阿波罗飞船长什么样(阿波罗是飞船吗)

五十年前的美国阿波罗载人登月计划创造了人类科学史上的一个奇迹,半个世纪之后的今天,围绕在它身上发生的许多科学谜团依然还有待我们去揭开。

阿波罗11号登月

许多人并不相信阿波罗计划,他们觉得那不过是美国人在好莱坞摄影棚里拍摄的系列科幻电影,为的是向全世界显示美国制度的强大和科技的先进,同时将苏联人忽悠垮台。1973年之后的几十年时间里,包括美国自己,再也没有一个国家有能力再一次登上月球。

阿波罗飞船导航计算机

阴谋论者们其中一个理由便是,在那个电子管的时代,阿波罗飞船上的计算机计算能力远不如今天的智能手机,它的性能参数甚至比不过小百货店里售卖的十几块钱一张的音乐贺卡!

音乐贺卡模块

今天我们就来分析分析,阿波罗飞船上的计算机是怎么把宇航员送到38万公里外的月球上的。

60年代的计算机是什么样的?

60年代以前,计算机大多还是由庞大的电子管和许许多多开关组成的,而整个的60年代,计算机经历了从电子管到晶体管再到简单集成电路的演化过程。阿波罗计划中的计算机就是以这个革命性的进程中诞生的。

计算机组件进化

上边这张照片是1962年拍摄的,四个妇女分别捧着四个不同阶段的计算机组件,它们分别是ENIAC板,EDVAC板,ORDVAC板和BRLESC-I板,我们可以很容易地看出,在整个50年代,计算机中还是电子管的天下,直到60年代初期,计算机中的电子管才刚刚被简体管所取代。而在阿波罗飞船中,许多的电路板是这样的:

阿波罗飞船中的电路板

正因为晶体管取代了电子管,科学家们才得以将阿波罗飞船上的计算机造得足够小,否则即使土星5号火箭再厉害,也是没办法将一间房子那么大的计算机发射到月球上的。

阿波罗飞船导航计算机和显示操作模块

阿波罗飞船系统共有四台类似的计算机,它们分别是:

运载火箭数字计算机(LVDC),这台由IBM公司设计制造的计算机被安装在土星5号仪表环内部,负责将土星5号火箭送入环绕地球飞行的轨道。它的主频为2MHz,4个内存模块的总容量为16,384字节,重32.9公斤,尺寸为74×32×27厘米,功耗137瓦。

运载火箭数字计算机LVDC

阿波罗导航计算机(AGC),AGC一共有两台,它们分别被安装在阿波罗飞船的指令舱和飞船登月舱,负责飞船绕月飞行、月球降落和返回阶段的导航,这两台计算机是由麻省理工学院负责研发、雷神公司等负责制造的。

阿波罗导航计算机(AGC),下方黑色部分为指令清单

中止引导系统(AGS),AGS安装在阿波罗飞船登月舱里,它就在宇航员座位的手边,当飞船在月球着陆或返回期间如果遇到紧急情况,宇航员启动这台设备,AGS将带着飞船回到环绕月球的轨道,以便与守在那里的指令舱会合。在阿波罗13号服务舱发生爆炸事故后,AGS的启用救了三个宇航员的命。

照片中间的是阿波罗11号的AGS,它没有显示屏

阿波罗导航计算机的性能参数非常低。

阿波罗飞船上计算机不是我们通常意义上的计算机,它实际上是一套嵌入式系统,它拥有独一无二的操作系统,仅仅用来配合宇航员输入的数据进行运行轨迹的计算,从而实现导航的作用。

AGC上总共只使用了12300个晶体管,这与今天动辄数以十亿计的手机CPU芯片有着天壤之别;更不用说AGC的运存仅有2K,它的只读存储器(相当于我们今天的硬盘)也仅有可怜的36K大小,在今天只能存下一张表情图片。要知道,在2018年的时候,如果哪一家手机厂商新发布的产品内存少于4G、存储容量低于32G是会被人唾弃的,因为消费者觉得这不够用!

导航计算机拆机照片

单纯比运算性能和存储容量,阿波罗导航计算机不仅远不如我们的智能手机,就连市场上卖的音乐贺卡也比AGC强上百倍!

阿波罗导航计算机的优势在于卓越的系统与可靠性。

尽管智能手机比AGC性能强千万倍,连音乐贺卡都比它强百倍不止,但NASA的宇航员们一定不会愿意将自己的生命交给一部手机或一张贺卡。因为尽管60年代的计算机性能不尽如人意,但它的可靠性却是任何一台智能手机望尘莫及的。

阿波罗导航计算机事实上是世界上第一台嵌入式计算机系统,它的任务非常简单,就是根据宇航员输入的坐标数据快速计算出飞船的运行轨道,将飞船安全地送上月球或者从月球上安全带回地球。如果计算机系统因为某种情况发生崩溃,它可以在重启后立刻继续之前被中断的最重要的那一部分计算过程,这在今天无论是个人电脑还是智能手机都无法做到的。

关注美国载人航天的人常常会留意到这样一张照片:

玛格丽特·汉密尔顿与阿波罗导航软件源代码的合影

这是阿波罗导航软件编写团队成员玛格丽特·汉密尔顿与打印的阿波罗飞船导航软件源代码的一张合影照片。从麻省理工学院1961年接到为NASA的阿波罗登月计划研发计算机导航系统的那一天起,这个软件团队花了整整5年时间写下一人高的源程序,并将其最终浓缩成不到36K的代码,塞进AGC那小小的ROM空间里。

阿波罗导航计算机的磁芯存储器ROM

阿波罗飞船导航

阿波罗飞船是依靠宇航员通过六分仪观测太空中星座的位置、将月球上环形山方位与飞行手册中的坐标比对、加上惯性制导系统数据来进行飞行导航的,当宇航员将六分仪瞄准镜对准太空中某一个点读出坐标后,将相应代码出入计算机,计算机据此代码计算出飞行轨迹,引导飞船纠正航线,最终飞行到月球或地球轨道。

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而在飞船降落的过程中,计算机会读取测月雷达和高度计信息,同时根据宇航员对月球表面地形地貌观察的结果来计算降落轨迹,这是一个非常复杂的过程,阿波罗11号在降落的过程中一度造成AGC崩溃,好在有惊无险,最终顺利降落在预定的宁静海区域。

事实上,麻省理工学院在1966年向NASA交付导航计算机之前仍然没办法完全消除软件中的Bug,程序员们最后不得不依靠IBM的大型计算机对许多数据进行计算,最终确定了正确的导航参数,避免阿波罗计划的流产。即便如此,阿波罗11号最后的降落阶段还是由阿姆斯特朗手动操作完成的,因为计算机处理不了降落雷达的大量数据宕机了。