الجزء 2الجزء 3تم التقاط بعض الصور من موقع
Hack The Moon على الويب.
تم تقديم هذه المقالة في المؤتمر السنوي السابع والعشرين للملاحة والملاحة للجمعية الأمريكية للملاحة الفضائية (AAS) في بريكنريدج ، كولورادو ، 6 فبراير 2004. يحتوي الإصدار الذي تقدمه على إيضاحات وتعليقات وتصحيحات ثانوية إضافية.
الملخص: هبطت مهمة Apollo 11 بنجاح على سطح القمر ، على الرغم من مشكلتي الكمبيوتر التي أثرت على وحدة القمر أثناء الهبوط الذي تم التحكم فيه. استغرقت مشكلة لم يتم حلها في واجهة رادار القرب حوالي 13 ٪ من وقت دورة الكمبيوتر على متن الطائرة ، مما أدى إلى خمس أعطال وإعادة تشغيل البرنامج. سبب المشكلة الأقل شهرة هو البيانات الخاطئة ، والتي أدت إلى تقلبات في محرك الهبوط وحدة القمر ، لأن خوارزمية التحكم في التوجه كان في حدود الاستقرار. يتيح توضيح هذه المشكلات وصف نظام التشغيل لجهاز الكمبيوتر Apollo الموجود على متن الطائرة وبرنامج التحكم في هبوط القمر.
شكل يصور هبوط وحدة النزهة القمرية (LEM) على سطح القمر. استخدم الطيار LEM رادار الهبوط والقياسات المرئية من خلال نافذة LEM لتتبع موقع الهبوط والتحقق منه.كانت LM-1 ، والمعروفة أيضًا باسم Apollo 5 ، مهمة غير مأهولة لمدة 6 ساعات في المدار الأرضي لا تشمل سوى الوحدة القمرية. تمت في 22 يناير 1968. لأولئك منا الذين طوروا برنامج الكمبيوتر على متن الطائرة LGC (Lunar Module Guidance Computer) ، كانت هذه الرحلة الأولى. حدث يبدو لنا الآن بعيدًا بلا حدود.
اشتملت المهمة على بدء تشغيل محرك نظام الهبوط التفاعلي للوحدة القمرية (نظام الدفع النازل للـ LM ، DPS). في الإشعال الثاني ، ابتكر ألان كلومب ، الذي طور معادلات التحكم في هبوط القمر [1] ، استنادًا إلى عمل جورج شيري [2] ، طريقة لمحاكاة هبوط القمر لدار الأرض. كانت تتألف من ثلاث مراحل: مرحلة الكبح ، ومرحلة "الرؤية" ومرحلة الهبوط النهائية لوحدة الهبوط. كانت البداية الأولى للمحرك ضرورية لمحاكاة مناورة الانتقال إلى مدار الهبوط قبل الهبوط. كان هذا هو الاشتعال الأول لمحرك الوحدة القمرية في الرحلة ، واستمر حوالي 38 ثانية.
كان LGC (الكمبيوتر الموجود على متن الوحدة القمرية) في المرحلة التاسعة من مهمة LM-1 ، وهو برنامج يتحكم في الإشعال الأول لنظام DPS. تم تنظيم المهام اللاحقة بشكل أكثر مرونة وتم تنفيذ الإشعال الأول لـ DPS في الخطوة P40 من البرنامج. (للحصول على برنامج طيران أكثر تفصيلاً ، انظر
هنا . الترجمة التقريبية. ) مناورات LM في موضع الإشعال. يبدأ الكمبيوتر العد التنازلي إلى الاشتعال. في الثانية 30 ، يتم تنفيذ مهمة READACCS لأول مرة. تقرأ قراءات مقاييس التسارع في الوحدة بالقصور الذاتي للمركبة الفضائية ، وتعيين مهمة SERVICER ليتم تنفيذها ، والتي تبدأ على الفور ، وتهيئ نفسها للتنفيذ مع تأخير لمدة ثانيتين. تتم تهيئته بواسطة متجه الحالة من برنامج التكامل المداري ، وتبدأ معادلات التنقل في استخدام بيانات مقياس التسارع لحساب متجهات الموضع والتسارع. تبدأ READACCS و SERVICER كل ثانيتين خلال مرحلة الطيران بأكملها مع تشغيل المحرك. سبع ثوان ونصف قبل الإشعال ، بدأ الاحتراق "القذرة" لنظام التحكم في التفاعل (RCS). اقتربنا جميعًا من نظام الاتصالات الذي ربطنا بمركز مراقبة الطيران في هيوستن.
سمعنا "المحرك قيد التشغيل" ... وبعد بضع ثوانٍ ... "المحرك مطفأ".
قريبا أدركنا ما حدث. قررت قطعة صغيرة من التعليمات البرمجية في SERVICER ، تسمى "delta-V monitor" ، أن المحرك كان معيبًا وأرسل أمرًا بإيقاف تشغيل المحرك. لكن لماذا؟ للسماح للمحرك بالدخول إلى وضع الدفع ، انتظر هذا الرمز دائمًا فترة زمنية معينة بعد تشغيل المحرك قبل بدء مراقبة المحرك. لكن هذه المرة ، في نهاية هذه الفترة ، لا يزال المحرك لم يقدم جرًا كافًا للوفاء بمعايير شاشة مراقبة الجر في المحرك.
نسبت الحسابات المنشورة [3] بطء خروج DPS إلى الدفع الكامل من خلال حقيقة أن خزانات الوحدة القمرية لم تكن تحت الضغط الكامل. لكن التحقيق الذي أجراه صاحب البلاغ يبين أن المشكلة كانت مختلفة. بالنسبة لنظام الوقود DPS ، أثناء التشغيل العادي ، سيفتح صمام يدخل من خلاله الوقود إلى خط الأنابيب عندما يكون المحرك جاهزًا للتشغيل ، قبل بضع ثوانٍ من الاشتعال. لكن في الوحدة القمرية ، من المحتمل أن يكون الصمام الذي ينظم تدفق الوقود من خط الأنابيب إلى المحرك قد تسرب. لمنع دخول
الوقود الزائد إلى الحد الممكن في المحرك (وهو أمر محفوف بالانفجار) ، قبل فترة وجيزة من الطيران ، تقرر تأخير تدفق الوقود إلى المحرك حتى لحظة الاشتعال [4].
كان للمحرك بداية بطيئة ، ليس لأن الخزانات كانت تحت ضغط منخفض ، ولكن لأن الوقود لم يصل بعد إلى المحرك. سيكون من السهل جدًا بالنسبة لنا إعداد معلمة تحدد المدة التي يجب أن تنتظرها شاشة delta-V قبل فحص المحرك - ولكن لم يخبرنا أحد بذلك.
أرسلت هيوستن إشارة لإيقاف تشغيل الكمبيوتر على متن الطائرة. تم تحقيق الأهداف الرئيسية للبعثة LM-1 مع التحكم من الأرض. نحن ، أولئك الذين قاموا ببرمجة كمبيوتر الوحدة القمرية ، وقعنا في اليأس وخيبة الأمل ، والتي تضخمت برد فعل الجمهور ، الذي لم يميز بين خطأ في البرنامج والبيانات غير الصحيحة. ولم تكن هذه هي الحالة الأخيرة عندما وضعت المعلمة التي تبدو آمنة فيما يتعلق بخصائص محرك الهبوط ، المهمة تقريبًا على شفا الفشل.
* * *
عُهد بتطوير نظام الملاحة لسفينة Apollo إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT Instrumentation Laboratory) في كامبريدج. تحت قيادة مؤسسها ، "Dock" ، لعب مختبر Charles Stark Draper (Charles Charles Stark Draper) ، منذ عام 1939 ، دورًا رئيسيًا في تطوير أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي. كان العقد المبرم بيننا لتطوير نظام أبولو للإرشاد والتحكم في التوجيه ، PGNCS ، الذي يطلق عليه "الأصوات" ، أول عقد تم توقيعه في إطار برنامج أبولو. وثيقة نفسه التحق في الرحلة في هذه المهمة.
في عام 1970 ، تم تغيير اسم مختبر الأجهزة إلى مختبر تشارلز ستارك درابر ، وفي عام 1973 أصبح مستقلاً عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، على الرغم من أنه كان على صلة به. لا يزال مختبر درابر يشارك بنشاط في برامج الفضاء المأهولة التابعة لناسا.
موعد الالتقاء. يوضح الشكل التقارب والالتحام بين LEM ووحدة الأوامر في المدار القمري بعد الرفع من سطح القمر.كان البرنامج الذي يتحكم في طيران الوحدة القمرية يدعى SUNBURST. بحلول وقت الرحلة LM-1 ، كنا نعمل بالفعل على SUNDANCE ، برنامج إدارة مهام Apollo 9 في مدار حول الأرض. تحولت SUNDANCE ، بدورها ، إلى LUMINARY ، وهو برنامج لـ Apollo 10 ومهمة الهبوط على سطح القمر. تم التحكم في مهمة Apollo 11 في يوليو 1969 بواسطة الإصدار 99 من برنامج LUMINARY. تم التحكم في الإصدار 116 بواسطة Apollo 12 في ديسمبر ، إلخ.
تلتزم هذه المقالة بالأسماء المستخدمة في برنامج Apollo. أسماء البرامج ، أسماء المتغيرات في البرامج ، عادة ما نكتب بأحرف كبيرة.
البرامج التي نطلق عليها هذا الكمبيوتر أطلقنا عليها اسم "الحبال" بشكل غير رسمي نظرًا لحقيقة تخزينها في الكمبيوتر الموجود على متن مدمج يشبه حبل من الأسلاك النحاسية المضفرة. بالنسبة للبعثات القمرية ، اقتصرت ذاكرة البرنامج على 36 ألف كلمة و 16 بت لكل منها بالإضافة إلى بت تعادل بالإضافة إلى 2 كيلو بايت من ذاكرة الوصول العشوائي. مع الأخذ في الاعتبار ذاكرة كمبيوتر Apollo AGC ووحدة الأوامر (CM) التي تحتوي على برنامج COLOSSUS ، سيكون صحيحًا القول أننا جلسنا على سطح القمر مع 152 كيلو بايت من الذاكرة.
الشكل 2.
وحدة أبولو القمرية ، نظام التوجيه والملاحة الأساسي ، PGNSيتم تجميع AGC في حاوية قوية من الألومنيوم والمغنيسيوم محكم الإغلاق ، بأكسيد ذهبي اللون ، بقياس حوالي ست بوصات من قدم واحدة بقدمين ، ويزن 70 باوند ويستهلك حوالي 55 واط. تتكون دائرتها المنطقية من 5600 عنصر OR-NOT ثلاثي المدخلات ، معبأ في اثنين في دوائر متكاملة مسطحة. اتخذ إلدون هول (إلدون هول) ، المطور الرئيسي للآلة ، قرارًا جريئًا باستخدام الرقائق الدقيقة للكمبيوتر على الرغم من عدم نضج هذه التكنولوجيا في أوائل الستينيات [5].
كان LGC (مع جميع المعدات) وراء رواد الفضاء وراء قمرة القيادة وحدة القمر. قبل رواد الفضاء ، كان هناك هيكل صلب يسمى "قاعدة الملاحة" ، حيث تم تركيب تلسكوب التأشير ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) في الإحداثيات الهندسية الثابتة. تم تركيب لوحة مفاتيح ووحدة عرض (DSKY) بين مقاعد رواد الفضاء. يوضح الشكل 2 المكونات والواجهات عالية المستوى لنظام التنقل الأساسي لوحدة القمر.
نظام IMU (وحدة القياس بالقصور الذاتي) ، الذي تم تجميعه في جسم كروي يبلغ قطره حوالي القدم ، هو قلب نظام الملاحة. قلبها الخاص ، محاط بثلاثة معلقات مضمّنة في بعضها البعض ، هو "عضو ثابت" ، منصة صغيرة تُركب عليها ثلاث جيروسكوبات دقيقة وثلاثة مقاييس تسارع ، والتي يجب أن تكون في وضع معين للتوجه بالقصور الذاتي للسفينة. يتم تسجيل أي انحرافات في موقع السفينة عن طريق الجيروسكوبات ، ويتم نقل المعلقات لتصحيح الموقف ، كل هذا يحدث بدقة عالية و (تقريبًا) لا يعتمد على موضع السفينة ، ويعطي "العضو الثابت" موقعًا مرجعيًا ثابتًا. تعبر مصفوفة REFSMMAT عن إزاحة المصطلح الثابت بالنسبة للإطار المرجعي بالقصور الذاتي. تقيس مقاييس التسارع زيادة السرعة أثناء مرحلة الطيران مع تشغيل المحرك في نظام الإحداثيات للعضو الثابت.
الشكل 3:
عرض الوحدة القمرية ووحدة لوحة المفاتيح (DSKY)كانت DSKY الواجهة الرئيسية للآلة البشرية لشركة LGC. بالنسبة للعرض الذي يحتوي على ثلاث سجلات للأغراض العامة ، قام كل منها بتخزين علامة رقم خمسة منازل عشرية طويلة ، وثلاث سجلات مكونة من رقمين عشريين للإشارة إلى المرحلة الحالية من الرحلة (الأرقام من 63 إلى 68 للهبوط على القمر) ، وكذلك "فعل" و "اسم". الأفعال والأسماء مطلوبة للغة البدائية للتواصل بين الفريق والكمبيوتر. يتم في بعض الحالات تحديد مرحلة الرحلة ومجموعة الأفعال / الأسماء ، وفي حالات أخرى يتم إدخالها من قِبل الطاقم من لوحة المفاتيح باستخدام 19 مفتاحًا. تعتمد محتويات السجلات العامة الثلاثة على الاسم والفعل الذي تم إدخاله. يحتوي DSKY أيضًا على مجموعة من مصابيح المؤشر التي يتحكم فيها الكمبيوتر ، ومؤشرات نشاط الكمبيوتر التي تضيء عندما لا يكون LGC في وضع الاستعداد.
تمت برمجة الكمبيوتر AGC في الوحدة القمرية وفي وحدة الأمر بلغتين. أحد ما أطلقنا عليه "Basic" ، أو بشكل صحيح أكثر ، "Yul" ، كان مجمعا يضم حوالي 40 فريقًا [6] ، تأليف هيو بلير سميث. والثاني كان مترجمًا يفسر اللغة (في الواقع ، مجموعة من البرامج الفرعية) ، وهو مصمم لتبسيط حسابات التنقل ، بما في ذلك المتجهات والمصفوفات ذات الدقة المزدوجة (أرقام النقطة الثابتة 30 بت) ، ولكنها بطيئة جدًا. "المترجم" كتبه تشارلز مونتز.
كان لدورة الذاكرة AGC مدة 11.7 μs. استغرق الجمع الدقيق واحد في المجمع دورتين. استغرق مضاعفة ناقلات الدقة المزدوجة في مترجم حوالي 5 مللي ثانية. كان أحد التحديات التي تواجه البرمجة AGC شعوذة بلغتين لتحقيق أفضل توازن السرعة والاكتناز في كل حالة.
كانت برامج كمبيوتر Apollo صغيرة بدرجة كافية لتضمينها في قائمة واحدة ، وعادةً ما تكون مطوية بالورق مع 11 × 15 بوصة بسمك حزمة 6 بوصة. تضمنت القائمة جدولًا من الأحرف التي يمكن تتبعها أثناء تنفيذ الدفق. لدينا قائمة واحدة ، كنا نعرف دائمًا أن الإجابة كانت موجودة عندما كنا نبحث عن خطأ ، على الرغم من صعوبة العثور عليه في بعض الأحيان.
الشكل 4.
قائمة برنامج الوحدة القمرية 131كانت بنية LGC معيارية ولكن انتقائية. داخل الكمبيوتر ، استخدمنا النظام المتري ، على الأقل لمهام التنقل. لكن مشغلي ناسا ، وخاصة رواد الفضاء ، فضلوا نظام التدابير الإنجليزية. هذا يعني أنه قبل عرضه ، يتم تحويل الارتفاع والسرعة الرأسية (على سبيل المثال) من النظام المتري إلى القدمين / القدمين. يتم التعبير عن الكتلة والجر بالجنيه. لأن الغرض من هذه المقالة هو إظهار ما نسميه بالأشياء في عصر سفن الفضاء تلك ، سأستخدم الوحدات التي تم قبولها في ذلك الوقت.
الكرتون على حوض درابر* * *
الآن تم نقل قسم مراقبة المهمة في كامبريدج باركواي 75 إلى غرفة أكبر ، في 20 يوليو 1969 كانت الغرفة مزدحمة ، على الرغم من جهود التنظيف التي بذلها أولئك منا الذين شاركوا أكثر في هذه المرحلة من المهمة. لقد استمعنا إلى صندوق صرير (جهاز اتصال) في الفصل الدراسي ، بينما غادر ربع مركبة فضائية مأهولة من هنا القمر واقتربنا من النقطة الأدنى من مداره (الخطر) ، على ارتفاع حوالي 50000 قدم فوق الحفر المنقطة السطح ، وتحولت على محركات الهبوط.
قام الفريق بكتابة "الفعل 37" على الكمبيوتر ، مما يعني مرحلة P63 ، والتحضير للنسب المتحكم به ، وظل في وحدة القيادة حتى تم حرق المحرك. أجرى الكمبيوتر خوارزمية لحساب وقت الإشعال الدقيق والموقف الذي يجب أن تكون عليه الوحدة القمرية في تلك اللحظة. بعد ذلك ، تتحول سفينة الفضاء إلى الموضع المطلوب. في لحظة الاشتعال ، يجب توجيه فوهة المحرك للأمام تقريبًا ، ضد ناقل السرعة المداري للسفينة.
الآن أعطى الكمبيوتر رمز خطأ 500. ويعتقد أن هوائي الرادار كان في الموضع الخطأ. رأى الفريق أن المفاتيح كانت في الموضع الصحيح ، لكنها ما زالت تعمل على تبديلها ، واختفى الخطأ. لم يكن هذا مرتبطًا بالأحداث التي حدثت بعد ذلك ، لكنه عزز شكوكنا في أن الإشارات التي تخبر الكمبيوتر بمكان الهوائي أو مفاتيح التبديل تكمن أحيانًا.
يتم نقل التحكم إلى برنامج BURNBABY ، وهو برنامج التحكم في الاشتعال الرئيسي الذي كتبناه بعد LM-1 ، من أجل حفظ الذاكرة باستخدام خوارزميات مماثلة في الفترة السابقة للاشتعال. في DSKY ، يتم عرض "الفعل 6 ، الاسم 62". يحتوي السجل الأوسط على الوقت بالدقائق والثواني ، ويبدأ العد التنازلي للإشعال. في 35 ثانية ، تصبح الشاشة فارغة ، في 30 مرة تضيء مرة أخرى. هذه إشارة إلى أن خوارزمية "Average-G" قد بدأت. في 7.5 ثانية ، يبدأ الحرق "القذر". 5 ثوانٍ قبل البدء ، يومض العرض ، في انتظار أمر بدء التشغيل من الطاقم. يقع Buzz Aldrin ، رائد الوحدة القمرية ، على يمين قمرة القيادة ، يتحمل المسؤولية الرئيسية عن العمل مع DSKY. يضغط "متقدّم".
في الوقت 102: 33: 05 من بداية المهمة ، يدخل الوقود المشعل ذاتيًا في محرك الهبوط ويتم إشعاله بمعدل الخانق بنسبة 10٪. لم يشعر أرمسترونغ بلهجة خفيفة - كان التسارع أقل من 1 / 25g. سلطت الشاشة الضوء على "الاسم 63" وشاشات التسجيل الثلاثة تظهر الآن بسرعة قصوى تبلغ 5559.7 قدمًا / ثانية ، وسرعة رأسية تبلغ -2.2 قدمًا / ثانية ، بارتفاع فوق سطح 49971 قدمًا [8]. محاذاة المحرك محاذاة متجه التوجه للمحرك الهبوط في وسط كتلة السفينة. بعد 26 ثانية من الاشتعال ، يصل برنامج DPS إلى أقصى حد يبلغ 9870 رطل (43900 N) ، و 94 ٪ من 10500 رطل تم الإعلان عنها رسميًا ، وفي نفس الوقت ، تبدأ مناورة الهبوط.
كان P63 مرحلة الكبح ، وكان الغرض الوحيد منه هو قمع السرعة العمودية. انتهت بعد 8 دقائق من وصول السفينة إلى شروط النهاية المعروفة باسم "البوابة العليا" على ارتفاع 7،400 قدم. التين. 5 يوضح مراحل هبوط القمر.
التين. 5.
مراحل الهبوط على القمر (أعداد تقريبية)في الوقت 102: 36: 55 من بداية المهمة ، وقف نيل أرمسترونج ، القائد ، على الجانب الأيسر من قمرة القيادة للقمرة القمرية ، واستخدم عصا التحكم لتدوير المركبة الفضائية حول محور الاتجاه ، بحيث تسمح نافذة المركبة الفضائية لرواد الفضاء بالنظر إلى السطح ، في اللحظة التي تم فيها توجيهها إلى الفضاء ، وكانت الأرض مرئية فيها. لكن السفينة كانت تدور ببطء شديد. تحولت ارمسترونغ الحد الأقصى للسرعة الطيار الآلي من 5 درجة / ثانية إلى 25 درجة / ثانية [9]. قبل هذه المناورة مباشرة ، أشار رادار الهبوط إلى أن "البيانات طبيعية".
من المستحيل التنقل بدقة حتى تهبط بأمان على سطح القمر دون معرفة المسافة والسرعة الحالية. يتم توفير هذه المعلومات بواسطة رادار الهبوط. على الرغم من عمليات التحقق المحتملة التي أجراها البرنامج ، لا يمكن تضمين بيانات الرادار في متجه الحالة دون تأكيد من القيادة ومركز التحكم في الرحلة. بعد حوالي خمس دقائق من الإشعال ، دخل ألدرين "الفعل 16 ، الاسم 68" - طلب لعرض "الاسم" ، حيث أظهر السجل الثالث الفرق بين الارتفاع الذي يراه الرادار والكمبيوتر المحسوب. وكان هذا المتغير ، ودعا DELTAH ، حوالي -2900 قدم. كان هذا ضمن هامش الخطأ. دخلت بيانات الرادار نظام الملاحة دون التأثير سلبا على مسار الرحلة.
ثم سمعنا عبارة "تحذير البرنامج". في كامبريدج نظرنا إلى بعضنا البعض. على متن المركبة الفضائية ، رأى ألدرين أن إشارة PROG تضيء وأظهرت الشاشة مرة أخرى "الفعل 6 ، الاسم 63". سرعان ما ضغط "الفعل 5 اسم 9". DSKY 1202. , , .. , . : « , ». : « 1202» [10].
, , . . , , — 26- (Steve Bales) «» «». LGC, 1202, , . (Jack Garman) NASA (Russ Larson) MIT, . «», (Charlie Duke) . MIT, , - , , .
«» . DELTAH, «57», , . « 16, 68» , DELTAH 900 . . « 5 9 — 1202». «».
التين. 6.
() ( ) ( )— 102:39:31, — , . «! , », . « !», , . — [11].
65% . , , , , . , . , , , 40 , , .
, , , , . , , [12]. , .
.102:41:32, 7400 , 125 /, « » . . , , . DSKY 64, « », « 64» « 63». . — (landing point designator, LPD), , , , , , . . . ( , , , -, « » ). , . , , .
102:42:17, 1201. Executive (
: Executive — The Interpreter — , . . . ) — . 24 1202. «» . , 120 150 [13], .
, , .. 64 , LPD. , , , . , , , . , , , .
, , LPD , « , »[15]. 102:43:08 ( 650 ) , , , AUTO ATT HOLD . .
(ATT HOLD , Attitude-Hold, , . , , , .)
102:43:20, 430 , (P66). , ROD. ; . . , « » - , , , , 102:45:40 .