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La missione Apollo 11

La Luna, il satellite naturale della Terra orbita ad una distanza media di 384.000 Km dalla superficie del nostro pianeta. Complice incolpevole di migliaia di storie d’amore, ha rappresentato da sempre il luogo più remoto ed inaccessibile dell’immaginario collettivo: fu puntando ad essa che l’ex-presidente degli Stati Uniti John Kennedy volle dimostrare la supremazia americana nella corsa allo spazio, una corsa iniziata come tutti sanno al secondo posto dietro ai Sovietici.

Raggiungere la Luna con un equipaggio umano rappresentava infatti una svolta storica nel gran libro delle esplorazioni, ed al tempo della dichiarazione nessuno o quasi osava anche solo pensare al suo compimento.

apollo 11

Stark Draper il più grande esperto dei sistemi di navigazione inerziali, responsabile del MIT Instrumentation Lab, decide di farlo e mette a disposizione del progetto lunare il suo team di esperti. Svilupperanno l’Apollo Computer, la base dell’AGS, l’Apollo Guidance and Navigation System, la più futuristica frontiera tecnologica degli anni ’60. Il software è affidato a Peter Adler e Don Eyles, quello della fase di discesa del modulo lunare ad Allan Klumpp.

Apollo Computer (AC) è il primo sistema ad utilizzare la tecnologia dei circuiti integrati, un grande passo per un sistema di guida ma anche un grande passo per la tecnologia da cui discenderanno direttamente i computer di oggi. Gli astronauti della missione, che erano ottimi piloti aereonautici, avrebbero guidato la missione a mano ma 

«se la Terra è una palla da basket e la Luna una pallina da tennis a distanza di 4 metri l’una dall’altra, allora il corridoio da percorrere per tornare a casa è grande come lo spessore di un sottile foglio di carta che unisce le due».

Senza l’AGS non sarebbe mai stata possibile l’accuratezza nel controllo della nave e nella navigazione necessaria a mandare gli astronauti sulla Luna e poi farli tornare vivi e vegeti in tutta sicurezza senza poter usare un sistema di guida basato sulla Terra.

Architettura hardware

Il computer della missione Apollo è diviso in due moduli: uno nel Modulo di Comando che resta in orbita lunare e l’altro nell’Aquila (così gli astronauti chiamavano il Modulo Lunare che scende sul satellite) posizionato proprio sotto l’accesso che gli uomini usano per scendere sulla superficie. La memoria del sistema è di due tipi. In termini moderni pensiamo a RAM e ROM ma sono in effetti un po’ differenti.

La ROM è costruita come un intreccio di nuclei di ferrite a corrente coincidente in un tessuto di fili di rame racchiusi in una camicia di plastica. Il programma del computer Apollo è letteralmente cucito a mano sui nuclei di ferrite secondo l’orientamento dei bit. Infatti il nucleo di ferrite funziona come una sorta di piccolo trasformatore di corrente e può essere attraversato al massimo da 64 fili.

Se un filo passa all’interno del nucleo allora ai capi del filo si legge un ‘1’, se lo salta allora è ‘0’. In caso di errore di programmazione si deve sfilare tutto l’intreccio e ricucire correttamente le istruzioni dopo averle trasformate in codice binario e quindi ricostruire i pattern di filatura attraverso i nuclei.

Tra anellini di ferro e fili di rame intrecciati ad uno ad uno si
raggiunge l’incredibile (per allora) cifra di 36.864 parole di programma, ciascuna delle quali a 15 bit. In tutto è qualcosa di simile a 74 kilobyte odierni di ROM (l’immagine qui sotto occupa 10 volte più memoria).

ROM a nuclei di ferrite
La ROM a nuclei di ferrite dell’Apollo Computer

Non si può veramente parlare di RAM in questo caso perché il contenuto della memoria rimane anche se il computer si spegne quindi si chiamerà memoria cancellabile ed è costruita in modo simile alla ROM ma contiene un piccolo elemento magnetico che può essere ruotato elettricamente determinando così lo stato acceso/spento del bit di memoria.

Ce ne sono solo 2048 locazioni da 15 bit ciascuna (appunto 4Kb). È «cancellabile» perché mantiene il suo stato indipendentemente dal funzionamento del computer, in particolare anche quando questo viene resettato (cosa che avviene spesso nel viaggio, ma meno di quanto succede con Windows).

Il computer ha un “ciclo di clock” di 11,7 microsecondi. Tuttavia le operazioni di CPU richiedono almeno 2 cicli di clock quindi la reale velocità di battimento è 23,4 microsecondi. Insomma il computer non ci mette meno di 23 microsecondi per fare una qualsiasi operazione.

Il microprocessore è quindi scandalosamente lento in termini odierni. Gira all’equivalente di 0,043MHz. (la frequenza di clock di un Commodore 64 del 1982 è 1,023 MHz, ma per fare un paragone più coerente nel 2012 il computer montato nella sonda Curiosity della Nasa ha un processore a 133 MHz e 120 Mb di RAM, il mio portatile per esempio va a 3GHz). Ogni paragone con un moderno notebook o un cellulare di ultima generazione è quantomeno improvvido.

Un numero è rappresentato utilizzando due parole di 14-bit in doppia precisione (cioè, 28 bit). Il bit 15 e 16 rappresentano rispettivamente segno e parità per la verifica di sincronizzazione con il clock principale. Tutti i calcoli sono fatti in virgola fissa e non in floating-point come siamo abituati sui computer odierni, quindi la precisione nei calcoli è predefinita. Gli errori di troncamento vanno precompensati nelle formule.

Gli strumenti telemetrici e i sensori scrivono direttamente all’interno della memoria. Gli umani invece possono interagire con il sistema attraverso il modulo disky, ovvero la console Display and Keyboard Unit (il codice ufficiale è DSKY). Pesa dieci chili ed ha un tastierino numerico e una serie di tasti speciali per introdurre direttamente parole e comandi nel programma, nonchè un pannello led per leggere i principali valori del sistema.

unità DSKY
L’unità DSKY, che gli astronauti chiamavano affettuosamente disky era la console di input-output del Modulo Lunare. (photo credit: NASA)

Il sistema operativo

Con tutte queste limitazioni i programmatori del MIT riescono a
mettere dentro l’AC un completo sistema operativo real-time e un programma applicativo, chiamato Luminary. Il tutto è in grado di riprendersi da eventuali errori, una caratteristica che è alla base del successo della missione.

Il programma è addirittura multitasking basato su interruzioni temporizzate, cioè ad un certo punto il programma si blocca e per un po’ di tempo passa a fare qualcosa di più importante, poi ritorna a fare quello che stava facendo. C’è una coda dei task residui ordinati in modo da poter sempre scegliere il lavoro più urgente da trattare. Se una cosa diviene poco importante viene semplicemente trascurata.

modello del PGNS
Il modello del PGNS, il Sistema di Guida e Navigazione Primaria

La memoria cancellabile è poca e viene usata in modo differente a seconda del lavoro in corso. Quando Peter Adler spiegò il funzionamento del programma disse candidamente che la stessa locazione contenente ad esempio l’altitudine al suolo lunare, poteva in una fase successiva aver contenuto la lettura del sestante di una stella per l’allineamento della navigazione proveniente dal programma di allineamento.

«Alcune locazioni furono condivise fino a sette volte in fasi diverse e si può ben immaginare i test che abbiamo dovuto fare per assicurarci che la stessa locazione di memoria non fosse utilizzata da più di un sottoprogramma alla volta nella stessa fase».

Caratteristica dell’AC è la possibilità di mantenere in memoria le informazioni fondamentali anche durante un crash del sistema. Uno dei vantaggi dei nuclei di ferrite. I due programmi che gestiscono la schedulazione dell’Apollo sono il programma esecutivo (Executive) e la lista d’attesa (Waitlist).

La Waitlist gestisce fino a nove task brevi con tempi di esecuzione minori di quattro millisecondi, task più lunghi passano nell’Executive che ne gestisce sette. Con un ciclo di 20 secondi l’Executive controlla la lista a priorità dei lavori e sostituisce il lavoro in esecuzione con uno più importante se disponibile. In questo modo i task critici vanno sempre in esecuzione in tempi certi anche se il sistema va in fault o necessita di un reboot.

Per il debugging, i programmatori del MIT avevano avuto a disposizione un mainframe IBM 360 modello 175 programmato come un simulatore di modulo lunare. Allan Klumpp e suoi colleghi testarono il software su questo simulatore che forniva gli stimoli al programma come un vero modulo lunare. L’output non erano altro che stampe e schede perforate.

Nel vero modulo lunare, il computer di bordo ha invece un display digitale e una tastiera, a quei tempi non se ne trovano molte direttamente collegate ai computer. Durante l’atterraggio, il display emette una serie di informazioni. Il Pilota, che è a destra del display, deve solo leggere i valori sul display senza toccare il computer. Il Comandante di missione, alla sinistra del DSKY, usa i controlli, ma può vedere le informazioni sul display solo riflesse sulla finestra d’uscita del modulo da cui è visibile anche il punto d’atterraggio.

Il Comandante può spostare il punto d’atterraggio in caso di necessità usando i comandi manuali. Questo è esattamente quello che avviene quando Armstrong decide che non è il caso di rischiare di atterrare in un cratere con rocce della dimensione di un’automobile. Per questa modifica del piano di volo il modulo atterra sulla Luna con meno di 30 secondi di carburante.

Dei due comandi manuali a disposizione del Comandante il primo sposta il punto d’atterraggio di un grado nelle varie direzioni, il secondo varia la velocità d’atterraggio di un piede al secondo.

Il centro di controllo di Huston
Il centro di controllo di Huston

“Qui Base della Tranquillità. Eagle è atterrato”

Neil Armstrong: “Houston, qui Base della tranquillità. L’Eagle è atterrato”, la storica frase pronunciata dal comandante dell’Apollo 11 il 20 luglio 1969 nel momento in cui il modulo ha toccato il suolo lunare. L’equipaggio della missione era composto da Neil A. Armstrong comandante, Michael Collins pilota del modulo di comando, Buzz Aldrin pilota del modulo lunare e tutti avevano già compiuto almeno un volo spaziale.

L’equipaggio di riserva designato era formato da James A. Lovell comandante, William A. Anders pilota del modulo di comando, Fred W. Haise pilota del modulo lunare. Il modulo di comando fu chiamato Columbia, in omaggio al gigantesco cannone che nel romanzo di Jules Verne Dalla Terra alla Luna del 1865 sparava la navicella verso la Luna.

Il LEM invece fu chiamato Eagle (Aquila), l’uccello simbolo degli Stati Uniti ed emblema della missione. Apollo 11 fu la missione spaziale che portò gli uomini sulla Luna per la prima volta il 20 luglio 1969 alle ore 20:18. Armstrong sbarcò sei ore dopo l’allunaggio, il 21 luglio alle ore 02:56 dove rimase per due ore e mezza raccogliendo circa 21 chilogrammi di materiale che riportarono a Terra. Michael Collins rimase in orbita lunare, pilotando il modulo di Comando che riportò gli astronauti a casa. La missione terminò il 24 luglio, con ammaraggio nell’Oceano Pacifico.

Orma Luna

Lanciata da un razzo Saturn V dal Kennedy Space Center piattaforma 39A, il 16 luglio, Apollo 11 fu la quinta missione con equipaggio del programma Apollo della NASA. La navicella spaziale Apollo era costituita da tre parti: un Modulo di Comando (CM) che ospitava i tre astronauti ed era l’unica parte che rientrava a Terra, un modulo di servizio (SM), che forniva il modulo di comando di propulsione, energia elettrica, ossigeno e acqua, e un Modulo Lunare (LM) per l’atterraggio sulla Luna. Il lancio dell’Apollo 11 fu seguito, oltre che dalle migliaia di persone che affollavano le autostrade e le spiagge vicino alla base di lancio, da milioni di spettatori televisivi.

Il Presidente Richard Nixon assistette all’evento dallo Studio Ovale della Casa Bianca. Dopo un’orbita e mezza, il motore PWR J-2 del terzo stadio S-IVB spinse la navetta sulla sua traiettoria verso la Luna grazie alla manovra Trans Lunar Injection (TLI) iniziata alle 16:22:13.

Circa 30 minuti più tardi la coppia modulo di comando/modulo di servizio si separarono dall’ultimo stadio del saturno V e compirono la manovra per agganciarsi al Modulo Lunare rimasto ancora nel suo adattatore posto in cima al terzo stadio. Dopo che il Modulo Lunare fu estratto, il veicolo spaziale combinato continuò il suo viaggio verso la Luna, mentre il terzo stadio ormai abbandonato fu messo in un’orbita eliocentrica.

Eagle Apollo 11

Il 19 luglio alle 17:21:50 Apollo 11 passò dietro la Luna e accese il motore in servizio per entrare in orbita lunare. Nelle trenta orbite che seguirono l’equipaggio ebbe modo di osservare il luogo previsto per il loro atterraggio nel sud del Mare della Tranquillità a circa 19 km a sud-ovest del cratere Sabine D. Il sito di atterraggio era stato scelto in parte perché era ritenuto avente una conformazione relativamente piatta e liscia grazie alle rilevazioni delle sonde automatiche Ranger 8 e Surveyor 5 e perciò non presentava grandi difficoltà nell’allunaggio e nella attività extraveicolari.

Il 20 luglio il modulo lunare “Eagle” venne separato dal modulo “Columbia” mentre Armstrong e Aldrin scendevano sulla superficie. Eagle dopo aver acceso il motore per iniziare la discesa ci fu un guasto dovuto all’esaurimento di tutta la memoria del computer di bordo, causato da un errore dell’equipaggio. Guasto poi risolto con il supporto di Huston.

Sei ore e mezza dopo aver toccato il suolo, alle 2:57 16:57 italiane, Armstrong compì la discesa sulla superficie e fece il suo grande passo per l’umanità. Aldrin lo seguì. Mentre scendeva la scaletta di nove gradini, Armstrong tirò l’anello che schierò il Modular Equipment Stowage Assembly (MESA) contro il lato dell’Eagle attivando la telecamera della TV.

Le prime immagini vennero ricevute al “Goldstone Deep Space Communications Complex” negli USA, ma quelle con miglior definizione si videro a Honeysuckle Creek in Australia. Qualche minuto più tardi le immagini furono mandate anche nel normale circuito televisivo, grazie al radiotelescopio del Parkes Observatory in Australia. Le prime immagini in bianco e nero di un uomo sulla Luna vennero viste in diretta da almeno 600 milioni di persone nel mondo.

Dopo una breve descrizione della superficie “very fine grained… almost like a powder…”, “una grana molto fine… quasi come polvere”, Armstrong fece il suo primo passo fuori dall’Eagle e diventò il primo uomo a camminare su un altro corpo celeste. Commentò che muoversi nella gravità lunare, circa un sesto di quella terrestre, era molto più facile che nelle simulazioni effettuate prima del lancio e che l’ideale per spostarsi era “saltare” e non camminare come sulla Terra.

Eagle Luna 1969

Oltre che essere la concretizzazione del sogno di John F. Kennedy di vedere un uomo sulla Luna prima della fine degli anni sessanta, l’Apollo 11 fu un test per tutte le missioni successive Apollo; quindi Armstrong scattò le foto che sarebbero servite ai tecnici sulla Terra a verificare le condizioni del modulo lunare dopo l’allunaggio. Successivamente raccolse il primo campione di terreno lunare, lo pose in una busta che mise nell’apposita tasca della sua tuta.

Aldrin raggiunse Armstrong sulla superficie lunare e testò i metodi migliori per muoversi, compreso il cosiddetto salto del canguro. Correre a passi lunghi divenne il metodo per spostarsi preferito dai due astronauti. Aldrin e Armstrong riferirono che dovevano programmare i movimenti da compiere sei o sette passi prima. Il terreno molto fine era anche particolarmente sdrucciolevole.

Gli astronauti piantarono insieme la bandiera degli Stati Uniti, ma la consistenza del terreno non permise di inserirla per più di 20 centimetri. Armstrong si allontanò a grandi passi di circa 120 metri dal Modulo Lunare per fotografare il Cratere Orientale mentre Aldrin iniziò la raccolta di materiale lunare. Usò il martello geologico, e questa fu l’unica situazione in cui venne usato dall’Apollo 11.

Quel giorno sulla Luna. Documentario

Gli astronauti iniziarono la raccolta di rocce lunari con le palette, ma poiché l’operazione richiedeva molto più tempo del previsto, furono costretti ad abbandonare il lavoro a metà dei 34 minuti previsti. Aldrin rientrò nell’Eagle per primo. Con non poche difficoltà, gli astronauti caricarono i film e due sacchi contenenti più di 22 kg di materiale lunare dallo sportello del Modulo Lunare, grazie ad un sistema a puleggia chiamato “Lunar Equipment Conveyor”. Poi Armstrong saltò sulla scaletta ed entrò nel LM.

Dopo il trasferimento al Modulo di supporto vitale dell’LM, gli astronauti alleggerirono il modulo gettando fuori i PLSS, le scarpe lunari, una fotocamera Hasselblad ed altra apparecchiatura ed accesero il motore di ascesa per rientrare in orbita. Completata l’ascesa, spensero il motore e raggiunsero Michael Collins a bordo del CM Columbia che si trovava in orbita lunare.

I due moonwalkers lasciarono sulla Luna apparecchiature scientifiche quali un prisma retroriflettente usato per l’esperimento Lunar Laser Ranging. Lasciarono, inoltre, una bandiera americana e una placca con i disegni dei due emisferi terrestri, un’iscrizione, le firme degli astronauti e del presidente Nixon. L’iscrizione recita:

“Here Men From Planet Earth First Set Foot Upon the Moon, July 1969 A.D. We Came in Peace For All Mankind” “Qui uomini dal pianeta Terra fecero il primo passo sulla Luna Luglio 1969 d.C.. Siamo venuti in pace per tutta l’umanità”.

allunaggio

Il LM venne rilasciato dopo che i due astronauti si trasferirono sul Columbia. Il LM restò in orbita lunare e si presume che si sia schiantato sul suolo lunare entro un intervallo di tempo da 1 a 4 mesi. I tre astronauti ritornarono sulla Terra il 24 luglio, accolti come eroi. Il punto dell’atterraggio in mare fu a 13° 19′ N, 169° 9′ W, cioè 380 km a sud dell’Atollo Johnston e 24 km dalla nave di recupero, la USS Hornet. I 5 motori F-1 del razzo Saturn V sono stati ritrovati da una spedizione privata finanziata da Jeff Bezos, fondatore di Amazon.com, la cui intenzione è di recuperarne almeno uno da mettere pubblicamente in mostra.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. My Fascinating Interview with Allan Klumpp di Stanley R. Mohler, Jr. (Dec ’94) in sci.space.tech
  2. Apollo Expeditions to the Moon, edited by Edgar M. Cortright, NASA SP; 350, Washington, DC, 1975 Apollo Lunar Surface Journal
    http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/alsj
  3. Richard Nxon in onore degli astronauti dell’Apollo 11. August 13, 1969
    http://www.presidency.ucsb.edu/ws/index.php?pid=2202&st=&st1=)
  4. The Lunar Module Computer
    http://www.abc.net.au/science/moon/computer.htm
  5. Apollo 11: The computers that put man on the moon by Cliff Saran
    http://www.computerweekly.com/Articles/2009/07/17/236650/apollo-11-the-computers-that-put-man-on-the-moon.htm
  6. “Landing Apollo via Cambridge” By Don Eyles
    http://web.mit.edu/newsoffice/2009/apollo-eyles-0717.html
  7. Tales from the Lunar Module Guidance Computer by Don Eyles
    http://www.doneyles.com/LM/Tales.html

 

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