211service.com
Apollo's raketwetenschappers
Op 25 mei 1961, zes weken nadat de Sovjet-Unie de leiding nam in de ruimtewedloop door Yuri Gagarin in een baan om de aarde te sturen, ging John F. Kennedy naar het Congres in een toespraak die op nationale televisie werd uitgezonden en vroeg zijn land zich in te zetten voor het bereiken van de doel, voordat dit decennium voorbij is, een man op de maan te laten landen. Drie maanden later vaardigde het jonge National Aeronautics and Space Agency zijn eerste grote contract uit onder het nieuwe maanprogramma. Het ging naar het MIT Instrumentation Lab, dat werd belast met het ontwerpen van een navigatie- en geleidingssysteem voor alle Apollo-ruimtevaartuigen.
De beslissing was omstreden. Normaal gesproken zouden bedrijven die op het contract vissen de kans hebben gehad om concurrerende voorstellen in te dienen. Maar als non-profitorganisatie mocht Instrumentation Lab niet bieden tegen industriële rivalen. Door MIT in te huren om het navigatiesysteem te bouwen, verklaarde NASA dat niemand anders in zijn klasse was. Ik had veel te rechtvaardigen, herinnert Bob Chilton '48, SM '49, die aan het hoofd stond van de Flight Dynamics Branch bij NASA's Space Task Group. Alle industriële mensen waren druk en druk en druk.
De kampioenen van MIT bij NASA hadden een sterke zaak. De directeur van het Instrumentation Lab, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, was een pionier in het gebruik van gyroscopen en versnellingsmeters om vliegtuigen te navigeren. In 1953 had een van de systemen van Draper een vliegtuig bestuurd dat opsteeg van Hanscom Field, buiten Boston, tot binnen negen mijl van een landingsbaan in Los Angeles.
Halverwege de jaren vijftig had het lab contracten van het Amerikaanse leger binnengehaald voor werkzaamheden aan de navigatiesystemen van verschillende ballistische raketten, waaronder de Polaris, die vanuit een onderzeeër op een willekeurige locatie zijn weg naar een vast doelwit moest vinden. Om storing door vijandelijke radio's te voorkomen, moest het geleidingssysteem van de raket volledig autonoom zijn - geen externe richting mogelijk. Het systeem presteerde uitstekend toen het in 1960 werd getest, waardoor de reputatie van het laboratorium in Washington werd verbeterd.
Ook in het voordeel van het Instrumentation Lab was een project dat het kort na de lancering van Spoetnik in 1957 was gestart, gebruikmakend van de bescheiden financiering voor speculatief onderzoek dat was opgenomen in de militaire contracten. Enkele van de meest briljante denkers van het lab begonnen met het ontwerpen van een onbemande missie naar Mars, het berekenen van trajecten voor interplanetaire reizen en het opstellen van specificaties voor een navigatiecomputer voor algemeen gebruik. In vier jaar tijd was het Mars-project uitgegroeid tot onderzoekers van NASA's Langley Research Center, en veel van het werk zou gemakkelijk kunnen worden aangepast aan een maanmissie. De greep van het lab op het Apollo-contract zou veilig blijven omdat - zoals Aaron Cohen, NASA's manager van de Apollo-commando- en servicemodule, zich herinnert - we niet dachten dat iemand anders het werk zou kunnen doen.
Volgens het contract met NASA moest het laboratorium een navigatie-, controle- en geleidingssysteem ontwikkelen dat zou worden gedragen door zowel de Apollo-opdrachtmodule als de maanlander. (De commandomodule ging in een baan om de maan en bracht de astronauten terug naar de aarde; de lander maakte zich los van de in een baan om de aarde draaiende commandomodule en droeg de astronauten naar het maanoppervlak.) In beide gevallen betekende navigatie het bepalen van de huidige positie van het vaartuig, begeleiding betekende het vaartuig op de zijn baan door de ruimte en het uitzetten van eventuele koerscorrecties, en controle betekende het handhaven van de juiste snelheid en houding - ervoor zorgen dat de neus van de commandomodule in de goede richting wees, of dat de voeten van de lander haaks stonden op het maanoppervlak.
Voor navigatie zou het Apollo-vaartuig niet alleen op hun systemen aan boord hoeven te vertrouwen: radar op aarde zou ze volgen, en missiecontrole zou koerscorrecties sturen zolang het radiocontact kon behouden. Maar tijdens wat waarschijnlijk de meest kritieke stadia van een maanmissie waren, zou radiocontact onmogelijk zijn. De lange, gebogen baan van het ruimtevaartuig zou het het dichtst bij de maan brengen aan de kant die van de aarde is afgekeerd, dus daar moest het in een baan om de maan gaan en de landingsmodule inzetten - maar er zou natuurlijk geen zichtlijn zijn met Op aarde gebaseerde volgstations. En wanneer de terugkerende commandomodule de atmosfeer van de aarde binnenging, zou wrijving van zijn afdaling de lucht eromheen verwarmen en een wolk van ionen creëren die alle radio-uitzendingen zou blokkeren.
Het hart van het navigatie- en controlesysteem was het geesteskind van Doc Draper, de traagheidsmeeteenheid of IMU. De IMU was in feite een schijf omringd door twee concentrische ringen in een bolvormige behuizing van ongeveer anderhalve voet. De buitenste ring was met twee scharnieren aan de behuizing bevestigd, zodat hij om één as kon draaien; de tweede ring was aan de eerste bevestigd en rond een loodrechte as gedraaid; en de schijf draaide rond een as loodrecht op die van de tweede ring, dus hij had perfecte bewegingsvrijheid in drie dimensies. Op de schijf - het traagheidsplatform - waren drie versnellingsmeters en drie gyroscopen, ook uitgelijnd in drie verschillende richtingen. Als de IMU-behuizing zou draaien, zouden de gyroscopen de beweging registreren en zouden motoren de ringen draaien om de oriëntatie van het platform te behouden: stel je een ober voor die een dienblad met glazen evenwijdig aan de grond vasthoudt - zelfs als hij muren op en neer rent en over de plafond. Als de oriëntatie van het traagheidsplatform perfect stabiel bleef, zouden gegevens van de versnellingsmeters de IMU overal in de ruimte kunnen lokaliseren door te verwijzen naar zijn oorspronkelijke positie.
Maar het platform was niet perfect stabiel. Om koerscorrecties in het midden van de vlucht mogelijk te maken, ontwierp het Instrumentation Lab ook een telescoop en sextant die samen zouden kunnen helpen het vaartuig in de ruimte te lokaliseren. Met behulp van een oculair op de console van de commandomodule kon een astronaut een drietal oriëntatiepunten vinden, bijvoorbeeld de horizon van de aarde, de maan en Alpha Centauri, en op een knop drukken. De boordcomputer zou de positie van het vaartuig berekenen uit de hoeken tussen de waarnemingen.
De IMU en de waarnemingsoptiek moesten vrijwel foutloze informatie leveren en bij het ontwerp moest rekening worden gehouden met de excentriciteiten van operaties in de ruimte; honderden Instrumentation Lab-ingenieurs hebben eraan gewerkt. Toch waren het grotendeels uitwerkingen van bestaande technologieën. Het ontwerp van de Apollo-geleidingscomputer bracht het Instrumentation Lab echter in onbekende wateren.
Silicium Dawn
In de annalen van de technologie was de belangrijkste gebeurtenis van 1961 misschien niet de onthulling van het maanprogramma door JFK, maar eerder een aankondiging een paar maanden eerder door een vier jaar oud bedrijf genaamd Fairchild Semiconductor: de eerste commerciële release van een computerchip. Een vroeg voorbeeld van een geïntegreerde schakeling, het combineerde meerdere elektronische componenten in een enkel stuk silicium.
Tegenwoordig, wanneer Intel een miljard transistors op een chip kan proppen, lijken de voordelen van geïntegreerde schakelingen duidelijk. Maar dat was niet het geval in 1961. Om te beginnen bevatten de nieuwe chips niet elk een miljard transistors; ze hadden er drie. Geïntegreerde schakelingen zouden in principe zo'n 40 procent minder ruimte innemen dan zogenaamde kerntransistoren, die bestonden uit draden die om magneten gewikkeld waren. Maar ze eisten ook meer elektriciteit, een serieus nadeel in ruimtevaartuigen met beperkte middelen. Bovendien was het helemaal niet duidelijk dat geïntegreerde schakelingen in massaproductie konden worden geproduceerd met de betrouwbaarheid die ruimtevlucht vereiste. NASA-beheerders specificeerden oorspronkelijk dat de Apollo-vluchtcomputer de grotere kerntransistors zou gebruiken.
Maar Eldon Hall, die sinds 1952 bij het Instrumentation Lab werkte en het ontwerp van de vluchtcomputer leidde, was al jaren geïntrigeerd door het vooruitzicht van geïntegreerde schakelingen. Dus startte hij twee parallelle ontwerpprogramma's: een om een computer te bouwen met kerntransistors en een met geïntegreerde schakelingen. Tegen de herfst van 1962, zegt Hall, was het voor beide partijen duidelijk dat het gemakkelijker was om een machine te bouwen met Micrologic. De geïntegreerde schakelingen konden berekeningen meer dan twee keer zo snel uitvoeren als de kerntransistors, en hun ruimtebesparing betekende dat de computer veel meer ruimte zou hebben voor geheugenschakelingen. Bovendien was het veel eenvoudiger om ze aan elkaar te koppelen en minder kans te hebben dat er iets mis zou gaan. Die winter haalde Hall NASA over om het contract met Raytheon, het bedrijf dat de computer zou produceren, opnieuw te tekenen en een gok te wagen op de nieuwe technologie. Hoe heb ik deze managers zover gekregen dat ik geïntegreerde schakelingen mocht gebruiken? zegt Hall. Ik hoefde ze niet op te lichten. Het kon ze niet schelen. Ik kon doen wat ik wilde doen. NASA-managers, die zich bezighielden met meer op handen zijnde missies zoals de Gemini-vluchten van 1965 en 1966, besteedden gewoon nog niet veel aandacht aan (zie De klus klaren, p. M16) .
Volgens de huidige normen had de Apollo-computer een eigenaardige architectuur: hij gebruikte slechts één type logisch circuit, de NOR-poort - zo genoemd omdat hij alleen een elektrisch signaal afgeeft wanneer hij een signaal ontvangt van geen van zijn ingangen. Een computer die is opgebouwd uit NOR-poorten is minder efficiënt dan een computer die ook andere soorten poorten gebruikt, bijvoorbeeld de EN-poort, die een signaal afgeeft wanneer hij signalen ontvangt van al zijn ingangen. Op de vraag waarom de Apollo-computer zo afhankelijk was van de NOR-poort, lacht Hall en zegt: Want dat is wat Fairchild kon bouwen. Toen Hall en zijn team eenmaal een hardwareontwerp hadden dat werkte, waren ze niet van plan risico's te nemen met nog nieuwere technologieën. In plaats daarvan werkten ze nauw samen met verschillende potentiële fabrikanten om ervoor te zorgen dat de NOR-poorten betrouwbaar konden worden gebouwd.
Tegen de tijd dat de eerste Apollo-missie vloog, had Fairchild zijn NOR-gate-chips verlaten voor meer geavanceerde architecturen, dus leverde Philco de logische circuits van de computer. Betrouwbaarheid, ooit het belangrijkste nadeel van de geïntegreerde schakeling, was nu het belangrijkste voordeel. Computers zouden in die tijd niet langer dan een paar dagen werken zonder reparatie, zegt Hall. In 15 Apollo-vluchten had de geleidingscomputer echter nooit een hardwarestoring, zelfs niet toen de bliksem insloeg tijdens het opstijgen van Apollo 12.
Het ontwerp van de geleidingscomputer was, net als die van de optica en de IMU, in 1966 grotendeels voltooid. Vanaf dat moment tot de Apollo 8-missie in december 1968 astronauten in een baan rond de maan bracht, richtte het lab zich op softwareontwikkeling.
Dat had in het begin niemand voorspeld. In het begin van de Apollo-inspanning splitste het lab zich een beetje, zegt Fred Martin, SM '59, ScD '65, die projectmanager zou worden voor de software van de commandomodule. Een groep ontworpen hardware. De andere groep, zegt Martin - de analysegroep - hield zich bezig met hoe je naar de maan zou gaan, en wat voor soort metingen je zou doen, en wanneer je deze grote motor zou afvuren, en in welke richting je gaan om het te richten, en hoe je de banen kunt berekenen om naar de maan te komen, en hoe je je zorgen kunt maken over de fouten die je zou krijgen. Natuurlijk zouden de berekeningen van de analysegroep uiteindelijk in software moeten worden omgezet; maar het bedenken van vergelijkingen werd gezien als het zware werk.
Tegen het einde van de jaren zestig had het Instrumentation Lab echter zo'n 400 mensen in dienst voor de software-inspanning. Richard Battin '45, PhD '51, die de analysegroep leidde, zegt dat nog eens 200 programmeurs als onderaannemers aan het project hebben gewerkt.
Niemand had de moeilijkheid van de programmeertaak voorzien, zegt Martin, vanwege de ongekende omvang. Niemand had enige ervaring in de wereld van software. Sterker nog, het woord werd niet veel gebruikt, zegt hij. En computerwetenschap bestond niet. Gelukkig was in het lab een van de mensen die het heeft helpen uitvinden.
Het teruggetrokken genie
Hal was de meest briljante persoon met wie we ooit hebben mogen werken, zegt Dan Lickly '54, SM '55, de ingenieur van Instrumentation Lab die het cruciale reëntry-programma voor de Apollo-commandomodule ontwikkelde. Hal Laning '40, PhD '47, was in 1945 bij het lab gekomen als toegepast wiskundige, en in het begin van de jaren vijftig schreef hij een programma genaamd George dat algebraïsche uitdrukkingen omzet in computercode. Omdat het het eerste programma was dat bemiddelde tussen symbolen die begrijpelijk zijn voor mensen en die die begrijpelijk zijn voor machines, zegt Lickly, was het de vader van alle programmeertalen, een paar jaar eerder dan IBM's vergelijkbare maar uitgebreidere Fortran. Dit gebeurde slechts een paar maanden nadat ik bij het lab kwam, en we dachten: waar is Hal in vredesnaam mee bezig? zegt Battin. In die tijd, zegt hij, was er discussie over de vraag of het zelfs mogelijk was voor een machine om instructies te interpreteren die in een taal op hoog niveau waren geschreven. Hal sloot zichzelf op in zijn kantoor - en ineens werkte het, zegt Battin. (De Apollo-vluchtsimulators zouden worden geprogrammeerd in een zelfgebrouwen opvolger van George, MAC genaamd, veel beter dan Fortran, zegt Hall.)
Halverwege de jaren vijftig had Laning zich aangesloten bij het Polaris-raketteam en samen ontwikkelden hij en Battin het baanbrekende Q-geleidingssysteem, dat de berekeningen die een raket tijdens de vlucht moest uitvoeren om zijn doel te bereiken enorm vereenvoudigde. Laning was ook een van de ingenieurs die het Mars-project van het lab initieerde. Het vroege ontwerpwerk van Laning aan de computer voor de Mars-missie leidde tot zijn belangrijkste bijdrage aan Apollo: het zogenaamde executive programma.
Op een gegeven moment moet de geleidingscomputer van een ruimtevaartuig tientallen verschillende taken coördineren: het herpositioneren van radarantennes, het lezen van de radar en van de versnellingsmeters, het uitvoeren van foutcorrecties op de gyroscopen, het berekenen van de baan van het vaartuig en het bepalen welke raketten worden ontslagen - om nog maar te zwijgen van het verzenden van gegevens naar NASA-grondcontrole en het weergeven van gegevens aan de astronauten. De processor van de computer kon echter slechts één taak tegelijk uitvoeren, dus hij zou elke taak in kleinere subtaken moeten opsplitsen en snel tussen hen moeten wisselen, waardoor de illusie van gelijktijdigheid wordt gecreëerd. Die taakverdeling werd uitgevoerd en gecontroleerd door de uitvoerende macht.
Apollo-programmeur Don Eyles legt uit dat in het begin van de jaren zestig executive programma's de boxcar-methode gebruikten, waarbij voorbijgaande seconden werden gesneden in kortere intervallen die voorbij flitsten als goederenwagons in een trein. Aan elk interval werd een deel van een rekentaak toegewezen, en toen het interval eindigde - toen de goederenwagen passeerde - schakelde de processor over op een andere taak, of hij de eerste nu had voltooid of niet.
Maar Laning realiseerde zich dat in een onderneming die zo onvoorspelbaar en tijdgevoelig is als het sturen van een ruimtevaartuig naar Mars - of, zoals later bleek, naar de maan - de boxcar-methode rampzalig zou kunnen zijn. Als een paar triviale berekeningen langer zouden duren dan verwacht, zou het hele systeem kapot kunnen gaan. Een ruimtevaartuig dat wacht om te ontdekken in welke richting zijn radar wees, kan op een planeet neerstorten.
Dus bedacht Laning zijn eigen executive programma, waarin taken verschillende prioriteiten werden toegewezen en taken met een hoge prioriteit konden worden ingekort op taken met een lage prioriteit. Het idee klinkt misschien eenvoudig, maar de uitvoering was moeilijk, omdat de computer geheugen moest toewijzen aan verschillende taken, bij moest houden waar elke taak was afgebroken en moest bepalen welke taken moesten worden hervat zodra de taak met de hoogste prioriteit was voltooid. . Hij maakte het eigenlijk uit hele stof, zegt Eyles. Maar het was briljant.
Naarmate het werk van het laboratorium aan Apollo uitbreidde, nam de betrokkenheid van Laning daarbij af. Hal hield ervan om dingen als [het executive programma] te doen, vooral als het een belangrijke bijdrage was die hij alleen kon leveren, herinnert Battin zich. Maar toen we de Apollo-baan kregen, zei hij tegen me: 'Dick, ik zou graag willen helpen, maar ik wil geen manager worden. De eindeloze ontmoetingen en dingen proberen uit te leggen aan mensen die ze niet begrijpen, dat kan ik niet.’ Nu 89 zegt Laning dat hij zich niet eens kan herinneren waar hij was tijdens de maanlanding – of hij zich bij zijn Collega's van Instrumentation Lab rond de squawk-box in hun kantoor in Cambridge om te luisteren naar de radio-uitzendingen tussen NASA en de astronauten. Voor hem, zo stelt hij, had het werk aan de navigatie van ruimtevaartuigen wat van zijn charme verloren met de introductie van menselijke operators.
Ironisch genoeg was het echter tijdens de laatste paar minuten voordat de Apollo 11-lander landde - een van de weinige punten tijdens de missie waarop de astronaut het schip handmatig moest besturen - dat de uitvoerende functie van Laning het zwaarst op de proef zou worden gesteld.
The Eagle Lands
Niemand kon van tevoren zeker weten hoe het terrein van de maan eruit zou zien, dus tijdens de laatste 150 voet van de maandaling moest de astronaut die de lander bestuurde deze omleiden als de aanvankelijk gekozen landingsplaats er onherbergzaam uitzag. Maar zelfs toen, zegt Eyles, was het besturingssysteem van de astronaut slechts semi-handmatig: de software regelde nog steeds het gaspedaal, zegt hij, en natuurlijk had de automatische piloot de controle over het manoeuvreren van het voertuig. Fred Martin betoogt dat astronauten die trainden voor de Apollo-missies op mockups van de lander - gekscherend vliegende ledikanten genoemd - aantoonden dat het beheersen van de afdaling van de lander het menselijk vermogen te boven ging. Twee van de vliegende ledikanten, die geen automatische piloot hadden, stortten neer tijdens tests vóór Apollo 11, en de astronauten - Neil Armstrong was een van hen - moesten eruit springen.
Dus de nadering van het maanoppervlak zou een zeer slechte tijd zijn voor het geleidingssysteem aan boord om te falen. En ongeveer vijf minuten na de afdaling van de lander begon de computer een reeks alarmen weer te geven, wat aangeeft dat de processor overbelast was.
Eyles luisterde naar de squawk-box in het Instrumentation Lab. Als hij op dat moment de beslissing had genomen, zegt hij, zou hij de landing hebben afgebroken. Hij zegt echter dat de vluchtleiders die gewend waren het systeem van buitenaf te bekijken, simulaties hadden uitgevoerd met vergelijkbare alarmen en hadden ontdekt dat het in feite zou blijven vliegen. Vanuit dat perspectief was het veilig om te zeggen: gaan.
Uiteindelijk bleek de boosdoener het radarsysteem te zijn dat de afstand tot de commandomodule moest meten toen de lander op de terugweg was van de maan. Vanwege een mismatch tussen de voedingen van de radar en het geleidingssysteem, interpreteerde de computer willekeurige elektrische ruis als belangrijke radarsignalen. Dit, opgeteld bij alle andere informatie die de computer tijdens de uiterst lastige afdaling moest verwerken, was meer dan de processor aankon.
Het executive programma van Hal Laning was gelijk aan de crisis. Terwijl de ingenieurs van Instrumentation Lab probeerden te achterhalen wat de alarmen veroorzaakte, werden de taken met hoge prioriteit van de lander, zoals het smoren van de raketten, normaal uitgevoerd. De lander landde veilig; een goederenwagenbestuurder zou ontspoord zijn.
De vijand ontmoeten
Nadat de commandomodule veilig op aarde was teruggekeerd, begonnen de vieringen. De astronauten kregen tickertape-parades, werden uitgenodigd voor staatsdiners en reikten de Presidential Medal of Freedom uit. Een paar Instrumentation Lab-ingenieurs moesten daarentegen naar Rusland.
Richard Battin, zijn vrouw Marge, en David Hoag '46, SM '50, de programmamanager van het laboratorium voor de hardware van het navigatiesysteem, werden uitgenodigd in de Sovjet-Unie als gasten van de Sovjet Academie van Wetenschappen, voor een rondleiding door faciliteiten in Moskou, Leningrad, en Tbilisi, Georgië. De eerste nacht dat we in Tbilisi waren, zegt Battin, was er een belangrijke voetbalwedstrijd aan de gang en onze gastheer wilde gaan. Dus hij zei: Kun je misschien voor jezelf zorgen, gewoon wat eten en dan naar het hotel gaan? Maar de Battins gingen er alleen op uit en namen een kabelbaan naar de nabijgelegen Mtatsminda-berg, de thuisbasis van een prachtig mausoleum ter ere van enkele Georgische helden.
Op de terugweg naar beneden maakte de kabelbaan een plotselinge schok en Marge, die niet helemaal zeker was van de Sovjettechniek, greep de hand van haar man. Onmiddellijk, zegt Battin, sprong een passagier op en bood Marge zijn stoel aan. Toen de andere passagiers zich realiseerden dat er Amerikanen in hun midden waren, dromden ze om hen heen en begonnen hen te ondervragen. Battin, die een speld droeg met een afbeelding van de commandomodule erop, slaagde erin zijn aanwezigheid uit te leggen met de woorden maanspoetnik. Ze waren zo onder de indruk, zegt hij, en ze waren gewoon zo vriendelijk. Een groep feliciteerde Battin met een fles champagne; in ruil daarvoor gaf hij hun zijn knoop. Dit waren gewone mensen die op de top van de berg wat champagne hadden gekocht, zegt Battin, en die gaven ze aan ons.
Het motief voor het Apollo-programma was concurrentie met de Sovjets geweest; een jaar na het werk van het Instrumentation Lab aan het navigatiesysteem, stonden de Verenigde Staten en de USSR op de rand van een nucleaire oorlog. Maar deze Sovjettoeristen waren net zo opgewonden als iedereen door de romantiek van de moonwalk. Neil Armstrong had gelijk gehad: de vlag die hij plantte was misschien van de Verenigde Staten, maar de prestatie was die van de mensheid.
Toch hadden sommige leden van de mensheid er een grotere hand in dan andere. In 1975 schreef George Low, in een NASA-publicatie over de maanlanding, die manager was van het Apollo Spacecraft Program Office in de laatste jaren voorafgaand aan de landing: als je één subsysteem als het belangrijkste complex, en toch het meest veeleisend in prestaties en precisie, zou het Begeleiding en Navigatie zijn. Als het maanschot de term veranderde raket wetenschapper tot de hoogste onderscheiding die aan menselijke intelligentie kan worden gegeven, had niemand daar meer recht op dan de ingenieurs van het Instrumentation Lab.