ACE-SC (Acceptance Check Out Equipment for Spacecraft)
La vérification automatisée du vaisseau spatial Apollo voit le jour à Cap Canaveral en 1961. Les ingénieurs de la division des opérations de pré-vol, membres du groupe de travail sur l'espace (Space Task Group), réalisent que les méthodes de lancement de Mercury ne répondent pas aux exigences d'Apollo. Les tests de pré-vol de Mercury ressemblent à ceux d'un avion. Une équipe d'essai travaille à partir d'un poste de commandement situé près du vaisseau spatial, tandis qu'un deuxième groupe surveille les résultats des essais dans une station éloignée. Pendant la vérification, des centaines de câbles passent par l'écoutille ouverte du cockpit, laissant à peine assez de place pour un astronaute ou un ingénieur d'essai. Il y a d'autres limitations. Au cours des opérations de pré-lancement, le vaisseau spatial doit se déplacer plusieurs fois, et chaque déplacement nécessite de déconnecter et de reconnecter les différents câbles de tests. Au fur et à mesure que la vérification se complique, le conducteur d'essai a de plus en plus de mal à coordonner les activités du vaisseau spatial et de la station de surveillance. Moins de 100 mesures télémétriques dans Mercury ont occupé la direction de l'instrumentation. Les 2 000 mesures prévues par les études de faisabilité d'Apollo rendent inévitable une certaine forme de vérification automatisée.
Le système ACE-SC (Acceptance Checkout Equipment for SpaceCraft) est un système informatisé qui permet un contrôle centralisé et programmé des opérations de vérification des engins spatiaux dans le cadre du programme Apollo. La plupart des changements dans l'évolution de la capacité du système ACE-SC se produisent dans les programmes informatiques. La conception initiale de l'ACE-SC est basée sur le concept d'une simple vérification, contrôlée par ordinateur, avec commande et réponse des systèmes du vaisseau Apollo. En raison des modifications apportées au développement du vaisseau spatial Apollo, des changements sont nécessaires au système ACE-SC pour répondre aux exigences de tests du programme.
La première mise à jour majeure concerne le logiciel du système de contrôle afin de répondre aux exigences des tests du système de guidage, de navigation et de contrôle du vaisseau spatial. La deuxième modification majeure est mise en œuvre pour optimiser l'utilisation de la mémoire de l'ACE-SC. En raison des problèmes associés à la réalisation des essais d'intégration du vaisseau spatial Apollo, l'approbation est donnée en février 1968 pour l'ajout d'une plus grande capacité de mémoire dans le système de vérification. D'autres améliorations sont apportées au système, notamment la capacité de compression automatique des données et le séquençage automatique des tests lors de la vérification des engins spatiaux.
Le système ACE-SC s'avére être un outil efficace ; cependant, plusieurs conditions indésirables apparaissent, qui doivent être corrigées dans les systèmes et procédures de contrôle utilisés pour les futurs programmes. Ces conditions peuvent être résumées comme suit :
1) L'ensemble des opérations au sol n'est pas intégré au système de contrôle au sol.
2) Différents systèmes de vérification sont utilisés pour le lanceur et l'engin spatial.
3) L'utilisation intensive d'équipements de tests spéciaux augmente les coûts du programme.
Le concept d'équipement d'essai universel qui est proposé, réduit considérablement ces conditions de la manière suivante :
1) Un équipement d'essai polyvalent, plutôt qu'un équipement d'essai spécial coûteux qui ne peut être réutilisé dans des phases d'essai ultérieures, doit être utilisé pendant les essais du fournisseur et la construction du sous-système.
2) L'équipement d'essai doit être modulaire et extensible pour répondre aux exigences des essais d'acceptation intégrés pendant les opérations de pré-lancement.
3) L'ensemble du complexe d'équipement d'essai doit être conçu de manière à utiliser beaucoup moins d'équipement d'essai au sol pour un essai intégré que celui utilisé dans le programme Apollo.
4) Une fois les essais en usine et d'acceptance d'intégration terminés, le matériel de test devra aussi être utilisé pour les essais opérationnels des engins spatiaux, ce qui permet d'éviter le développement coûteux d'un nouveau matériel.
5) L'équipement de test doit être conçu pour s'adapter facilement aux autres exigences de contrôle du programme de la NASA.
Le système ACE-SC offre des modes de fonctionnement manuel, semi-automatique et automatique pour permettre les tests des sous-systèmes, d'intégration de système et l'assistance au lancement. Le système ACE-SC comprend deux parties, à savoir (1) le sous-système de contrôle et (2) le sous-système d'affichage et d'enregistrement, également appelés respectivement sous-systèmes de liaison montante (Up-link) et de liaison descendante (Down-link).
Une station ACE-SC se compose de deux pièces principales d'équipement : une salle de contrôle et une salle informatique. La salle informatique contient deux ordinateurs à haute vitesse. La conception avancée du système permet un fonctionnement centralisé et préprogrammé. Au total, quatorze stations ACE-SC sont installées en divers lieux pour permettre des tests approfondis au cours des différentes étapes du cycle de vie du vaisseau spatial Apollo, à savoir de sa fabrication aux différentes étapes d'intégration jusqu'à la vérification avant le lancement sur la rampe de lancement :
- trois à l'usine North American de Downey (Californie) où est construit le CSM ;
- trois à l'usine Grumman de Bethpage (New York) où est construit le LM ;
- deux au MSC à Houston (Texas) où les engins sont testés dans des environnements spatiaux et lunaires simulés ;
- deux au MSFC à Huntsville, et :
- quatre au KSC en Floride dans l'aile de contrôle du MSOB, pour les vérifications lors de l'intégration de l'engin spatial dans ce même MSOB, l'intégration du vaisseau spatial et du lanceur dans le VAB (Vehicle Assembly Building) et les vérifications avant le lancement sur la pas de tir. La première station du KSC est devenue opérationnelle en mars 1965.
Sous-système de liaison montante
Les sous-systèmes de l'engin spatial contrôlés grâce à des modules de sélection qui activent des tests aléatoires (Selection To Activate Random Testing ou START) comprennent les sous-systèmes de contrôle de l'environnement, des piles à combustible et de cryogénie, d'alimentation et des événements séquentiels, de guidage et de navigation, de stabilisation et de contrôle, de propulsion, biomédical, d'instrumentation et de communication. es modules START facilitent une entrée appropriée pour les sélections de commandes, les sous-programmes informatiques ou les informations de l'ordinateur de guidage au vaisseau spatial.
Les consoles de vérification des sous-systèmes peuvent fonctionner simultanément avec les consoles des autres sous-systèmes et indépendamment de celles-ci. Chaque console dispose de diverses capacités de commande nécessaires pour l'essai et la vérification d'un sous-système particulier de l'engin spatial. L'ordinateur de liaison montante interprète et réagit aux commandes lancées par la console du sous-système. Une commande spécifique peut demander à l'ordinateur soit de lancer un test automatique, soit de transmettre une seule commande au vaisseau spatial. Les signaux générés par la station ACE-SC au sol sont transmis par des lignes physiques jusqu'au voisinage du vaisseau spatial, où les signaux de commande sont distribués par le système numérique de commande d'essai (Digital Test Command System ou DTCS). Des vérifications de transmission redondantes et des tests de vérification de transmission appropriés sont effectués pour assurer une confiance maximale dans la transmission correcte des commandes.
Sous-système de liaison descendante
Les données de test à traiter par l'équipement de liaison descendante proviennent des capteurs du vaisseau spatial, de l'équipement de bord et des équipements de support au sol (Ground-Support Equipment ou GSE). Elles sont transmises sous forme de données de modulation par impulsions et codage (Pulse-Code-Modulation ou PCM) en série à l'équipement d'enregistrement et d'affichage qui reçoit, enregistre et affiche les données de performances de l'engin spatial, selon les besoins de la procédure d'essai particulière en cours. L'équipement d'acquisition et de décommutation numérique se synchronise sur le flux binaire PCM série entrant, décommute les données et les achemine vers un traitement ou un affichage approprié (ou les deux). L'ordinateur de liaison descendante effectue le traitement requis, qui comprend des fonctions telles que des vérifications de limites prédéterminées, des conversions d'unités techniques, la compression de données et une variété de traitements spéciaux pour chaque sous-système de l'engin spatial. Les informations d'affichage sont transférées à un générateur de symboles et à une unité de stockage, qui génère des signaux d'affichage à caractères alphanumériques destinés à être afficher sur la console du sous-système approprié. L'affichage peut être des paramètres spécifiques qui clignoteront si la tolérance est dépassée, des sorties uniques basées sur des exigences de traitement spéciales ou d'informations d'état pour des séquences de test automatiques.
Exigences initiales du programme Apollo pour le système ACE-SC
Dès le début du programme Apollo, il est acté que l'ampleur des exigences des vérifications des modules de commande et de service Apollo (CSM) et du module lunaire (LM) empêchent l'utilisation d'un équipement de test manuel en raison du temps excessif qui, dans ce cas, aurait été nécessaire. Le système ACE-SC connait une évolution significative depuis les exigences initiales du programme Apollo jusqu'à sa capacité finale qui sera utilisée lors de la mission Apollo 11. Une grande partie de cette évolution se situe dans le système de programmation informatique ACE-SC, modifié pour répondre à l'évolution des exigences de test à mesure que les missions deviennent plus complexes. Les exigences initiales imposées au système ACE-SC pour les premières phases de test du programme Apollo sont basées sur le concept d'une vérification simple, contôlée par ordinateur, des commandes et des réponses du vaisseau spatial Apollo. La capacité de tester simultanément plusieurs sous-systèmes du vaisseau spatial à partir d'une station au sol ACE-SC fait également partie des exigences initiales. Fondamentalement, les exigences comprennent la capacité d'exécuter les fonctions suivantes :
1) Envoyer une grande variété de stimuli de test au vaisseau spatial à partir de n'importe quelle console de sous-système ACE-SC
2) Surveiller et afficher plusieurs centaines de paramètres de l'engin spatial en temps réel
3) Assurer un traitement spécial et un formatage d'environ 400 paramètres de l'engin spatial pour un affichage en temps réel
4) Fournir une documentation complète des tests en enregistrant toutes les commandes, en enregistrant numériquement tous les paramètres hors limites, en enregistrant toutes les données PCM brutes et tous les paramètres sélectionnés sur des enregistreurs à bande.
Évolution du système ACE-SC
En raison du développement évolutif du vaisseau spatial Apollo, des modifications sont apportées au système ACE-SC pour répondre aux exigences des tests. Le nombre de paramètres du vaisseau spatial à traiter augmente considérablement tout au long du programme. Des programmes informatiques spéciaux doivent être écrits pour réaliser les essais du sous-système de guidage et de navigation (PGNCS ou Primary Guidance Navigation and Control System), pour assurer la commande automatique de la mise à feu statique du moteur du SPS, pour contrôler les essais d'altitude simulée, pour assurer l'extraction d'urgence et la sécurisation du vaisseau spatial, ainsi qu'à de nombreuses autres exigences.
Des exigences accrues
Les premiers changements majeurs apportés aux capacités du système ACE-SC sont la modification du logiciel du système. Ces changements sont nécessaires afin de répondre aux exigences des tests du sous-système de guidage et de navigation. Ces modifications facilitent l'interprétation par le système ACE-SC des sorties numériques du calculateur de guidage, le chargement des tests de guidage et de navigation à partir du système ACE-SC et l'enregistrement des données spéciales du calculateurs de guidage. En outre, le logiciel du système ACE-SC est étendu pour permettre l'ajout de paramètres supplémentaires pour l'engin spatial et de certaines fonctions spéciales de traitement des données en temps réel.
Limites de la mémoire
Une autre modification majeure du logiciel système est effectuée en raison des limitations de la mémoire du système ACE-SC. L'ajout de nombreux paramètres sur l'engin spatial, d'exigences de traitement spéciales et de nouvelles exigences en matière de GSE et de soutien au lancement au KSC font en sorte que la capacité de mémoire du système ACE-SC est dépassée en 1966. La capacité de mémoire du système ACE-SC ne peut pas être augmentée à l'époque ; par conséquent, un effort important est entrepris pour réécrire le logiciel du système, en mettant l'accent sur la conservation de l'espace mémoire. Le logiciel du système est modifié pour permettre d'appeler des charges d'essai alternées, ce qui entraîne une sérialisation des essais et limite la quantité d'essais intégrés qui peuvent être réalisés. Les programmes et les sous-programmes de contrôle sont intégrés, et des sous-programmes communs sont utilisés dans la mesure du possible pour conserver la mémoire de l'ordinateur. Le problème immédiat est que la capacité de traitement de l'ordinateur est dépassée lorsque de nouveaux programmes sont ajoutés pour répondre aux exigences croissantes des tests. Les compromis entre la capacité de mémoire et le temps de traitement de l'ordinateur doivent être examinés attentivement pour chaque exigence de vérification afin de s'assurer que l'efficacité optimale du logiciel du système soit obtenue. Les systèmes de vérification des futurs programmes doivent être conçus pour une adaptation modulaire (à la fois du matériel et du logiciel) à des exigences de test et de vérification différentes et croissantes.
Expansion de la mémoire du système ACE-SC
Au fur et à mesure de l'évolution des activités d'essais et de vérifications, il devient évident qu'une capacité de mémoire supplémentaire pour le système ACE-SC est nécessaire. La sérialisation des essais, chez le maître d'œuvre du LM (Grumman à Bethpage) et au KSC, en raison de l'alternance des charges des programmes informatiques, a un impact intolérable sur le calendrier si la capacité de mémoire supplémentaire n'est pas fournie. L'ajout d'une capacité mémoire de 24 000 mots est approuvé en février 1968, et des modifications sont apportées au logiciel pour permettre l'utilisation de cette mémoire supplémentaire.
Techniques de compression des données
La quantité de données à traiter dans le cadre du programme Apollo devient un tel problème que le bureau du programme Apollo exige de pouvoir réduire de manière significative cette multitude de données. Une modification de la conception du décommutateur du système ACE-SC lui permet donc d'effectuer des vérifications de limites fixes et dynamiques (sur un changement supérieur à 1,2 % ou sur tout changement de données) en conjonction avec un programme informatique qui n'enregistre que les changements importants sur les bandes numériques. En outre, cette modification soulage l'ordinateur de certaines de ses fonctions de contrôle de limite de routine et prévoit la transmission de données à l'ordinateur en mode d'accès direct. En prévoyant la transmission des données à l'ordinateur en mode d'accès direct. Dès lors, une étape importante est franchie vers la réalisation de la capacité de séquençage automatique des tests pendant les essais et la vérification du vaisseau spatial Apollo.
Séquences de test automatiques
L'une des étapes les plus importantes de l'évolution des capacités d'essais et de vérifications du programme Apollo est la mise en œuvre d'un programme informatique, appelé Adaptive Intercommunications Routine (ADAP). L'ADAP permet à l'ACE-SC de réaliser un séquençage automatique des tests en boucle fermée. Le terme "adaptatif" fait référence à la capacité du programme à s'adapter aux nouvelles exigences de test et à ajouter de nouvelles séquences de test sans affecter les autres fonctions du programme informatique.
Le terme "intercommunications" fait référence aux aspects en boucle fermée des programmes, qui permettent de transmettre des commandes en liaison montante à l'engin spatial, de recevoir la réponse en liaison descendante et de lancer l'action appropriée dans un mode entièrement automatique. L'état des opérations automatiques est affiché dans la salle de contrôle de l'ACE-SC, et une capacité appropriée d'annulation et de redémarrage-recyclage est prévue. Les séquences d'essais sont appelées à partir d'une bande numérique, selon les besoins de la procédure d'essai. Avant la mise en œuvre du programme ADAP, il n'existait aucune capacité de fournir un traitement spécial des données de contrôle sans arrêter le test ou passer à une autre station ACE-SC disponible. Ce problème est quelque peu atténué en utilisant la zone de mémoire de séquence de test ADAP et en chargeant des programmes spéciaux de réduction de données pour prendre en charge les exigences de "quick-look".
Le premier test majeur du système ACE-SC au KSC a lieu lors de la vérification d'Apollo 009 (mission AS-201) à la fin de 1965. L'équipe dirige la vérification depuis une salle de contrôle située dans le bâtiment des opérations et des vérifications (OCB pour Operations and Checkout Building). Les ingénieurs des opérations et de North American, travaillant par paires, testent les neuf systèmes fonctionnels : communications, instrumentation, SPS et RCS, stabilisation et contrôle, guidage et navigation, puissance et séquence, pile à combustible et cryogénie, communications aéromédicales et vocales, et contrôle environnemental. Les commandes sont lancées à partir des consoles de test. Par exemple, un ingénieur peut tester le niveau de fréon dans le système de contrôle environnemental du CM. Son signal est transmis à l'ordinateur de commande pour être converti en instruction binaire. Le message numérique parcourt un chemin électrique complexe jusqu'au vaisseau spatial, où il déclenche un capteur dans le CM. Ce capteur note l'état du fréon et transmet une réponse appropriée. L'équipement d'acquisition de données renvoie le signal à un ordinateur d'affichage, qui traite le message pour le présenter sur la même console de test d'où la commande est partie quelques secondes plus tôt. Les ordinateurs de commande et d'affichage ainsi que la plupart des équipements d'acquisition et d'enregistrement des données se trouvent dans une salle informatique de l'ACE-SC.
Trois groupes différents de capteurs obtiennent des données concernant le vaisseau spatial Apollo : les équipements de service au sol, les équipements embarqués qui sont retirés avant le vol et les capteurs intégrés au vaisseau spatial. Un câble coaxial et une radio relient les différents capteurs aux salles de contrôle de l'OCB. Là, les données empruntent un des trois chemins possible dont le plus important, du point de vue de l'affichage en temps réel, est l'ordinateur d'affichage. Ses fonctions consistent à comparer les mots machine pour déterminer si les données se situent dans des limites prédéterminées, à convertir les données en unités techniques (comme l'augmentation de la chaleur en degrés par seconde) et à générer des signaux qui produisent des affichages alphanumériques sur les consoles. Le système d'affichage est impressionnant mais pas infaillible. Un ingénieur se souvient que lors de son premier jour de fonctionnement, la console leur a souhaité la bienvenue : "GOOD MORING." l'ACE-SC a échoué à son premier test d'orthographe.
Pendant les missions lunaires, quatre salles de contrôle sont utilisées pour la vérification des engins spatiaux : une salle principale et une salle de soutien (backup) pour les modules de commande et de service, et une autre paire pour le LM. Chaque salle dispose de 20 consoles maîtres et des consoles esclaves supplémentaires. Ces dernières affichent les mêmes données que les consoles maître, mais ne permettent pas de sélectionner les informations. Neuf moniteurs de télévision diffusent des images provenant de caméras portables situées autour du vaisseau spatial. Les moniteurs suspendus font partie d'un réseau de télévision opérationnel qui transmet les images du vaisseau spatial et du véhicule de lancement au centre de contrôle du lancement et à l'installation centrale d'instrumentation, ainsi qu'à l'OCB. Bien que l'équipement a une apparence similaire, les configurations diffèrent, en fonction des exigences de systèmes particuliers. Pendant les vérifications, entre 40 et 50 personnes occupent chacune des salles de contrôle principales. Dans les salles de backup, les consoles sont maintenues en fonctionnement mais ne sont généralement pas occupées. Chaque salle de contrôle est soutenue par une salle d'ordinateurs avec son équipement de liaison montante et descendante.
Le saviez vous? À l'origine le terme ACE-SC avait pour dénomination "SPACE" (pour Spacecraft Prelaunch Automatic Checkout Equipment). Les responsables du Cap ont changé le titre en Prelaunch Automatic Checkout Equipment for Spacecraft, PACE-S/C, pour découvrir que PACE était déjà un nom légal. Ils ont alors abandonné le terme "Prelaunch" et changé le terme "Automatic" en "Acceptance".
Sources : livre "Moonport: A History of Apollo Launch Facilities and Operations",
PDF "Apollo experrience report acceptance checkout equipment for the Apollo spacecraft",
PDF (livret préparé par General electric) "Ground Support Equipment for project Apollo".
Texte traduits de l'anglais par Paul Cultrera, tous droits réservés.