Понедельник, 20 Ноября 2017

Роль компьютера в первом полете Американцев в космос

Алан Шепард, проект Mercury

Пятьдесят лет назад Алан Шепард (Alan Shepard), первый американский астронавт, и только что сформированное национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (или просто NASA) достигли важной вехи для космической программы США: совершили первый (для Америки) управляемый полет в космос.

Алан Шепард - первый американский астронавт

Алан Шепард (Alan Shepard)

В данном достижении главную роль сыграли как человеческие усилия (Алан Шепард считается национальным героем Америки, наравне с нашим Гагариным), так и простая по сегодняшним меркам ракета Redstone, которая доставила астронавта в суборбитальное пространство.

Но был в этом проекте еще один компонент, заслуги которого в успешном выполнении миссии сложно отрицать: компьютер.

Начало космической гонки

Для понимания важности роли компьютеров в только что «оперившейся» космической программе, проведем небольшой экскурс в историю.

На дворе стоял 1961 год, между Америкой и Советским Союзом бушевала холодная война и как часть этой холодной войны, стартовала космическая гонка. СССР шокировал весь мир своими невероятными достижениями в области космоса – еще в 1957 году стране удалось запустить на орбиту первый искусственный спутник земли – «Спутник-1». До запуска спутника Америка считала, что она является лидером в ракетных технологиях и исследовании космоса. Когда Советы показали, что это совсем не так, а две попытки запуска Америкой собственного аппарата провалились, началась космическая гонка. Тот момент в истории назвали «спутниковым кризисом».

В 1958 году правительство США спешно сформировало два новых агентства: ARPA (Advanced Research Projects Agency — агентство по перспективным научно-исследовательским разработкам, теперь известное как DARPA), которое должно было заняться исследованием космоса как нового пространства для ведения войны и NASA, которое должно было заниматься исследованием «мирного космоса».

В 1958 году Америка ответила запуском собственного спутника Explorer 1, и уже тогда все понимали, что следующим шагом будет полет человека в космос.

Облака – больше не предел

Целью проекта Mercury, стартовавшего в 1959 году, был запуск человека в суборбитальное пространство. Изначально сотрудники NASA знали, что в процессе достижения цели придется использовать новейшие технологии. Была запланирована постройка сети радаров, которые в реальном времени отслеживали бы передвижение ракеты в воздухе.

Ракета Redstone-III, на момент старта проекта Mercury

Ракета Redstone-III, на момент старта проекта Mercury

 

Задачей такой радарной сети было бы не просто следить за полетом и надеяться, что все будет хорошо. Предполагалось, что система в автоматическом режиме будет просчитывать все полученные данные и заниматься вычислениями траектории полета и даже распознаванием на раннем этапе внештатных ситуаций.

Для работы над установкой NASA подрядила две компании – несуществующую уже Western Electric, которая до 1995 года была ответственна за производство всех телефонных аппаратов для AT&T и International Business Machines Corporation. То есть, IBM.

А вот и компьютеры

Задачей Western Electric и IBM была постройка глобальной сети следящих пунктов, которые стали бы «глазами» NASA. Глазами, которые пристально следили бы за ракетой от момента взлета до посадки, попутно давая полную информацию о процессе полета.

IBM 7090

IBM 7090

Сердцем системы стали три больших компьютера производства IBM, включая две машины на базе транзисторов (модель 7090), размером с большой стол и стоимостью в несколько миллионов долларов каждая. Если сравнивать 7090 и сегодняшние компьютеры в плане вычислительной мощи, то окажется, что смартфон, лежащий у вас в кармане, заметно производительнее тех машин. Однако даже такой производительности для тех задач, что предполагалось «считать» на компьютерах, вполне хватало.

Два компьютера IBM 7090 были установлены в центре космических полётов им. Годдарда (Goddard Space Flight Center), штат Мэриленд. Третий компьютер IBM 709, работавший на электронных лампах, был запасным и разместился на Бермудах. Затем все машины были объединены в скоростную (по тем временам) сеть, способную передавать данные со скоростью 2 400 бит в секунду (2,4 кбит/с, 0,3 КБ/с) и подключены к электронным картам полета и дисплеям, расположенным в центре космических полетов на мысе Канаверал, в штате Флорида.

Эта сеть, передававшая данные в режиме реального времени, была первой в своем роде. И компьютерное трио, занимавшееся расчетами, играло, как мы упомянули выше, не только роль наблюдателя. Вычислительная установка могла принять решение об отмене полета (если вдруг обнаружились неисправимые проблемы) и подтолкнуть центр управления полетом катапультировать капсулу с астронавтом, прервав выполнение миссии (и, тем самым, развеять все мечты Америки о превосходстве в космосе). Поэтому ошибки в вычислениях были весьма критичными и могли иметь очень далеко идущие последствия.

«Мы никогда не нервничали»

«Меня уже спрашивали по поводу того, нервничали ли мы в этот ответственный момент. И я уже отвечал, что мы никогда не нервничали» – говорит Арт Коэн (Art Cohen), бывший сотрудник IBM, работавший над тем проектом.

Коэн со своей командой от компании IBM, работавшей в центре космических полётов им. Годдарда, изображен на фотографии (четвертый слева), расположенной выше. Для него успех первого американского пилотируемого космического полета стал также большой победой компьютеров, часто не замечаемой на фоне заслуг астронавта, ракетостроителей и прочих сотрудников, благодаря которым миссия была выполнена успешно.

«Компьютер был молчаливым и скромным сотрудником, без которого полет бы не состоялся» – говорит Арт, – «и вообще, компьютеры – они часто остаются незамеченными и незаслуженно обделенными вниманием». И даже сегодня, когда компьютер (и, порой, не один) есть у каждого, эти слова имеют большой смысл. Очень большое количество задач сегодня решаются при помощи вычислительной техники, и при этом она всегда остается в тени.

Арт Коэн (четвертый слева) и его команда, IBM

Арт Коэн (четвертый слева) и его команда, IBM

 

Арт Коэн и его команда использовали компьютеры IBM второго поколения. Один из них, ламповый IBM 709, размещенный на Бермудских островах, и вовсе был родом из первого поколения – то есть, оснований для беспокойства было предостаточно. Вот как Коэн объясняет спокойствие команды – «С чьей-то точки зрения это может звучать пафосно, но у нас был очень большой опыт. Я думаю, на тот момент в нашей команде были лучшие люди. И это имеет значение. А так как ни один полет не был отменен по вине ошибки компьютера, нам есть чем гордиться».

Ламповый IBM 709

Выпуск машин IBM первого поколения, основанных на электронных лампах (например, того самого компьютера 709 Data Processing System), был налажен в августе 1958 года, покупателям он был доступен лишь до первой половины 1960 года, когда его заменили более мощными компьютерами, работающими на транзисторах.

Электронная лампа, на основе которой строились ранние компьютеры (телевизоры, радары, телефоны и прочая электроника), была довольно ненадежным и неэффективным компонентом. Также, относительно транзисторов, лампы были дорогими, громоздкими и потребляли большое количество энергии.

Электронные лампы, применяемые в логических схемах компьютеров IBM 700-й серии

Электронные лампы, применяемые в логических схемах компьютеров IBM 700-й серии

 

На фотографии: электронные лампы, применяемые в логических схемах компьютеров IBM 700-й серии.

Несмотря на свое несовершенство, ламповые компьютеры IBM 709 были модульными, то есть, как современные машины. У компьютера имелся центральный процессор (ядро машины), магнитная лента (помните бобинные магнитофоны?) выступала в качестве современного винчестера, системы считывания перфокарт были чем-то вроде современных приводов DVD и так далее. Правда, каждый модуль имел размеры, исчисляемые не считанными сантиметрами, как сегодня – каждое отдельное устройство могло выглядеть как огромный шкаф и потреблять невероятно большое количество электроэнергии даже по сравнению с самыми мощными сегодняшними рабочими станциями.

IBM 709

IBM 709

 

IBM 709 также использовал дополнительное оборудование вроде: считывателя перфокарт, принтеров, высокоскоростных приводов с катушками магнитной пленки и более медленных, но более вместительных магнитных барабанов.

Важно также понимать, что компьютеры того времени не могли похвастать наличием графического пользовательского интерфейса. Тогда просто не существовало таких операционных систем как Windows или iOS. Операторам таких компьютеров приходилось иметь дело с чистой математикой, напрямую оперировать с ячейками памяти, и обрабатывать данные при помощи различных математических функций.

Память была разделена на 36-разрядные двоичные блоки, машина была способна производить 42 000 операций сложения и вычитания или 5 000 операций умножения за одну секунду. Результаты вычислений размещались в памяти и были доступны приложениям для расчетов в области химии или физики, или, скажем, для программ, прогнозирующих погоду. Чем была важна 700-я серия компьютеров IBM, так это тем, что в ней начали применять язык программирования высокого уровня – Fortran, который значительно упростил написание программ.

Схема комплексной системы отслеживания ракеты

Схема комплексной системы отслеживания ракеты

 

Для проекта Mercury, 709 машина, размещенная на Бермудской станции дальнометрирования, занималась обсчетом «информации нормального орбитального полета и вычислением динамической траектории с момента запуска до момента выхода аппарата на орбиту». IBM 709 опиралась на данные, полученные с радара и телеметрических баз, и даже могла повлиять на решение об экстренном прекращении полета. Другими словами, IBM 709 была своего рода глазами ЦУПа на время взлета и входа в суборбитальное пространство.

Транзисторный IBM 7090

На момент миссии Mercury модель 7090 представляла собой компьютер будущего. В 7000-й серии устаревающие электронные лампы были заменены на новый электронный компонент – транзисторы. IBM 7090 показывала производительность в шесть раз превышающую таковую у модели IBM 709. Использование транзисторов в качестве основных полупроводниковых приборов, не только сделало компьютеры более эффективными, но и серьезно снизило их стоимость, а также позволило уменьшить габариты машин (нужно ли говорить, что без транзисторов мы вряд ли довольствовались бы сегодня смартфонами и планшетами).

Компьютерный зал NASA, IBM 7090, проект Mercury

Компьютерный зал NASA, IBM 7090, проект Mercury

Первый компьютер 7090 был собран компанией IBM в декабре 1959 года, всего через год после релиза IBM 709. Платформа стала очень популярной и широко применялась в бизнесе, в военных целях, использовалась в системе раннего предупреждения баллистических ракет военно-воздушных сил Америки, в электронной системе предварительного заказа авиабилетов компании «Американ эрлайнс» (SABRE), а также в проекте Mercury, в 1962 году.

Центр управления полетами, мыс Канаверал, Флорида

Центр управления полетами, мыс Канаверал, Флорида

 

Для проекта Mercury два компьютера модели 7090 играли жизненно важную роль. Размещенные в Годдарде, две 7090-е машины IBM были центральным мозгом всей операции, именно они производили основные расчеты по запуску, траектории и позиции ракеты, а также занимались предсказанием того места, где космический корабль окажется через определенное время (опираясь на телеметрические данные со всех радаров). Также эти компьютеры занимались визуализацией всех данных на всех дисплеях в штаб-квартире проекта Mercury на мысе Канаверал. Информация, поступала в Годдардские компьютеры через сеть, состоящую из тридцати двух каналов и называющуюся Каналом Передачи Данных (Data Communications Channel), именно эта сеть осуществляла связь между Годдардом, Бермудами и мысом Канаверал в режиме реального времени.

Был и третий компьютер модели 7090, расположенный в командном центре на мысе Канаверал – ему была отведена более специфичная задача предсказания столкновений, именно поэтому он был назван IP 7090 (Impact Predictor).

IP 7090 предстояло постоянно просчитывать траекторию запущенного корабля, а данные на скорости 1 Кбит/с отправлять в центр космических полетов им. Годдарда. По большей части, IP 7090 помогал в обработке «сырых» телеметрических данных двум машинам в Годдарде. Тем не менее, в случае возникновения внештатной ситуации, IP 7090 играл лишь вспомогательную роль, оставляя основные расчеты Годдардскому «дуэту».

Оставьте комментарий

*


© 2003 — 2017 OutZone

Создано в студии webdesire