Apollos raketforskere

Den 25. maj 1961, seks uger efter, at Sovjetunionen tog en ledende føring i rumkapløbet ved at sende Yuri Gagarin i kredsløb om jorden, gik John F. Kennedy foran Kongressen i en nationalt tv-transmitteret tale og bad sit land om at forpligte sig til at opnå mål, før dette årti er ude, om at lande en mand på månen. Tre måneder senere udstedte den nystartede National Aeronautics and Space Agency sin første store kontrakt under det nye måneprogram. Det gik til MIT Instrumentation Lab, som havde til opgave at designe et navigations- og vejledningssystem til alle Apollo-rumfartøjer.

Beslutningen var omstridt. Normalt ville virksomheder, der lyster kontrakten, have haft mulighed for at indsende konkurrerende forslag. Men som en nonprofitorganisation blev Instrumentation Lab forbudt at byde mod industrielle rivaler. Ved at hyre MIT til at bygge navigationssystemet erklærede NASA, at ingen andre var i dens liga. Jeg havde meget at retfærdiggøre, husker Bob Chilton '48, SM '49, som stod i spidsen for Flight Dynamics Branch hos NASA's Space Task Group. Alle industrifolkene bøvlede og bøvlede og bøvlede.

MIT's mestre hos NASA havde en stærk sag. Instrumentation Labs direktør, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, var en pioner inden for brugen af ​​gyroskoper og accelerometre til at navigere i fly. I 1953 havde et af Drapers systemer styret et fly, der lettede fra Hanscom Field, uden for Boston, til inden for ni miles fra en landingsbane i Los Angeles.

I midten af ​​1950'erne havde laboratoriet vundet kontrakter fra det amerikanske militær om arbejde på navigationssystemerne i flere ballistiske missiler, herunder Polaris, som skulle finde vej til et fast mål fra en ubåd på et vilkårligt sted. For at undgå jamming af fjendens radioer, skulle missilets styresystem være fuldstændigt selvstændigt - ingen ekstern retning mulig. Systemet fungerede glimrende, da det blev testet i 1960, hvilket forbedrede laboratoriets omdømme i Washington.

Arbejdet i Instrumentation Labs favør var også et projekt, som det havde iværksat kort efter lanceringen af ​​Sputnik i 1957, ved at bruge den beskedne finansiering til spekulativ forskning inkluderet i militærkontrakterne. Flere af laboratoriets mest geniale tænkere begyndte at designe en ubemandet mission til Mars, beregne baner for interplanetariske rejser og udarbejde specifikationer for en almindelig navigationscomputer. På fire år var Mars-projektet vokset til at omfatte forskere ved NASAs Langley Research Center, og meget af arbejdet kunne nemt tilpasses til en månemission. Laboratoriets hold på Apollo-kontrakten ville forblive sikker, fordi - som Aaron Cohen, NASA's leder af Apollo kommando- og servicemodul, husker - vi troede ikke, at nogen andre kunne udføre jobbet.

Kontrakten med NASA opfordrede laboratoriet til at udvikle et navigations-, kontrol- og vejledningssystem, der ville blive båret af både Apollo-kommandomodulet og månelanderen. (Kommandomodulet gik ind i månens kredsløb og returnerede astronauterne til Jorden; landeren løsnede sig fra det kredsende kommandomodul og bar astronauterne til månens overflade.) I begge tilfælde betød navigation at bestemme fartøjets aktuelle position, vejledning betød at holde fartøjet på dens bane gennem rummet og plotte eventuelle kurskorrektioner, og kontrol betød at opretholde den rigtige hastighed og holdning – at sikre, at kommandomodulets næse pegede i den rigtige retning, eller at landerens fødder var firkantet med månens overflade.

Til navigation behøvede Apollo-fartøjerne ikke udelukkende at stole på deres indbyggede systemer: Jordbaseret radar ville spore dem, og missionskontrol ville sende kurskorrektioner, så længe det kunne opretholde radiokontakt. Men i det, der sandsynligvis var de mest kritiske stadier af en månemission, ville radiokontakt være umulig. Rumfartøjets lange, buede bane ville bringe det tættest på månen på den side, der vender væk fra Jorden, så det var der, det skulle ind i månens kredsløb og indsætte landingsmodulet – men selvfølgelig ville der ikke være nogen sigtelinje med Jordbaserede sporingsstationer. Og når det tilbagevendende kommandomodul kom ind i Jordens atmosfære, ville friktion fra dens nedstigning opvarme luften omkring det og skabe en sky af ioner, der ville blokere enhver radiotransmission.

Hjertet i navigations- og kontrolsystemet var Doc Drapers idé, inertimåleenheden eller IMU. IMU var dybest set en skive omgivet af to koncentriske ringe inde i et sfærisk hus omkring halvanden fod på tværs. Den ydre ring var fastgjort til huset med to hængsler, så den kunne dreje rundt om en akse; den anden ring var fastgjort til den første og spundet omkring en vinkelret akse; og skiven drejede rundt om en akse vinkelret på den anden ring, så den havde perfekt bevægelsesfrihed i tre dimensioner. På skiven – inertiplatformen – var der tre accelerometre og tre gyroskoper, også justeret i tre forskellige retninger. Hvis IMU-huset roterede, ville gyroerne registrere bevægelsen, og motorer ville dreje ringene for at bevare platformens orientering: forestil dig en tjener, der holder en bakke med glas parallelt med jorden – selv når han løber op og ned af vægge og på tværs af loft. Hvis inertiplatformens orientering forblev perfekt stabil, kunne data fra accelerometrene lokalisere IMU'en hvor som helst i rummet med reference til dens oprindelige position.

Men platformen var ikke helt stabil. For at give mulighed for midtflyvningskorrektioner designede Instrumentation Lab også et teleskop og sekstant, der sammen kunne hjælpe med at lokalisere fartøjet i rummet. Ved at bruge et okular på kommandomodulets konsol kunne en astronaut finde en trio af vartegn – f.eks. Jordens horisont, månens og Alpha Centauri – og trykke på en knap. Den indbyggede computer ville beregne fartøjets position ud fra vinklerne mellem observationerne.

IMU'en og sigteoptikken skulle give praktisk talt fejlfri information, og deres design skulle tage højde for driftens excentriciteter i rummet; hundredvis af Instrumentation Lab-ingeniører arbejdede på dem. Ikke desto mindre var de i høj grad uddybninger af eksisterende teknologier. Designet af Apollo-guidecomputeren tog imidlertid Instrumentation Lab ud i ukendt farvand.

Silicon Dawn

I teknologiens annaler var den vigtigste begivenhed i 1961 måske ikke JFK's afsløring af måneprogrammet, men snarere en meddelelse et par måneder tidligere fra et fire år gammelt firma ved navn Fairchild Semiconductor: den første kommercielle udgivelse af en computer chip. Et tidligt eksempel på et integreret kredsløb, det kombinerede flere elektroniske komponenter i et enkelt stykke silicium.

I dag, hvor Intel kan proppe en milliard transistorer ind på en chip, virker fordelene ved integrerede kredsløb indlysende. Men det var ikke tilfældet i 1961. For det første holdt de nye chips ikke en milliard transistorer hver; de holdt tre. Integrerede kredsløb ville i princippet fylde omkring 40 procent mindre end såkaldte kernetransistorer, som bestod af ledninger viklet rundt om magneter. Men de krævede også mere elektricitet, en alvorlig ulempe i rumfartøjer med begrænsede ressourcer. Hvad mere er, var det slet ikke klart, at integrerede kredsløb kunne masseproduceres med den pålidelighed, som rumflyvning krævede. NASA-administratorer specificerede oprindeligt, at Apollo-flycomputeren ville bruge de større kernetransistorer.

Men Eldon Hall, der havde været på Instrumentation Lab siden 1952 og ledet designet af flycomputeren, havde i årevis været fascineret af udsigten til integrerede kredsløb. Så han igangsatte to parallelle designprogrammer: et til at bygge en computer ved hjælp af kernetransistorer og et med integrerede kredsløb. I efteråret 1962, siger Hall, var det klart for begge sider, at det var nemmere at bygge en maskine med Micrologic. De integrerede kredsløb kunne udføre beregninger mere end dobbelt så hurtigt som kernetransistorerne, og deres pladsbesparelser betød, at computeren ville have meget mere plads til hukommelseskredsløb. Desuden var det meget enklere at koble dem sammen og gav færre muligheder for, at noget gik galt. Den vinter overtalte Hall NASA til at trække sin kontrakt med Raytheon, det firma, der skulle fremstille computeren, og tage et væddemål med den nye teknologi. Hvordan fik jeg disse ledere til at lade mig bruge integrerede kredsløb? siger Hall. Jeg behøvede ikke at snyde dem. De var ligeglade. Jeg kunne gøre, hvad jeg ville. NASA-ledere, der var bekymrede over mere forestående missioner, såsom Gemini-flyvningerne i 1965 og 1966, var simpelthen ikke opmærksomme endnu (se Få arbejdet gjort, s. M16) .

Efter nutidens standarder havde Apollo-computeren en ejendommelig arkitektur: den brugte kun én type logisk kredsløb, NOR-porten - såkaldt fordi den kun udsender et elektrisk signal, når den modtager et signal fra ingen af ​​dens indgange. En computer bygget af NOR-porte er mindre effektiv end en, der også bruger andre typer porte - AND-porten, for eksempel, som udsender et signal, når den modtager signaler fra alle sine input. På spørgsmålet om, hvorfor Apollo-computeren stolede så meget på NOR-porten, griner Hall dog og siger: For det var det, Fairchild var i stand til at bygge. Når først Hall og hans team havde et hardwaredesign, der fungerede, var de ikke ved at tage chancer med endnu nyere teknologier. I stedet arbejdede de tæt sammen med flere potentielle producenter for at sikre, at NOR-portene kunne bygges pålideligt.

Da den første Apollo-mission fløj, havde Fairchild forladt sine NOR-gate-chips for mere sofistikerede arkitekturer, så Philco leverede computerens logiske kredsløb. Pålidelighed, som engang havde været det integrerede kredsløbs største ulempe, var nu dets største fordel. Computere dengang ville ikke fungere i mere end et par dage uden reparation, siger Hall. I 15 Apollo-flyvninger led guidecomputeren dog aldrig en hardwarefejl - selv da lynet slog ned under Apollo 12-starten.

Designet af styrecomputeren, ligesom optikkens og IMU'ens, var stort set færdigt i 1966. Fra da og indtil Apollo 8-missionen satte astronauter i kredsløb om månen i december 1968, fokuserede laboratoriet på softwareudvikling.

I begyndelsen var der ingen, der havde forudset det. Tidligt i Apollo-indsatsen splittede laboratoriet sig, siger Fred Martin, SM '59, ScD '65, som ville blive projektleder for kommandomodulets software. Én gruppe designet hardware. Den anden gruppe, siger Martin – analysegruppen – handlede om, hvordan du skulle komme til månen, og hvilken slags målinger du skulle foretage, og hvornår du skulle affyre denne store motor, og hvilken retning du var i. vil pege på det, og hvordan man finder ud af banerne for at komme til månen, og hvordan man bekymrer sig om de fejl, du skulle have. Selvfølgelig skulle analysegruppens beregninger i sidste ende være nedfældet i software; men at udtænke ligninger blev set som det tunge løft.

I slutningen af ​​1960'erne beskæftigede Instrumentation Lab dog omkring 400 mennesker i softwareindsatsen. Richard Battin ’45, PhD ’51, der stod i spidsen for analysegruppen, fortæller, at yderligere 200 programmører arbejdede på projektet som underleverandører.

Ingen forudså vanskeligheden ved programmeringsopgaven, siger Martin, på grund af dens hidtil usete omfang. Ingen havde nogen erfaring i softwareverdenen. Faktisk var ordet ikke særlig udbredt, siger han. Og der var ikke noget der hed datalogi. Heldigvis var der i laboratoriet en af ​​dem, der hjalp med at opfinde det.

Det tilbagetrukne geni

Hal var den mest geniale person, vi nogensinde har haft chancen for at arbejde med, siger Dan Lickly ’54, SM ’55, Instrumentation Lab-ingeniøren, der udviklede det afgørende regntry-program til Apollo-kommandomodulet. Hal Laning '40, PhD '47, havde sluttet sig til laboratoriet i 1945 som anvendt matematiker, og i begyndelsen af ​​1950'erne skrev han et program kaldet George, der konverterede algebraiske udtryk til computerkode. Fordi det var det første program, der formidlede mellem symboler, der er forståelige for mennesker og dem, der er forståelige for maskiner, siger Lickly, var det faderen til alle programmeringssprog, der gik forud for IBMs lignende, men mere ekspansive Fortran med et par år. Dette skete blot et par måneder efter, at jeg kom til laboratoriet, og vi tænkte, hvad i alverden arbejder Hal på? siger Battin. På det tidspunkt, siger han, var der debat om, hvorvidt det overhovedet var muligt for en maskine at fortolke instruktioner skrevet på et højt niveau sprog. Hal ville låse sig inde på sit kontor – og lige pludselig virkede det, siger Battin. (Apollo flysimulatorer ville blive programmeret i en hjemmebrygget efterfølger til George, kaldet MAC – meget bedre end Fortran, siger Hall.)

I midten af ​​1950'erne havde Laning sluttet sig til Polaris-missilholdet, og han og Battin udviklede sammen det banebrydende Q-styringssystem, som i høj grad forenklede de beregninger, som et missil skulle udføre under flyvningen for at nå sit mål. Laning var også en af ​​ingeniørerne, der startede laboratoriets Mars-projekt. Lanings tidlige designarbejde på computeren til Mars-missionen førte til hans vigtigste bidrag til Apollo: det såkaldte executive-program.

På et givet tidspunkt skal et rumskibs styringscomputer muligvis koordinere snesevis af forskellige opgaver: omplacering af radarantenner, tage aflæsninger fra radaren og fra accelerometrene, udføre fejlkorrektioner på gyroerne, beregne fartøjets bane og bestemme, hvilke raketter der skal blive fyret – for ikke at sige noget om at overføre data til NASAs jordkontrol og vise data til astronauterne. Computerens processor kunne dog kun udføre én opgave ad gangen, så den skulle opdele hver opgave i mindre underopgaver og skifte hurtigt mellem dem, hvilket skaber en illusion af samtidighed. Den arbejdsdeling blev udført og overvåget af den udøvende magt.

Apollo-programmøren Don Eyles forklarer, at i de tidlige 1960'ere brugte executive-programmer kassevognsmetoden, der skar forbipasserende sekunder ind i kortere intervaller, der blinkede forbi som kassevogne på et tog. En del af en beregningsopgave blev tildelt hvert interval, og når intervallet sluttede – da vognen passerede – skiftede processoren til en anden opgave, uanset om den havde fuldført den første eller ej.

Men Laning indså, at i en bestræbelse så uforudsigelig og tidsfølsom som at sende et rumfartøj til Mars – eller, som det viste sig, til månen – kunne kassevognsmetoden vise sig at være katastrofal. Hvis nogle få trivielle beregninger endte med at tage længere tid end forventet, kunne hele systemet bryde sammen. Et rumfartøj, der venter på at finde ud af, hvilken retning dets radar pegede på, kunne ende med at styrte ind i en planet.

Så Laning udtænkte sit eget lederprogram, som tildelte opgaver forskellige prioriteter og tillod højt prioriterede opgaver at skære ind på lavprioriterede opgaver. Ideen lyder måske simpel, men udførelsen var svær, da den krævede, at computeren allokerede hukommelse mellem forskellige opgaver, holdt styr på, hvor den var gået i stykker hver af dem, og besluttede, hvilken der skulle genoptages, når den havde fuldført opgaven med højeste prioritet. . Han lavede det i bund og grund af hel klud, siger Eyles. Men det var genialt.

Efterhånden som laboratoriets arbejde med Apollo udvidedes, aftog Lanings engagement i det. Hal elskede at gøre ting som [executive-programmet], især hvis det var et stort bidrag, han kunne gøre selv, husker Battin. Men da vi fik Apollo-jobbet, sagde han til mig: 'Dick, jeg vil gerne hjælpe, men jeg vil ikke være manager. De endeløse møder og forsøg på at forklare ting til folk, der ikke forstår dem – det kan jeg ikke.« Nu 89, siger Laning, at han ikke engang kan huske, hvor han var under månelandingen – om han sluttede sig til hans eller ej. Instrumentation Lab-kolleger omkring squawk-boksen på deres Cambridge-kontor for at lytte til radiotransmissionerne mellem NASA og astronauterne. For ham, foreslår han, havde arbejdet med rumfartøjsnavigation mistet noget af sin charme med introduktionen af ​​menneskelige operatører.

Ironisk nok var det dog i løbet af de sidste par minutter, før Apollo 11-landeren landede ned - et af de få punkter under missionen, hvor astronauten skulle tage manuel kontrol over fartøjet - at Lanings eksekutivfunktion ville stå over for sin hårdeste prøve.

Ørnelandene

Ingen kunne på forhånd være sikre på, hvordan månens terræn ville se ud, så under de sidste 500 fod af månens nedstigning skulle astronauten, der styrede landeren, være i stand til at omdirigere den, hvis det oprindeligt valgte landingssted så ugæstfrit ud. Men selv dengang, siger Eyles, var astronautens kontrolsystem kun semi-manuelt: Softwaren styrede stadig gashåndtaget, siger han, og selvfølgelig havde autopiloten kontrol over at manøvrere køretøjet. Fred Martin argumenterer for, at astronauter, der trænede til Apollo-missionerne på modeller af landeren - i spøg kaldet flyvende sengesteder - demonstrerede, at kontrollen af ​​landerens nedstigning var ud over menneskelig kapacitet. To af de flyvende sengesteder, som ikke havde nogen autopilot, styrtede ned under tests før Apollo 11, og astronauterne – Neil Armstrong var en af ​​dem – måtte redde ud.

Så tilgangen til månens overflade ville være et meget dårligt tidspunkt for det indbyggede styresystem til at svigte. Og omkring fem minutter efter landerens nedstigning begyndte computeren at vise en række alarmer, der indikerede, at dens processor var overbelastet.

Eyles lyttede til squawk-boksen på Instrumentation Lab. Hvis beslutningen i det øjeblik havde været hans, siger han, ville han have afbrudt landingen. Han siger dog, at de flyvekontrollører, der var vant til at se på systemet udefra, faktisk havde kørt simuleringer, der havde lignende alarmer, og havde opdaget, at det faktisk ville blive ved med at flyve. Fra det perspektiv var det sikkert at sige gå.

I sidste ende viste synderen sig at være radarsystemet, der skulle måle afstanden til kommandomodulet, når landeren var på vej tilbage fra månen. På grund af et misforhold mellem radarens strømforsyninger og styresystemet tolkede computeren tilfældig elektrisk støj som vigtige radarsignaler. Dette, lagt til al den anden information, som computeren skulle behandle under den ekstremt vanskelige nedstigning, var mere, end processoren kunne klare.

Hal Lanings lederprogram var lig med krisen. Mens Instrumentation Lab-ingeniører forsøgte at finde ud af, hvad der forårsagede alarmerne, kørte landerens højt prioriterede opgaver - som at drosle raketterne - normalt. Landeren landede sikkert ned; en kassevognmand ville være gået af sporet.

Møde fjenden

Efter at kommandomodulet vendte sikkert tilbage til Jorden, begyndte festlighederne. Astronauterne fik ticker-tape-parader, inviteret til statsmiddage og overrakte præsidentens frihedsmedalje. Et par Instrumentation Lab-ingeniører måtte derimod tage til Rusland.

Richard Battin, hans kone Marge, og David Hoag '46, SM '50, laboratoriets programleder for navigationssystemets hardware, blev inviteret til Sovjetunionen som gæster ved det sovjetiske videnskabsakademi for at besøge faciliteter i Moskva, Leningrad, og Tbilisi, Georgia. Den første nat, vi var i Tbilisi, fortæller Battin, var der en vigtig fodboldkamp i gang, og vores vært ville gerne med. Så han sagde: Kunne du tænke dig at passe på dig selv – bare spise noget aftensmad og så gå til hotellet? Men Battins vovede sig ud på egen hånd og tog en svævebane op i det nærliggende Mtatsminda-bjerg, hjemsted for et dejligt mausoleum, der hylder nogle georgiske helte.

På vej ned igen gav svævebanen et pludseligt skub, og Marge, der ikke var helt sikker på sovjetisk teknik, greb sin mands hånd. Straks, siger Battin, sprang en passager op og tilbød Marge sin plads. Da de andre passagerer indså, at der var amerikanere i deres midte, stimlede de sammen og begyndte at afhøre dem. Battin, der bar en nål med et billede af kommandomodulet på, formåede at forklare sin tilstedeværelse med ordene lunar Sputnik. De var så imponerede, siger han, og de var bare så venlige. En gruppe lykønskede Battin med en flaske champagne; han gav dem sin knap til gengæld. Det var bare almindelige mennesker, der havde købt noget champagne på toppen af ​​bjerget, siger Battin, og de gav os den.

Motivet for Apollo-programmet havde været konkurrence med Sovjet; et år inde i Instrumentation Labs arbejde med navigationssystemet havde USA og USSR været på randen af ​​atomkrig. Men disse sovjetiske turister var lige så begejstrede som alle andre over månevandringens romantik. Neil Armstrong havde haft ret: Det flag, han plantede, var måske USA's, men præstationen var menneskehedens.

Alligevel havde nogle medlemmer af menneskeheden en større hånd i det end andre. I 1975, i en NASA-publikation om månelandingen, skrev George Low, som var leder af Apollo Spacecraft Program Office i de sidste år op til landingen, 'Hvis du var nødt til at udpege ét undersystem som værende det vigtigste, mest kompleks, og alligevel mest krævende i ydeevne og præcision, ville det være vejledning og navigation. Hvis måneskuddet vendte udtrykket raketforsker ind i den højeste udmærkelse, der kan betales til menneskelig intelligens, så havde ingen mere ret til det end ingeniørerne på Instrumentation Lab.

skjule