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绝密!泰坦核导弹制导计算机拆解

最新更新时间:2022-11-19
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之前一直在研究Titan II核导弹的制导计算机,最近正好有幸获得了一台


如下图所示,这台小型计算机在1970年代用于引导Titan II核导弹对准目标,或将Titan IIIC火箭送入正确的轨道。该计算机与惯性测量单元(IMU)配合使用,惯性测量单元是一种陀螺仪和加速度计系统,用于跟踪火箭的位置和速度。


▲顶部的多个连接器将计算机连接到IMU和火箭的其余部分


这台计算机被称为“魔术352”,从外观来看,它是一个20×16×9大小的黑盒子,称量80磅(约36千克),非常惊讶这么重的东西是如何用于火箭中的


出于好奇心,决定将其拆开,一探究竟!


首先,我们来看一下内部结构。该计算机可划分为三个部分:前半部分容纳处理器和核心存储器存储;该计算机中没有微处理器,处理器由数百个简单的集成电路构成;后半部分容纳接口主板,主要是用于连接模拟电路火箭中的其余部分;而中间部分却比较空。



1、数字部分


这台计算机的前盖是由18颗螺钉固定的,卸下它们将显示计算机的处理器板和核心内存。


如下图所示,左侧是7个带TTL数字逻辑的电路板;中间是2个核心存储模块,每个模块包含8192个24位字,内存旁边有2个内存电子板;右侧是计算机的开关电源。


▲显示电路板,核心内存模块和电源

下图显示了其中一个数字逻辑板,与其他数字板相似。每个板的两面都有集成电路,因此背面看起来都差不多。

电路板的每一侧都有5行13芯片的空间,每块电路板最多可容纳130芯片。印刷电路板似乎有6层,两侧各有2个布线层和1个接地层。两侧之间的连接是通过板顶部的99个连接,而不是通孔完成的。

电路板上覆盖有保涂层,以保护电路。虽然这台“古董”已经有几十年了,但涂层仍然散发出松节油的强烈气味。而板的边缘已金属化,并紧紧滑入卡槽中。由于没有风扇,因此提供了散热的路径。

这些数字板的底部有1个198针连接器,可插入底板;而接口板具有1个较小的128针连接器。

▲处理器板PR1

这些板上装有TTL芯片,可能是MSI(中等规模集成)芯片,例如计数器、加法器,或是移位寄存器。

请注意,该计算机不包含微处理器芯片,但具有由简单的构造块构建的处理器(在1970年代,微型计算机通常由TTL芯片板构成)。

从芯片上的部件号来看,它们似乎是Signetics的CC2100系列产品。

▲在芯片上可以看到PCB迹线,7802日期代码指示它们是1978年第二周生产的

这些板卡的一个有趣功能,是将它们锁定以确保不会将板卡插入错误的插槽中,通过将六角螺母对半分开来实现键控。电路板和背板连接器具有匹配的两半,因此,电路板只能插入正确的插槽中。

下图显示了背板的一部分,其中的板已卸下,因此我们可以看到连接器和半六角螺母。请注意,每个连接器都有不同角度的六角螺母用于键控。


2、核心内存


该计算机使用的是磁芯内存进行存储(与早期的Titan ASC-15计算机不同,后者使用了旋转的磁鼓)。

从1950年代开始,核心存储器一直是计算机存储的主要形式,直到1970年代被半导体存储芯片所取代。内核存储器由数千个称为内核的细铁氧体环构成,每个内核中存储一位。将磁芯顺时针或逆时针磁化以存储值。核心排列在称为核心平面的网格中,向特定的行线和列线通电,会选择两条线交叉的特定磁芯。

下图显示了Titan计算机中微小磁芯的特写,可以看到每个芯线有4根导线:垂直和水平红色导线形成网格以选择芯线。另有2条彩色水平线穿过平面中的每个磁芯:检测线(用于读取)和禁止线(用于写入)。我们可以在右侧看到这些导线在各行之间循环。

▲不同中19针连接器将时钟连接到主控

在核心存储器中,多个平面堆叠在一起,一个字中的每个位对应一个平面。在大多数计算机中,核心平面都是焊接在一起或焊接成一个块,但Titan计算机的核心内存是采用一种不寻常的专利技术构建的:核心和电路安装在折叠的手风琴式长挠性印刷电路板上。

这种构造技术允许像书本一样打开核心存储模块,以访问核心和电路。

▲核心模块像书一样展开

如果将核心内存模块视为一本书,那么每个“页面”都是由金属板构成的,柔性印刷电路板的两侧都包裹着。这些“页面”中有6个,因此有12个核心存储平面,与下面的页面相似。

细数之后发现,穿过芯平面有128条水平线和128条垂直线,因此下面有16384条芯。在顶部和底部可以看到128根垂直导线,它们在平面之间不规则地延伸。

请注意,这些是穿过纤芯的细线,它们不间断地连续穿过整个纤芯平面。将128条水平芯线聚集成束,以在平面之间延伸;左束向下进行,右束向上进行。

▲核心内存中的一个平面具有16384个核心

完整的模块包含24位加一个奇偶校验位的字,模块中包含8192个字。该计算机具有2个核心模块,因此总共可容纳16K个字。

▲此处将128条水平线连接到电路板上


3、核心内存


翻转计算机,即可看到背面板后面的电路板。如下图所示,这些接口板已连接至计算机顶部的连接器。通过这些接口,计算机从惯性测量单元(IMU)接收速度和姿态脉冲。计算机将模拟控制信号发送到各种执行器,并将离散(二进制)信号发送到火箭的其他部分,以进行推进器、登台和其他功能。

另外,左侧是电源。电源通过计算机顶部的连接器和电缆连接到电源,从火箭接收电源。


接口板具有各种各样的电路,CTL、MUI和ADL板覆盖在TTL芯片中,类似于数字部分中的板。但是,其余的接口板都塞满了模拟组件,例如晶体管、电容器、电阻器、二极管、混合模块,以及一些TTL芯片。


下面的VMX板具有4个神秘的6针黑色混合模块,以及大量大电容器。目前尚不清楚该板具有什么功能,或者为什么需要那么多的电容器……

像其他板一样,它覆盖有厚实的保护涂层


4、电源


如下图所示,这台计算机使用开关电源将导弹的功率(可能为28V)有效地转换为计算机所需的电压。电源非常重,大约15磅(约6.8千克)。由于没有风扇,因此大部分重量可能是散热所需的金属。


在内部,电源中装有电感器和变压器、功率晶体管和电路板。下图左侧是大金属罐中的一堆滤波电容器,电感器和变压器看起来不像商用电源中的电感器,而是黑色方块。


如下图所示,几个电路板控制电源,它们使用的是金属罐集成电路,与商用电源中的集成电路不同。由于这些集成电路上的零件号没有任何有用的信息,因此猜测可能是定制的军用零件。

板子上覆盖有保护涂层,不仅可以防止其受潮,还使集成电路具有金色的光泽,非常好看!


电源可能会为TTL芯片产生5V电压,并产生更高的电压来驱动内核存储器,当然也为接口电路产生多个电压。



5、小结

航空航天计算机尽管使用了许多创新技术,但在计算机历史上通常被忽略。


例如,这枚泰坦导弹的计算机,在其核心内存中使用了柔性PCB;同时,它还具有表面贴装集成电路,比它们在商业电子产品中普及要早几年。但是,由于遵循摩尔定律,CMOS集成电路的功能呈指数级增长。因此,使用TTL芯片构建计算机已成为技术上的“死胡同”。



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