Apollos raketforskare

Den 25 maj 1961, sex veckor efter att Sovjetunionen tagit ledningen i rymdkapplöpningen genom att skicka Yuri Gagarin in i jordens omloppsbana, gick John F. Kennedy inför kongressen i ett nationellt tv-sänt tal och bad sitt land att förbinda sig att uppnå mål, innan detta decennium är slut, att landa en man på månen. Tre månader senare utfärdade den nystartade National Aeronautics and Space Agency sitt första stora kontrakt under det nya månprogrammet. Det gick till MIT Instrumentation Lab, som hade i uppdrag att designa ett navigations- och vägledningssystem för alla Apollo-rymdfarkoster.

Beslutet var omtvistat. Vanligtvis skulle företag som metar för kontraktet ha haft chansen att lämna in konkurrerande förslag. Men som en ideell organisation förbjöds Instrumentation Lab att lägga bud mot industriella rivaler. Genom att anlita MIT för att bygga navigationssystemet förklarade NASA att ingen annan var i dess liga. Jag hade mycket att motivera, minns Bob Chilton '48, SM '49, som ledde Flight Dynamics Branch vid NASA:s Space Task Group. Alla industrimänniskor tjafsade och tjafsade och tjafsade.

MIT:s mästare vid NASA hade ett starkt fall. Instrumentation Labs direktör, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, var en pionjär inom användningen av gyroskop och accelerometrar för att navigera flygplan. 1953 hade ett av Drapers system styrt ett flygplan som lyfte från Hanscom Field, utanför Boston, till inom nio miles från en landningsbana i Los Angeles.

I mitten av 1950-talet hade labbet vunnit kontrakt från den amerikanska militären för arbete på navigationssystemen för flera ballistiska missiler, inklusive Polaris, som var tvungen att hitta vägen till ett fast mål från en ubåt på en godtycklig plats. För att undvika störning av fiendens radioapparater måste missilens styrsystem vara helt fristående – ingen yttre riktning möjlig. Systemet fungerade briljant när det testades 1960, vilket förbättrade labbets rykte i Washington.

Ett projekt som det hade initierat strax efter lanseringen av Sputnik 1957, arbetade också till Instrumentationslabbets fördel, med den blygsamma finansieringen för spekulativ forskning som ingår i militärkontrakten. Flera av labbets mest briljanta tänkare började designa ett obemannat uppdrag till Mars, beräkna banor för interplanetära resor och upprätta specifikationer för en navigeringsdator för allmänt bruk. På fyra år hade Mars-projektet vuxit till att omfatta forskare vid NASA:s Langley Research Center, och mycket av arbetet kunde lätt anpassas till ett månuppdrag. Labbens grepp om Apollo-kontraktet skulle förbli säkert eftersom - som Aaron Cohen, NASA:s chef för Apollo kommando- och servicemodul, minns - vi trodde inte att någon annan kunde göra jobbet.

Kontraktet med NASA krävde att labbet skulle utveckla ett navigations-, kontroll- och vägledningssystem som skulle bäras av både Apollo-kommandomodulen och månlandaren. (Kommandomodulen gick in i månbanan och återförde astronauterna till jorden; landaren lossnade från den kretsande kommandomodulen och bar astronauterna till månens yta.) I båda fallen innebar navigering att bestämma farkostens nuvarande position, vägledning innebar att farkosten hölls på dess bana genom rymden och plotta eventuella kurskorrigeringar, och kontroll innebar att bibehålla rätt hastighet och attityd – att säkerställa att kommandomodulens nos pekade i rätt riktning, eller att landarens fötter var räta mot månens yta.

För navigering skulle Apollo-farkosten inte behöva förlita sig enbart på sina system ombord: Jordbaserad radar skulle spåra dem, och uppdragskontroll skulle skicka upp kurskorrigeringar så länge den kunde upprätthålla radiokontakt. Men under vad som förmodligen var de mest kritiska stadierna av ett månuppdrag skulle radiokontakt vara omöjlig. Rymdfarkostens långa, krökta bana skulle föra den närmast månen på den sida som är vänd bort från jorden, så det var där den var tvungen att gå in i månbanan och distribuera landningsmodulen – men naturligtvis skulle det inte finnas någon siktlinje med Jordbaserade spårningsstationer. Och när den återkommande kommandomodulen kom in i jordens atmosfär, skulle friktion från dess nedstigning värma luften runt den och skapa ett moln av joner som skulle störa alla radiosändningar.

Hjärtat i navigations- och kontrollsystemet var Doc Drapers idé, tröghetsmätenheten eller IMU. IMU var i grunden en skiva omgiven av två koncentriska ringar inuti ett sfäriskt hölje ungefär en och en halv fot tvärs över. Den yttre ringen var fäst vid huset med två gångjärn, så att den kunde snurra runt en axel; den andra ringen fästes vid den första och snurrade runt en vinkelrät axel; och skivan snurrade runt en axel vinkelrät mot den andra ringens, så den hade perfekt rörelsefrihet i tre dimensioner. På skivan – tröghetsplattformen – fanns tre accelerometrar och tre gyroskop, också inriktade i tre olika riktningar. Om IMU-huset roterade, skulle gyron registrera rörelsen och motorer skulle vrida ringarna för att bibehålla plattformens orientering: föreställ dig en servitör som håller en bricka med glas parallellt med marken – även när han springer upp och ner på väggarna och tvärs över tak. Om tröghetsplattformens orientering förblev perfekt stabil, kunde data från accelerometrarna lokalisera IMU var som helst i rymden med hänvisning till dess ursprungliga position.

Men plattformen var inte helt stabil. För att möjliggöra kurskorrigeringar i mitten av flygplanet designade Instrumentation Lab också ett teleskop och sextant som tillsammans kunde hjälpa till att lokalisera farkosten i rymden. Med hjälp av ett okular på kommandomodulens konsol kunde en astronaut hitta en trio av landmärken – till exempel jordens horisont, månens och Alpha Centauri – och trycka på en knapp. Omborddatorn skulle beräkna farkostens position utifrån vinklarna mellan iakttagelserna.

IMU och siktoptiken var tvungna att ge praktiskt taget felfri information, och deras utformning var tvungen att ta hänsyn till excentriciteterna av operation i rymden; hundratals ingenjörer i Instrumentation Lab arbetade med dem. Icke desto mindre var de till stor del utarbetningar av befintlig teknik. Utformningen av Apollos vägledningsdator tog dock Instrumentation Lab in i okänt vatten.

Silicon Dawn

I teknikens annaler var kanske den viktigaste händelsen 1961 inte JFK:s avtäckande av månprogrammet utan snarare ett tillkännagivande några månader tidigare från ett fyra år gammalt företag som heter Fairchild Semiconductor: den första kommersiella releasen av en datachip. Ett tidigt exempel på en integrerad krets, den kombinerade flera elektroniska komponenter i en enda bit kisel.

Idag, när Intel kan klämma in en miljard transistorer på ett chip, verkar fördelarna med integrerade kretsar uppenbara. Men det var inte fallet 1961. För det första rymde de nya chipsen inte en miljard transistorer var; de höll tre. Integrerade kretsar skulle i princip ta cirka 40 procent mindre plats än så kallade kärntransistorer, som bestod av ledningar lindade runt magneter. Men de krävde också mer elektricitet, en allvarlig nackdel i rymdfarkoster med begränsade resurser. Dessutom var det inte alls klart att integrerade kretsar kunde massproduceras med den tillförlitlighet som rymdfärder krävde. NASA-administratörer specificerade ursprungligen att Apollo-flygdatorn skulle använda de större kärntransistorerna.

Men Eldon Hall, som hade varit på Instrumentation Lab sedan 1952 och ledde designen av flygdatorn, hade varit fascinerad i flera år av möjligheten till integrerade kretsar. Så han initierade två parallella designprogram: ett för att bygga en dator med kärntransistorer och ett med integrerade kretsar. På hösten 1962, säger Hall, stod det klart för båda sidor att det var lättare att bygga en maskin med Micrologic. De integrerade kretsarna kunde utföra beräkningar mer än dubbelt så snabbt som kärntransistorerna, och deras utrymmesbesparingar gjorde att datorn fick mycket mer plats för minneskretsar. Dessutom var det mycket enklare att koppla ihop dem och gav färre möjligheter för något att gå fel. Den vintern övertalade Hall NASA att dra om sitt kontrakt med Raytheon, företaget som skulle tillverka datorn, och ta en chansning på den nya tekniken. Hur fick jag dessa chefer att låta mig använda integrerade kretsar? säger Hall. Jag behövde inte lura dem. De brydde sig inte. Jag kunde göra det jag ville göra. NASA-chefer, oroade över mer nära förestående uppdrag som 1965 och 1966 Gemini-flygningarna, var helt enkelt inte uppmärksammade ännu (se Få jobbet gjort, s. M16) .

Med dagens standarder hade Apollo-datorn en märklig arkitektur: den använde bara en typ av logikkrets, NOR-grinden – så kallad eftersom den bara matar ut en elektrisk signal när den inte tar emot en signal från någon av dess ingångar. En dator byggd av NOR-grindar är mindre effektiv än en som också använder andra typer av grindar - AND-grinden, till exempel, som matar ut en signal när den tar emot signaler från alla sina ingångar. På frågan om varför Apollo-datorn förlitade sig så mycket på NOR-porten, skrattar Hall dock och säger, för det var vad Fairchild kunde bygga. När Hall och hans team väl hade en hårdvarudesign som fungerade, var de inte på väg att ta chanser på ännu nyare teknologier. Istället arbetade de nära flera potentiella tillverkare för att säkerställa att NOR-portarna kunde byggas pålitligt.

När det första Apollo-uppdraget flög hade Fairchild övergett sina NOR-gate-chips för mer sofistikerade arkitekturer, så Philco levererade datorns logiska kretsar. Tillförlitlighet, som en gång hade varit den integrerade kretsens främsta nackdel, var nu dess främsta fördel. Datorer på den tiden skulle inte fungera i mer än några dagar utan reparation, säger Hall. Under 15 Apollo-flygningar drabbades dock vägledningsdatorn aldrig av ett maskinvarufel – även när blixten slog ner under Apollo 12-starten.

Utformningen av styrdatorn, liksom optikens och IMU:s, var i stort sett klar 1966. Sedan dess tills Apollo 8-uppdraget satte astronauter i omloppsbana runt månen i december 1968 fokuserade labbet på mjukvaruutveckling.

I början skulle ingen ha förutsett det. Tidigt i Apollo-satsningen splittrades labbet, säger Fred Martin, SM '59, ScD '65, som skulle bli projektledare för kommandomodulens programvara. En gruppdesignad hårdvara. Den andra gruppen, säger Martin – analysgruppen – handlade om hur du skulle ta dig till månen, och vilken typ av mätningar du skulle göra, och när du skulle avfyra den här stora motorn och i vilken riktning du var kommer att peka på det, och hur man räknar ut banorna för att komma till månen, och hur man oroar sig för de fel du skulle ha. Naturligtvis skulle analysgruppens beräkningar så småningom behöva förkroppsligas i mjukvara; men att ta fram ekvationer sågs som det tunga lyftet.

I slutet av 1960-talet sysselsatte Instrumentation Lab dock cirka 400 personer i programvaran. Richard Battin ’45, PhD ’51, som ledde analysgruppen, säger att ytterligare 200 programmerare arbetade med projektet som underleverantörer.

Ingen förutsåg svårigheten med programmeringsuppgiften, säger Martin, på grund av dess oöverträffade omfattning. Ingen hade någon erfarenhet av mjukvaruvärlden. Faktum är att ordet inte var särskilt utbrett, säger han. Och det fanns inget som hette datavetenskap. Lyckligtvis var på labbet en av personerna som hjälpte till att uppfinna det.

Det tillbakadragna geniet

Hal var den mest briljanta person vi någonsin haft chansen att arbeta med, säger Dan Lickly '54, SM '55, ingenjören i Instrumentation Lab som utvecklade det avgörande regntry-programmet för Apollos kommandomodul. Hal Laning '40, PhD '47, hade gått med i labbet 1945 som tillämpad matematiker, och i början av 1950-talet skrev han ett program som heter George som omvandlade algebraiska uttryck till datorkod. Eftersom det var det första programmet som förmedlade mellan symboler som är begripliga för människor och de som är begripliga för maskiner, säger Lickly, var det fadern till alla programmeringsspråk, före IBMs liknande men mer expansiva Fortran med några år. Det här hände bara några månader efter att jag gick med i labbet, och vi tänkte: Vad i helvete arbetar Hal med? säger Battin. På den tiden, säger han, diskuterades det om det ens var möjligt för en maskin att tolka instruktioner skrivna på ett högnivåspråk. Hal låste in sig på sitt kontor – och helt plötsligt fungerade det, säger Battin. (Apollos flygsimulatorer skulle programmeras i en hembryggd efterträdare till George, kallad MAC – mycket bättre än Fortran, säger Hall.)

I mitten av 1950-talet hade Laning anslutit sig till Polaris-missilteamet, och han och Battin utvecklade tillsammans det banbrytande Q-styrsystemet, som avsevärt förenklade beräkningarna som en missil var tvungen att utföra under flygning för att nå sitt mål. Laning var också en av ingenjörerna som initierade labbets Mars-projekt. Lanings tidiga designarbete på datorn för Mars-uppdraget ledde till hans viktigaste bidrag till Apollo: det så kallade executive-programmet.

Vid en given tidpunkt kan en rymdfarkosts styrdator behöva koordinera dussintals olika uppgifter: flytta radarantenner, ta avläsningar från radarn och från accelerometrarna, utföra felkorrigeringar på gyron, beräkna farkostens bana och bestämma vilka raketer som behövs för att bli avfyrad – för att inte säga något om att överföra data till NASA markkontroll och visa data för astronauterna. Datorns processor kunde dock bara utföra en uppgift åt gången, så den skulle behöva dela upp varje uppgift i mindre deluppgifter och växla snabbt mellan dem, vilket skapar en illusion av samtidighet. Den arbetsfördelningen utfördes och övervakades av den verkställande makten.

Apollo-programmeraren Don Eyles förklarar att i början av 1960-talet använde executive-program lådbilsmetoden, som skar in förbigående sekunder i kortare intervaller som blinkade förbi som lådvagnar på ett tåg. En del av en beräkningsuppgift tilldelades varje intervall, och när intervallet slutade – när lådbilen passerade – bytte processorn till en annan uppgift, oavsett om den hade slutfört den första eller inte.

Men Laning insåg att i en strävan lika oförutsägbar och tidskänslig som att skicka en rymdfarkost till Mars – eller, som det visade sig, till månen – kunde lådbilsmetoden visa sig vara katastrofal. Om några triviala beräkningar tog längre tid än förväntat, kan hela systemet gå sönder. En rymdfarkost som väntar på att få reda på vilken riktning dess radar pekade kan hamna i att krascha in i en planet.

Så Laning utarbetade sitt eget chefsprogram, som tilldelade uppgifter olika prioriteringar och tillät högprioriterade uppgifter att skära in på lågprioriterade. Idén kan låta enkel, men utförandet var svårt, eftersom det krävde att datorn fördelade minne mellan olika uppgifter, hålla reda på var den hade brutit av var och en av dem och bestämma vilken som skulle återupptas när den hade slutfört uppgiften med högsta prioritet . Han gjorde det i princip av helt tyg, säger Eyles. Men det var lysande.

När labbets arbete med Apollo utökades, avtog Lanings engagemang i det. Hal älskade att göra saker som [det verkställande programmet], särskilt om det var ett stort bidrag han kunde göra själv, minns Battin. Men när vi fick Apollo-jobbet sa han till mig: 'Dick, jag skulle vilja hjälpa till, men jag vill inte bli chef. De ändlösa mötena och att försöka förklara saker för människor som inte förstår dem – det kan jag inte göra.” Nu 89 säger Laning att han inte ens kan komma ihåg var han var under månlandningen – om han gick med eller inte Instrumentation Lab-kollegor runt squawk-boxen på deras Cambridge-kontor för att lyssna på radiosändningarna mellan NASA och astronauterna. För honom, föreslår han, hade arbetet med rymdfarkostnavigering förlorat en del av sin charm med införandet av mänskliga operatörer.

Ironiskt nog var det dock under de sista minuterna innan Apollo 11-landaren landade – en av de få punkter under uppdraget när astronauten skulle ta manuell kontroll över fartyget – som Lanings verkställande funktion skulle möta sitt hårdaste test.

Örnlandet

Ingen kunde i förväg vara säker på hur månens terräng skulle se ut, så under de sista 500 fot av månens nedstigning var astronauten som lotsade landaren tvungen att kunna omdirigera den om den ursprungligen valda landningsplatsen såg ogästvänlig ut. Men även då, säger Eyles, var astronautens kontrollsystem bara halvmanuellt: mjukvaran styrde fortfarande gasen, säger han, och självklart hade autopiloten kontroll över att manövrera fordonet. Fred Martin hävdar att astronauter som tränar för Apollo-uppdragen på mockups av landaren – skämtsamt kallade flygande sängar – visade att kontroll av landarens nedstigning var bortom mänsklig kapacitet. Två av de flygande sängarna, som inte hade någon autopilot, kraschade under tester före Apollo 11, och astronauterna – Neil Armstrong var en av dem – var tvungen att rädda sig.

Så närmandet till månens yta skulle vara en mycket dålig tid för styrsystemet ombord att misslyckas. Och ungefär fem minuter efter landarens nedstigning började datorn visa en serie larm, vilket indikerar att dess processor var överbelastad.

Eyles lyssnade på squawk-boxen på Instrumentation Lab. Om beslutet i det ögonblicket hade varit hans, säger han, skulle han ha avbrutit landningen. Men, säger han, de flygledare som var vana vid att titta på systemet utifrån hade faktiskt kört simuleringar som hade liknande larm och hade upptäckt att det faktiskt skulle fortsätta flyga. Ur det perspektivet var det säkert att säga gå.

Ytterst visade det sig att boven var radarsystemet som skulle mäta avståndet till kommandomodulen när landaren var på väg tillbaka från månen. På grund av en oöverensstämmelse mellan radarns strömförsörjning och styrsystemet tolkade datorn slumpmässigt elektriskt brus som viktiga radarsignaler. Detta, lagt till all annan information som datorn var tvungen att bearbeta under den extremt knepiga nedstigningen, var mer än processorn klarade av.

Hal Lanings chefsprogram var lika med krisen. När Instrumentation Lab-ingenjörer sökte sig för att ta reda på vad som orsakade larmen, utfördes landarens högprioriterade uppgifter – som att strypa raketerna – normalt. Landaren landade säkert; en lådbilschef skulle ha gått av stapeln.

Att möta fienden

Efter att kommandomodulen återvände säkert till jorden började firandet. Astronauterna fick ticker-tape-parader, bjöds in till statliga middagar och presenterade Presidential Medal of Freedom. Ett par Instrumentation Lab-ingenjörer fick däremot åka till Ryssland.

Richard Battin, hans fru Marge, och David Hoag '46, SM '50, labbets programchef för navigationssystemets hårdvara, bjöds in till Sovjetunionen som gäster på den sovjetiska vetenskapsakademin för att besöka anläggningar i Moskva, Leningrad, och Tbilisi, Georgia. Första kvällen vi var i Tbilisi, säger Battin, pågick en viktig fotbollsmatch och vår värd ville åka. Så han sa, kan du möjligen ta hand om dig själv – bara äta lite middag och sedan gå till hotellet? Men familjen Battins vågade sig ut på egen hand och tog en linbana uppför det närliggande berget Mtatsminda, hem till ett härligt mausoleum som hyllar några georgiska hjältar.

På vägen ner igen gav linbanan ett plötsligt svall och Marge, inte riktigt säker på sovjetisk ingenjörskonst, tog tag i sin mans hand. Omedelbart, säger Battin, hoppade en passagerare upp och erbjöd Marge sin plats. När de andra passagerarna insåg att det fanns amerikaner mitt ibland dem trängdes de runt och började förhöra dem. Battin, som bar en nål med en bild av kommandomodulen på, lyckades förklara sin närvaro med orden lunar Sputnik. De var så imponerade, säger han, och de var bara så vänliga. En grupp gratulerade Battin med en flaska champagne; han gav dem sin knapp i gengäld. Det här var bara vanliga människor som hade köpt champagne på toppen av berget, säger Battin, och de gav den till oss.

Motivet för Apollo-programmet hade varit konkurrens med sovjeterna; ett år in i Instrumentation Lab:s arbete med navigationssystemet hade USA och Sovjetunionen befunnit sig på randen av kärnvapenkrig. Men dessa sovjetiska turister var lika upphetsade som alla andra av månpromenadens romantik. Neil Armstrong hade haft rätt: flaggan han planterade kan ha varit USA:s, men prestationen var mänsklighetens.

Ändå hade vissa medlemmar av mänskligheten en större hand i det än andra. År 1975, i en NASA-publikation om månlandningen, skrev George Low, som var chef för Apollo Spacecraft Program Office under de sista åren fram till landningen, 'Om du var tvungen att peka ut ett delsystem som det viktigaste, mest komplex, och ändå mest krävande i prestanda och precision, skulle det vara vägledning och navigering. Om månen skott vände termen raketforskare till den högsta utmärkelse som kan ges till mänsklig intelligens, då hade ingen mer rätt till det än ingenjörerna på Instrumentation Lab.

Dölj