Sigo escuchando a la gente decir cosas como:
Duuuude! ¡Es tan loco que estemos cargando teléfonos en nuestros bolsillos que son mil veces más rápidos que las computadoras que nos llevaron a la luna!
¿Por qué creen que se necesitaría una computadora tan poderosa para calcular algunos números? De hecho, no entiendo por qué se necesitaba una computadora , ya sea en tierra o dentro de la nave espacial.
¿Qué números tuvo que "crujir" la nave espacial una vez que estuvo allí, que los propios astronautas no pudieron descifrar simplemente leyendo los datos analógicos que se mostraban en su tablero, o incluso haciendo que el control de tierra lo hiciera todo de forma remota?
Asumiendo que esta no es una pregunta de troll y que realmente quiere saber para qué se usan las computadoras en los vuelos espaciales (antes de 1988), la NASA tiene un gran recurso para usted:
Computadoras en vuelos espaciales (PDF, 494 Mb)
De la introducción:
Las computadoras son una parte integral de todas las naves espaciales actuales. En la actualidad, se utilizan para funciones de orientación y navegación, como encuentros, reingresos y correcciones a mitad de camino, así como para funciones de gestión del sistema, formateo de datos y control de actitud. Sin embargo, Mercury, la primera nave espacial tripulada, no llevaba una computadora. Se llevaron a cabo quince años de misiones orbitales terrestres y en el espacio profundo no tripuladas sin computadoras de uso general a bordo. Sin embargo, ahora, el transbordador tripulado y la nave espacial no tripulada Galileo simplemente no podrían funcionar sin computadoras. De hecho, ambos llevan muchos ordenadores, no uno solo. Esta transición ha hecho posible que las naves espaciales actuales sean más versátiles. La mayor versatilidad es el resultado del poder del software para cambiar las capacidades de la computadora en la que reside y, por extensión, el hardware que controla. A medida que las misiones cambian y se vuelven más complejas, usar software para adaptarse a los cambios es mucho más económico y rápido que cambiar el hardware.
...Los sistemas informáticos terrestres de la NASA reflejaron la necesidad de un procesamiento de datos a gran escala similar a muchas aplicaciones comerciales, pero en un entorno en tiempo real, que hasta hace poco no era normalmente un requisito de la informática comercial.
Con respecto a las computadoras de a bordo para Apollo:
La presencia de una computadora en la nave espacial Apolo se justificó por varias razones. Se dieron tres al principio del programa: (a) para evitar interferencias hostiles, (b) para prepararse para misiones tripuladas (planetarias) posteriores de larga duración, y (c) para evitar la saturación de las estaciones terrestres en el caso de múltiples misiones en el espacio. simultáneamente. Sin embargo, ninguno de estos se convirtió en una justificación principal. Más bien, fue la realidad de la física expresada en el retraso de 1,5 segundos en una ruta de señal de la Tierra a la Luna y de regreso lo que proporcionó la motivación para una computadora en el vehículo de aterrizaje lunar. Con las peligrosas condiciones de aterrizaje que se esperaban, que requerirían una rápida toma de decisiones y retroalimentación, la NASA quería depender menos de la informática terrestre. La elección, más adelante en el programa, del método de encuentro en órbita lunar sobre el vuelo directo a la luna, justificaba aún más una computadora a bordo ya que la inserción en la órbita lunar se realizaría en el lado más alejado de la luna, fuera del contacto con la tierra. Estas consideraciones y el consenso entre la gente del MIT de que la autonomía era deseable aseguraron el lugar de una computadora en el vehículo Apolo.
Con respecto a las computadoras de apoyo en tierra para Apollo:
Sin las pruebas automáticas, no se podría haber logrado la confianza en los cohetes, ya que eran demasiado complejos para los procedimientos manuales efectivos. Además de los métodos de verificación específicos del vehículo de lanzamiento, los directores de lanzamiento en las salas de tiro tuvieron acceso a datos de prueba automatizados del equipo de prueba previa al vuelo de la nave espacial desarrollado tanto por el Centro de Operaciones de Lanzamiento como por el Centro de Naves Espaciales Tripuladas.
Tres tareas principales ocupan a los controladores de vuelo: muestrear el flujo de telemetría para asegurarse de que todo va bien y recopilar datos científicos, hacer cálculos de navegación y enviar comandos.
Su nave espacial tendría que ser varios órdenes de magnitud más grande que Saturno-Apolo.
Ningún piloto humano ha realizado con éxito una cita sin una computadora. Tenga en cuenta que el encuentro está acercando dos naves espaciales en órbita, posición y velocidad. El acoplamiento es el contacto físico real entre dos naves espaciales. Esto último puede hacerlo manualmente un piloto, y con frecuencia lo hace manualmente, pero todos los intentos de realizar una cita sin una computadora han sido un fracaso :
Los soviéticos intentaron reunirse dos veces con Vostok y fracasaron. Vostok 3 y 4 fueron en 1962, y Vostok 5 y 6 fueron en 1963. Vostok carecía de propulsores de maniobra para ajustar su órbita para que coincidiera con la de su gemelo. Las distancias de separación iniciales estaban en el rango de 5 a 6,5 kilómetros (3,1 a 4,0 millas) y divergieron lentamente a miles de kilómetros (más de mil millas) en el transcurso de las misiones.
El astronauta estadounidense Jim McDivitt intentó maniobrar su nave Gemini 4 para encontrarse con la etapa superior del vehículo de lanzamiento Titan II gastado el 3 de junio de 1965. Aunque pudo hacer contacto visual con el objetivo, la cita falló. Estaba en órbita detrás del objetivo, y asumió que empujar hacia el objetivo los uniría. La mecánica orbital no funciona de esa manera, y empujar hacia el objetivo simplemente los hizo más separados.
El primer encuentro exitoso ocurrió el 15 de diciembre de 1965 cuando Schirra maniobró la nave espacial Gemini 6 a 1 pie (30 cm) de su nave hermana Gemini 7.
Schirra puso la computadora de Gemini 6A a cargo de la cita.
La primera cita con el acoplamiento fue Gemini 8 . "A las 55 millas náuticas (102 km) le dieron el control automático a la computadora".
El primer acoplamiento no tripulado fue el Cosmos 186/188 soviético y estaba automatizado.
Soyuz 2/3 tenía el sistema de encuentro automatizado Igla. Intentó el acoplamiento manual y falló.
Soyuz 4/5 también tenía el sistema de encuentro automatizado Igla. Tuvo éxito y dos cosmonautas intercambiaron vehículos.
Durante los primeros años del desarrollo de Apolo, Von Braun y otros funcionarios impulsaron el enfoque "directo" con una sola nave espacial haciendo todo el viaje, argumentando que no había forma de que un módulo de aterrizaje que ascendiera desde la superficie lunar pudiera reunirse con una nave espacial en lunar. orbita. Citando una entrevista con Robert Gilruth , el primer director del MSC en Houston:
DeVorkin: En el descenso directo necesitabas un enorme refuerzo. En el encuentro de la órbita terrestre, necesitabas dos lanzadores Saturno para encontrarte en órbita. En el encuentro con la órbita lunar, solo necesitabas un lanzador de Saturno, pero tenías que tener, corrígeme si me equivoco, habilidades extremadamente afinadas para hacer navegación celestial , porque el encuentro con la órbita lunar se estaba realizando a la mayor distancia, ¿ era el camino critico Lo más difícil de conquistar.
Gilruth: Pero eso tenía navegación a bordo.
DeVorkin: ¿Ya se había desarrollado? ¿Hasta qué punto estaban las computadoras listas y disponibles?
Gilruth: Bueno, eso es cierto, nosotros fuimos las personas que creamos IBM. No hay duda al respecto. Adelantamos diez años la era de las computadoras con Apollo, porque realmente usamos IBM y las construimos para hacer este programa.
...
DeVorkin: Volvamos atrás y hablemos de su comentario sobre IBM y cómo la NASA hizo de IBM lo que es hoy.
Gilruth: Creo que diría que tenían mucho talento. Habrían tenido éxito sin importar qué, pero los ayudamos al darles un proyecto tan desafiante como lo fue Apollo, que requirió lo máximo en desarrollo de computadoras. No soy un experto en informática, aunque tuve muy buena gente en ese trabajo. Sin esas computadoras, nunca hubiéramos podido resolver todas esas ecuaciones en tan poco tiempo, que pudiéramos dirigir estas cosas a las órbitas adecuadas.
La maniobra de transposición/acoplamiento/extracción (TDE) de Apolo comenzó con la nave espacial ya emparejada en posición y velocidad. La separación máxima era de solo 150 pies (50 m), por lo que no es una cita. Sin embargo, se hizo manualmente.
La inyección translunar Apolo y la inyección trans-Tierra no son una cita (no hay una segunda nave). Además, sus parámetros fueron calculados por computadoras en el control de la misión, incluida la quema manual del Apolo 13 .
La película Apolo 13 muestra algunos cálculos manuales. Esta fue una rotación de los dos sistemas de coordenadas de la nave espacial, por lo que los ángulos del cardán podrían transferirse de una nave espacial a otra. Los ejes X apuntan en direcciones opuestas, y los ejes Y/Z giran porque no pudieron alinear perfectamente los ángulos de balanceo de las dos naves espaciales al acoplarse. Estos cálculos no tenían nada que ver con calcular la trayectoria, el empuje o cualquier otra maniobra de la nave espacial. El hecho de que hayas visto a un montón de tipos haciendo cálculos con reglas de cálculo no implica que todos los cálculos de naves espaciales se puedan hacer de esa manera.
Soyuz y el transbordador espacial usaron computadoras para reunirse con otras naves espaciales.
Esto elimina los modos de misión lunar-orbit-rendezvous (realmente utilizado por Apollo) y Earth-orbit-rendezvous, dejando solo el modo directo. Esto requiere una nave espacial mucho más grande, porque está transportando todo (por ejemplo, combustible, escudo térmico) a la superficie lunar y de regreso.
Sin los cálculos precisos y en tiempo real que ofrece una computadora (ya sea en la nave espacial o en la Tierra), necesita mucho más margen de combustible para las correcciones de rumbo.
Entonces, desde un sentido práctico, la respuesta es "no".
Preguntas relacionadas:
En primer lugar, el equipo de tierra podría haber realizado, y de hecho lo hizo, la mayor parte de la navegación orbital de forma remota. Este informe menciona el hecho de que la computadora de a bordo era secundaria para el Apolo 8, siendo los sistemas primarios desde tierra. La nave espacial tuvo que hacer algunas cosas, incluido hacer algunos ajustes en tiempo real durante el aterrizaje en función de la topografía real, pero las correcciones de rumbo y las quemaduras y demás se administraron desde Houston. Había un deseo de tener una computadora lo suficientemente potente como para calcular los números a bordo en caso de que sucediera algo que limitara la comunicación con la Tierra.
Las computadoras siempre han sido parte del lanzamiento de cohetes. En muchos casos, estos estaban en el suelo, ayudando a guiar el cohete a lo largo del camino deseado. Saber cuánto dirigir en qué dirección permite superar diferentes vientos, motores ligeramente desplazados y otros pequeños problemas que pueden ser prácticamente imposibles de detectar desde el suelo.
Pero tiene toda la razón, no necesita una computadora particularmente poderosa para hacer estos cálculos. Como evidencia, presente la computadora de guía Apollo, que en realidad no era tan poderosa en absoluto. Creo que el dicho común es simplemente reconocer de dónde ha llegado la tecnología, y si una computadora de tan bajo nivel podía hacer tanto en la década de 1960, imagínense lo que podemos hacer hoy.
Una cosa que le puede interesar, y fue la fuente de gran parte de esto, es este artículo que habla sobre el poder de la computadora de guía Apollo.
"¿Tengo un concepto muy ingenuo de los viajes espaciales?" - Honestamente, sí lo tienes. Aquí hay un extracto del maravilloso libro Sunburst and Luminary: An Apollo Memoir de Don Eyles :
La guía se procesaría cada dos segundos, corrigiendo y refinando repetidamente la trayectoria en función de los nuevos datos de navegación. En la ecuación de guía, con cada giro de la manivela, se incluían la posición y la velocidad del LM, conocidas en conjunto como el vector de estado. Salió un comando de apuntamiento para el piloto automático y un comando de empuje para el motor de descenso. Entre la entrada y la salida había una ecuación que comparaba el estado actual de la nave espacial con las condiciones del objetivo que se especificaban no solo en términos de posición y velocidad, sino también de aceleración, tirón (tasa de cambio de aceleración) y una dimensión de chasquido. ... Si la ecuación de guía hiciera bien su trabajo, el LM aterrizaría en la superficie lunar antes de que se quedara sin combustible, con el lado correcto hacia arriba, en el lugar correcto, con un ajuste constante del acelerador y moviéndose muy lentamente en el momento de contacto.
Y eso es solo para la maniobra de aterrizaje lunar, una de las docenas de maniobras que los tres componentes de la nave espacial Apolo tuvieron que ejecutar exactamente bien, la primera vez, para llegar a la luna y regresar.
No entiendo por qué se necesitaba una computadora, ya sea en tierra o dentro de la nave espacial.
Como señaló Ben (PearsonArtPhoto), las computadoras siempre han sido parte del lanzamiento de cohetes . De ninguna manera una opcional. Se necesitan computadoras para evitar colisiones con los escombros alrededor de la Tierra , para pilotar naves espaciales de manera automática y para monitorear los datos de la misión (sensores, los sistemas de soporte en vivo, etc.) de los que se puede aprender para mejorar futuras misiones.
El verdadero desafío parece no estar [...] relacionado con las matemáticas, o al menos con las matemáticas "en tiempo real".
A pesar de que existen muchos otros desafíos, el "verdadero desafío" durante la misión es principalmente el computacional. Todo lo demás tiene que ser resuelto antes del despegue. Si no, un solo error puede ser fatal. Muchos eventos excepcionales pueden ocurrir durante una misión, especialmente en los primeros minutos; es imposible para nosotros, los humanos, predecirlos en tiempo real.
No entiendo por qué una computadora mucho más poderosa haría alguna diferencia.
El tiempo de ciclo de memoria para la computadora de guía Apollo fue de 11,7 microsegundos. Una adición de precisión simple en el lenguaje ensamblador tomó dos ciclos de memoria. Otras instrucciones básicas necesitaban 1, 2 o 3 ciclos de memoria. Un ciclo de memoria tomó 24 ciclos del reloj de 2.048 MHz. (por Uwe)
A pesar de ser bastante lento en comparación con la tecnología actual, ningún ser humano podría hacer cálculos a esa velocidad. Eso fue suficiente para ir a la luna. Pero cuanto más rápido, más lejos vas, y a medida que aumenta la complejidad de un barco, deja de ser suficiente. Mi primer teléfono funcionó hasta a 1,2 GHz. Sin embargo, los teléfonos (especialmente Android) en realidad no pueden hacer cálculos tan rápido como técnicamente podría hacerlo su CPU, ya que en su mayoría ejecutan máquinas virtuales (JVM) y están ocupados con muchas tareas relacionadas con la interfaz de usuario.
Concluyendo
Aunque los teléfonos no son tan impresionantes como la computadora que nos llevó a la luna, en realidad es una locura que llevemos pequeñas computadoras en nuestros bolsillos que son mucho más avanzadas que las que nos llevaron a la luna. Eso es lo que llamamos progreso tecnológico... y creo que es fascinante ^^
Como solo un ejemplo, considere el aterrizaje lunar. Si piensa en un vehículo sentado encima de un cohete, con el vector de empuje del cohete pasando por el centro de masa del sistema por un momento, se dará cuenta de que no es estable: no hay nada que lo haga querer apuntar en cualquier dirección particular. Pero necesita que mire en una dirección muy particular para que el empuje del cohete apunte en la dirección que desea y el vector pase por el centro de masa del sistema para que no ejerza un par de torsión sobre él. Y necesita que siga una trayectoria muy cuidadosa hacia la superficie, lo que significa que la dirección del empuje debe controlarse continuamente al igual que la cantidad de empuje: tiene que llegar a la superficie con combustible restante, viajando muy lentamente y en el lugar correcto . .solo suficiente combustible para hacer esto porque llevar combustible a la Luna es extremadamente costoso.
Los astronautas tienen un par de pequeñas ventanas por las que pueden ver. En la fase inicial del descenso, esas ventanas están de espaldas a la superficie: no pueden ver la superficie en absoluto. Debido a que el LEM está bajo aceleración todo el camino hacia abajo 'abajo' en el LEM, de hecho, no está abajo, por lo que no saben en qué dirección está arriba la mayor parte del tiempo. Así que van a tener que hacer todo esto por instrumentos.
Bueno, ¿qué les pueden decir los instrumentos? Pueden saber en qué dirección está orientado el LEM en el espacio inercial. Pueden saber qué tan lejos está por encima de lo que sea que esté en la superficie debajo de ellos (es decir, no qué tan lejos está por encima del lugar de aterrizaje, sino qué tan lejos está por encima de cualquier montaña por la que estén pasando). Realmente no pueden saber su posición en los otros dos ejes. Pueden conocer el vector de aceleración del LEM en su propio marco. Y digamos que sabían tanto la posición como la velocidad al comienzo del descenso.
Entonces, lo que deben hacer es averiguar dónde está el LEM y qué tan rápido se está moviendo. Para ello necesitan:
Y necesitan hacer esto cada segundo más o menos . Ah, y ¿mencioné que mientras todo esto sucede, deben asegurarse de que el vehículo permanezca apuntando en la dirección correcta, que es su propio problema computacional horrible? Y mientras hacen eso, deben observar los instrumentos para verificar que no suceda nada malo, tomar decisiones de aborto, etc., etc.
Esto está mucho más allá de las capacidades de un ser humano como para ser difícil de describir. Esta es solo una de las razones por las que todos los cohetes usan computadoras como guía: el problema es demasiado difícil de resolver sin una. El V-2 usaba una computadora, por ejemplo: era una computadora analógica, pero era una computadora.
Es interesante que algunos problemas astrodinámicos simples se puedan resolver sin una computadora, solo con un bolígrafo y usando el álgebra de la escuela secundaria.
Por ejemplo, la masa de la carga útil que lanza un cohete se puede calcular mediante la ecuación de Rocket. La advertencia es que no tenemos en cuenta 1) el arrastre de la atmósfera y 2) la trayectoria no recta del cohete.
Además, la transferencia de órbita se puede calcular fácilmente, por ejemplo, la transferencia de Hohmann. Si una nave espacial tiene una órbita elíptica inicial con perigeo p1 y apogeo a1, podemos calcular cuánto propulsor necesitará quemar para transferirse a una nueva órbita con perigeo p2 y apogeo a2.
PERO. Si queremos saber cómo cambiará la velocidad de la nave espacial con el tiempo, en qué punto estará la nave espacial en un momento dado, este problema no se puede resolver analíticamente. Nos encontramos con la ecuación de Kepler que necesita cálculos iterativos, muchos de ellos para alcanzar la precisión suficiente.
Y la ecuación de Kepler es solo el caso más simple: para un sistema de dos cuerpos. En realidad en vuelo a la Luna tenemos también la gravitación de la Luna y el Sol. En la mayoría de los momentos del vuelo podemos reducir el problema a dos cuerpos, porque la Tierra (o la Luna) es la fuente dominante de gravitación. Otros cuerpos pueden ser explicados por la teoría de la perturbación (fórmulas ya bastante complejas y muchos cálculos). Pero para algunos momentos de acercamiento a la Luna, incluso esto es problemático porque la gravedad de la Luna y la Tierra son comparables allí. Si no recuerdo mal, la trayectoria de estos momentos era casi imposible de calcular sin computadoras (fuente: A.Roy "Movimiento orbital").
PD No pude encontrar ningún libro de texto de astrodinámica en acceso abierto. Si alguien puede, por favor proporcione el enlace. :) Basta con mirar allí una vez para ver CUÁNTAS MATEMÁTICAS hay. :)
Según este artículo, la computadora de navegación y guía tenía 36K de ROM y 2K de RAM.
https://history.nasa.gov/afj/compessay.html
Enumera 30 "programas" diferentes que podría ejecutar.
Los programas probablemente miden cosas como temperatura, presión, giroscopios, etc. como entrada. Luego, el software decide cómo hacer el control del motor para mantener el vehículo estabilizado y en el objetivo.
Si tuviera que hacerlo, supongo que podría escribir software para tomar simultáneamente 100 entradas de telemetría, controlar unos 20 motores/actuadores y ajustarlo en 32k.
Un software similar que escribí en 1995 tomaba 300k de ROM y tenía mucho más de 2K de RAM. Recuerdo haberle preguntado a mi jefe: "¿Qué características quieres que elimine?" Para mantener el tamaño por debajo de 300k.
Para obtener más detalles sobre cómo se diseñó y construyó la computadora de guía Apollo, y las personas que lo hicieron, eche un vistazo a We Hack the Moon , el sitio web del 50 aniversario del laboratorio del MIT que dirigió el trabajo. Durante la exhibición abierta al público del museo en su vestíbulo de junio a octubre de 2019, tenían una maqueta del LEM que le permitía intentar aterrizarlo usted mismo, lo cual es casi imposible sin la capacitación adecuada .
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