Científicos de cohetes de Apolo

El 25 de mayo de 1961, seis semanas después de que la Unión Soviética tomara la delantera en la carrera espacial al enviar a Yuri Gagarin a la órbita terrestre, John F. Kennedy compareció ante el Congreso en un discurso televisado a nivel nacional y pidió a su país que se comprometiera a lograr el objetivo. objetivo, antes de que termine esta década, de llevar a un hombre a la luna. Tres meses después, la incipiente Agencia Nacional de Aeronáutica y del Espacio emitió su primer contrato importante en el marco del nuevo programa lunar. Fue al Laboratorio de Instrumentación del MIT, que se encargó de diseñar un sistema de navegación y guía para todas las naves espaciales Apollo.

La decisión fue polémica. Por lo general, las empresas que buscan el contrato habrían tenido la oportunidad de presentar propuestas competitivas. Pero como organización sin fines de lucro, al Laboratorio de Instrumentación se le prohibió ofertar contra rivales industriales. Al contratar al MIT para construir el sistema de navegación, la NASA estaba declarando que nadie más estaba en su liga. 'Tenía mucho que justificar', recuerda Bob Chilton '48, SM' 49, quien dirigió la División de Dinámica de Vuelo en el Grupo de Trabajo Espacial de la NASA. Toda la gente industrial se quejó y se quejó y se quejó.

Los campeones del MIT en la NASA tenían un caso sólido. El director del Laboratorio de Instrumentación, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, fue un pionero en el uso de giroscopios y acelerómetros para navegar aviones. En 1953, uno de los sistemas de Draper había pilotado un avión que despegó de Hanscom Field, en las afueras de Boston, a nueve millas de una pista de aterrizaje en Los Ángeles.

A mediados de la década de 1950, el laboratorio había ganado contratos del ejército de los EE. UU. Para trabajar en los sistemas de navegación de varios misiles balísticos, incluido el Polaris, que tenía que encontrar su camino hacia un objetivo fijo desde un submarino en una ubicación arbitraria. Para evitar interferencias de las radios enemigas, el sistema de guía del misil tenía que ser completamente autónomo, no era posible una dirección externa. El sistema funcionó de manera brillante cuando se probó en 1960, mejorando la reputación del laboratorio en Washington.

También trabajaba a favor del Laboratorio de Instrumentación un proyecto que había iniciado poco después del lanzamiento del Sputnik en 1957, utilizando la modesta financiación para la investigación especulativa incluida en los contratos militares. Varios de los pensadores más brillantes del laboratorio comenzaron a diseñar una misión no tripulada a Marte, calculando trayectorias para viajes interplanetarios y elaborando especificaciones para una computadora de navegación de propósito general. En cuatro años, el proyecto de Marte había crecido para incluir investigadores del Centro de Investigación Langley de la NASA, y gran parte del trabajo podría adaptarse fácilmente a una misión lunar. La retención del laboratorio en el contrato Apollo permanecería segura porque, como recuerda Aaron Cohen, gerente del módulo de comando y servicio Apollo de la NASA, no creíamos que nadie más pudiera hacer el trabajo.

El contrato con la NASA requería que el laboratorio desarrollara un sistema de navegación, control y guía que sería llevado tanto por el módulo de comando Apolo como por el módulo de aterrizaje lunar. (El módulo de comando entró en la órbita lunar y devolvió a los astronautas a la Tierra; el módulo de aterrizaje se separó del módulo de comando en órbita y llevó a los astronautas a la superficie de la luna). En ambos casos, la navegación significaba determinar la posición actual de la nave, la guía significaba mantener la nave encendida. su trayectoria a través del espacio y trazar cualquier corrección de rumbo, y el control significaba mantener la velocidad y actitud correctas, asegurando que la nariz del módulo de comando apuntaba en la dirección correcta, o que los pies del módulo de aterrizaje estaban en escuadra con la superficie lunar.

Para la navegación, la nave Apollo no tendría que depender únicamente de sus sistemas a bordo: el radar terrestre los rastrearía y el control de la misión enviaría correcciones de rumbo siempre que pudiera mantener contacto por radio. Pero durante las que probablemente fueron las etapas más críticas de una misión lunar, el contacto por radio sería imposible. La trayectoria larga y curva de la nave espacial la acercaría más a la luna en el lado opuesto a la Tierra, así que ahí es donde tuvo que entrar en la órbita lunar y desplegar el módulo de aterrizaje, pero por supuesto, no habría una línea de visión con Estaciones de seguimiento terrestres. Y cuando el módulo de comando que regresaba entraba en la atmósfera de la Tierra, la fricción de su descenso calentaba el aire a su alrededor y creaba una nube de iones que interferiría con las transmisiones de radio.

El corazón del sistema de navegación y control fue la creación de Doc Draper, la unidad de medición inercial o IMU. La IMU era básicamente un disco rodeado por dos anillos concéntricos dentro de una carcasa esférica de aproximadamente un pie y medio de ancho. El anillo exterior estaba unido a la carcasa mediante dos bisagras, por lo que podía girar alrededor de un eje; el segundo anillo se unió al primero y se hizo girar alrededor de un eje perpendicular; y el disco giraba alrededor de un eje perpendicular al del segundo anillo, por lo que tenía una perfecta libertad de movimiento en tres dimensiones. En el disco, la plataforma inercial, había tres acelerómetros y tres giroscopios, también alineados en tres direcciones diferentes. Si la carcasa de la IMU girara, los giroscopios registrarían el movimiento y los motores girarían los anillos para mantener la orientación de la plataforma: imagina a un camarero que sostiene una bandeja de vasos paralela al suelo, incluso mientras corre hacia arriba y hacia abajo por las paredes y a través del techo. Si la orientación de la plataforma inercial se mantuvo perfectamente estable, los datos de los acelerómetros podrían ubicar la IMU en cualquier lugar del espacio por referencia a su posición original.

Pero la plataforma no era perfectamente estable. Para permitir correcciones de rumbo en pleno vuelo, el Laboratorio de Instrumentación también diseñó un telescopio y un sextante que juntos podrían ayudar a ubicar la nave en el espacio. Usando un ocular en la consola del módulo de comando, un astronauta podría encontrar un trío de puntos de referencia, por ejemplo, el horizonte de la Tierra, la luna y Alpha Centauri, y presionar un botón. La computadora a bordo calcularía la posición de la nave a partir de los ángulos entre los avistamientos.

La IMU y la óptica de observación tenían que proporcionar información prácticamente libre de errores, y su diseño debía tener en cuenta las excentricidades de la operación en el espacio; cientos de ingenieros del Laboratorio de Instrumentación trabajaron en ellos. No obstante, fueron en gran parte elaboraciones sobre tecnologías existentes. Sin embargo, el diseño de la computadora de guía Apollo llevó al Laboratorio de Instrumentación a aguas desconocidas.

Amanecer de silicio

En los anales de la tecnología, es posible que el evento más importante de 1961 no haya sido la presentación del programa lunar por parte de JFK, sino más bien un anuncio unos meses antes de una empresa de cuatro años llamada Fairchild Semiconductor: el primer lanzamiento comercial de un Chip de computadora. Un ejemplo temprano de un circuito integrado, combinaba múltiples componentes electrónicos en una sola pieza de silicio.

Hoy, cuando Intel puede meter mil millones de transistores en un chip, las ventajas de los circuitos integrados parecen obvias. Pero ese no era el caso en 1961. Por un lado, los nuevos chips no tenían mil millones de transistores cada uno; tenían tres. Los circuitos integrados, en principio, ocuparían aproximadamente un 40 por ciento menos de espacio que los llamados transistores de núcleo, que consistían en cables enrollados alrededor de imanes. Pero también exigieron más electricidad, un serio inconveniente en las naves espaciales con recursos limitados. Es más, no estaba del todo claro que los circuitos integrados pudieran producirse en masa con la fiabilidad que requería el vuelo espacial. Los administradores de la NASA originalmente especificaron que la computadora de vuelo Apollo usaría los transistores de núcleo más grandes.

Pero Eldon Hall, que había estado en el Laboratorio de Instrumentación desde 1952 y dirigió el diseño de la computadora de vuelo, había estado intrigado durante años por la perspectiva de los circuitos integrados. Así que inició dos programas de diseño en paralelo: uno para construir una computadora usando transistores centrales y otro usando circuitos integrados. Para el otoño de 1962, dice Hall, ambas partes tenían claro que era más fácil construir una máquina con Micrologic. Los circuitos integrados podían realizar cálculos más del doble de rápido que los transistores centrales, y su ahorro de espacio significaba que la computadora tendría mucho más espacio para los circuitos de memoria. Además, conectarlos juntos fue mucho más simple y presentó menos oportunidades para que algo saliera mal. Ese invierno, Hall convenció a la NASA para que volviera a redactar su contrato con Raytheon, la empresa que fabricaría la computadora, y apostara por la nueva tecnología. ¿Cómo engañé a estos gerentes para que me dejaran usar circuitos integrados? Hall dice. No tuve que estafarlos. No les importaba. Podría hacer lo que quisiera hacer. Los administradores de la NASA, preocupados por misiones más inminentes como los vuelos Gemini de 1965 y 1966, simplemente no estaban prestando mucha atención todavía. (consulte Hacer el trabajo, p. M16) .

Según los estándares actuales, la computadora Apollo tenía una arquitectura peculiar: usaba solo un tipo de circuito lógico, la puerta NOR, llamada así porque emite una señal eléctrica solo cuando no recibe una señal de ninguna de sus entradas. Una computadora construida a partir de puertas NOR es menos eficiente que una que también usa otros tipos de puertas, por ejemplo, la puerta AND, que emite una señal cuando recibe señales de todas sus entradas. Sin embargo, cuando se le preguntó por qué la computadora Apollo dependía tanto de la puerta NOR, Hall se ríe y dice: Porque eso es lo que Fairchild fue capaz de construir. Una vez que Hall y su equipo tuvieron un diseño de hardware que funcionó, no estaban dispuestos a arriesgarse con tecnologías aún más nuevas. En cambio, trabajaron en estrecha colaboración con varios fabricantes potenciales para garantizar que las puertas NOR pudieran construirse de manera confiable.

Para cuando voló la primera misión Apollo, Fairchild había abandonado sus chips de puerta NOR por arquitecturas más sofisticadas, por lo que Philco suministró los circuitos lógicos de la computadora. La fiabilidad, que alguna vez fue el principal inconveniente del circuito integrado, es ahora su principal ventaja. Las computadoras en esos días no funcionarían por más de unos pocos días sin reparación, dice Hall. En 15 vuelos del Apolo, sin embargo, la computadora de guía nunca sufrió una falla de hardware, incluso cuando cayó un rayo durante el despegue del Apolo 12.

El diseño de la computadora de guía, como los de la óptica y la IMU, se completó en gran parte en 1966. Desde entonces hasta que la misión Apolo 8 puso a los astronautas en órbita alrededor de la luna en diciembre de 1968, el laboratorio se centró en el desarrollo de software.

Al principio, nadie hubiera predicho eso. Al principio del esfuerzo de Apollo, el laboratorio se bifurcó, dice Fred Martin, SM '59, ScD '65, quien se convertiría en gerente de proyecto para el software del módulo de comando. Hardware diseñado por un grupo. El otro grupo, dice Martin, el grupo de análisis, se ocupó de cómo ibas a llegar a la luna, qué tipo de medidas ibas a hacer, cuándo ibas a encender este gran motor y en qué dirección ibas. vamos a apuntarlo, y cómo averiguar las trayectorias para llegar a la luna, y cómo preocuparse por los errores que iban a tener. Por supuesto, los cálculos del grupo de análisis eventualmente tendrían que incorporarse en software; pero idear ecuaciones se consideraba un trabajo pesado.

Sin embargo, a fines de la década de 1960, el Laboratorio de Instrumentación empleaba a unas 400 personas en el esfuerzo del software. Richard Battin '45, PhD '51, quien encabezó el grupo de análisis, dice que otros 200 programadores trabajaron en el proyecto como subcontratistas.

Nadie previó la dificultad de la tarea de programación, dice Martin, debido a su escala sin precedentes. Nadie tenía experiencia en el mundo del software. De hecho, la palabra no se usó mucho, dice. Y no existía la informática. Afortunadamente, en el laboratorio fue una de las personas que ayudó a inventarlo.

El genio solitario

Hal fue la persona más brillante con la que tuvimos la oportunidad de trabajar, dice Dan Lickly '54, SM '55, el ingeniero del Laboratorio de Instrumentación que desarrolló el programa de reintento crucial para el módulo de comando Apollo. Hal Laning '40, PhD '47, se había incorporado al laboratorio en 1945 como matemático aplicado y, a principios de la década de 1950, escribió un programa llamado George que convertía expresiones algebraicas en código de computadora. Debido a que fue el primer programa en mediar entre los símbolos inteligibles para los humanos y los inteligibles para las máquinas, dice Lickly, fue el padre de todos los lenguajes de programación, precediendo al Fortran similar pero más expansivo de IBM por unos pocos años. Esto sucedió solo unos meses después de que me uní al laboratorio, y pensamos: ¿En qué diablos está trabajando Hal? dice Battin. En ese momento, dice, hubo un debate sobre si era posible que una máquina interpretara instrucciones escritas en un lenguaje de alto nivel. Hal se encerraba en su oficina y, de repente, estaba funcionando, dice Battin. (Los simuladores de vuelo Apollo se programarían en un sucesor casero de George, llamado MAC, mucho mejor que Fortran, dice Hall).

A mediados de la década de 1950, Laning se había unido al equipo de misiles Polaris, y él y Battin desarrollaron juntos el innovador sistema de guía Q, que simplificó enormemente los cálculos que un misil tenía que realizar en vuelo para alcanzar su objetivo. Laning también fue uno de los ingenieros que inició el proyecto de Marte del laboratorio. El trabajo de diseño inicial de Laning en la computadora para la misión a Marte condujo a su contribución más importante a Apolo: el llamado programa ejecutivo.

En un momento dado, la computadora de guía de una nave espacial podría tener que coordinar docenas de tareas diferentes: reposicionar las antenas de radar, tomar lecturas del radar y de los acelerómetros, realizar correcciones de errores en los giroscopios, calcular la trayectoria de la nave y determinar qué cohetes se necesitan para ser despedido, por no hablar de transmitir datos al control terrestre de la NASA y mostrar datos a los astronautas. Sin embargo, el procesador de la computadora solo podía realizar una tarea a la vez, por lo que tendría que dividir cada tarea en subtareas más pequeñas y alternar rápidamente entre ellas, creando la ilusión de simultaneidad. Esa división del trabajo fue realizada y supervisada por el ejecutivo.

El programador de Apollo, Don Eyles, explica que a principios de la década de 1960, los programas ejecutivos usaban el método del vagón, dividiendo los segundos que pasaban en intervalos más cortos que pasaban como furgones en un tren. Se asignó parte de una tarea computacional a cada intervalo, y cuando finalizaba el intervalo, cuando pasaba el furgón, el procesador cambiaba a otra tarea, tanto si había completado la primera como si no.

Pero Laning se dio cuenta de que en un esfuerzo tan impredecible y sensible al tiempo como enviar una nave espacial a Marte, o, como resultó, a la luna, el método del vagón podría resultar desastroso. Si algunos cálculos triviales terminan demorando más de lo esperado, todo el sistema podría fallar. Una nave espacial que espera saber en qué dirección apunta su radar podría terminar chocando contra un planeta.

Entonces Laning ideó su propio programa ejecutivo, que asignaba a las tareas diferentes prioridades y permitía que las tareas de alta prioridad intervinieran en las de baja prioridad. La idea puede parecer simple, pero la ejecución fue difícil, ya que requería que la computadora asignara memoria entre las diferentes tareas, realizara un seguimiento de dónde se había interrumpido cada una de ellas y determinara cuál reanudar una vez que hubiera completado la tarea de mayor prioridad. . Básicamente lo hizo con tela entera, dice Eyles. Pero fue brillante.

A medida que el trabajo del laboratorio en Apollo se expandió, la participación de Laning en él disminuyó. A Hal le encantaba hacer cosas como [el programa ejecutivo], especialmente si era una contribución importante que podía hacer por sí mismo, recuerda Battin. Pero cuando conseguimos el trabajo de Apollo, me dijo: 'Dick, me gustaría ayudar, pero no quiero ser gerente. Las reuniones interminables y tratar de explicar las cosas a las personas que no las entienden, no puedo hacer eso. ”Ahora de 89 años, Laning dice que ni siquiera puede recordar dónde estaba durante el aterrizaje lunar, si se unió o no a su Los colegas del Laboratorio de Instrumentación están alrededor de la caja de chillidos en su oficina de Cambridge para escuchar las transmisiones de radio entre la NASA y los astronautas. Para él, sugiere, el trabajo en la navegación de naves espaciales había perdido algo de su encanto con la introducción de operadores humanos.

Irónicamente, sin embargo, fue durante los últimos minutos antes de que el módulo de aterrizaje del Apolo 11 aterrizara, uno de los pocos puntos durante la misión en los que se suponía que el astronauta tomaría el control manual de la nave, que la función ejecutiva de Laning enfrentaría su prueba más dura.

Las tierras del águila

Nadie podía estar seguro de antemano de cómo se vería el terreno de la luna, por lo que durante los últimos 500 pies del descenso lunar, el astronauta que pilotaba el módulo de aterrizaje tenía que poder redirigirlo si el lugar de aterrizaje elegido inicialmente parecía inhóspito. Pero incluso entonces, dice Eyles, el sistema de control del astronauta era solo semi-manual: el software seguía controlando el acelerador, dice, y por supuesto, el piloto automático tenía el control de maniobrar el vehículo. Fred Martin argumenta que los astronautas que se entrenaban para las misiones Apolo en maquetas del módulo de aterrizaje, en broma llamados somieres voladores, demostraron que controlar el descenso del módulo de aterrizaje estaba más allá de la capacidad humana. Dos de los somieres voladores, que no tenían piloto automático, se estrellaron durante las pruebas antes del Apolo 11, y los astronautas, Neil Armstrong fue uno de ellos, tuvieron que rescatar.

Por lo tanto, la aproximación a la superficie lunar sería un muy mal momento para que fallara el sistema de guía a bordo. Y unos cinco minutos después del descenso del módulo de aterrizaje, la computadora comenzó a mostrar una serie de alarmas, lo que indica que su procesador estaba sobrecargado.

Eyles estaba escuchando el pitido en el laboratorio de instrumentación. Si en ese momento la decisión hubiera sido suya, dice, habría abortado el aterrizaje. Sin embargo, dice, los controladores de vuelo que estaban acostumbrados a mirar el sistema desde el exterior en realidad habían ejecutado simulaciones que tenían alarmas similares y habían descubierto que, de hecho, seguiría volando. Desde esa perspectiva, era seguro decir que vayas.

Al final, el culpable resultó ser el sistema de radar que se suponía que debía medir la distancia al módulo de comando cuando el módulo de aterrizaje regresaba de la luna. Debido a un desajuste entre las fuentes de alimentación del radar y el sistema de guía, la computadora estaba interpretando el ruido eléctrico aleatorio como señales de radar importantes. Esto, sumado a toda la otra información que la computadora tuvo que procesar durante el descenso extremadamente complicado, era más de lo que el procesador podía manejar.

El programa ejecutivo de Hal Laning estuvo a la altura de la crisis. Mientras los ingenieros del Laboratorio de Instrumentación se apresuraban a averiguar qué estaba causando las alarmas, las tareas de alta prioridad del módulo de aterrizaje, como la aceleración de los cohetes, se estaban ejecutando con normalidad. El módulo de aterrizaje aterrizó de forma segura; un ejecutivo de furgones se habría descarrilado.

Encuentro con el enemigo

Después de que el módulo de comando regresó sano y salvo a la Tierra, comenzaron las celebraciones. Los astronautas recibieron desfiles en cinta de teletipo, se invitaron a cenas de estado y se les presentó la Medalla Presidencial de la Libertad. Un par de ingenieros del Laboratorio de Instrumentación, por otro lado, tuvieron que ir a Rusia.

Richard Battin, su esposa Marge y David Hoag '46, SM '50, gerente de programa del laboratorio para el hardware del sistema de navegación, fueron invitados a la Unión Soviética como invitados de la Academia de Ciencias Soviética, para recorrer las instalaciones en Moscú, Leningrado, y Tbilisi, Georgia. La primera noche que estuvimos en Tbilisi, dice Battin, había un partido de fútbol importante y nuestro anfitrión quería ir. Entonces dijo: ¿Podrías ocuparte de ti mismo? ¿Cenar un poco y luego ir al hotel? Pero los Battin se aventuraron por su cuenta, tomando un teleférico hasta la cercana montaña Mtatsminda, hogar de un hermoso mausoleo que celebra a algunos héroes georgianos.

En el camino de regreso, el teleférico se tambaleó repentinamente y Marge, que no confiaba demasiado en la ingeniería soviética, agarró la mano de su esposo. Inmediatamente, dice Battin, un pasajero se levantó de un salto y le ofreció su asiento a Marge. Cuando los otros pasajeros se dieron cuenta de que había estadounidenses entre ellos, se agolparon y comenzaron a interrogarlos. Battin, que llevaba un alfiler con una imagen del módulo de comando, logró explicar su presencia con las palabras lunar Sputnik. Quedaron tan impresionados, dice, y fueron tan amables. Un grupo felicitó a Battin con una botella de champán; les dio su botón a cambio. Estas eran solo personas comunes que habían comprado champán en la cima de la montaña, dice Battin, y nos lo dieron.

El motivo del programa Apolo había sido la competencia con los soviéticos; un año después del trabajo del Laboratorio de Instrumentación sobre el sistema de navegación, los Estados Unidos y la URSS habían estado al borde de una guerra nuclear. Pero estos turistas soviéticos estaban tan emocionados como cualquier otra persona por el romance del moonwalk. Neil Armstrong tenía razón: la bandera que plantó pudo haber sido la de Estados Unidos, pero el logro fue de la humanidad.

Aún así, algunos miembros de la humanidad participaron más que otros. En 1975, en una publicación de la NASA sobre el aterrizaje en la luna, George Low, quien fue gerente de la Oficina del Programa de Naves Espaciales Apolo en los últimos años previos al aterrizaje, escribió: Si tuviera que señalar un subsistema como el más importante, la mayoría Complejo y, sin embargo, más exigente en rendimiento y precisión, sería Orientación y navegación. Si la luna cambiara el término cientifico de cohetes en el mayor galardón que se puede otorgar a la inteligencia humana, nadie tenía más derecho a ella que los ingenieros del Laboratorio de Instrumentación.

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