Rétro-ingénierie de l’imprimante de 59 livres embarquée à bord de la navette spatiale

• En 1981, avant le premier vol de la navette, l’Interim Teleprinter System a été conçu en 7 mois comme équipement provisoire afin d’envoyer à l’équipage des procédures, des plans de mission et des bulletins météo
• Cette imprimante était un terminal de communication militaire modifié, qui imprimait rapidement ligne par ligne à l’aide d’un tambour rotatif gravé de caractères en relief et de 80 marteaux
• À l’origine, elle ne devait servir que quelques fois, jusqu’à ce que TAGS soit prêt, mais à cause des problèmes de bourrage papier de TAGS, elle a continué à être utilisée comme solution de secours sur plus de 50 vols
• Rien que pour mettre en orbite cet équipement de 59 livres, cela coûtait plus de 1,5 million de dollars par vol selon les coûts de la navette, et des modifications comme un matériau insonorisant et un mode veille à 1 W ont été nécessaires à cause du bruit, de la surchauffe et des contraintes d’inflammabilité
• Lors de la restauration, des problèmes de rouleaux en caoutchouc fondus et d’alignement mécanique ont été résolus, puis l’envoi de données modulées en FSK rétroconçues a permis de réussir une véritable impression

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Pourquoi la navette avait besoin d’une imprimante

• Lors des missions Apollo, le sol lisait les informations à la radio et l’équipage les recopiait à la main
• La NASA voulait intégrer à la Space Shuttle un dispositif capable de recevoir du texte et des images, et le plan initial était le Uplink Text & Graphics System (TAGS), un équipement de type fax haute résolution pesant 78 livres
  • TAGS envoyait à la navette des images en niveaux de gris via un flux de données numérique, puis formait l’image ligne par ligne sur du papier photosensible à halogénure d’argent grâce à un CRT embarqué et une plaque frontale en fibre optique
  • Le papier était développé en passant 25 secondes entre des rouleaux chauffés à 260ºF
• TAGS nécessitait le Tracking and Data Relay Satellite System (TDRS), mais le TDRS n’était pas prêt avant le sixième vol de la navette
• Sept mois avant le premier lancement de la navette, la NASA a donc décidé de créer un système provisoire permettant d’envoyer des modifications de plan de vol et des données opérationnelles en temps réel via le canal audio existant

Réduction et adaptation d’un terminal militaire pour la navette

• L’équipement de base était le terminal de communication militaire AN/UGC-74 Tactical Teletype, développé par l’Army et également utilisé par la Navy et l’Air Force
• Le terminal d’origine prenait en charge l’ASCII et le Baudot, plusieurs débits, les boucles de courant et les signaux de tension, et disposait aussi d’un clavier pour les communications bidirectionnelles
• Il intégrait également une fonction de traitement de texte contrôlée par un microprocesseur Motorola 6800
  • Cette fonction permettait de rédiger des messages hors ligne afin de réduire le temps d’émission radio en environnement hostile
  • L’Interim Teleprinter de la navette ne recevait que des messages et n’avait pas de clavier, donc cette fonction n’y servait pas
• Le terminal militaire pesait 100 livres, mais après adaptation pour la navette, il est descendu à 59 livres
  • Le clavier et une grande partie des commandes de la face avant ont été retirés
  • Le châssis a été remplacé par une structure plus légère et des rails horizontaux ont été ajoutés pour le montage dans un casier de rangement de la navette
  • Le module d’interface militaire a été retiré et remplacé par une carte d’interface FSK propre à la navette

Impression ligne par ligne avec un tambour rotatif et 80 marteaux

• L’Interim Teleprinter fonctionne avec un tambour rotatif portant des caractères en relief, tandis que des marteaux frappent le ruban et le papier contre les caractères du tambour pour imprimer
• Le tambour fait 80 caractères de large, soit la longueur d’une ligne, et il y a un marteau par position d’impression, soit 80 marteaux au total
• Chaque position contient 64 caractères imprimables répartis autour de la circonférence du tambour
  • Il n’existe pas de caractère espace dédié : pour un espace, rien n’est frappé
  • Dix caractères spéciaux du tambour militaire ont été remplacés par des symboles plus utiles pour la navette
  • ;@[\\]^!\"#$ a été remplacé par θ✓‾↑↓~αβΔϕ
• Une ligne est imprimée pendant une rotation complète du tambour, et chaque marteau doit frapper à l’instant exact où le caractère voulu passe devant sa position
• La phrase de test intégrée est "THE LAZY YELLOW DOG WAS CAUGHT BY THE SLOW RED FOX AS HE LAY SLEEPING IN THE SUN"
  • Elle ressemble à la phrase traditionnelle du “quick brown fox”, mais il y manque les lettres J, K, M, Q et V
  • Elle fait exactement 80 caractères et, en remplaçant les espaces par des losanges ◊, elle est utile pour vérifier que les 80 colonnes fonctionnent

Une carte sur mesure pour reconstruire des données série à partir de la liaison audio

• À l’origine, le teleprinter militaire recevait un flux binaire série en entrée, mais dans la navette, les données étaient encodées dans les fréquences d’une liaison audio
• Trois cartes sur mesure pour la navette démodulent les données audio, allument l’imprimante lorsqu’un message arrive, puis la remettent en veille ensuite
• La rétro-ingénierie a montré que le flux binaire série était encodé en Frequency Shift Keying (FSK)
  • Le 1 est représenté par 3600 Hz, le 0 par 7200 Hz
  • Les données série sont transmises à 600 baud, parité paire, avec 1 bit d’arrêt
• Le chemin de démodulation amplifie et filtre d’abord l’entrée audio, transforme ensuite l’onde sinusoïdale en onde carrée via un seuil, puis distingue numériquement 3600 Hz et 7200 Hz par autocorrélation
• La carte de contrôle retarde l’entrée de 139 µs au moyen d’un registre à décalage de 64 bits, puis effectue un XOR avec l’entrée d’origine
  • Le signal à 7200 Hz se répétant toutes les 139 µs, l’entrée et l’entrée retardée sont identiques, donc le XOR vaut 0
  • L’onde carrée à 3600 Hz change d’état toutes les 139 µs, donc le XOR vaut 1
• Ce démodulateur numérique est moins sensible au niveau du signal et évite les problèmes d’harmoniques ainsi que la dépendance à des filtres finement réglés, typiques des démodulateurs analogiques
• Après la démodulation, un filtre passe-bas à 400 Hz et un traitement par seuil reconstituent un signal binaire, qui n’est transmis à la carte logique de l’imprimante que lorsqu’une porteuse est détectée

Comment les cartes logiques des années 1970 pilotent l’impression

• Les 4 cartes logiques du teleprinter militaire ont été conservées telles quelles dans la navette
  • carte CPU
  • carte mémoire
  • carte de communication
  • carte de contrôle d’impression
• Si les circuits sont aussi volumineux, c’est parce que la technologie des microprocesseurs des années 1970 nécessitait de nombreuses puces logiques de la série 7400 pour des fonctions comme le décodage d’adresses, le buffering et le verrouillage
• La carte CPU embarque un CPU Motorola 6800, 4 KB de mémoire et une ROM de programme
  • Elle convertit une ligne de caractères ASCII en code de tambour d’impression et la stocke en mémoire
  • Elle gère aussi la configuration et l’auto-test
• La carte de contrôle d’impression synchronise la position du tambour avec le tampon mémoire afin de déclencher les marteaux
  • Elle balaie par DMA un tampon mémoire de 80 caractères pour chaque rangée du tambour
  • Si la valeur en mémoire correspond au numéro de la rangée courante du tambour, le marteau correspondant est déclenché
  • 20 hammer cards pilotent chacune 4 marteaux, avec un contrôle électrique organisé en matrice de 20 lignes de sélection de carte et 4 lignes de sélection de marteau
• La carte de communication utilise un USART 8251A pour convertir le flux série en octets exploitables par le CPU
  • Le terminal militaire gérait l’émission et la réception, mais le teleprinter de la navette n’utilisait que la réception
• La carte mémoire fournit 8 KB de RAM et 8 KB de ROM pour la fonction de traitement de texte
  • D’après le manuel, l’imprimante fonctionne même sans cette carte si l’on se passe du traitement de texte
  • Le fait qu’elle n’ait pas été retirée dans la navette, alors que cette fonction n’était pas nécessaire, reste une question ouverte

Alimentation électrique et traces des fonctions de sécurité militaires

• La carte d’alimentation est constituée d’une alimentation à découpage qui fournit des tensions distinctes à différentes parties de l’appareil
  • +5 V, +12 V, -5 V pour le microprocesseur
  • +5 V, -8,6 V, +8,6 V pour le clavier, le capot anti-poussière et le module d’interface retirés dans la navette
  • alimentation pour les voyants d’état
• L’alimentation du moteur du tambour est régulée pour contrôler sa vitesse de rotation
  • Un capteur de tambour fournit une impulsion de retour pour chaque rangée
  • Si le tambour tourne trop lentement, la tension augmente ; s’il tourne trop vite, la tension diminue
• L’alimentation des marteaux est, de façon inhabituelle, conçue pour maintenir un courant constant de 600 mA
  • Quand l’imprimante est active, elle génère du +18 V
  • Si les marteaux consomment moins de courant, l’excédent est dissipé dans une résistance
• Cette conception était une fonction militaire destinée à masquer les informations imprimées pendant le trafic de messages
  • L’objectif était d’empêcher une attaque consistant à surveiller les variations transitoires de consommation pour deviner quels marteaux s’activaient
  • Dans la Space Shuttle, cette fonction ne servait à rien et ne faisait que gaspiller de l’énergie
• Le teleprinter militaire prenait en charge 22–30 VDC, 115 VAC, 230 VAC et une batterie de secours 12 VDC, mais celui de la navette fonctionnait en 28 VDC

Installation dans la navette et contraintes d’exploitation

• L’Interim Teleprinter était trop volumineux pour être placé sur le flight deck, il a donc été monté dans un casier de rangement du middeck, un niveau plus bas
• Il était installé dans le casier MA9F à l’arrière droit, et un panneau de connecteurs a été monté sur la porte du casier pour l’alimentation et la liaison audio
• Son procédé d’impression par impact était bruyant, et même rangé dans le casier, le niveau sonore extérieur atteignait 69,5 dB
  • La solution a consisté à ajouter un matériau insonorisant dans le casier
  • Après essais de plusieurs isolants, un matériau conforme aux exigences de toxicité a été retenu
  • Cet isolant a également nécessité une dérogation d’inflammabilité
• Le casier isolé sans refroidissement a posé un problème de surchauffe
  • Le teleprinter militaire consommait 34 W même au repos, au point de pouvoir devenir dangereusement chaud après seulement 6 orbites
  • La version navette a donc reçu un mode veille ne consommant que 1 W
  • Lorsqu’un signal du sol est détecté, l’appareil s’allume, puis revient en veille après utilisation
  • Un circuit a aussi été ajouté pour renvoyer une tonalité au sol afin que le Mission Control sache que l’imprimante est sortie de veille
• Pendant le lancement, la liaison audio utilisée par le teleprinter était nécessaire aux communications de l’équipage ; le teleprinter n’était donc raccordé qu’après le décollage, et les réglages audio du panel L9 étaient ensuite reconfigurés

Le remplacement progressif par TAGS puis TIPS

• L’Interim Teleprinter devait être un équipement temporaire utilisé seulement jusqu’à l’entrée en service de TAGS, mais les problèmes de fiabilité de TAGS ont changé les plans
• Le premier satellite TDRS a été lancé lors du sixième vol de la navette, STS-6, et TAGS est devenu utilisable à partir de STS-7
• TAGS a subi un bourrage papier dès STS-7, et le même problème s’est répété par la suite
  • Lors de STS-35, après le bourrage de l’imprimante, l’outil de débourrage s’est lui aussi cassé
  • En raison de l’instabilité de TAGS, l’Interim Teleprinter a été conservé comme solution de secours
• Environ dix ans plus tard, le Thermal Impulse Printer System (TIPS) a été introduit, et il semble avoir été utilisé lors du vol STS-56 en 1993
• Une fois la fiabilité de TIPS confirmée, il a remplacé à la fois le teleprinter et TAGS
  • TIPS était basé sur l’imprimante commerciale Raytheon TDU-850
  • Le prix du produit commercial à l’époque était de 4 950 dollars
  • Une carte d’interface de communication personnalisée avait été ajoutée à l’intérieur pour l’interconnexion avec les systèmes de communication S-Band et Ku-Band de la navette
  • Grâce à cette interface, l’équipage pouvait aussi utiliser TIPS comme imprimante pour les ordinateurs personnels embarqués

Résultats de la restauration et de la rétro-ingénierie

• L’équipement étudié était probablement non pas un modèle de vol, mais un système de développement resté au sol
  • Des bodge wires et des composants ajoutés sont visibles sur les cartes
  • Les 3 cartes sur mesure de la navette n’ont pas le conformal coating courant sur les cartes aérospatiales
  • L’appareil porte la mention « Not for flight »
• Le plus gros problème de la restauration venait des rouleaux en caoutchouc, devenus liquides et collants dans tout le mécanisme
• L’imprimante a été démontée, le mécanisme nettoyé puis réaligné, et l’espacement des marteaux a été ajusté jusqu’à obtenir une qualité d’impression lisible
• La rétro-ingénierie des 3 cartes spécifiques à la navette a confirmé que le format de données accepté par l’imprimante était un flux série encodé en audio
• En envoyant des données modulées en FSK, il a été possible de faire imprimer réellement la machine

Une conception temporaire qui a duré bien plus longtemps que prévu

• L’Interim Teleprinter était lourd, risquait la surchauffe et, bien que fondé sur un produit existant, a exigé de nombreuses modifications jusqu’à la face avant, au tambour, à l’interface et au châssis
• Il a également hérité d’une fonction de traitement de texte inutilisée dans la navette, ainsi que d’une fonction de sécurité à courant constant
• Le développement n’a duré que 7 mois, et des contraintes comme la toxicité et l’inflammabilité limitaient fortement les approches possibles
• Au final, l’Interim Teleprinter a été utilisé sur plus de 50 vols et est resté une solution de secours plus fiable que TAGS
• Contrairement à ce que son nom laissait penser, l’Interim Teleprinter n’a pas été un simple équipement transitoire de courte durée, mais une solution qui a fonctionné bien plus longtemps qu’attendu

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Commentaires sur Hacker News

• Le tambour du téléimprimeur de la navette remplaçait 10 caractères spéciaux ASCII par des symboles plus utiles à bord de la navette, par exemple des lettres grecques pour les angles
  Concrètement, les caractères ;@[\]^!"#$ étaient remplacés par 聁~αβā
  Ce qui est désespérant, c’est que cette imprimante antique pouvait les imprimer, mais que le navigateur Chrome d’un Android récent n’arrive pas à les afficher correctement

  • La police de la page de l’auteur est normal normal 14px Arial, Tahoma, Helvetica, FreeSans, sans-serif;, et News YC utilise Verdana, Geneva, sans-serif;
    Selon https://unicode.scarfboy.com/, ces caractères sont les suivants, et le problème de rendu n’a rien de surprenant : U+03B8 θ GREEK SMALL LETTER THETA, U+2713 CHECK MARK, U+203E ‾ OVERLINE, U+2191 ↑ UPWARDS ARROW, U+2193 ↓ DOWNWARDS ARROW, U+007E ~ TILDE, U+03B1 α GREEK SMALL LETTER ALPHA, U+03B2 β GREEK SMALL LETTER BETA, U+0394 Δ GREEK CAPITAL LETTER DELTA, U+03D5 ϕ GREEK PHI SYMBOL
    Ceux qui ne s’affichent pas sont U+2713 CHECK MARK, U+203E ‾ OVERLINE, U+2191 ↑ UPWARDS ARROW, U+2193 ↓ DOWNWARDS ARROW, U+03D5 ϕ GREEK PHI SYMBOL, et je sais seulement qu’Arial les contient en grande partie alors que Verdana ne les a pas
  • Curieusement, sur Chrome du Samsung S24 Ultra, ça s’affiche bien sur HN mais pas sur la page de Ken. Sur Chrome sous Windows et Ubuntu, ainsi que sur Safari iOS, c’est l’inverse : la page est correcte mais pas ici
    L’encodage des caractères, c’est vraiment fascinant
    Si Ken passe par ici : sur mon appareil, le problème venait précisément des caractères encodés sous forme d’entités numériques. En les remplaçant par les caractères réels dans les outils de développement de Chrome sous Windows et Ubuntu, le rendu redevenait normal
  • Je pense que le problème vient des balises. La police de code d’Android Chrome semble ne pas contenir ces caractères spéciaux
    En retirant les balises, les caractères se sont affichés aussi sur Android, ce qui a résolu le problème au moins dans mon environnement
  • Le texte semble avoir été corrompu à un moment entre sa rédaction initiale et son envoi au navigateur
    Je ne sais pas trop si on peut vraiment en rejeter la faute sur Chrome ou Android

• C’est l’auteur. Je répondrai aux questions si vous en avez

  • Les calculs du type « plusieurs milliers de lignes imprimées par vol » et « comme le coût d’un vol de la navette était de 270 dollars par livre, envoyer en orbite un téléimprimeur de 59 livres coûtait plus de 1,5 million de dollars par vol » ne prennent en compte que le poids de l’imprimante elle-même
    Je me demande quelle quantité de papier vierge ils emportaient pour l’imprimante, et comment cette quantité était déterminée. Vu la taille de la police sur les photos, si « plusieurs milliers de lignes » est exact, il devait bien y avoir au moins quelques livres de papier en plus
  • Ravi de voir Ken et Marc se replonger une fois de plus dans du matériel NASA peu connu
    J’imagine qu’ils ont aussi pris en compte l’effet gyroscopique du tambour en rotation sur la navette. L’une des raisons pour lesquelles les ordinateurs de la navette utilisaient des lecteurs de bande plutôt que des disques durs, c’était justement l’impact possible sur l’orientation en apesanteur. Peut-être que la masse était trop faible pour poser problème, ou bien que, contrairement à un disque dur, ce n’était pas un dispositif tournant en permanence à 100 %
    Je suis aussi surpris qu’ils n’aient pas étudié le Teletype Model 40. Il était plus léger, sans tambour rotatif, disponible en configuration réception seule donc sans besoin de tronçonner le clavier, basé sur l’ASCII, et déjà certifié pour le vol sur des aéronefs militaires. Cela dit, le calendrier ne colle peut-être pas. La première fois que j’en ai vu un, c’était en 1984, et il était alors présenté comme « nouveau », donc il n’existait peut-être pas encore en 1981
    Le Model 40 utilisait une courroie rotative contenant des palettes de caractères individuelles, et 80 marteaux — un par colonne — frappaient au bon moment pour imprimer le caractère voulu. On peut aussi voir la poulie de la courroie tourner dans la vidéo. Après une certaine période d’inactivité, il se mettait hors tension. On pouvait aussi s’amuser à permuter les palettes, car elles n’étaient pas suivies individuellement : seule la position de départ de la courroie était marquée par un repère, si bien qu’en modifiant ensuite l’ordre on obtenait par exemple un N à la place d’un M
    https://www.youtube.com/watch?v=whKVGefscro
  • Je me demande si le tambour tournait de façon fluide à un régime constant, ou s’il s’arrêtait brièvement via un mécanisme d’engrenage similaire à un mécanisme de Genève, comme sur un projecteur de cinéma analogique, afin d’éviter que le papier ne se déchire quand les marteaux frappaient
    https://en.wikipedia.org/wiki/Geneva_drive
  • Il est dit qu’il y avait des ROM contenant le code du programme ; je me demande s’ils ont aussi fait un dump des ROM
    À la lecture de l’article, je comprends qu’il y en avait trois au total : une ROM de 4 KB sur la carte CPU et deux ROM de 8 KB sur la carte de traitement de texte
  • Cette imprimante avait-elle un traitement de durcissement aux radiations ? Comme d’autres l’ont dit, utiliser une imprimante matricielle commerciale aurait permis d’économiser beaucoup de poids précieux, donc j’imagine qu’il y avait d’autres priorités que la seule masse

• C’était une imprimante à tambour, et l’autre imprimante haute vitesse courante de la même époque était l’imprimante à chaîne
  Elle reposait essentiellement sur le même principe, avec une rangée de marteaux pour chaque colonne qui frappaient pendant que la chaîne de caractères défilait rapidement devant eux, et c’était vraiment très rapide
  Si la Shuttle n’a pas choisi une imprimante à chaîne, c’est probablement surtout à cause des modes de panne. Si la chaîne cassait, elle pouvait jaillir d’un côté de l’imprimante et traverser un mur, donc on avertissait les opérateurs de ne pas se tenir à côté

  • En première année d’informatique, je devais récupérer des sorties du mainframe, et elles venaient d’une imprimante à chaîne
    Elle était dans la pièce voisine, derrière le local de stockage des impressions, et même à 20 pieds de distance, le bruit de l’impression faisait presque peur
  • Le « centre informatique » de notre université avait aussi une imprimante à chaîne. C’est une expression vieillotte aujourd’hui, mais à l’époque tout le monde n’avait pas encore d’ordinateur chez soi
    Une blague de labo consistait à lancer un programme qui imprimait en continu une ligne de - ou de = sans retour à la ligne, ce qui finissait par surimprimer jusqu’à découper le papier ou coincer fréquemment l’imprimante
    C’était particulièrement “amusant” le dimanche soir, quand tous les listings de programmes à rendre avant les cours du lundi arrivaient en même temps

• Il semble qu’en 1981, les imprimantes matricielles commerciales ou grand public existaient déjà. Un tel matériel aurait probablement été bien plus léger et moins gourmand en énergie qu’une imprimante de ligne à tambour

  • https://news.ycombinator.com/item?id=39769157
    À l’époque où la Shuttle était en développement, il n’y avait pratiquement pas encore d’imprimantes. Les imprimantes desktop à jet d’encre et laser n’ont été commercialisées que 1 à 3 ans avant le premier vol de la Shuttle, en 1981, et elles n’étaient pas encore très fiables. Même aujourd’hui, les imprimantes desktop ne sont pas aussi fiables que les télétypes ou les imprimantes matricielles. Si les compagnies aériennes utilisent des matricielles aux portes d’embarquement pour imprimer les listes de vol, ce n’est pas pour rien
    À l’époque, c’étaient surtout les traceurs à encre, les téléimprimeurs et les fax qui dominaient. Mais les traceurs sont terriblement lents pour écrire du texte. Un fax radio aurait peut-être pu convenir s’il avait été assez robuste, mais il aurait sans doute été aussi lourd qu’un télétype et bien plus lent. Son véritable avantage aurait surtout été l’impression de schémas et de photos
  • Cela a peut-être été vrai en 1981, mais pour un vaisseau spatial, le délai entre la conception et le vol est long
    Dans les années 1970, quand la Shuttle était en cours de conception, il n’existait pas encore d’imprimantes matricielles bon marché, légères et robustes. L’idée d’utiliser des composants commerciaux sur étagère (COTS) n’était pas encore installée non plus, et cette tendance n’est arrivée que plusieurs années après que les STS ont déjà été construits et exploités
  • Mais auraient-elles vraiment fonctionné correctement malgré les fortes vibrations et accélérations du lancement, puis en apesanteur ?
  • Imaginer le bruit d’une imprimante matricielle résonner contre la paroi de la Shuttle dans l’espace, ça aurait été incroyablement stylé. Totalement cyberpunk
    Les imprimantes matricielles me manquent vraiment
    https://youtube.com/watch?v=A_vXA058EDY
  • À l’époque, elles n’étaient pas surtout japonaises ? Si oui, cela aurait peut-être posé un problème politique

• Je me demande pourquoi ils n’ont pas utilisé une imprimante matricielle
  Ou même une imprimante thermique. Les fax étaient courants à l’époque

  • La NASA avait des contraintes de toxicité et d’inflammabilité qui limitaient les matériaux autorisés

• Maintenant, j’ai envie de voir un exemple d’impression

  • Plus bas dans l’article, il y a une courte vidéo de l’imprimante en train d’imprimer, et on peut y voir le résultat
    Cela dit, un calendrier Snoopy imprimé avec ça aurait aussi eu beaucoup de style

• La réponse à « si le traitement de texte n’avait aucun intérêt à bord de la Shuttle, pourquoi ne pas avoir retiré cette carte pour alléger l’ensemble ? » semble être : « le téléimprimeur de Shuttle auquel nous avons eu accès était probablement un système de développement resté au sol »

• Les pièces mécaniques peuvent peut-être encore fonctionner, et il n’y a même pas besoin d’un abonnement d’encre

  • À la fin de l’article, Ken dit que les pièces mécaniques ne fonctionnaient pas
    Il explique : « l’imprimante avait beaucoup de problèmes mécaniques, principalement parce que les rouleaux en caoutchouc s’étaient transformés en une sorte de liquide, ce qui avait encrassé le mécanisme d’une substance collante »