Berechnungen, für die Apollo-Astronauten von Hand trainiert wurden, wenn der Leitcomputer und/oder die Daten- und Kommunikationsverbindung zur Erde verloren gehen?

Entschuldigung, dass es so lange gedauert hat, eine Antwort zu posten. Ich habe den letzten Tag damit verbracht, diese Frage zu recherchieren, über zwei Dutzend PDFs (mindestens 1000 Seiten Material) und das Flugtagebuch von Apollo 13 (das leider unvollständig ist) zu lesen.

Es kann gar nicht genug betont werden, wie wichtig die Leitcomputer für die Führung und Navigation waren. Jedes "normale" Verfahren verwendet sie direkt. Ihr Versagen wurde berücksichtigt, und der Notfallplan stützte sich auf die Kommunikation mit der Missionskontrolle.

Ebenso war die Kommunikation mit der Missionskontrolle unerlässlich. Der Notfallplan für seinen Ausfall bestand darin, Backup-Programme in den Leitcomputern für wesentliche Flugänderungen zu verwenden und die Kommunikation so schnell wie möglich wiederherzustellen.

Weitere Einzelheiten finden Sie weiter unten.

1. Beginnen wir mit dem Bild in der Frage:

   058:04:03 Lovell: Houston. Okay. Ich möchte, dass Sie meine Arithmetik noch einmal überprüfen, um sicherzustellen, dass wir eine gute grobe Ausrichtung haben. Der Roll-CAL-Winkel betrug minus 2 Grad. Die Winkel des Befehlsmoduls waren 355,57, 167,78, 351,87. [Pause.]

   [Diese Phase im LM-Aktivierungsprozess wurde im Apollo 13-Film dramatisiert. Fred hat die drei Kardanwinkel von der IMU des CSM, die für das Koordinatensystem des CSM-Raumfahrzeugs relevant sind. Er muss sie etwas rechnen, um sie an das Koordinatensystem des LM-Raumfahrzeugs anzupassen. Diese Summen beinhalten die Berücksichtigung des Andockindexwinkels von 2 Grad. Angesichts des Stresses der Situation, in der sich die Crew befindet, ist es klug von Fred, die vielen Köpfe in der Missionskontrolle zu bitten, zu überprüfen, was ansonsten einfache Arithmetik ist.]

   https://history.nasa.gov/afj/ap13fj/09day3-lifeboat.html

   Die Berechnung ist eine Drehung von einem Koordinatensystem (dem CSM) zu einem anderen (dem LEM). Dies ist eine Berechnung, die ein Student im Grundstudium in einer Klasse für lineare Algebra durchführen könnte. Es ist keine Brandkalkulation und schon gar kein Rendezvous.

2. Der normale Betrieb war stark auf die Unterstützung der Missionskontrolle angewiesen, einschließlich Computerberechnungen und Simulatortests. Kritische Berechnungen wurden im Real Time Computing Center durchgeführt, die benötigten Parameter per Funk an die Besatzung übermittelt und die Parameter in den Leitcomputer des Raumfahrzeugs eingegeben. Eine vollständige Mondmission erforderte etwa 10.500 Computertastenanschläge .

   Wie Organic Marble betonte, werden diese Parameter von den Astronauten aufgeschrieben (und normalerweise zurückgelesen), bevor sie in den Computer eingegeben werden. Die Astronauten erhalten Formulare (PADs) zum Aufschreiben der Parameter.

   Einige Berechnungen waren so schwierig, dass selbst die Leitcomputer an Bord des Raumfahrzeugs sie nicht bewältigen konnten; Sie wurden für die Computer auf der Erde zurückgelassen. Zum Beispiel das LEM, das vom Mond aufsteigt, um sich mit dem CSM im Orbit zu treffen:

   Die Berechnung der für dieses Manöver erforderlichen Geschwindigkeit ist mehr als nur das Anheben des Perizynthions, da andere Orbitalparameter sowie die Aufrechterhaltung der empfindlichen Beziehung zwischen CSM und LM berücksichtigt werden müssen. Diese Komplexität übersteigt die Kapazität des begrenzten Speichers des LM-Führungscomputers. Anstatt ein bestimmtes Programm auszuwählen, um das Boost-Manöver durchzuführen, werden die Berechnungen im Real Time Computing Center (RTCC) durchgeführt und an die LM-Crew weitergeleitet.

   https://history.nasa.gov/afj/loressay.html (ganz unten)

   Wenn die Bordcomputer diese Berechnung nicht bewältigen können, besteht kaum eine Chance, dass die Astronauten dazu in der Lage wären.

   Die beiden wesentlichen Funktionen, die Bahnbestimmung und das Zielen, können nicht an Bord des Raumfahrzeugs durchgeführt werden.Der Grund, warum ich darauf so großen Wert lege, ist wahrscheinlich offensichtlich. Das Zusammenstellen von Missionstechniken mit einem solchen G&N-System ist viel komplizierter, als wenn die gesamte Arbeit an Bord des Raumfahrzeugs ohne externe Hilfe erledigt werden könnte. Zwischen dem Raumfahrzeug und dem Boden müssen enorme Datenmengen hin und her übertragen werden, und der Inhalt und das Format dieser Daten müssen vollständig und genau kompatibel sein. Anstatt dass nur die drei Besatzungsmitglieder an der Operation beteiligt sind, dh sie verstehen und ausführen, müssen wir den gesamten Flugsteuerungskomplex einbeziehen. Das macht die Arbeit an Bord natürlich komplizierter – aber glauben Sie mir, es macht auch die Planungsarbeit zu etwas anderem. Viele unterschiedliche Meinungen zur Planungsaufgabe werden ohne Zögern oder Hemmungen geäußert.

   https://history.nasa.gov/SP-287/ch7.htm

3. Die Missionskontrolle übermittelte vor jeder Verbrennung Parameter per Funk. In einigen Fällen würden sie die Parameter von zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungen im Voraus senden. Dies war besonders wichtig für das Einsetzen in die Mondumlaufbahn, das auf der anderen Seite des Mondes ohne Funkkontakt stattfand.

4. Apollo befolgte strikt Flugpläne, die „Go/No-Go“-Checklisten enthielten. Ein Beispiel ist in den Tabellen hier zu sehen . Der Verlust des Führungscomputers oder der Kommunikation war ein "No-Go" für alle außer den wichtigsten Operationen.

5. Astronauten übten nur an solchen Eventualitäten, für die es einen Notfallplan gab. Übung half, diese Pläne zu verfeinern, aber die Astronauten improvisierten nie einen ganz neuen Plan. Es gab nur 20 Notfallpläne:

   Zum Zeitpunkt der Apollo 17-Mission wurden fünf verschiedene alternative Missionspläne, 20 Notfallpläne und acht alternative Pläne für die Mondumlaufbahn entwickelt.

   Zusammenfassender Bericht zum Apollo-Programm , Seite 6-23

   Etwa 40 % der Apollo-Astronauten-Trainingszeit lief durch diese 20 Eventualitäten in den Simulatoren. Sie hatten jedoch nicht die Zeit, Kombinationen von mehr als einem Notfall zu testen. Dieses Zitat von Chris Craft veranschaulicht, dass die meisten Situationen von der Missionskontrolle erwartet wurden:

   Bei Apollo ist es wie bei jeder anderen komplexen Weltraummission praktisch unmöglich, Vormissionspläne für alle Eventualitäten zu entwickeln, die während des Fluges auftreten könnten. Obwohl für alle Abbruchmöglichkeiten, die die Sicherheit der Besatzung betreffen, spezielle Pläne entwickelt werden. Die meisten alternativen Missionen werden auf Klassenbasis entwickelt, indem die alternativen Test- und Missionsziele verwendet werden. Der Echtzeit-Missionsplaner erhält jedoch eine leistungsstarke Auswahl an Missionsplanungs-Computerprogrammen, die seine Fähigkeit verbessern, alle Eventualitäten zu bewältigen. Durch die richtige Verwendung dieser Online-Computerprogramme können alternative Missionspläne in Echtzeit entwickelt werden und können dadurch die Planungsaktivitäten vor der Mission erweitern.

   https://history.nasa.gov/SP-287/ch8.htm

6. Der Notfallplan für einen Kommunikationsverlust bestand darin, weiterhin Leitcomputerprogramme (oder die Abbruchcomputerprogramme) zu verwenden und Parameter zu verwenden, die zuvor von der Missionskontrolle gefunkt worden waren:

7. Der "Sextant" ist nicht das, was du denkst. Es gab nie einen Handsextanten. Es gab zwei Geräte im CSM (der Sextant und das optische Teleskop) und ein Gerät im LEM (das Alignment Optical Telescope); alle waren mit dem Rumpf des Fahrzeugs verschraubt. Alle drei wurden von den Führungscomputern elektronisch gelesen, um die Darstellung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs durch den Computer zu kalibrieren.

   Beim CSM bewegt ein Astronaut den Joystick, der (mit einer durch einen Schalter gesteuerten Geschwindigkeit) die Wellen- und Zapfenmotoren dreht. Der Schaft und der Zapfen sind jeweils mit Prismen im Sextanten und im optischen Teleskop verbunden. Dadurch kann der Astronaut das Instrument mit einem Stern ausrichten. Wenn der Stern ausgerichtet ist, drückt der Astronaut einen Schalter. Die Drehung der Welle und des Zapfens erzeugt ein analoges Signal (ein Potentiometer?), das vom Führungscomputer analog-zu-digital umgewandelt wird.

   Es gibt keine Zifferblätter, mit denen ein Mensch die Wellen- und Zapfendrehungen ablesen kann. Die Geräte sind vollständig vom Leitrechner abhängig. Wenn der Leitcomputer tot ist, verlassen Sie sich auf die Anweisungen der Missionskontrolle.

   Das Teleskop des LEM wird zuerst in eine von sechs groben Rastpositionen gedreht. Dann steuern Sie das Schiff (mit dem Steuercomputer!), bis der Stern ausgerichtet ist. Sie lesen keine Zahl auf einer Waage ab; Sie drücken Tasten, um dem Führungscomputer mitzuteilen, dass der Stern ausgerichtet ist.

   Der Astronaut wählt eine Arretierung und den bestimmten Stern aus, den er verwenden möchte. Dann manövriert er das LM so, dass der ausgewählte Stern in das Sichtfeld des Teleskops fällt. Die spezifische Rastposition und ein dem ausgewählten Stern zugeordneter Code werden vom Astronauten unter Verwendung des DSKY in den Führungscomputer eingegeben. Das LM wird dann so manövriert, dass das Sternbild das Fadenkreuz des Fadenkreuzes kreuzt. Wenn das Sternbild mit der Y-Linie zusammenfällt, drückt der Astronaut die Y-Markierungstaste; wenn sie mit der X-Linie zusammenfällt, drückt er den X-Markierungs-Druckknopf. Der Astronaut kann dies in beliebiger Reihenfolge tun und, falls gewünscht, kann er die letzte Markierung löschen, indem er die Zurückweisungstaste drückt. Wenn eine Markierungstaste gedrückt wird, wird ein diskretes Signal an den Führungscomputer gesendet.

   https://www.history.nasa.gov/alsj/LM08_Guidance-Navigation-Control_ppGN1-48.pdf

   Das Fadenkreuz im Absehen des LEM kann gedreht werden, und es gibt ein Zifferblatt, das diesen Winkel anzeigt. Dazu gehört aber auch das Manövrieren des Raumfahrzeugs:

   076:24:39 Lovell: Hey, ich wette, ich weiß, wie ich eine Ausrichtung bekomme. Geben Sie ihnen einen Cursor-Spiralwinkel. Anstatt das Raumschiff zu manövrieren, gebe ich ihnen eine Cursorspirale. [Pause.]

   Durch das Okular des AOT sieht ein Besatzungsmitglied ein Fadenkreuz oder Fadenkreuz, das eine radiale Linie und eine Spirale zeigt. Das Muster kann so gedreht werden, dass zuerst die radiale Linie mit einem Stern zusammenfällt, was einen „Schaft“-Winkel ergibt, dann wird es erneut gedreht, damit die Spirale mit dem Stern zusammenfällt, was den „Fadenkreuz“-Winkel ergibt. Der Computer kann diese kombinieren, um einen genauen Vektor zum Stern abzuleiten. Ein alternatives Mittel zum Ableiten eines Vektors zum Stern besteht darin, das Raumschiff so zu manövrieren, dass der Stern die X- und Y-Linien kreuzt und jedes Mal markiert, wenn er dies tut. Es ist diese Methode, die die Missionskontrolle nicht von der Besatzung verwenden möchte, da dies bedeutet, das Raumschiff aus seiner aktuellen Lage zu bringen.

   https://history.nasa.gov/afj/ap13fj/12day4-approach-moon.html

   Ohne einen funktionierenden Führungscomputer können Sie also die Ausrichtung des CSM nicht ermitteln, und das Teleskop des LEM funktioniert, indem es die Einstellung des Raumfahrzeugs ändert.

8. Einige Manöver hatten mehr als ein Programm, das verwendet werden konnte. Der Notfallplan sah vor, ein anderes Programm zu verwenden. Dies hängt natürlich von einem funktionierenden Computer ab.

9. CSM und LEM hatten jeweils ihren eigenen Führungscomputer und optische Instrumente, und wenn sie auf einem Raumschiff nicht funktionierten, sah der Notfallplan vor, das Set auf dem anderen Raumschiff zu verwenden, um zu helfen. Die Instrumente, das Andockradar auf dem LEM und das VHF-Entfernungssystem auf dem CSM könnten alle helfen:

   An Bord des CSM nahm der Pilot des Kommandomoduls auch eigene Entfernungs- und relative Positionsmarkierungen. Entfernungsinformationen zum LM wurden von einem VHF-Entfernungssystem erhalten, bei dem das LM ein Signal im VHF-Frequenzband sendete, das vom Transponder des CSM empfangen wurde. Winkeldaten wurden erhalten, indem das LM durch sein helles Blitzlicht auf der Vorderseite des Fahrzeugs durch den Sextanten des Befehlsmoduls lokalisiert wurde. Mit dieser Entfernung und Position des LM könnte der Computer des CSM die gleiche Position berechnen und Informationen verbrennen, wie der Computer des LM mit Rendezvous-Radardaten tun könnte.

   https://history.nasa.gov/afj/loressay.html

   Die Führungscomputer auf beiden Fahrzeugen hatten das gleiche Design, und die meiste Software wurde auf beiden Fahrzeugen gemeinsam genutzt. Insbesondere könnte jedes Fahrzeug als "aktives" Fahrzeug eines Rendezvous verwendet werden. Eine spezielle Eventualität für den Verlust des Leitcomputers des Mondmoduls bestand darin, ihn so gut wie möglich in die Umlaufbahn zu bringen (über den Abbruchcomputer oder manuell) und dann das CSM (mit seinem Leitcomputer und Unterstützung von der Missionskontrolle) kommen zu lassen Kapiert.

   Auch dies hängt von einem Computer ab (allerdings im anderen Schiff).

10. Die Verfolgung wurde auch von der Erde aus durchgeführt, wenn auch viel weniger genau als das, was an Bord erreicht werden konnte. Wenn die Führung auf beiden Raumfahrzeugen ausfällt, war dies als Backup gedacht. Dies hängt jedoch davon ab, ob die Kommunikation mit der Erde funktioniert.

11. Haupt- und RCS-Motoren wurden normalerweise vom Leitcomputer gesteuert, einschließlich "manueller" Einstellung der Lage. Obwohl die Astronauten solche manuellen Manöver mit einem Joystick steuerten, ging es dennoch über den Leitrechner, der das RCS-System per Pulsweitenmodulation drosseln konnte.

    Wenn der Führungscomputer ausfiel, verfügte das CSM über ein Backup-System namens Stabilisierungs- und Steuerungssystem, das über einen eigenen Satz Kreisel verfügte, die die Fluglage wiederherstellen konnten (aber das ist kein Haupttriebwerksbrand).

    Andernfalls könnten alle Motoren manuell gezündet werden. Der Joystick ging durch die Attitude Translational Control Assembly zum RCS. In diesem schlimmsten Fall würden sie Hilfe von der Missionskontrolle benötigen, um die Zündzeiten des Haupttriebwerks abzuschätzen, was eine Kommunikation mit und Computern auf der Erde erfordern würde.

Wie Sie oben sehen können, sollte sich der Notfallplan für einen Verlust des Leitcomputers auf die Kommunikation mit der Missionskontrolle verlassen, und der Notfallplan für einen Kommunikationsverlust sollte sich auf den Leitcomputer verlassen. Sie haben nicht dafür trainiert, dass beides zusammen passiert, und ehrlich gesagt würde es etwas noch Schlimmeres bedeuten, wie einen vollständigen Verlust der gesamten Stromversorgung oder einen Meteorschaden. Kein Wunder, warum der Film Apollo 13 zeigt, wie sie ausflippen, weil sie das CSM heruntergefahren haben, bevor das LEM hochgefahren ist.

Man kommt einfach nicht umhin, einen Computer zu benutzen, selbst wenn es auf der Erde einen bedeutet.