アポロ誘導コンピュータを再現する

アポロ誘導コンピュータを再現する

Raspberry Pi Official Magazineの最新号は気象観測プロジェクト特集ですが、宇宙をテーマにしたものにはどうしても惹かれてしまいます。このビルドを共有せずにはいられませんでした。制作者のマイケル・ニュートン氏は、カルガリー、アルバータ州在住の商用航空機の航空電子工学エンジニアです。 フライトラインにいないときは、現代の技術と手法を用いて、歴史的な航空機や宇宙船のハードウェアについて学び、再現しています。

1966年、ニール・アームストロングが人類初の月面着陸を果たす3年前、マサチューセッツ工科大学のチャールズ・スターク・ドレパー研究所はアポロ誘導コンピュータ（AGC）を導入しました。各アポロ司令船と月着陸船に搭載されたAGCの性能は、100kB未満のメモリと1.024MHzのクロックスピードを持つApple IIコンピュータに匹敵するものでした。しかし、マイケル・ニュートン氏が指摘するように、これにより宇宙飛行士は宇宙船から航法ルーチン、自動操縦操作、噴射、軌道ランデブー、地球帰還などを実行することができました。また、シリコン集積回路をベースにした最初のコンピュータでもありました。

［画像: オリジナルに忠実であるように設計されたケース。宇宙船からそのまま出てきたように見える］

マイケル氏は、現代の技術と手法を用いて歴史的な宇宙船ハードウェアを構築することに情熱を燃やすエンジニアであり、「Recreate Apollo」というオープンソースプロジェクトを率いています。このプロジェクトでは、Virtual AGCエミュレータを実行するRaspberry Piコンピュータを使用して、アポロ宇宙飛行士が使用したDSKY（ディスプレイ・アンド・キーボード）を1:1スケールで3Dプリントしています。具体的には、アポロ13号司令船のソフトウェアを実行しており、誰でもコンピュータと宇宙の歴史の一部に触れる機会を得られます。

「このプロジェクトへの私の関心は、COVID-19パンデミック中に、アポロ愛好家のグループがMIT計装研究所の元のエンジニアリング文書を現代のCADファイルに翻訳し、最終的に3Dプリントすることを目標としたことから、何年も前に始まりました」とマイケル氏は述べています。これらの文書は、公文書開示請求を受けて公開され、Virtual AGCグループによってアーカイブされていました。

［画像: マイケル氏は改良版のプロトタイプとしてDSKYを構築しましたが、プリントされた部品はすべてアーカイブされたNASAの図面に基づいています］

「生活が続くにつれて、ほとんどの進捗状況から離れてしまいましたが、約1年前に、mkme.orgというブログを運営しているエリックという別のメーカーを見つけました。そして、彼がGitHubにアップロードされた、ほぼ完成した図面に基づいてDSKYを作成したのを見ました。彼はファイルをどこから入手したのか分からなかったので、自分で探しに行きました。GitHubのリポジトリや他のオープンソースプロジェクトで多くのファイルを見つけましたが、他の部品は調整が必要で、さらに自分でモデリングする必要があるものもありました。数週間の作業の後、満足のいく.stpファイルのセットが完成し、プリントできるようになりました。3Dプリンターを購入し、その世界を学び始めました。」

離陸

マイケル氏は、学びながら進め、3つの主要なタスクを特定しました。まず、ケースをプリントし、仕上げて塗装すること。次に、ハードウェアを整理して配線すること。そして、コードとソフトウェアを記述する必要がありました。「プロジェクトの各部分を数ヶ月かけて、その順序で、時間をかけて学びながら取り組みました」と彼は言います。「しかし、このプロジェクトにおける私の最大の目標の一つは、文書化でした。興味のある人なら誰でも、たとえ予備知識がなくても、これらを構築できるようにしたかったのです。GitHubで入手可能な私のガイドは、それらの労働の成果です。」

アポロ計画とAGCへの愛情に駆り立てられ、彼は可能な限りオリジナルに忠実でありたいと考えました。「物理的には、DSKYは90%本物です」と彼は言います。「外見に関しては、完璧な視覚的表現を目指し、その状態には満足しています。」マイケル氏は内部で調整を行う必要があり、マイクロコントローラとRaspberry Piコンピュータのマウントポイントを変更しました。

［画像: すべてのCADモデル、回路図、および100ページのビルドガイドはGitHubで無料で利用および閲覧できます］

「画面を取り付けるPCBが、オリジナルの取り付け用に設計された部品よりも物理的に大きかったため、画面の取り付けにも少し工夫が必要でした」と彼は言います。「クリップスタイルのホルダーをモデリングし、フィット感を完璧にするためにいくつかの微小な調整を行いました。キーキャップもオリジナルとは少し異なって作られています。文字が小さすぎて鮮明にプリントできなかったからです。フォントは歴史的なものと同じですが（はい、誰かがフォントを再現しました！）、文字は少し大きくなっています。」

ロケット科学

Raspberry Piコンピュータはこのプロジェクトに最適だと感じました。「ほぼこのプロジェクトのために作られたようなものです」とマイケル氏は言います。「USB経由でマイクロコントローラと統合され、多くの電力を必要とせず、SSHやリモートアプリケーション用の無線LANが内蔵されており、熱もあまり出ません。Raspberry Pi OSのインストールも非常に簡単で、カスタムディストリビューションを作成してOSインスタンス全体を他のユーザーに送信できるため、その部分のビルドはコピーが容易です。」

それ以上に、Raspberry PiはyaAGC、つまり実際のAGCのすべての特性を再現するVirtualAGCのコンピュータプログラムを簡単に実行できます。「これには、アポロ11号を救ったユニークな非同期タイミング（割り込み）（1201/1202アラームコード）、15ビットプラス1パリティのワード長、そして古風な1.024MHzのクロックスピードが含まれます」とマイケル氏は述べています。

［画像: これは、アポロ宇宙船で使用されたオリジナルのアポロ誘導コンピュータとDSKYです。出典：Wikipedia］

AGCで使用されるデータは、すべての現代のコンピュータが設計されている方法とは根本的に異なります。個々の1と0は、エラーチェックに使用される単一のパリティビットを持つ15ビットデータブロックとして配置されています。マイケル氏によると、エミュレーションは達成が非常に困難であることが証明されました。しかし、プログラマーたちは、オリジナルのものと全く同じロジックとタイミングを使用して、AGCをエミュレートすることに成功しました。

「根本的に、AGCのタイミングが維持され、コンピュータが読み取るメモリはコアロープROMに織り込まれ、RAMに磁化された実際のコードの仮想化であるため、全く同じ制約がこのエミュレーションで維持されています」とマイケル氏は説明します。「実際、私にとっては、VirtualAGCはエミュレータではなく、本物のアポロ誘導コンピュータであり、あなたのプロセッサを借りているのです。」

偉大な頭脳

その結果、驚くほど完全に機能するデバイスが生まれ、キーパッドを使用して操作できます。このために、マイケル氏は入手可能な中で最も高い作動力と最もしっかりした「クリック」音を持つメカニカルキーを使用しました。「カイル・ボックス・ネイヴィーを選びました」とマイケル氏は言います。「感触と音はまあまあで、入手も簡単ですが、本物のキーパッドには遠く及びません。」彼は現在、フルアルミニウムボディ、より良い表示灯、そしておそらく本物のエレクトロルミネセントディスプレイを備えた、よりプレミアムなDSKYを作成することを検討しています。これにより、より良いキーパッドが組み込まれるだろうと彼は述べています。

［画像: キーのいずれかを長押しすることで「ペリフェラル」モードに切り替えるオプションもあります。これにより、DSKYはProject Apollo – NASSPとローカルネットワーク経由で使用できます。NASSPはPCでリリースされたOrbiter宇宙飛行シミュレーターのアドオンで、アポロミッションすべてをシミュレートします］

現状では、Recreate Apolloプロジェクトにより、マイケル氏や他の人々はAGCについてさらに多くのことを学ぶことができました。彼は、オリジナルのコンピュータの背後にいた人々の創意工夫が明らかであると述べています。「メモリだけでも、磁気を使った独創的な設計でした。そして、アポロ誘導コンピュータは、3入力NORゲートという1種類の論理ゲートしか使用していなかったことをご存知でしたか？すべての数学、データ移動、ナビゲーション、自動操縦、噴射――すべてが、3入力NORゲートと時折のダイオード配置を通る電圧レベルだったのです。本当に信じられないような頭脳が必要でした。」

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この記事は、Raspberry Pi Official Magazineの第171号に掲載されたものです。オンラインでアクセスできます。また、雑誌の印刷版を購読することもできます。世界中に配送するだけでなく、6ヶ月または12ヶ月の印刷版を購読した方には、無料のRaspberry Pi Pico 2 Wをプレゼントします！

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