Les scientifiques des fusées d'Apollo

Le 25 mai 1961, six semaines après que l'Union soviétique a pris les devants dans la course à l'espace en envoyant Youri Gagarine en orbite terrestre, John F. Kennedy s'est présenté devant le Congrès dans un discours télévisé à l'échelle nationale et a demandé à son pays de s'engager à atteindre le objectif, avant la fin de cette décennie, d'envoyer un homme sur la lune. Trois mois plus tard, la jeune Agence nationale aéronautique et spatiale a signé son premier contrat majeur dans le cadre du nouveau programme lunaire. Il est allé au MIT Instrumentation Lab, qui a été chargé de concevoir un système de navigation et de guidage pour tous les vaisseaux spatiaux Apollo.

La décision était controversée. Normalement, les entreprises cherchant à obtenir le contrat auraient eu la possibilité de soumettre des propositions concurrentes. Mais en tant qu'organisation à but non lucratif, l'Instrumentation Lab s'est vu interdire de soumissionner contre des concurrents industriels. En embauchant le MIT pour construire le système de navigation, la NASA déclarait que personne d'autre n'était dans sa ligue. J'avais beaucoup de justifications à faire, se souvient Bob Chilton '48, SM '49, qui dirigeait la Flight Dynamics Branch au Space Task Group de la NASA. Tous les gens de l'industrie s'agitaient et s'agitaient et s'agitaient.

Les champions du MIT à la NASA avaient de solides arguments. Le directeur du laboratoire d'instrumentation, Charles Stark Draper '26, SM '28, ScD '38, a été un pionnier dans l'utilisation de gyroscopes et d'accéléromètres pour diriger les avions. En 1953, l'un des systèmes de Draper avait piloté un avion qui avait décollé de Hanscom Field, à l'extérieur de Boston, à moins de neuf milles d'une piste d'atterrissage à Los Angeles.

Au milieu des années 1950, le laboratoire avait remporté des contrats de l'armée américaine pour des travaux sur les systèmes de navigation de plusieurs missiles balistiques, dont le Polaris, qui devait trouver son chemin vers une cible fixe depuis un sous-marin à un emplacement arbitraire. Pour éviter le brouillage par les radios ennemies, le système de guidage du missile devait être complètement autonome – aucune direction externe possible. Le système a fonctionné brillamment lorsqu'il a été testé en 1960, renforçant la réputation du laboratoire à Washington.

Un projet qu'il avait lancé peu après le lancement de Spoutnik en 1957, en utilisant le modeste financement de la recherche spéculative inclus dans les contrats militaires, travaillait également en faveur du laboratoire d'instrumentation. Plusieurs des penseurs les plus brillants du laboratoire ont commencé à concevoir une mission sans pilote vers Mars, à calculer des trajectoires pour les voyages interplanétaires et à rédiger les spécifications d'un ordinateur de navigation à usage général. En quatre ans, le projet Mars s'est agrandi pour inclure des chercheurs du Langley Research Center de la NASA, et une grande partie du travail pourrait facilement être adaptée à une mission lunaire. La mainmise du laboratoire sur le contrat Apollo resterait sécurisée car, comme le rappelle Aaron Cohen, responsable du module de commande et de service Apollo à la NASA, nous ne pensions pas que quelqu'un d'autre puisse faire le travail.

Le contrat avec la NASA prévoyait que le laboratoire développe un système de navigation, de contrôle et de guidage qui serait transporté à la fois par le module de commande Apollo et par l'atterrisseur lunaire. (Le module de commande est entré en orbite lunaire et a ramené les astronautes sur Terre ; l'atterrisseur s'est détaché du module de commande en orbite et a transporté les astronautes à la surface de la lune.) Dans les deux cas, la navigation signifiait déterminer la position actuelle de l'engin, le guidage signifiait garder l'engin sur sa trajectoire dans l'espace et le traçage de toutes les corrections de cap, et le contrôle signifiait maintenir la bonne vitesse et l'attitude - en s'assurant que le nez du module de commande pointait dans la bonne direction, ou que les pieds de l'atterrisseur étaient à l'aplomb de la surface lunaire.

Pour la navigation, l'engin Apollo n'aurait pas à se fier uniquement à leurs systèmes embarqués : un radar terrestre les suivrait et le contrôle de mission enverrait des corrections de cap tant qu'il pourrait maintenir le contact radio. Mais pendant ce qui était probablement les étapes les plus critiques d'une mission lunaire, le contact radio serait impossible. La longue trajectoire incurvée du vaisseau spatial le rapprocherait de la lune du côté opposé à la Terre, c'est donc là qu'il devait entrer en orbite lunaire et déployer le module d'atterrissage - mais bien sûr, il n'y aurait aucune ligne de vue avec Stations de suivi terrestres. Et lorsque le module de commande de retour est entré dans l'atmosphère terrestre, la friction de sa descente chaufferait l'air autour de lui et créerait un nuage d'ions qui brouillerait toutes les transmissions radio.

Le cœur du système de navigation et de contrôle était une idée originale de Doc Draper, l'unité de mesure inertielle, ou IMU. L'IMU était essentiellement un disque entouré de deux anneaux concentriques à l'intérieur d'un boîtier sphérique d'environ un pied et demi de diamètre. L'anneau extérieur était attaché au boîtier par deux charnières, de sorte qu'il pouvait tourner autour d'un axe ; le deuxième anneau était attaché au premier et tournait autour d'un axe perpendiculaire ; et le disque tournait autour d'un axe perpendiculaire à celui du deuxième anneau, il avait donc une parfaite liberté de mouvement en trois dimensions. Sur le disque – la plate-forme inertielle – se trouvaient trois accéléromètres et trois gyroscopes, également alignés dans trois directions différentes. Si le boîtier de l'IMU tournait, les gyroscopes enregistreraient le mouvement et les moteurs feraient tourner les anneaux pour maintenir l'orientation de la plate-forme : imaginez un serveur qui tient un plateau de verres parallèle au sol, même s'il court le long des murs et à travers le plafond. Si l'orientation de la plate-forme inertielle restait parfaitement stable, les données des accéléromètres pourraient localiser l'IMU n'importe où dans l'espace par référence à sa position d'origine.

Mais la plate-forme n'était pas parfaitement stable. Pour permettre des corrections de trajectoire à mi-vol, le laboratoire d'instrumentation a également conçu un télescope et un sextant qui, ensemble, pourraient aider à localiser l'engin dans l'espace. À l'aide d'un oculaire sur la console du module de commande, un astronaute pourrait trouver un trio de points de repère - disons, l'horizon de la Terre, la lune et Alpha Centauri - et appuyer sur un bouton. L'ordinateur de bord calculerait la position de l'engin à partir des angles entre les observations.

L'IMU et l'optique de visée devaient fournir des informations pratiquement sans erreur, et leur conception devait tenir compte des excentricités de fonctionnement dans l'espace ; des centaines d'ingénieurs d'Instrumentation Lab y ont travaillé. Néanmoins, il s'agissait en grande partie d'élaborations sur des technologies existantes. La conception de l'ordinateur de guidage Apollo, cependant, a amené le laboratoire d'instrumentation dans des eaux inexplorées.

Aube de silicium

Dans les annales de la technologie, l'événement le plus important de 1961 n'a peut-être pas été le dévoilement du programme lunaire par JFK, mais plutôt l'annonce faite quelques mois plus tôt par une société de quatre ans appelée Fairchild Semiconductor : la première sortie commerciale d'un puce informatique. Premier exemple de circuit intégré, il combinait plusieurs composants électroniques dans une seule pièce de silicium.

Aujourd'hui, alors qu'Intel peut entasser un milliard de transistors sur une puce, les avantages des circuits intégrés semblent évidents. Mais ce n'était pas le cas en 1961. D'une part, les nouvelles puces ne contenaient pas un milliard de transistors chacune ; ils en ont tenu trois. Les circuits intégrés prendraient, en principe, environ 40 % de place en moins que les transistors à noyau, constitués de fils enroulés autour d'aimants. Mais ils ont également demandé plus d'électricité, un sérieux inconvénient pour les engins spatiaux aux ressources limitées. De plus, il n'était pas du tout clair que les circuits intégrés pouvaient être produits en série avec la fiabilité requise par les vols spatiaux. Les administrateurs de la NASA ont initialement spécifié que l'ordinateur de vol Apollo utiliserait les transistors à noyau plus gros.

Mais Eldon Hall, qui travaillait au laboratoire d'instrumentation depuis 1952 et dirigeait la conception de l'ordinateur de vol, était intrigué depuis des années par la perspective des circuits intégrés. Il a donc lancé deux programmes de conception parallèles : l'un pour construire un ordinateur utilisant des transistors à noyau et l'autre utilisant des circuits intégrés. À l'automne 1962, dit Hall, il était clair pour les deux parties qu'il était plus facile de construire une machine avec Micrologic. Les circuits intégrés pouvaient effectuer des calculs plus de deux fois plus rapidement que les transistors du noyau, et leur gain de place signifiait que l'ordinateur aurait beaucoup plus de place pour les circuits mémoire. De plus, les connecter ensemble était beaucoup plus simple et posait moins de risques que quelque chose ne tourne mal. Cet hiver-là, Hall a persuadé la NASA de revoir son contrat avec Raytheon, la société qui devait fabriquer l'ordinateur, et de parier sur la nouvelle technologie. Comment ai-je réussi à convaincre ces gestionnaires de me laisser utiliser des circuits intégrés ? dit Hall. Je n'ai pas eu à les escroquer. Ils s'en fichaient. Je pouvais faire ce que je voulais faire. Les responsables de la NASA, préoccupés par des missions plus imminentes telles que les vols Gemini de 1965 et 1966, n'y prêtaient tout simplement pas encore beaucoup d'attention. (voir Faire le travail, p. M16) .

Selon les normes actuelles, l'ordinateur Apollo avait une architecture particulière : il n'utilisait qu'un seul type de circuit logique, la porte NOR, ainsi appelée parce qu'elle ne produit un signal électrique que lorsqu'elle ne reçoit un signal d'aucune de ses entrées. Un ordinateur construit à partir de portes NOR est moins efficace qu'un ordinateur qui utilise également d'autres types de portes - la porte ET, par exemple, qui émet un signal lorsqu'il reçoit des signaux de toutes ses entrées. Lorsqu'on lui a demandé pourquoi l'ordinateur Apollo s'appuyait si fortement sur la porte NOR, cependant, Hall rit et dit : Parce que c'est ce que Fairchild a pu construire. Une fois que Hall et son équipe ont eu une conception matérielle qui a fonctionné, ils n'étaient pas sur le point de prendre des risques sur des technologies encore plus récentes. Au lieu de cela, ils ont travaillé en étroite collaboration avec plusieurs fabricants potentiels pour s'assurer que les portes NOR pourraient être construites de manière fiable.

Au moment où la première mission Apollo a volé, Fairchild avait abandonné ses puces NOR-gate pour des architectures plus sophistiquées, alors Philco a fourni les circuits logiques de l'ordinateur. La fiabilité, qui était autrefois le principal inconvénient du circuit intégré, est désormais son principal avantage. Les ordinateurs de l'époque ne fonctionnaient pas plus de quelques jours sans réparation, dit Hall. Dans 15 vols Apollo, cependant, l'ordinateur de guidage n'a jamais subi de panne matérielle, même lorsque la foudre a frappé pendant le décollage d'Apollo 12.

La conception de l'ordinateur de guidage, comme celles de l'optique et de l'IMU, était en grande partie achevée en 1966. Depuis lors, jusqu'à ce que la mission Apollo 8 place les astronautes en orbite autour de la lune en décembre 1968, le laboratoire s'est concentré sur le développement de logiciels.

Au début, personne n'aurait prédit cela. Au début de l'effort Apollo, le laboratoire s'est en quelque sorte bifurqué, explique Fred Martin, SM '59, ScD '65, qui deviendrait chef de projet pour le logiciel du module de commande. Un groupe a conçu le matériel. L'autre groupe, dit Martin – le groupe d'analyse – traitait de la façon dont vous alliez vous rendre sur la lune, et du type de mesures que vous alliez faire, et quand vous alliez tirer ce gros moteur, et dans quelle direction vous alliez. va le pointer, et comment déterminer les trajectoires pour se rendre sur la lune, et comment s'inquiéter des erreurs que vous alliez avoir. Bien entendu, les calculs du groupe d'analyse devraient éventuellement être intégrés dans un logiciel ; mais la conception d'équations était considérée comme une tâche ardue.

À la fin des années 1960, cependant, l'Instrumentation Lab employait quelque 400 personnes à l'effort logiciel. Richard Battin '45, PhD '51, qui a dirigé le groupe d'analyse, dit que 200 autres programmeurs ont travaillé sur le projet en tant que sous-traitants.

Personne n'a prévu la difficulté de la tâche de programmation, dit Martin, en raison de son ampleur sans précédent. Personne n'avait d'expérience dans le monde du logiciel. En fait, le mot n'était pas très répandu, dit-il. Et l'informatique n'existait pas. Heureusement, au laboratoire était l'une des personnes qui ont aidé à l'inventer.

Le génie reclus

Hal était la personne la plus brillante avec laquelle nous ayons jamais eu la chance de travailler, déclare Dan Lickly '54, SM '55, l'ingénieur du laboratoire d'instrumentation qui a développé le programme crucial de rentrée pour le module de commande Apollo. Hal Laning '40, PhD '47, avait rejoint le laboratoire en 1945 en tant que mathématicien appliqué, et au début des années 1950, il a écrit un programme appelé George qui convertissait les expressions algébriques en code informatique. Parce que c'était le premier programme à faire la médiation entre les symboles intelligibles pour les humains et ceux intelligibles pour les machines, dit Lickly, c'était le père de tous les langages de programmation, précédant de quelques années le Fortran similaire mais plus vaste d'IBM. Cela s'est produit quelques mois seulement après que j'ai rejoint le laboratoire, et nous nous sommes dit : Sur quoi diable travaille Hal ? dit Battin. À l'époque, dit-il, il y avait un débat pour savoir s'il était même possible pour une machine d'interpréter des instructions écrites dans un langage de haut niveau. Hal s'enfermerait dans son bureau et tout d'un coup, cela fonctionnait, dit Battin. (Les simulateurs de vol Apollo seraient programmés dans un successeur maison de George, appelé MAC – bien meilleur que Fortran, dit Hall.)

Au milieu des années 1950, Laning avait rejoint l'équipe de missiles Polaris, et lui et Battin développèrent ensemble le système de guidage révolutionnaire Q, qui simplifia considérablement les calculs qu'un missile devait effectuer en vol pour atteindre sa cible. Laning était également l'un des ingénieurs qui ont lancé le projet Mars du laboratoire. Les premiers travaux de conception de Laning sur l'ordinateur de la mission sur Mars ont conduit à sa contribution la plus importante à Apollo : le soi-disant programme exécutif.

A un instant donné, l'ordinateur de guidage d'un engin spatial peut être amené à coordonner des dizaines de tâches différentes : repositionner les antennes radar, relever les relevés du radar et des accéléromètres, effectuer des corrections d'erreurs sur les gyroscopes, calculer la trajectoire de l'engin et déterminer quelles fusées devaient être licencié, sans parler de la transmission de données au contrôle au sol de la NASA et de l'affichage des données aux astronautes. Le processeur de l'ordinateur, cependant, ne pouvait effectuer qu'une tâche à la fois, il devrait donc diviser chaque tâche en sous-tâches plus petites et alterner rapidement entre elles, créant l'illusion de simultanéité. Cette division du travail était effectuée et supervisée par l'exécutif.

Le programmeur d'Apollo, Don Eyles, explique qu'au début des années 1960, les programmes exécutifs utilisaient la méthode des wagons couverts, découpant les secondes qui passaient en intervalles plus courts qui défilaient comme des wagons couverts dans un train. Une partie d'une tâche de calcul a été affectée à chaque intervalle, et lorsque l'intervalle s'est terminé - lorsque le wagon couvert est passé - le processeur est passé à une autre tâche, qu'il ait terminé la première ou non.

Mais Laning s'est rendu compte que dans une entreprise aussi imprévisible et sensible au temps que l'envoi d'un vaisseau spatial sur Mars - ou, comme il s'est avéré, sur la lune - la méthode du wagon couvert pourrait s'avérer désastreuse. Si quelques calculs triviaux finissaient par prendre plus de temps que prévu, l'ensemble du système pourrait tomber en panne. Un vaisseau spatial attendant de savoir dans quelle direction son radar pointait pourrait finir par s'écraser sur une planète.

Laning a donc conçu son propre programme exécutif, qui attribuait aux tâches des priorités différentes et permettait aux tâches hautement prioritaires de se substituer aux tâches moins prioritaires. L'idée peut sembler simple, mais l'exécution était difficile, car il fallait que l'ordinateur alloue de la mémoire entre différentes tâches, garde une trace de l'endroit où il a interrompu chacune d'entre elles et détermine laquelle reprendre une fois qu'il a terminé la tâche la plus prioritaire. . Il l'a essentiellement fait de tissu entier, dit Eyles. Mais c'était génial.

Au fur et à mesure que les travaux du laboratoire sur Apollo se développaient, la participation de Laning à ces travaux diminuait. Hal aimait faire des choses comme [le programme exécutif], surtout s'il s'agissait d'une contribution majeure qu'il pouvait faire par lui-même, se souvient Battin. Mais quand nous avons obtenu le poste d'Apollo, il m'a dit : 'Dick, j'aimerais aider, mais je ne veux pas être manager. Les réunions interminables et essayer d'expliquer les choses à des gens qui ne les comprennent pas, je ne peux pas faire ça.' Des collègues d'Instrumentation Lab autour de la boîte à cris dans leur bureau de Cambridge pour écouter les transmissions radio entre la NASA et les astronautes. Pour lui, suggère-t-il, les travaux sur la navigation des engins spatiaux avaient perdu de leur charme avec l'introduction d'opérateurs humains.

Ironiquement, cependant, c'est au cours des dernières minutes avant que l'atterrisseur d'Apollo 11 n'atterrisse – l'un des rares moments de la mission où l'astronaute était censé prendre le contrôle manuel du vaisseau – que la fonction exécutive de Laning allait faire face à son test le plus difficile.

Les terres de l'aigle

Personne ne pouvait savoir à l'avance à quoi ressemblerait le terrain de la lune, donc pendant les 500 derniers pieds de la descente lunaire, l'astronaute pilotant l'atterrisseur devait pouvoir le rediriger si le site d'alunissage initialement choisi semblait inhospitalier. Mais même alors, dit Eyles, le système de contrôle de l'astronaute n'était que semi-manuel : le logiciel contrôlait toujours la manette des gaz, dit-il, et bien sûr le pilote automatique contrôlait la manœuvre du véhicule. Fred Martin soutient que les astronautes qui s'entraînaient pour les missions Apollo sur des maquettes de l'atterrisseur - appelés en plaisantant lits volants - ont démontré que le contrôle de la descente de l'atterrisseur dépassait les capacités humaines. Deux des sommiers volants, qui n'avaient pas de pilote automatique, se sont écrasés lors des tests avant Apollo 11, et les astronautes - Neil Armstrong était l'un d'entre eux - ont dû sauter.

L'approche de la surface lunaire serait donc un très mauvais moment pour que le système de guidage embarqué tombe en panne. Et environ cinq minutes après le début de la descente de l'atterrisseur, l'ordinateur a commencé à afficher une série d'alarmes, indiquant que son processeur était surchargé.

Eyles écoutait le squawk box au laboratoire d'instrumentation. Si à ce moment-là la décision avait été la sienne, dit-il, il aurait avorté l'atterrissage. Cependant, dit-il, les contrôleurs de vol qui étaient habitués à regarder le système de l'extérieur avaient en fait exécuté des simulations qui avaient des alarmes similaires et avaient découvert qu'en fait, il continuerait à voler. De ce point de vue, il était prudent de dire partir.

En fin de compte, le coupable s'est avéré être le système radar qui était censé mesurer la distance jusqu'au module de commande lorsque l'atterrisseur revenait de la lune. En raison d'un décalage entre les alimentations du radar et du système de guidage, l'ordinateur interprétait le bruit électrique aléatoire comme des signaux radar importants. Ceci, ajouté à toutes les autres informations que l'ordinateur a dû traiter pendant la descente extrêmement délicate, était plus que ce que le processeur pouvait gérer.

Le programme exécutif de Hal Laning était à la hauteur de la crise. Alors que les ingénieurs d'Instrumentation Lab se sont efforcés de découvrir la cause des alarmes, les tâches hautement prioritaires de l'atterrisseur, telles que l'étranglement des fusées, s'exécutaient normalement. L'atterrisseur a atterri en toute sécurité ; un cadre de wagon couvert aurait déraillé.

Rencontrer l'ennemi

Après que le module de commande soit revenu sain et sauf sur Terre, les célébrations ont commencé. Les astronautes ont reçu des défilés de ruban adhésif, invités à des dîners d'État et ont présenté la Médaille présidentielle de la liberté. Un couple d'ingénieurs d'Instrumentation Lab, d'autre part, a dû se rendre en Russie.

Richard Battin, sa femme Marge et David Hoag '46, SM '50, le responsable du programme du laboratoire pour le matériel du système de navigation, ont été invités en Union soviétique en tant qu'invités de l'Académie soviétique des sciences, pour visiter les installations de Moscou, Leningrad, et Tbilissi, Géorgie. La première nuit où nous étions à Tbilissi, dit Battin, il y avait un match de football important et notre hôte voulait y aller. Alors il a dit : Pourriez-vous prendre soin de vous, juste dîner et ensuite aller à l'hôtel ? Mais les Battins se sont aventurés seuls, prenant un téléphérique jusqu'à la montagne Mtatsminda, à proximité, qui abrite un charmant mausolée célébrant des héros géorgiens.

Sur le chemin du retour, le téléphérique a fait une embardée soudaine et Marge, pas tout à fait confiante dans l'ingénierie soviétique, a attrapé la main de son mari. Immédiatement, dit Battin, un passager s'est levé et a offert à Marge son siège. Lorsque les autres passagers ont réalisé qu'il y avait des Américains parmi eux, ils se sont rassemblés et ont commencé à les interroger. Battin, qui portait une épinglette avec une image du module de commande dessus, a réussi à expliquer sa présence avec les mots Spoutnik lunaire. Ils étaient tellement impressionnés, dit-il, et ils étaient tellement amicaux. Un groupe a félicité Battin avec une bouteille de champagne ; il leur a donné son bouton en retour. Ce n'étaient que des gens ordinaires qui avaient acheté du champagne au sommet de la montagne, dit Battin, et ils nous l'ont donné.

Le motif du programme Apollo avait été la concurrence avec les Soviétiques ; un an après le début des travaux de l'Instrumentation Lab sur le système de navigation, les États-Unis et l'URSS étaient au bord de la guerre nucléaire. Mais ces touristes soviétiques étaient aussi excités que n'importe qui d'autre par le romantisme du moonwalk. Neil Armstrong avait raison : le drapeau qu'il a planté était peut-être celui des États-Unis, mais l'accomplissement était celui de l'humanité.

Pourtant, certains membres de l'humanité y ont joué un rôle plus important que d'autres. En 1975, dans une publication de la NASA sur l'alunissage, George Low, qui était directeur du bureau du programme Apollo Spacecraft dans les dernières années qui ont précédé l'alunissage, a écrit : Si vous deviez distinguer un sous-système comme étant le plus important, le plus complexe, et pourtant le plus exigeant en performances et en précision, ce serait le Guidage et la Navigation. Si le coup de lune a transformé le terme scientifique de fusée dans la plus haute distinction qui puisse être accordée à l'intelligence humaine, alors personne n'y avait plus droit que les ingénieurs du laboratoire d'instrumentation.

cacher