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天人地 2023-12-10 19:50



人类是如何登上月球的?你可能会说,当然是靠火箭啊。但是你知道,最早那台造出了火箭,让人类登月的计算机,它的性能有多低吗?



如果我说,那台计算机的内存只有4KB,比你现在用的手机或电脑的内存少了几百万倍,你敢相信吗?
这台计算机就是阿波罗制导计算机(AGC),它是人类登月计划的核心部件,也是计算机历史上的一个奇迹。







美国要上天





在20世纪中叶,曾有一场史无前例的太空竞赛,在这场竞赛中,美国和苏联展开了激烈的角逐。
这不仅仅是关于太空探索,更是一场彰显科技实力和政治制度优越性的较量。两国都为了占据太空制高点,投入了大量的人力、物力和财力。



苏联率先开启了这场竞赛,创造了一系列令世人瞩目的壮举:他们发射了第一颗人造卫星、将第一只动物送入太空、派遣了第一位太空人、甚至实现了太空行走,这些成就让全球为之惊叹,也让美国深感危机与恐惧。
美国不愿落后,加快了自己的太空计划,但频繁的失败和挫折让他们开始怀疑是否能赶上苏联的步伐。



在那个时候,新任美国总统肯尼迪做出了一个惊人的决定:他宣布,在1960年代结束之前,美国将实现将人类送上月球的壮举!这个目标听起来简直是疯狂的。
因为当时美国的太空技术相当滞后,甚至还没成功将人类送入地球轨道。登月所需的火箭、飞船、导航和通信等技术都是前所未有的挑战,需要巨额资金和资源,也要面对巨大的风险和不确定性。



1961年5月25日,肯尼迪向美国国会发表了一段著名的演讲,正式启动了阿波罗载人登月工程。这段演讲为阿波罗计划确定了更具体的目标,也给了美国航天工作者更大的挑战。
他们必须在有限的时间内,克服无数技术难关,完成人类历史上最复杂、最危险、最宏伟的太空任务。







AGC的诞生





要实现将人类送上月球并安全返回地球,可不是一项简单的任务。首先,你需要一枚强大的火箭,足以将载人飞船送离地球引力束缚,进入月球轨道。
其次,你需要一艘能够在月球表面着陆和起飞的登月舱,以确保宇航员在月球上能够进行活动。



再者,你需要一套精密的导航和控制系统,使飞船和登月舱能够在太空中精确交会和对接,避免与月球表面的山峰和陨石坑发生碰撞。
最后,你需要一套可靠的通信和数据传输系统,以确保地面与太空中的人员能够实时交流信息和指令,同时监测飞行器和宇航员的状态。



这些挑战是阿波罗计划中美国航天工作者所必须面对的。而其中最为关键的一个问题是,如何设计一台能够胜任这些任务的计算机。
当时的美国面临着一个巨大的挑战:他们没有现成的技术和产品可以直接用于阿波罗计划。他们必须从零开始,创造出一种全新的计算机,既能够满足太空任务的要求,又能够超越当时的技术水平。这是一项巨大的挑战,也是一次伟大的创新。



这次创新的主角是美国麻省理工学院(MIT)的仪器实验室(IL)。这个机构专门从事航空和太空技术研究,曾为美国在二战和冷战中提供许多重要的武器和系统。
在阿波罗计划中,仪器实验室负责设计和开发阿波罗制导计算机(AGC),以及与之配套的飞船和登月舱的制导和导航系统。
仪器实验室的研究人员中包括一些后来成为计算机领域名人的人物,如查尔斯·德雷珀、约翰·麦卡锡、马文·明斯基等。他们在这项任务中扮演着重要角色,为克服技术难题和推动太空探索做出了杰出的贡献。



IL的研究人员面临着前所未有的挑战:在极短的时间内,完成一台能够在太空中工作的计算机的设计、制造、测试和安装。
这台计算机需要具备以下几个特点:
  • 尺寸轻巧


它必须足够小、足够轻,才能被装在飞船和登月舱内,不占用太多空间和重量。研究人员为自己确立了严格目标:计算机的体积不得超过1立方英尺(约0.03立方米),重量不得超过70磅(约32千克)。



  • 高性能


计算机必须足够强大、足够快,以处理复杂的计算和指令,避免出现错误和延迟。研究人员设定了目标:计算机的运算速度需达到每秒4万次,内存容量要达到4KB,程序存储容量要达到36KB。



  • 稳定可靠


计算机必须足够稳定、足够坚固,在恶劣的太空环境中正常工作,不受温度、辐射、震动等影响。研究人员确立了目标:计算机的可靠性需达到99.999%,故障率低于每小时0.001次,工作温度范围在-55℃到85℃之间。



  • 智能互动


计算机必须足够智能、足够灵活,能够与宇航员和地面人员有效交互,避免造成误解和混乱。
研究人员设定了目标:计算机需执行多种飞行任务模式,处理各种异常情况,并通过数字显示屏和键盘与人员进行沟通。



IL的研究人员面对着极具挑战性的目标,但他们运用了一系列创新和突破,最终使这些目标成为可能。他们采取了多种方法:
采用基于硅的集成电路(IC):这种IC代替了传统的晶体管和电阻,是当时最新的技术。它能够在小小的芯片上集成数百个电子元件,显著缩小了计算机的体积和重量,同时提升了速度和稳定性。
IL是首个采用IC的机构,与雷神公司合作开发了专门为AGC设计的IC,共生产了约28万个,耗资约1.5亿美元。



使用绳存储器技术:这种存储器由金属丝编织而成,每根丝上装有多个磁芯,每个磁芯可存储一个二进制位。
它能保持数据稳定性,抵抗温度和辐射影响,且存储容量大。IL的研究人员使用特殊机器,在绳存储器上编织了约72千米的程序,存储了约36KB的程序。



运用核心存储器技术:这种存储器由小型磁环组成,每个磁环可存储一个二进制位。它具有快速读写和数据不易丢失的特性,存储容量也不小。IL的研究人员使用特殊机器,将计算机数据存储在约4KB的核心存储器中。



利用DSKY设备与人员进行交互:这种设备由数字显示屏和键盘组成,能显示和输入数字和字母。它简化和标准化了计算机操作,提供和接收必要信息,易于使用和理解。IL的研究人员使用特殊语言,在约120个DSKY上编码了计算机功能和指令,并安装在飞船和登月舱上。



通过这些创新和突破,IL的研究人员,终于在1966年,完成了AGC的研发工作。他们造出了一台性能优异的计算机,不仅满足了阿波罗计划的要求,而且超越了当时的技术水平。
这台计算机,被誉为“登月的第四个人”,它为人类的太空探索,做出了巨大的贡献。



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