Pilotované lety > Apollo (1961–1972) > Navigační systém

Navigační systém

 

Charles Stark "Doc" Draper

Proslov Johna F. Kennedyho z roku 1961 o cestě člověka na Měsíc šokoval nemalou část lidí pracujících v NASA. Dle tehdejších plánů NASA nebyl lunární program na pořadu dne. Rakety a další technologie potřebné k cestě na Měsíc nebyly připravené, některé dokonce ani vynalezené. Počítačová technika byla teprve na počátku svého rozvoje. NASA musela pracovat s šibeničním termínem a dva měsíce po Kennedyho proslovu vypsala první zakázku pro Apollo. Netýkala se však rakety, nýbrž systému potřebného k navigaci rakety k Měsíci, bezpečnému přistání na Měsíci a návratu na Zemi.

 

NASA dávala navigačnímu systému velký význam. Žádná z velkých zakázek týkající se stavby rakety či lunárního modulu nebyla vyhlášena tak brzy. Zakázku získal Massachusettský technologický institut (MIT). Hned na začátku vývoje tohoto systému došlo k velkým kontroverzním diskuzím. Začátkem 60. let byl na počátku rozvoj naváděcích systémů. Lidé pracující v tomto odvětví byli udiveni, že vládní zakázku na vývoj hardwaru prakticky provozovaných systémů dostala univerzita.

 

MIT byla a stále zůstává neobyčejnou univerzitou ve Spojených státech. Vedoucím přístrojové laboratoře se stal Charles Stark "Doc" Draper. Draper byl ve Spojených státech významnou osobností. Měl vzdělání v oblasti psychologie a fyziky, které mu dala vynikající odhad na výběr lidí pohybujících se okolo těchto technologií.

 

Draper patřil k elitě mezi inženýry. Dokázal si získat pozornost NASA navigační pomůckou, která v 50. letech neměla obdoby. Jednalo se o inerciální naváděcí systém. V roce 1953 tento vynález umožnil řídit letadlo autopilotem na cestě dlouhé 4 800 km z Bostonu do Los Angeles bez jakýchkoliv vnějších orientačních bodů.

 

NASA věřila, že by se tato technologie dala využít při cestě člověka na Měsíc. To byla pro Drapera obrovská výzva a na jaře roku 1962 započala na MIT práce na navigačním systému pro Apollo. Základem se stala revoluční univerzitní naváděcí technologie skládající se z několika gyroskopů a zařízení na měření změn směru.

 

Charles Draper na palubě bombardéru - test navigačního přístroje.

Zařízení velikosti basketbalového míče mělo v sobě zabudované velice přesné gyroskopy, které udržovaly svou nosnou konstrukci dokonale vyrovnanou k tzv. inerciálnímu prostoru. Orientace takového prostoru není vztažena ani k Zemi, ani k obzoru, ale vytváří jakousi abstraktní představu nějakého místa. Systém byl založen na principu, kde osa roztočeného setrvačníku zůstává v prostoru pevná, ať se kolem ní děje cokoliv. Poskytuje tak pevnou základnu, neboli vztažnou soustavu, vůči které lze vypočítávat pohyb.

 

Dalším zařízením potřebným k vývoji navigačního systému byly akcelerometry. Jedná se o přístroje zjišťující zrychlení. Akcelerometry zjišťují, jakým směrem se pohybuje objekt vůči pevné ose udržované gyroskopy. Pokud je k dispozici záznam těchto pohybů, pak lze přesně určit, kde se pohybující objekt nachází.

 

Problém nastal v přesnosti takového zařízení. Nikdy předtím nikdo nepostavil tak přesný přístroj. Draper zavedl nové hygienické předpisy. Nedovolil například zaměstnancům jít do práce, když se vraceli ze slunečné dovolené, kde bylo zvýšené riziko odpadávání opálené kůže, nebo se ženy stavějící gyroskopy nesměly líčit.

 

Největší starosti dělalo sestrojení kuličkových ložisek gyroskopů. Přesnost zde byla velice důležitá, jelikož i při sebemenší odchylce mohlo dojít ve vesmíru k obrovskému rozdílu vzdáleností. Byla zde pochybnost, že nový systém bude dostatečně spolehlivý, proto se Draper rozhodl využít další přístroj - sextant. Na střeše MIT byl pro astronauty zřízen simulátor umožňující astronautům nacvičit kontrolu navigačního systému vzhledem ke hvězdám.

 

Posledním důležitým zařízením, které muselo MIT dodat, bylo elektromechanické zařízení, které údaje z gyroskopu převádělo na instrukce pro autopilota. Nebylo zde možno užívat Draperův systém, který dával pokyny autopilotovi letadla. K cestě na Měsíc byl zapotřebí důmyslnější systém. Novým úkolem se tak stalo zabudování moderního digitálního počítače do kosmické lodi, což se nikdy předtím nemuselo řešit.

 

V 60. letech byl počítač tak velký, že zabíral celé místnosti. Otázkou zůstávalo, jak vpravit takto ohromný počítač do kosmické lodi. Na tuto otázku dokázal odpovědět Richard "Dick" Horace Battin. Battinův nový počítač měl vzniknout na základech nové technologie křemíkových čipů. Čipy však byly tak nové, že si nikdo nebyl jist jejich spolehlivostí. Výrobci se také stále učili tyto čipy vyrábět.

 

Testování spolehlivosti těchto čipů probíhalo jejich ponořením do freonové lázně. Po vyjmutí čipů z lázně a vysušení následovalo zvážení. Pokud hmotnost čipu byla po vyjmutí z lázně o několik mikrogramů vyšší, znamenalo to, že se v čipu nachází vada, jelikož nějaký freon musel proniknout do tohoto čipu. Pokud se taková chyba našla, čip byl odmítnut včetně celé série, ze které byl. Ze strany NASA zde byl velký tlak na kvalitu součástek, jelikož poprvé v historii lidstva měl být život člověka odkázán hardwaru s integrovanými obvody.

 

Ve vrcholné fázi programu Apollo byla NASA hlavním odběratelem čipů ve Spojených státech. Odebírala přes 60 % čipů vyrobených v USA. Čipy byly považovány za spolehlivé, byl zde však problém v rychlosti. Počet úloh, které čipy současně zpracovávaly, byl velice omezen.

 

Řešení tohoto problému přinesl J. Halcombe "Hal" Laning. Přetížení počítače vyřešilo radikální řešení, kdy důležitější operace získaly vyšší prioritu. V 60. letech provoz počítačových systémů znamenal sdílení času mezi jednotlivými operacemi. Každý požadavek dostal přidělenou stejnou část strojového času, jako jiné požadavky. Laning však přiřadil každé úloze jinou prioritu. Úloha s nízkou prioritou mohla být například aktualizace displeje, který astronautům něco ukazoval. Jednalo se pouze o indikaci toho, co se děje. Úlohou s vysokou prioritou bylo například navádění na přistání. Pokud se počítač dostane do problémů, může úlohy s nízkou prioritou odložit, aby bylo možné dokončit úlohy s vysokou prioritou. Tato metoda se v praxi ukázala jako klíčová, když umožnila přistání Apolla 11 na Měsíci.

 

Technologie však byla tak nová, že si nikdo nebyl jistý, co vlastně má počítač za úkol. Otázkou zůstávalo, zda se má starat o celý navigační systém, či je to pouze pomůcka pro astronauty. V následujících letech softwaroví inženýři nevěděli, jaké mají psát programy a co tyto programy mají dělat.

 

 

Žena zapisující program do pevné feritové paměti.

V počátcích 60. let se stalo slovo software zcela novým pojmem a také největším problémem v navigačním systému. Nikdo neuměl přesně říci, co by měl počítač vykonávat. Nikdo neuměl říci specifikace programu, proto softwaroví inženýři programovali prakticky to, co chtěli.

 

Když neexistovala specifikace programů, začaly narůstat dílčí programy. V 60. letech se veškeré programy psaly ručně a následně se děrovaly do děrných štítků. Ty pak počítač dokázal číst. Zpracování těchto programů trvalo i několik hodin a výstupem byla hromada papírů z tiskárny. Pokud byl program napsán špatně, mohl mít štos papírů tloušťku i přes půl metru (místo jednoho centimetru). Hlavním problémem však byla paměť. Paměť programu naváděcího počítače Apolla odpovídala zhruba 72 kB v současném vyjádření. V dnešní době má průměrný chytrý telefon operační paměť o velikosti 2 GB, což je 30 000x více, než měl naváděcí počítač Apolla. Dalším problémem byla křehkost a nespolehlivost paměťových disků. Pro odstranění těchto problémů se začala užívat tzv. pevná feritová paměť.

 

Softwaroví inženýři napsali program, který byl následně odeslán do továrny. Tam byl software vetkán do pevné feritové paměti. Tato metoda byla nazvána Little old Lady (LOL). Počítačový kód se skládá z jedniček a nul. V metodě LOL bylo důležité jejich fyzické rozlišení.

 

Paměť se skládala z prstencových jader a drátů. Feritová paměť byla založena na principu zmagnetování těchto jader. Pokud drát procházel skrz jadérko, představovalo to jedničku. Pokud drát šel kolem jadérka, představovalo to nulu. Takovýto zápis byl však velice zdlouhavý. Tkaní jednoho programu trvalo i několik měsíců. Pokud se v programu našla chyba, bylo velice obtížné ji opravit. To mělo za následek zpoždění celého softwaru a nervozitu v NASA i v Draperově laboratoři.

 

 

Princip zapisování kódu do pevné feritové paměti.

 

 

 

Navigační počítač na palubě Apolla 8.

V roce 1966 NASA vyslala na vyřešení problému se softwarem Howarda Wilsona "Billa" Tindalla. Ten po prozkoumání systému Apollo napsal vedení NASA, že hrozí reálná šance, že se do konce desetiletí nepodaří dostat člověka na Měsíc, což bylo něco nemyslitelného. Po prozkoumání programu objevil také spousty duplicit a neefektivnosti celého programu, který byl plný chyb a příliš objemný. Velice často psal na ústředí NASA tzv. Tindallgramy. Jednalo se o zprávy, které hovořily o tom, že MIT zadaný úkol nezvládne, nemají požadovanou disciplínu a jejich postoj k celému problému je laxní. Tindall začal s neustálým tlakem na pracovníky laboratoří v MIT. V polovině roku 1966 se Draperův plán vytvořit palubní navigační systém řídící celou misi rozplynul.

 

Bylo rozhodnuto, že řízení navigace bude prováděno primárně z povrchu Země. Navigace byla postavena na použití radiových vln. Palubní počítač začal hrát roli zálohy. Draperův naváděcí systém však byl jedinou možností na odvrácené straně Měsíce nebo v případě ztráty radiového spojení. Nad dobou napsání softwaru a spolehlivosti palubního počítače visel otazník.

 

V roce 1967 se čas přistání na Měsíci blížil a tlak na pracovníky MIT byl čím dál tím vyšší. Tlak byl tak obrovský, že většina manželství inženýrů pracujících na softwaru se rozpadla. Nakonec se však podařilo palubní počítač sestrojit a poprvé byl prakticky vyzkoušen v říjnu 1968 při prvním pilotovaném letu s označením Apollo 7. Let Apolla 7 kroužil na orbitě Země celých 11 dní a pomocí sextantu kontrolovali automatický naváděcí systém nazvaný Apollo Guidance Computer (AGC). Naváděcí systém fungoval bez jakýchkoliv potíží. Velkou zásluhu na tom měl zejména Tindall, který začal od roku 1966 dohlížet na inženýry z MIT.

 

Dne 21. listopadu 1968 odstartovalo z Kennedyho mysu Apollo 8, které mělo za úkol uskutečnit první oblet Měsíce. Během letu na Měsíc byla poloha neustále ověřována pomocí sextantu, který potvrdil funkčnost navigačního systému.

 

Největší obavy panovaly při letu kosmické lodi okolo odvrácené straně Měsíce, kdy bylo ztraceno spojení se Zemí. V této fázi byli astronauti odkázáni pouze na palubní počítač. Po znovunavázání rádiového kontaktu s Apollem 8 poslal palubní počítač, vyrobený v MIT, údaje o tom, kde se kosmická loď nachází. Tyto údaje se shodovaly s výpočty NASA prováděnými na Zemi.

 

 

Navigační počítač určený pro lety Apollo

Dalším úkolem počítače, který umožnil oblet kolem Měsíce, bylo přistání na Měsíci. Dne 20. července 1969 se chystalo Apollo 11 přistát na Měsíci. Lunární modul nepoužíval naváděcí počítač nacházející se na palubě velitelského modulu, nýbrž měl vlastní s označením LM Guidance Computer (LGC). Tento počítač byl technicky totožný s AGC. Po odpojení lunárního modulu od velitelského byl N. Amstrong a B. Aldrin 12 minut od povrchu Měsíce. Astronauti se chystali vyzkoušet zcela nový a ve vesmíru nevyzkoušený program, jehož úkolem bylo s lunárním modulem přistát bezpečně na Měsíci. Těsně při přistávání se znenadání spustil alarm 12 02 signalizující provozní přetížení, tedy zahlcení LGC. Počítač neměl čas na všechnu práci, kterou musel vykonat. Běžný počítač by se zastavil, ale díky inovaci operačního systému J. H. Laninga počítač lunárního modulu vyřadil ty úlohy, které měly nízkou prioritu, a pokračoval s úlohami důležitějšími. Nehrozilo tedy žádné nebezpečí a přistání mohlo pokračovat.

 

 

Po úspěšném přistání lunárního modulu dne 20. července 1969 v 20:17 UTC nastala otázka, proč se počítač přetížil a zda toto přetížení neohrozí cestu na Zemi. Při zkušebních testech k této chybě nikdy nedošlo, bylo tedy záhadou, proč se tak stalo.

 

Inženýři z MIT nakonec chybu objevili v kontrolním seznamu B. Aldrina. Ten podle kontrolního seznamu úkolů spustil návratový radar příliš brzy. Počítač pak už nezvládal zpracovávat údaje z tohoto radaru a data z přistání. Počítač fungoval přesně tak, jak byl konstruován, tedy přiřadil operaci s vyšší prioritou přednost.

 

Dne 24. července 1969 díky palubnímu navigačnímu systému posádka Apolla 11 bezpečně přistála na Zemi.

Stránka byla naposledy editována 15. února 2016 v 10:58.
Stránka byla od 15. 1. 2010 zobrazena 765krát.

Vytištěno ze stránky projektu Kosmické lety (astronomia.zcu.cz/kosmolety/apollo/2458-navigacni-system)
Nahrávám...