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Zahlen, bitte! Die Apollo-Mission mit 32 Kilo Bit – einmal Mond und zurück

Mit der Mondlandung gelang der NASA Historisches. Der Apollo Guidance Computer (AGC) trug daran einen maßgeblichen Anteil und war richtungsweisend.

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Zahlen, bitte! Die Apollo-Mission mit 32 Kilo Bit – einmal Mond und zurück

Der Apollo Guidance Computer (AGC) war ein Meilenstein für die Computerentwicklung. Und er brachte nicht nur die Apollo-Mission zum Mond und wieder zur Erde, sondern auch die Landefähre mit zwei Mann Besatzung sicher auf die Oberfläche des Erdtrabanten - und die Astronauten mit Mondgepäck natürlich auch wieder davon zurück.

Der Rechner war knapp 32 Kilo schwer und bildete erstmals überhaupt ein integriertes System mit IC-Technik und digitaler fly-by-wire-Steuerung. Bis das Gerät eingesetzt werden konnte, bedurfte es aber einer enormen Kraftanstrengung aller Beteiligten.

Als US-Präsident Kennedy am 25. Mai 1961 vor den amerikanischen Kongress trat, hatte er große Pläne im Gepäck. Die Pioniertaten der russischen Raumfahrt vom Sputnik, dem ersten Satelliten in einer Erdumlaufbahn im Jahr 1957, bis zu Juri Gagarin, dem ersten Menschen im All nur wenige Wochen vor Kennedys Auftritt, setzten die amerikanische Nation in ihrem Selbstverständnis als Führungsnation unter Druck.

In seiner Rede zur Lage der Nation kündigte er daher mit der bemannten Mondlandung noch im gleichen Jahrzehnt ein ehrgeiziges Vorhaben an, das der USA endlich die Vorherrschaft in der Raumfahrt sichern sollte. Das Ziel war gesetzt – der Weg dahin noch nicht. Denn bis auf ein paar grobe Studien war noch gar nicht klar, wie die Umsetzung aussehen sollte. Es mussten unter enormen Zeitdruck Technologien erforscht und zur praktischen Anwendung entwickelt werden. Koste es, was es wolle.

Einer der wichtigsten Aspekte betraf die Navigation zum Mond. Daher ging der erste Auftrag des Apollo-Programms an das MIT Instrumentation Laboratory für die Entwicklung eines Navigationssystems zum Erdtrabanten. Die Planer unter der Leitung von Charles Stark Draper (der bereits Erfahrungen mit der von ihm entwickelten gyroskopischen Steuerung einbrachte) mussten dabei sehr viel Pionierarbeit leisten.

Die Computer in Apollo-Raumkapseln (5 Bilder)

Die Dsky-Benutzerschnittstelle des Apollo Guidance Computer (AGC) als eine von zwei  im Kommandomodul.

Ihnen war jedenfalls schnell bewusst, dass sie Rechentechnik vor Ort benötigten, da sich beispielsweise eine Landefähre auf der erdabgewandten Seite nicht von der Erde aus steuern ließ. Außerdem wollte man gegen mögliche Störaktionen der Sowjets gewappnet sein. Ein Rechner durfte dabei nicht zu schwer werden, sollte aber auch genug Ressourcen bereitstellen, um alle an ihn gerichteten Aufgaben erfüllen zu können. Diese Technik gab es zuvor noch nicht und musste komplett neu entwickelt werden.

Zum Start von Apollo 11 am 16. Juli 1969 gab es verschiedene miteinander vernetzte Computersysteme. Der Real-Time Computer Complex (RTCC) bestand aus mehreren IBM-360-Mainframes und war hauptsächlich für die komplizierten Berechnungen der Umlaufbahnen verantwortlich. Er schickte von der Erde aus die Daten per Funk an die Apollo-Systeme weiter. Der Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) war die Steuerungseinheit für die Saturn-V-Rakete, maßgeblich vom Start bis zur Erdumlaufbahn. Am Wichtigsten war innerhalb der Apollo Raumschiffe der Apollo Guidance Computer (AGC), der in zwei Varianten dabei war:

Eine Variante des AGC bestand aus dem Command Guidance Computer (CGC) im Kommandomodul für die Navigation bis zur Mondumlaufbahn und zurück. Der CGC musste die Signale der Gyroskop-Steuerung verarbeiten, aber auch die Position des Raumfahrzeugs anhand von Referenzhimmelsobjekten wie Sterne und Planeten abgleichen, um die Bahn ggf. zu korrigieren. Er sammelte permanent Flugdaten und kommunizierte mit der Bodenstation, empfing Navigationsdaten und überprüfte diese.

Der zweite AGC werkelte als Lunar Module Guidance Computer (LGC) in der Mondlandefähre und war primär für die sichere Landung auf dem Mond und das Rendezvous mit dem Kommandomodul mit der Rückkehr der Aufstiegsstufe verantwortlich.

Beide Systeme unterschieden sich prinzipiell nur in der Software, die Hardware bestand bei Apollo 11 aus 2800 IC mit jeweils zwei NOR-3-Gattern als Prozessor, Ringkernspeicher als RAM und Core Rope Memory als ROM. Außerdem waren die AGC Bestandteil des Primary Guidance, Navigation and Control System (PGNCS), das die Navigation unabhängig von Vebindungsabbrüchen sicherstellen sollte. Ursprünglich geplant war eine vollautomatische Steuerung und Navigation, was aber bei den Astronauten auf Ablehnung stieß, da man sich nicht blind auf die Technik verlassen wollte.

Die erste Mondlandung (15 Bilder)

Der Start

Am 16. Juli 1969 hatte eine Saturn V die drei Astronauten in Richtung Mond geschossen.
(Bild: NASA)

Der Quarzoszillator lief mit einer Taktfrequenz von 2,048 MHz, welche durch 2 geteilt wurde um die internen Operationen mit 1,024 Mhz abzuarbeiten. Dieser Takt wurde ebenfalls durch 2 geteilt, um mit 512 kHz die externen Systeme anzusteuern.

Das schlichte 32-Bit-Wortspiel in der Überschrift bezieht sich übrigens tatsächlich auf das Gewicht des AGC; das ROM selbst vermochte 36.864 16-Bit-Worte (14 Bit Daten + 1 Vorzeichenbit, 1 Prüfbit) zu speichern, das RAM wiederum 2048 Worte.

Das ROM arbeitete nicht über magnetische Zustände von Kernen, sondern über Drähte, die mehrfach entweder in Ringkerne herein- oder vorbeigeführt wurden (Ein Draht in den Kern hinein entsprach dabei einer logischen 1, am Kern vorbei einer logischen 0). Das sogenannte Core Rope Memory erforderte zwar einen enormen Aufwand und Genauigkeit in der Produktion, bot aber dafür auch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen – Ideal für eine Raketenmission.

Die Mathematikerin Margaret Hamilton (hier mit dem Ausdruck des AGC-Quellcodes) kam eher durch Zufall zum Apollo-Programm, übernahm aber bald die Leitung des Entwicklerteams. Unter ihrer Führung entwarfen die Entwickler ein prioritätengesteurtes Multiprozesssystem, das dank eines zuverlässigen Designs die Mondlandung sicher und stabil gestaltete.

Die Software (in Assembler geschrieben) sollte eine Schlüsselrolle einnehmen. Dabei war dafür zunächst kein eigenes Budget geplant. Unter der Führung von Mathematikerin Margaret Hamilton (erst eher durch Zufall zum Apollo-Programm gekommen, übernahm aber bald die Leitung des Entwicklerteams) entwarfen die Entwickler ein prioritätengesteuertes Multiprozesssystem, das dank eines zuverlässigen Designs die Mondlandung sicher und stabil gestaltete.

Display and Keyboard (DSKY) hieß die Benutzerschnittstelle, mit der die Astronauten den Computer über Eingabeparameter "Verb – Noun – Enter“ für die damalige Zeit enorm konfortabel steuern konnten. Das Betriebssystem "Executive“ ermöglichte mit Scheduling über kooperativem Multitasking bis zu 8 Prozesse gleichzeitig (einer davon als Leerlaufprozess). Mit der Night Watchman-Funktion war sogar eine preemptive Überwachung eingebunden, die blockierende Prozesse einfach via Restart erneuerte. Dank Restart-Tables waren dabei die bisher berechneten Daten nicht komplett verloren und der Rechner arbeitete fast ohne Verzögerung weiter.

Diese prioritätengesteuerte Systemarchitektur (von Computeringenieur J. Halcombe Laning erdacht) sollte ihre wichtigste Bewährungsprobe ausgerechnet wenige Minuten vor der geplanten Landung von Apollo 11 bestehen. In den letzten Minuten vorm Aufsetzen des Landemoduls auf der Mondoberfläche meldete der AGC einen 1202 Alarm. Die Ursache lag an dem fälschlich arbeitenden Rendezvous-Radar, welcher den Rechner mitten im Landevorgang mit nutzlosen Daten speiste, statt im Standby zu harren.

Eine Fehlersuche zum denkbar ungünstigsten Zeitpunkt – schließlich war man kurz vor der Landung. Guidance Officer Steve Bales reagierte am Schnellsten und gab innerhalb weniger Sekunden dem Missionsleiter zu verstehen, dass es kein schwerwiegender Fehler sei.

Bales hatte sich nach umfangreichen Tests die Fehlercodes aufgeschrieben und deren Konsequenzen. Der 1202 - Alarm war ein "executive overflow – no core sets". Damit signalisierte der Computer, dass er ausgelastet war und die niederpriorisierten Tasks nun verwerfen wird. Auch der kurz darauf folgende 1201-Alarm war ebenso ungefährlich.

Mit der Übernahme des Steuerknüppels, weil die vorgesehene Landestelle sehr uneben war, bewies Armstrong zudem das Funktionieren der fly-by-wire-Steuerung unter Teilautomatik.

Die spannende letzte Phase der Apollo 11-Mondlandung. Am Anfang hört man den Dialog zum 1201 Alarm.

Die Landung war ein voller Erfolg. Steve Bales erhielt sogar für seine schnelle Unbedenklichkeitserklärung angesichts der Fehlermeldungen eine Medaille, stellvertretend für das gesamte Bodenpersonal.

Die 1202/1201-Alarme wurden als Computerfehler abgetan, dabei haben sie einen Ablauffehler erfolgreich abgefangen. Daher geriet die Leistung des besonderen Computersystems unter der Entwicklung von Margaret Hamilton fast in Vergessenheit. Erst 2003 besann sich die NASA auf ihren Anteil am Gelingen der Apollo-Missionen und zeichnete sie mit dem Exceptional Space Act Award aus.

Der Quellcode des AGC (mit herrlich nerdigen Kommentierungen der Entwickler) wurde bereits veröffentlicht. Und mittlerweile lässt sich dieser Meilenstein der Computertechnik, der als integriertes System alle nachfolgenden Entwicklungen beeinflusst haben dürfte (das fly-by-wire-System sogar direkt beim Space Shuttle und auch im Flugzeugbereich) auch online nachspielen. (Markus Will) / (jk)

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