Материалы:Роль компьютеров в освоении космоса

Статья 1965 года «Роль компьютеров в освоении космоса», взято с https://dl.acm.org/doi/10.1145/1464013.1464020 The role of computers in space exploration, Authors: C. R. Gates, W. H. Pickering, Published: 30 November 1965, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California

автоперевод гугл-переводчиком

Абстракт:

Современный цифровой компьютер сыграл основополагающую роль в программе освоения космоса. Компьютеры оказали глубокое влияние практически на все аспекты космических технологий, включая проектирование космических аппаратов, небесную механику, управление полётами, а также сбор и обработку данных, полученных с космических аппаратов. Действительно, эволюция и развитие компьютерных технологий, по всей видимости, идут параллельно с развитием космических технологий.

---

Роль компьютеров в исследовании космоса

К. Р. ГЕЙТС и У. Х. ПИКЕРИНГ

Лаборатория реактивного движения
Калифорнийский технологический институт
Пасадена, Калифорния

ВВЕДЕНИЕ

Современный цифровой компьютер сыграл основополагающую роль в программе освоения космоса. Компьютеры оказали глубокое влияние практически на каждый аспект космической техники, включая проектирование космических аппаратов, небесную механику, управление полетами, а также сбор и обработку данных, генерируемых космическими аппаратами. Действительно, эволюция и развитие компьютерных технологий, очевидно, параллельны развитию космических технологий.

Возможно, наиболее показательный способ оценить нашу зависимость от компьютеров — это вспомнить времена, когда компьютеры ещё не были доступны. Пятнадцать лет назад нашим главным проектом в JPL был «Капрал», баллистическая ракета с дальностью полёта в несколько десятков миль. Расчет ее траектории занял три недели интенсивного труда; теперь мы можем вычислить траекторию космического корабля к Марсу за несколько минут. Раньше решение проблемы устойчивости управления или проектирования конструкции требовало многих часов ручных расчетов и, вероятно, требовало обширных лабораторных экспериментов; Теперь многие задачи в этих областях решаются дешевле, точнее и быстрее с помощью компьютера.

В конечном счёте, влияние современных высокоскоростных компьютеров на программу освоения космоса привело к повышению производительности: производительности космического корабля в отношении экономичности и точности его конструкции; производительности навигационной системы в отношении точности, с которой космический корабль может быть направлен на Луну или Марс; и производительности системы сбора данных в отношении объёма данных, которые могут быть собраны, а также скорости и точности, с которыми они могут быть проанализированы.

В своём обсуждении я опишу некоторые из наиболее важных способов использования компьютеров в космической программе.

ТРАЕКТОРИИ И НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА

Наиболее впечатляющее применение компьютеров в космической программе, пожалуй, наблюдается в области небесной механики. Небесная механика — старейшая из наук, и, поскольку космический корабль в полете ведет себя как миниатюрная планета, наши траектории и навигация основаны на этой древней и древней науке.

С математической точки зрения, небесная механика занимается решением уравнений Ньютона. Со времен Ньютона и до недавнего времени решения достигались только с огромным трудом и посредством удивительных и изобретательных математических преобразований. Цифровой компьютер и импульс космической программы оказали глубокое влияние на небесную механику. Компьютерный расчет траектории космического корабля, такого как Mariner IV, довольно прост, несмотря на то, что используемые численные методы сложны. При выборе траекторий для Mariner были рассчитаны и проанализированы сотни траекторий, чтобы определить те, которые обеспечивают наилучшую точность, массу полезной нагрузки и качество изображения на Марсе.

Компьютер также значительно повышает точность управления таким космическим аппаратом, как Mariner. Для управления Mariner орбита определяется по радиолокационным данным, и рассчитывается небольшой манёвр, который должен быть выполнен космическим аппаратом. Компьютер позволяет быстро и точно выполнять эти расчёты во время полёта космического аппарата; без компьютера пришлось бы использовать гораздо менее точные приближения.

УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ ПОЛЁТАМИ: УПРАВЛЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Наиболее широкое применение компьютеров в Лаборатории реактивного движения заключается в обработке данных космических аппаратов в режиме реального времени для целей управления и контроля; мы называем этот процесс управлением космическими полётами.

Наш Центр управления космическими полётами (SFOF) скоро будет состоять из трёх «линеек» компьютеров, каждая из которых состоит из трёх компьютеров: IBM 7040, 7044 и 7094. В SFOF поступают данные о космических аппаратах, полученные со станций слежения, расположенных по всему миру. Это могут быть данные с космического аппарата, касающиеся его состояния или условий в космосе, или навигационные данные, относящиеся к положению или скорости космического аппарата. Эти данные передаются в цифровом виде по телефонным линиям в SFOF, где они маршрутизируются в компьютеры. После обработки редуцированные данные предоставляются ученым и инженерам для анализа и интерпретации. Инженеры, проводящие этот анализ, имеют параллельный доступ к компьютеру и могут запрашивать в режиме реального времени различные программы, опции и методы отображения.

Центры управления в режиме реального времени также широко используются в программе пилотируемых космических полетов. Центр управления «Меркурием» находился на мысе Кеннеди и поддерживался оборудованием Центра космических полетов имени Годдарда. Центр управления «Джемини» и «Аполлон» находится в Центре пилотируемых космических аппаратов в Хьюстоне.

В управлении космическими полетами используются два основных типа компьютерной обработки. В первом типе поток данных в реальном времени просто разделяется, переводится в удобные единицы и символы и предоставляется непосредственно инженеру или ученому. Это «режим реального времени», и он стал основой анализа космических аппаратов. В SFOF в JPL один компьютер на группу выделен для этой функции, которая включает сортировку, декоммутацию, форматирование и подготовку вывода на принтер и плоттер.

Во втором типе обработки анализируется накопленный объем данных и извлекаются определенные параметры. Примером такого типа обработки является определение орбиты, при котором несколько часов или дней анализируются данные слежения для определения орбитальных параметров космического корабля.

Мы были одними из пионеров в использовании многоканальных компьютеров с разделением времени, при котором несколько пользователей могут одновременно взаимодействовать с машиной и получать выходные данные. Иногда мне кажется, что мы с радостью уступили бы честь пионера кому-то другому; проблемы в такой системе — взаимодействие между программами, сложность диагностики, понятность программы только программисту, который ее написал, сложность воспроизведения состояния, при котором произошел сбой, проблемы соблюдения графиков и ведения адекватной документации — хорошо известны. Однако система выполнила свою полётную миссию надёжно и успешно, приобретённый опыт ценен, и большинство этих трудностей, похоже, остались позади.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И КОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

В таких космических аппаратах, как «Рейнджер», «Маринер» или «Сервейер», подсистемы, созданные на основе различных технических дисциплин, должны функционировать слаженно, с высокой точностью и гармонией. Подсистемы управления и наведения, связи, науки, структурные, тепловые и двигательные подсистемы должны работать вместе. Более того, при проектировании космического аппарата необходимо учитывать практически все физические свойства этих подсистем — электрические свойства, вес, распределение массы, тепловыделение и теплопроводность, отражательную способность и т. д. Кроме того, на космический аппарат накладываются общие ограничения по весу и объёму. А для планетарного космического аппарата существует совершенно жёсткое ограничение по времени; космический аппарат можно запускать только с редкими интервалами, что требует точных и надёжных процедур планирования.

Использование компьютеров повысило точность и скорость проектирования космического аппарата и его подсистем. Используя компьютерные технологии для исследования целого спектра проектных возможностей, можно быстро и точно выбрать проектные параметры. Результатом является существенное повышение производительности. Без пожертвований в стоимости, надежности или сроках, применение компьютеров приводит к созданию космического корабля, который будет отправлять обратно больше и более качественные научные данные об условиях в космосе.

Кстати, интересно отметить, что наш космический корабль «Маринер-Марс» содержал четыре цифровых компьютера. Они использовались для обработки научных данных, инженерных данных, обработки команд и последовательности команд.

Влияние компьютеров на инженерные технологии, в таких областях, как проектирование конструкций, схемотехника, теплопередача и т. д., в целом следовало схеме, представляющей большой интерес и важность. Первоначально компьютеры использовались для решения задач в их традиционной форме. Например, решение дифференциального уравнения получалось вручную в виде ряда, а затем этот ряд затем оценивался на компьютере. На следующем этапе развития дифференциальное уравнение передавалось компьютеру напрямую, что требовало меньше работы от инженера и обычно приводило к более точному решению. Сегодня обычно формулировать задачу компьютеру с точки зрения желаемого конечного результата, а компьютер формулирует и решает дифференциальное уравнение. Таким образом, компьютер применялся всё дальше и дальше.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Подводя итог, мы обнаруживаем, что компьютер коснулся практически каждого этапа Программы исследования космоса. Проектирование космических аппаратов теперь основано на компьютерном анализе, и результатом является улучшение космических аппаратов; более того, все большую часть процесса проектирования выполняет компьютер. В небесной механике влияние компьютеров было впечатляющим. А в космических полетах все данные, собранные космическим аппаратом, обрабатываются компьютерами. Действительно, количество компьютеров, которые мы вскоре будем последовательно использовать в потоке данных, поразительно; если учесть компьютеры в космическом аппарате, на станциях слежения, в линии связи от станции до SFOF и в SFOF, у нас будет до 10 компьютеров, обрабатывающих данные.

Роль компьютеров в полутехнических и нетехнических областях также была жизненно важной. Компьютеры используются для управления конфигурацией, составления бюджета, контроля запасов — список бесконечен.

Обращаясь к будущему, мы с нетерпением ждем привлекательных возможностей, предлагаемых новым поколением компьютеров – столь необходимого увеличения производительности, скорости, объема памяти, надежности и простоты программирования. Однако влияние компьютеров на базовые технологии, вероятно, окажет наиболее значительное влияние на космическую программу. Когда я был студентом, значительная часть технологий была посвящена методологии решения задач. Сегодня эта методология во многом устаревает. Новая методология, основанная на фундаментальных принципах и компьютере, позволяет легко обрабатывать более крупные системы. Вместо того, чтобы анализировать соотношение между резистором A и резистором B, инженер может рассматривать соотношение между схемой A и схемой B, или системой A и системой B. Точка зрения становится менее микроскопической и более макроскопической. Например, мы начинаем рассматривать характеристики системы, такие как стоимость и надежность, как параметры проектирования. Таким образом, символы, с помощью которых представлена ​​технология, а следовательно, и наш образ мышления, меняются под воздействием современного цифрового компьютера.

См. также

• t:Система управления орбитального корабля Буран
• t:ДРАКОН (язык программирования)