冷知识:阿波罗登月设备的算力,或许还比不上你的手机?
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冷知识:阿波罗登月设备的算力,或许还比不上你的手机?

作者:二马路的冰

排版:RedCandy

出品:SOlab

2017年10月,美国国家航空航天局(以下简称NASA)公布了重返月球的阿尔忒弥斯计划(Artemis program)。

该计划以希腊神话中太阳神阿波罗的孪生姐姐,月亮女神阿尔忒弥斯的名字命名,目标是航天员重返月球并在月球建立永久基地,为载人登陆火星和更遥远的深空探测任务做好准备。

航天员在月球表面建设月球基地 图源 :NASA

航天员在月球表面建设月球基地 图源 :NASA

北京时间11月16日14时50分左右(美东时间11月16日凌晨1时50分), NASA新一代登月火箭“太空发射系统 (Space Launch System,简称SLS) ”携带“阿尔忒弥斯1号”无人绕月飞行任务的猎户座载人飞船, 从美国肯尼迪航天中心LC-39B平台发射升空。

此前,阿尔忒弥斯1号曾先后计划在8月底和9月初发射,但均因燃料泄露而被推迟。

太空发射系统(SLS)火箭成功首发 图源 :NASA

太空发射系统(SLS)火箭成功首发 图源 :NASA

SLS研发历时11年,斥资230亿美元,取代阿波罗计划的土星5号成为新一代超级重型运载火箭系统。

“阿尔忒弥斯2号”计划在2024年发射,航天员会搭乘猎户座飞船环绕月球。类似于阿波罗8号绕月球飞行继而返回家园的任务。阿尔忒弥斯3号计划不早于2025年发射,航天员将在这次任务中登陆月球。

NASA在其官网上列举了5条重返月球的理由:

1. 对包括探索火星在内的一系列未来探索计划所需的技术、能力和商业路径进行验证;

2. 通过对月球的研究来了解地球、月球和太阳系的起源和历史;

3. 扩大美国的全球经济影响力,同时在月球上建立美国的领导力并显示美国的存在;

4. 拓宽贸易和国际合作伙伴;

5. 激励下一代投身科学、技术、工程和数学(STEM)。

美国重返月球,可谓一波三折。

“阿尔特弥斯”(Artemis)计划 图源:NASA

“阿尔特弥斯”(Artemis)计划 图源:NASA

早在21世纪初,美国就提出了重返月球的星座计划(Constellation program)。 2010年,美国前总统奥巴马取消了重返月球的计划,突出强调前往火星的重要性。

特朗普当选美国总统后,启动了阿尔忒弥斯计划。拜登政府上台后,阿尔忒弥斯计划继续稳步推进。

也就是说,如果一切顺利的话,从2017年到2025年,人类的重返月球计划耗时8年!

距离1972年12月11日阿波罗17号登陆月球,超过50年了!

阿波罗计划

1961年5月25日,时任美国总统肯尼迪向美国国会建议实施宏伟的空间探索计划,实现载人登月。并且将此次计划定名为“阿波罗计划”。 在西方,古典神话中“Apollo”是太阳神的意思。

阿波罗计划总共耗资约250亿美元(大约相当于现在的1600亿美元)。 从阿波罗11号至17号,人类共6次登月,12名宇航员成功登月,分别是:

➢1969年7月21日, 阿波罗11号登陆月球静海(北纬0.71度,东经23.63度)。

➢1969年11月19日, 阿波罗12号登陆月球风暴洋(南纬3.04度,西经23.42度)。

➢1971年2月5日, 阿波罗14号登陆月球弗拉•毛罗环形山(南纬3.65度,西经17.48度)。

➢1971年7月30日, 阿波罗15号登陆月球海德里亚平宁区(北纬26.08度,东经3.66度)

➢1972年4月21日, 阿波罗16号登陆月球笛卡尔高地(南纬8.97度,东经15.51度)

➢1972年12月11日, 阿波罗17号登陆月球,陶拉斯•利特罗山谷(北纬20.16度,东经30.77度)。

从1961年阿波罗计划启动,到1969年阿波罗11号登陆月球,仅仅用了8年!

1969年7月20日,奥尔德林在月球上,阿姆斯特朗拍摄 图源:NASA

1969年7月20日,奥尔德林在月球上,阿姆斯特朗拍摄 图源:NASA

➢1969年7月16日, 土星5号超重型运载火箭载着阿波罗11号飞船开始了人类首次登月的太空征程。

➢1969年7月21日, 阿波罗11号登陆月球,历时8天13小时18分35秒,绕行月球30周,在月表停留21小时36分20秒。三位执行此任务的航天员分别为指令长尼尔·阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员。

全世界6亿人在电视上观看了这一事件。 尼尔·阿姆斯特朗从登月舱的梯子爬下,成为第一个踏足月球表面的地球人,在月球上留下了第一个人类足印这个足印将会保留数百万年。

尼尔·阿姆斯特朗在月球表面永久地印上了自己清晰的脚印 图源:NASA

尼尔·阿姆斯特朗在月球表面永久地印上了自己清晰的脚印 图源:NASA

尼尔·阿姆斯特朗踏足月球表面时,说出了那句著名的话:“这是个人的一小步,人类的一大步”(That's one small step for man, one giant leap for mankind)。这句话中国人从小在课本中熟知。

在回到地球之后,三名宇航员被隔离了18天,以防止在月球上感染未知疾病。

阿波罗11号的算力和存储器

阿波罗11号携带了两台导航计算机(Apollo Guidance Computer ,简写AGC),为不同的任务设计了相应的运行程序 一台被安置在月球车(登陆器)上,负责给飞船的系统发送指令,以实现宇航员的人工操作。

另一台被安置在指令模块(即环绕月球的飞行器)上,负责运算前往月球的轨道,并且根据宇航员实际观测数据不断修正参数,防止飞船的行进路线因为外在因素发生改变。

阿波罗11号使用的导航计算机及工装,总重量32公斤 图源:NASA

阿波罗11号使用的导航计算机及工装,总重量32公斤 图源:NASA

1946年世界第一台计算机的重量超过30吨,体积一个房间才能容纳。 登月所携带的重量有限,登月车载荷重量大部分由科学仪器占据,这样重量和体积的计算机显然无法携带。

阿波罗11号携带的导航计算机是专门设计的,每台大小为61×32×17厘米,重约14公斤,用了30000个零件,花了2000年的手工装配起来。这已经是当时所能提供的最先进的计算机了!

阿波罗11号使用的导航计算机,重量14公斤 图源:NASA

阿波罗11号使用的导航计算机,重量14公斤 图源:NASA

阿波罗11号使用的导航计算机是16位,没有现成的CPU(1971年才被Intel公司才推出人类历史上第一块CPU),它由4100片集成电路组成逻辑模块进行运算,主频2MHz,每秒处理85000个指令。

而今天的iPhone X手机每秒处理5万亿次指令,可以放进人的衣服口袋中。话说,阿波罗11号使用的导航计算机618天才能干完的活,iPhone X手机1秒中就可以干完!

这两台计算机只处理飞行轨道的长度、影响因素校正等数据。每次只处理一组数据,当同时需要两个数据时,就要遵循“先来后到”的原则。

登月舱从月球起飞后,需要和绕月球飞了几十圈的轨道舱精准对接,对接数据只能靠计算机来完成。毫无疑问,把计算机装进飞船是阿波罗11号实施中最具风险的环节!

阿波罗11号使用的导航计算机由美国麻省理工学院(MIT)仪器实验室研发,由雷神公司制造,是人类最早的用硅芯片做的计算机。

该硅芯片由德州仪器公司生产,价格是每块1000美元(当时的价格啊)。1963年为它采购的芯片占美国当年芯片总产量的60%。此时离集成电路被发明仅仅不到5年!

众所周知,1958年9月12日,德州仪器公司34岁的杰克·基尔比(Jack S. Kilby)研制出世界上第一块集成电路,实现了把电子器件集成在一块半导体锗材料上的构想。 2000年,杰克·基尔比因为发明集成电路而获得当年的诺贝尔物理学奖。

阿波罗11号导航计算机使用的芯片 图源:NASA

阿波罗11号导航计算机使用的芯片 图源:NASA

阿波罗11号使用的两台导航计算机总共只有12300个晶体管。当前苹果的A16芯片包含的晶体管数量已经达到了160亿!

每块约100美元。英伟达最强GPU H100采用全新Hopper架构,采用中国台积电公司4nm工艺,直接集成了800亿个晶体管!

阿波罗11号使用的两台导航计算机运算能力之低令人惊讶!其可靠性也令人惊讶!然而,更为令人惊讶的是阿波罗11号导航计算机的内存!

1966年,来自IBM公司的Robert H. Dennard发明了DRAM内存,设计初衷是为了提升计算机的读写速度。

1970年,Intel公司开始量产型号为C1103的DRAM内存圆尺寸是3英寸,容量为1kbit(也就是几百个字母的容量),售价为10美元(当时的价格啊)。

人类历史上最成功的芯片,没有之一。Intel公司的型号为C1103的DRAM内存。阿波罗11号实施后才问世 图源:百度

人类历史上最成功的芯片,没有之一。Intel公司的型号为C1103的DRAM内存。阿波罗11号实施后才问世 图源:百度

阿波罗11号实施的时候,Intel公司的C1103尚未问世。只有使用笨重且昂贵的磁芯存储器这一条路线了。

1949年,哈佛大学计算机实验室的美籍华人王安博士申请了脉冲传输控制装置(Pulse transfer controlling device)美国专利,开创了磁芯存储器时代。

美籍华人王安博士发明了磁芯存储器 图源:百度

美籍华人王安博士发明了磁芯存储器 图源:百度

磁芯存储器是现代电子计算机存储器发展历史上的第二个具有革命性意义的里程碑。 在1970年Intel公司型号为C1103的DRAM内存面世之前,磁芯存储器占据了全球存储器90%以上的市场份额。

阿波罗11号导航计算机使用的内存 图源:NASA

阿波罗11号导航计算机使用的内存 图源:NASA

尽管如此,阿波罗11号导航计算机使用的运行内存只有区区的2Kbit,只读存储器只有区区的36Kbit。 只读存储器相当于现代的硬盘存储,但是只能预先写好,只能读的,不能改。

阿波罗11号导航计算机人机界面 图源:NASA

阿波罗11号导航计算机人机界面 图源:NASA

导航计算机的程序由36864个字节组成,程序不是键盘输入的,而是首先在纸上手写的,然后做成穿孔纸带输入大型计算机进行验证,最后由纺织女工们用绳子打结的方式(改变磁力)表示0和1,存储了这些程序。

你没有看错,是纺织女工们用绳子打结的方式存储了这些程序!

登月操作则主要是由地面的IBM公司的System/360大型计算机控制,该大型计算机内存也只有1MB。

需要说明的是,按照储存汉字的比例换算,1 Kbit可以储存512个汉字。阿波罗11号导航计算机使用的2Kbit运行内存,比今天手机内存小了一百万倍。

阿波罗11号登陆月球是真的吗?

然而,人们对于阿波罗11号登陆月球的质疑从来没有停止过。 2019年,satellite internet官网的一项调查表明,54岁的美国人有3%认为“阿波罗11号登月是骗局”,18到34岁人群中,18%的美国人认为“阿波罗11号登月是骗局”。

satellite internet官网调查结果

satellite internet官网调查结果

近年来随着网络的传播,持怀疑态度的人有增无减,并且提出了各种质疑的理由。

包括“ 月球没空气为什么旗子会飘?”、“月球岩石子虚乌有?”、“在所有照片中为什么拍不到星星?”、“月球脚印能踩得那么清晰吗?”、“登月都是拍摄出来的?”等等。

还有,50多年前,美国都可以登月了,然而半个世纪过去了,科技日新月异的今天,美国为什么却迟迟不能重返月球?

现在科技发达人类上月球都还有困难,几十年前美国人是怎么上去的?

正如质疑者有很多理由一样,支持者也有一大堆的证据证明“阿波罗”登月是真实的存在!

“嫦娥一号”探月计划首席科学家欧阳自远表示,美国“阿波罗”登月是无可争议的。 1978年,美国曾向我国赠送了重量为1克的月球岩石。当时,欧阳自远将这1克岩石一分为二,通过对0.5克月球岩石的研究,推断出它是阿波罗17号飞船采集的样品。

1978年,美国将1克月壤标本(黄豆粒大小)作为国礼赠送给中国 图源:网易

1978年,美国将1克月壤标本(黄豆粒大小)作为国礼赠送给中国 图源:网易

1970年,前苏联用月球16号取回的3克样品与阿波罗11号、12号带回的各3克样品进行了交换。

同位素分析结果显示,阿波罗计划带回的最古老的月岩形成于45亿年以前,比最古老的地球岩石还要早2亿年,并且成分与苏联探测器带回的样品非常接近。

然而,2019年1月3日,中国嫦娥四号月球探测器实现了人类首次月球背面软着陆和巡视勘察!

2022年4月15日,学术期刊《Science Robotics》上中国学者论文宣称,通过玉兔二号探测车压过月球表面的轮胎印迹信息,结合地面力学模型,估算出月壤力学特性, 结果表明该区域的月壤,非常类似于地球上的干沙和沙壤土,具有更强的承压特性,与美国阿波罗计划带回的月壤有很大不同!

根据解释,两次的月壤之所以差异巨大,根本原因在于嫦娥四号和阿波罗登月选择的着陆区不一样!

中国科学院国家天文台研究员郑永春 图源:必应

中国科学院国家天文台研究员郑永春 图源:必应

中国科学院国家天文台研究员郑永春指出,阿波罗登月肯定是真的,因为有大量的遗迹在月球上,最近的航天器例如我国的“嫦娥二号”、印度的“月船一号”,以及美国自己的月球探测器,都拍摄到了很多月球照片,通过这些图像可以看到月球车轮子走过的痕迹、月球车在上面的遗留物、着陆器着陆后喷发的痕迹,以及一些实验设备等,月球上有大量的遗留物证明确实有人上去过。从而印证了“阿波罗”登月的真实性。

2018年1月22日晚21:25-22:31, 中科院云南天文台利用阿波罗15号任务中置于月面的哈德利峡谷处的反射镜阵列完成了我国首次月球激光测距实验 实测数据段显示地月间距离为385823.433km-387119.600km,实测距离的偏差在1m之内。

中科院云南天文台月球激光测距观测截图 图源:国家空间科学中心

中科院云南天文台月球激光测距观测截图 图源:国家空间科学中心

在阿波罗登月计算机研发成果的基础上,1981年,IBM公司研发出世界第1台PC机,开创了个人电脑的新时代。芯片技术的发展突飞猛进,一路开挂!信息产业一路开挂!

最后,让我们来看一下阿波罗11号飞船着陆器操控台上的导航计算机面板。它的运算能力还不如我们今天洗衣机中的控制芯片,其存储器不能装下一个表情包。

阿波罗11号飞船着陆器操控台上的导航计算机面板 图源:NASA

阿波罗11号飞船着陆器操控台上的导航计算机面板 图源:NASA

那么,从1961年阿波罗计划出台,到1969年阿波罗11号登陆月球,仅仅用了8年。 从阿尔忒弥斯计划2017年启动,到2025年人类重返月球(如果顺利的话),为啥还需要8年呢?

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