Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in Verlässlichkeit und Computermissbrauch. Das Apollo-Programm ( )

Transkript

1 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 1/59 Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in Verlässlichkeit und Computermissbrauch Das Apollo-Programm ( ) Teil 3: Die Apollo-Missionen Prof. Dr. Felix Freiling Vorlesung im Sommersemester 2006 Universität Mannheim

2 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 2/59 Ankündigungen Was in dieser Vorlesung leider nicht besprochen werden kann (aber in der nächsten): Weitere Details zum Apollo-Computer: verb/noun-system [Tom88, p. 57ff]. Entwicklung der Apollo-Software [Tom88, p. 40ff]. Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie [All00, p. 161]. Bahnberechnungen/Bahnübergänge [All00, Ch. 4]. Rolle von Simulatoren. Lunar Roving Vehicle [All00, Ch. 6.5]. Literatur lesen!

3 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 3/59 Rückblick und Ausblick Apollo-Missionsplanung: späte Entscheidung für LOR. Überblick über Apollo-Systeme. Kommandokapsel (Command Module, CM). Service-Modul (Service Module, SM). Heute: Mondlandefähre (Lunar Module, LM). Die Apollo 1-Katastrophe. Schnelldurchlauf von Apollo 7 bis Apollo 17.

4 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 4/59 Buchempfehlung Michael Light: Full Moon, Aufbruch zum Mond. Neuauflage 2002, nur ca. 20 EUR.

5 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 5/59 Lunar Module (LM) Erstes wirkliches Raumschiff (ausschließlich im Weltall-Vakuum benutzt). LM war Problemkind von Apollo: Ein Jahr verspätet fertig. Hauptprobleme: Gewicht! Antriebe für Landung und Start (müssen 100%ig funktionieren). LM war vermutlich die größte technische Herausforderung an die Ingenieure. Idee: Trennung von Landungs- und Wiederaufstiegsmodulen. Gesamthöhe: 6, 99 m, Diagonale zwischen Landebeinen: 9, 45 m, Startgewicht: 14, 5 Tonnen

6 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 6/59 LM Designs: 1962 bis 1967 Quelle:

7 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 7/59 Entwicklung [All00, Ch. 6] Erste Entwürfe: wie ein Hubschrauber mit großen Glasflächen, damit die Piloten etwas sehen können. Glas muss dick sein, wird zu schwer, zuviel Wärmeverlust. Radikales Umdenken erforderlich: Keine Sitze (wofür auch), Piloten fliegen im Stehen. Fenster, die in die Kabine abstehen für gute Sicht bei der Landung.

8 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 8/59 Aufbau des LM Quelle:

9 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 9/59 Quelle:

10 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 10/59 Quelle:

11 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 11/59 Quelle:

12 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 12/59 Details [All00, p. 192] Kabine hatte auf Augenhöhe Durchmesser von 2, 3 m. Von oben ragt der Dockingtunnel 40 cm in die Kabine. Von unten ragt der Raketenmotor der Aufstiegsstufe bis Kniehöhe. Sehr eng! Bei den ersten Missionen mußten die Astronauten dauernd ihre Raumanzüge anbehalten. Entwurf der Docking/Ausstiegsluke. Erste Planung: Zwei Docking-Anschlüsse: oben (für Flug zum Mond), vorne (für zweites Docking im Mondorbit). Luke vorne, weil man ja beim Docking etwas sehen musste. Später: nur eine Docking-Luke oben (plus Deckenfenster für Sicht). Große, quadratische Ausstiegsluke vorne.

13 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 13/59 Antrieb der Aufstiegsstufe Zuverlässigkeit des Antriebes: Ursprüngliches Design: 4 Tanks (2 Treibstoff, 2 Oxydator) um das Triebwerk verteilt. Vorteil: Treibstoff kann ausbalaciert werden, bessere Flugeigenschaften. Nachteil: Verlegung der Leitungen wird sehr komplex und fehleranfällig. Entscheidung für 2 Tanks: Treibstoff wiegt aber mehr als Oxydator. Tank muß weiter vom Schwerpunkt des Raumschiffes entfernt angebracht werden (ergibt den charakteristischen Auswuchs ). Gewichtsersparnis: 45 kg Wahl des Antriebes: Hypergolische Treibstoffe

14 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 14/59 Apollo 17 LM (NASA #AS )

15 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 15/59 Details zur Landung Raketenmotor der Landungsstufe bremst das LM ab, LM fällt auf niedrigeren Orbit. Erneutes Feuern des Motors bringt LM auf einen Landekurs. Landung konnte vollständig vom Computer geflogen werden. Ablauf: Flug gekippt nach vorne : Wahl des Landegebietes. Drehung auf den Rücken. Abbremsen des LM auf Geschwindigkeit 0. Aufstellen des LM durch RCS. Anflug mit Sicht durch die Piloten nach vorne (Auswahl des Landepunktes). Motor aus, sobald Fühler den Boden berühren. Während der Landung fliegt der Mission Commander. Lunar Module Pilot als Backup und Datenfütterer. Lunar Landung Training Vehicle zum Testen auf der Erde (sehr instabil): the flying bedstead.

16 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 16/59 Lunar Landing Training Vehicle Lunar Landing Training vehicle piloted by Neil Armstrong during training on June 16, Source: NASA #S

17 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 17/59 Apollo Missionen (Überblick) Im Herbst 1965 legt NASA die Missionsplanung fest: A- und B-Missionen: unbemannte Tests der Saturn V C-Missionen: bemannte Tests der Kommandoeinheit. D- und E-Missionen: bemannte Tests der gesamten Apollo-Konfiguration inklusive LM in Erdumlaufbahn. F-Missionen: Generalprobe der Mondlandung im Mondorbit. G-Missionen: bemannte Mondlandungen.... J-Missionen: wissenschaftliche Erforschung des Mondes. Methodische, inkrementelle Schritte; Standard bei Flugzeugtests.

18 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 18/59 Unbemannte Tests AS-201 (Apollo/Saturn) am 26. Februar Zweistufige Saturn mit CM und SM. Test der Systeme und der strukturellen Integrität. AS-202 am 25. August 1966: Ähnlich wie AS-201, insbesondere aber Test des Hitzeschildes. AS-203 am 5. Juli 1966: Test der dritten Stufe im Orbit.

19 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 19/59 Apollo 1 Geplant für Februar 1967: erster bemannter Test der Apollo/Saturn-Konfiguration. Am 27. Januar 1967 entsteht bei einem simulierten Countdown ein Feuer in der Kommandokapsel. Kapsel ist mit reinem Sauerstoff gefüllt. Funken durch Kurzschluß führt zu Schwelbrand von (sonst) nur schwer brennbaren Materialien. Virgil Grissom, Edward White, und Roger Chaffee ersticken kurz nach Ausbruch des Feuers. Ausführlicher Apollo 204 Review Board Report:

20 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 20/59 Apollo 1: Analyse Katastrophe entstand aus dem Zusammenspiel mehrere Faktoren: Druckkabine gefüllt mit reinem Sauerstoff. Entflammbare Stoffe in der Kapsel. Verletzliche Drähte mit Strom. Verletzliche Rohre des Kühlsystems (enthält ebenfalls entflammbares Kühlmittel). Unzureichende Fluchtmöglichkeiten für die Besatzung. Generell unzureichende Rettungsmöglichkeiten.

21 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 21/59 Folgen von Apollo 1 [All00, p. 154f] Nicht nur technische Unzulänglichkeiten werden moniert: Management und Entwicklung haben bestimmte Risikofaktoren nicht ernst genug genommen (im Angesicht des nahenden Endes der Dekade). Feuerrisiken in einer reinen Sauerstoffumgebung mit Überdruck (darin brennt fast alles)! Fehlendes Konfigurationsmanagement. Die Kapsel war so oft verändert worden, dass niemand mehr genau wusste, in welcher Konfiguration sie war!

22 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 22/59 Folgen von Apollo 1 [All00, p. 154f] Tragödie führt zu einer kompletten Neubetrachtung aller Apollo-Komponenten, inklusive der Mondlandefähre. Entflammbare Materialien so weit möglich entfernt. Testprozeduren wurden verschärft. Einstiegsluke wird komplett neu entworfen. Vorher kombinierte Luke: ein Teil öffnet nach innen, ein Teil nach aussen. Nachher: eine Luke mit Notöffnung, die nach aussen öffnet. Arbeitsverhältnis zwischen Astronauten und Ingenieuren wird neu definiert. Apollo 1 verstärkt am Ende die Hingabe aller Beteiligten.

23 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 23/59 Apollo 1 Crew Apollo 1 prime crew: White, Grissom, Chaffee. Source: NASA #S

24 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 24/59 Apollo 1 CM (NASA #S )

25 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 25/59 Weitere unbemannte Tests Apollo 4 am 9. November 1967: Test der kompletten dreistufigen Saturn/Apollo-Konfiguration (ohne LM) im Orbit. Fotos von der Erde durch eine automatische Kamera im CM. Apollo 5 am 22. Januar 1968: Erster Test des LM im Orbit mit einer zweistufigen Saturn V. Apollo 6 am 4. April 1968: Letzter Test der vollständigen Saturn/Apollo-Konfiguration. Probleme mit instabilen Antrieben (pogo).

26 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 26/59 Hitzeschild Apollo 4 Charred heat shield of Apollo 4 CM. Source: NASA #S

27 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 27/59 Apollo Oktober 1968 (Schirra, Eisele, Cunningham). Erster bemannte Raumflug nach dem Apollo 1-Unglück. Test der gesamten Apollo-Konfiguration (ohne LM) für 10 Tage im Orbit mit einer zweistufigen Saturn.

28 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 28/59 Apollo 7 Astronauts Schirra and Eisele seen in first live television transmission on Oct 14, Source: NASA #S

29 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 29/59 Apollo 8 [All00, p. 163f] Startzeitplan kommt in Schwierigkeiten: Apollo 8 sollte das LM im Erdorbit testen, aber noch war kein funktionsfähiges LM verfügbar. Komplexität der Missionen läßt eine engere Startfolge nicht zu. Nachdem Apollo 7 alle sonstigen Systeme genug getestet hatte, was blieb für Apollo 8 noch zu tun? Idee: Apollo 8 ist fit für den Mond. Die Möglichkeit der Mondumrundung in Apollo 8 einbauen, falls Start gut verläuft.

30 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 30/59 Entscheidung für den Mond Im August 1968 waren viele NASA-Manager (auch Administrator Webb) skeptisch bezüglich einem direkten Mondflug mit Apollo 8. Ein weiterer Fehlschlag nach dem Apollo 1-Feuer hätte das gesamte Programm scheitern lassen können. Funktion des LM als Rettungsboot für das CSM war in die Sicherheitsplanungen von Anfang an einbezogen worden. Im September 1968 kommen die Russen zur Hilfe : Die Sonde Zond 5 umrundet ein Mal den Mond und kehrt wohlbehalten zur Erde zurück. An Bord: zwei Schildkröten. Von Schildkröten zu Kosmonauten ist der Schritt nicht so groß. Eine erste Mondumrundung durch die Russen hätte die amerikanischen Mondlandungen in den Schatten gestellt. NASA entscheidet sich für den Mond.

31 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 31/59 Erster Flug zum Mond Apollo 8: 21. bis 27. Dezember 1968 Am 23. Dezember verlassen Frank Borman, Jim Lovell und Bill Anders als erste Menschen das Gravitationsfeld der Erde. Erster Start der kompletten Saturn V/Apollo-Konfiguration. Spektakuläre Mondumrundung. Kartierung möglicher Landeplätze. TV-Übertragung am Weihnachtsabend 1968 aus einer Mondumlaufbahn. 1968: Vietnam-Krieg eskaliert, Martin Luther King wird ermordet.

32 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 32/59 Earthrise View of rising Earth about five degrees above the Lunar horizon for Apollo 8 taken by Bill Anders. Source: NASA #AS

33 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 33/59 Sea of Tranquility Sea of Tranquility seen by Apollo 8. The three prominent craters are Taruntis F in the lower right corner, Taruntis E in the center, and Cauchy between the two linear features. Source: NASA #AS

34 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 34/59 Apollo 9 3. bis 13. März 1969 (McDivitt, Scott, Schweickart). Erster Test des LM im Erdorbit. Trennung, Rendezvous und Docking.

35 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 35/59 Key Events in Apollo 9 (NASA #S )

36 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 36/59 LM-3 Lunar Module 3 attached to Saturn V third stage in Apollo 9. Source: NASA #AS

37 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 37/59 LM-3 LM-3 Spider in landing configuration. Note lunar surface probes extending from footpads. Source: NASA #AS

38 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 38/59 Apollo bis 26. Mai 1969 (Cernan, Young, Stafford). Flug der kompletten Saturn/Apollo-Konfiguration zum Mond. Trennung, Rendezvous, Docking im Mondorbit. Simulation eines Landeanfluges auf den Mond und Abbruch in einer Höhe von 9 km. Ausführliche Beobachtung der Mondoberfläche.

39 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 39/59 Apollo 10 (NASA #AS )

40 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 40/59 Apollo bis 24. Juli 1969 (Armstrong, Aldrin, Collins). Erste bemannte Mondlandung am 20. Juli Houston, Tranquility Base here. The Eagle has landed. One small step for man, one giant leap for mankind. 1/5 der Weltbevölkerung sieht zu. Liftoff ca. 20 Stunden später. Komplette Geschichte in [Cha94]: First stage separation: apollo11_launchclip03.mpg Lunar landing: apollo11landing3.mpg A small step for man... : a11v_ mpg Magnificent desolation: a11v_ mpg Phone call by President Nixon: apollo11_onbclip17.mpg Nixon greets homecomers in quarantine container: apollo11_reclip08.mpg Quelle: http: //spaceflight.nasa.gov/gallery/video/apollo/apollo11/html/launch.html Ausführliche Videos zur Landung:

41 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 41/59 Apollo bis 24. November 1969 (Conrad, Gordon, Bean). Verweildauer auf dem Mond: ca. 30 Stunden. Erste wissenschaftliche Erforschung der Geologie des Mondes. Saturn V wird beim Start zwei Mal von einem Blitz getroffen (nach 36 und 52 Sekunden): Stromversorgung fällt aus, wird durch Backup-Batterien aufgefangen. Crew stellt primäre Stromversorgung wieder her. LM wird im Erdorbit neu ausgecheckt vor translunar injection. Test eines pinpoint landing: LM landet in Laufentfernung zur Surveyor 3-Sonde (auf dem Mond gelandet 1967).

42 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 42/59 Apollo 12 (NASA #AS )

43 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 43/59 Apollo bis 17. April 1970 (Lovell, Swigert, Haise). Wahrscheinliche Ursache des Unglücks (nach umfangreichen Tests): Im SM gibt es mehrere Tanks mit füssigem Sauerstoff. Sauerstoff wird regelmäßig umgerührt. Im Tank gibt es Heizspiralen, um Tank zu entleeren. Heizspiralen in einem Tank waren beim Entleeren auf der Erde zu lange eingeschaltet gewesen. Isolation eines Zufuhrdrahtes zu den Quirlen vermutlich beschädigt. Funken beim Einschalten des Quirls. Rückkehr zur Erde mit LM als Rettungsboot (siehe Film).

44 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 44/59 Damaged Apollo 13 SM (NASA #AS )

45 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 45/59 Grumman s Towing Bill

46 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 46/59 Details Item Quantity Description Amount miles Tow, $4.00 1st mile, $1.00 each added $ mile. Trouble call, fast service. 2 1 Battery charge, customer s cables (road $4.05 call, +$.05 KWH) 3 50 lbs Oxygen at $10.00/lb $ Sleeping accomodation for 2, no TV, prepaid AC, with radio, modified American plan, with view 5 Additional guest in room at $8.00 per $32.00 night 6 Water no charge 7... Total $

47 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 47/59 Die Protagonisten Gene Kranz, einer der flight directors. Quelle:

48 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 48/59 Die Crew Apollo 13 crew after splashdown: Fred Haise, John Swigert, Jim Lovell (from left). Source: NASA #S

49 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 49/59 Apollo Januar bis 9. Februar 1971 (Shepard, Roosa, Mitchell). Landeplatz von Apollo 13. Zwei moon walks mit jeweils mehr als 9 Stunden Dauer. Golfschlag und Speerwurf von Alan Shepard.

50 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 50/59 Apollo 14 Apollo 14 Lunar Module photographed against sun glare on lunar surface. A bright trail left in the lunar soil by the two-wheeled Modularized Equipment Transporter (MET) leads from the LM. Source: NASA #AS

51 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 51/59 Apollo Juli bis 7. August 1971 (Scott, Irwin, Worden). Fast 3 Tage auf dem Mond. Erstmals dabei: lunar roving vehicle. Ermöglichte die Erforschung größerer Gebiete (bis zu 5 km vom Landepunkt entfernt. Astronauten wurden in Geologie geschult: Erforschung von Gesteinsschichten, um die Entstehung des Mondes zu erforschen. Hammer und Feder-Experiment: apollo15hammer.mpg

52 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 52/59 Apollo 15 (NASA #AS )

53 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 53/59 Apollo bis 27. April 1972 (Young, Mattingly, Duke). 71 Stunden auf dem Mond, davon 20 Stunden unterwegs. Ken Mattingly bekommt doch noch seine Chance! Fortbewegung auf dem Mond: One-legged kangaroo walk: apollo16boulder.mpg Apollo 16 liftoff (gefilmt von der Kamera auf dem LRV):

54 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 54/59 Salute on Apollo 16 John Young leaps from lunar surface to salute flag. Source: NASA #AS See also: apollo16salute.mpg

55 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 55/59 Apollo bis 19. Dezember 1972 (Cernan, Evans, Schmitt). Erster Wissenschaftler auf dem Mond (Harrison Schmitt). 22 Stunden Exkursionszeit.

56 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 56/59 Apollo 17 Wide angle view of Apollo 17 landing site. Source: NASA #AS

57 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 57/59 Zusammenfassung Letzte Apollo-Landung Dezember Ursprünglicher Plan: Flüge bis Apollo 20, doch politischer Wind dreht sich. J. F. Kennedy wird 1963 erschossen. Johnson tritt 1968 wegen des Vietnamkrieges ab, Nixon wird Präsident. Nach dem Erfolg von Apollo 11 verliert der Großteil der Bevölkerung das Interesse (Ausnahme: Apollo 13) beginnt der Kongress, das NASA-Budget zu kürzen. Ende 1970: NASA kündigt an, dass Apollo 18 bis 20 nicht stattfinden werden. Kürzen der Flüge eher wegen PR [All00, p. 251]: $25 Milliarden waren bereits in Apollo investiert. Alle Raketen und Raumschiffe waren bereits gebaut. Jeder neue Flug kostete nur noch $20 Millionen. Apollo wird geopfert für die Nachfolgemissionen.

58 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 58/59 Ausblick Übergang zu Computerviren und Risiken im Umgang mit dem Computer. Danach: die Anfänge des Space Shuttle. Vorbereitungslektüre [Hep02]. Faszinierend: Buzz Aldrin, Jim Lovell, Eugene Cernan, Gene Kranz und andere berichten über ihre Erfahrungen in den bemannten Raumfahrtprogrammen (Mitschnitte von Radiosendungen).

59 Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006) 59/59 Literatur [All00] Jonathan Allday. Apollo in Perspective: Spaceflight then and now. Institute of Physics Publishing, [Cha94] [Hep02] Andrew Chaikin. A Man on the Moon: The Triumphant Story of the Apollo Space Program. Penguin Books, T. A. Heppenheimer. The Space Shuttle Decision , volume 1 of History of the Space Shuttle. Smithsonian Institution Press, Washington and London, [Kel01] Thomas J. Kelly. Moon Lander: How we developed the Apollo lunar module. Smithsonian, [Tom88] James E. Tomayko. Computers in Spaceflight: The NASA Experience. Number NASA Contractor Report NASA History Office, March 1988.