نوشته بلاگ

سامانه پدافند هوایی سیج؛ آنچه باید از بزرگ‌ترین فناوری تاریخ بدانید

سیج چگونه توانست نخستین خشت‌های فناوری‌های امروزی را بنا گذارد و IBM را به یکی از غول‌های فناوری تبدیل کند؟

این موضوع که فناوری نظامی خاصی به سایر زمینه‌های کاربردی راه پیدا کند، اتفاقی غیر‌رایج نیست. بسیاری از این فناوری‌ها در ابتدا شبیه داستان‌های علمی-تخیلی افتضاح به نظر می‌رسیدند؛ از حسگرهای تصویربرداری، که با هدف نصب روی ماهواره‌های جاسوسی تغییر کاربری داده شده‌اند، تا سامانه‌ی موقعیت‌یاب جهانی (GPS).

سناریوی زیر را در نظر بگیرید:

مجموعه‌ی عظیمی از رادارهای به‌هم پیوسته برای دفاع از ایالات متحده و کانادا در سراسر این دو کشور راه‌اندازی می‌شود. پرسنل نیروی هوایی که به شبکه‌ای متشکل از رایانه‌ها و رادارها متصل هستند، آسمان را برای کشف هرگونه فعالیت غیرمنتظره پایش می‌کنند. روزی هواپیمای ناشناسی کشف می‌شود که بر فراز قطب شمال در ‌حال پرواز به سمت ایالات متحده است. در فرایند بررسی سریع همه‌ی پروازهای تجاری، یک هواپیمای مسافرتی که در آسمان توندرای شمالی کانادا گم شده بود، نادیده گرفته می‌شود. در مقر فرماندهی، این هواپیما به‌عنوان یک خطر بالقوه شناسایی می‌شود؛ زیرا تمام تلاش‌ها برای ارتباط با آن شکست خورده است. بنابراین برای شناسایی هواپیما و دریافت اطلاعات ثبتی آن، هواپیمای شناسایی معمولی و بی‌خطری کنار آن به پرواز در می‌آید.

پیش از تکمیل فرایند رهگیری، هواپیماهای بیشتری بر فراز قطب شمال ظاهر می‌شوند. حمله‌ای از سمت روسیه صورت می‌گیرد. میزان آمادگی دفاعی (دفکن یا DEFCON) به درجه‌ی دو می‌رسد که فقط یک درجه پایین‌تر از جنگ هسته‌ای است. کنترل‌کنندگان سیستم راداری در سراسر کشور تصویر جامعی از حمله در سطح بالا دریافت می‌کنند. این تصویر برای فرماندهان ارشد نظامی روی صفحه‌ای بزرگ نمایش داده می‌شود. در اتاق فرمان، فرمانده‌ای روی صفحه‌نمایش چند کلیک می‌کند و یک جنگنده‌ را به هدف موردنظر اختصاص می‌دهد. تمام اطلاعات ضروری مستقیماً به رایانه‌ی هواپیمای جنگی، بدون نیاز به صحبت با خلبان، ارسال می‌شود.

زمانی که خلبان روی صندلی خود آماده‌ی پرواز می‌شود و به سمت باند پایگاه هوایی حرکت می‌کند، تمام داده‌های ضروری برای نابود کردن مهاجم در رایانه‌ی جنگنده بارگذاری می‌شود. خلبان بارگذاری موفق اطلاعات پرواز را تأیید می‌کند. هنگامی که از باند پرواز جدا می‌شود، با چرخاندن یک کلید در کابین خلبان، وظیفه‌ی هدایت پرواز به رایانه‌های مستقر بر زمین و کنترل‌کننده‌های راداری سپرده می‌شود. صفحه‌‌نمایش بزرگی در کابین خلبان نقشه‌ی منطقه و موقعیت هدف را به خلبان ارائه می‌دهد.

کل فرایند رهگیری به‌ ‌صورت خودکار انجام می‌شود و خلبان فقط دریچه‌ی گاز را تنظیم می‌کند. این جنگنده که با آخرین داده‌های کنترل‌کننده‌های زمینی به‌روز ‌شده است، مسیرش را برای رهگیری بمب‌افکن دشمن تنظیم می‌کند. فقط زمانی که هدف در محدوده‌ی راداری جنگنده باشد، خلبان کنترل را به‌ دست می‌گیرد، سپس یک سلاح را انتخاب می‌کند و شلیک می‌کند. پس از یک مانور سریع، کنترل پرواز به حالت خودکار باز می‌گردد و در‌ نهایت جنگنده به پایگاه برمی‌گردد.

مطلبی که خواندید، بریده‌ای از یک رمان دیستوپیایی یا مجله‌‌ای نظامی نیست. در ‌حقیقت، همه‌ی این‌ها به قسمتی از تاریخ تبدیل شده است. سیستمی که در بالا توضیح داده شد، «سِیج» نام دارد و در سال ۱۹۵۸ پیاده‌سازی شد.

سِیج (SAGE) که نام اختصاری Semi-Automatic Ground Environment به‌‌ معنی سامانه‌ی زمینی نیمه‌خودکار است، راه‌حلی برای چالش دفاع از آمریکای شمالی در‌ برابر بمب‌افکن‌های شوروی در طول جنگ سرد بود. مسئله‌ی دفاع هوایی پس از جنگ جهانی دوم تا حد زیادی نادیده گرفته شد؛ چراکه فرایند غیرنظامی‌شدن، منجر به انفجار اقتصاد مصرفی شد. اما آزمایش اولین بمب اتمی اتحاد جماهیر شوروی شرایط را تغییر داد و ایالات متحده مصمم به اجرای فوری یک استراتژی دفاعی متمرکز شد. انتظار می‌رفت که استراتژی هجومی دشمن، استفاده از بمب‌افکن‌های سریع‌السیر باشد. در اوایل دهه‌ی ۱۹۵۰، پدافند هوایی در منطقه‌ی آمریکای شمالی تکه‌تکه شده بود و فاقد قدرت هماهنگ‌کننده‌ی مرکزی بود. مطالعات بی‌شماری برای ارائه‌ی راه‌حل مناسب صورت گرفت، اما فناوری آن زمان به‌سادگی قادر به برآورده‌کردن انتظارات نبود.

گردباد اول

در روزهای پایانی جنگ جهانی دوم، محققان مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) سعی کردند ابزاری برای نیروی دریایی ایالات متحده طراحی کنند که بتواند یک هواپیمای دلخواه را شبیه‌سازی کند و توانایی مانور آن را مطالعه کنند. این رویکرد در ابتدا به‌عنوان یک کامپیوتر آنالوگ در‌ نظر گرفته شده بود. اما زمانی که مشخص شد این دستگاه برای این نوع شبیه‌سازی‌ها به اندازه‌ی کافی سریع و دقیق نخواهد بود، کنار گذاشته شد.

سپس توجه‌ها به «گردباد اول» معطوف شد؛ سیستم دیجیتال و پیچیده‌‌ی ۳۲ بیتی ساخته شده در MIT ، با قابلیت اجرای ۱۶ واحد ریاضی و حافظه‌ی ۲۰۴۸ کلمه‌ای. نکته‌ی مهم این است که سیستم ورودی-خروجی گردباد اول پیچیده بود. این سیستم برای اولین بار مفهوم «دزدی چرخه» در طول عملیات‌های ورودی-خروجی را معرفی کرد.

پس از مدتی، نیروی دریایی علاقه‌اش به گردباد اول را به‌دلیل هزینه بالای آن از دست داد. اما این‌‌ بار نیروی هوایی آن را برای استفاده در پدافند هوایی ارزیابی کرد. پس از اصلاح چندین رادار در شمال شرقی ایالات متحده به منظور ارسال مختصات جغرافیایی صحیحِ هدف‌های موردنظر، «گردباد اول» ثابت کرد که ایجاد هماهنگی بین رهگیری‌های انجام‌شده، شدنی است. نکات کلیدی این راه‌حل، لوله‌های خلأ با قابلیت اطمینان بالا و توسعه‌ی اولین حافظه‌ی مرکزی بود. این دو پیشرفت باعث افزایش چهار برابری سرعت پردازش سیستم نسبت به طراحی اولیه شد.

معماری سِیج

با توجه به این نتایج امیدوارکننده‌، مهندسان MIT و IBM به همراه نیروی هوایی سنگ‌بنای چیزی را گذاشتند که به «سیج» منجر می‌شد. در این سیستم، آمریکای شمالی به ۲۳ بخش تقسیم شده است که هر بخش دارای مرکز هدایت خاص خود است و تعدادی از آن‌ها کامپیوتر مرکزی فرماندهی و کنترل نظامی را تغذیه می‌کنند. هر مرکز هدایت به تعدادی رادار متصل خواهد شد و چندین گروه جنگنده برای اجرای رهگیری در‌ دسترس خواهد بود. اگر یک مرکز هدایت در حمله‌ای منهدم شود، پیوندهای ارتباطی اضافی به مرکزی دیگر تغییر مسیر داده می‌شود. برای حل مشکل ناشی از فراوانی ارتباطات، همه‌ی مراکز از تکنیک خاصی استفاده می‌کردند؛ یک پروتکل همگام‌سازی برای تبادل داده‌های ردیاب‌ها، هواپیماها و عوامل دشمن.

ایجاد چنین سیستمی کار بزرگی بود. نیروی هوایی با ترس از حمله‌ی هسته‌ای، معماری دفاع هوایی را توسعه داد. بزرگی و پیچیدگی این طرح به دلیل لزوم دفاع هوایی از کل آمریکای شمالی، منطقه‌ای به مساحت اتحاد جماهیر شوروی، بود. در‌ نتیجه پیاده‌سازی این پروژه به منابع مالی و انسانی بسیار بیشتری نسبت به پروژه منهتن در جنگ جهانی دوم نیاز داشت.

سیج، نام کلی سیستمی بود که شامل نه‌تنها مراکز رایانه‌‌ای، بلکه معماری پردازش، رهگیرها، رادارها و موشک‌های زمین به هوا می‌شد. کامپیوتر اصلی این سیستم که در اصطلاح نظامی به نام AN/FSQ-7 شناخته می‌شود، بزرگ‌ترین کامپیوتر ساخته شده به دست انسان است. این رایانه از دو پردازنده که یکی همیشه فعال و دیگری در حالت آماده به کار است، تشکیل شده است و به ۴۹ هزار لوله خلأ و ۶۸ هزار حافظه مرکزی ۳۲ بیتی نیاز داشت. سِیج با سرعت تقریبی ۷۵ هزار دستورالعمل در ثانیه کار می‌کرد. ازآنجاکه حافظه‌های دیسکی تازه تجاری شده بودند، از حافظه‌ی درام برای ذخیره‌سازی دائمی استفاده می‌شد. هر کدام از ۲۶ درام، حدود ۱۵۰ هزار دستورالعمل را در خود نگه می‌داشت و زمان دسترسی به آن‌ها ۲۰ میلی ثانیه بود. پردازنده‌ها دارای یک سیستم ورودی-خروجی پیچیده بودند که رادارها، نمایشگرها و سایر مراکز هدایت را به هم متصل می‌کرد.

سیج به تأسیسات فیزیکی عظیمی نیاز داشت. هر کدام از ۲۳ مرکز زمینی در ساختمان‌های چهار طبقه‌ای قرار داشت. این ساختمان‌ها در‌ برابر انفجارهای هسته‌ای مقاوم نبودند، اما دیوارهایی به ضخامت دو متر محافظت قابل توجهی در‌ برابر حملات احتمالی فراهم می‌کرد. یک طبقه ۲ هزار متر مربعی به پردازنده‌های ۲۵۰ تُنی و لوازم الکترونیکی پشتیبانی آن‌ها اختصاص داده شد. برق مورد نیاز برای هر مجتمع (۳ مگاوات) توسط دیزل ژنراتورها تأمین می‌شد.

حدود ۹۰ میز فرمان در هر مرکز هدایت وجود داشت که هر کدام وظیفه‌ی متفاوتی را در حوزه‌ی پدافند هوایی بر عهده داشتند. دسته‌ای از آن‌ها برای پایش عمومی آسمان بود. این گروه، مشابه آنچه در یک مرکز کنترل ترافیک هوایی مدرن یافت می‌شود، تمام پروازها را ردیابی ‌می‌کرد. درصورتی‌که هواپیمایی ناشناس تلقی می‌شد، داده‌های مربوط به آن به مدیر تسلیحات ارسال می‌شد. پس از ارزیابی میزان خطر، مدیر تسلیحات می‌تواند دستور رهگیری صادر کند یا اطلاعات هدف‌گیری را به موشک‌های واقع در اطراف شهرهای بزرگ ارسال کند.

مدیر رهگیری پس از تحویل گرفتن داده‌ها از سوی مدیر تسلیحات، هواپیمایی را به آن هدف خاص اختصاص می‌داد. با کلیک کردن روی جنگنده و عنصر بالقوه خطرناک، مسیر رهگیری و ارتفاع بهینه محاسبه و به جنگنده ارسال می‌شد. اگر رادار تغییری در مسیر هدف تشخیص دهد، سیستم به‌طور خودکار، دستورالعمل رهگیری را دوباره محاسبه کرده و داده‌های به‌روزشده را برای جنگنده ارسال می‌کند. در این مورد هیچ ارتباط کلامی‌ای با خلبان لازم نیست.

انتخاب یک مسیر راداری خاص برای شناسایی هدف، روی صفحه‌ای پر از علائم گوناگون، بدون نوعی رابط تصویری مناسب کاملاً پیچیده خواهد بود. با توجه به اینکه اختراع ماوس کامپیوتر یک دهه بعد صورت می‌گیرد، مهندسان گردباد، فناوری «اسلحه‌ی نوری» (Light Gun) را توسعه دادند. وسیله‌ی اشاره‌‌گری به شکل تپانچه که به کنترل‌کننده‌ها اجازه می‌داد تا هدفی را روی صفحه انتخاب کنند. هنگامی که هدف انتخاب شد، اپراتور می‌تواند یک شناسه‌ی مسیر تعیین کند، دستور رهگیری بدهد یا هدف را به وسیله‌ی موشک زمین به هوا منهدم کند.

باید بدانیم این رایانه، به‌طور مستقل، نمایشگرها را هدایت نمی‌کرد. ازآنجاکه اطلاعات مربوط به موقعیت و ارتفاع هواپیما از رادارها به پردازنده منتقل می‌شد، داده‌های ردیابی محاسبه می‌شد و روی درام‌ها نوشته می‌شد. هر میز فرمان فقط داده‌های مربوط به خود را از این درام‌ها استخراج می‌کرد. تعدادی سوئیچ روی میز فرمان، ویژگی‌های نمایشگر را تغییر می‌داد و عمق میدان را روی یک هواپیمای خاص قرار می‌داد.

انتهای نوک‌تیز نیزه

سِیج قسمت زمینی پدافند هوایی بود و برای رهگیری بمب افکن‌ها به جنگنده‌ای با همان توانمندی نیاز بود. برنامه‌ی اولیه این بود که از جنگنده‌ی محبوب F-102 به‌عنوان هواپیمای خط مقدم استفاده شود. با بازطراحی F-102، شرکت کانویر هواپیمای F-106 را تحویل داد و آن را به‌عنوان هواپیمای رهگیری نهایی معرفی کرد. این جنگنده هنوز دارنده‌ی رکورد جهانی سرعت (۲/۳ ماخ) برای هواپیمای تک موتوره است.

F-106 مجهز به تجهیزات الکترونیکی خاصی بود که در آن مقطع زمانی بسیار فراتر از توانایی‌های هر هواپیمای دیگری بود. قلب هواپیما، سیستم Hughes MA-1 بود که تمام عملکردهای ناوبری، رادار، ارتباطات و خلبان خودکار را در یک مجموعه‌ی ۱۱۴۰ کیلوگرمی در جلوی هواپیما یکپارچه می‌کرد. در مرکز آن، اولین کامپیوتر دیجیتالی هوابرد در تاریخ (Hughes Digitair) قرار داشت. داده‌های ارسالی از مراکز فرمان در حافظه‌ی ذخیره‌سازی ثبت می‌شد که می‌توانست ۱۳ هزار کلمه را ذخیره کند. تمام داده‌های رهگیری و همچنین اطلاعات هدف و داده‌های رادیویی و ناوبری روی این حافظه ذخیره می‌شد.

با وجود چنین سیستم خودکاری، خلبان فقط نیاز داشت از موقعیت جنگنده مطلع باشد. یک صفحه‌ی بزرگ در کابین خلبان، نقشه‌ای از منطقه را نشان می داد که ‌هم‌زمان موقعیت‌ و مسیر جنگنده و هدف آن را نشان می داد. این صفحه‌نمایش با داده‌های مرکز هدایت به روز می‌شد و تصویر جامع حمله را به خلبان نشان می‌داد. این ویژگی در شرایطی که برقراری ارتباط صوتی امکان‌پذیر نبود، بسیار کارآمد بود.

عملیات سپر آسمان

تعطیلی دو روزه‌ی حمل‌ونقل هوایی در سراسر ایالات متحده پس از ۱۱ سپتامبر ۲۰۰۱ بی‌سابقه بود. این برای اولین بار بود که تمام ترافیک تجاری هوایی در ایالات متحده متوقف شده بود. از سال ۱۹۶۰، نیروی هوایی ایالات متحده با همکاری آژانس فدرال هوانوردی، هر ساله سه مانور تمرینی به نام سپر آسمان اجرا می‌شد که طی آن همه پروازهای تجاری و خصوصی برای چند ساعت متوقف می‌شد. در این تمرینات که برای آزمایش توانمندی‌های سیج در‌ نظر گرفته شده بود، بمب‌افکن‌ها اهدافی در ایالات متحده را برای انهدام تعیین می‌کردند و واحدهای سیج با جنگنده‌ها و موشک‌های زمین به هوا به این حملات پاسخ می‌دادند.

در این مانورها، بمب‌افکن‌های ولکان (Vulcan) نیروی هوایی بریتانیا نیز دستور تمرین را دریافت کردند. آن‌ها با استراتژی خاص هجومی خود (تقلب) و استفاده از پارازیت‌های مؤثر راداری، شکاف‌ گسترده‌‌ی موجود در قابلیت‌های سیج را آشکار کردند. با وجود ادعای نرخ موفقیت بسیار بالا جنگنده‌های سیستم دفاعی در انهدام هدف، تنها یک‌چهارم بمب‌افکن‌های بریتانیایی رهگیری شدند.

منافع سیج برای IBM

در اوایل دهه‌ی ۱۹۵۰، IBM وارد قلمرو محاسبات شده بود و پیش از این نیز در فناوری‌ های جدول‌بندی کارت پانچ پیشرو بود. به‌دلیل تمرکز بر تحقیق و توسعه و پشتیبانی محصولات، IBM در سال ۱۹۵۳ توسط نیروی هوایی برای طراحی و ساخت رایانه‌ی AN/FSQ-7 انتخاب شد. این پروژه در سال‌های ابتدایی فقط ۱۰ درصد از سود نهایی IBM را فراهم می‌کرد. اما منافع اصلی IBM، دسترسی به طرح‌های پیشرفته موجود در MIT و فناوری‌های انقلابی مانند حافظه‌ی مرکزی بود. با اتمام پروژه‌ی سیج، مهندسان IBM از انبوه مهارت‌های کسب‌‌شده‌ی خود در این پروژه، در پیشنهادهای تجاری آینده بهره بردند.

در دهه‌ی ۱۹۵۰، اطلاعات پرواز‌های مسافربری در قفسه‌هایی شبیه فهرست کارت‌های کتابخانه ذخیره می‌شد. فقط چند نفر برنامه‌ریز به این قفسه‌ها دسترسی داشتند. در آن شرایط رزرو پرواز ممکن بود یک یا دو ساعت طول بکشد. در آن شرایط به‌طور تصادفی یکی از مدیران IBM با رئیس شرکت هواپیمایی امریکن ایرلاینز ملاقات کرد. آن‌ها در ‌مورد نیازهای خطوط هوایی و قابلیت‌های سیستم سیج صحبت کردند. این شرکت هواپیمایی پس از شناخت مزیت‌های سیستم رزرو کامپیوتری، قراردادی با IBM برای توسعه‌ی سیستم سیبر (SABRE) منعقد کرد. سیبر خیلی زود به موفقیت بزرگی دست یافت. این سیستم امروزه تحت عنوان Travelocity و Expedia فعالیت می‌کند.

سیج با وجود پیشرفت‌های عظیم محاسباتی‌ای که ارائه کرد، به‌سرعت منسوخ شد. تمرکز ارتش ایالات متحده بر موشک‌های بالستیک قاره‌پیما منجر به نابودی سیج شد. از بین ۲۳ مرکز هدایت سیج، تنها ۶ مرکز تا سال ۱۹۷۰ فعال بودند و در ‌‌نهایت این ابرکامپیوتر در سال ۱۹۸۳ برای همیشه غیرفعال شد.