Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
В 1970–1980‐х годах, когда космические аппараты стали обращаться вокруг Земли и вращаться вокруг своей оси годами, математики приступили к исследованиям свойств этих чисел с удвоенной силой, чтобы программировать с их помощью системы управления. Благодаря этому стало проще оперировать вращением пространства или вращением космического аппарата в пространстве.
После того как кватернионы хорошо зарекомендовали себя в космических расчетах, их начали использовать в компьютерных 3D-играх, где тоже можно вращаться во все стороны.
Кстати, вычислительные системы небольшого размера – тоже заслуга космонавтики. В 1950‐х годах компьютеры были огромны. Они занимали целые здания и никак не могли поместиться в ракету-носитель. А количество вычислений, которые нужно было проделать мгновенно, пока космический аппарат летит со скоростью 8 км/с, было велико. Человек не смог бы оперативно все рассчитать, и на помощь пришла радиосвязь. Задачи поступали с ракеты-носителя на Землю, обрабатывались ЭВМ, и решение отправлялось на борт.
«Стрела» – первый наземный компьютер, работавший над космическими расчетами. Он умел рассчитывать 100 операций в секунду и имел оперативную память два килобайта. В дальнейшем появились машины второго поколения – «Урал‐1» и БЭСМ, которую ласково называли бэсмочкой. Их оперативная память составляла 32 килобайта, а производительность – 20 000 операций в секунду. Такой рывок, несомненно, стимулировала именно космическая необходимость. В США компания IBM уже давно работала над производительностью компьютеров, но у NASA они появились позднее, зато сразу второго поколения. IBM 7090 выполняла до 100 000 операций в секунду.
Наземные системы продолжали улучшаться. Вместо ламп появлялись транзисторы, а за ними – интегральные схемы и микропроцессоры. Память прошла долгий путь от магнитной проволоки через ленту к ферритным элементам, жестким дискам и т. д. Примерами могут послужить советский компьютер «Орбита», ЕС ЭВМ, М‐20 и американский IBM System/360. Совершенствование продолжается и сейчас, но уже отлично видно, как далеко шагнул прогресс. Характеристики первых компьютеров скромны даже для современных часов.
А в 1950‐х годах такого не было. Приходилось выкручиваться. Для случаев отсутствия связи инженеры разрабатывали оригинальные аналоговые системы. Например, для расчета пройденного расстояния использовалась химическая реакция электролиза – в зависимости от скорости движения увеличивалась подача тока в прибор и менялась скорость химической реакции. Через каждый преодоленный километр в приборе образовывался грамм вещества, и по его количеству определялась дистанция.
Однако хитрости, уловки и наземные компьютеры не помогут, если мы летим на Луну или дальше. Задержка связи между Землей и ее спутником составляет 1,2 секунды, за которые ракета может пролететь от одного до восьми километров. Ошибки непозволительны. Математическое описание движения, когда на космический аппарат действуют и Земля, и Луна, слишком сложно для схожего аналогового варианта. Первыми были попытки рассчитать по долям секунды весь процесс полета и завести все команды на таймер. Более того, некоторые советские автоматические межпланетные станции полностью выполняли все задачи благодаря этому. Выверенность вычислений поражает воображение даже сейчас. Но чем сложнее были задачи, тем понятнее становилось, что компьютер надо брать с собой. Для полета человека на Луну и стали разрабатываться ЭВМ размером не со здание, а хотя бы со стол. И это получилось, но не сразу. В Советском Союзе планировалось запустить автоматическую станцию «Марс‐1960» с новой технологией уже в 1960 году, но не получилось (не по вине ЭВМ). Первый в СССР бортовой компьютер «Аргон 11С» был успешно испытан в программе «Зонд» в 1968 году. С его помощью, кстати, впервые облетели Луну и успешно вернулись животные – две черепашки.
В США инженеры придумывали гораздо меньше аналоговых приборов, и отчасти из-за этого были вторыми в космической гонке, но вот компьютер отправили на орбиту чуть раньше. GSC (Gemini SpaceCraft Computer) побывал в космосе уже в 1965 году. Характеристиками «Аргон 11С» и GSC были схожи: весили 26–34 килограммов и могли производить около 7000 операций в секунду, но памяти хватало только на 39 слов. Оба работали на интегральных схемах.
Через четыре года произошло историческое событие – американцы произвели высадку на Луну. Управлял полетом компьютер AGC (Apollo Guidance Computer). Эта система по производительности была на уровне наземных компьютеров конца 1950‐х. Памяти было по-прежнему мало, поэтому программистам пришлось потрудиться, чтобы придумать последовательности процедур, не отбирающих много памяти. Тем не менее известно как минимум восемь случаев, когда бортовой компьютер сбоил из-за переполнения. На одной знаменитой фотографии запечатлена распечатка всех необходимых инструкций на бумаге – это стопка кода выше человеческого роста.
Маргарет Гамильтон с распечатанным текстом программы для миссии «Аполлон‐11» Draper Laboratory
Тогда же появляется и первый интерфейс. Система отображения больше похожа на калькулятор, но пока речь идет только о вычислениях. Еще через пять лет первые персональные компьютеры от той же компании, что делала космические системы, появляются в обычных домах.
В дальнейшем в США в пилотируемой космонавтике для программы Space Shuttle использовали компьютер IBM AP‐101S. В космос отправлялся большой космический челнок, и размер вычислительной машины уже не играл заметной роли. В 1988 году для проведения эксперимента впервые применили компьютер, конструкцию которого потом назовут ноутбуком.
Другое дело – межпланетные автоматические станции, например марсоходы, размером с тумбочку или ботинок. Для них был создан RAD600 – один миллион транзисторов в одной плате, больше 600 граммов массой. Такой компьютер уже влезет в мобильный телефон.
Тем временем в СССР разрабатывались новые версии «Аргонов». Правда, цель была не в уменьшении размеров, а в повышении надежности. «Аргон‐16» стал оптимальным вариантом, и его испытывали и использовали на кораблях «Союз», станциях «Салют» и первое время на станции «Мир». В 1990‐е его сменил «Салют‐5Б». Однако всемирную известность получила другая бортовая ЭВМ – для многоразового корабля «Буран» был разработан компьютер «Бисер‐5». Два мегабайта оперативной памяти и 350 000 операций в секунду позволили совершить полет в полностью автоматическом режиме. Более того, «Буран» при возвращении совершил незапланированный маневр, что инженеры на Земле сочли сбоем и даже начали обсуждать возможность
