Компьютеры, которые помогли человеку полететь в космос

Ян

12 апреля — одна из наиболее знаменательных дат современности. Именно в этот день в далеком 1961 году лётчик-испытатель Юрий Гагарин стал первым космонавтом в истории человечества. Тысячи лет эволюции технологий и научных знаний позволили людям наконец исполнить заветную мечту — стать на шаг ближе к звёздам. И компьютерные технологии сыграли в этом событии далеко не последнюю роль. 

Несомненно, 60 лет назад никто и представить себе не мог вычислительных возможностей современных компьютеров. А наши современники при упоминании техники тех времён представляют себе громадные вычислительные центры, полные многочисленных мигающих ламп, считывателей перфокарт и прочего оборудования, серьёзно уступающего обыкновенному смартфону. Но что именно за техника позволила нам сделать первые шаги в космическую эру?


Поехали! 

Выводу на орбиту первого искусственного спутника земли, запуску первого пилотируемого космического корабля и всем последующим пилотируемым запускам вплоть до современных кораблей «Союз» мы обязаны созданной в 1954 году межконтинентальной баллистической ракете Р-7 со всеми её последующими модификациями. Но без точных расчётов траектории полёта успешный запуск был бы попросту невозможен. И за эти расчеты отвечала первая в СССР серийно выпускавшаяся ЭВМ — «Стрела»

Разработана данная ЭВМ была в 1953 году, и за последующие три года было выпущено всего семь её экземпляров, призванных работать в ключевых отраслях «народного хозяйства» страны. В том числе и рассчитывать траектории первых баллистических ракет, искусственных спутников Земли, а так же первых пилотируемых полетов в космос.


«Стрела» относилась к ЭВМ первого поколения и обладала достаточно скромными характеристиками: 

  • Производительность: 2000 операций в секунду;
  • Оперативная память на электронно-лучевых трубках: 2048 слов (2 килобайта) по 43 двоичных разряда (бита) в каждом слове;
  • Для постоянной памяти использовались полупроводниковые диоды и накопители на магнитной ленте (до 100 000 43-разрядных слов). Ввод и вывод информации производился с помощью перфокарт, каждая из которых вмещала лишь 12 43-разрядных слов.

Этот монстр содержал в себе 6200 электровакуумных ламп, 60 000 полупроводниковых диодов, занимал площадь 300 квадратных метров и потреблял 150 кВт электроэнергии, половина которой шла на охлаждение. Но каким бы допотопным ни казался этот компьютер современному читателю, его мощности вполне хватило для того, чтоб точно рассчитать траекторию запуска, движение по околоземной орбите и возвращение корабля на землю — всё это происходило в автоматическом режиме, так как о возможностях человека ориентироваться в условиях космоса пока ещё никто ничего доподлинно не знал. Правда, у Гагарина на критический случай был код перевода системы схода с орбиты в ручной режим, но этого не потребовалось.

Забавным фактом является то, что расчеты для пилотируемого запуска производились ночью — считалось, что в ночное время суток будет проще заметить возможное появление шпионов в окрестностях вычислительного центра. 

Также в музее космодрома Байконур можно увидеть и другие образцы использовавшейся в те времена компьютерной техники. К примеру, за обработку телеметрической информации отвечала считавшаяся по тем временам «малой» ЭВМ первого поколения серии «Урал-1», производившаяся с 1957 по 1961 год. Всего было произведено 183 компьютера «Урал-1», что делает данную ЭВМ одной из самых массовых по тем временам.

Этот компьютер был значительно компактнее «Стрелы» и занимал «всего-лишь» 70-80 квадратных метров, используя для работы 1000 электровакуумных ламп. Однако и возможности тоже были значительно более скромными: 

  • Производительность: 100 операций в секунду;
  • Оперативная память: 2048 слов (байт) по 18 двоичных разрядов (бита) в каждом слове либо 1024 слова по 36 разрядов;
  • Постоянная память на магнитной ленте (40 000 36-разрядных слов).


Третьим значимым «космическим» компьютером, трудившимся над расчетом траекторий орбит искусственных спутников и пилотируемых кораблей была третья серийно выпускавшаяся в СССР ЭВМ — БЭСМ-2. Кстати, именно на этом компьютере были произведены расчёты траектории первой успешной межпланетной миссии, закончившейся 14 сентября 1959 года посадкой на поверхность спутника Земли космического аппарата Луна-2 с памятным вымпелом на борту. 

БЭСМ-2 могла похвастаться производительностью 20 000 операций в секунду, оперативной памятью на ферритных сердечниках объёмом  в 2048 39-разрядных слов (для этого потребовалось 200 000 сердечников).


Вычислительные мощности обеспечивали 4 000 электронных ламп и 5 000 полупроводниковых диодов. В период с 1958 по 1962 год было произведено 67 таких машин. 


Ручная работа

Однако отдадим должное основному и незаменимому инструменту инженеров начала «века космических скоростей и технического прогресса» — логарифмической линейке. Именно с её помощью производилась, проверялась и в спешном порядке корректировалась немалая часть сложнейших расчётов, прокладывавших человеку путь за пределы земного притяжения. 

«Комната была оборудована телефонной, телеграфной и другими видами связи. В основном работа шла по картам Советского Союза. Из техники там один глобус стоял», — таким запомнил Центр управления полетом (ЦУП) 12 апреля 1961 года генерал-майор, доктор технических наук, профессор Эдуард Алексеев.

И даже Сергей Павлович Королёв — человек, обеспечивший СССР лидерство в «космической гонке» — всем прочим инструментам предпочитал старую немецкую логарифмическую линейку Nestler 23R.

Её прозвали «палочкой волшебника» — и это более чем заслуженно, ведь на созданных под руководством и с прямым участием Королёва ракетах космонавты летают на орбиту до сих пор. И если кто-то подумает, что «просто в СССР было всё настолько технически отсталым, что приходилось дедовскими методами работать», то полезной будет и следующая информация: в то же самое время по другую сторону океана трудился над созданием американской космической программы другой гений ракетостроения — Вернер фон Браун. После Второй Мировой войны он привёз с собой в США две старые логарифмические линейки всё той же фирмы Nestler и до самой смерти предпочитал их любым другим портативным вычислительным устройствам. 



Они были вторыми

Вернера фон Брауна роднила с Королевым не только общая профессия и фирма-производитель излюбленного обоими инструмента для проведения расчётов. Ракетно-космическую гонку они начали с одного и того же аппарата — созданная Сергеем Павловичем первая советская баллистическая ракета Р-1 была точной копией V-2 (Фау-2) — печально знаменитого творения немецкого конструктора. 

Однако Вернеру фон Брауну его прошлое серьёзно помешало — американцы долгое время не доверяли создателю германского «оружия возмездия» и предпочитали держать его в стороне от своей космической программы. Но всё изменилось в 1957 году, когда с запуском первого искусственного спутника Земли стало очевидно — США в гонке космических технологий проигрывает. В итоге фон Браун в 1958 запустил на орбиту первый американский спутник, а уже в 1959 стартовала пилотируемая программа Mercury, результатом которой стали суборбитальные полеты в 1961 и первый американец на орбите Земли 20 февраля 1962 года. 

Но вернёмся к компьютерам — они трудились над космическими расчетами и в Соединенных Штатах. И тут главенствующую роль играла фирма IBM. Отправку первых американцев в околоземное пространство и на орбиту Земли обеспечивали математическими расчётами сразу четыре их машины. При чём три из них были новейшими компьютерами второго поколения — созданные в ноябре 1959 года транзисторные компьютеры IBM 7090

Стоимость одной такой машины составляла 2,9 млн долларов. Но и мощность была соответствующей: 100 000 операций в секунду. Оперативная память составляла 32 килобайта — 32 768 слов (каждое в 36 бит длиной). А вместо громоздких вакуумных ламп сердцем компьютера было более 50 000 германиевых транзисторов. 

Для постоянной памяти использовались системы хранения на магнитной ленте IBM 729. На одной бобине данного устройства при плотности в 200 символов на дюйм можно было сохранить до 4 миллионов шестибитных слов — 3 мегабайта информации, что по тем временам было внушительным объёмом. 

Два компьютера IBM 7090 были установлены в центре космических полётов им. Роберта Годдарда (Goddard Space Flight Center), штат Мэриленд — они были центральным мозгом всей системы, производя 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 с радаров). Также эти компьютеры занимались визуализацией всех данных на всех дисплеях в штаб-квартире на мысе Канаверал. 

Компьютеры были объединены между собой, с системой наземных радаров и с мысом Канаверал посредствам революционной по тем временам сети из 32 каналов с пропускной способностью 2,4 кбит/с. 

Третий IBM 7090 находился непосредственно на мысе Канаверал и занимался расчётами по предсказанию столкновений — отсюда было и его название IP 7090 (Impact Predictor). Однако при внештатных ситуациях данный компьютер мог помогать по сети двум своим собратьям. 

Четвёртым компьютером в этой системе был ламповый компьютер первого поколения — IBM 709 образца 1958 года. Он был размещён на Бермудах и также был подключён к сети, но играл роль дублирующего. Его штатной задачей был «обсчёт информации нормального орбитального полета и вычислением динамической траектории с момента запуска до момента выхода аппарата на орбиту». 

Несмотря на свою принадлежность к первому поколению компьютеров, IBM 700-й серии мог похвастаться вполне неплохой по тем временам производительностью в 42 000 операций в секунду, обладал тем же объёмом оперативной памяти, что и транзисторный IBM 7090, а также использовал те же консоли с магнитной лентой IBM 729 в качестве ПЗУ.

Особо стоит отметить, что именно на данном компьютере был впервые использован FORTRAN — созданный IBM первый язык программирования высокого уровня. 

Как видите, американцы лидировали в компьютерной отрасли уже тогда. И космическая программа США была обеспечена ультрасовременной по тем временам техникой. Но опередить СССР в далёком 1961 году это им не помогло — орбитальным первопроходцем стал Юрий Гагарин.

 

P.S.

Конечно, все «космические» компьютеры тех времён находились на Земле и не имели ни единого шанса на непосредственное участие в полёте — для этого они были слишком громоздкими, тяжелыми и прожорливыми в плане энергопотребления. Так что первый компьютер отправился в космос лишь в 1965 году на американском пилотируемом корабле серии Gemini. Но данная вычислительная машина, как и сам технологически революционный по тем временам космический аппарат, в состав которого она входила, заслуживают отдельного рассказа.






Канал iG в Telegram — t.me/iguides_ru
7

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Мы в соцсетях

Комментарии

+4471
Я был на Байконуре , своими глазами видел как поднимают Протон, мощь невообразимая ,
Земля под ногами ходуном .
Это был подарок тетки мне на день рождения.
Сейчас к стати возраждают программу Буран.
12 апреля 2018 в 21:30
#
Ян Леонович
+3326
«Буран» безбожно устарел по своей концепции. У него с одной стороны та же проблема, что и у списанных американских Шаттлов — громадный объём выводимой на орбиту бесполезной нагрузки (массивный планёр с пропорционально увеличенной габаритам площадью термозащиты). А с другой стороны для его вывода требовалось уничтожить громадный одноразовый ракету-носитель «Энергия», когда американцы тратили лишь топливный бак и два пороховых ускорителя — всё оборудование и маршевые ракетные двигатели были расположены на самом Шаттле.
Сейчас технологии позволяют создавать многоразовые ракеты — вот на что стоило бы ориентироваться. А не надеяться, что Space X — «это Маск пошутил просто». Союзами/Протонами, которым уже пол века и более, долго ещё пользоваться не получится. А «Федерация» — принципиально устаревший проект.
12 апреля 2018 в 21:49
#
+4471
Ну давайте по порядку.
Шаттл Буран и ракетоноситель Энергия это два разных самостоятельных изделия.
Про Энергию пока нет речи.
Разумеется тот Буран летавший 25 лет назад никому не нужен.
За основу хотят взять только планёр оснащённый ядерной энергоустановкой, а запуск планируется проводить со специального самолета или это будет новый облегчённый вариант энергии.
Там будет все новое, начиная с теплового экрана, который будет раза в 2 легче и устойчивее к нагреву, новая бортовая электроника и вроде как полный автопилот.
Что касается мнения о том что Буран и спейсшаттл это две одинаковые программы оно ошибочно, это две очень разные программы , разные во всем, объединяет их и Делает похожими только внешний вид и концепция запуска.
13 апреля 2018 в 08:30
#
Ян Леонович
+3326
Давайте по порядку...
Ракетоноситель «Энергия» создавался специально под «Буран». Именно под него от имеет боковое крепление полезной нагрузки. Иного применения этой ракете так и не нашли. В американском Шаттле ракетой был сам Шаттл — маршевые двигатели и приборы были на нем, и использовались многократно. В расход шёл лишь пристяжной бак с топливом. Почему в СССР не поступили так же, а сделали просто громадный орбитальный планёр — загадка.
Планёр, запускавшийся с самолёта — это скорее проект «Бор», закрытый ради начала работы над «Бураном». Сам «Бор» создавался под впечатлением от американской программы «Х». А точнее после «Х-20». К сожалению, повторюсь, забросили. И, к слову, создать «специальный самолёт», способный вытащить на себе челнок с пристяжным топливным баком — это тоже та ещё задача. Посложнее, чем ракету сделать. В теории планировалось использовать украинскую «Мрию», но этот самолёт — украинский.
Третье: «ядерная энергоустановка» — это такой летающий «чернобыль». Её тоже разрабатывали ещё в СССР. И на финальной стадии забросили, ибо по сути она собой представляет «бомбардировку Воронежа». И нет — для орбитальных полетов этот двигатель не подходит. Только для «крылатых ракет с неограниченной дальностью», так как по сути представляет собой реактивный двигатель, где поток атмосферного воздуха нагревается за счёт тепла от ядерного реактора. Отсюда и целый ряд ограничений:
1) летать может только в атмосфере.
2) даже при подаче тепла в двигатель через теплоноситель система неминуемо оставляет за собой шлейф радиоактивного воздуха. Что само по себе уже запрещено, так как является «атмосферным ядерным испытанием». Да и банально потравит твою же территорию, не считая того, что Земля как бы общая.
3) появляется громадная дополнительная нагрузка ради защиты оборудования и пилотов от радиации. Это громадный плюс к весу.
4) как бы ни защищали, а всё-равно оборудование и материалы под постоянной радиационной нагрузкой быстро «уйдут на покой». Ибо такой толщины свинца и бетона, как в реакторе АЭС, сделать на летающем аппарате попросту не получится.
5) если будет авария на собственной территории, будет беда.
13 апреля 2018 в 18:32
#
+4471
Насчёт многоразовых ракет.
Здесь все красиво только на вид.
За основу взяли посадку на двигателях из 60ых годов, ее делали для лунной программы , т.е для посадки в безатмосферной среде .
В РФ ещё в конце 2000 был такой проект, в 2010 даже был действующий прототип Возвратной ступени, принцип посадки был другой.
Так вот многоразовая возвратная ступень это очень невыгодное решение потому что восстановить до состояния рабочей ступень эту обойдётся по стоимости более чем 70% стоимости от новой.
Да, вы выигрываете 30% в деньгах, но те же 30%, а может и все 100% теряете в надежности.
К тому же снять спутник с орбиты с помощью этой возвратной ступени не получится.
Плюс ко всему прочему вам придётся тащить с собой лишнее топливо для этой или этих ступеней. Много мелочей которые складываются в один большой минус.
Все технологии SpaceX родом из 60-70х годов переданные им NASA , на безвозмездной основе и немного доработанные в процессе
Топливная пара керосин/кислород это нихрена не инновация), Фалькон Хэви по грузоподъемности очень далеко как до разработанных в прошлом веке: американского Saturn V (грузоподъемность до 140 т, использовалась для запусков пилотируемых кораблей Apollo на Луну) и советской "Энергию" (105 т; была предназначена для запуска многоразовых орбитальных кораблей "Буран").
Остаются только возвратные ступени, что есть очень сомнительная инновация)
По сути Америка растит частного подрядчика для NASA ., который пока держится из последних сил на госконтрактах, да и Тесла пока что убыточна.

Основа любой ракеты , самолета это энергоустановка, все остальное это мелочи жизни

13 апреля 2018 в 09:18
#
Ян Леонович
+3326
На счёт распространяемой сейчас в наших краях критики многоразовых ракет. Здесь всё красиво только на вид.
И, естественно, является по сути лишь оправданием технологического отставания.
Да — Falcon Heavy чуть пригревает Энергии в забрасываемой на орбиту массе. Но по сути эта ракета — просто связка из трёх ракет Falcon. А там спокойно можно пристегнуть ещё две таких же. Но сейчас они разрабатывают ещё одну ракету — много более мощную. По сути эти Фэлконы — в первую очередь тестовая программа, для отработки технологии. Кто ещё занимается тем же? Никто.
Далее про «до 70% стоимости» — это цифра, взятая с потолка. Целью программы является проводить новый запуск на той же ракете уже на следующий день после предыдущего. Просто перекрасив её и заправив топливом. Когда вам кто-то будет рассказывать про «после каждого полёта надо заново всё восстанавливать», просто спросите о том, надо ли после каждого полёта восстанавливать сверхзвуковой реактивный самолёт. Фокус с том, что давление в камерах двигателей Merlin вполне сравнимо с давлением в камере сгорания обычного турбореактивного двигателя, а работают они лишь несколько минут. Сама же ракета не разгоняется до космической скорости (для этого есть разгонный блок второй ступени) и не уходит в космос — а это значит, что и никаких перегрузок, связанных с входом в плотные слои атмосферы на высокой скорости данная ракета не испытывает. Просто придала разгонный импульс, отсоединилась, развернулась и пошла обратно, совершив мягкую посадку. Ничего себе при этом не разбив, как бывает при использовании парашюта. Даже шасси не сотрётся, в отличие от самолётов, так как посадка происходит без гашения скорости о бетонную посадочную полосу.

Повторюсь: это реально революционная технология. И никакие «в 60-х так на Луну садились» тут ни при чём — посадка осуществляется в условиях гравитации, в шесть раз превышающей лунную. И не отговорки надо выдумывать на тему «почему мы продолжим пользоваться ракетами полувековой давности разработки», а спешно наверстывать упущенное. При чём полвека — это про Протон с его токсичным гептилом в качестве топлива. Союзы летают на ракете 1954 года разработки.

Надо понимать, что в немалой степени тему "одноразовости" ракетоносителей взяли из изначального применения всех изначальных ракет — это были в первую очередь межконтинентальные баллистические средства "забросить врагу большую гранату". Конечно же никакого разговора про "вернуть ракету" при этом не шло. Маск же делает коммерческий продукт и считает при этом деньги, а не громоздит "оборонные стратегии" за счет налогоплательщиков.
13 апреля 2018 в 18:50
#
Ян Леонович
+3326
Кстати, цветное фото пульта управления БЭСМ-2 — как раз из музея на космодроме «Байконур». Там же к них и «Урал» выставлен. Правда, в урезанном виде.
А вот «Стрелу» живьём увидеть, наверное, уже нигде не получится. Хотя, на Байконуре её и не было — расчеты производились в Вычислительном центре №1 Министерства Обороны СССР.
12 апреля 2018 в 22:12
#
+1071
Клево! Спасибо за интересную статью))
13 апреля 2018 в 06:58
#
kardigan
+3665
Прости на Юра,но сейчас мы не первые..
13 апреля 2018 в 10:27
#