán các yếu tố này bằng Python. Để bắt đầu, lực đẩy tên lửa là một loại động cơ phản lực tạo ra lực đẩy bằng cách đẩy chất lỏng hoặc chất rắn được lưu trữ trong tên lửa, được gọi là động cơ đẩy
Đọc thêm >>So sánh tên lửa bằng Python
Trước khi bắt đầu lập trình, chúng tôi phải thu thập dữ liệu về từng tên lửa và vì mục đích này, chúng tôi sẽ sử dụng Wikipedia để thu thập thông tin cần thiết. Khi đo chiều cao và đường kính, chúng ta sẽ sử dụng hệ mét thay vì hệ thống đo lường Anh [1 ft = 0. 3048 mét]. Lực đẩy sẽ được đo bằng lbf [xin lưu ý rằng trong một số trường hợp, chúng tôi có thể cần chuyển đổi từ Newton [N] hoặc kilo Newton [kN] sang lbf [1. 0 N = 0. 2248089 lbf]. Cũng lưu ý rằng chúng tôi sẽ chỉ sử dụng lực đẩy của động cơ tên lửa giai đoạn đầu ở mực nước biển
Đọc thêm >>
Cách tính các phần tử quỹ đạo của tàu vũ trụ bằng Python
Trong hướng dẫn này, tôi sẽ giới thiệu cho bạn một số phương trình khoa học tên lửa cơ bản và sau đó chỉ cho bạn cách tính toán chúng bằng ngôn ngữ lập trình Python. Trong hướng dẫn này, tôi sẽ tập trung vào Trạm vũ trụ quốc tế để tính toán. Sau đó, kết quả tính toán của chúng tôi có thể được so sánh với kết quả do Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, NASA và các trang web của Heaven's Above cung cấp
Trạm vũ trụ quốc tế, hay ISS, là trạm vũ trụ quay quanh quỹ đạo lớn nhất từng được con người chế tạo. Nó là kết quả của những nỗ lực kết hợp của một số quốc gia, trong suốt nhiều năm để xây dựng. Ban đầu nó được phóng lên quỹ đạo vào ngày 20 tháng 11 năm 1998. Nó quay quanh Trái đất ở độ cao 370-460 km. Nó rộng khoảng 109 mét, dài 74 mét và cao 45 mét, với khối lượng khoảng 925.335 pound [419.725 kg]. ISS có thể tích có thể ở được khoảng 13.696 feet khối [388 mét khối], không bao gồm các phương tiện tham quan. Nó có độ nghiêng quỹ đạo là 51. 6° và vận tốc quỹ đạo là 7. 6-7. 7 km/s [khoảng 27 500 km/h]
Khi mọi người nghĩ đến khám phá không gian, họ có xu hướng nghĩ đến tên lửa bay vút lên bầu trời. Nhưng còn nhiều thứ khác đi vào các nhiệm vụ thành công chứ không chỉ là tàu vũ trụ
Những gì chúng ta có xu hướng bỏ lỡ là tất cả những người viết phần mềm giữ cho các vệ tinh quay quanh quỹ đạo và các tên lửa đi đúng hướng. Một số lượng lớn người sàng lọc dữ liệu từ các cảm biến vệ tinh hoặc mô phỏng các vụ phóng tên lửa trước khi chúng diễn ra. Họ cũng đang nghiên cứu khoa học tên lửa. Nhưng sẽ kém trực quan hơn khi nghĩ về chúng như vậy
Nhiều hình ảnh chúng ta thấy trên các phương tiện truyền thông cho thấy các nhóm chuyên gia đang tự chúc mừng họ hoặc những chiếc xe tự hành và tên lửa đang bay trong không gian. Chúng thỏa mãn trí tò mò của con người chúng ta và khát khao vĩnh cửu của chúng ta để vượt qua những biên giới mới và mở rộng tầm nhìn của chúng ta. Đồng thời, những loại truyện này giữ cho mọi thứ đủ đơn giản. Bất cứ ai cũng có thể đánh giá cao thực tế là loài người đã hạ cánh một số xe tự hành trên sao Hỏa. Mặt khác, cần có rất nhiều kiến thức chuyên môn để hiểu cách thức chiếc xe tự hành đó được chế tạo, bộ phận điều khiển nó và công nghệ nào giúp nó phù hợp với sự sống trên sao Hỏa.
Nhiều người muốn biết về không gian. Họ muốn biết nó trông như thế nào và nhân loại đang làm gì để khám phá nó. Nhưng nếu không có kiến thức chi tiết, thật khó để hiểu công nghệ vũ trụ thực sự hoạt động như thế nào
Đó là nơi mà một kỹ sư phần mềm giúp. Ngay cả khi bạn không biết quá nhiều về vật lý hoặc về vật liệu tên lửa, các lập trình viên có thể hiểu loại công nghệ phần mềm nào được sử dụng trong không gian và tại sao
Mặc dù NASA công khai rất nhiều mã của mình, nhưng thật khó để tìm thông tin chi tiết về các hoạt động hàng ngày của một kỹ sư phần mềm cho công nghệ vũ trụ. Tuy nhiên, một vài câu chuyện có sẵn từ các dự án của Elon Musk. Xem xét rằng làm việc tại SpaceX hoặc Starlink là ước mơ của nhiều kỹ sư, đây sẽ là trọng tâm của tôi ở đây
AI có đến với công việc của bạn không?
hướng tới khoa học dữ liệu. com
Starlink, nơi vệ tinh tính toán các tuyến đường riêng của họTrở lại năm 1945, khi nhà văn khoa học viễn tưởng Arthur C. Clarke lần đầu tiên đề xuất truyền hình vệ tinh, nó nghe như một giấc mơ viển vông. Dù phải mất 3 thập kỷ, công nghệ này cuối cùng cũng trở thành hiện thực. Ngày nay, nhiều người có máy thu vệ tinh trên mái nhà của họ và không nghĩ gì về nó. Ưu điểm chính của vệ tinh so với cáp là chúng có thể tiếp cận các vùng nông thôn, điều này sẽ không hiệu quả về chi phí với cáp rất dài
Tương tự như vậy, internet vệ tinh vẫn giống như một giấc mơ viển vông đối với nhiều người. Nhưng nhu cầu là có. Một phần tư người Mỹ ở nông thôn nghĩ rằng việc họ không truy cập được internet tốc độ cao là một vấn đề lớn. Truy cập internet không ổn định cũng là một vấn đề đối với các vật thể chuyển động như tàu hỏa, máy bay phản lực và tàu thủy. Bất cứ ai đã thử sử dụng WiFi khi đi du lịch đều có thể chứng thực điều đó
Tuy nhiên, những vấn đề này có thể được giải quyết sớm. Starlink, một công ty con của công ty tiên phong tên lửa tư nhân SpaceX, đang đặt nền móng cho khả năng truy cập internet rộng rãi hơn. Được công bố lần đầu tiên vào năm 2015, Internet Starlink đã có sẵn ở nhiều nơi tại Hoa Kỳ. S. hôm nay
Để đảm bảo rằng internet không quá chậm, các vệ tinh cần phải ở khá gần Trái đất. Do đó, chúng chỉ ở trên đầu trong vài phút mỗi lần. Vì vậy, các ăng-ten trên mặt đất mà chúng liên lạc cần phải thay đổi vệ tinh mà chúng liên lạc rất thường xuyên. Và mạng vệ tinh cần phải đủ dày đặc để cung cấp tín hiệu cho ăng-ten tại bất kỳ thời điểm nào
Mạng bao gồm hàng trăm vệ tinh; . Do đó, Andy Bohn, trưởng nhóm phần mềm Starlink nói rằng nhóm không có thời gian để đưa từng vệ tinh vào quỹ đạo được chỉ định của riêng mình. Thay vào đó, mọi vệ tinh Starlink tự điều hướng. Để quản lý các điều kiện giao thông đông đúc, mạng phía Trái đất cung cấp cho mỗi vệ tinh một vị trí và vệ tinh sẽ tự lái vào vị trí của nó
Quá trình này đòi hỏi một nỗ lực tính toán rất lớn. Đầu tiên, các vệ tinh không chỉ có nguy cơ va vào nhau. Chúng cũng có thể va chạm với máy bay và các vệ tinh khác ở quỹ đạo thấp. Các vệ tinh Starlink đã tham gia vào một nửa số vụ suýt va chạm trong không gian, trong đó hai vật thể tiến lại gần nhau hơn một km [0. 6 dặm] với nhau, vì vậy nguy cơ này là có thật
Vệ tinh cần xử lý nhiều dữ liệu. Hình ảnh của tác giả
Thứ hai, khả năng nhiễu góp phần vào các yêu cầu tính toán lớn. Khi tín hiệu của hai vệ tinh trùng nhau, chúng có thể làm biến dạng hoặc thậm chí triệt tiêu lẫn nhau. Tránh nhiễu yêu cầu đặt tín hiệu vào các dải tần hơi khác nhau. Nhưng điều này không hề dễ dàng như người ta tưởng và số lượng hữu hạn các dải tần có thể. Do đó, hai vệ tinh có băng tần quá giống nhau không thể đến quá gần nhau. Yêu cầu này làm phức tạp thêm việc điều hướng của vệ tinh
Bạn có thể thắc mắc tại sao vị trí của các vệ tinh cần được tính toán trên Trái đất mà không phải trực tiếp trên vệ tinh. Có điều, nếu có sự cố xảy ra bên trong vệ tinh, việc đến đó và sửa nó sẽ khó hơn nhiều. Ngoài ra, mọi thứ xảy ra ngoài vũ trụ thường xuyên hơn nhiều so với trên Trái đất. Vì bức xạ của mặt trời bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất mạnh hơn nhiều nên các bit có thể lật dễ dàng hơn. Bit, đơn vị mã hóa không hoặc một của tất cả các máy tính, có thể làm hỏng toàn bộ chương trình phần mềm khi chúng thay đổi giá trị của chúng. Để ngăn điều này làm rối quỹ đạo của vệ tinh, các máy khác nhau chia sẻ phần mềm và một bản sao chính xác của nó có thể được tải lại trong trường hợp bị hỏng
Phần mềm tại Starlink được viết bằng các ngôn ngữ lập trình nổi tiếng. Do độ tin cậy và khả năng lập trình kim loại trần, Starlink sử dụng C ++ cho hầu hết mã trong các vệ tinh của nó. Công ty cũng sử dụng Python cho một số nguyên mẫu vì nó thường nhanh hơn để xây dựng. Điều này phản ánh những gì các nhà phát triển sử dụng trong công nghệ xe tự hành
Internet vệ tinh là một dự án rất tham vọng và nó đi kèm với nhiều thách thức khó khăn. Starlink chắc chắn là người tiên phong trong lĩnh vực này, nhưng các công ty và cơ quan vũ trụ khác cũng nhanh chóng làm theo. Trong một hoặc hai thập kỷ nữa, nó có thể trở thành tiêu chuẩn như truyền hình vệ tinh ngày nay
Các nhà thiết kế sản phẩm đang đụng độ với các nhà phát triển và điều đó thật xấu xí
Tuy nhiên, có những giải pháp và thị trường đó đang phát triển
uxdesign. cc
SpaceX, hoặc cố gắng không thất bạiTham vọng tương tự là SpaceX, trong đó Starlink là một nhánh. Phóng tên lửa vào không gian vũ trụ, kết nối với ISS hoặc nhắm tới sao Hỏa đòi hỏi sự hoàn hảo gần như cả về kỹ thuật phần cứng và phần mềm. Các thử nghiệm có thể thất bại, tất nhiên. Nhưng trong nhiệm vụ cuối cùng, không có gì được phép xảy ra sai sót. Và nếu một bộ phận của hệ thống tên lửa không hoạt động bình thường, tất cả các bộ phận khác cần phải bù đắp cho sự cố đó
Tất cả phần mềm chuyến bay cho tên lửa SpaceX được xây dựng xung quanh các chu kỳ điều khiển. Đầu tiên, tất cả các đầu vào đều được đọc, chẳng hạn như dữ liệu từ cảm biến hoặc lệnh từ mặt đất. Sau đó, dữ liệu này được xử lý và những thứ quan trọng được tính toán, chẳng hạn như vị trí của tên lửa hoặc trạng thái của hệ thống hỗ trợ sự sống. Sau đó, chương trình sẽ chuyển sang chế độ ngủ trong một phần giây, để tiết kiệm năng lượng tính toán, sau đó toàn bộ chu trình sẽ bắt đầu lại
Các hệ thống con khác nhau điều khiển các bộ phận khác nhau của tên lửa. Để ngăn chặn những thảm họa lớn, những thứ này cần được cách ly với nhau. Ví dụ, nếu có sự cố xảy ra trong hệ thống hướng dẫn điều khiển máy bay, thì hệ thống hỗ trợ sự sống cũng không cần phải hoạt động. Nếu một điều gì đó không ổn, chương trình vẫn phải tiếp tục
Cách thiết lập này khác với cách hoạt động của nhiều công ty công nghệ khác. Lấy Google làm ví dụ. Họ ghi lại mọi thất bại, chọn ra những thất bại có vẻ quan trọng nhất và cố gắng rút ra bài học cho tương lai từ chúng. Nói cách khác, Google để xảy ra lỗi và cố gắng rút kinh nghiệm sau đó
Đối với Google, phương pháp này hoạt động hoàn toàn tốt. Nhưng máy tìm kiếm [và dịch giả, biên tập tài liệu, nhà cung cấp dịch vụ đám mây, v.v.] hoạt động hơi khác so với tên lửa. Nếu một quy trình trong Google không thành công, có thể một truy vấn tìm kiếm sẽ trả về những kết quả kỳ lạ. Tuy nhiên, nếu một tên lửa có người lái lái sai hướng, mạng sống của con người sẽ gặp nguy hiểm
Do tính chất rủi ro cao của các vấn đề mà nó giải quyết, SpaceX cố gắng hết sức để không bao giờ thất bại. Mặc dù các kỹ sư của công ty chấp nhận thất bại trong các cuộc thử nghiệm tên lửa, nhưng trong những trường hợp đó, họ gần như cố tình cho phép dự án thất bại để rút kinh nghiệm cho tương lai. Tuy nhiên, khi tên lửa bắt đầu thực hiện một nhiệm vụ thực tế, mọi thứ cần phải hoạt động. Điều đó có nghĩa là tên lửa phải còn nguyên vẹn ngay cả khi một phần của nó bị hỏng
Lỗi không bao giờ nên làm cho một sứ mệnh không gian thất bại. Hình ảnh của tác giảKiểm tra, Kiểm tra và Mã kiểm tra
Phần mềm tên lửa cần phải đáng tin cậy nhất có thể. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi các yêu cầu về chất lượng ở NASA và SpaceX rất cao, đặc biệt là so với các ứng dụng thương mại thông thường. Các hệ thống phức tạp được áp dụng để đảm bảo rằng không ai phá mã bằng cách hợp nhất thứ gì đó bị lỗi với nhánh chính. Điều đó đang được nói, không có công cụ nào của SpaceX liên quan đến thử nghiệm là chưa từng có ở những nơi khác trong phát triển phần mềm
Trước khi nhà phát triển có thể thực hiện yêu cầu kéo, họ cần đáp ứng một bộ tiêu chí phức tạp. Trước khi hợp nhất, mã được kiểm tra hai lần và được kiểm tra lại sau khi hợp nhất thực sự
Môi trường tích hợp liên tục của SpaceX chủ yếu dựa trên HTCondor và siêu dữ liệu của nó được quản lý bằng PostgreSQL. Ngoài ra, công ty sử dụng Python để chạy thử nghiệm phụ trợ, xây dựng dàn nhạc và dịch vụ web. Đối với giao diện người dùng của các dịch vụ web này, nó sử dụng Angular, JavaScript và một số TypeScript. Về mặt container hóa, SpaceX sử dụng Dockers, cùng với một chút Kubernetes
Do đó, việc lựa chọn các công cụ và ngôn ngữ rất giống với những gì bạn mong đợi ở một công ty trên mặt đất. Tuy nhiên, việc đáp ứng các yêu cầu về chất lượng và hợp nhất lại khắt khe hơn rất nhiều
Xây dựng phần mềm giúp chế tạo tên lửa và vệ tinhNgoài phần mềm được triển khai trong và xung quanh tên lửa và vệ tinh, các dự án du hành vũ trụ cũng xử lý phần mềm ứng dụng. Loại hình này giúp đưa tên lửa vào bệ phóng và chuẩn bị sẵn sàng để phóng và kéo theo các lĩnh vực như chuỗi cung ứng, sản xuất, tài chính, hàng tồn kho, v.v.
Theo xu hướng trong nhiều ngành, phần mềm ứng dụng của SpaceX đã chuyển từ kiến trúc nguyên khối sang vi dịch vụ, cụ thể là từ AngularJS, C# và MySQL sang Angular, PostgreSQL và containerization. Ưu điểm phần lớn giống như đối với tất cả các hệ thống khác trong SpaceX. Nếu một bộ phận bị hỏng hoặc chờ sửa chữa, sự chậm trễ đó không ảnh hưởng nhiều đến các bộ phận khác
Điều khiến bộ phận phần mềm ứng dụng của SpaceX khác biệt với các bộ phận tương đương ở các công ty khác là họ có bốn dự án rất khác nhau để hỗ trợ. Falcon, vận chuyển hàng hóa ra ngoài vũ trụ, Dragon, tập trung vào các chuyến bay vào vũ trụ của con người, Starship, sẽ tập trung vào vận chuyển liên hành tinh và Starlink, cho internet vệ tinh. Phạm vi dự án này khiến nó khác biệt ngay cả với NASA
Như trong các lĩnh vực khác, công nghệ vũ trụ sử dụng phần lớn các công cụ giống nhau và theo cùng xu hướng với các công cụ khác, nhưng phạm vi và sự đa dạng của các dự án cao hơn nhiều so với hầu hết các công ty trên mặt đất
Nói cách khác, nếu bạn là nhà phát triển phần mềm dày dạn kinh nghiệm và đang cân nhắc làm việc tại NASA, SpaceX hoặc Starlink, bạn sẽ không cần tìm hiểu về nhiều công cụ và khuôn khổ khác. Nhưng bạn nên chuẩn bị cho các nhiệm vụ đa dạng hơn, yêu cầu chất lượng cao hơn và một ngày làm việc căng thẳng hơn phía trước
Chúng ta có nên thổi phồng chuyến bay vào vũ trụ?
Hoàn toàn chính đáng khi hỏi tại sao chúng ta phải quan tâm đến việc khám phá không gian bên ngoài khi chúng ta thậm chí không thể giải quyết các vấn đề của mình trên Trái đất một cách đúng đắn. Giữa đại dịch đang diễn ra, sự bất bình đẳng về chủng tộc và xã hội, lũ lụt và cháy rừng, cộng với tất cả những vấn đề nhỏ hơn của cuộc sống, chúng ta có nên rời mắt khỏi bầu trời trong một phút không?
Không. Đúng là mỗi lần phóng tên lửa đều đốt cháy một lượng nhiên liệu khủng khiếp. Đúng là mọi nhà phát triển phần mềm làm việc trên các phi thuyền không phải là những người không làm việc trên một ứng dụng để đánh bại đại dịch hoặc trên một bộ xử lý thanh toán cho các cộng đồng kém may mắn. Đúng là mỗi đô la đầu tư vào không gian bên ngoài không được đầu tư vào nhà ở công bằng, giáo dục tốt hơn hoặc bảo tồn động vật hoang dã
Những vụ phóng tên lửa, công nhân và đô la quay trở lại theo những cách khác. Ví dụ, phần mềm mã nguồn mở của NASA có sẵn để giúp giảm thiểu lượng khí thải máy bay, tính toán kích thước và yêu cầu năng lượng của hệ thống năng lượng mặt trời hoặc để tối ưu hóa hiệu quả của tua-bin gió. Do đó, bằng cách viết mã cho không gian bên ngoài, một số nhà phát triển có thể đang góp phần làm cho các lĩnh vực khác trở nên xanh hơn
Ngoài ra, sự trỗi dậy của các công ty tư nhân trong không gian không nhất thiết là điều xấu. Nếu một nhóm nhỏ những người giàu có mất một phần tiền của họ bằng cách tự bắn mình lên mặt trăng và xa hơn nữa, thì cũng vậy thôi
Bằng cách phát triển các quy định thông minh, chúng tôi cần đảm bảo rằng những người này không xâm chiếm không gian và lặp lại lịch sử. Các quy định này tồn tại và đảm bảo rằng không một quốc gia nào gọi không gian là lãnh thổ của riêng họ, rằng mọi quốc gia đều được tự do khám phá nó, rằng không một thực thể nào được phép gây hại cho không gian hoặc môi trường, v.v. Miễn là chúng tôi đảm bảo rằng các quy tắc này được tôn trọng, chúng tôi không mạo hiểm với tương lai của những người kém giàu có hơn, chúng tôi không lãng phí tiền thuế, chúng tôi có thể gặt hái những lợi ích của mã nguồn mở và chúng tôi có thể thỏa mãn trí tò mò của con người. . Nghe có vẻ như win-win-win-win đối với tôi