Сегодня в избе-читальне - сказ о книге "Stages to Saturn". Описывающей нелёгкую историю проектирования и производства ракетных систем семейства «Сатурн». Походя затрагивающей также любимые погремушки отдельных самостоятельно мыслящих граждан: эффект Пого, «взрывы бомб» в двигателях при их проектировании и массу других интересных (не всем) вещей.
Ступень S-IC «Аполлона-11» в Космическом центре Кеннеди, февраль 1969
Исходный текст находится в статусе public domain, то есть является общественным достоянием - примечание для закономерных вопросов.
Автор эпохального труда - профессор истории Университета Хьюстона Роджер Бильштайн. Сам профессор любил тему авиации и космонавтики, вот такую книжку и написал. Которую я в свободное от досуга время старательно переводил. Как умел.
По мере готовности постарался всё вычитать и отредактировать. Мало того: когда переформатировал текст в форматы «для читалок», теги FB2 проверял ручками, так что, можно сказать, состоялась экспресс-вычитка на второй круг.
Но «я не Байрон, я другой», а потому самокритично стелю соломку: ни разу не высокий профи-штиль, но цельное и, надеюсь, корректное представление о материале даёт и позволяет ознакомиться с историей вопроса.
Да, орфографические и синтаксические «блохи» и странные грамматические обороты наверняка остались, ловко спрятавшись в недрах тундры среди ядер кедров. Но решил уже включить Забиваку: глаз всё равно замылен.
Выложил перевод с примечаниями к нему на Boosty, но доступ к посту полностью свободный (кто туда не зашёл - сам себе злобный дендромутант). Другое дело, что внезапно для себя установил: Boosty, по недоступной моему разумению причине, не отдаёт файлы без регистрации даже в открытых постах. Поэтому параллельно залил их на деградирующий гуглодиск, доступны к скачиванию по прямым линкам: FB2, EPUB, PDF и DOCX. Проверял в режиме инкогнито на трёх браузерах - вроде всё скачивается.
За тонкие намёки на монетизацию в предисловии тоже - пардон муа: непрошеный, но труд.
Локализованная обложка
Ну и чтобы пост не выглядел эдаким проходным анонсом с «заходите на мой канал», прикладываю к нему в режиме ДПВ программерско-тестировочный анекдот (или задокументированную производственную байку - тут кому что ближе) из главы книги, посвящённой внедрению автоматизации в программы испытаний ракетной техники.
Скажи «пожалуйста»...
...Настал момент истины для всего испытания – команда на запуск. После бесчисленных часов подготовки сотни сотрудников замерли в ожидании кульминационного момента – зажигания. В переполненном бункере все взоры были прикованы к рядам ЭВМ и экранам видеомониторов, отображавших последние фрагменты данных. И вот руководитель испытаний ввёл «запрос» на начало заключительного предпускового отсчёта перед приёмочным прожигом. ЭВМ зажужжала, а печатающее устройство выдало неожиданный ответ: «Скажи „пожалуйста“».
Опешив, руководитель испытаний решил, что допустил опечатку, и повторил свою первоначальную команду более тщательно. Но упрямая ЭВМ не желала отступать: «Скажи „пожалуйста“», – настаивала она. Люди в бункере начали проявлять признаки беспокойства, ведь заправленная ступень S-IVB, полностью готовая к прожигу, возвышалась на стенде, а тысячи галлонов жидкого кислорода и жидкого водорода в её баках были приведены в состояние взрывоопасной готовности. Обстановка становилась напряжённой.
Будучи почти уверенным, что проблема лишь в дефектной магнитной ленте с программой запуска, руководитель быстро решил предпринять ещё одну попытку вместо того, чтобы браковать её и терять драгоценное время на установку новой. И вот он снова ввёл в машину смиренный запрос на запуск, добавив в конце вежливую приписку: «Пожалуйста». И на этот раз всё прошло без проблем. «Это ваш программист, – отстучала машина в ответ, – желаю удачи!». И с громовым рёвом двигатели ступени запустились...
Если фраза «один маленький шаг для человека» стала символом американского космического триумфа для всего мира, то бортовой навигационный компьютер AGC стал символом этого триумфа для инженеров и программистов. Именно благодаря ему зародилась Кремниевая долина, определившая технологический облик конца XX и начала XXI века.
Производство электроники для Apollo стало первым массовым заказом интегральных схем в истории: в 63 году на нужды программы шло 60% всех выпускаемых микросхем. Этот заказ превратил Fairchild Semiconductor (будущего «родителя» Intel) из стартапа в крупнейшего производителя микроэлектроники своего времени, с большим отрывом обгоняя Texas Instruments.
Сначала интегральные схемы не казались привлекательной технологией: они были значительно дороже дискретных компонентов, а в их надёжности сомневались даже инженеры. Массовый государственный заказ сделал возможным приток инвестиций и снижение себестоимости. А успех Аполлона и безотказная работа электроники в суровых космических условиях стали лучшей рекламой. Без этого массовая микроэлектроника появилась бы в мире гораздо позже.
Так начиналась новая эпоха — не только в железе, но и в программировании. Термин software engineering вошел в обиход, именно благодаря Маргарет Гамильтон, руководившей разработкой ПО для AGC и стремившейся подчеркнуть, что программирование — это полноценная и самостоятельная инженерная дисциплина.
И это не считая того, что AGC содержал первую операционную систему реального времени с вытесняющей многозадачностью, а также программную виртуальную машину (прообраз современного микрокода) — для выполнения сложных математических операций. Вдобавок к этому — впервые использовался высокоуровневый компилятор (для алгебраических выражений).
Для управления столь сложной миссией потребовалось немало электроники — по меркам своего времени. Сложные вычислительные блоки были в каждом компоненте программы Аполлон: Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) — в ракете-носителе Saturn V, Apollo Guidance Computer (AGC) — в командном и лунном модулях, с разными программами для каждого. На случай аварийной ситуации в лунном модуле предусматривалась резервная система — Abort Guidance System (AGS), задачей которой было лишь одно: вернуть астронавтов домой.
Ну а теперь — обо всём по порядку.
Saturn V, или самая большая пороховая бочка в истории
Saturn V Instrument Unit
Всё управление этой трёхступенчатой махиной высотой с 36-этажный дом было сосредоточено в кольцевом отсеке третьей ступени — Instrument Unit. Мозгом ракеты служил Launch Vehicle Digital Computer (LVDC), связанный с другими системами через адаптер LVDA. Он координировал работу с:
инерциальными сенсорами ST-124 (IMU)
отдельным аналоговым Flight Control Computer (FCC) — управлявшим вектором тяги
радиокоммуникационной системой для приёма команд с Земли
пиропатронами, разделяющими ступени в нужный момент
Saturn IB/V Guidance, Navigation, and Control Architecture
Если LVDC был мозгом ракеты, то FCC — её вестибулярный аппарат. Полностью аналоговый, исключительно надёжный вычислитель, отвечавший за ориентацию ракеты и управление вектором тяги. Для отказоустойчивости он был реализован с тройной избыточностью: три параллельных канала выполняли одни и те же расчёты, а результат выбирался по принципу мажоритарного голосования — по совпадению двух из трёх сигналов.
Независимо от основного компьютера работала система аварийного спасения (Emergency Detection System, EDS). Её задача — мгновенно реагировать на критические отклонения ракеты и запуск системы спасения экипажа.
Launch Vehicle Digital Computer (LVDC)
Компьютер, управлявший всеми этапами полёта ракеты, представлял собой «бутерброд» из трёх блоков: логического, памяти и адаптера ввода-вывода (LVDA), соединённых в герметичном корпусе (у LVDA был собственный корпус). При всей своей важности по производительности он едва дотягивал до Arduino, а весил при этом 214 фунтов (97,1 кг) и потреблял 137 Вт.
LVDC Assembly
Блок логики выглядел как «серверная стойка» из 18 × 5 = 90 функциональных модулей (Page Assembly). Все модули делились на пять групп (каналов): 1, 2 и 3 — полностью идентичные для тройной избыточности, 4 и 5 — вспомогательная логика ввода-вывода и принятия решений (Disagreement Detectors, DD).
LVDC Logic Section
Каждый Page Assembly состоял из до 30 Unit Logic Devices (ULD) — небольших керамических модулей размером 7,6 × 8 мм, каждый из которых содержал один логический элемент (стандартную «ячейку», если угодно) на четырёх кремниевых кристаллах с прецизионными толстоплёночными резисторами. Всего применялся 51 тип таких элементов. Разработанные IBM специально для космоса, ULD отличались высокой надёжностью, точностью и возможностью модульной замены, в отличии от ранних интегральных схем.
Page Assembly
К сожалению, до нас дошла лишь часть документации по LVDC — в частности, почти нет сведений о том, как IBM производила ULD, только высокоуровневые отчёты. Поэтому энтузиасты занимаются реверс-инжинирингом логики LVDC.
Saturn V Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) Circuit Board
LVDC поддерживал до восьми модулей ферритовой памяти, каждый ёмкостью 4096 слов по 28 бит (26 бит данных + 2 бита чётности). Максимальная конфигурация давала 32 768 слов — примерно 96 КБ.
Каждый модуль весил около 5 фунтов (2,3 кг) и содержал стек из 14 плоскостей ферритовых колец размером 128 × 64 ячейки, вместе с вспомогтальеной логикой (для выбора нужной ячейки) и усилителей сигналов.
Модуль ферритовой памяти
Через каждое кольцо диаметром 0,8 мм вручную протягивались четыре провода: X, Y, Sense и Inhibit. Всего в одном модуле насчитывалось 114 688 колец.
Программы для LVDC до нас дошли тоже не все, точнее способ написания прогррамы для LVDC сильно отличался и поэтому у нас есть только набор отрывков для разных миссий. В отличие от AGC, где весь код был единым целым, в LVDC программы были модульными, с соглашением по какому адресу находятся «интерфейсы» того или иного модуля. Разработчик модуля мог никогда не видеть кода другого модуля и не представлять как он работал. Подчерк IBM — подход к проектированию ПО, повторяет модульный подход к проектированию железа.
Pings из космоса
Вся электронная часть кокпита лунного и командного модулей называлась: Primary Guidance, Navigation, and Control System (PGNCS), произносилась — пингс 🙃
Она включала:
коммуникационные VHF-транспондеры и приёмо-передатчики телеметрии
систему радаров
инерциальную навигационную систему (IMU): акселерометр и оптический звездный навигатор
управление двигателями и системой ориентации (RCS)
навигационную панель с необходимой информацией
клавиатуру и дисплей — Display and Keyboard (DSKY), произносилось —DIS-kee
В центре всего этого находился и управлял всем — Apollo Guidance Computer (AGC).
Apollo Primary Guidance, Navigation, and Control System (PGNCS)
Компьютером был цельнометаллический блок весом 32 кг, который крепился к плите с водяным охлаждением (обычная космическая практика) и «пользовательский интерфейс» — Display and Keyboard (DSKY), который представлял собой цифровую клавиатуру и электролюминесцентные 7-сегментные 5-разрядные индикаторы.
Apollo Guidance Computer (AGC) and Display and Keyboard (DSKY)
Астронавты вводили команды с помощью цифровых кодов в последовательности «глагол (verb) – существительное (noun)», например «отобразить скорость». Пятиразрядные дисплеи показывали значения трёх регистров — в десятичном формате со знаком ± или в восьмеричном без знака. Такой богатый интерфейс и астронавты должны были знать все команды, параметры и программы наизусть.
Внутренне AGC представлял собой два блока из заменяемых модулей. Первоначально сомневались в надёжности интегральных схем, поэтому требовалась заменяемость и ремонтопригодность — предполагалось, что астронавты смогут проводить замену прямо в космосе (например, из двух AGC собрать один 🙂). Впоследствии это требование из ТЗ убрали.
Верхний блок был блоком памяти: справа располагался 72КБ ROM, чёрные модули — 4КБ RAM, остальное — служебные драйверы памяти. Нижний блок содержал логику и интерфейс ввода-вывода.
Apollo Guidance Computer (AGC) internals
Для AGC потребовалось 4100 NOR-вентилей, 3 000 интегральных схем и 17 000 транзисторов. Это составляло 60% всех интегральных схем, произведённых в США в период с 1962 по 1967 год. При тактовой частоте 1 МГц (внешний источник — 2 МГц) его производительность достигала 14 245 операций с плавающей точкой в секунду (FLOPS), при энергопотреблении 55 Вт. Для сравнения, более тяжёлый и энергоёмкий LVDC (в 2,5-3 раза по весу и потреблению) выполнял 12 190 инструкций в секунду.
Отчасти это стало возможным благодаря миниатюризации интегральных схем, а отчасти — использованию неизменяемой памяти (ROM), которую прошивали вручную. Процесс занимал около восьми недель машинно-ручного труда. Для этого была создана специальная «швейная машина», которая считывала данные с перфоленты и точно позиционировала ферритовое кольцо. Затем вручную через каждое кольцо продевали 192 провода считывания (sense wires), кодируя единицу, или обходили кольцо — кодируя ноль. Эта обеспечивало самую высокую плотность хранения данных того времени.
ACG ROM ferrite core rope memory
Abort Guidance System (AGS)
Лунный модуль отличался от командного тем, что кроме основного AGC в нём был второй резервный компьютер — Abort Guidance System (AGS), предназначенный для аварийных ситуаций. Забавно, что изначально AGS называлась «Backup Guidance System» (резервная система навигации), но её аббревиатуру (BUGS) сочли слишком неудачной.
AGS был полностью независимым компьютером, напрямую связанным с инерциальной навигационной системой (IMU), двигателями и датчиками аварийной системы — Abort Sensor Assembly (ASA). А для взаимодействия с экипажем он имел собственный интерфейс ввода-вывода — Data Entry and Display Assembly (DEDA).
Разрабатывался он также независимо — в итоге каждая вычислительная система имела собственную архитектуру и проектировалась разными организациями:
Во время Apollo-10 AGS чуть не привёл к аварии при сближении с Луной — из-за ошибки в процедурах экипажа. В этой миссии посадка не планировалась, проводилось лишь тестирование полёта лунного модуля. На высоте около 100 м над поверхностью командир Том Стаффорд по ошибке переключил AGS в режим «наведение на CM» вместо «удержания ориентации», из-за чего система резко развернула LM в сторону командного модуля.
Понять скромные масштабы модулей, в которых жили астронавты, можно по тренажёру: здесь в центре виден DSKY, а правее его, рядом с джойстиком — DEDA.
Lunar Module Cockpit
Наследие
Хотя эпоха «Аполлонов» давно осталась в прошлом, но её наследие сегодня выливается во множество хобби и образовательных проектов.
Восстановление оригинального AGC
Apollo Guidance Computer Restoration (43 videos)
Marc Verdiell: Restoring the Apollo Guidance Computer
Virtual AGC
С 2003 года энтузиасты собирают и оцифровывают документацию, схемы и исходный код для компьютеров «Аполлона». Благодаря этому сегодня можно запустить в эмуляторе оригинальные программы миссий — от Apollo 7 до Apollo 17. Для AGC есть даже verilog модель всей логики (привет FPGA версии). Это используют для обучения будущих инженеров, интеграции в игры и 3D-симуляции и просто экспериментов. Исходники и вся документация на GitHub проекта. И конечно вселенная не может существовать без версии на Rust 🙂
DSKY реплики
DIY-сообщество создало множество проектов по воссозданию DSKY — в первую очередь потому, что их можно подключить к Virtual AGC и по-настоящему «полетать» на «Аполлоне»:
В Steam есть симулятор Apollo 11 в VR, позволяющий пережить миссию от старта до посадки на Луну. А что будет если к ней подключить Virtual AGC и реалистичную физику?
В интернете очень часто можно найти истово верующих из секты "американцы не были на Луне". Одним из аргументов, которым они подпирают косые стены своего молельного дома является "а что же американцы не восстановили производство ракеты Сатурн-5, а влили огромные деньги в конторы Маска и Безоса для создания НОВЫХ ракет? Если не могут воссоздать Сатурн-5 сейчас, значит его вообще не было!"
Железная логика. Правда, когда спрашиваешь - зачем тогда разрабатывали в РФ ракету "Ангара", если была такая замечательная ракета "Энергия", то в ответ слышишь только привычные жалобы на "проклятые девяностые". В этом есть доля правды, но далеко не вся.
коллаж из общедоступных изображений в интернете
Для многих из участвующих в подобных дискуссиях является открытием, что одних чертежей, даже при условии их 100% сохранности, не хватит для запуска производства. Нужна ещё, как минимум, технологическая документация или ТД. Потому что именно по технологической документации осуществляется производство готовых изделий, а вот здесь-то и скрыта одна из основных проблем для восстановления производства.
Дело в том, что ТД не разрабатывается конструкторами ракеты, всю эту крайне важную работу выполняют работники подрядчиков и субподрядчиков - предприятий, непосредственно занимающихся созданием узлов, агрегатов и модулей из которых впоследствии собирается ракета. Таких подрядчиков и субподрядчиков может быть несколько тысяч, разбросанных по всей стране, в самых разных отраслях промышленности.
И вся ТД хранится именно у них - у непосредственных изготовителей. Даже подрядчик, ответственный за изготовление крупного агрегата в сборе, не собирает ТД у своих субподрядчиков. Хот бы по тому, что ТД создаётся под конкретные условия конкретного предприятия и эти условия "просто так" не воспроизвести на другом. Можно, конечно, но бюджет вырастет, а кому это надо?
И вот возникает такая ситуация - прошло много лет и появилось желание восстановить производство чего-либо важного. Да той же раеты Сатурн-5 или Энергии. Чертежи есть, стали собирать информацию по "старым" подрядчикам и вот тут ...
Кто-то еще существует и ТД хранится до сих пор, а вот вместо этого подрядчика сейчас торговый центр или жилой квартал. Где ТД? Да мы эту макулатуру всю уничтожили при сносе. Это в том случае, если вообще удаётся хоть какие-то "концы" найти.
А ведь надо пройтись по ВСЕЙ технологической цепочки - вплоть до поставщиков сырья и полуфабрикатов, где возжелавших "восстановления" то же ждут удивительные открытия.
Вот и получается, что смысла восстанавливать никакого нет - дешевле, быстрее и, самое главное - с гарантированным результатом - создать новое.
Ту же "Ангару" или "Фалкон".
Дополнение: Хорошая статья на портале Хабр. Цитата " Для «Сатурна-5» не было запланированного использования после «Аполлона». Многое не документировалось должным образом, оставаясь в личных записях инженеров. Сегодня эти кусочки бумаги гниют в чьём-нибудь подвале. Люди знают, где были те или иные документы, помнят важные мелочи, которые нигде не записаны. Ещё нужны операторы, которые будут управлять полётом ракеты. Если сегодня захочется запустить «Сатурн-5», то их нужно будет обучить заново.
Сама постановка вопроса «как были утеряны технологии» неправильна. Мы не живём в каких-то Тёмных веках. Мы не достигли некую эпоху невежества, в которую мы внезапно забыли принципы работы ракетных двигателей. Знания остались, их стало больше. Есть и способность делать ракеты. Почему бы сегодня не построить «Сатурн-5», если он такой мощный?
Почему для разработки новой модели автомобиля или самолёта нужно несколько лет? Все технологии их постройки уже известны. От друг друга они отличаются лишь незначительными улучшениями, пусть иногда и есть полностью новые разработки. Даже модификации уже существующей базовой модели занимают значительные промежутки времени. Так происходит, потому что это — очень сложные устройства с множеством деталей, которые производятся несколькими различными компаниями.
Ракета-носитель для высадки хрупкого человека на другое небесное тело требует ещё большей точности отдельных деталей. Её допуски, допустимые различия размеров, меньше, чем для какого-нибудь автомобиля. Поэтому при создании и постройке такого устройства тысячи часов тратятся на испытания и доработки. Нужна сложная техническая экспертиза. В её результате команда разработчиков приобретает уникальный опыт, которого нет ни у кого другого в мире. Опыт работы над «Сатурном-5» должен быть у любого, кто хочет повторить «Сатурн-5». Но людей нет.
Управление работой ракеты отражено в технической документации, которая является результатом моделирования и испытаний. Допустим, документация откуда-то появится. Ракета «Сатурн-5» состоит из более 3 миллионов деталей. Сам корабль «Аполлон» и лунный модуль добавляют ещё несколько миллионов. Сборка и управление подобными аппаратами — сложные процессы, масштаб запутанности которых едва поддаётся человеческому сознанию. Любые изменения в конструкции тоже потребуют изменений и переписывания этой бумаги с инструкциями.
А изменения потребуются. По окончании программы «Аполлон» заводы, которые выпускали детали для ракет, либо были закрыты, либо начали выпускать что-то ещё. Сборочные линии были разобраны, шаблоны и формы были уничтожены за ненадобностью. Инженеры, рабочие-механики, учёные и операторы управления полётом занялись другой работой. Со временем устарели материалы, некоторые из них уже не производят.
Устаревшие материалы можно заменить. (Или можно воссоздать половину промышленности США образца начала шестидесятых.) Замена материалов поменяет массу, напряжения, давления и взаимодействия между деталями. Изменятся неисправности и возможности летательного аппарата. Можно провести техническую экспертизу. Несколько лет уйдёт на повторное проведение испытаний и моделирование. Можно сформировать новые методики действий и операции по управлению, написать новую документацию. Можно обучить людей. Но всё это означает фактическое создание ракеты с нуля.
Saturn V — американская сверхтяжёлая ракета-носитель, разработанная NASA в рамках программы Apollo для исследования Луны человеком . Ракета была рассчитана на пилотируемых людей , имела три ступени и работала на жидком топливе .
В современное время есть как скептики полетов американцев на Луну, так и сторонники того, что они там несомненно были. Конечно, есть всевозможные сомнения в реальности прибывания человека на естественном спутнике Земли. Тем не менее, все они легко опровергаются простым объяснением самого принципа полета на Луну. Но, есть еще одна загвоздка, которая для скептиков полетов человека на Луну - является наиболее видимым признаком фарса со стороны официальных властей США и агентства НАСА. И к этой загвоздке относится то, что ракета Сатурн-5 бесследно исчезла (как утверждают сами скептики, а ракеты, которые стоят как музейные экспонаты - считают просто, мягко говоря, декорацией, ширмой, для прикрытия обмана.
Напомним, что ракета Сатурн-5 является самой мощной ракетой, когда-либо созданной людьми. Она позволяла вывести командный модуль и спускаемый модуль на околоземную орбиту, а затем разогнать их и отправить к Луне. Сомневаться в существовании ракеты - бессмысленно, конечно же она существовала. Но сторонники заговора считают, что она выводила на орбиту муляжи Апполонов. Тем не менее, при разработке ракеты создаются ее чертежи и затем только, создаются стендовые модели и проводятся их испытание. Но сторонники лунного заговора считают, что чертежи утеряны, а значит ракеты не было. Сейчас попробуем кратко объяснить куда исчезли чертежи этой ракеты.
Самое главное, ни сама ракета, ни ее чертежи никуда не исчезли. Миф о том, что все чертежи утеряны - пошел после опубликования книги американским автором Джоном Льюисом "Mining the Sky" в 1996 году. При написании книги, он обратился предоставить ему чертежи в компанию RocketDyne, которая занималась разработкой двигателей для ракеты. Конечно же, чертежи ему не показали, объяснив, что это коммерческая и государственная тайна. Автор же посчитал, что чертежи утеряны раз уж ему их не показывают. Вот таким образом, через данную книгу сторонники лунного заговора подхватили и считают, что чертежи точно утеряны и их больше нет, а раз нет чертежей, то и не было реальной ракеты, а те, которые существуют в музеях - не смогут улететь в космос. Хотя на самом деле, чертежи существуют, как минимум в трех местах: полные чертежи хранятся на микрофильмах в космическом центре в Маршалла в Алабаме. Бумажные чертежи хранятся в федеральном архиве в Ист-Поинте в штате Джорджия и еще, чертежи двигателей хранятся в компании RocketDyne, которая разрабатывала двигатели.
Вот так, теперь, думаю, становится понятным, где находятся чертежи самой мощной ракеты Сатурн-5.
Если Вам понравилась статья - поставьте лайк. Много наших материалов вы найдете на нашем сайте. Будем рады, если вы его посетите. Ваша подписка очень важна нам: Пикабу, канал в Телеграмм, сообщество в ВК, YouTube, а также сообщество в Пикабу "Все о космосе". Всё это помогает развитию нашего проекта "Журнал Фактов".
Если Вам понравилась статья - поставьте лайк. Будем рады вашей подписке на нашу страницу в Пикабу и сообщество в ВК, а также сообщество в Пикабу "Все о космосе".
