Зачем нужен такой мощный компьютер (или компьютер вообще) для полета на Луну?

Предполагая, что это не вопрос тролля, и вы серьезно хотите узнать, для чего использовались компьютеры в космических полетах (до 1988 года), у НАСА есть для вас отличный ресурс:

Компьютеры в космическом полете (PDF, 494 Мб)

Из введения:

Компьютеры являются неотъемлемой частью всех современных космических кораблей. Сегодня они используются для наведения и навигационных функций, таких как сближение, повторный вход в атмосферу и корректировка среднего курса, а также для функций управления системой, форматирования данных и управления ориентацией. Однако «Меркурий», первый пилотируемый космический корабль, не имел компьютера. Пятнадцать лет беспилотных полетов на околоземную орбиту и в дальний космос проводились без бортовых компьютеров общего назначения. Однако теперь пилотируемый «Шаттл» и беспилотный космический корабль «Галилео» просто не могли функционировать без компьютеров. На самом деле у обоих много компьютеров, а не один. Этот переход позволил нынешним космическим кораблям стать более универсальными. Повышенная универсальность является результатом способности программного обеспечения изменять возможности компьютера, на котором оно установлено, и, как следствие, оборудование, которым он управляет. Поскольку миссии меняются и становятся более сложными, использование программного обеспечения для адаптации к изменениям становится намного дешевле и быстрее, чем замена оборудования.

... Наземные компьютерные системы НАСА отражали потребность в крупномасштабной обработке данных, аналогичной многим коммерческим приложениям, но в среде реального времени, что до недавнего времени обычно не требовалось для бизнес-вычислений.

По поводу бортовых ЭВМ для Аполлона:

Наличие компьютера в космическом корабле «Аполлон» было оправдано несколькими причинами. В начале программы были даны три: (а) чтобы избежать вражеских помех, (б) для подготовки к более поздним длительным (планетарным) пилотируемым полетам и (в) для предотвращения насыщения наземных станций в случае нескольких миссий в космосе. одновременно. Однако ни один из них не стал основным оправданием. Скорее, реальность физики, выраженная в 1,5-секундной задержке на пути сигнала от Земли до Луны и обратно, послужила мотивацией для компьютера в лунном посадочном аппарате. Учитывая ожидаемые опасные условия посадки, которые потребуют быстрого принятия решений и обратной связи, НАСА хотело меньше полагаться на наземные вычисления. Выбор позже в программе метода рандеву на лунной орбите вместо прямого полета на Луну, еще больше оправдал бортовой компьютер, поскольку выход на лунную орбиту должен был произойти на обратной стороне Луны, вне контакта с Землей. Эти соображения и единодушное мнение сотрудников Массачусетского технологического института о том, что автономия желательна, обеспечили компьютеру место в корабле «Аполлон».

Относительно компьютеров наземной поддержки для Apollo:

Без автоматических испытаний уверенность в ракетах не могла быть достигнута, поскольку они были слишком сложны для эффективных ручных процедур. В дополнение к методам проверки, характерным для ракеты-носителя, руководители запуска в залах стрельбы имели доступ к данным автоматизированных испытаний от оборудования для предполетных испытаний космического корабля, разработанного как Центром управления запуском, так и Центром пилотируемых космических аппаратов.

Контроллеры полета выполняют три основные задачи: выборка потока телеметрии, чтобы убедиться, что все идет хорошо, и сбор научных данных, выполнение навигационных расчетов и отправка команд.

Ваш космический корабль должен быть на несколько порядков больше, чем Сатурн-Аполлон.

1. Ни один пилот-человек не смог успешно выполнить рандеву без компьютера. Обратите внимание, что рандеву сближает два космических корабля по орбите, положению и скорости. Стыковка — это фактический физический контакт между двумя космическими кораблями. Последнее может и часто выполняется пилотом вручную, но каждая попытка выполнить рандеву без компьютера была неудачной :

   • Советы дважды пытались встретиться с Востоком, но потерпели неудачу. Восток 3 и 4 были созданы в 1962 году, а Восток 5 и 6 - в 1963 году. У Востока не было маневренных двигателей, чтобы скорректировать его орбиту, чтобы она соответствовала орбите его близнеца. Первоначальные расстояния разделения находились в диапазоне от 5 до 6,5 километров (от 3,1 до 4,0 миль) и постепенно увеличивались до тысяч километров (более тысячи миль) в ходе миссий.

   • Американский астронавт Джим МакДивитт попытался маневрировать на своем корабле «Джемини-4», чтобы встретить верхнюю ступень отработавшей ракеты-носителя «Титан II» 3 июня 1965 года. Хотя он смог установить визуальный контакт с целью, рандеву не удалось. Он находился на орбите позади цели и предполагал, что бросок к цели сведет их вместе. Орбитальная механика так не работает, и толчок к цели просто отдаляет их друг от друга.

   • Первое успешное сближение произошло 15 декабря 1965 года, когда Ширра маневрировал космическим кораблем «Джемини-6» в пределах 1 фута (30 см) от своего родственного корабля «Джемини-7».

     Ширра поручил компьютер Близнецов 6A ответственным за рандеву.

   • Первое рандеву со стыковкой было у Gemini 8 . «На расстоянии 55 морских миль (102 км) компьютеру дали автоматическое управление».

   • Первой беспилотной стыковкой был советский «Космос 186/188», и она была автоматизирована.

   • «Союз 2/3» имел автоматизированную систему сближения «Игла». Он попытался вручную пристыковаться и потерпел неудачу.

   • «Союз-4/5» также имел автоматизированную систему сближения «Игла». Он прошел успешно, и два космонавта обменялись кораблями.

   • В первые годы разработки «Аполлона» фон Браун и другие официальные лица продвигали «прямой» подход с одним космическим кораблем, совершающим весь полет, утверждая, что посадочный модуль, поднимающийся с лунной поверхности, не может когда-либо встретиться с космическим кораблем на лунной поверхности. орбита. Цитируя интервью с Робертом Гилрутом , первым директором MSC в Хьюстоне:

     ДеВоркин: При прямом спуске нужен был огромный ускоритель. При сближении на околоземной орбите вам нужны были две ракеты-носителя «Сатурн», чтобы встретиться на орбите. Для сближения на лунной орбите вам нужна была только одна ракета-носитель «Сатурн», но вы должны были иметь, поправьте меня, если я ошибаюсь, чрезвычайно точно настроенные способности для астрономической навигации , потому что рандеву на лунной орбите производилось на самом большом расстоянии, было ли критический путь . Сложнее всего победить.

     Гилрут: Но у него была бортовая навигация.

     ДеВоркин: Он уже был разработан? В какой степени компьютеры были готовы и доступны?

     Гилрут: Да, это правда, мы создали IBM. В этом нет сомнений. С Apollo мы перенесли компьютерную эру на десять лет вперед, потому что мы действительно использовали IBM и создали их для выполнения этой программы.

     ...

     ДеВоркин: Давайте вернемся и поговорим о вашем комментарии об IBM и о том, как НАСА сделало IBM тем, чем она является сегодня.

     Гилрут: Думаю, я бы сказал, что у них много талантов. Они бы добились успеха, несмотря ни на что, но мы помогли им, предоставив им такой сложный проект, как Аполлон, который требовал максимальной компьютерной разработки. Я не специалист по компьютерам, хотя у меня в этой работе были очень хорошие люди. Без этих компьютеров мы бы никогда не смогли решить все эти уравнения за такое короткое время, чтобы мы могли направить эти вещи на правильные орбиты.

   • Маневр Аполлона по перемещению / стыковке / извлечению (TDE) начался с космического корабля, уже совпадающего по положению и скорости. Максимальное расстояние между ними составляло всего 150 футов (50 м), так что это не рандеву. Однако это делалось вручную.

   • Транслунная инъекция Аполлона и трансземная инъекция не являются рандеву (никакого второго корабля). Кроме того, их параметры рассчитывались компьютерами в центре управления полетами, включая ручной прожиг Аполлона-13 .

   • В фильме «Аполлон-13» показаны некоторые ручные вычисления. Это был поворот двух систем координат космического корабля, поэтому углы подвеса можно было перенести с одного космического корабля на другой. Оси X указывают в противоположных направлениях, а оси Y/Z повернуты, потому что они не могут идеально выровнять углы крена двух космических кораблей при стыковке. Эти расчеты не имели ничего общего с расчетом траектории, тяги или любого другого маневра космического корабля. Тот факт, что вы видели группу парней, выполняющих расчеты с помощью логарифмических линеек, не означает, что каждый расчет космического корабля может быть выполнен таким образом.

   • «Союз» и «Спейс шаттл» использовали компьютеры для встречи с другими космическими кораблями.

2. Это исключает режимы сближения на лунной орбите (фактически используемые Аполлоном) и режимы сближения на околоземной орбите, оставляя только прямой режим. Для этого требуется космический корабль гораздо большего размера, потому что вы перевозите все (например, топливо, теплозащитный экран) на поверхность Луны и обратно.

3. Без точных расчетов в реальном времени, которые обеспечивает компьютер (на космическом корабле или на Земле), вам потребуется гораздо больше запасов топлива для корректировки курса.

Так что с практической точки зрения ответ «нет».

Связанные вопросы:

• Можно ли совершить космическое путешествие без компьютера?
• Смогли бы современные компьютерные технологии облегчить высадку на Луну?
• Расчеты, которые астронавты «Аполлона» обучали выполнять вручную, в случае потери компьютера наведения и/или передачи данных и связи с Землей?

Во-первых, наземная команда могла выполнять и фактически выполняла большую часть орбитальной навигации удаленно. В этом отчете упоминается тот факт, что бортовой компьютер был второстепенным для Аполлона-8, а основными были системы с земли. Космическому кораблю действительно нужно было сделать несколько вещей, в том числе внести некоторые коррективы в реальном времени во время посадки на основе фактической топографии, но коррекция курса, прожоги и тому подобное осуществлялись из Хьюстона. Было желание иметь достаточно мощный компьютер для подсчета чисел на борту на тот случай, если что-то случится, что ограничит связь с Землей.

Компьютеры всегда были частью запуска ракет. Во многих случаях они находились на земле, помогая направлять ракету по заданному пути. Знание того, сколько и в каком направлении нужно рулить, позволяет преодолевать различные ветры, слегка смещенные двигатели и другие мелкие проблемы, которые практически невозможно обнаружить с земли.

Но вы абсолютно правы, для этих расчетов не нужен особо мощный компьютер. В качестве доказательства представьте компьютер наведения Аполлона, который на самом деле не был таким уж мощным. Я думаю, общеизвестно, что нужно просто понять, куда пришли технологии, и если такой недорогой компьютер мог так много сделать в 1960-х, просто представьте, что мы можем сделать сегодня.

Одна вещь, которая может вас заинтересовать, и она была источником большей части этого, это статья , рассказывающая о возможностях компьютера управления Apollo.

«У меня очень наивное представление о космических путешествиях?» - Честно говоря, да. Вот отрывок из замечательной книги Дона Эйлса « Солнечные лучи и светило: мемуары Аполлона »:

Наведение будет обрабатываться каждые две секунды, неоднократно корректируя и уточняя траекторию на основе новых данных навигации. В уравнение наведения с каждым поворотом рукоятки входили положение и скорость LM, известные вместе как вектор состояния. Поступила команда наведения для автопилота и команда тяги для двигателя спуска. Между входом и выходом находилось уравнение, которое сравнивало текущее состояние космического корабля с целевыми условиями, которые задавались не только с точки зрения положения и скорости, но также с точки зрения ускорения, рывка (скорости изменения ускорения) и одного измерения щелчка. ... Если уравнение наведения сделает свою работу правильно, LM приземлится на лунную поверхность до того, как у него закончится топливо, правильной стороной вверх, в нужном месте, с постоянной настройкой дроссельной заслонки и двигаясь очень медленно на скорости. момент контакта.

И это только для маневра посадки на Луну, одного из десятков маневров, которые три компонента космического корабля «Аполлон» должны были выполнить с первого раза совершенно правильно, чтобы добраться до Луны и обратно.

Я не понимаю, зачем вообще понадобился компьютер, ни на земле, ни внутри космического корабля.

Как заметил Бен (PearsonArtPhoto), компьютеры всегда были частью запуска ракет . Ни в коем случае не опциональный. Компьютеры необходимы для предотвращения столкновений с обломками вокруг Земли , для автопилота космических кораблей и для мониторинга данных миссии (сенсоры, системы поддержки и т. д.), которые можно извлечь для улучшения будущих миссий.

Настоящая проблема кажется [...] совершенно не связанной с математикой или, по крайней мере, с математикой «в реальном времени».

Несмотря на множество других проблем, «настоящая задача» во время миссии в основном связана с вычислениями. Все остальное нужно выяснить до взлета. В противном случае единственная ошибка может стать фатальной. Во время миссии может произойти много исключительных событий, особенно в первые несколько минут — мы, люди, не можем предсказать их в реальном времени.

Я не понимаю, почему гораздо более мощный компьютер имеет какое-то значение.

Время цикла памяти для управляющего компьютера Apollo составляло 11,7 микросекунды. Сложение с одинарной точностью на языке ассемблера занимало два цикла памяти. Другие базовые инструкции требовали 1, 2 или 3 тактов памяти. Один цикл памяти занимал 24 такта тактовой частоты 2,048 МГц. (от Уве)

Несмотря на то, что они довольно медленные по сравнению с сегодняшними технологиями, ни один человек не может выполнять вычисления с такой скоростью. Этого было достаточно, чтобы отправиться на Луну. Но чем быстрее, тем дальше едешь, и по мере увеличения сложности корабля его перестает хватать. Мой первый телефон работал на частоте до 1,2 ГГц. Телефоны (особенно Android) в действительности не могут выполнять вычисления так же быстро, как технически может их процессор, поскольку они в основном работают на виртуальных машинах (JVM) и заняты выполнением многих задач, связанных с пользовательским интерфейсом.

Заключение

Несмотря на то, что телефоны не так впечатляют, как компьютер, который доставил нас на Луну, на самом деле это безумие , что мы носим в карманах маленькие компьютеры, которые намного более продвинуты, чем те, которые доставили нас на Луну! Это то, что мы называем технологическим прогрессом... и я считаю, что это увлекательно ^^

В качестве одного из примеров рассмотрим высадку на Луну. Если вы подумаете о транспортном средстве, находящемся на вершине ракеты, когда вектор тяги ракеты на мгновение проходит через центр масс системы, вы поймете, что оно неустойчиво: ничто не заставляет его хотеть указывать в какую-либо точку. конкретное направление. Но вам нужно, чтобы он был обращен в каком-то очень конкретном направлении, чтобы тяга ракеты была направлена ​​в нужном вам направлении, а вектор проходил через центр масс системы, поэтому на нее не воздействовал крутящий момент. И вам нужно, чтобы он следовал очень осторожной траектории вниз к поверхности, что означает, что направление тяги должно постоянно контролироваться, как и количество тяги: он должен достичь поверхности с оставшимся топливом, двигаться очень медленно и в нужном месте . .достаточно топлива, чтобы сделать это, потому что доставлять топливо на Луну очень дорого.

У астронавтов есть пара крошечных окон, из которых они могут видеть. В начальной фазе спуска эти окна обращены в сторону от поверхности: они вообще не могут видеть поверхность. Поскольку LEM находится под ускорением на всем пути вниз, «вниз» в LEM на самом деле не находится внизу, поэтому большую часть времени они не знают, какой путь находится вверху. Так что им придется делать все это с помощью инструментов.

Ну что им могут сказать приборы? Они могут знать, как ЛЭМ ориентирован в инерциальном пространстве. Они могут знать, насколько это выше того, что находится на поверхности под ними (то есть: не насколько оно выше места приземления, а насколько оно выше той горы, над которой они пролетают). На самом деле они не могут знать его положение по двум другим осям. Они могут знать вектор ускорения ЛЭМ в его собственной системе отсчета. И допустим, они знали и положение, и скорость в начале спуска.

Итак, что им нужно сделать, так это выяснить, где находится LEM и как быстро он движется. Для этого им необходимо:

• повернуть вектор ускорения, который они имеют в кадре LEM, на вектор ускорения в кадре платформы, что включает тригонометрию;
• поверните это дальше в соответствующие координаты для кадра Луны (которые зависят от их рассчитанного горизонтального положения);
• интегрировать горизонтальную составляющую, один раз, чтобы получить горизонтальную скорость, а затем еще раз, чтобы получить горизонтальное положение;
• интегрируйте вертикальную составляющую один раз, чтобы получить вертикальную скорость;
• интегрируйте его снова, чтобы получить вычисленное положение по вертикали, сравните это с показаниями радара и, я думаю, какой-нибудь карты местности, чтобы проверить все это имеет смысл;
• вычислить, где они находятся относительно того, где они должны быть;
• вычислить из всего этого нужный им вектор тяги, вращая все это обратно в кадр ЛЭМ.

И им нужно делать это каждую секунду или около того . О, и я упоминал, что, пока все это происходит, им нужно убедиться, что транспортное средство продолжает указывать в правильном направлении, что является его собственной ужасной вычислительной проблемой? И при этом им нужно следить за приборами, чтобы убедиться, что ничего плохого не происходит, принять решение об отмене и так далее и тому подобное.

Это настолько далеко за пределами возможностей человека, что это трудно описать. Это лишь одна из причин, по которой все ракеты используют компьютеры для наведения: проблему слишком сложно решить без них. Например, в V-2 использовался компьютер — это был аналоговый компьютер, но это был компьютер.

Интересно, что некоторые простые астродинамические задачи действительно можно решить без компьютера, просто ручкой и с помощью школьной алгебры.

Например, масса полезной нагрузки, которую запускает ракета, может быть рассчитана по уравнению ракеты. Предостережение в том, что мы не учитываем 1) сопротивление атмосферы и 2) непрямую траекторию ракеты.

Также можно легко рассчитать переход на орбиту, например, переход Хомана. Если космический корабль имеет начальную эллиптическую орбиту с перигеем p1 и апогеем a1, мы можем рассчитать, сколько топлива ему потребуется для перехода на новую орбиту с перигеем p2 и апогеем a2.

НО. Если мы хотим знать, как будет меняться скорость космического корабля со временем, в какой точке он будет находиться в данный момент - эту задачу нельзя решить аналитически. Мы сталкиваемся с уравнением Кеплера, которое требует итерационных вычислений, многих из них, чтобы достичь достаточной точности.

А уравнение Кеплера - это как раз самый похожий случай - для системы двух тел. На самом деле в полете к Луне мы имеем еще и гравитацию Луны и Солнца. В большинстве моментов полета мы можем свести задачу к двум телам, потому что Земля (или Луна) является доминирующим источником гравитации. Остальные тела можно учесть по теории возмущений (уже довольно сложные формулы и много вычислений). Но для некоторых моментов сближения с Луной даже это проблематично, т.к. гравитации Луны и Земли там сравнимы. Если я правильно помню, траекторию для этих моментов было почти невозможно рассчитать без компьютеров (источник - А.Рой "Орбитальное движение").

PS В открытом доступе учебника по астродинамике не нашел. Если кто может, дайте ссылку. :) Достаточно один раз туда заглянуть, чтобы убедиться, СКОЛЬКО там МАТЕМАТИКА. :)

Согласно этой статье, компьютер ступицы и наведения имел 36 КБ ПЗУ и 2 КБ ОЗУ.

https://history.nasa.gov/afj/compessay.html

В нем перечислены 30 различных «программ», которые он может запускать.

Программы, вероятно, измеряют такие вещи, как температура, давление, гироскопы и т. Д. В качестве входных данных. Затем программное обеспечение решает, как управлять двигателем, чтобы автомобиль оставался стабилизированным и целевым.

Если бы мне пришлось, я полагаю, я мог бы написать программное обеспечение, которое одновременно принимало бы 100 входов телеметрии, управляло бы примерно 20 двигателями/приводами и умещало бы это в 32k.

Подобное программное обеспечение, которое я написал в 1995 году, занимало 300 КБ ПЗУ и имело намного больше 2 КБ ОЗУ. Я помню, как спросил своего босса: «Какие функции вы хотите, чтобы я удалил?» Чтобы размер не превышал 300 тыс.

Для получения более подробной информации о том, как был спроектирован и построен компьютер наведения «Аполлон», и о людях, которые его сделали, взгляните на We Hack the Moon , веб-сайт, посвященный 50-летию лаборатории Массачусетского технологического института , которая руководила работой. Во время открытой для публики экспозиции музея в вестибюле с июня по октябрь 2019 года у них был макет LEM, который позволял вам попытаться приземлиться самостоятельно, что практически невозможно без надлежащей подготовки .