Apollo 11: Zum Mond mit 4 KB RAM
Die erste Mondlandungsmission Apollo 11 ist genau 50 Jahre her. Ich werfe einen Blick auf die Informatik der damaligen Raumfahrt. Die Mittel waren lachhaft – umso erstaunlicher die Ergebnisse.
Die Mondlandung ist auch nach heutigen Massstäben eine gigantische Leistung. Erstmals erfolgreich am 21. Juli 1969, ist sie seit 1972 nie wieder durchgeführt worden. Heute legen die Astronauten nur etwa einen Tausendstel der damaligen Entfernung zurück: Bis zur internationalen Raumstation ISS sind’s etwa 400 km, zum Mond etwa 400 000 km. Auch die Triebwerke waren um ein Vielfaches grösser: Die Apollo-Raketen waren beim Start so laut, dass in einer 18 Kilometer entfernten Kleinstadt die Scheiben zerbrachen.
Besonders eindrücklich wird die Mondlandung, wenn du bedenkst, wie lächerlich damals die Computertechnologie im Vergleich zu heute war.
Die Informatik zu Beginn der Raumfahrt
In den 50er-Jahren wurden Computer mit Röhren betrieben. Sie waren mehrere Meter lang, brauchten absurd viel Strom, waren extrem fehleranfällig und leisteten wenig. In den 60er-Jahren standen erstmals Transistoren zur Verfügung; ein riesiger Fortschritt.
Der IBM 360 war allerdings immer noch so gross wie ein XXL-Kühlschrank und verfügte über läppische 4 Kilobyte Arbeitsspeicher – ein Millionstel von dem, was heute ein Billig-Smartphone hat. Das erste Modell des IBM 360 stammt aus dem Jahr 1966.
Die Informatik in den Anfängen der Raumfahrt
Unter diesen Umständen erstaunt es nicht so sehr, dass die ersten Weltraum-Satelliten überhaupt keine Computer an Bord hatten. Selbst die ersten bemannten Raumschiffe kamen noch ohne Rechner aus. Dies gilt sowohl für die Wostok-Raumschiffe der UdSSR (Juri Gagarin, Walentina Tereschkowa) als auch für das Mercury-Programm der USA.
Die Steuerungsbewegungen wurden grösstenteils im Voraus berechnet; zum Teil von Hand. Besonders eindrücklich: Wostok 3 und 4 sowie Wostok 5 und 6 näherten sich mit Vorausberechnungen bis auf wenige Kilometer (das erste sogenannte Rendezvous der Raumfahrt).
Im Gemini-Projekt verwendete die NASA erstmals Bordcomputer, und natürlich auch in den darauf folgenden Apollo-Missionen: Apollo 11 hatte zwei Steuerungscomputer – einen im Raumschiff und einen in der Landefähre –, einen nicht eingesetzten Steuerungs-Notfallcomputer und einen Rechner für die Kontrolle der Startrakete, die nach dem Start nicht mehr gebraucht wurde.
Die wichtigsten Gründe, Computer im Raumschiff selbst einzusetzen, waren die Funkverzögerung von 1.5 Sekunden zur Erde sowie die Tatsache, dass auf der Rückseite des Mondes gar keine Funkverbindung möglich ist. Das Raumschiff musste somit in der Lage sein, autonom zu agieren.
Die Hauptaufgabe des Computers war, die Navigationsdaten zu verarbeiten und das Raumschiff automatisch zu steuern. Allerdings konnten die Astronauten ihre Raumfähre auch manuell steuern. Dies war später bei den Space Shuttles nicht mehr möglich. Tatsächlich nahmen die Apollo-Astronauten in der Schlussphase der Landung die Steuerung selbst in die Hand, um Hindernissen besser auszuweichen.
Trotz der angestrebten Autonomie fand der Hauptteil der Berechnungen nach wie vor auf der Erde statt. Die Werte wurden per Funk zu den Astronauten übermittelt, die sie in den Bordcomputer tippten. Für Apollo 11 wurden mehrere miteinander vernetzte IBM 360 auf der Bodenstation eingesetzt.
Der Apollo Guidance Computer (AGC)
Die beiden Bordcomputer in der Kapsel und in der Landefähre waren von der Hardware her identisch. Diese Apollo Guidance Computer wurden am MIT entwickelt. Während der gesamten Apollo-Projektzeit gab es nur zwei Hardware-Versionen des AGC. Bei sämtlichen bemannten Raumflügen (ab Apollo 7) kam die zweite Version zum Einsatz.
Der Computer selbst wiegt 32 Kilogramm und misst 61 × 32 × 15 cm. Für damalige Verhältnisse extrem klein und leicht. Dazu kommt ein Bedienpanel, das 8 Kilogramm wiegt. Es enthält ein Display sowie die Tasten zur Bedienung. Der Computer brauchte 70 Watt Strom.
Der AGC arbeitet mit 16 bit Wortlänge und 1 MHz Taktfrequenz. Die Urversion verfügt über einen festen Speicher von 4000 Wörtern und einen variablen Speicher von 256 Wörtern. Dies wurde immer mehr ausgebaut – bis zu 36 000 respektive 2000 Wörtern. Speichermangel war im gesamten Apollo-Projekt ein Dauerproblem.
Wie du am Bedienpanel siehst, kennt der AGC nur Zahlen, keine Buchstaben. Es gibt die Tasten «Verb» und «Noun», mit denen sich Befehle eingeben lassen. Der Astronaut drückt auf «Verb» und gibt eine Zahl zwischen 00 und 99 ein. Dann wiederholt er das mit «Noun». Auf einer Liste ist ersichtlich, welche Zahl welcher Befehl bedeutet. Die Liste änderte sich mit jeder Apollo-Mission.
Während eines Raumflugs mussten die Astronauten ungefähr 10 000 Mal eine Taste drücken. Eine Steuerung von der Bodenstation aus wäre technisch möglich gewesen, doch angeblich scheiterte dies am Widerstand der Astronauten. Sie wollten sichergehen, dass nicht etwas über ihre Köpfe hinweg entschieden werden konnte.
Absturzsichere Software aus dem Nichts heraus
Die Software der beiden AGC im Raumschiff war nicht die gleiche, sondern auf die jeweiligen Aufgaben angepasst. Die Software-Entwicklung des Apollo-Programms am MIT wurde von einer Frau geleitet: Margaret Hamilton. Sie und ihr Team begannen mit der Software-Entwicklung praktisch bei Null. Zu Beginn des Projekts gab es nicht einmal Computer, auf denen die Programme getestet werden konnten. Später konnten die Programmierer die Software zwar auf einem Computer emulieren – aber nicht auf der Hardware testen, die tatsächlich eingesetzt wurde.
Das MIT verwendete bereits eine höhere Programmiersprache, um nicht direkt in Assembler coden zu müssen. Das war zwar langsamer, brauchte aber weniger Speicherplatz.
Du kannst den AGC im Webbrowser selbst ausprobieren. Unbedingt die dort verlinkte Checklist beachten. Ohne die kommst du nicht weit.
Abstürze des ganzen Computersystems waren damals an der Tagesordnung. Am Boden jedenfalls. Im Vakuum des Alls hätten sie zum Tod der Astronauten geführt. Darum musste ein Totalabsturz unter allen Umständen vermieden werden. Ausserdem musste der Computer in Echtzeit mit mehreren Aufgaben simultan klarkommen.
Die Software des AGC erkennt deshalb, wenn der Computer überlastet ist und kann entsprechend wichtige Aufgaben priorisieren. Wäre dies nicht der Fall gewesen, hätte Apollo 11 möglicherweise gar nicht landen können. Denn während der Landephase sendete das Radar durch eine Fehlfunktion ununterbrochen sinnlose Daten an den Computer, die dieser nicht schnell genug verarbeiten konnte. Dadurch, dass Margarets Code diese Daten ignorierte, konnte die Fähre trotzdem planmässig auf dem Mond landen.
Und wir haben etwas zu feiern.
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David Lee
Senior Editor
David.Lee@digitecgalaxus.chDurch Interesse an IT und Schreiben bin ich schon früh (2000) im Tech-Journalismus gelandet. Mich interessiert, wie man Technik benutzen kann, ohne selbst benutzt zu werden. Meine Freizeit ver(sch)wende ich am liebsten fürs Musikmachen, wo ich mässiges Talent mit übermässiger Begeisterung kompensiere.
