Eind jaren vijftig, voordat NASA enige intentie had om naar de maan te gaan - of een computer nodig had om daar te komen - had het MIT Instrumentation Laboratory een kleine prototypesonde ontworpen en gebouwd waarvan ze hoopten dat die ooit naar Mars zou vliegen (lees de achtergrond gedeeltelijk 1 van dit verhaal hier). Deze kleine sonde gebruikte een kleine, rudimentaire computer voor algemeen gebruik voor navigatie, gebaseerd op de traagheidssystemen voor ballistische raketten, onderzeeërs en vliegtuigen die het Lab sinds de Tweede Wereldoorlog voor het leger had ontworpen en gebouwd.
De mensen van het Instrumentation Lab dachten dat hun Mars Probe-concept - en met name het navigatiesysteem - interessant zou zijn voor degenen die betrokken zijn bij de beginnende planetaire verkenningsinspanningen, zoals de Amerikaanse luchtmacht en het Jet Propulsion Laboratory. Maar toen het MIT Lab hen benaderde, was geen van beide entiteiten geïnteresseerd. De luchtmacht kwam uit de ruimtevaart en JPL had plannen om hun eigen planetaire ruimtevaartuig te besturen, waarbij ze navigeerden vanuit de grote Goldstone communicatieschotel in de Mojave-woestijn. De 26 meter lange radarschaal was gebouwd om de vroege robotachtige Pioneer-sondes te volgen.
Zowel de luchtmacht als de JPL stelden voor dat het lab zou praten met mensen van de nieuw gevormde NASA-organisatie.
Lab-leden bezochten Hugh Dryden, de adjunct-beheerder van NASA in Washington D.C., en Robert Chilton, die NASA's Flight Dynamics Branch leidde in het Langley Research Center. Beide mannen dachten dat het Lab heel goed werk had verricht aan het ontwerp, vooral aan de geleidingscomputer. NASA besloot het Lab $ 50.000 te geven om hun studies over het concept voort te zetten.
Later werd er een bijeenkomst georganiseerd tussen de leider van het Lab, Dr. Charles Stark Draper en andere NASA-leiders om de verschillende langetermijnplannen te bespreken die NASA voor ogen had, en hoe de ontwerpen van het Lab in een door mensen bestuurd ruimtevaartuig zouden kunnen passen. Na verschillende vergaderingen werd bepaald dat het systeem moest bestaan uit een universele digitale computer met bedieningselementen en displays voor de astronauten, een ruimtesextant, een traagheidsgeleider met gyroscopen en versnellingsmeters en alle ondersteunende elektronica. In al deze discussies was iedereen het erover eens dat de astronaut een rol zou moeten spelen bij het besturen van het ruimtevaartuig en niet alleen mee moest rijden. En alle NASA-mensen hielden vooral van de autonome navigatiemogelijkheid, omdat er vrees bestond dat de Sovjet-Unie de communicatie tussen een Amerikaans ruimtevaartuig en de grond zou kunnen verstoren, waardoor de missie en het leven van de astronauten in gevaar zouden komen.
Maar toen was Project Apollo geboren. President John F. Kennedy daagde NASA in april 1961 uit om op de maan te landen en veilig terug te keren naar de aarde - allemaal voor het einde van het decennium. Slechts elf weken later, in augustus 1961, werd het eerste hoofdcontract voor Apollo getekend met het MIT Instrumentation Laboratory om het geleidings- en navigatiesysteem te bouwen.
"We hadden een contract", zei Dick Battin, een ingenieur bij theLab die deel uitmaakte van het ontwerpteam van Mars Probe, "maar ... we hadden geen idee hoe we dit werk zouden doen, behalve om het naar onze Mars te modelleren sonde."
Een deel van de overlevering van de Apollo Guidance Computer (AGC) is dat sommige specificaties die in het voorstel van 11 pagina's van het Lab worden genoemd, in feite uit de lucht zijn gehaald door Doc Draper. Bij gebrek aan betere cijfers - en wetende dat het in een ruimtevaartuig zou moeten passen - zei hij dat het 100 pond zou wegen, 1 kubieke voet groot zou zijn en minder dan 100 watt aan stroom zou verbruiken.
Maar op dat moment waren er maar heel weinig specificaties bekend over de andere Apollo-componenten of ruimtevaartuigen, omdat er geen andere contracten waren afgesloten, en NASA nog niet had besloten tot de methode (directe opstijging, Earth Orbit Rendezvous of Lunar Orbit Rendezvous) en de soorten ruimtevaartuigen om bij de Maan te komen.
"We zeiden: 'We weten niet wat de taak is, maar dit is de computer die we hebben, en we zullen eraan werken, we zullen proberen het uit te breiden, we zullen alles doen wat we kunnen'," zei Battin . 'Maar het was de enige computer die iemand in het land heeft die dit werk mogelijk kan doen ... wat dit werk ook mag zijn.'
Battin herinnerde zich hoe aanvankelijk de optie om naar de maan te vliegen de ontmoeting van de baan om de aarde zou zijn, waar de verschillende delen van het ruimtevaartuig vanaf de aarde zouden worden gelanceerd en gecombineerd in een baan om de aarde en naar de maan zouden vliegen en daar als geheel zouden landen. Maar uiteindelijk won het rendez-vous-concept van de maanbaan - waar de lander zou scheiden van de Command Module en op de maan zou landen.
"Dus toen dat tot stand kwam, was de vraag ... hebben we een heel nieuw en ander geleidingssysteem nodig voor de Lunar Module dan voor de Command Module?" Zei Battin. 'Wat gaan we daaraan doen? We hebben NASA overtuigd om in beide ruimtevaartuigen hetzelfde [computers] systeem te gebruiken. Ze hebben verschillende missies, maar we kunnen een duplicaatsysteem in de maanmodule plaatsen. Dus dat is wat we hebben gedaan. "
Het vroege conceptuele werk aan de Apollo Guidance Computer (AGC) verliep snel en Battin en zijn collega's Milt Trageser, Hal Laning, David Hoag en Eldon Hall werkten de algemene configuratie uit voor begeleiding, navigatie en controle.
Begeleiding betekende het sturen van de beweging van een vaartuig, terwijl navigatie betrekking had op het zo nauwkeurig mogelijk bepalen van de huidige positie ten opzichte van een toekomstige bestemming. Controle verwijst naar het sturen van de bewegingen van het voertuig en in de ruimte de richtingen die verband houden met zijn houding (gieren, stampen en rollen) of snelheid (snelheid en richting). De expertise van MIT was gericht op begeleiding en navigatie, terwijl NASA-ingenieurs - vooral degenen die ervaring hadden met het werken aan Project Mercury - de nadruk legden op begeleiding en controle. Dus werkten de twee entiteiten samen om de manoeuvres te creëren die nodig zouden zijn op basis van gegevens van de gyroscopen en versnellingsmeters en hoe ze de manoeuvres onderdeel konden maken van de computer en software.
Voor het MIT Instrumentation Lab was betrouwbaarheid een grote zorg over de Apollo Guidance Computer. De computer zou het brein zijn van het ruimtevaartuig, maar wat als het niet lukte? Omdat redundantie een bekende oplossing was voor het fundamentele betrouwbaarheidsprobleem, stelden mensen bij The Lab voor om twee computers aan boord op te nemen, waarvan één als back-up. Maar North American Aviation - het bedrijf dat de Apollo Command and Service Modules bouwde - had zijn eigen problemen om aan de gewichtsvereisten te voldoen. Noord-Amerika weigerde al snel de grootte en ruimtevereisten van twee computers, en NASA was het daarmee eens.
Een ander idee voor verhoogde betrouwbaarheid was onder meer het hebben van printplaten en andere modules aan boord van het ruimtevaartuig, zodat de astronauten "onderhoud tijdens de vlucht" konden uitvoeren, waarbij defecte onderdelen werden vervangen terwijl ze in de ruimte waren. Maar het idee van een astronaut die een compartiment of vloerplaat open trekt, op zoek naar een defect module, en het plaatsen van een reserve printplaat terwijl hij op aanvraag was om de maan belachelijk te maken - hoewel deze optie al geruime tijd sterk werd overwogen.
"We zeiden: 'we gaan deze computer gewoon betrouwbaar maken', 'herinnert Battin zich. "Vandaag zou je uit het programma worden gegooid als je zei dat je het gaat bouwen zodat het niet mislukt. Maar dat is wat we hebben gedaan. "
Tegen de herfst van 1964 begon The Lab met het ontwerpen van hun verbeterde versie van de AGC, voornamelijk om te profiteren van verbeterde technologie. Een van de meest uitdagende aspecten van de Apollo-missie was de hoeveelheid realtime computing die nodig was om het ruimtevaartuig naar de maan en terug te navigeren. Toen de ingenieurs van het Lab voor het eerst aan het project begonnen, vertrouwden computers nog steeds op analoge technologie. Analoge computers waren niet snel of betrouwbaar genoeg voor een missie naar de maan.
Geïntegreerde schakelingen, die net waren uitgevonden in 1959, waren nu capabeler, betrouwbaarder en kleiner; ze konden de eerdere ontwerpen vervangen met behulp van kerntransistorschakelingen, die ongeveer 40 procent minder ruimte in beslag namen. Zo snel als de technologie was gevorderd sinds MIT het AGC-contract in 1961 won, waren ze ervan overtuigd dat de doorlooptijd tot de eerste vlucht van Apollo grotere verbeteringen in de betrouwbaarheid en hopelijk lagere kosten mogelijk zou maken. Met die beslissing werd de AGC een van de eerste computers die geïntegreerde schakelingen gebruikte, en al snel werd meer dan tweederde van de totale Amerikaanse output van microschakelingen gebruikt voor het bouwen van Apollo-computerprototypes.
Lead image caption: Een vroeg geïntegreerd circuit, bekend als het Fairchild 4500a geïntegreerd circuit. Bronvermelding: Draper.
Hoewel veel ontwerpelementen voor de computerhardware op hun plaats begonnen te vallen, werd halverwege de jaren zestig een knagend probleem duidelijk: geheugen. Het oorspronkelijke ontwerp, gebaseerd op de Mars-sonde, had slechts 4 kilobytes aan vast geheugen en 256 uitwisbare woorden. Naarmate NASA meer aspecten aan het Apollo-programma toevoegde, bleven de geheugenvereisten stijgen, tot 10 K, vervolgens 12, 16, 24 en tenslotte tot 36 Kilobytes vast geheugen en 2 K beschikbaar.
Het systeem dat het Lab bedacht heette kernkabelgeheugen, waarbij software zorgvuldig werd gemaakt met draad van nikkellegering geweven door de kleine magnetische 'donuts' om het niet-uitwisbare geheugen te creëren. In de taal van computer-enen en nullen, als het een een was, liep het door de donut; als het een nul was, liep de draad eromheen. Voor één geheugencomponent waren bundels nodig van een halve mijl draad geweven door 512 magnetische kernen. Eén module kan meer dan 65.000 stukjes informatie bevatten.
Battin noemde het proces voor het construeren van het kerntouwgeheugen de LOL-methode.
'Kleine oude dames', zei hij. "Vrouwen in de Raytheon-fabriek zouden de software letterlijk in dit kerntouwgeheugen weven."
Terwijl vrouwen voornamelijk weven, waren ze niet per se oud. Raytheon had veel voormalige textielarbeiders in dienst, bedreven in het weven, die gedetailleerde instructies moesten volgen om de draden te weven.
Toen de kerntouwherinneringen voor het eerst werden gebouwd, was het proces behoorlijk arbeidsintensief: twee vrouwen zaten tegenover elkaar en weven met de hand een stroom draden door kleine magnetische kernen, waarbij ze een sonde duwden met de draad aan één kant bevestigd naar de andere. Tegen 1965 werd een meer mechanische methode voor het weven van de draden geïmplementeerd, opnieuw, gebaseerd op textielmachines die worden gebruikt in de weefindustrie van New England. Maar toch was het proces buitengewoon traag en het kan enkele weken of zelfs maanden duren voordat een programma weven, en er is meer tijd nodig om het te testen. Elke fout in het weven betekende dat het opnieuw moest worden gedaan. De Command Module-computer bevatte zes sets kernkabelmodules, terwijl de Lunar Module-computer er zeven bevatte.
In totaal waren er ongeveer 30.000 onderdelen in de computer. Elk onderdeel zou een elektrische test en een stresstest ondergaan. Bij elke fout moest het onderdeel worden afgewezen.
"Hoewel het geheugen betrouwbaar was," zei Battin, "vond NASA het niet leuk aan het feit dat je al heel vroeg moest beslissen wat het computerprogramma zou worden. Ze vroegen ons: ‘Wat als we een last-minute wijziging hadden?’ En we zeiden dat we geen last-minute veranderingen kunnen hebben, en elke keer dat je het geheugen wilt veranderen, betekent een onderbreking van minimaal zes weken. Toen NASA zei dat dat ondragelijk was, vertelden we hen: "Wel, zo is deze computer en er is geen andere computer zoals deze die u kunt gebruiken."
Bij het ontwerpen en bouwen van alle hardware vormden zich uitdagingen, naarmate de werkzaamheden vorderden aan de AGC tot 1965 en tot 1966, viel de omvang en complexiteit van een ander aspect op: het programmeren van de software. Het werd het belangrijkste bepalende probleem van de computer, omdat het zowel aan de tijdlijnen als aan de specificaties voldeed.
Alle programmering gebeurde in feite op de enen en nulpunt, assembleertaal programmeren. Bij het ontwerpen van de software om ingewikkelde taken uit te voeren, moesten de software-ingenieurs met ingenieuze manieren komen om de code binnen de geheugenbeperkingen te laten passen. En natuurlijk was dit nog nooit eerder gedaan, althans niet tot dit niveau van schaal en complexiteit. Het kan zijn dat de AGC op elk moment verschillende taken tegelijk moet coördineren: het aflezen van de radar, het berekenen van het traject, het uitvoeren van foutcorrecties op de gyroscopen, het bepalen welke stuwraketten moeten worden afgevuurd, evenals het astransmitteren van gegevens naar NASA's grondstations en het nemen van nieuwe inputs van theastronauten .
Hal Laning bedacht wat hij een uitvoerend programma noemde, waarbij taken verschillende prioriteiten kregen en taken met hoge prioriteit konden worden ondernomen vóór taken met lage prioriteit. De computer kon geheugen toewijzen aan verschillende taken en bijhouden waar een taak was onderbroken.
Het softwareteam van het Lab is met opzet begonnen met het ontwerpen van de software met een prioriteitsplanning die de belangrijkste commando's kon identificeren en deze zonder onderbreking door minder belangrijke commando's kon laten werken.
Tegen het najaar van 1965 werd het echter voor NASA duidelijk dat de Apollo-computer in ernstige problemen verkeerde, omdat de ontwikkeling van de programma's aanzienlijk achterliep op schema. Het feit dat een relatief onbekende hoeveelheid, ‘software’ genaamd, het hele Apollo-programma kon vertragen, werd niet goed ontvangen door NASA.
Volgende: Deel 3, alles uitzoeken.
