טכניקה מקובלת לשיפור אמינות בחלליות היא "יתירות" (redundancy), אולם יש לה מחיר כבד. נספר עליה באמצעות אנלוגיה, ונסביר כיצד החללית הישראלית "בראשית" תוכננה בקפידה, עם מעט שימוש בה. מצפים לניסיון השני. בהצלחה!

שלושה סטודנטים עובדים ביחד על משימת הגשה בקורס מתמטי. הם יכולים לחלק את העבודה, כך שכל אחד יבצע שליש. בכך, הם יחסכו הרבה זמן ואנרגיה. אולם, הם חוששים מטעויות. מה כדאי לעשות? הרעיון: כל אחד יפתור לבד. לאחר מכן, הם יעשו הצבעה ויגישו לפי הרוב. על ידי כך, גם אם אחד מהם טעה, והאחרים לא , התוצאה שיגישו תהייה נכונה.

פיסקה לחובבי מתמטיקה: נניח שהתשובות בינאריות (כן או לא) , הטעויות אקראיות (למשל: בלבול אקראי בחישובים), והסיכוי שסטודנט יטעה הוא p. מחישוב הסתברותי  ניתן לראות שההסתברות שיגישו עם טעות כוללת את ההסתברות ששלושתם או שניים מהם יטעו. ההסתברות ששלושתם יטעו היא p^3. בצורה דומה, ניתן לראות שההסתברות ששניים מהם יטעו אבל השלישי לא, היא p^2 כפול 1 פחות p. מכיוון שיש 3 אפשרויות לבחירת הסטודנט השלישי, מקבלים בסך הכל : 2^ p^3+3 (1-p)p. כלומר, אם למשל ההסתברות שסטודנט בודד יטעה היא 10%=p, ההסתברות ששלושתם יטעו היא רק 3%.

שיטה זו ,"הצבעת רוב" [1], אנלוגית לאחת מהשיטות הקלאסיות בהנדסה להקטנת הסיכוי לטעות במערכת ממוחשבת על ידי תוספת חמרה, מה שקרוי בפי המהנדסים "יתירות" [2] (redundancy) . המהנדסים משתמשים בשיטה זו בשלל תחומים כגון תכנון מטוסים, חלליות, מערכות בקרה במכוניות, תכנון דיסקים בחוות שרתים, תכנון מעבדים ועוד.

למשל, במטוסים קיימת מערכת מחשב מרכזית ששולטת על פעולתה. כדי להקטין את הסיכוי לתקלה, במטוסים מסוימים משתמשים בשלושה מחשבים זהים שעובדים במקביל על אותם נתונים, וכל אחד מבצע את החישוב הנדרש עצמאית. את היציאות של שלושת המחשבים מחברים לרכיב החלטה שעושה "הצבעת רוב" , ומוציא תוצאה סופית לפי מה שהרוב קבע. אם אחד המחשבים מתקלקל ומוציא תוצאה שגוייה, עדיין התוצאה הסופית תהייה תקינה. כדי להגביר את אמינות המערכת, מנסים להרחיק את המחשבים, כך שאם המטוס חווה פגיעה מקומית, עדיין יהיה סיכוי ששני מחשבים יפעלו כשורה. שיטות דומות משמשות גם תחומים אחרים בהנדסה, למשל טכנולוגיה למניעת שגיאות במערך דיסקים בחוות שרתים ( [3] RAID).

בהרבה מקרים, ניתן לזהות שיש תקלה ברכיב מסוים גם ללא הצבעת רוב. במקרים אילו, בונים בדרך כלל שתי מערכות: מערכת ראשית שעובדת במצב רגיל, ומערכת משנית שנכנסת לפעולה רק כאשר מגלים שהמערכת הראשית תקולה. באנלוגיה לסיפור שלנו: בדרך כלל רק סטודנט אחד פותר את כל התרגילים, אולם אם מזהים שהוא לא מתפקד היטב, הסטודנט השני מחליף אותו.

שיטה אחרת להתגברות על שגיאות היא על ידי בקשת עזרה. אם הסטודנטים חושדים שיש טעות, הם יכולים להחליט שבמקום להגיש תשובה מפוקפקת, כדאי לבקש עזרה מהמתרגל. גם בחלליות ובמטוסים, כאשר יש דיווח על תקלה אפשרית, והמערכת לא צריכה להגיב מיידית, ניתן פשוט לדווח ולבקש עזרה מהמפעילים (לטייסים במטוס או למרכז הבקרה במקרה של חלליות) כדי שיחקרו את מקור הבעיה ויציעו תיקון.

נמצא שיש מחיר כבד להוספת יתרות בחלליות: ייקור וסיבוך המערכות. [4] אכן, מאות מיליוני דולרים מושקעים בבניית כל חללית. המערכות , הכוללות שימוש רב ביתירות הן יקרות, כבדות, הרכיבים שלהם ייחודיים לחלליות ויקרים, והמתכננים מנסים להשתמש בחמרה כללית שנוסתה כבר בעבר, למרות מחירה הגבוה,  כדי להקטין סיכונים. כתוצאה מכך, רק ממשלות עשירות יכולות להשקיע בפיתוח חלליות, והתחום קופא על שמריו הרבה שנים, כמעט בלי חידושים.

אולם עמותת spaceIL הישראלית [5] חוללה מהפכה שמאתגרת את תחום פיתוח החלליות. במקום להשתמש ברכיבים ייעודיים לחלליות שהם מאוד יקרים, בשיטות ובמערכות הקיימות שאמורות לטפל בבעיות כלליות, המפתחים בנו חללית מבראשית שהיא שונה לגמרי, קלה וזולה מחלליות קיימות, אבל לעומת זאת, עם פחות יתירות. החללית תוכננה מראש לנסיעה במסלול מסוים לירח, ונמצא שישנו רק מספר מסוים של תרחישי שגיאה אפשריים וסבירים, ועל חלקם הגדול ניתן להתגבר באמצעות תקשורת עם צוות הקרקע.

לפיכך, נמצא שניתן להקטין בצורה משמעותית את השימוש ביתירות ולחסוך בעלויות.

באנלוגיה שלנו: במקום לתת לקבוצת סטודנטים ותיקים בעלי ניסיון רב לפתור את הבעיות, המהנדסים העבירו את משימת פתרון הבעיות לסטודנטית צעירה, בראשית שמה, שהיא אמנם טירונית אבל בעלת כושר למידה, שינון, ויכולת תקשורת טובה עם מהנדסים. בראשית ישבה הרבה זמן ספונה בחדרה, למדה את כל הפרוצדורות הנדרשות ביחד עם ידידיה המהנדסים. לבסוף, הדלת נפתחה, והסטודנטית הטרייה קיבלה בעיטה חזקה שהעיפה אותה לכיוון הירח. ממש מאתגר!

עקבנו בהשתאות במשך חודש, אחרי בראשית, וגילינו את התחכום של החללית שתופעלה בהצלחה רבה על ידי צוות מהנדסים מוכשרים. בראשית עברה כברת דרך עצומה לירח, במסלול שונה לגמרי מהמסלול המקובל, התגברה על בעיות שונות, ודילגה בין שני כוחות כבידה. כדי להתמודד עם האתגרים השונים, הסטודנטית בראשית לא עזבה לרגע את האוזניות שקשרו אותה לצוות המהנדסים המסור שעל הקרקע, צוות שסיפק לה את הפתרונות. לצערנו, בסעיף האחרון במבחן, היא קצת פישלה [6] אולי ההתרגשות מהמעמד הכריעה אותה ויצרה אצלה בעייה רפואית. אולם, המהנדסים בעמותה לומדים את הלקחים, ואנו מצפים לראות בקרוב סטודנטית חדשה שתרחף מעלינו.

בהזדמנות זאת, נרצה להביע את הערכתנו ולהודות ליואב לנדסמן שלנו, חבר צוות מדע גדול, בקטנה, על חלקו בפרויקט הנפלא שנקרא "בראשית", כמהנדס מערכת בכיר ב- SpaceIL וכסגן מנהל המשימה. גאים, מתרגשים ומאחלים הצלחה רבה לקראת "בראשית 2".

מקורות והרחבות:

[1] הצבעת רוב
[2] יתירות
[3] RAID
[4] FAULTS (from Nasa)
[5] SPACEIL
[6] גלובס- על ההתרסקות