Komputery na orbicie

Historia podboju kosmosu nierozerwalnie związana jest z rozwojem technik obliczeniowych i samych komputerów. Oczywiście, maszyny cyfrowe, które trafiają na orbitę, różnią się od znanych wszystkim pecetów, jednak najciekawsze jest to, że według ziemskich kryteriów są... mocno przestarzałe.


Historia podboju kosmosu nierozerwalnie związana jest z rozwojem technik obliczeniowych i samych komputerów. Oczywiście, maszyny cyfrowe, które trafiają na orbitę, różnią się od znanych wszystkim pecetów, jednak najciekawsze jest to, że według ziemskich kryteriów są... mocno przestarzałe.

Na pokładzie Gemini 2 znalazła się maszyna obliczeniowa o nazwie Gemini Guidance Computer. Był to pierwszy w historii komputer zamontowany na statku kosmicznym. <em>Źródło: Smithsonian National Air and Space Museum</em>

Na pokładzie Gemini 2 znalazła się maszyna obliczeniowa o nazwie Gemini Guidance Computer. Był to pierwszy w historii komputer zamontowany na statku kosmicznym. Źródło: Smithsonian National Air and Space Museum

Dwunastego kwietnia 1961 roku o godzinie 6.06 z wyrzutni LC1 kosmodromu Bajkonur wystartował Wostok 1 z Jurijem Gagarinem na pokładzie. Był to pierwszy w historii załogowy lot kosmiczny. Wraz z człowiekiem na okołoziemskiej orbicie znalazła się aparatura elektroniczna kontrolująca przebieg tego lotu. Cała podróż Jurija Gagarina odbyła się w trybie automatycznym, a wspomniany model samoczynnie działającego sterowania przetestowany został w serii pięciu statków Korabl-Sputnik, w których Rosjanie sprawdzali działanie poszczególnych podzespołów, przygotowując się do wystrzelenia człowieka w kosmos.

Równie prymitywną automatyką, podobną do zastosowanej w statkach z serii Wostok, dysponowały amerykańskie statki kosmiczne z serii Mercury - w tym Mercury 6, który 20 lutego 1962 roku wyniósł na orbitę pierwszego Amerykanina Johna H. Glenna. Co ciekawe, kapsuły Mercury można było całkowicie kontrolować sygnałami radiowymi z Ziemi na wypadek, gdyby coś niedobrego stało się z astronautą.

Zarówno Rosjanie, jak i Amerykanie zdawali sobie doskonalę sprawę z tego, że automatyka zastosowana w statkach Wostok i Mercury na niewiele się przyda podczas wyprawy człowieka na Księżyc i trzeba przygotować maszyny, które będą w kosmosie na bieżąco obliczać korektę trajektorii lotu. Tak narodziły się plany budowy pierwszych kosmicznych komputerów.

Komputer na pokładzie

Następcą amerykańskiego programu lotów Mercury był realizowany w latach 1963-1966 Gemini. Miał on doprowadzić do opracowania zaawansowanych technik lotu kosmicznego, potrzebnych do realizacji księżycowego programu Apollo. Założenia Gemini obejmowały m.in. manewry orbitalne. Konstruktorzy nowych statków wiedzieli zatem od początku, że na pokładzie orbiterów muszą się znaleźć komputery pokładowe. O ich przygotowanie poproszono firmę IBM, która skonstruowała Gemini Guidance Computer. Pierwsza maszyna z tej serii znalazła się w przestrzeni kosmicznej 19 stycznia 1965 roku, na pokładzie bezzałogowego statku Gemini 2. Suborbitalny lot miał wykazać, jak funkcjonują nowe podzespoły.

Moc obliczeniowa Gemini Guidance Computer była niewielka, maksymalnie ok. 7000 operacji na sekundę, ale już to pozwalało na swobodną zmianę orbity, po której poruszał się statek kosmiczny, i wykonywanie takich manewrów, jak dokowanie. Sam komputer ważył 26,6 kg, mierzył 48×37×32 cm i składał się z pięciu modułów, do których budowy wykorzystano tranzystory. Pamięć operacyjną oparto na rdzeniach ferrytowych, a masową stanowił 26-kilogramowy czytnik taśm magnetycznych. W trakcie realizacji programu Gemini opracowano też pierwsze programy komputerowe nie tylko do manewrowania pojazdem kosmicznym, ale również wyznaczania trajektorii lotu i nawigowania w przestrzeni pozaziemskiej.

Następcą Gemini Guidance Computer, skonstruowanym do lotów księżycowych, stał się Apollo Guidance Computer. Była to pierwsza maszyna obliczeniowa, w której wykorzystano układy scalone. Panel sterujący był wyjątkowo prosty i przypominał swoim wyglądem kalkulator. Cały komputer przed każdym startem bardzo dokładnie sprawdzano (na zdjęciu testy komputera AGC statku Apollo 17). <em>Źródło: NASA, Computer History Museum</em>

Następcą Gemini Guidance Computer, skonstruowanym do lotów księżycowych, stał się Apollo Guidance Computer. Była to pierwsza maszyna obliczeniowa, w której wykorzystano układy scalone. Panel sterujący był wyjątkowo prosty i przypominał swoim wyglądem kalkulator. Cały komputer przed każdym startem bardzo dokładnie sprawdzano (na zdjęciu testy komputera AGC statku Apollo 17). Źródło: NASA, Computer History Museum

Wspomniane wyżej maszyny były jednak za mało wydajne i zbyt energochłonne na potrzeby lotów księżycowych, dlatego na pokładach statków Apollo znalazły się znacznie mocniejsze Apollo Guidance Computer. Naukowcy ze słynnego amerykańskiego MIT (Massachusetts Institute of Technology) skonstruowali dwie ich wersje. Pierwsza montowana była w początkowej fazie programu Apollo, druga znalazła się na statkach lądujących na Księżycu. Co ciekawe, we wszystkich wyprawach księżycowych uczestniczyły zawsze dwie maszyny - jedna znajdowała się w orbiterze, druga w lądowniku. Apollo Guidance ważył 31,7 kg i był nieco większy (61×32×15 cm) niż komputer montowany na statkach Gemini. Pobierał ok. 70 W energii i zasilany był napięciem 28 V. Składał się z ponad 4 tysięcy obwodów i w odróżnieniu od poprzednika wyposażony był w obwody nadmiarowe, co miało zapobiec awariom systemu. Załoga komunikowała się z nim, wykorzystując konsolę przypominającą kalkulator. Apollo Guidance Computer mógł przeprowadzać 42 tysiące operacji na sekundę. Osiemnastobitowy procesor miał do dyspozycji sześć 12-bitowych rejestrów i 13-bitową szynę adresową. Same instrukcje były 5-bitowe, a do programowania komputera wykorzystywano język Fortran. Zainstalowana pamięć RAM miała 4 KB pojemności, a pamięć ROM z zaszytym w niej oprogramowaniem - 72 KB. Apollo Guidance Computer był również pierwszym komputerem w historii, w którym wykorzystano krzemowe układy scalone.

Jak widać, zarówno Gemini i Apollo Guidance Computer miały moc obliczeniową niewiele większą od dzisiejszych kalkulatorów. W latach sześćdziesiątych oczywiście budowano wydajniejsze maszyny, ale miały one jedną podstawową wadę - nie mieściły się na pokładzie niewielkiego statku kosmicznego, nie mówiąc o ogromnym zapotrzebowaniu na energię, której przecież nie da się dostarczyć na orbitę. Nie licząc promieniowania kosmicznego (patrz ramka), były to zawsze dwie największe przeszkody przy budowie kosmicznych cyfrowych maszyn. Notabene, m.in. właśnie one spowodowały przegranie przez Rosjan księżycowego wyścigu. Zresztą do dziś nie najlepiej im się udaje konstruowanie kosmicznych komputerów pokładowych. Wystarczy wspomnieć plagę awarii nękającą stację Mir, której komputer pokładowy działał prawidłowo w sumie przez niewiele godzin.

Promy kosmiczne w akcji

Następnym większym programem kosmicznym Amerykanów był Skylab, dotyczący budowy okołoziemskiej stacji orbitalnej. Na pokładzie stacji Skylab, wystrzelonej w kosmos 14 maja 1973 roku, znalazła się seryjnie produkowana maszyna typu mainframe, dostosowany do potrzeb kosmicznego lotu model TC-1 z serii IBM 360. Nieco różnił się od standardowych egzemplarzy, np. był nie 32-, ale 16-bitowy, co pozwalało uprościć cykl programowania i śledzenie kodu. Co ciekawe, TC-1 był najnowocześniejszym w historii lotów kosmicznych komputerem pokładowym - modele oparte na serii IBM 360 wykorzystywano wówczas zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi. Następna generacja kosmicznych komputerów zwykle była już mniej zaawansowana technologicznie niż najnowsze maszyny "ziemskie".