05.03.1984

Schwebende Kugeln

Mit immer phantastischer anmutender Präzision lenken automatische Navigationssysteme Flugkörper ins Ziel - neuerdings auch mit Hilfe von Laserstrahlen. *
Wie gewohnt, rollte Kommandant Charles Collins mit seiner Maschine, einem viermotorigen Bomber vom Typ B-29, an den Start. Collins zog die Gashebel der Triebwerke auf, dröhnend rumpelte die B-29 über die Startbahn von Bedford im US-Staat Massachusetts. Außer dem Kommandanten befanden sich, an jenem 8. Februar 1953, an Bord: ein Kopilot, ein Navigator und acht Wissenschaftler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Nach dem Start drehte Oberst Collins die Nase der Maschine nach Westen. Dann geschah, was für einen Piloten der 50er Jahre unvorstellbar schien: Collins gab Steuerknüppel und Pedale frei. Führerlos, wie ein Geisterschiff am Himmel, zog das Flugzeug seine Bahn, quer über den amerikanischen Kontinent.
Nach zwölf Flugstunden und einer Flugstrecke von 4000 Kilometern landete die B-29 in Los Angeles. Entnervt räumte Kommandant Collins nach der Landung seinen Pilotensitz. "Ihr habt Grund zu feiern", verabschiedete sich der Oberst von den Wissenschaftlern, "ich aber habe meinen Job verloren."
Die automatische Steuerung, die bei dem historischen Flug vor 31 Jahren erstmals erprobt wurde, ist aus der zivilen und militärischen Luft- und Raumfahrt, aber auch der modernen U-Boot- und Raketentechnik nicht mehr wegzudenken. Mehr als zwei Tonnen, soviel wie eine Rolls-Royce-Limousine, wog damals noch die Apparatur.
Heute ist sie, etwa in modernen Langstrecken-Jets, auf die Größe eines Schuhkartons geschrumpft: Über Tausende von Kilometern führt das sogenannte Trägheitsnavigationssystem ("Inertial Navigation System", INS) Flugzeuge, Atom-U-Boote und Raketen unbeirrbar ans Ziel. (Auch die von den Sowjets abgeschossene koreanische Verkehrsmaschine geriet, wie Experten annehmen, nicht vom Kurs ab, weil das INS versagte, sondern weil die Piloten falsche Daten eingetippt hatten.)
Doch schon hat sich die "stille Revolution", wie Experten sie nennen, auf dem Gebiet der Navigationstechnik weiter voranbewegt. Waren bisher Kreisel-Schwungmassen das Herzstück von INS-Anlagen, so führt künftig die Laser-Technik zu immer höherer Präzision und Verläßlichkeit: Ein winziger Ring, in
welchem Laserstrahlen umlaufen, lenkt beispielsweise die neue amerikanische Antisatellitenrakete, von der ein erster Prototyp Ende Januar getestet wurde. (Die Rakete, 5,20 Meter lang, rotiert aus Stabilitätsgründen 20mal pro Sekunde um die eigene Längsachse; sie wurde gestartet von einem F-15-Jäger über dem Testgebiet der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien.)
Laser-Steuerung, in Verbindung mit Mikroprozessoren, wurde auch schon eingebaut in die jüngste Generation von Linienjets, etwa in den Airbus A 310 und die Boeing 767 - vorläufiger Höhepunkt einer Technik-Entwicklung, die mit der Erfindung des mittlerweile 83jährigen Amerikaners Charles Draper kurz nach dem Zweiten Weltkrieg begann.
Von der U.S. Air Force hatte Draper damals den Auftrag erhalten, über Steuerungssysteme nachzusinnen, die amerikanischen Bombern auch bei Schlechtwetter ohne Funkfeuer und Radarhilfe den Weg weisen könnten.
Draper nutzte ein Prinzip, dessen sich Ingenieure schon beim Bau der ersten Kreiselkompasse für Schiffe bedient hatten: In Drehung versetzte, frei aufgehängte Kreisel behalten die Richtung ihrer Rotationsachse bei, auch wenn das Schiff (oder Flugzeug) seine Bewegungsrichtung ändert. Ein System von drei Kreiseln bildet eine "Bezugsplattform", die gegen den rollenden, nickenden und gierenden Flugzeugrumpf stets im Lot und strikt nach Norden ausgerichtet bleibt (siehe Graphik Seite 215).
Draper kombinierte eine solche Kreisel-Plattform mit Meßgeräten, die Sekunde für Sekunde die Beschleunigung des Flugzeugs, bezogen auf die Plattform, in allen drei Bewegungsrichtungen registrierten. Von (damals noch voluminösen) Computern fortgerechnet, ergaben sich so jeweils Standort, erforderliche Kurskorrektur und entsprechende automatische Befehle an Triebwerke und Ruder - so kam die instrumentenschwere B-29 an ihr Ziel.
Mehr noch als die verblüffende navigatorische Leistung des ersten "Auto-Piloten" faszinierte die US-Luftwaffe die Fähigkeit des Draper-Gerätes, einen Kurs ohne Funk- oder Sichtflughilfen zu steuern. "Die Trägheitsnavigation", begeisterten sich Luftwaffen-Experten, "beschert uns ein von außen völlig unbeeinflußbares Steuergerät für Raketen" - einmal abgefeuert, konnte ein trägheitsgesteuertes Projektil nur mehr durch einen direkten Treffer vom Kurs abgebracht werden.
Bereits 1962 hatten MIT-Wissenschaftler und Industrieforscher den Navigationskoloß der B-29 so weit verkleinert, daß er in den Kopf der "Titan"-Interkontinentalraketen paßte: Die plumpen Beschleunigungsmesser waren zu kinderfaustgroßen Kompaktsystemen geschrumpft; statt der in Kugellagern rotierenden Kreisel wurden flüssigkeits- oder gasgelagerte Justiermassen verwendet;
Mikroprozessoren ersetzten die riesigen Bordrechner der B-29.
Bald reiften die Trägheitsnavigationsanlagen zu höchster Sensibilität. "Könnte ich ein Haar in 450 Fasern spalten und eine Faser unter ein INS schieben", so erläuterte ein Ingenieur des amerikanischen INS-Herstellers Sperry Gyroscope, "das Gerät würde es registrieren."
Um die hochempfindlichen Instrumente eichen zu können, errichteten Hersteller wie Honeywell ihre INS-Labors abseits befahrener Straßen, fern von Meeresküsten und Baumgruppen: Die von Automobilen, Meeresbrandung und windbewegten Bäumen ausgehenden Schwingungen würden eine Justierung der Trägheitsinstrumente ungenau machen. Schon die Instrumente der 60er Jahre verhalfen der Waffen- und Raumfahrttechnik zu bis dahin unvorstellbaren Navigationsleistungen. Den Titan-Interkontinentalraketen folgten "Minuteman"-Raketen, die mehr als doppelt so zielgenau waren wie ihre Vorgänger. _(Zielabweichung der Titan II (in Dienst ) _(gestellt 1963): 1300 Meter; ) _(Zielabweichung der Minuteman II (in ) _(Dienst gestellt 1966): 500 Meter. Beide ) _(Angaben betreffen den sogenannten ) _("Circular Error Probable" (CEP), das ) _(heißt: 50 Prozent der Sprengköpfe ) _(treffen innerhalb der genannten ) _(Zielkreise. )
In den Tiefen der Ozeane kreuzten Atom-U-Boote wochenlang mit genauer Kenntnis ihrer Position. Eine trägheitsgesteuerte Raketenkombination, das Saturn 5/Apollo-Gespann, brachte im Juli 1969 das erste bemannte Raumschiff auf den Mond. Die Astronauten von Apollo-11, erinnert sich Draper, waren von den beim MIT entwickelten INS-Geräten tief beeindruckt. "Ich hatte sie soweit", schmeichelt sich der ehemalige MIT-Forscher, "daß sie die Bergungsschiffe nach 380 000 Kilometern Rückreise vom Mond anwiesen, nicht genau zum vorberechneten Aufschlagpunkt zu laufen - die hatten Angst, mit den Schiffen zu kollidieren."
Die derzeit empfindlichsten Trägheitsnavigationssysteme werden in die Köpfe der amerikanischen "MX"-Raketen eingesetzt. Dabei bestehen die Kreiselsysteme aus kleinen Beryllium-Hohlkugeln, die sich in Keramikhüllen drehen: Reibungsfrei, allein von elektrostatischen Kräften in der Schwebe gehalten, rotieren die Kugeln in einem Vakuum.
Der Wegfall praktisch aller Reibungskräfte erhöht die Zuverlässigkeit ins bislang Unvorstellbare. Lichtstrahlen messen, anhand bestimmter Oberflächenmarkierungen auf den Kugeln, auch noch die feinsten Kursänderungen der Raketen, leistungsfähige Mikrocomputer werten die Messungen aus und steuern die MX-Triebwerke. Resultat: Über eine Distanz von 13 000 Kilometern soll die MX (Reagan: "Friedenswahrer") ihre Atomsprengköpfe mit einer Abweichung von weniger als 120 Metern (CEP) ins Ziel tragen.
Welch unvorstellbare Präzisionsarbeit nötig ist, eine solche Treffgenauigkeit zu erreichen, errechnete der MIT-Physiker und Waffenexperte Kosta Tsipis: Wiesen die INS-Kreisel der MX-Rakete auch nur eine Unwucht von wenigen hundertmillionstel Zentimetern auf, würde allein diese Winzigkeit das Projektil um weitere 60 Meter aus dem Ziel lenken.
Die nächste, potentiell noch genauere INS-Generation gibt es nun in Form der Laser-Navigationsgeräte. Die "Ring Laser Gyros", hergestellt bei Honeywell, gelten unter Experten als "technologischer Quantensprung". Dabei handelt es sich erstmals um ein Navigationssystem, in dessen Herz keine Justiermassen mehr rotieren.
Statt kreiselnder Massen messen im Inneren der Geräte zwei Laserstrahlen jede Richtungsänderung des Flugkörpers. Die beiden haarfeinen Strahlen, von Spiegeln in ihren Kurs gezwungen, durcheilen gegenläufig eine geschlossene, dreieckige Röhre. Wird dieser Lichttunnel auch nur geringfügig aus seiner Ausgangslage gekippt, so verändern sich die Weglängen für die beiden Strahlen und damit, den Gesetzen der Physik folgend, auch ihre Wellenlängen. Die Änderungen der Wellenlängen werden von geeigneten Detektoren registriert.
Der Vorteil des Laser-Systems, dessen Präzision sich noch verbessern läßt, liegt vor allem in seiner Robustheit, "der Unempfindlichkeit gegen Vibrationen und Beschleunigungskräfte", so die Honeywell-Ingenieure. Vorangetrieben wird die Laser-INS-Technik verantwortungsgemäß von den Militärs: 140 Millionen Dollar aus dem US-Verteidigungshaushalt stehen dem Draper Laboratory in Cambridge, benannt nach dem INS-Erfinder, für die Entwicklung von Navigationssystemen zur Verfügung.
Zaghafte Versuche der Cambridger Bürger, sich gegen die Rüstungsforschung in ihrer Stadt zu wehren, führten nicht zum Erfolg.
Ein gegen das Draper-Labor gerichtetes Bürgervotum, wonach Waffenforschung in der Universitätsstadt verboten werden sollte, wurde im Herbst letzten Jahres niedergestimmt.
[Grafiktext]
Mit Kreiseln ans Ziel Prinzip der Trägheitsnavigation (schematische Darstellung) Beschleunigungsmesser Kreisel Navigationsplattform Kardanische Aufhängung Aufgrund der Trägheit ihrer Massen haben rotierende Kreisel die Eigenschaft, die Richtung ihrer Drehachse im Raum beizubehalten, gleichgültig, wohin sich das Gehäuse (Flugzeug, Schiff, Rakete) bewegt. Zu einer Navigationsplattform gehören jeweils drei Kreisel (für jede Bewegungsrichtung einer) und drei Beschleunigungsmeßgeräte, die jede Geschwindigkeitsänderung, bezogen auf die Kreiselplattform, registrieren. Die Plattform ist in allen drei Richtungen beweglich (kardanisch) aufgehängt.
[GrafiktextEnde]
Zielabweichung der Titan II (in Dienst gestellt 1963): 1300 Meter; Zielabweichung der Minuteman II (in Dienst gestellt 1966): 500 Meter. Beide Angaben betreffen den sogenannten "Circular Error Probable" (CEP), das heißt: 50 Prozent der Sprengköpfe treffen innerhalb der genannten Zielkreise.

DER SPIEGEL 10/1984
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