حاسوب رقمي لمركبة الإطلاق

كان حاسوب الإطلاق الرقمي ( LVDC ) حاسوبًا يوفر نظام الطيار الآلي لصاروخ ساتورن 5 بدءًا من الإطلاق، مرورًا بالدخول في مدار الأرض ، وصولًا إلى عملية حقن الوقود العابرة للقمر التي سترسل مركبة أبولو الفضائية إلى القمر. صُمم وصُنع هذا الحاسوب في مركز أنظمة الإلكترونيات التابع لشركة IBM في أويغو، نيويورك، وكان أحد المكونات الرئيسية لوحدة الأجهزة المُركبة على المرحلة S-IVB من صاروخي ساتورن 5 وساتورن 1B . كما دعم حاسوب الإطلاق الرقمي (LVDC) عمليات فحص أجهزة ساتورن قبل الإطلاق وبعده. وقد استُخدم بالتزامن مع مُهايئ بيانات مركبة الإطلاق (LVDA) الذي كان يُجري معالجة الإشارات من مُدخلات المُستشعرات إلى الحاسوب من مركبة الإطلاق.

كان معالج LVDC قادراً على تنفيذ 12190 تعليمة في الثانية . وللمقارنة، في عام 2022، ابتكر باحثون في جامعة كاليفورنيا شريحة قادرة على العمل بسرعة 1.78 تريليون تعليمة في الثانية، ^{[ 1 ]} أي أسرع بـ 146 مليون مرة.

كانت ساعة النظام الرئيسية تعمل بتردد 2.048  ميجاهرتز، ولكن العمليات كانت تُنفذ بتسلسل بتّي، حيث تتطلب معالجة كل بت 4 دورات، و14 بت لكل مرحلة من مراحل التعليمات، و3 مراحل لكل تعليمة، مما ينتج عنه زمن دورة تعليم أساسية يبلغ 82  ميكروثانية (168  دورة ساعة) لعملية جمع بسيطة. بعض التعليمات (مثل الضرب أو القسمة) كانت تستغرق عدة أضعاف زمن دورة التعليم الأساسية للتنفيذ.

كانت الذاكرة على شكل مقاطع لفظية من 13 بت ، لكل منها بت تكافؤ رابع عشر. ^{[ 3 ]} كانت التعليمات عبارة عن مقطع لفظي واحد، بينما كانت كلمات البيانات عبارة عن مقطعين لفظيين (26 بت). كانت الذاكرة الرئيسية عبارة عن نواة مغناطيسية ذات وصول عشوائي ، على شكل وحدات ذاكرة سعة كل منها 4096 كلمة. وفرت ثماني وحدات كحد أقصى 32768 كلمة من الذاكرة. وفرت خطوط التأخير فوق الصوتية التخزين المؤقت.

لضمان الموثوقية، استخدم جهاز LVDC منطقًا ثلاثي التكرار ونظام تصويت. احتوى الحاسوب على ثلاثة أنظمة منطقية متطابقة، قُسِّم كل نظام منها إلى مسار معالجة من سبع مراحل . في كل مرحلة، يُجري نظام التصويت عملية تصويت بالأغلبية، حيث تُمرَّر النتيجة الأكثر شيوعًا إلى المرحلة التالية في جميع مسارات المعالجة. هذا يعني أنه في كل مرحلة من المراحل السبع، حتى لو تعطلت وحدة واحدة في أي من مسارات المعالجة الثلاثة، سيظل جهاز LVDC يُنتج النتائج الصحيحة. ^{[ 4 ]} وقد أسفر ذلك عن موثوقية مُقدَّرة بنسبة 99.6% على مدار 250 ساعة تشغيل، وهي نسبة تتجاوز بكثير الساعات القليلة المطلوبة لمهمة أبولو.

مع أربع وحدات ذاكرة، مما يعطي سعة إجمالية قدرها 16384 كلمة، كان وزن الكمبيوتر 72.5 رطل (32.9 كجم) ، وكان حجمه 29.5 × 12.5 × 10.5 بوصة (750 مم × 320 مم × 270 مم) ويستهلك 137 واط.       

كانت وحدة التحكم في إطلاق المركبات الفضائية (LVDC) تتصل رقميًا بمحول بيانات مركبة الإطلاق (LVDA). يقوم محول بيانات مركبة الإطلاق بتحويل الإشارات من تناظرية إلى رقمية ومن رقمية إلى تناظرية باستخدام حاسوب التحكم في الطيران (FCC). ^{[ 5 ]} وكان حاسوب التحكم في الطيران حاسوبًا تناظريًا.

قُسّمت كلمات تعليمات LVDC إلى حقل رمز العملية (opcode) ذي 4 بتات (البتات الأقل أهمية) وحقل عنوان المعامل (opand address) ذي 9 بتات (البتات الأكثر أهمية). نتج عن ذلك ستة عشر قيمة محتملة لرمز العملية (opcode) من أصل ثمانية عشر تعليمة مختلفة؛ وبالتالي، استخدمت ثلاث من التعليمات نفس قيمة رمز العملية، واستخدمت بتين من قيمة العنوان لتحديد التعليمة التي تم تنفيذها.

تم تقسيم الذاكرة إلى "قطاعات" مكونة من 256 كلمة. 8 بتات من العنوان تحدد كلمة داخل قطاع، والبت التاسع يختار بين "القطاع الحالي" القابل للتحديد بواسطة البرنامج أو قطاع عالمي يسمى "الذاكرة المتبقية".

كانت التعليمات الثمانية عشر الممكنة لأنظمة التيار المستمر منخفض الجهد كما يلي: ^{[ 6 ] : 20-101}

يمكن لجهاز LVDC أيضًا الاستجابة لعدد من المقاطعات التي يتم تشغيلها بواسطة أحداث خارجية.

بالنسبة لجهاز Saturn IB، كانت هذه المقاطعات كالتالي:

بالنسبة لصاروخ ساتورن 5، كانت هذه المقاطعات كالتالي:

كان حجم وحدة المعالجة المركزية منخفضة الجهد (LVDC) حوالي 760 مم (30 بوصة ) عرضًا، و 320 مم (12.5 بوصة ) ارتفاعًا، و 270 مم (10.5 بوصة ) عمقًا، ووزنها 32.9 كجم (72.5 رطلًا) . ^{[ 8 ]} صُنع الهيكل من سبيكة المغنيسيوم والليثيوم LA 141، التي اختيرت لصلابتها العالية، ووزنها الخفيف، وخصائصها الجيدة في امتصاص الاهتزازات. ^{[ 9 ] : 511} قُسّم الهيكل إلى مصفوفة 3 × 5 من الخلايا، تفصل بينها جدران يُمرر من خلالها سائل التبريد لإزالة 138 واط ^{[ 10 ]} من الطاقة التي يُبددها الحاسوب. احتوت فتحات في جدران الخلايا على "صفحات" من الإلكترونيات. كان قرار تبريد وحدة المعالجة المركزية منخفضة الجهد (LVDC) عن طريق تدوير سائل التبريد عبر جدران الحاسوب فريدًا من نوعه في ذلك الوقت، وسمح بوضع وحدتي المعالجة المركزية منخفضة الجهد (LVDC) ووحدة المعالجة المركزية منخفضة الجهد (LVDA) (المبردة جزئيًا باستخدام هذه التقنية) في موقع واحد للوحة التبريد نظرًا للتصميم ثلاثي الأبعاد. كانت الألواح الباردة المستخدمة لتبريد معظم المعدات في وحدة الأجهزة غير فعالة من حيث المساحة، على الرغم من تعدد استخداماتها مع مختلف المعدات المستخدمة. وقد استخدمت شركة IBM سبيكة LA 141 بكميات صغيرة في لوحة مفاتيح Gemini ووحدات القراءة والحاسوب، وصُنع الإطار الأكبر لوحدة LVDC من أكبر قوالب LA 141 التي صُبّت في ذلك الوقت، ثم شُكّلت لاحقًا باستخدام آلات CNC.    

تتألف كل صفحة من لوحتين متقابلتين، يتراوح حجم كل منهما بين 64 و76 ملم (2.5-3 بوصة ) ، وإطار من المغنيسيوم والليثيوم لتوصيل الحرارة إلى الهيكل في الصفحات منخفضة الطاقة، وإطار من المغنيسيوم والألومنيوم والزنك في الصفحات عالية الطاقة. تحتوي اللوحات ذات الاثنتي عشرة طبقة على طبقات الإشارة والطاقة والأرضي، وتُوصل الطبقات ببعضها عبر ثقوب مطلية. وُضعت هذه الثقوب عمدًا أسفل وحدات المنطق (ULD) للمساعدة في توصيل الحرارة من هذه الوحدات إلى الإطارات المعدنية، وبالتالي إلى جدران نظام التبريد. 

يمكن لحام ما يصل إلى 35 مربعًا من الألومينا بأبعاد 0.3 × 0.3 × 0.07 بوصة (7.6 مم × 7.6 مم × 1.8 مم) ^{[ 11 ]} على لوحة إلكترونية باستخدام تقنية اللحام بالتدفق. تحتوي هذه المربعات على موصلات مطبوعة بتقنية الطباعة الحريرية على سطحها العلوي، ومقاومات مطبوعة بتقنية الطباعة الحريرية على سطحها السفلي. كما تُلحم رقائق أشباه الموصلات بأبعاد 0.025 × 0.025 بوصة (0.64 مم × 0.64 مم) ، تحتوي كل منها إما على ترانزستور واحد أو ثنائيين، على السطح العلوي باستخدام تقنية اللحام بالتدفق. تُسمى الوحدة الكاملة جهازًا منطقيًا أحاديًا. ^{[ 12 ]} يُعد الجهاز المنطقي الأحادي (ULD) نسخة مصغرة من وحدة تقنية المنطق الصلب (SLT) من شركة IBM، ولكنه مزود بوصلات مشبك. ^{[ 4 ] [ 13 ] [ 14 ]} استُخدمت كرات نحاسية للتوصيل بين الرقائق والأنماط الموصلة. ^{[ 9 ] : 509}        

يوضح الجدول التالي التسلسل الهرمي للبنية الإلكترونية.

• 
  مسؤولو مركز مارشال لرحلات الفضاء، بمن فيهم فيرنر فون براون (على اليسار) ينظرون إلى جهاز LVDC
• 
  جهاز كمبيوتر، مفكك جزئياً
• 
  ثماني مجموعات ذاكرة حلقية ، يشار إليها مجتمعة باسم الذاكرة الأساسية

• حاسوب توجيه أبولو
• نظام التوجيه الأساسي للمركبة الفضائية أبولو PGNCS
• حاسوب المركبة الفضائية جيميني الموجود على متنها (OBC)

• شركة آي بي إم، حاسوب رقمي لمركبة إطلاق ساتورن 5، المجلد الأول: الوصف العام والنظرية ، 30 نوفمبر 1964
• شركة آي بي إم، حاسوب توجيه ساتورن 5، التقرير المرحلي نصف السنوي، 1 أبريل - 30 سبتمبر 1963 ، 31 أكتوبر 1963؛ أرشيف
• شركة بيلكوم، متطلبات الذاكرة للحاسوب الرقمي لمركبة الإطلاق (LVDC) ، 25 أبريل 1967
• بوينغ، معادلات توجيه مركبة الإطلاق ساتورن 5، SA-504 ، 15 يوليو 1967
• هاوسرمان، والتر (يوليو 1970). وصف وأداء نظام الملاحة والتوجيه والتحكم لمركبة الإطلاق ساتورن (ملف PDF) . ناسا TN D-5869.
• مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، دليل رحلة ساتورن 5 SA-503 ، 1 نوفمبر 1968
• مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، دليل رحلة سكايلاب ساتورن 1B ، 30 سبتمبر 1972
• إم إم ديكنسون، جيه بي جاكسون، جي سي راندا. مركز توجيه الفضاء التابع لشركة آي بي إم، أويغو، نيويورك. "حاسوب رقمي ومحول بيانات لمركبة إطلاق ساتورن 5". وقائع مؤتمر الحاسوب المشترك للخريف، 1964، الصفحات 501-516.
• إس. بونيس، آر. جاكسون، وبي. باجناني. مركز توجيه الفضاء التابع لشركة آي بي إم، أويغو، نيويورك. "التغليف الميكانيكي والإلكتروني لحاسوب توجيه مركبة الإطلاق". ندوة التغليف الإلكتروني الدولية، 21-24 أغسطس 1964. الصفحات 226-241.
• تقرير دراسة أبولو، المجلد 2، شركة آي بي إم .مركز توجيه الفضاء التابع لشركة IBM، أويغو، نيويورك، 1 أكتوبر 1963. 133 صفحة. متوفر أيضًا على Virtual AGC (ابحث عن 63-928-130 ).
• مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، دليل نظام إلكترونيات الفضاء لمركبات إطلاق ساتورن ، 1 نوفمبر 1968. رقم MSFC: IV-4-401-1. رقم IBM: 68-966-0002. 419 صفحة. يتناول الفصل 15 وحدة LVDC ومحول بيانات مركبة الإطلاق.

• أرشيفات آي بي إم: حاسوب ساتورن الإرشادي
• صور عالية الدقة لمكونات مركبة الهبوط القمرية (LDVC) في مجموعة SpaceAholic لقطع أثرية من مركبة أبولو القمرية وساتورن 5 الفضائية
• لوحة دوائر من صاروخ ساتورن 5، تم هندستها عكسياً وشرحها