Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in

Transcription

Apollo, Space Shuttle, Melissa und Google (Sommersemester 2006)
Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google:
Fallstudien in Verlässlichkeit und Computermissbrauch
Das Apollo-Programm (1960–1972)
Übung vom 16. Mai 2006: Der kalte Krieg und die Kennedy-Rede
Prof. Dr. Felix Freiling
Vorlesung im Sommersemester 2006
Universität Mannheim
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Plan der Übung
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“Einfühlen” in die Zeit der 1960er Jahre.
Die Kennedy-Rede vom 25. Mai 1961 im Original.
Diskussion der Kennedy-Rede.
Die amerikanischen Raumfahrtprojekte im Licht der Zeit.
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Der kalte Krieg
• Nach dem Ende des 2. Weltkrieges traten die beiden verbleibenden Großmächte USA und
UdSSR in direkte Konkurrenz: der kalte Krieg begann.
• Technologien und Wirtschaft entwickelten sich in beiden Ländern gleichermaßen positiv: es war
nicht klar, wer im globalen Wettstreit die Vorherrschaft erreichen würde.
– 1949: Gründung der NATO, erster sowjetischer Atombombentest.
– 1950–53: Korea-Krieg.
– 1952, 1953: erste amerikanische und sowjetische H-Bombentests.
– 1955: Gründung des Warschauer Paktes.
• Raketentechnik machte auf sowjetischer Seite größere Fortschritte als in den USA.
• USA und UdSSR “klauen” sich die deutsche Raketentechnik und deren Konstrukteure (allen
voran der V2-Projektleiter Wernher von Braun, der in die USA geht).
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Gründung von NACA [Bil89]
• 1915: in den USA wird das National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) gegründet.
– Eine Behörde, die Forschung auf dem Gebiet der Luftfahrt koordinieren soll bzw. selbst
durchführt .
– Initiales Jahresbudget: $5000.
– “to supervise and direct scientific study of the problems of flight, with a view to their
practical solutions.”
– Katalysator: Europäische Erfolge in der Luftfahrt, vor allem zu militärischen Zwecken (erster
Weltkrieg beginnt 1914).
– 12 Personen im main committee, halbjährliche Treffen, weiterleitung von identifizierten
Problemen an Forschungslabors.
– Erstes eigenes Forschungslabor: McCook Airfield, Langley Memorial Aeronautical
Laborartory, Virginia, 1920.
∗ 1920: 11 Mitarbeiter und viel Platz.
– Nach dem 1. Weltkrieg: Deutschland führend auf dem Gebiet der theoretischen
Aerodynamik.
∗ Einer der ganz großen: Theodore von Kármán (1913–34 Professor für Mechanik und
flugtechnische Aerodynamik an der RWTH Aachen).
Aerodynamische Forschungen
Quelle: [Bil89, Ch. 1]
• Bau eines Windkanals mit geschlossenem Kreislauf.
– Erster bereits 1908 in Göttingen unter Ludwig Prandtl gebaut (von Kármán promovierte
dort).
• 1921: Bau eines Windkanals mit Luftdruckregelung.
– Luftdruck konnte den Verkleinerungsmaßstab des getesteten Modells angepasst werden.
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Der Lindbergh-Boom
• 1927: Charles Lindbergh fliegt solo von New York nach Paris.
– Spirit of St. Louis ausgestellt im Smithsonian National Air and Space Museum in
Washington, D.C.
• Windkanaltests bereiten den Weg für eine starke Expansion der Luftfahrtindustrie trotz globaler
Rezession in den 1930er Jahren.
Charles Lindbergh
Charles Lindbergh and the Spirit von St. Louis.
Quelle: http://www.charleslindbergh.com/
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Robert H. Goddard
Quelle: [Bil89, Ch. 1]
• Erste Tests mit Raketen und flüssigen Brennstoffen.
• 16. März 1926: erster erfolgreicher Start einer flüssigkeitsbetriebenen Rakete (fliegt 13 Meter
hoch, Flugdauer 2,5 Sekunden).
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Europäische Forschungen
• Deutschland 1927:
– 1927: Gründung des Vereins für Raumschiffart (VfR).
– Gründungsmitglied: Hermann Oberth.
• Russland in den 1920er Jahren:
– Konstantin Tsiolkowsky entwickelt die Raketengrundgleichung, die den Zusammenhang
zwischen Raketenbewegung und den verwendeten Treibstoffen beschreibt (empfiehlt
flüssigen Sauerstoff und Wasserstoff als optimale Brennstoffe).
– Er beschreibt auch theoretisch das Stufenprinzip, nach dem alle heutigen Raketen
funktionieren.
– 1933: Start der ersten flüssigkeitsbetriebenen Rakete in der Sowjetunion.
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Konstantin Tsiolkowsky (1857–1931)
Quelle: http://www.informatics.org/museum/tsiol.html
• Früher Visionär der Raumfahrt: seine Schriften über bemannte interplanetare Missionen waren
vielfach Stoff für Science Fiction.
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NACA während des 2. Weltkrieges
• In den USA wird Rückstand auf militärischem Gebiet gegenüber den Europäern (insbesondere
Deutschland) erkannt:
– 1939: Neues Forschungslabor in Moffet Field, südlich von San Francisco wird gegründet
(Ames Aeronautical Laboratory).
– 1940: Neues Forschungslabor zu Flugantrieben wird in Cleveland, Ohio gegründet (Lewis
Flight Propulsion Laboratory).
– Von Anfang an war die Arbeitsatmosphäre familiär, mit starken Rivalitäten zwischen den
einzelnen Labors.
• Düsenantriebe werden (zu) spät betrachtet.
• Raketen und deren Antriebe fallen nicht in den direkten Forschungsfokus von NACA.
– In Deutschland wird unter der Leitung von Wernher von Braun die V2 entwickelt.
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X-1
Bell X-1B. Quelle: NASA #EL-2001-00382
• In 1946 entwickelt NACA Experimental Sonic 1, XS-1, kurz X-1.
– Raketenmotor mit einer Mischung aus Alkohol, destilliertem Wasser und flüssigem
Sauerstoff.
– Motor hat sehr geringe Reichweite: Für Flugtests wird die X-1 im Bombenschacht einer B-29
in die Höhe transportiert, fallengelassen und dann gezündet.
Eindrücke von X-1
X-1 vor B29. Quelle: http://www.chuckyeager.org/
Glide-tests: http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/movie/X-1/Medium/EM-0027-01.mpg
X-1 launch: http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/movie/X-1/Medium/EM-0027-02.mov
(Quicktime!)
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Durchbruch der Schallmauer
Quelle: http://www.chuckyeager.org/
• 14. Oktober 1947: Charles “Chuck” Yaeger durchbricht am Steuer der X-1 erstmals die
Schallmauer (mit gebrochenen Rippen).
Schallgeschwindigkeit: 330 m/s (ca. 1200 km/h).
X-1 and Chuck: http://lisar.larc.nasa.gov/MOVIES/LARGE/LV-1998-00134.mov (Quicktime!)
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Raketenforschung nach dem Krieg
• USA “importieren” Wernher von Braun und seine V2, Teststand in White Sands, New Mexiko,
später in Huntsville, Alabama.
• Entwicklung von militärischen Raketen:
– Corporal, Sergeant, Redstone, Viking: Kurzstreckenwaffen.
– Atlas, Jupiter, Polaris, Thor: Mittel- und Langstreckenwaffen.
• Materialforschung für die Hitzeableitung beim Wiedereintritt.
• “Stumpfe” Flugobjekte (blunt body) als wirksamste äußere Form für den Wiedereintritt.
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Sowjetische Erfolge: Sputnik
Sputnik 1: erster Satellit am 4. Oktober 1957 (84 kg, 58 cm Durchmesser).
Quelle: http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/sputnik/
Originalton Sputnik I http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/sputnik/sputnik.wav
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Sowjetische Erfolge: Laika
Erster Hund im Weltall am 3. November 1957: Laika (in einem Nachbau der Druckkapsel für
Sputnik II).
Quelle: http://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/space_level2/laika.html
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Sowjetische Erfolge: Gagarin
Yuri Gagarin (1934–68), erster Mensch im Weltall am 12. April 1961.
Quelle: http://members.aol.com/astromem/aircraft/gagarin/
• Technologische Errungenschaften wurden auf beiden Seiten rücksichtslos für Propagandazwecke
eingesetzt.
• Gagarin flog nie wieder ins All.
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Vergebliche Versuche
Rückschlag: am 6. Dezember 1957 explodiert die hochgelobte Vanguard Rakete mit dem ersten amerikanischen
Satelliten an Bord. [Bil89, Ch. 3]
• Erster US-Satellit im All am 31. Januar 1958: 1 kg vs. 500 kg (Sputnik) und vier Monate später!
• Aber: Entdeckung des dichten Strahlungsgürtels um die Erde durch James A. van Allen.
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Von NACA zu NASA
• Ende der 1950er wird immer deutlicher, daß eine koordinierte Weltraumforschung in den USA
notwendig ist.
• Präsident Kennedy nach der fehlgeschlagenen Kuba-Invasion an der Schweinebucht unter
Druck.
• Die Amerikaner haben Angst, dauerhaft im strategischen space race hintanzustehen.
• Neben NACA stehen auch andere Behörden als Dachorganisation zur Wahl.
• Vorteil von NACA: peaceful, research-oriented image [Bil89, Ch. 3].
• 1958: Gründung der National Aeronautics and Space Agency mit NACA als Nukleus.
• Neues Forschungszentrum in Beltsville, Maryland (Goddard Space Flight Center) in 1961.
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Die Kennedy-Rede
J.F. Kennedy vor dem Kongress am 25. Mai 1961.
Quelle:
http://www.cnn.com/2001/TECH/space/05/25/kennedy.moon/story.kennedy.moon.jpg
“I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is
out, of landing a man on the moon and returning him safely to the Earth.” J.F. Kennedy,
May 25, 1961
http://www.cs.umb.edu/jfklibrary/audio/jfk_space_may61.rm
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Reaktionen [Bil89, Ch. 4]
• Kaum Widerspruch in der amerikanischen Öffentlichkeit.
• Kennedy-Rede wird als “Blankoscheck” gewertet.
• Ausmaß der Aufgabe stellt selbst das Manhatten-Projekt in den Schatten.
– Manhatten-Projekt: Bau der ersten Atombombe.
• Unklar, wie man den Blankoscheck nutzen sollte.
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New Launch Vehicles
• Saturn
– Up to 46.000 pounds (20.8 tons) into earth orbit.
– Planned for flying in 1963.
• Nova
– Several times the size of Saturn.
– For more ambitious manned lunar flights anticipated in the 1970s.
• Nerva
– Nuclear-propelled upper stage for interstellar flights.
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Saturn V vs. Nova
Entwurfszeichnungen (1962) für Nova-Rakete (für direkten Mondflug, siehe später). C-5 in etwa
vergleichbar in Saturn V.
Quelle: NASA #9902050
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Nova and Beyond
Wernher von Braun in is office (1964).
Quelle: NASA #6407244
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Hypersonic Research
• X-1 crossed the sonic barrier in downwards flight (dive).
• Strive for hypersonic speeds in level flight in the 1950s.
• Most successful aircraft: X-15
– Could reach Mach 6.72 (ca. 7300 km/h) and altitudes of more than 100 km.
– Mixture of spacecraft and aircraft: uses rudder to operate in atmosphere, reaction control
system in “thin” air outside of atmosphere.
– Carried to altitude below a B-52.
– Rocket engine provides thrust for 80–120 sec.
– Remainder of flight (ca. 11 min) powerless glide landing.
• Best way to fly during re-entry into the atmosphere: nose up by around 40 degrees.
• Research in hypersonic aerodynamics, structures, high temperature phenomena in hypersonic
flight (700 degrees C).
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X-15
Air drop launch: http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/movie/X-15/Medium/EM-0033-03.mpg
Unpowered landing:
http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/movie/X-15/Medium/EM-0033-04.mpg
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Lifting Bodies [Hep02, p. 36ff]
• Lift is a force generated by an aircraft when the aerodynamic pressure is larger below the
aircraft than above.
• Wings usually achieve this, but properly designed aircraft bodies can do this too.
• Wings produce very little drag, aircraft bodies produce a lot of drag.
• Lifting bodies are not useful in commercial flight, where fuel efficiency is important.
• Space flight is different.
• Original research on lifting bodies by H. Julian Allen and Alfred J. Eggers at NACA Ames.
• Lifting bodies are ideally combined with the blunt body construction for reentry.
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Lifting Body Tests: M2
M2-F1 und M2-F2 lifting bodies [Hep02, p. 38].
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Lifting Body Tests: X-24
X-24A lifting body [Hep02, p. 39]
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Projekt Mercury (1958–1963)
Artist concept of Mercury program. Source: NASA #S64-14286
• Goals:
1. Place a manned spacecraft in orbital flight around the earth.
2. Investigate man’s performance capabilities and his ability to function in the environment of
space.
3. Recover the man and the spacecraft safely.
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Guidelines [LSSGA66]
1. Existing technology and off-the-shelf equipment should be used wherever practical.
2. The simplest and most reliable approach to system design should be followed.
3. An existing launch vehicle should be employed to place the spacecraft into orbit.
4. A progressive and logical test program should be conducted.
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Detailed Guidelines
1. The spacecraft must be fitted with a reliable launch-escape system to separate the spacecraft
and its crew from the launch vehicle in case of impending failure.
2. The pilot must be given the capability of manually controlling spacecraft altitude.
3. The spacecraft must carry a retrorocket system capable of reliably providing the necessary
impulse to bring the spacecraft out of orbit.
4. A zero-lift body utilizing drag braking should be used for reentry.
5. The spacecraft design must satisfy the requirements for water landing.
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Raketensysteme Ende der 1950er
• Probleme beim Start von Trägerraketen an der Tagesordnung.
• Chronologie der ersten unbemannten Mercury-Tests (teilweise mit Tieren an Bord):
– Mission 1 (21. August 1959), LJ-1: Teile der Rakete starten 30 Minuten zu früh.
– Mission 2 (9. September 1959), BJ-1: Ausgebrannte Raketenteile trennen sich nicht von der
Kapsel.
– Mission 8 (29. Juli 1960), MA-1: Fehlschlag.
– Mission 10 (21. November 1960), MR-1: Rakete startet nicht.
• Etwa die Hälfte der 22 unbemannten Tests schlägt fehl.
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Status von Projekt Mercury
• Anfang der 1960er Jahre:
– Raketensysteme werden allmählich zuverlässiger.
– Vor allem Atlas und Redstone.
• Raumkapsel muß entworfen und getestet werden.
• Wer soll fliegen?
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Entwurf der Raumkapsel
Früher Entwurf der Mercury-Raumkapsel mit angedeuteter Position des Astronauten. Quelle:
NASA #EL-2002-00299
• Flugeigenschaften für Wiedereintritt nach dem Prinzip der lifting bodies.
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Überwachung der Astronauten
• Ursprüngliches Ziel: “Investigate man’s [. . . ] ability to function in [. . . ] space.”
• Experimente in den USA und Russland mit lebenden Organismen, die in den Weltraum
geschossen wurden (1948–58).
– USA hauptsächlich Affen, UdSSR Hunde.
• Im Projekt Mercury:
– Automatische Blutdrucküberprüfung der Astronauten über die gesamte Missionszeit.
– Andauernde Messung des Luftdrucks und der Luftzusammensetzung in Raumkapsel und
Druckanzug.
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Die ersten Astronauten
• NASA wählt Begriff “Astronauten” in Analogie zu Argonauten (Pioniere der Ballonfahrt).
– Begriff in UdSSR: Kosmonauten.
– Begriff China (neu!): Taikonauten.
• Anforderungen:
– male, physically and psychologically better than average health, flight test experience
required.
– Seriousness of purpose.
• April 1959: Bekanntgabe der sieben ersten amerikanischen Astronauten.
• Sie wurden schnell zu gefeierten und gefragten celebrities.
• The Original Seven: Carpenter, Cooper, Glenn, Grissom, Schirra, Shepard, Slayton.
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Original Seven
The original seven Mercury astronauts. Quelle: NASA #EL-1996-00089
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Selektion der Astronauten [LSSGA66]
•
•
•
•
Ausschließlich militärische Testpiloten wurden in die Auswahl miteinbezogen.
110 Personen wurden Anfang 1959 zur Bewerbung aufgefordert.
Ursprüngliches Ziel von 12 Astronauten wurde später reduziert auf 6.
Medizinische Tests, technische und psychatrische Interviews reduzieren die Menge der
Kandidaten auf 32, die alle extreme mental and physical environmental tests zugestimmt
hatten.
• Auswahltests in Lovelace Clinic, Albuquerque, New Mexico:
– 30 verschiedene Tests des Zustandes diverser Körperorgane (Herz, Augen, Ohren).
– Körper komplett mit Röntgenbildern durchleuchtet.
– Wasseranteil des Körpers, spezifische Gravitationskraft.
– Nur einer fällt raus, 31 bestehen!
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Final Selection Programme
• Final phase of selection at Wright Air Development Center, Illinois:
– “Determine physical and psychological capability of the individual to respond effectively and
appropriately to the various types of stresses associated with space missions.”
– Pressure suit tests.
– Acceleration tests.
– Vibration tests, heat tests, loud noise tests.
– Physical endurance tests: treadmills, tilt tabletts with feet in ice water.
– Blowing up balloons until exhausted.
– Psychological tests for personality and motivation.
– Questions: “Who am I?” and “Whom would you assign the mission if you could not go
yourself?”
– Astronauts complain: “Nothing is sacred anymore.”
• Final set of 18 judged on technical strengths for planned missions.
• Mid-April decision for seven instead of six.
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Astronautenleben
• Astronauten verlieren sofort ihre Privatsphäre.
• Nach geglückten Flügen auf “Welttournee”.
• Bereits 1962 such NASA neue Astronauten (“New 9”) für Gemini und den Flug zum Mond.
Parade von Astronauten auf dem Broadway, New York (hier: Apollo 11 am 13.8.1969). Quelle: NASA
#GPN-2002-000034
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Seven-sided coin
• Original Seven:
– John H. Glenn
– Walter M. Schirra
– Alan B. Shepard
– Malcolm S. Carpenter
– Donald K. Slayton
– Leroy G. Cooper
– Virgil I. Grisson
• Große Konkurrenzsituation, nur einer kann den ersten Flug bekommen [Cha94].
• Menschen mit ausgeprägtem Selbstbewusstsein, Ehrgeiz, technischem Verständnis und
körperlicher Fitness.
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Simplicity in Mercury
• Original goal: “simplest and most reliable approach to system design.”
• Simplicity is hard to achieve under restrictions of volume and weight of a small spacecraft.
• Because man’s capabilities to function in space were largely unknown, completely automatic
operation for critical spacecraft functions were provided.
• To insure reliable operation, these systems were backed up by redundant automatic systems.
• Redundancy increased the complexity of the system more than any other requirement.
• Example: completely remotely controllable re-entry mechanism onboard Mercury spacecraft
(but no digital computer!).
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Bemannte Mercury Missionen
• Alan Shepard als erster Amerikaner im All.
– Flugdauer: 15 Minuten.
– Flugbahn: 480 km ballistische Flugkurve.
• “I’m cooler than you are. Why don’t you fix your little problem and light this candle?” [Cha94,
p. 337]
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Alan Shepard
Quelle: NASA #MSFC-8772553
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Freedom 7
Lift-off of MR-3, Freedom 7 with Astronaut Alan Shepard.
Quelle: NASA #LOC-61C-883
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Friendship 7
John Glenn entering Friendship 7. Quelle: NASA #GPN-2000-000652
• 20. Februar 1962 (10 Monate nach Gagarin): erster Amerikaner in einer Umlaufbahn.
• John Glenn umkreist drei Mal die Erde, fliegt Teile der beiden letzten Orbits “von Hand” wegen
Problemen mit dem Autopilot.
1962: Weitere Erfolge
•
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•
•
•
Malcolm Carpenter (drei Mal) und Walter Schirra (sechs Mal) umrunden die Erde.
Erster Satellit: Telstar I con AT&T
Erste Planeten-fly-by einer unbemannte Raumsonde: Mariner 2 fliegt zur Venus.
Trägersysteme werden noch zuverlässiger.
Aber auch Bedenken:
– Raumfahrtprogramm bindet zu viele Ressourcen.
– Soll von anderen (irdischen) Problemen ablenken.
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Projekt Gemini (1961–66)
• Ziele:
1. 2-man missions,
2. docking,
3. Extra-Vehicular Activity (EVA).
• Überschneidet sich mit Mercury und Apollo (letzteres nicht in der Flugphase).
• Ist als “Zwischenprogramm” vor Apollo gedacht, um komplexere Raumfahrzeuge und -manöver
zu erproben.
• 1963 werden weitere 9 Astronauten ausgewählt.
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Gemini Raumkapsel
Schematische Zeichnung des Gemini-Raumschiffs mit Kapsel.
Quelle: NASA #S64-12007
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Bemannte Gemini-Missionen
• Gemini III: 23. März 1965 (Grisson, Young)
– Bemannter Test der Raumkapsel, 3 Erdumrundungen, knapp 5 Stunden Missionsdauer.
• Gemini IV: 3.–7. Juni 1965 (McDivitt, White II):
– Erste EVA (extravehicular activity): 22 Minuten Weltraumspaziergang von Ed White.
• Gemini V: 21.–29. August 1965 (Cooper, Conrad)
– Erster Test von Brennstoffzellen, Test von Navigationssystemen für Rendezvous-Missionen.
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EVA on Gemini IV
Ed White during EVA on June 3, 1965. Source: NASA #GPN-2000-001180
Note: Gold-plated visor, Hand Held Self Maneuvering Unit
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Von Mercury zu Gemini
• Verbesserungen im Einhalten der Zeitpläne:
– Verspätung von 18 Monaten gegenüber ursprünglichem Start-Plan während der gesamten
Dauer.
– Erste bemannte Mercury-Mission war 22 Monate verspätet, letzte Mission (nur 4 Missionen
später) bereits 32 Monate.
• Resultate von 1940 Personenstunden im Orbit: Menschen können im Weltraum überleben und
sinvoll arbeiten.
• Kosten: beide Programme kosten das Doppelte des ursprünglich eingeplanten Budgets.
– Mercury von $200 Millionen auf über $400 Millionen.
– Gemini von $531 Millionen auf $1,147 Milliarden.
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Mitte der 1960er
• Bemannte Raumfahrt wird “normal”, Interesse der Öffentlichkeit anhaltend groß.
• Aber auch kritsche Töne aufgrund der Kosten, der fortwährenden Weltprobleme (Hunger,
Bildung) und des beginnenden Vietnam-Krieges.
• Amerikaner sehen sich jetzt im Vorsprung gegenüber der UdSSR im space race.
• Bau eines neuen Kontrollzentrums in Houston, Texas (angekündigt 1961), da sich altes
Mercury-Kontrollzentrum für komplexere Missionen als inadequat erwies.
– IBM 7094 Computer am Boden war absehbar nicht leistungsfähig genug für realtime space
operations, mehr dazu später.
55/56
Literatur
[Bil89]
Roger E. Bilstein. Orders of magnitude: A History of NACA and NASA. Number NASA SP-4406 in The
NASA History Series. National Aeronautics and Space Administration, Office of Management, Scientific
and Technical Information Division, Washington, DC, 1989.
[Cha94]
Andrew Chaikin. A Man on the Moon: The Triumphant Story of the Apollo Space Program. Penguin
Books, 1994.
[Hep02]
T. A. Heppenheimer. The Space Shuttle Decision 1965–1972, volume 1 of History of the Space Shuttle.
Smithsonian Institution Press, Washington and London, 2002.
[LSSGA66] Jr. Loyd S. Swenson, James M. Grimwood, and Charles C. Alexander. This New Ocean. A History of
Project Mercury. Number NASA SP-4201. National Aeronautics and Space Administration, 1966.
[Pau02]
Kristian Pauly. Raumfahrtsysteme. Skriptum zur Vorlesung im Wintersemester 2002/2003, Fachgebiet
Raumfahrttechnik, Technische Universität München, 2002.
[Tom88]
James E. Tomayko. Computers in Spaceflight: The NASA Experience. Number NASA Contractor Report
182505. NASA History Office, March 1988.
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Apollo, Spaceshuttle, Melissa und Google: Fallstudien in

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