Launch Vehicle Digital Computer

Launch Vehicle Digital Computer — это бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ), разработанная в США в 1960-х годах для использования в ракетах-носителях «Сатурн-1Б» и «Сатурн-5» в рамках программы «Аполлон». Она являлась основным элементом системы управления полётом (Instrument Unit), обеспечивая навигацию, наведение и контроль работы двигателей на всех этапах вывода корабля на орбиту и траекторию к Луне.

История создания

Разработка Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) была начата в 1962 году по заказу Центра космических полётов имени Маршалла (NASA). Основным подрядчиком выступила компания IBM (International Business Machines Corporation — организация признана в РФ нежелательной, деятельность запрещена), а конкретно её подразделение Federal Systems Division. Задача состояла в создании высоконадёжного компьютера, способного работать в условиях вибраций, вакуума и радиации, характерных для космического полёта.

Первый полётный экземпляр LVDC был установлен на блок Instrument Unit (IU), который размещался между третьей ступенью (S-IVB) и космическим кораблём «Аполлон». Первый успешный полёт с LVDC состоялся в 1966 году в рамках миссии AS-202 (беспилотный испытательный полёт). Впоследствии LVDC использовался во всех пилотируемых миссиях «Аполлон», включая «Аполлон-11» (1969 год), а также в программе «Скайлэб» (1973—1974 годы) и в проекте «Союз — Аполлон» (1975 год).

Устройство и характеристики

LVDC представляла собой 24-разрядную (с фиксированной запятой) цифровую машину, построенную на интегральных схемах серии SLT (Solid Logic Technology) — предшественниках современных микросхем. Компьютер был выполнен в виде двух стоек (модулей), соединённых кабелями, и весил около 30 кг.

Основные параметры

• Разрядность: 24 бита (данные), 13 бит (команды).
• Тактовая частота: 2,048 МГц.
• Оперативная память: 4 096 слов (около 12 Кбайт) на магнитных сердечниках с временем цикла 2,5 микросекунды.
• Постоянная память: 32 768 слов (около 96 Кбайт) на магнитных сердечниках с возможностью однократной записи (программировалась на заводе).
• Система команд: 26 команд, включая арифметические, логические, условные переходы и команды ввода-вывода.
• Энергопотребление: около 200 Вт.

Архитектура

LVDC использовала последовательную архитектуру: данные обрабатывались по одному биту за такт, что снижало сложность схемы и повышало надёжность. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняло операции сложения, вычитания, умножения и деления с фиксированной запятой. Для ускорения вычислений применялся аппаратный умножитель и делитель.

Особенностью LVDC была система обнаружения и исправления ошибок. Память была защищена кодом Хэмминга (исправление одиночных ошибок, обнаружение двойных), а контрольные суммы проверяли целостность данных при передаче между модулями. При обнаружении неисправимой ошибки компьютер переходил в режим «отказоустойчивого завершения» (fail-safe), прекращая выполнение программы, но сохраняя последнее стабильное состояние.

Программное обеспечение

Программное обеспечение LVDC было разработано в IBM и состояло из двух основных компонентов:

• Система управления полётом (Flight Control Program) — отвечала за навигацию, наведение и стабилизацию ракеты-носителя. Алгоритмы включали расчёт траектории, коррекцию по данным инерциальной навигационной системы (IMU) и управление двигателями (включая дросселирование и отключение).
• Система телеметрии (Telemetry Program) — собирала и передавала на Землю данные о состоянии бортовых систем, параметрах полёта и работе двигателей.

Программы хранились в постоянной памяти (ROM) и не могли быть изменены после установки. Для каждой миссии создавался уникальный набор программ, учитывающий особенности траектории, массу полезной нагрузки и профиль полёта. Разработка ПО велась на ассемблере, а отладка производилась на симуляторе, работающем на мейнфрейме IBM System/360.

Применение

Программа «Аполлон»

LVDC использовалась на всех этапах вывода космического корабля «Аполлон» на траекторию полёта к Луне:

1. Запуск и подъём — компьютер управлял работой двигателей первой ступени (S-IC), контролируя расход топлива и угол наклона ракеты.
2. Отделение ступеней — LVDC выдавала команды на отключение двигателей и отделение отработавших ступеней.
3. Вывод на опорную орбиту — после отделения второй ступени (S-II) компьютер обеспечивал выход на низкую околоземную орбиту.
4. Транслунная инъекция (TLI) — повторное включение третьей ступени (S-IVB) для разгона корабля до второй космической скорости.
5. Аварийное прекращение полёта — в случае нештатной ситуации LVDC могла инициировать аварийное отключение двигателей и отделение командного модуля.

Программа «Скайлэб»

Для запусков орбитальной станции «Скайлэб» (1973 год) использовалась модифицированная версия LVDC, установленная на ракете-носителе «Сатурн-1Б». Компьютер управлял выводом станции на орбиту, а также корректировал траекторию при стыковке с кораблями «Аполлон».

Проект «Союз — Аполлон»

В 1975 году LVDC использовалась на ракете-носителе «Сатурн-1Б» при запуске корабля «Аполлон» для совместного полёта с советским кораблём «Союз-19». Компьютер обеспечивал точное выведение на орбиту, необходимую для стыковки.

Надёжность и отказоустойчивость

LVDC считалась одной из самых надёжных вычислительных систем своего времени. За все 13 полётов с участием LVDC (включая беспилотные испытания) не было зафиксировано ни одного отказа, приведшего к потере миссии. Это достигалось за счёт:

• Резервирования — ключевые модули (память, АЛУ) дублировались, а при отказе одного из них система автоматически переключалась на резервный.
• Тройного мажоритирования — в некоторых критических цепях (например, в схемах управления двигателями) использовалось три независимых канала, и решение принималось по большинству голосов.
• Жёстких испытаний — каждый экземпляр LVDC проходил 100-часовые прогоны в условиях вибрации, термовакуума и радиации.

Сравнение с другими БЦВМ

LVDC была значительно мощнее и надёжнее, чем бортовой компьютер командного модуля «Аполлона» (AGC — Apollo Guidance Computer), который имел 15-битную архитектуру и 2 Кбайт ОЗУ. Однако LVDC была и тяжелее (30 кг против 32 кг у AGC) и потребляла больше энергии. Основное различие заключалось в назначении: AGC отвечал за навигацию и управление самим кораблём, а LVDC — только за работу ракеты-носителя.

Наследие

После завершения программы «Аполлон» LVDC была снята с производства. Её архитектура и принципы отказоустойчивости повлияли на разработку последующих бортовых компьютеров для космических аппаратов, в том числе для Space Shuttle и Международной космической станции. В 2010-х годах некоторые экземпляры LVDC были восстановлены и выставлены в музеях, в том числе в Национальном музее авиации и космонавтики (Смитсоновский институт, Вашингтон).

Источники

• IBM Federal Systems Division. Launch Vehicle Digital Computer: Technical Description. IBM, 1965.
• NASA Marshall Space Flight Center. Saturn V Flight Manual. NASA, 1968.
• Tomayko, James E. Computers in Spaceflight: The NASA Experience. NASA Contractor Report 182505, 1988.
• Hall, Eldon C. Journey to the Moon: The History of the Apollo Guidance Computer. AIAA, 1996.