¿Los cálculos que los astronautas del Apolo fueron entrenados para hacer a mano si se perdía la computadora de guía y/o el enlace de datos y comunicaciones con la Tierra?

Lamento haber tardado tanto en publicar una respuesta. Pasé el último día investigando esta pregunta, leyendo más de dos docenas de archivos PDF (al menos 1000 páginas de material) y leyendo el diario de vuelo del Apolo 13 (que, lamentablemente, está incompleto).

No se puede enfatizar lo suficiente cuán importantes fueron las computadoras de guía para la guía y la navegación. Todos los procedimientos "normales" los usaban directamente. Se consideró su fracaso y el plan de contingencia se basó en la comunicación con el control de la misión.

Del mismo modo, la comunicación con el control de la misión era fundamental. El plan de contingencia para su falla era utilizar programas de respaldo en las computadoras de guía para cambios de vuelo esenciales y restablecer las comunicaciones lo antes posible.

Más detalles se proporcionan a continuación.

1. Comencemos con la imagen en la pregunta:

   058:04:03 Lovell: Houston. Bueno. Quiero que verifique dos veces mi aritmética para asegurarse de que tengamos una buena alineación aproximada. El ángulo CAL de balanceo era menos 2 grados. Los ángulos del módulo de comando fueron 355,57, 167,78, 351,87. [Pausa.]

   [Esta etapa en el proceso de activación de LM fue dramatizada en la película Apolo 13. Fred tiene los tres ángulos de cardán de la IMU del CSM que es relevante para el sistema de coordenadas de la nave espacial CSM. Tiene que hacer algo de aritmética con ellos para adaptarlos al sistema de coordenadas de la nave espacial LM. Esas sumas incluyen tener en cuenta el ángulo de índice de acoplamiento de 2 grados. Dado el estrés de la situación en la que se encuentra la tripulación, es prudente que Fred le pida a las muchas mentes en el control de la misión que verifiquen lo que de otro modo es aritmética simple.]

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

   El cálculo es una rotación de un sistema de coordenadas (el CSM) a otro (el LEM). Este es un cálculo que un estudiante de pregrado podría hacer en una clase de álgebra lineal. No es un cálculo de quema, y ​​ciertamente no es una cita.

2. Las operaciones normales dependían en gran medida del apoyo del control de la misión, incluidos los cálculos informáticos y las pruebas del simulador. Los cálculos críticos se realizaron en el Centro de Computación en Tiempo Real, los parámetros necesarios se transmitieron por radio a la tripulación y los parámetros se ingresaron en la computadora de guía de la nave espacial. Una misión lunar completa requería unas 10.500 pulsaciones de teclado .

   Como señaló Organic Marble, los astronautas escriben estos parámetros (y normalmente los vuelven a leer) antes de introducirlos en la computadora. Los astronautas reciben formularios (PAD) para anotar los parámetros.

   Algunos cálculos eran tan difíciles que incluso las computadoras de guía a bordo de la nave espacial no podían manejarlos; se quedaron para las computadoras en la Tierra. Por ejemplo, el LEM ascendiendo desde la luna, para encontrarse con el CSM en órbita:

   Calcular la velocidad necesaria para esta maniobra es más que simplemente elevar el pericinthion, ya que se deben tener en cuenta otros parámetros orbitales, además de mantener la delicada relación entre el CSM y el LM. Estas complejidades están más allá de la capacidad de la memoria limitada de la computadora de guía LM. En lugar de seleccionar un programa específico para realizar la maniobra Boost, los cálculos se realizarán en el Centro de Cómputo en Tiempo Real (RTCC) y se transmitirán a la tripulación del LM.

   https://history.nasa.gov/afj/loressay.html (cerca de la parte inferior)

   Si las computadoras de la nave no pueden manejar este cálculo, hay pocas posibilidades de que los astronautas puedan hacerlo.

   Las dos funciones esenciales, la determinación de la órbita y la orientación, no se pueden realizar a bordo de la nave espacial.La razón por la que estoy haciendo un punto tan importante sobre esto es probablemente obvia. Reunir técnicas de misión con un sistema G&N como ese es mucho más complicado que si todo el trabajo pudiera realizarse a bordo de la nave espacial sin ayuda externa. Se debe transmitir una gran cantidad de datos entre la nave espacial y el suelo, y el contenido y el formato de estos datos deben ser completos y compatibles con precisión. Además, en lugar de que solo los tres tripulantes estén involucrados en la operación, es decir, entendiéndola y llevándola a cabo, debemos involucrar a todo el complejo de control de vuelo. Esto hace que el trabajo durante el vuelo, por supuesto, sea más complicado, pero, créanme, también hace que el trabajo de planificación sea algo más. Muchas opiniones diversas sobre la tarea de planificación se expresan sin vacilación ni inhibición.

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

3. El control de la misión transmitió parámetros por radio antes de cada encendido. En algunos casos, enviarían los parámetros de dos quemaduras sucesivas por adelantado. Esto fue especialmente importante para la inserción orbital lunar, que ocurrió en el lado opuesto de la luna, sin contacto por radio.

4. Apollo siguió estrictamente los planes de vuelo que incluían listas de verificación de "ir / no ir". Un ejemplo se puede ver en las tablas aquí . La pérdida de la computadora de guía o de la comunicación fue un "no-go" para todas las operaciones excepto las más esenciales.

5. Los astronautas practicaron solo en aquellas contingencias que tenían un plan de contingencia. La práctica ayudó a refinar estos planes, pero los astronautas nunca improvisaron un plan completamente nuevo. Solo había 20 planes de contingencia:

   En el momento de la misión Apolo 17, se desarrollaron cinco planes de misión alternativos distintos, 20 planes de contingencia y ocho planes alternativos de órbita lunar.

   Informe resumido del programa Apolo , página 6-23

   Aproximadamente el 40 % del tiempo de entrenamiento de los astronautas del Apolo transcurrió a través de estas 20 contingencias en los simuladores. Sin embargo, no tuvieron tiempo de probar combinaciones de más de una emergencia. Esta cita de Chris Craft ilustra que se esperaba que la mayoría de las situaciones se manejaran en el control de la misión:

   En Apolo, como en cualquier otra misión espacial compleja, es prácticamente imposible desarrollar planes de premisión para cada contingencia que pueda surgir durante el vuelo. Aunque se desarrollan planes específicos para todas las potencialidades de aborto que involucren la seguridad de la tripulación. la mayoría de las misiones alternativas se desarrollan en función de la clase mediante el uso de la prueba alternativa y los objetivos de la misión. Sin embargo, el planificador de misiones en tiempo real recibe una poderosa variedad de programas informáticos de planificación de misiones que mejoran su capacidad para gestionar cualquier contingencia. Mediante el uso adecuado de estos programas informáticos en línea, se pueden desarrollar planes de misión alternativos en tiempo real y, por lo tanto, pueden aumentar las actividades de planificación previa a la misión.

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

6. El plan de contingencia para una pérdida de comunicaciones era continuar usando programas de computadora de guía (o la computadora de aborto), usando parámetros que previamente se habían transmitido por radio desde el control de la misión:

7. El "sextante" no es lo que crees que era. Nunca hubo un sextante de mano. Había dos dispositivos en el CSM (el sextante y el telescopio óptico) y un dispositivo en el LEM (el Telescopio Óptico de Alineación); todos estaban atornillados al casco de la embarcación. Los tres fueron leídos electrónicamente por las computadoras de guía, para calibrar la representación de la computadora de la orientación de la nave espacial.

   En el CSM, un astronauta mueve el joystick, que (a una velocidad controlada por un interruptor) hace girar los motores del eje y del muñón. El eje y el muñón están conectados a prismas en el sextante y el telescopio óptico. Esto permite al astronauta alinear el instrumento con una estrella. Cuando la estrella está alineada, el astronauta presiona un interruptor. La rotación del eje y el muñón produce una señal analógica (¿un potenciómetro?) que la computadora de guía convierte de analógico a digital.

   No hay diales para que un humano lea las rotaciones del eje y el muñón. Los dispositivos dependen completamente de la computadora de guía. Si la computadora de guía está muerta, confía en las instrucciones del control de la misión.

   El telescopio del LEM se gira primero a una de las seis posiciones de detención gruesa. Luego diriges la nave (¡con la computadora de guía!) hasta que la estrella esté alineada. No lees un número en una escala; presiona los botones para decirle a la computadora de guía que la estrella está alineada.

   El astronauta selecciona un retén y la estrella particular que desea usar. Luego maniobra el LM para que la estrella seleccionada caiga dentro del campo de visión del telescopio. El astronauta ingresa la posición de retención específica y un código asociado con la estrella seleccionada en la computadora de guía usando el DSKY. Luego se maniobra el LM para que la imagen de la estrella cruce el punto de mira de la retícula. Cuando la imagen de la estrella coincide con la línea Y, el astronauta presiona el botón de la marca Y; cuando coincide con la línea X, presiona el pulsador de marca X. El astronauta puede hacer esto en cualquier orden y, si lo desea, puede borrar la última marca presionando el botón de rechazo. Cuando se presiona un botón de marca, se envía una discreta a la computadora de guía.

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

   La mira en la retícula del LEM se puede girar y hay un dial que muestra este ángulo. Pero esto también implica maniobrar la nave espacial:

   076:24:39 Lovell: Oye, apuesto a que sé cómo podría obtener una alineación. Dales un ángulo de espiral de cursor. En lugar de maniobrar la nave espacial, les daré la espiral del cursor. [Pausa.]

   A través del ocular del AOT, un tripulante ve una retícula o retícula que muestra una línea radial y una espiral. El patrón se puede rotar para que primero, la línea radial coincida con una estrella, lo que produce un ángulo de 'eje', luego se gira nuevamente para hacer que la espiral coincida con la estrella, lo que produce el ángulo de 'retícula'. La computadora puede combinarlos para derivar un vector preciso a la estrella. Un medio alternativo de derivar un vector a la estrella es maniobrar la nave espacial para que la estrella cruce las líneas X e Y, marcando cada vez que lo haga. Es este método el que Mission Control no quiere que la tripulación use, ya que significa sacar a la nave espacial de su actitud actual.

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

   Entonces, sin una computadora de guía que funcione, no puede obtener la orientación del CSM, y el telescopio del LEM funciona cambiando la actitud de la nave espacial.

8. Algunas maniobras tenían más de un programa que podía usarse. El plan de contingencia era usar otro programa. Por supuesto, esto depende de una computadora que funcione.

9. El CSM y el LEM tenían cada uno su propia computadora de guía e instrumentos ópticos, y si no funcionaban en una nave espacial, el plan de contingencia era usar el conjunto en la otra nave espacial para ayudar. Los instrumentos, el radar de acoplamiento en el LEM y el sistema de medición de distancia VHF en el CSM podrían ayudar:

   A bordo del CSM, el Piloto del Módulo de Comando también estaba tomando sus propias marcas de distancia y posición relativa. La información de distancia al LM se obtuvo de un sistema de medición de distancia VHF, donde el LM transmitía una señal en la banda de frecuencia VHF que era recibida por el transpondedor del CSM. Los datos angulares se obtuvieron ubicando el LM por su luz estroboscópica brillante en la parte frontal del vehículo, a través del sextante del módulo de comando. Con esta distancia y posición del LM, la computadora del CSM podría calcular la misma posición y grabar información que la computadora del LM podría hacer con los datos del radar de encuentro.

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

   Las computadoras de guía en ambas naves tenían el mismo diseño y la mayoría del software se compartía en ambas naves. En particular, cualquiera de las naves podría usarse como la nave "activa" de un encuentro. Una contingencia específica para la pérdida de la computadora de guía del módulo lunar fue ponerlo en órbita (a través de la computadora de cancelación o manualmente) lo mejor que se pudo hacer, y luego hacer que el CSM (con su computadora de guía y el apoyo del control de la misión) viniera Consíguelo.

   Nuevamente, esto depende de una computadora (aunque en la otra nave).

10. El seguimiento también se realizó desde la Tierra, aunque mucho menos preciso que lo que se podría lograr a bordo. Si la guía está disponible en ambas naves espaciales, esto fue pensado como una copia de seguridad. Sin embargo, esto depende de que la comunicación funcione con la Tierra.

11. Los motores principal y RCS normalmente estaban controlados por la computadora de guía, incluidos los ajustes de actitud "manuales". Aunque los astronautas controlaron tales maniobras manuales con un joystick, aún pasó por la computadora de guía, que podría acelerar el sistema RCS usando modulación de ancho de pulso.

    Si la computadora de guía fallaba, el CSM tenía un sistema de respaldo llamado Sistema de Estabilización y Control, que tenía su propio conjunto de giroscopios que podían restaurar la actitud (pero eso no es una quemadura del motor principal).

    De lo contrario, todos los motores podrían encenderse manualmente. El joystick pasó por el Ensamblaje de Control Traslacional de Actitud hasta el RCS. En el peor de los casos, necesitarían la ayuda del control de la misión para estimar los tiempos de encendido del motor principal, lo que requeriría comunicación con computadoras en la Tierra.

Como puede ver arriba, el plan de contingencia para la pérdida de la computadora de guía se basó en la comunicación con el control de la misión, y el plan de contingencia para la pérdida de comunicaciones se basó en la computadora de guía. No entrenaron para que ambos sucedieran juntos y, francamente, significaría algo aún más grave, como una pérdida total de energía eléctrica o daños por meteoritos. No es de extrañar por qué la película Apolo 13 los muestra enloqueciendo por apagar el CSM antes de que se encienda el LEM.

Simplemente no puede evitar usar una computadora, incluso si significa una en la Tierra.