Computadora digital del vehículo de lanzamiento

El ordenador digital del vehículo de lanzamiento ( LVDC ) era un ordenador que proporcionaba el piloto automático al cohete Saturno V desde el lanzamiento, pasando por la inserción en órbita terrestre , hasta la maniobra de inyección translunar que enviaría la nave espacial Apolo a la Luna. Diseñado y fabricado por el Centro de Sistemas Electrónicos de IBM en Owego, Nueva York, era uno de los componentes principales de la unidad de instrumentación , instalada en la etapa S-IVB de los cohetes Saturno V y Saturno IB . El LVDC también permitía realizar comprobaciones del hardware del Saturno antes y después del lanzamiento. Se utilizaba junto con el adaptador de datos del vehículo de lanzamiento (LVDA), que realizaba el acondicionamiento de la señal desde las entradas de los sensores hasta el ordenador del vehículo de lanzamiento.

El LVDC era capaz de ejecutar 12190 instrucciones por segundo . En comparación, en 2022, investigadores de la Universidad de California crearon un chip capaz de funcionar a 1,78 billones de instrucciones por segundo, ^{[ 1 ]} 146 millones de veces más rápido.

Su reloj maestro funcionaba a 2,048  MHz, pero las operaciones se realizaban bit a bit, requiriendo 4 ciclos para procesar cada bit, 14 bits por fase de instrucción y 3 fases por instrucción, lo que resultaba en un tiempo de ciclo de instrucción básico de 82  μs (168  ciclos de reloj) para una suma simple. Algunas instrucciones (como la multiplicación o la división) requerían varios múltiplos del ciclo de instrucción básico para ejecutarse.

La memoria estaba en forma de sílabas de 13 bits , cada una con un decimocuarto bit de paridad. ^{[ 3 ]} Las instrucciones tenían un tamaño de una sílaba, mientras que las palabras de datos tenían dos sílabas (26 bits). La memoria principal era de núcleo magnético de acceso aleatorio , en forma de módulos de memoria de 4096 palabras. Hasta 8 módulos proporcionaban un máximo de 32 768 palabras de memoria. Las líneas de retardo ultrasónicas proporcionaban almacenamiento temporal.

Para garantizar la fiabilidad, el LVDC empleó lógica de triple redundancia y un sistema de votación. El ordenador incluía tres sistemas lógicos idénticos. Cada sistema lógico se dividió en una tubería de siete etapas . En cada etapa de la tubería, un sistema de votación tomaba la decisión por mayoría sobre los resultados, y el resultado más popular se transmitía a la siguiente etapa en todas las tuberías. Esto significaba que, en cada una de las siete etapas, un módulo en cualquiera de las tres tuberías podía fallar, y el LVDC seguiría produciendo los resultados correctos. ^{[ 4 ]} El resultado fue una fiabilidad estimada del 99,6 % durante 250 horas de funcionamiento, lo que era mucho más que las pocas horas requeridas para una misión Apolo.

Con cuatro módulos de memoria, que proporcionaban una capacidad total de 16.384 palabras, el ordenador pesaba 32,9 kg (72,5 lb) , tenía unas dimensiones de 750 mm × 320 mm × 270 mm (29,5 × 12,5 × 10,5 pulgadas ) y consumía 137 W.       

El LVDC se comunicaba digitalmente con un adaptador de datos del vehículo de lanzamiento (LVDA). El LVDA convertía la señal analógica a digital y la digital a analógica con una computadora de control de vuelo (FCC). ^{[ 5 ]} La FCC era una computadora analógica.

Las instrucciones LVDC se dividieron en un campo de código de operación de 4 bits (bits menos significativos) y un campo de dirección de operando de 9 bits (bits más significativos). Esto resultó en dieciséis posibles valores de código de operación para dieciocho instrucciones diferentes; por lo tanto, tres de las instrucciones utilizaban el mismo valor de código de operación y dos bits de la dirección se usaban para determinar cuál se ejecutaba.

La memoria se dividía en "sectores" de 256 palabras. Ocho bits de la dirección especificaban una palabra dentro de un sector, y el noveno bit seleccionaba entre el "sector actual", seleccionable por software, o un sector global llamado "memoria residual".

Las dieciocho posibles instrucciones LVDC fueron: ^{[ 6 ] : 20–101}

El LVDC también podría responder a una serie de interrupciones provocadas por eventos externos.

Para un Saturn IB, estas interrupciones fueron:

Para un Saturno V, estas interrupciones fueron:

El LVDC tenía aproximadamente 30 pulgadas (760 mm) de ancho, 12,5 pulgadas (320 mm) de alto y 10,5 pulgadas (270 mm) de profundidad y pesaba 72,5 libras (32,9 kg) . ^{[ 8 ]} El chasis estaba hecho de aleación de magnesio-litio LA 141, elegida por su alta rigidez, bajo peso y buenas características de amortiguación de vibraciones. ^{[ 9 ] : 511} El chasis estaba dividido en una matriz de 3 x 5 celdas separadas por paredes a través de las cuales circulaba refrigerante para eliminar los 138 vatios ^{[ 10 ]} de potencia disipada por la computadora. Ranuras en las paredes de las celdas contenían "páginas" de electrónica. La decisión de enfriar el LVDC haciendo circular refrigerante a través de las paredes de la computadora fue única en ese momento y permitió que el LVDC y el LVDA (parcialmente enfriado usando esta técnica) se colocaran en una ubicación de placa fría debido al empaque tridimensional. Las placas de refrigeración utilizadas para enfriar la mayoría de los equipos en la Unidad de Instrumentación eran ineficientes desde el punto de vista espacial, aunque versátiles para la variedad de equipos utilizados. La aleación LA 141 había sido utilizada por IBM en el teclado, las unidades de lectura y la computadora Gemini en pequeñas cantidades, y el bastidor más grande del LVDC se fabricó a partir de los lingotes de LA 141 más grandes fundidos en ese momento y posteriormente mecanizados por CNC para formar el bastidor.    

Cada página constaba de dos placas de 64 a 76 mm (2,5 a 3 pulgadas ) dispuestas una frente a la otra, con un marco de magnesio-litio para disipar el calor hacia el chasis en las páginas de baja potencia y de magnesio-aluminio-zinc en las de mayor potencia. Las placas de 12 capas contenían capas de señal, alimentación y tierra, y las conexiones entre capas se realizaban mediante orificios metalizados. Estos orificios se ubicaron deliberadamente debajo de los dispositivos lógicos unitarios (ULD) para facilitar la disipación del calor desde los dispositivos hacia los marcos metálicos y, por consiguiente, hacia las paredes del sistema de refrigeración. 

Se podían soldar por reflujo hasta 35 cuadrados de alúmina de 0,3 x 0,3 x 0,07 pulgadas (7,6 mm × 7,6 mm × 1,8 mm) ^{[ 11 ]} a una placa. Estos cuadrados de alúmina tenían conductores serigrafiados en la cara superior y resistencias serigrafiadas en la cara inferior. Chips semiconductores de 0,025 x 0,025 pulgadas (0,64 mm × 0,64 mm) , cada uno con un transistor o dos diodos, se soldaban por reflujo en la cara superior. El módulo completo se denominaba dispositivo lógico unitario. ^{[ 12 ]} El dispositivo lógico unitario (ULD) era una versión más pequeña del módulo Solid Logic Technology (SLT) de IBM , pero con conexiones de clip. ^{[ 4 ] [ 13 ] [ 14 ]} Se utilizaban bolas de cobre para los contactos entre los chips y los patrones conductores. ^{[ 9 ] : 509}        

La jerarquía de la estructura electrónica se muestra en la siguiente tabla.

• 
  Funcionarios del MSFC, entre ellos Wernher von Braun (a la izquierda), observan un LVDC.
• 
  Ordenador, parcialmente desmontado
• 
  Ocho conjuntos de memoria toroidal , denominados colectivamente memoria central.

• Computadora de guía del Apolo
• Sistema de guiado principal de la nave espacial Apollo PGNCS
• Ordenador de a bordo (OBC) de la nave espacial Gemini

• IBM, Computadora digital para vehículos de lanzamiento Saturno V, Volumen uno: Descripción general y teoría , 30 de noviembre de 1964
• IBM, Computadora de guiado del Saturno V, Informe semestral de progreso, 1 de abril - 30 de septiembre de 1963 , 31 de octubre de 1963; archivo
• Bellcomm, Inc., Requisitos de memoria para la computadora digital del vehículo de lanzamiento (LVDC) , 25 de abril de 1967
• Boeing, Ecuaciones de guiado del vehículo de lanzamiento Saturno V, SA-504 , 15 de julio de 1967
• Haeussermann, Walter (julio de 1970). Descripción y rendimiento del sistema de navegación, guiado y control del vehículo de lanzamiento Saturno (PDF) . NASA TN D-5869.
• Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA, Manual de Vuelo del Saturno V SA-503 , 1 de noviembre de 1968
• Manual de vuelo del Skylab Saturn IB del Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA , 30 de septiembre de 1972
• MM Dickinson, JB Jackson, GC Randa. Centro de Guía Espacial de IBM, Owego, NY. "Computadora digital y adaptador de datos para el vehículo de lanzamiento Saturno V". Actas de la Conferencia Conjunta de Computación de Otoño de 1964, páginas 501-516.
• S. Bonis, R. Jackson y B. Pagnani. Centro de Guía Espacial de IBM, Owego, Nueva York. «Embalaje mecánico y electrónico para una computadora de guía de vehículos de lanzamiento». Simposio Internacional sobre Empaquetado de Circuitos Electrónicos, 21-24 de agosto de 1964. Páginas 226-241.
• IBM, Informe del estudio Apollo, Volumen 2.Centro de Guía Espacial de IBM, Owego, NY, 1 de octubre de 1963. 133 páginas. También disponible en Virtual AGC (buscar 63-928-130 ).
• Manual del sistema Astrionics de los vehículos de lanzamiento Saturno del Centro de Vuelos Espaciales Marshall de la NASA, 1 de noviembre de 1968. MSFC n . ° IV-4-401-1. IBM n.° 68-966-0002. 419 páginas. El capítulo 15 trata sobre el LVDC y el adaptador de datos del vehículo de lanzamiento.

• Archivos de IBM: Computadora de guía de Saturno
• Fotografías de alta resolución de componentes del LDVC en la colección SpaceAholic de artefactos de vuelos espaciales del Módulo Lunar Apolo y del Saturno V.
• Una placa de circuito del cohete Saturno V, analizada mediante ingeniería inversa y explicada.