Gli scienziati missilistici dell'Apollo

Il 25 maggio 1961, sei settimane dopo che l'Unione Sovietica aveva preso il comando della corsa allo spazio inviando Yuri Gagarin nell'orbita terrestre, John F. Kennedy si presentò al Congresso in un discorso televisivo nazionale e chiese al suo paese di impegnarsi per raggiungere il l'obiettivo, prima della fine di questo decennio, di far sbarcare un uomo sulla luna. Tre mesi dopo, la neonata Agenzia spaziale e aeronautica nazionale ha emesso il suo primo importante contratto nell'ambito del nuovo programma lunare. È andato al MIT Instrumentation Lab, incaricato di progettare un sistema di navigazione e guida per tutti i veicoli spaziali Apollo.

La decisione è stata controversa. Normalmente, le aziende che aspirano all'appalto avrebbero avuto la possibilità di presentare proposte concorrenti. Ma in quanto organizzazione no-profit, all'Instrumentation Lab era proibito fare offerte contro rivali industriali. Assumendo il MIT per costruire il sistema di navigazione, la NASA stava dichiarando che nessun altro era alla sua portata. Ho avuto molte giustificazioni da fare, ricorda Bob Chilton '48, SM '49, che dirigeva il Flight Dynamics Branch presso lo Space Task Group della NASA. Tutti gli industriali si agitavano, agitavano e agitavano.

I campioni del MIT alla NASA avevano un argomento forte. Il direttore dell'Instrumentation Lab, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, è stato un pioniere nell'uso di giroscopi e accelerometri per la navigazione degli aerei. Nel 1953, uno dei sistemi di Draper aveva pilotato un aereo che era decollato da Hanscom Field, fuori Boston, a meno di nove miglia da una pista di atterraggio di Los Angeles.

A metà degli anni '50, il laboratorio aveva vinto contratti dall'esercito americano per lavorare sui sistemi di navigazione di diversi missili balistici, incluso il Polaris, che doveva trovare la strada verso un bersaglio fisso da un sottomarino in una posizione arbitraria. Per evitare disturbi da parte delle radio nemiche, il sistema di guida del missile doveva essere completamente autonomo, senza alcuna direzione esterna possibile. Il sistema ha funzionato brillantemente quando è stato testato nel 1960, migliorando la reputazione del laboratorio a Washington.

A favore dell'Instrumentation Lab ha funzionato anche un progetto che aveva avviato subito dopo il lancio dello Sputnik nel 1957, utilizzando i modesti finanziamenti per la ricerca speculativa inclusi nei contratti militari. Molti dei più brillanti pensatori del laboratorio hanno iniziato a progettare una missione senza equipaggio su Marte, calcolando le traiettorie per i viaggi interplanetari e stilando le specifiche per un computer di navigazione generico. In quattro anni, il progetto su Marte è cresciuto fino a includere i ricercatori del Langley Research Center della NASA e gran parte del lavoro potrebbe essere facilmente adattato a una missione lunare. La tenuta del laboratorio sul contratto Apollo sarebbe rimasta sicura perché, come ricorda Aaron Cohen, manager della NASA del modulo di comando e servizio Apollo, non pensavamo che nessun altro potesse fare il lavoro.

Il contratto con la NASA prevedeva che il laboratorio sviluppasse un sistema di navigazione, controllo e guida che sarebbe stato trasportato sia dal modulo di comando Apollo che dal lander lunare. (Il modulo di comando è entrato nell'orbita lunare e ha riportato gli astronauti sulla Terra; il lander si è staccato dal modulo di comando in orbita e ha portato gli astronauti sulla superficie lunare.) In entrambi i casi, la navigazione significava determinare la posizione attuale del velivolo, la guida significava mantenere il velivolo su la sua traiettoria attraverso lo spazio e tracciare eventuali correzioni di rotta, e il controllo significava mantenere la giusta velocità e assetto, assicurando che il muso del modulo di comando fosse puntato nella giusta direzione o che i piedi del lander fossero quadrati con la superficie lunare.

Per la navigazione, l'astronave Apollo non dovrebbe fare affidamento esclusivamente sui propri sistemi di bordo: il radar terrestre li seguirebbe e il controllo della missione invierebbe correzioni di rotta purché possa mantenere il contatto radio. Ma durante quelle che erano probabilmente le fasi più critiche di una missione lunare, il contatto radio sarebbe stato impossibile. La lunga traiettoria curva del veicolo spaziale lo porterebbe più vicino alla luna sul lato rivolto lontano dalla Terra, quindi è lì che doveva entrare nell'orbita lunare e dispiegare il modulo di atterraggio, ma ovviamente non ci sarebbe stata linea di vista con Stazioni di localizzazione terrestri. E quando il modulo di comando di ritorno è entrato nell'atmosfera terrestre, l'attrito derivante dalla sua discesa avrebbe riscaldato l'aria intorno a sé e creato una nuvola di ioni che avrebbe bloccato qualsiasi trasmissione radio.

Il cuore del sistema di navigazione e controllo è nato da un'idea di Doc Draper, l'unità di misura inerziale, o IMU. L'IMU era fondamentalmente un disco circondato da due anelli concentrici all'interno di un alloggiamento sferico di circa un piede e mezzo di diametro. L'anello esterno era fissato all'alloggiamento tramite due cerniere, in modo che potesse ruotare attorno a un asse; il secondo anello era attaccato al primo e fatto ruotare attorno ad un asse perpendicolare; e il disco ruotava attorno ad un asse perpendicolare a quello del secondo anello, quindi aveva una perfetta libertà di movimento nelle tre dimensioni. Sul disco, la piattaforma inerziale, c'erano tre accelerometri e tre giroscopi, anch'essi allineati in tre diverse direzioni. Se l'alloggiamento dell'IMU ruotasse, i giroscopi registrerebbero il movimento e i motori girerebbero gli anelli per mantenere l'orientamento della piattaforma: immagina un cameriere che tiene un vassoio di bicchieri parallelo al suolo, anche mentre corre su e giù per i muri e attraverso il soffitto. Se l'orientamento della piattaforma inerziale rimanesse perfettamente stabile, i dati degli accelerometri potrebbero localizzare l'IMU ovunque nello spazio facendo riferimento alla sua posizione originale.

Ma la piattaforma non era perfettamente stabile. Per consentire le correzioni di rotta durante il volo, l'Instrumentation Lab ha anche progettato un telescopio e un sestante che insieme potrebbero aiutare a localizzare il velivolo nello spazio. Utilizzando un oculare sulla console del modulo di comando, un astronauta potrebbe trovare un trio di punti di riferimento, ad esempio l'orizzonte terrestre, quello della luna e Alpha Centauri, e premere un pulsante. Il computer di bordo calcolava la posizione del velivolo dagli angoli tra gli avvistamenti.

L'IMU e l'ottica di puntamento dovevano fornire informazioni virtualmente prive di errori e il loro progetto doveva tenere conto delle eccentricità di funzionamento nello spazio; centinaia di ingegneri di Instrumentation Lab ci hanno lavorato. Tuttavia, erano in gran parte elaborazioni su tecnologie esistenti. Il design del computer di guida Apollo, tuttavia, ha portato l'Instrumentation Lab in acque inesplorate.

Silicon Dawn

Negli annali della tecnologia, l'evento più importante del 1961 potrebbe non essere stato la presentazione da parte di JFK del programma lunare, ma piuttosto un annuncio di pochi mesi prima da parte di una società di quattro anni chiamata Fairchild Semiconductor: la prima uscita commerciale di un chip del computer. Un primo esempio di circuito integrato, combinava più componenti elettronici in un unico pezzo di silicio.

Oggi, quando Intel può stipare un miliardo di transistor in un chip, i vantaggi dei circuiti integrati sembrano ovvi. Ma non era così nel 1961. Per prima cosa, i nuovi chip non contenevano un miliardo di transistor ciascuno; ne tenevano tre. I circuiti integrati, in linea di principio, occuperebbero circa il 40% in meno di spazio rispetto ai cosiddetti core transistor, che consistevano in fili avvolti attorno a magneti. Ma richiedevano anche più elettricità, un grave inconveniente nei veicoli spaziali con risorse limitate. Inoltre, non era affatto chiaro che i circuiti integrati potessero essere prodotti in serie con l'affidabilità richiesta dai voli spaziali. Gli amministratori della NASA hanno originariamente specificato che il computer di volo Apollo avrebbe utilizzato i transistor con nucleo più grande.

Ma Eldon Hall, che era stato all'Instrumentation Lab dal 1952 e aveva guidato la progettazione del computer di volo, era stato incuriosito per anni dalla prospettiva dei circuiti integrati. Così ha avviato due programmi di progettazione paralleli: uno per costruire un computer utilizzando transistor di base e uno che utilizza circuiti integrati. Nell'autunno del 1962, dice Hall, era chiaro per entrambe le parti che era più facile costruire una macchina con Micrologic. I circuiti integrati potevano eseguire calcoli più del doppio rispetto ai transistor principali e il loro risparmio di spazio significava che il computer avrebbe avuto molto più spazio per i circuiti di memoria. Inoltre, collegarli insieme era molto più semplice e offriva meno opportunità che qualcosa andasse storto. Quell'inverno, Hall convinse la NASA a ridisegnare il contratto con la Raytheon, la società che avrebbe prodotto il computer, ea scommettere sulla nuova tecnologia. Come ho convinto questi manager a farmi usare i circuiti integrati? dice Sala. Non ho dovuto truffarli. A loro non importava. Potevo fare quello che volevo fare. I manager della NASA, preoccupati per missioni più imminenti come i voli Gemini del 1965 e del 1966, semplicemente non stavano ancora prestando molta attenzione (vedi Portare a termine il lavoro, p. M16) .

Per gli standard odierni, il computer Apollo aveva un'architettura particolare: utilizzava un solo tipo di circuito logico, la porta NOR, così chiamata perché emette un segnale elettrico solo quando non riceve un segnale da nessuno dei suoi ingressi. Un computer costruito con porte NOR è meno efficiente di uno che utilizza anche altri tipi di porte, ad esempio la porta AND, che emette un segnale quando riceve segnali da tutti i suoi ingressi. Alla domanda sul perché il computer Apollo si affidasse così tanto al cancello NOR, tuttavia, Hall ride e dice: Perché questo è ciò che Fairchild è stata in grado di costruire. Una volta che Hall e il suo team avevano avuto un design hardware che funzionava, non avevano intenzione di correre rischi nemmeno con le nuove tecnologie. Invece, hanno lavorato a stretto contatto con diversi potenziali produttori per garantire che le porte NOR potessero essere costruite in modo affidabile.

Quando volò la prima missione Apollo, Fairchild aveva abbandonato i suoi chip NOR-gate per architetture più sofisticate, quindi Philco fornì i circuiti logici del computer. L'affidabilità, che un tempo era stata il principale svantaggio del circuito integrato, ora era il suo principale vantaggio. I computer in quei giorni non funzionerebbero per più di qualche giorno senza riparazioni, dice Hall. In 15 voli Apollo, tuttavia, il computer di guida non ha mai subito un guasto hardware, anche quando un fulmine ha colpito durante il decollo dell'Apollo 12.

Il design del computer di guida, come quelli dell'ottica e dell'IMU, era in gran parte completato nel 1966. Da allora fino alla missione Apollo 8 che mise gli astronauti in orbita intorno alla luna nel dicembre 1968, il laboratorio si concentrò sullo sviluppo del software.

All'inizio nessuno lo avrebbe previsto. All'inizio dello sforzo Apollo, il laboratorio si è in qualche modo biforcato, afferma Fred Martin, SM '59, ScD '65, che sarebbe diventato project manager per il software del modulo di comando. Hardware progettato da un gruppo. L'altro gruppo, dice Martin, il gruppo di analisi, si è occupato di come saresti arrivato sulla luna, e che tipo di misurazioni avresti fatto, e quando avresti acceso questo grande motore, e in che direzione ti trovavi. lo indicherò, e come capire le traiettorie per arrivare sulla luna, e come preoccuparti degli errori che avresti avuto. Naturalmente, i calcoli del gruppo di analisi alla fine dovrebbero essere incorporati nel software; ma l'ideazione di equazioni era vista come un compito gravoso.

Alla fine degli anni '60, tuttavia, l'Instrumentation Lab impiegava circa 400 persone nello sforzo software. Richard Battin '45, PhD '51, a capo del gruppo di analisi, afferma che altri 200 programmatori hanno lavorato al progetto come subappaltatori.

Nessuno aveva previsto la difficoltà del compito di programmazione, dice Martin, a causa della sua portata senza precedenti. Nessuno aveva esperienza nel mondo del software. In effetti la parola non era molto usata, dice. E non c'era niente come l'informatica. Fortunatamente, al laboratorio c'era una delle persone che ha contribuito a inventarlo.

Il genio solitario

Hal è stata la persona più brillante con cui abbiamo mai avuto la possibilità di lavorare, afferma Dan Lickly '54, SM '55, l'ingegnere dell'Instrumentation Lab che ha sviluppato il programma di rientro cruciale per il modulo di comando Apollo. Hal Laning '40, PhD '47, si era unito al laboratorio nel 1945 come matematico applicato e nei primi anni '50 scrisse un programma chiamato George che convertiva le espressioni algebriche in codice per computer. Poiché è stato il primo programma a mediare tra i simboli intelligibili per l'uomo e quelli intelligibili per le macchine, dice Lickly, è stato il padre di tutti i linguaggi di programmazione, precedendo di qualche anno il Fortran di IBM, simile ma più espansivo. Questo è successo pochi mesi dopo che mi sono unito al laboratorio, e abbiamo pensato, su cosa diavolo sta lavorando Hal? dice Battino. All'epoca, dice, c'era un dibattito sulla possibilità per una macchina di interpretare le istruzioni scritte in un linguaggio di alto livello. Hal si chiudeva nel suo ufficio e all'improvviso funzionava, dice Battin. (I simulatori di volo Apollo sarebbero stati programmati in un successore fatto in casa di George, chiamato MAC, molto meglio di Fortran, dice Hall.)

A metà degli anni '50, Laning si era unito alla squadra missilistica Polaris e insieme a Battin svilupparono il rivoluzionario sistema di guida Q, che semplificava enormemente i calcoli che un missile doveva eseguire in volo per raggiungere il suo obiettivo. Laning è stato anche uno degli ingegneri che hanno avviato il progetto Mars del laboratorio. I primi lavori di progettazione di Laning sul computer per la missione su Marte hanno portato al suo contributo più importante ad Apollo: il cosiddetto programma esecutivo.

In un dato momento, il computer di guida di un veicolo spaziale potrebbe dover coordinare dozzine di compiti diversi: riposizionare le antenne radar, rilevare le letture dal radar e dagli accelerometri, eseguire correzioni di errore sui giroscopi, calcolare la traiettoria del velivolo e determinare quali razzi devono essere licenziato, per non parlare della trasmissione dei dati al controllo a terra della NASA e della visualizzazione dei dati agli astronauti. Il processore del computer, tuttavia, potrebbe eseguire solo un'attività alla volta, quindi dovrebbe suddividere ogni attività in attività secondarie più piccole e alternarle rapidamente, creando l'illusione della simultaneità. Quella divisione del lavoro è stata eseguita e supervisionata dall'esecutivo.

Il programmatore dell'Apollo Don Eyles spiega che all'inizio degli anni '60 i programmi esecutivi usavano il metodo del vagone merci, ritagliando i secondi che passano in intervalli più brevi che passavano come vagoni merci su un treno. A ciascun intervallo veniva assegnata una parte di un'attività di calcolo e, quando l'intervallo terminava, quando il vagone merci passava, il processore passava a un'altra attività, indipendentemente dal fatto che avesse completato o meno la prima.

Ma Laning si rese conto che in un'impresa imprevedibile e sensibile al tempo come l'invio di un'astronave su Marte o, come si scoprì, sulla luna, il metodo del vagone merci poteva rivelarsi disastroso. Se alcuni calcoli banali finissero per richiedere più tempo del previsto, l'intero sistema potrebbe guastarsi. Un'astronave in attesa di sapere in quale direzione stava puntando il suo radar potrebbe finire per schiantarsi contro un pianeta.

Così Laning ha ideato il suo programma esecutivo, che assegnava ai compiti priorità diverse e consentiva ai compiti ad alta priorità di intaccare quelli a bassa priorità. L'idea può sembrare semplice, ma l'esecuzione è stata difficile, poiché richiedeva al computer di allocare memoria tra diverse attività, tenere traccia di dove si era interrotto ciascuna di esse e determinare quale riprendere una volta completata l'attività di massima priorità . Praticamente l'ha inventato completamente, dice Eyles. Ma è stato geniale.

Man mano che il lavoro del laboratorio su Apollo si espandeva, il coinvolgimento di Laning diminuiva. Hal amava fare cose come [il programma esecutivo], specialmente se era un contributo importante che poteva fare da solo, ricorda Battin. Ma quando abbiamo ottenuto il lavoro all'Apollo, mi ha detto: 'Dick, mi piacerebbe dare una mano, ma non voglio essere un manager. Gli incontri infiniti e il tentativo di spiegare le cose a persone che non le capiscono, non posso farlo.' Ora 89, Laning dice che non riesce nemmeno a ricordare dove fosse durante lo sbarco lunare, se si è unito o meno al suo I colleghi del laboratorio di strumentazione intorno allo squawk box nel loro ufficio di Cambridge per ascoltare le trasmissioni radio tra la NASA e gli astronauti. Per lui, suggerisce, il lavoro sulla navigazione spaziale aveva perso parte del suo fascino con l'introduzione degli operatori umani.

Ironia della sorte, tuttavia, è stato negli ultimi minuti prima che il lander dell'Apollo 11 atterrasse - uno dei pochi punti durante la missione in cui l'astronauta avrebbe dovuto prendere il controllo manuale della nave - che la funzione esecutiva di Laning avrebbe dovuto affrontare la prova più dura.

Le Terre dell'Aquila

Nessuno poteva essere sicuro in anticipo di come sarebbe stato il terreno della luna, quindi durante gli ultimi 500 piedi della discesa lunare, l'astronauta che pilotava il lander doveva essere in grado di reindirizzarlo se il sito di atterraggio inizialmente scelto sembrava inospitale. Ma anche allora, dice Eyles, il sistema di controllo dell'astronauta era solo semi-manuale: il software controllava ancora l'acceleratore, dice, e ovviamente il pilota automatico aveva il controllo delle manovre del veicolo. Fred Martin sostiene che gli astronauti che si addestrano per le missioni Apollo su modelli del lander - scherzosamente chiamati letti volanti - hanno dimostrato che il controllo della discesa del lander era al di là delle capacità umane. Due dei letti volanti, che non avevano il pilota automatico, si schiantarono durante i test prima dell'Apollo 11 e gli astronauti - Neil Armstrong era uno di loro - dovettero salvarsi.

Quindi l'approccio alla superficie lunare sarebbe un pessimo momento per il fallimento del sistema di guida di bordo. E circa cinque minuti dopo la discesa del lander, il computer ha iniziato a visualizzare una serie di allarmi, indicando che il suo processore era sovraccarico.

Eyles stava ascoltando lo squawk box all'Instrumentation Lab. Se in quel momento la decisione fosse stata sua, dice, avrebbe abortito l'atterraggio. Tuttavia, dice, i controllori di volo che erano abituati a guardare il sistema dall'esterno avevano effettivamente eseguito simulazioni che avevano allarmi simili e avevano scoperto che in effetti avrebbe continuato a volare. Da quel punto di vista, era sicuro di dire di andare.

Alla fine, il colpevole si è rivelato essere il sistema radar che avrebbe dovuto misurare la distanza dal modulo di comando quando il lander stava tornando dalla luna. A causa di una mancata corrispondenza tra le alimentazioni del radar e il sistema di guida, il computer interpretava il rumore elettrico casuale come importanti segnali radar. Questo, aggiunto a tutte le altre informazioni che il computer doveva elaborare durante la discesa estremamente difficile, era più di quanto il processore potesse gestire.

Il programma esecutivo di Hal Laning era all'altezza della crisi. Mentre gli ingegneri di Instrumentation Lab si affrettavano a scoprire cosa stava causando gli allarmi, i compiti ad alta priorità del lander, come la limitazione dei razzi, venivano eseguiti normalmente. Il lander è atterrato sano e salvo; un dirigente di un vagone merci sarebbe uscito dai binari.

Incontrare il nemico

Dopo che il modulo di comando è tornato sano e salvo sulla Terra, sono iniziate le celebrazioni. Agli astronauti sono state date parate televisive, invitati a cene di stato e hanno presentato la Medaglia presidenziale della libertà. Un paio di ingegneri di Instrumentation Lab, invece, sono andati in Russia.

Richard Battin, sua moglie Marge e David Hoag '46, SM '50, il program manager del laboratorio per l'hardware del sistema di navigazione, furono invitati in Unione Sovietica come ospiti dell'Accademia Sovietica delle Scienze, per visitare le strutture di Mosca, Leningrado, e Tbilisi, Georgia. La prima notte che siamo stati a Tbilisi, dice Battin, c'era un'importante partita di calcio in corso e il nostro ospite voleva andarci. Quindi ha detto: Potresti prenderti cura di te stesso, cenare e poi andare in hotel? Ma i Battin si sono avventurati da soli, prendendo una funivia sul vicino monte Mtatsminda, sede di un delizioso mausoleo che celebra alcuni eroi georgiani.

Sulla via del ritorno, la funivia sobbalzò improvvisamente e Marge, non abbastanza sicura dell'ingegneria sovietica, afferrò la mano di suo marito. Immediatamente, dice Battin, un passeggero è balzato in piedi e ha offerto a Marge il suo posto. Quando gli altri passeggeri si accorsero che c'erano degli americani in mezzo a loro, si accalcarono intorno e cominciarono a interrogarli. Battin, che indossava una spilla con sopra l'immagine del modulo di comando, è riuscito a spiegare la sua presenza con le parole lunar Sputnik. Erano così impressionati, dice, ed erano così amichevoli. Un gruppo si è congratulato con Battin con una bottiglia di champagne; ha dato loro il suo bottone in cambio. Queste erano solo persone normali che avevano comprato dello champagne in cima alla montagna, dice Battin, e ce l'hanno dato.

Il motivo del programma Apollo era stato la competizione con i sovietici; un anno dopo l'inizio del lavoro dell'Instrumentation Lab sul sistema di navigazione, gli Stati Uniti e l'URSS erano sull'orlo di una guerra nucleare. Ma questi turisti sovietici erano eccitati come chiunque altro dal romanticismo del moonwalk. Neil Armstrong aveva ragione: la bandiera che ha piantato potrebbe essere stata quella degli Stati Uniti, ma il risultato è stato dell'umanità.

Tuttavia, alcuni membri dell'umanità hanno avuto un ruolo più importante di altri. Nel 1975, in una pubblicazione della NASA sull'atterraggio sulla luna, George Low, che negli ultimi anni precedenti l'atterraggio era direttore dell'ufficio del programma spaziale Apollo, scrisse: Se dovessi individuare un sottosistema come il più importante, la maggior parte complesso, e tuttavia più esigente in termini di prestazioni e precisione, sarebbe Guida e Navigazione. Se il colpo di luna trasformasse il termine scienziato missilistico nel più alto riconoscimento che si possa dare all'intelligenza umana, allora nessuno ne aveva più diritto degli ingegneri dell'Instrumentation Lab.

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