Till månen och tillbaka

Med tanke på allt som har sagts och skrivits de senaste åren om att flera länder planerar för en ny mänsklig närvaro på ytan av vår närmaste granne i rymden, månen, är det kanske också dags att ta en stund för att hedra en pionjär från de första månlandningarna för över 50 år sedan.

Om du hör namnet ”Margaret Hamilton” tänker du kanske först på 1930-talets kända skådespelerska som spelade den grönansiktade ”Elaka häxan från väst” i filmklassikern Trollkarlen från Oz från 1939. Men det är inte den Hamilton vi menar här, utan kvinnan som ledde utvecklingen av den mjukvara som säkert lotsade Apollo-astronauterna till månen och hem igen.

Det offentliggjordes nyligen att Margaret Hamilton (1936–2026) avlidit, men hon gick bort redan den 30 september. Hon var kanske inte ett namn som alla känner igen—om man inte är särskilt intresserad av rymdhistoria—men hennes insatser inom mjukvaruteknik (software engineering), ett begrepp hon själv myntade och som senare blev branschstandard, var ovärderliga för att tolv astronauters fotspår kunde sättas på månytan.

Efter studierna arbetade Hamilton inledningsvis med abstrakt matematik, men hittade sedan vägen till programmering genom att utveckla program för väderprognoser. 1961 började hon arbeta på Massachusetts Institute of Technology, MIT, och redan 1965 engagerade hon sig i arbetet med Apollo Guidance Computer, AGC. Hon blev expert i projektet och utsågs till chef för den nya avdelningen för mjukvaruteknik vid MIT. Där ledde hon teamet som skrev och testade all ombord mjukvaran för Apollo-farkosterna: kommando- och servicemodulen (CSM) och månlandaren (LM). Senare kom arbetet också att omfatta USA:s första rymdstation efter Apollo-programmet, Skylab. Att skicka en rymdfarkost från jorden till månen, vår enda naturliga satellit, är inte så enkelt som det låter. Eftersom och månen rör sig i sin bana och det tar tid för farkosten att resa, måste man sikta med framförhållning, det vill säga där månen kommer att vara, när farkosten till slut kommer fram. Detta liknar i hög grad hur en god skytt måste förutse vart en lerduva flyger över himlen efter att den kastats, för att kunna träffa den. Någon beskrev en gång denna bedrift så här: att nå månen är som att försöka träffa en avlägsen humla som flyger förbi, med en 4,5 mm BB-kula från ett luftgevär, samtidigt som man sitter gränsle över en trähäst på en karusell i en nöjespark! Jag väntar ett ögonblick medan du försöker föreställa dig detta.

Detta berömda fotografi visar resultatet av Hamiltons grupps arbete: en enorm utskrift av datorkod som är lika hög som hon själv, vilket gör det möjligt att navigera till månen med CSM och LM sammankopplade, landa på månytan enbart med LM, återvända till CSM via LM, kasta av den onödiga LM så att den går in i omloppsbana runt månen, och sedan använda enbart CSM för att flyga tillbaka till jorden igen.

Under utvecklingen av navigationsprogrammet arbetade Hamilton och hennes team dygnet runt, sju dagar i veckan. År 1967 var hon ensamstående mamma och tog med sig sin fyraåriga dotter Lauren till laboratoriet vid MIT, där de hade en simulator för besättningsutrymmet i Apollo-kommandomodulen. Medan hennes mamma arbetade sysselsatte sig Lauren med att leka med saker i laboratoriet. Vid några tillfällen satt hon till och med i själva simulatorn, precis som hon ofta hade sett sin mamma göra.

Under en test av navigationsprogramvaran satt Lauren inne i besättningsmodulen och tryckte slumpmässigt på knappar medan hon lekte ”astronaut”. Den unga flickan tryckte på några tangenter på datorns DSKY-inmatningspanel (uttalas ”DISS-key”), vilket fick den att börja köra Program 01 (Prelaunch Initialization, Initialisering inför uppskjutning), eller P01. Simuleringen kraschade. Istället för att bli arg på sin dotter, när Hamilton tittade på de resulterande uppgifterna för att se vad som hade gått fel, noterade hon P01 inmatningen och det var mer än uppenbart varför simuleringen, som redan hade varit igång, kraschade. Apollo Guidance Computer trodde att kommandomodulen stod kvar på startplattan vid Cape Kennedy i Florida, så den förlorade omedelbart all aktuell information om var den skulle befinna sig i det tredimensionella rummet samt hur snabbt och i vilken riktning den färdades mellan jorden och månen. Istället försökte datorn orientera sig på nytt med rymdfarkosten placerad ovanpå Saturn V-raketen före uppskjutningen.

Detta var, milt sagt, en ganska allvarlig och oroande sak. Tänk om detta hade inträffat under en riktig månfärd? Hamilton påpekade detta för sina chefer både vid MIT och vid NASA, men de avfärdade hennes farhågor. Det var helt otänkbart att en välutbildad astronaut, som förmodligen en gång hade varit en välutbildad testpilot, skulle begå samma misstag som en fyraårig flicka. Nej, det var inget behov att göra några ändringar, trodde de i alla fall. Eftersom det inte fanns någon vilja att ändra programmet ansåg Hamilton att det bästa hon kunde just då var att ge astronauterna en förvarning i form av en anteckning i deras programvaruhandbok för AGC om att inte köra program P01 efter Saturn V:s uppskjutning under en äkta månresa.

Den slutgiltiga hårdvaran för Apollo Guidance Computer, tillverkad av Raytheon Company, var utformad för att passa in i ett specifikt utrymme i CSM och LM, oavsett dess kapacitet. En viktig egenskap var att den utgjorde en av världens första storskaliga tillämpningar av integrerade kretsar i en sådan anordning, och inkluderade även ett handkopplat dataminne. För varje navigationsdator som monterades ombord på kommando- och servicemodulen fanns en liknande enhet i månmodulen som skulle användas för själva landningen på månens yta.

Med dagens mått mätt var AGC ganska enkel, men den fyllde sin funktion. Hur kraftfull var den jämfört med något som vi känner idag? När Apples iPhone 5s lanserades i september 2013, var den redan 1 300 gånger kraftfullare än den navigationsdator som skickades till månen! Och precis som vilken annan smartphone idag som helst kunde man enkelt ha en iPhone 5s i fickan.

Låt oss ta en stund och betrakta all denna pågående mjukvaruutveckling och testning i samband med NASA:s aktuella tidsplan för bemannade rymdfärder. Apollo 7 var ett 11 dagar långt bemannat test av kommando- och servicemodulen (CSM – den från Apollo 15 syns på bilden till vänster) i omloppsbana runt jorden, vilket innebar att man hade en Apollo-navigeringsdator ombord. Nästa uppdrag, det ursprungliga Apollo 8, skulle bli testflygningen som även inkluderade månmodulen (LM – den från Apollo 11 till höger). Den skulle inte bara docka med CSM efter uppskjutningen, efter att ha kopplats loss från den övre, tredje steget av Saturn V-raketen, sedan separeras och flyga iväg över 100 km, för att återvända och åter docka sin övre halva med CSM, precis som astronauterna skulle behöva göra under en äkta månlandning.

Tyvärr hade konstruktionen och tillverkningen av landningsmodulen (LM) hos Grumann Aircraft Engineering Corporation (Grumann Aerospace efter 1969) hamnat efter i schemat och skulle inte bli klar i tid, så NASA utarbetade en djärv plan. För att hinna före Sovjetunionen, som enligt rykten planerade en egen flygning till månen, testa Apollo Guidance Computers långdistanskapacitet samt se hur personalen vid Mission Control skulle klara av att leda en sådan expedition tur och retur, varför inte skicka Apollo 8 till månen? Och det var precis vad de gjorde, vilket gjorde den till den första bemannade expeditionen till en annan värld.

Det var under Apollo 8:s rymdfärd i slutet av december 1968 som kommandomodulpiloten Jim Lovell av misstag aktiverade programmet P01 på navigationsdatorn. Lovell, som var ganska trött under återresan till jorden, matade av misstag in Program 01 (P01) i DSKY-inmatningen istället för Star 01, en rutin som används för att spåra en navigationsstjärna, vilket var vad han egentligen hade tänkt göra. En högt utbildad astronaut hade alltså gjort exakt samma sak som den fyraåriga Lauren Hamilton gjorde i MIT:s Apollo-simulator i Boston.

Som förväntat trodde Apollo-navigeringsdatorn nu, när programmet P01 kördes, att den befann sig på jorden i väntan på uppskjutning. Eftersom den ansåg att dess position var på marken före Saturn V-raketens uppskjutning raderade den omedelbart rymdfarkostens digitala uppgifter om dess position, hastighet och orientering i rymden. Och eftersom detta var den verkliga Apollo-kommando- och servicemodulen på väg hem från Månen, började dess små manöverraketer på utsidan av rymdfarkosten omedelbart avfyras för att tvinga farkosten till en startplattformsorientering med ”kapseln uppåt”, vilket ändrade den korrekta riktningen den borde peka i under flygningen.

Lyckligtvis fanns det en procedur för att ”hitta tillbaka” i rymden. Innan besättningen kunde lita på att använda datorn igen behövde Lovell ställa in en grundläggande kurs för rymdfarkosten. Genom att kringgå AGC tog han själv kontroll över styrraketerna för att stoppa rymdfarkostens rörelse och använde sedan kommandomodulens inbyggda manuella navigationsutrustning: dess optiska skanningsteleskop och sextant. Alla NASA-astronauter hade tränats, eller skulle komma att tränas, vid ett berömt amerikanskt planetarium vid University of North Carolina, så att de kunde känna igen de stjärnor som traditionellt används vid navigering på jorden. Lovell kunde manuellt lokalisera och sedan rikta in rymdfarkosten efter två av dessa framträdande navigationsstjärnor: Rigel (i Orion) och Sirius (i Stora hunden).

Under tiden, vid på kontrollcentralen på jorden, hindrade Margaret Hamiltons underliggande grundläggande styrsystem att huvuddatorn kraschade helt. Detta gjorde det möjligt för banberäkningsspecialisterna på jorden att snabbt beräkna en ny, korrigerad position och kurs för rymdfarkosten, men de var ännu inte ur farozonen.

Efter att Mission Control hade skickat de korrekta positionsuppgifterna via radio var besättningen på Apollo 8 tvungen att manuellt mata in flera hundra tangenttryckningar under de följande timmarna för att lägga in de korrekta koordinaterna och banekvationerna direkt i datorn. När dessa nya siffror väl hade laddats upp och bekräftats mot Lovells tidigare manuella stjärnobservationer av Rigel och Sirius, kunde Apollo Guidance Computer framgångsrikt beräkna var den befann sig mellan månen och jorden, och därmed återföra rymdfarkosten till en säker hemväg.

Till följd av den unga flickans misstag – som senare fick smeknamnet ”Lauren bug” och blev känt inom NASA – var det också då som de ansvariga övertygades om det kloka i Margaret Hamiltons tankegång ”Tänk om det händer”, och man enades om att ändringar måste göras. Dessa genomfördes inför nästa uppdrag, Apollo 9, där den nu färdigställda landningsmodulen (LM) testades i låg omloppsbana runt jorden.

Hamilton var egentligen aldrig direkt anställd vid NASA, utan arbetade på uppdrag av dem inom Apollo-programvaruteamet vid MIT Instrumentation Laboratory. Hon lämnade den akademiska världen omkring 1976 och grundade så småningom företaget Higher Order Software (HOS) tillsammans med en kollega från hennes AGC-programvaruteam vid MIT. HOS specialiserade sig bland annat på idéer inom felupptäckt och feltolerans, kunskaper som man tillägnat sig under arbetet med Apollo-programvaran. Omfattande testning under hela programutvecklingsprocessen och inbyggd programvarusäkerhet för att förhindra att mänskliga fel uppstår är, som man lätt kan förstå, viktiga frågor.

Margaret Hamilton tilldelades Presidential Medal of Freedom (Presidentens frihetsmedalj), USA:s högsta civila utmärkelse, för sitt arbete med att leda utvecklingen av den inbyggda flygprogramvaran för NASA:s Apollo-månuppdrag. Dåvarande presidenten Barack Obama delade ut priset den 22 november 2016. Hon var en av totalt 21 mottagare vid detta tillfälle, som var och en hade bidragit på sitt sätt till nationen.

Den kanske mest ovanliga utmärkelsen under hennes långa karriär var när Hamilton kom att ingå i LEGO Creator-setet ”Women of NASA” från 2017, tillsammans med rymdfärjeastronauterna Mae Jemison och Sally Ride samt Nancy Grace Roman, NASA:s första chef för astronomi. Roman var också den första kvinnliga chefen vid den myndigheten. Hon är även känd som ”Hubbles moder”, och det var efter henne som det nyligen lanserade ”Nancy Grace Roman Space Telescope” uppkallades.

Här kan du höra Margaret Hamilton själv berätta hur hennes unga dotter, Lauren, fick MIT:s Apollo-rymdsimulator att krascha, vilket ledde till att man införde förändringar som potentiellt räddade liv inför månlandningarna.

Tips till lärare: Om möjligt, visa artiklarna från webbplatsen på storbildskärm, så att eleverna kan följa med i texten medan du läser för dem. Tänk på att det även finns en engelsk versionen av varje artikel, som kan ge en bra chans till språkträning.



Text: Tom Callen