Разбираемся в устройстве 26-килограммового принтера с борта «Шаттла»

На борту «Спейс Шаттла» находился громоздкий принтер, который был нужен для того, чтобы астронавты могли получать процедуры, планы миссий, метеосводки, планы действий экипажа и другие документы. Принтер, необходимый для первого запуска «Шаттла» в 1981 году, был разработан всего за 7 месяцев на основе армейского терминала связи. В отличие от современных принтеров, принтер «Шаттла» содержит вращающийся металлический барабан с рельефными символами, что позволяет ему быстро печатать по строке за раз.

Этот принтер известен под названием Space Shuttle Interim Teleprinter System.[1] Как следует из термина «Interim» [англ. «временный»], этот принтер задумывался как временная мера, рассчитанная на несколько полётов, пока не появится более совершённый принтер. Однако телепринтер оказался более надёжным, чем его замена, поэтому он оставался в качестве запасного варианта на протяжении более 50 полётов, часто печатая тысячи строк за полёт. Это было не дёшево: при стоимости полёта «Шаттла» в 27 000 долларов за фунт, доставка 59-фунтового [26 кг] телепринтера в космос обходилась более чем в 1,5 миллиона долларов за полёт.

Мы получили доступ к телепринтеру «Шаттла» (вероятно, это была система разработки, которая осталась на земле) и хотели ввести его в эксплуатацию. Мне пришлось провести реверс-инжиниринг трёх плат внутри принтера, чтобы определить формат данных, который принтер принимал: последовательные данные, закодированные в звук. Но после анализа принтера и проведения множества ремонтных работ нам удалось заставить его печатать. В этой статье я расскажу о временном телепринтере «Шаттл», объясню его схему и механизм печати на основе барабана, а также покажу его в работе.

История временного телепринтера «Шаттла»

Мотивация создания телепринтера восходит к программе «Аполлон». Во время полётов «Аполлона» единственным способом передачи информации астронавтам было общение с ними по радио и запись данных астронавтами. НАСА решило, что в состав «Спейс Шаттла» должен входить механизм для передачи текста и изображений астронавтам — 78-фунтовый высокотехнологичный факсимильный аппарат под названием Uplink Text & Graphics System (TAGS). Изображение высокого разрешения в оттенках серого отправлялось на «Шаттл» в виде цифрового потока данных. На борту «Шаттла» приплюснутая ЭЛТ выводила изображение по одной строке за раз, а оптоволоконная лицевая панель переносила каждую строку на светочувствительную серебряную эмульсионную бумагу. Бумага проявлялась путём прохождения по ней горячего валика при температуре 126ºC в течение 25 секунд, что давало постоянное изображение.

Единственным недостатком этого плана было то, что для передачи цифрового изображения на «Шаттл» требовалась спутниковая система отслеживания и передачи данных (TDRS), которая из-за задержек не была готова до шестого полёта «Шаттла». (TDRS была космической заменой всемирной сети наземных станций, которая использовалась во время полёта «Аполлона»). В результате всего за семь месяцев до первого запуска «Шаттла» НАСА решило, что нужна временная система «для передачи экипажу изменений плана полёта и других оперативных данных в режиме реального времени» [2].

Телепринтер «Шаттла» стал результатом этих спешных усилий по созданию принтера, который мог бы работать по существующему аудиоканалу, а не по цифровому спутниковому каналу TDRS. Из-за нехватки времени телепринтер для «Шаттла» должен был быть основан на готовом принтере. Термические и электростатические принтеры были отвергнуты из-за проблем с токсичностью и воспламеняемостью. (В телепринтере «Шаттла» использовался рулон желтоватой бумаги, что потребовало от НАСА разрешения из-за её воспламеняемости, которая была актуальна ещё со времён катастрофы «Аполлона-1»).

Было принято решение использовать военный терминал связи AN/UGC-74 [3] «Tactical Teletype». Интерфейс терминала был очень гибким, он поддерживал последовательную передачу данных в формате ASCII или Baudot, с различными конфигурациями и скоростями передачи (до 1200 бод), используя либо токовую петлю, либо сигналы напряжения. Военный терминал поддерживал двустороннюю связь, поэтому у него была клавиатура. Примечательно, что в терминале также был реализован текстовый процессор, управляемый микропроцессором Motorola 6800 (предшественником знаменитого MOS 6502). Текстовый процессор позволял составлять сообщения в автономном режиме, минимизируя время радиопередачи, что было важно во враждебной среде. Как мы увидим, эта военная система весом в 45 кг потребовала значительных изменений для использования на «Спейс Шаттл», наиболее заметным из которых было удаление клавиатуры.

Печатающий механизм

В телепринтере используется вращающийся барабан с рельефными символами, показанный ниже.[4] Чтобы напечатать символ, принтер запускает молоток, заставляя красящую ленту и бумагу прижиматься к рельефному символу на барабане. Ширина барабана составляет 80 символов, что соответствует длине строки, и имеется 80 соответствующих молоточков, по одному на каждую позицию печати. На барабане 64 печатаемых символа, обёрнутых вокруг каждой позиции барабана.

Принтер печатает строку за раз, но не мгновенно, а во время каждого оборота барабана. Когда барабан совершает один полный оборот, каждый из 64 символов проходит мимо каждой позиции печати один раз. Печать требует точной синхронизации молоточков, чтобы ударить по нужному символу на барабане, когда он проносится мимо. Схема управления принтером запускает каждый молоточек в нужное время, когда нужный символ на барабане оказывается на одной линии с молоточком, в результате чего получается нужный текст.[5]

Наборы символов в военном принтере и принтере «Шаттла» немного отличаются. Военный барабан содержал 64 символа ASCII (только заглавные буквы, цифры и специальные символы). Барабан не содержит явного символа пробела, поскольку для пробела ничего не печатается. Вместо него на барабане имеется ромб «◊», используемый в качестве специального символа для обозначения ошибки чётности или другой ошибки. Барабан для телепринтера Shuttle заменяет 10 специальных символов ASCII на символы, более полезные для Shuttle, например, греческие буквы для обозначения углов. В частности, символы ;@[]^!"#$ заменяются на θ✓‾↑↓~αβΔϕ

На видео ниже показан крупный план молоточков, когда они ударяют по бумаге для печати текста. Текст — это встроенное в телепринтер тестовое сообщение: «THE LAZY YELLOW DOG WAS CAUGHT BY THE SLOW RED FOX AS HE LAY SLEEPING IN THE SUN». Это тестовое сообщение основано на традиционной панграмме «quick brown fox...», содержащей все 26 букв английского алфавита, но в тестовом предложении телепринтера отсутствуют J, K, M, Q и V. Однако тестовое сообщение имеет длину ровно 80 символов и заменяет пробелы ромбом «◊», поэтому оно эффективно для проверки работы всех 80 колонок.

Электроника

На фотографии ниже показана схема внутри телепринтера, если смотреть сверху вниз. Слева находятся три интерфейсные платы, которые демодулируют входящий аудиосигнал. Перед интерфейсными платами находятся большие индукторы для фильтрации входящего питания. Под ними спрятано полупроводниковое реле, управляющее питанием остальных частей принтера и реализующее режим ожидания с низким энергопотреблением. В центре, на синей плате, находится удивительно сложный импульсный блок питания, установленный на толстой металлической пластине для охлаждения. Обычно большой рулон бумаги устанавливается над платой блока питания. Справа расположены четыре большие печатные платы, реализующие основную логику работы принтера: плата драйвера принтера, плата связи, плата памяти и плата процессора. Вращающийся барабан защищён перфорированной чёрной металлической решёткой спереди.

Платы демодулятора

Оригинальный военный телепринтер принимал данные в виде последовательного битового потока. Однако на «Спейс Шаттле» данные кодировались в виде частот на аудиоканале. Для демодуляции аудиоданных, чтобы остальные части принтера могли их обрабатывать, были созданы три специальные платы. Эти платы также выполняли специфические для «Шаттла» задачи, такие как включение принтера при поступлении сообщения и возврат принтера в режим ожидания. Я перепрошил эти платы, чтобы определить, как они работают, и определить кодировку данных. (Схемы приведены в сносках.[7]) В этом разделе я расскажу об этих трёх платах, которые находятся на левой стороне принтера.

Вкратце, последовательный поток битов кодируется с помощью частотно-сдвиговой синхронизации, при этом 1 обозначает 3600 Гц, а 0 — 7200 Гц.[6] Последовательные данные передаются со скоростью 600 бод, чётность, один стоповый бит. В процессе демодуляции входной аудиосигнал сначала преобразуется в цифровой сигнал путём его пороговой обработки. (То есть входная синусоидальная волна преобразуется в квадратную.) Цифровой сигнал автокоррелируется для разделения сигналов 3600 Гц и 7200 Гц, восстанавливая основные последовательные данные. Этот сигнал поступает на логические платы принтера (часть оригинального военного телепринтера), которые преобразуют последовательный сигнал в байты ASCII и печатают их.

Обработка сигнала начинается с платы «Вход FSK», показанной ниже. Сначала она усиливает входной аудиосигнал. (Два больших резистора обеспечивают нагрузку 600 Ом для аудиовхода.) Затем фильтр высоких частот 900 Гц устраняет низкочастотный шум. (Фильтр реализован по двухступенчатой топологии Саллена-Кея).

Сигнал переходит от платы к плате, попадая на плату «выходного FSK-демода». На этой плате находится схема обнаружения несущей, которая включает остальные части принтера, если обнаруживает входной сигнал. Это позволяет принтеру находиться в режиме ожидания, пока он не получит сигнал с Земли. Эта плата также применяет пороговое значение к сигналу, чтобы превратить его в цифровую форму, которая поступает на плату «управления».

На плате вывода также находятся линейные регуляторы на 5 и 12 вольт, которые питают все три платы; это микросхемы в металлических корпусах в нижней части платы. Чтобы снизить нагрузку на регуляторы, два больших резистора понижают входное напряжение (28 вольт) до более низкого уровня перед его регулировкой.

На плате управления находится FSK-декодер — интересная схема, которая преобразует две частоты FSK в двоичную путём реализации цифрового автокоррелятора. Она использует 64-битный сдвиговый регистр для задержки цифрового входа на 139 мкс. Входной сигнал и задержанный входной сигнал объединяются XOR'ом, генерируя результат, который зависит от частоты. Сигнал частотой 7200 Гц повторяется каждые 139 мкс, поэтому входной сигнал и задержанный вход совпадают, что даёт 0 в результате XOR. Однако квадратная волна частотой 3600 Гц переключает состояние каждые 139 мкс, поэтому два входа XOR всегда будут отличаться, что приведёт к 1 на выходе. Таким образом, схема чётко различает вход 3600 Гц и вход 7200 Гц.

Цифровой демодулятор позволяет избежать некоторых проблем аналогового FSK-демодулятора. Он не чувствителен к уровню сигнала, поскольку сигнал преобразуется в цифровой. Цифровой демодулятор также не чувствителен к гармоникам, которые могут вызывать проблемы с аналоговыми демодуляторами. Наконец, он не требует тщательно настроенных фильтров аналоговой схемы.

Демодулированный сигнал поступает с платы управления на плату вывода. На этой плате применяется фильтр низких частот 400 Гц, а затем пороговое значение для преобразования сигнала обратно в двоичный. Если входные частоты не точны, демодулятор будет выдавать правильные значения 0 или 1 на большей части формы сигнала, но на краях будут возникать глюки. Фильтр нижних частот удаляет эти глюки. (Вы, возможно, беспокоитесь, что сигнал с частотой 600 бод будет уничтожен фильтром низких частот 400 Гц. Однако в худшем случае сигнал (чередующиеся 0 и 1) будет иметь частоту 300 Гц, поскольку на один цикл уходит два бита, так что у фильтра достаточно запаса.) Далее плата блокирует сигнал, если не обнаружена несущая. Это гарантирует, что случайный шум не будет демодулирован и распечатан. Наконец, последовательный двоичный сигнал покидает пользовательские платы «Шаттл» и поступает на коммуникационную плату телепринтера, являющуюся частью стандартного телепринтера.

Я заметил две необычные вещи в этих платах. Во-первых, они имеют некоторые модификации: висящие провода и добавленные позже компоненты. Во-вторых, на платы не нанесено конформное покрытие, что необычно для аэрокосмических плат. (Четыре логические платы, для сравнения, защищены конформным покрытием). Моя гипотеза состоит в том, что эти платы были платами разработки, на ранних этапах проектирования телепринтера «Шаттл», поэтому они были модифицированы по мере изменения конструкции. Телепринтер также имеет маркировку «Не для полёта», что подтверждает эту теорию.

Логические карты

Военный телепринтер содержал четыре логические платы: плату процессора, плату памяти, плату связи и плату управления печатью, установленные в правой задней части телепринтера. Эти платы без изменений используются в телепринтере «Шаттла».

Схемотехника сложнее, чем можно было бы ожидать: четыре большие платы, заполненные микросхемами. Этому есть несколько причин. Во-первых, карты используют микропроцессорную технологию 1970-х годов, поэтому для того, чтобы что-то сделать, требуется много схем. В частности, многие простые логические микросхемы серии 7400 выполняют вспомогательные функции: декодирование адресов, буферизацию данных, фиксацию сигналов и т. д. Кроме того, барабанный принтер по своей сути сложен, поскольку 80 молоточков должны приводиться в движение в нужное время в зависимости от желаемых символов. В-третьих, телепринтер очень гибок, он поддерживает несколько уровней сигнала и два формата символов (ASCII и Baudot). Самое удивительное, что в телепринтере реализован текстовый процессор, позволяющий составлять и редактировать сообщения в автономном режиме. Конечно, поскольку телепринтер «Шаттл» используется только для приёма данных и не имеет даже клавиатуры, функция текстового процессора совершенно бесполезна.

Плата процессора

На плате центрального процессора находится микропроцессор, управляющий телепринтером. Её важнейшей функцией является преобразование строки символов ASCII в коды печатных барабанов. Эти коды сохраняются в памяти для использования платой управления печатью. Процессор также реализует функции конфигурирования и самотестирования.

На схеме ниже показаны некоторые из основных компонентов. Плата центрального процессора содержит процессор Motorola 6800, 4 килобайта памяти и ПЗУ, в котором хранится программный код.[8] Неудобно, что все номера деталей микросхем имеют военные номера, так что приходится разбираться, чтобы определить, что это за деталь на самом деле. MC6822 — это адаптер периферийного интерфейса, микросхема компании Motorola, обеспечивающая два параллельных порта ввода-вывода. Этот чип используется на трёх платах для поддержки различных задач ввода-вывода. На плате процессора порты ввода/вывода управляют восемью лампами состояния (большинство из которых были удалены для телепринтера «Шаттла»), а также внутренними сигналами состояния, такими как «бумага низкая» или «клавиатура присутствует», и входом установки скорости передачи данных.

Плата управления печатью

В некотором смысле плата управления печатью — это сердце принтера, поскольку она заставляет печатать символы, ударяя молоточками по вращающемуся барабану. Когда барабан совершает один оборот, все 64 символа прокручиваются мимо каждой из 80 позиций печати. Выстреливая молоточками в точное время, плата печатает строку текста.[9] Более подробно: для каждой строки на барабане плата принтера сканирует 80-символьный буфер памяти с помощью прямого доступа к памяти (DMA). Если значение в памяти совпадает с текущим номером строки на барабане, срабатывает молоток. Обратите внимание, что молоточки срабатывают не одновременно, а последовательно, по мере сканирования памяти.

На схеме выше показано взаимодействие между барабаном, платой управления печатью и 80 молоточками. Молотки реализованы на 20 картах печатных молотков, каждая из которых имеет 4 молотка. Электрически молотки расположены в виде матрицы. Один провод из 20 (S1-S20) выбирает плату молоточков, группу из четырёх. Другой провод выбирает один из четырёх молотков (Col 1-4). Такой подход упрощает электронику, поскольку используется 20 + 4 схемы драйверов и проводов, а не 80 (по одному на каждую колонку). Плата управления печатью синхронизируется с барабаном с помощью двух фототранзисторных датчиков, которые определяют положение барабана. Один датчик срабатывает в каждой строке, а другой — один раз за оборот.

Ниже показана плата управления печатью, на которой обозначены основные функциональные блоки. Большая пурпурно-золотая микросхема — это PIA, та же микросхема ввода-вывода, что и на плате процессора. Она обрабатывает различные сигналы, такие как запрос самотестирования, выход бумаги и сигнал остановки барабана. Логика управления режимами генерирует сигналы синхронизации в зависимости от режима работы принтера. Логика сравнения данных увеличивает счётчик строк при каждом импульсе барабана и сравнивает счётчик строк со значением, считанным из памяти.[10] Схема драйвера молотка слева выбирает одну из 20 карт молотка, а схема драйвера молотка справа выбирает один из четырёх молотков. Схема ленты поднимает и опускает ленту, чтобы она не загораживала текст, когда принтер простаивает. Схема линейной подачи продвигает бумагу для операции линейной подачи.

На фотографии ниже показана одна из плат молоточков с четырьмя молоточками. Каждый молоточек оснащён электромагнитом, который тянет за рычаг, вращая колесо молоточка и заставляя его ударять по бумаге. (Сами молоточки находятся в правом верхнем углу фотографии). Винтовая регулировка контролирует расстояние между каждым молоточком и бумагой, позволяя точно настроить время. (Марку пришлось тщательно отрегулировать все молоточки, чтобы качество печати было читаемым).

Коммуникационная карта

Коммуникационная плата управляет последовательным вводом данных телепринтера. Ключевой микросхемой является 8251A, USART (универсальный синхронный/асинхронный приёмник/передатчик). Эта сложная микросхема выполняет преобразование потока последовательных данных в байты, которые использует процессор. (Обратите внимание, что военный телепринтер и отправлял, и принимал последовательные данные, а телепринтер «Шаттл» только принимает их). Микросхема имеет несколько вспомогательных микросхем, обозначенных на схеме ниже как «UART». На плате есть ещё одна микросхема Peripheral Interface Adapter, обеспечивающая два порта ввода-вывода. Эти порты выполняют такие функции, как чтение настроек последовательной линии (ASCII против Baudot, чёт или нечет, количество стоповых битов и текущий уровень цикла).

Плата также имеет схему для генерации тактовых импульсов для выбранной скорости передачи данных. Схемы режимов обрабатывают различные фазы передачи/приёма. Схема фильтра/демода обрабатывает различные типы входных сигналов, осуществляя цифровую фильтрацию и демодуляцию по мере необходимости [11].

Карта памяти

Карта памяти поддерживает функцию работы с текстом. Она обеспечивает дополнительную оперативную память для хранения текстового буфера, а также ПЗУ, в котором хранится программное обеспечение для редактирования. 16 микросхем DRAM слева (MK4027) обеспечивают 8 КБ ОЗУ, а две микросхемы ПЗУ справа — 8 КБ ПЗУ. Микросхемы в середине справа от резисторов разделяют 12 адресных битов на адреса строк и столбцов, как того требуют микросхемы ОЗУ. Сигналы адреса проходят через многочисленные резисторы 24 Ω в середине; не знаю, зачем. Согласно руководству, принтер прекрасно работает и без этой платы, за исключением текстового процессора. Поскольку текстовый процессор не имел никакого значения для «Шаттла», я задаюсь вопросом, почему эту плату не удалили для уменьшения веса.

Блок питания

На плате блока питания (показана ранее) реализованы отдельные источники питания для различных частей принтера.12 Источники питания реализованы в виде импульсных блоков питания, которые в то время были не так распространены, как сейчас. Блок питания микропроцессора обеспечивает напряжения +5 В, +12 В и -5 В — напряжения, необходимые микросхемам памяти в 1970-х годах. Отдельный импульсный источник питания обеспечивает напряжения +5 В, -8,6 В и +8,6 В для клавиатуры, пылезащитного чехла и интерфейсного модуля — компонентов, которые были удалены для телепринтера «Шаттл». Другой блок питания питает лампы состояния принтера.

Питание двигателя барабана очень важно, поскольку его напряжение регулируется для управления скоростью вращения барабана. Датчик на барабане обеспечивает импульс обратной связи для каждой строки на барабане. (Я думаю, что скорость вращения барабана составляет 868 об/мин.) Эти импульсы управляют питанием двигателя барабана. Если барабан вращается слишком медленно, напряжение увеличивается, и аналогично, если он вращается слишком быстро.

Молотки имеют необычный источник питания с постоянным током. Когда принтер активен, этот источник питания генерирует +18 В. Однако блок питания спроектирован так, чтобы использовать постоянный ток 600 мА независимо от активности молотка. Конденсатор обеспечивает резервуар энергии, который заполняется постоянным током. Если молотки потребляют меньше тока, избыточный ток стравливается через резистор. Это сделано для того, чтобы «замаскировать разведданные в последовательности сообщений». Другими словами, если бы вы использовали телепринтер, например, в посольстве в Москве, шпионы могли бы отслеживать переходные процессы в сети, чтобы увидеть, когда молоточки стреляют, и, возможно, выяснить, что именно печатается. При поддержании постоянного тока этот источник разведданных блокируется. Конечно, эта функция бесполезна на космическом челноке и только расходует энергию.

Военный телепринтер принимал несколько входных напряжений: 22-30 В постоянного тока, 115 В переменного тока или 230 В переменного тока, а также резервное питание от батареи 12 В постоянного тока. Трансформаторы и диоды для поддержки этих напряжений были частью интерфейсного модуля, который был удалён для телепринтера «Шаттла». Вместо этого телепринтер «Шаттла» питается от 28 В постоянного тока.

Механические изменения

Военный телепринтер подвергся значительным механическим изменениям, чтобы сделать его пригодным для использования на «Шаттле». Эти изменения позволили снизить его вес с 45 кг до 26 кг. Самым заметным изменением принтера стало удаление клавиатуры. Вся передняя часть принтера была заменена, удалены элементы управления, которые не были нужны в «Шаттл».[13] Прочная рама оригинального принтера была заменена на более лёгкую (но всё ещё существенную) раму. К раме были добавлены горизонтальные направляющие для поддержки принтера в шкафчике «Шаттла».

На фотографии ниже показана передняя часть телепринтера «Шаттла». Если у военного телепринтера на передней панели было множество лампочек и переключателей, то у телепринтера «Шаттла» всего две лампочки и четыре переключателя.

НАСА было обеспокоено тем, что температура телепринтера может стать опасной для астронавтов. Чтобы уменьшить эту опасность, на телепринтер наклеили большую предупреждающую наклейку, чувствительную к нагреву. Жёлтая наклейка слева от телепринтера меняет цвет и выводит изображение при нагреве: на ней изображена забинтованная рука и слово «HOT». Над ней находится наклейка «Omegalabel», которая показывает самую высокую температуру, достигнутую устройством. Внутри телепринтера есть ещё несколько таких наклеек на различных моторах.

Временный телепринтер внутри космического челнока

Телепринтер был слишком велик для установки на полётной палубе, поэтому он был установлен в шкафчике для хранения на палубе, на один уровень ниже. На фотографии ниже показано расположение шкафчика, в котором хранился телепринтер (хотя на этой фотографии телепринтера не было), если смотреть назад (на корму) в сторону шлюзовой камеры. Шкафчик обозначен MA9F, что означает Mid-deck Aft, позиция 9F (подробнее), в задней части с правой стороны «Шаттла».

Телепринтер был шумным из-за его ударной печати; даже когда он находился в шкафчике, шум снаружи составлял 69,5 дБ. Решением было звукоизолировать шкафчик с помощью акустической изоляции. Были испытаны различные изоляционные материалы, пока не был найден тот, который отвечал требованиям токсичности. Для изоляции потребовалось ещё одно свидетельство огнестойкости.

Помещение телепринтера в изолированный шкафчик без охлаждения вызвало ещё одну проблему: перегрев. Военный телепринтер потреблял 34 ватта даже в режиме ожидания, что приводило к опасному нагреву принтера уже через 6 орбит. Принтер был перепроектирован таким образом, чтобы поддерживать режим ожидания, потребляющий всего 1 ватт. При обнаружении сигнала с Земли принтер включал питание, а затем возвращался в режим ожидания. Была добавлена схема, посылающая тональный сигнал на Землю при активации принтера, что подтверждало выход принтера из режима ожидания. Эти схемы находились на трёх специальных платах «Шаттл», описанных ранее.

Размещение телепринтера в шкафчике затрудняло прокладку кабелей. Решением стала панель на двери шкафчика с разъёмами для питания и аудио. На панели есть выключатель питания и индикатор, а также индикатор, сигнализирующий о получении сообщения.

На фотографии ниже показан шкафчик для телепринтера с панелью подключения в крайнем левом углу. Обратите внимание на кабели, прикреплённые к разъёмам. Эти кабели проходят через заднюю часть «Шаттла» на левую сторону, где они поднимаются на полётную палубу; прокладка кабелей была выполнена до запуска.[14] Во время этого полёта в соседнем шкафчике MA16F находилось 3300 медоносных пчёл для проведения студенческого эксперимента.

Кабели телепринтера подключаются к шаттлу на панели A15 на кормовой переборке полётной палубы с левой стороны шаттла. Другими словами, если бы вы сидели на месте командира «Шаттла» в кабине и повернулись, то увидели бы именно это.

Аудиокабель от телепринтера шёл к коммуникационному разъёму специалиста по полезной нагрузке на панели A15, а кабель питания — к разъёму питания постоянного тока прямо под ним. Во время запуска это аудиосоединение было необходимо для связи с экипажем, поэтому после запуска телепринтер был подключён, а настройки звука были перенастроены на панели L9. Над панелью L9 была размещена сигнальная карточка с инструкциями по работе с телепринтером.

Замены телепринтера

Предполагалось, что телепринтер «Шаттла» будет использоваться в течение короткого времени, пока в эксплуатацию не поступит текстовая и графическая система Uplink (TAGS), но всё сложилось иначе. TAGS, описанная ранее, была факсоподобной системой, которая могла принимать полутоновые изображения, но она зависела от спутников TDRS с их поддержкой цифровых данных. Первый спутник TDRS был запущен шестым полётом шаттла STS-6 (1983). Это позволило использовать TAGS на STS-7, но принтер быстро заклинило.[15] У TAGS постоянно возникали проблемы с заклиниванием; на STS-35 принтер заклинило, а затем сломался инструмент для снятия заклинивания. Из-за ненадёжности TAGS временный телепринтер оставался в эксплуатации в качестве резервного устройства. TAGS был установлен на двойной охлаждающей панели в отсеке авионики 3 отсека экипажа (подробнее), по другую сторону шлюза от телепринтера.

Спустя десятилетие в эксплуатацию был введён ещё один принтер, Thermal Impulse Printer System (TIPS), вероятно, во время полёта STS-56 в 1993 году. Как только TIPS доказал свою надёжность, он заменил и телепринтер, и текстово-графическую систему (TAGS). Принтер TIPS был установлен в шкафчике MF28E на средней палубе; буква F указывает на то, что шкафчик находился на передней стенке, а не на кормовой, где стоял временный телепринтер. В качестве резервного принтера TIPS «Шаттл» летал со вторым принтером TIPS.

Одним из мотивов создания термопринтера TIPS было желание НАСА использовать больше коммерческого оборудования (COTS) вместо дорогостоящего оборудования, изготовленного на заказ. Принтер TIPS — это принтер Raytheon TDU-850 (внизу), коммерческий продукт, который продавали за 4950 долларов. Специальная плата коммуникационного интерфейса внутри принтера обеспечивает интерфейс между принтером и системами связи «Шаттла» в S- и Ku-диапазонах. Этот интерфейс также позволял астронавтам использовать TIPS в качестве принтера для бортового персонального компьютера.

На фотографии ниже изображён принтер TIPS, печатающий длинный поток вывода, который читает Эйлин Коллинз. Коллинз была первой женщиной, пилотировавшей космический корабль «Спейс Шаттл»; она летала на нём четыре раза, дважды в качестве пилота и дважды в качестве командира.

Телепринтер, введён в эксплуатацию

Нам удалось ввести в эксплуатацию телепринтер «Шаттла». У принтера было много механических проблем, в основном из-за того, что резиновые ролики превратились в жидкость и засорили механизм. Марк разобрал принтер, тщательно прочистил механизм и всё отрегулировал. Я не буду описывать процесс восстановления здесь, так как на канале CuriousMarc будет видео. Мы смогли отправить на принтер данные с FSK-модуляцией, и они были успешно распечатаны, как показано ниже.

Выводы

Сначала я думал, что промежуточный телепринтер «Шаттл» — это ужасная конструкция. Он абсурдно тяжёлый и грозил перегревом. Несмотря на то, что дизайн был начат с уже существующего продукта, многое в нём пришлось переделывать: переднюю часть, новый барабан, интерфейс и даже раму. Дизайн унаследовал функции, которые не мог использовать, например, встроенный текстовый процессор. А функция постоянного тока была бессмысленна для «Шаттла» и просто тратила энергию впустую.

Когда я узнал, что проект пришлось запустить всего за семь месяцев, моё мнение о телепринтере улучшилось. Кроме того, конструкция имела множество ограничений, таких как ограничения по токсичности и воспламеняемости, что ограничивало возможные подходы.

В итоге телепринтер использовался более чем в 50 полётах, выступая в качестве надёжного резерва для несколько нестабильной текстовой и графической системы (TAGS).16 Несмотря на своё название, временный телепринтер оказался долговечным решением, а вовсе не временным. Поэтому я должен сделать вывод, что телепринтер был удачной разработкой, работавшей гораздо лучше и гораздо дольше, чем предполагалось.[17]

Примечания и ссылки

1 Ссылки по телепринтеру:

• Временный телепринтер и его разработка подробно описаны в: M.D. Schuette, «Space Shuttle Interim Teleprinter System,» in Conference record: NTC '82, Systems for the Eighties, IEEE. (Для краткости я буду называть это «документом по телепринтеру»).

• Руководство по эксплуатации экипажа «Шаттла» содержит обширную информацию о шаттле и некоторую информацию о телепринтере.

• Телепринтер вкратце рассматривается здесь.

• Некоторая информация о телепринтере содержится в «Рабочей книге по оборудованию систем экипажа» на RR Auction.

• Схемы расположения панелей шаттла приведены в «Orbiter OV-102 Display and Control Panel Configuration».

• Шкафчики описаны в документе Orbiter middeck/paylod standard interfaces control document.

• Руководства по AN-UGC/74 находятся на сайте RadioNerds.

• Огромная коллекция документов по «Шаттлам» находится на сайте gandalfddi.

2. В документе по телепринтеру упоминается, что у «Шаттла» был ещё один вариант получения бумажных данных: система передачи текста в массовую память (TUMMS). Она позволяла выводить текст на ЭЛТ, а экипаж мог сделать полароидную фотографию. Очевидно, что это было непрактичное решение. Я не нашёл других упоминаний о TUMMS, так что TUMMS может быть предложением, которое не было реализовано.

3. В частности, телепринтер «Шаттла» был основан на коммуникационном терминале Honeywell модели AN/UGC-74A9(V)3.

4. Механизм барабанного принтера похож на цепной принтер, такой как линейный принтер IBM 1403: в каждой позиции печати есть молоточек, который срабатывает, когда в этой позиции находится нужный символ. Однако цепные принтеры имеют лучшее качество печати, чем барабанные, из-за влияния ошибок синхронизации. В барабанном принтере небольшая ошибка синхронизации молотка приведёт к тому, что символ будет напечатан слишком высоко или слишком низко. В цепном же принтере ошибка синхронизации приведёт к смещению символа влево или вправо. Вертикальное смещение очевидно и выглядит ужасно. Горизонтальное смещение гораздо менее заметно, поскольку расстояние между символами обычно немного меняется.

5. Если быть точным, то молоток выстреливает на 1,5 символа раньше из-за времени перемещения. К тому моменту, когда молоток ударяет по барабану, барабан уже достаточно повернулся, чтобы поставить нужный символ на место. Каждый молоточек имеет винт для регулировки расстояния до барабана, что необходимо для точного определения времени. Удивительно, что эта система работает и не даёт размазанных пятен.

6. После реверс-инжиниринга плат я нашёл документ о телепринтере «Шаттл», в котором были указаны частоты FSK: 1600 Гц для 0 и 2057 Гц для 1, что отличается от того, что мы использовали. Возможно, частоты были изменены в процессе разработки.

7. Я создал схемы трёх плат, предназначенных для «Шаттл».

9. Я ожидал, что строка будет напечатана за один оборот барабана, но, глядя на шаблон печати, кажется, что на одну строку уходит несколько оборотов. Возможно, принтер избегает слишком близкого расположения молоточков, чтобы минимизировать скачки тока. Кроме того, заявленная скорость печати 60 символов в секунду значительно медленнее, чем один оборот. Или, возможно, шаблон молотка рандомизирован, чтобы шпионы не могли подслушать и определить, что именно печатается. Я продолжаю расследование.

10. Если посмотреть на схему, то я думаю, что в буфере памяти хранится номер ряда барабана для каждой позиции, а плата управления печатью подаёт молоточек, если значение совпадает с текущим номером ряда. В отличие от этого, при «очевидном» подходе значения символов помещались бы в буфер памяти, а плата управления печатью сопоставлялась бы с текущим символом барабана. Реализованное решение уменьшает нагрузку на плату управления печатью, которой нужно обновлять целевое значение сравнения только один раз за строку, а не каждый символ. Однако оно требует от процессорной платы преобразования входных символов в значения строк.

11. Телепринтер принимает два типа входных сигналов: NRZ и D10. NRZ (Non-Return to Zero) — это прямое кодирование последовательного сигнала в виде 0 или 1. В руководстве нет определения D10, но я думаю, что это манчестерское кодирование, использующее последовательность 01 для 0 и 10 для 1 (или инвертированное). Сигнал D10 является самоблокирующимся, поскольку каждый бит содержит переход. Схема демодуляции преобразует сигнал D10 в прямую последовательность битов. Сигнал NRZ может использовать либо внешний тактовый генератор, либо внутренний генератор скорости передачи данных. При использовании внутреннего генератора входной сигнал дискретизируется четыре раза и подвергается цифровой фильтрации, поскольку входной сигнал может не совпадать с внутренним генератором.

12. Источник питания описан в Руководстве по техническому обслуживанию. Раскладные схемы блока питания в этом руководстве по какой-то причине не были отсканированы, но их можно найти в руководстве по техническому обслуживанию B&C.

13. Военный телепринтер содержал большой интерфейсный модуль на задней панели, обеспечивающий подключение сигналов и питания к терминалу. Сигналы последовательной линии могут быть 20-миллиамперной токовой петлёй, 60-миллиамперной токовой петлёй или MIL-STD-188/144 (аналогично RS-422). Интерфейсный модуль преобразует эти сигналы в сигналы TTL, используемые внутри устройства. Интерфейсный модуль также содержит источник питания для интерфейсных схем. Поскольку для «Шаттла» этот интерфейс не требовался, интерфейсный модуль был отменён и заменён на пользовательские интерфейсные платы FSK для «Шаттл». Источник питания переменного тока и фильтрация также были удалены.

14. Я был немного удивлён, что кабели телепринтера проходят через «Шаттл» на большое расстояние. Но в «Шаттле» полно проводов и кабелей, идущих во всех направлениях, как показано на фото ниже. Эта фотография сделана под тем же углом, что и предыдущая схема, показывающая, где подключён телепринтер. Этот полёт состоялся после того, как телепринтер был снят с производства, но он должен был быть подключён к сети за тренажёрами.

15. В одном источнике говорится, что первым полётом TAGS был STS-29 (март 1989 г.). В другом источнике говорится, что испытания «новой» системы TAGS продолжались на STS-29. Этому противоречит тот факт, что система TAGS использовалась на STS-7 (июнь 1983 г.), заклинив после первой страницы. Система TAGS также использовалась на STS-8 (август 1983 г.), но отказала после пяти страниц. Блок TAGS не использовался на STS-41B (февраль 1984 г., следующий полёт «Челленджера» после STS-8). (Обратите внимание, что STS-41B был десятым полётом, значительно раньше STS-29, 28-го полёта. Номера миссий «Спейс Шаттл» не поддаются учёту). Трудно согласовать эти утверждения. Вероятно, TAGS находился на стадии испытаний ещё до STS-29 из-за проблем с надёжностью.

16. У телепринтера было несколько проблем во время использования. Во время полёта STS-6 телепринтер застрял в режиме высокой мощности. Во время полёта STS-30 сообщения были неразборчивыми (ссылка).

17. Телепринтер демонстрирует риск создания промежуточного решения, которое, как оказалось, прослужит гораздо дольше, чем ожидалось. Так произошло и с промежуточной верхней ступенью (IUS) — системой запуска для выведения полезной нагрузки «Шаттла» на более высокую орбиту. Промежуточная верхняя ступень была разработана как временное решение, пока не появится космический буксир. В конце концов, НАСА поняло, что ничто не заменит IUS, поэтому её переименовали в «Инерционную верхнюю ступень», сохранив аббревиатуру.

Отмечу, что это произошло и с процессором 8086. Он был задуман как промежуточный процессор, пока не будет готов процессор iAPX 432 для «микро-мейнфреймов». iAPX 432 оказался катастрофой, а «промежуточный» 8086 до сих пор остаётся с нами в виде архитектуры x86.