Å navigere i et romfartøy gjennom himmelen har blitt sammenlignet med å seile et skip på åpent hav eller kjøre et kjøretøy på en lang, langrennsreise. Analogier er nødvendige, siden romfartsnavigering utføres av en relativt liten prøvetaking av menneskeslekten, og jobben innebærer vanligvis å gjøre ting som aldri har blitt gjort før. De av oss som har problemer med å forstå et veikart her på jorden, står i ærefrykt for hva disse himmelnavigatorene kan utrette.
Bokstavelig talt er dette rakettvitenskap.
På enkleste vilkår innebærer navigasjon av romfartøy å bestemme hvor romfartøyet er og holde det på kurs til ønsket destinasjon. Men det er ikke så lett som bare å komme fra punkt A (Jorden) til punkt B (en planet eller et annet organ i solsystemet vårt.) Dette er ikke faste posisjoner i verdensrommet. Navigatorer må møte utfordringene med å beregne de nøyaktige hastighetene og retningene til en roterende jord, et roterende målmål, så vel som et romfartøy i bevegelse, mens alle samtidig ferdes i sine egne baner rundt sola.
Chris Potts, som hjalp til med å lede navigasjonsteamene for Mars Exploration Rovers (MER), sammenlignet målkravene for å lande Spirit Rover inne i et spesifikt krater på Mars til å kunne skyte en basketball gjennom en bøyle 9000 mil unna. "Ikke bare må du lage skuddet perfekt uten at ballen berører randen, men timingen må være perfekt, så du gjør skuddet akkurat som summeren høres ut," sa han.
Ken Williams var sjef for navigasjonsteamet for Stardust-oppdragets tilbakevending av uberørte prøver av en komet tilbake til jorden. For en vellykket gjeninntreden og landing på et presist sted i Utah, måtte navigasjonsteamet målrette returkapselens inngang til et spesifikt punkt i jordens atmosfære til åtte 100-dels grad, en bragd som er blitt sammenlignet med å treffe øyet av en synål med et stykke tråd fra hele rommet.
Navigering er viktig for hvert robotoppdrag, og selv om misjonssuksessen henger sammen med hvor bra navigasjonsteamet presterer, blir ikke navigatører vanligvis funnet i rampelyset, mens de sitter på scenen for en pressekonferanse. Det er vanligvis forbeholdt misjonsforskerne og designerne. Navigatorene jobber tilsynelatende bak kulissene og bemanner skyttergravene i relativ anonymitet.
Men jeg hadde muligheten til å snakke med noen få romfaresnavigatorer, lære mer om jobben deres og oppdage de medfødte egenskapene til de som guider romfartøyet til steder utenfor.
Neil Mottinger har vært en del av en rekke oppdrag siden han begynte å jobbe ved Jet Propulsion Laboratory i 1967. Han hjalp til med noen av de tidlige måne- og planetoppdragene, og utviklet noe av programvaren som navigatører fortsatt bruker i dag.
Hør på intervjuet mitt med Mottinger på 21. august-utgaven av podcasten 365 Days of Astronomy.
Det er flere forskjellige underdisipliner for romfartsnavigering, og en av Mottingers spesialiteter er banebestemmelse. "Bestemmelse av bane er å vite hvor romskipet er og hvor det skal," sa Mottinger, som for tiden jobber med Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -oppdraget og det kommende oppdraget LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) til månen. "Det starter med å forutsi banen hvor romskipet vil være rett etter oppskytningen, slik at Deep Space Network (DSN) vet hvor de skal peke antennen og på hvilken frekvens du kan forvente signalet." DSN består av et nettverk av ekstremt følsomme dype romkommunikasjonsantenner på tre steder: Goldstone, California; Madrid, Spania; og Canberra, Australia. Den strategiske plasseringen omtrent 120 graders mellomrom på jordoverflaten tillater konstant observasjon av romfartøy når jorden roterer.
Siden det ikke er noen GPS i verdensrommet, behandler navigatører de radiometriske sporingsdata som er mottatt fra DSN for å bestemme romfartøyets posisjon og hastighet. De bruker også optiske data, der romskipet tar et bilde av stjernebakgrunnen for å avgrense romfartøyets bane.
I mange år jobbet Mottinger med en gruppe som ga navigasjonsstøtte for oppskytingen av over 100 romfartøyer. "Jeg ble aldri knyttet til et eneste oppdrag, siden vi rett etter en lansering flyttet til neste oppdrag," sa Mottinger. Men nå holder han seg med oppdrag lenger og har vært med på MRO-oppdraget i den bedre delen av tre år. Mottinger er henrykt over de vitenskapelige dataene dette oppdraget har returnert. ”Vi må gi nøyaktige spådommer om hvor romskipet kommer til å være. Da vet ingeniørene hvordan de skal orientere romfartøyer slik at forskerne kan gjøre sine observasjoner, ”sa han. “Hvis vi gjør jobben vår, kan forskerne se et skred på Mars eller se på spesifikke områder på planeten. Hvis spådommene våre er gale, peker kameraene i feil retning. Navigering er en integrert del av hele prosessen for å sikre misjonssuksess. ”
Mottinger sa at man typisk ikke tenker på navigatører som forskere, bare som et middel for å få slutt på at forskerne skal få resultater. Noen ganger kommer vitenskapelige biprodukter imidlertid fra navigasjon. Den mest kjente forekomsten involverte Voyager-oppdraget da navigatør Linda Morabito oppdaget en vulkan på Jupiters måne Io fra å se på optiske navigasjonsbilder. I Lunar Orbiter-oppdragene skjønte navigatører at det var store konsentrasjoner av masse (nå kalt mascons) under månens overflate som satte fart på romfartøy i bane.
I tillegg har vitenskapen som brukes i navigasjonen forbedret seg dramatisk med årene. "Når du ser på hva slags ting vi ikke forsto da jeg først begynte kontra det vi vet nå, er det overveldende," sa Mottinger. For eksempel kan navigatører nå lage veldig nøyaktige modeller av soltrykk - hvordan sollyspartikler skyver mot et romskip og endrer bane - som inkluderer ikke bare hvordan sollys reflekteres fra forskjellige overflater i romfartøyet, men også stråling av energi absorbert av solcellepanelene og strålte ut baksiden.
I tillegg ephemerides, tabellene navigatører bruker for å oppnå posisjonene til astronomiske objekter, har også forbedret i nøyaktighet gjennom årene. "Djevelen er i detaljene," sa Mottinger. "Navigering blir et utrolig presist spill."
I likhet med mange som jobber på JPL, liker Mottinger å snakke med skoler eller samfunnsgrupper for å dele spenningen og nyere oppdagelser om romutforskning. "Det er viktig å være der ute og fortelle budskapet vårt for å bli folk spent på hva vi gjør," sa han. "Og publikum har rett til å bli begeistret, fordi de betaler regningen."
For flere år siden kom Mottinger tilbake til hjembyen Oswego, Illinois for å snakke med studenter om jobben hans som navigatør. Han satt i klasserommet var en ung Chris Potts, som bestemte at romfartsnavigering var karrieren han ønsket å satse på. Potts, som har vært hos JPL siden 1984, var viseadministrasjonssjef for MER og jobber nå med Dawn-oppdraget som er på vei til bane rundt to asteroider, Ceres og Vesta.
Potts spesialitet er kontroll av flystier. Dette innebærer å skyte fremdriftssystemet for å endre romskipets hastighet eller bane, kjent som Trajectory Correction Maneuvers (TCM). "Dette inkluderer forståelse av romskipets kontrollfunksjoner og å bestemme eventuelle begrensninger," sa Potts. "Du bestemmer når du skal skyte fremdriftssystemet, hvor ofte og målet med hver manøver. Du må også evaluere leveransekravene, for å være sikker på at du kan lande i et krater på Mars, for eksempel, og minimere risikoen underveis. ”
Designaspektet er Potts favorittdel av jobben. "Du prøver å utvikle en strategi som setter alle brikkene sammen," sa han. “Du må snakke med misjonsforskerne og forstå hva deres krav er, og så vite hva romfartøyet kan gjøre. Det er som folk som har en gammel bil, og de har vært rundt den så lenge, de vet hvordan de skal få mest mulig ut av det kjøretøyet. Å dra nytte av det romskipet gjør godt og jobbe rundt sine begrensninger, strømmer inn i utformingen av en strategi som drar det hele sammen for å få det til å fungere. ”
Mye av Potts arbeid innebærer simuleringer og testing. "Vi ser hvordan romskipet oppfører seg, og prøver ut forskjellige strategier for å forbedre det for vår situasjon," sa han. "Navigasjonsdelen har en hel" verktøykasse "med programvare som vi kan bruke."
Dawn romskipet bruker en ionemotor, og dette er første gang Potts har jobbet med et fremdriftssystem med lavt trykk. "Det er et helt annet oppdrag," sa han. “Bekymringene er litt annerledes enn andre oppdrag fordi skyvekraften er så effektiv. Noe av det du bekymrer deg for, er ikke å ha nok tid til å foreta eventuelle rettelser. Selv om skyvekraften er lav, bygger den over tid opp en ganske hastighetsendring, og du designer alltid bane og endrer kommandoer for å sikre at ionemotoren skyter i riktig retning. Hvis det er noen form for romfart feil eller hik underveis, må du rusle, og det kan hende at noen fremtidige hendelser må flyttes rundt. " Dawn kommer til Vesta i 2011.
Potts liker å være en del av spenningen i alle de forskjellige oppdragene på JPL. "Jeg liker å jobbe med noen ekstremt intelligente og talentfulle mennesker her, og du kan definitivt kjenne lidenskapen for arbeidet de gjør," sa han. Noen ganger kan det være skremmende, men du er klar over at alle har sitt eget talent å tilby, og alle hjelper deg til å gjøre ditt beste her. Vi får gjøre en rekke interessante arbeider, og det er veldig utfordrende. Ingen dager er de samme. ”
En av fordelene med jobben hans, sa Potts, er å se at frukten av arbeidet hans kom fram i vitenskapelige funn. "Med Stardust-prøven tilbake, var det veldig givende å se kapsellandet rett der den skulle i Utah," sa han. "Og for å se forskerne få tak i disse dataene og begynne å utføre sine undersøkelser, føler du hvor begeistret og begeistret de er til å endelig komme i arbeid med sin livslange ambisjon."
Nylig kunngjorde Stardust-forskere å finne en aminosyre, en av livets byggesteiner, i en prøve romfartøyet returnerte til jorden.
Potts og Mottinger arbeidet begge på Stardust-oppdraget under ledelse av Ken Williams. Williams jobbet i JPL i flere år, men er for tiden ansatt i KinetX, et privat ingeniørfirma som spesialiserer seg på luftfartsteknologi og programvareutvikling. For tiden gir KinetX navigasjonssupport for New Horizons-oppdraget til Pluto, samt MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) -oppdraget til Mercury, og Williams er MESSENGERs sjef for navigasjonsteam. I motsetning til Mottinger og Potts, har Williams ikke alltid vært involvert i romoppdrag, og karrieren innen navigasjon utviklet seg fra en fysisk bakgrunn. Han jobbet ved Applied Physics Lab ved Johns Hopkins University før han kom til jobb hos JPL i 1994.
Williams favorittdel av å være navigatør er å finne og løse interessante tekniske problemer. "Det er det som får min interesse," sa han. “MESSENGER har absolutt en rekke av dem. Vi fløy en gang på jorden, Venus to ganger og Merkur to ganger. Vi må fly forbi Merkur en gang til før vi endelig går i bane på det fjerde møtet. Å finne en bane som gjør alle disse tingene på en vellykket måte, er et veldig interessant teknisk problem som jeg er veldig glad for å være involvert i. Vi må også vurdere alle slags begrensninger, for eksempel å holde romfartøyet vendt bort fra solen slik at komponentene ikke blir for varme. "
Som navigasjonssjef koordinerer Williams alle underdisipliner for banebestemmelse, kontroll av flyveveier og optisk navigasjon sammen med misjonsforskeres behov når det gjelder observasjoner når de møter en planet eller komet.
Også Williams liker glede av å være i handlingen i viktige romoppdrag. "Jeg antar at det er som å være i en kamp, eller i en basketball- eller fotballkamp," sa han. ”Du føler spenningen ved å se hendelser utfolde seg, og svare på eventuelle avvik eller overraskelser som dukker opp. Og når det hele er gjort, har du en enorm følelse av tilfredshet. ”
Erfaringene hans med Stardust tilbake til jorden fremstår som et høydepunkt. "Å få all den innsatsen koordinert og få romfartøyet vellykket, var sannsynligvis den mest givende opplevelsen i hele tiden jeg var på JPL," sa han. "På nesten hvert oppdrag jeg har arbeidet har det vært en tid hvor du har en følelse av eufori om å ha romfartøyet på rett sted til rett tid. Det er en god følelse å ha. ”
Selv om det var en vanskelig beslutning å forlate JPL, gleder Williams seg fra sine erfaringer i et privat selskap. "Det hadde vært lett å bo på JPL og være det de kaller en" gråhorn "når det gjelder å ha erfaring, men etter Stardust likte jeg utfordringen med å lede et navigasjonsteam og vokse innen tekniske områder," sa han. "Jeg trodde det ville være en bedre mulighet til å gjøre det med et lite team i et lite selskap, og jeg trodde KinetX var et bra sted å oppnå det."
Det motsatte av en ‘gråhorns’ er navigatøren Emily Gist. Hun har vært på JPL i 4 år og er en del av navigasjonsteamet for Cassini-oppdraget i Saturn. I likhet med Potts jobber hun innen flyvekontroll, og hjelper til med å planlegge banen og estimere romfartøyets fremtidige posisjon, og for å kontrollere korreksjonene som er nødvendige for å oppnå oppdragsmålene.
Hun er veldig fornøyd med å vite at hun er med på å lette leting. "Det Saturnianske systemet er vakrere enn de fleste ville trodd og mer mangfoldig enn tidligere kjent," sa hun. “Informasjonen Cassini har gitt har opplyst oss alle. Mer spesifikt elsker jeg hvor mye jeg lærer hver dag på JPL og jobber med Cassini-oppdraget. ”
Som en del av ‘neste generasjon’ navigatører, nyter Gist det utfordrende miljøet som JPL gir. "Vi hadde en operasjonsberedskapstest på Cassini der teamet ble testet for å se hvordan vi ville reagere på en svikt eller feil på romfartøyet i et operativt miljø," sa hun. “Senioringeniørene var ikke i spill, så den nyere generasjonen måtte finne ut av det på egen hånd og vi gjorde en utmerket jobb. Det gjorde meg stolt av alle menneskene jeg jobber med. De er virkelig talentfulle mennesker. ”
Gist sa at kjønn aldri har vært et problem i jobben hennes som navigatør. "JPL har en fantastisk mangfoldig stab, og selv om det ikke er veldig mange kvinnelige navigatører, blir vi ikke behandlet annerledes," sa hun. “Jeg er ganske partisk, men jeg tror det vi mangler i mengde utgjør i kvalitet. Jeg jobber med noen fantastiske kvinner. ”
”I tillegg føler jeg meg heldig som lever i en tid og et samfunn der man uansett kjønn kan finne det de vil gjøre og gjøre det etter beste evne. Jeg elsker å være ingeniør, og det jeg prøver å formidle til unge kvinner er at de kan elske hva de vil, selv om det er matte og vitenskap, uten frykt for at det er en mindre feminin jobb. "
Det vanskeligste spørsmålet for alle navigatører å svare på var om de hadde en minst favoritt del av jobben. De siterte de vanlige problemene med hvilken som helst jobb: ikke nok tid og for mye papirarbeid. Og stress følger med jobben. "Tidsfrister, spesielt arbeid hos JPL, er veldig reelle," sa Potts. “Hvis du ikke er forberedt på en kritisk hendelse i oppdraget, får du vanligvis ikke en ny sjanse. Det sykler mye på å gjøre jobben din ordentlig. ”
Men alle navigatører understreket viktigheten av teamaspektet i jobben sin. "Du ser etter den iboende kvaliteten på teamet," sa Mottinger. "Jeg hadde en prosjektleder som sa at et team fanger hverandres feil og helheten er større enn summen av delene. Alt gjøres i en ånd av kameraderi, og det er ikke noe som heter et dumt spørsmål. "
Men å søke individuelt rampelys ser ikke ut til å være i en navigatørs sminke.
"Jeg er mer komfortabel med å jobbe bak kulissene enn å gjøre et intervju," sa Potts. "Når jeg vet at jeg har gjort jobben min, og bidratt til misjonssuksessen, er det nok for meg."
"Jeg har det bra med at arbeidet mitt er bak kulissene," la Gist til. "Men når jeg vurderer arbeidet ingeniørene før meg og rundt meg har, føler jeg noen ganger at de burde få mer anerkjennelse."
Williams mener generelt at navigasjonsfeltet i større grad bør få større anerkjennelse. "Jeg tror forskere og mennesker som bruker rent maskinvaresystemer undervurderer vanskeligheten med hva navigatører har å gjøre," sa han. "Det ville være fint hvis vi fikk mer anerkjennelse fra våre jevnaldrende bare fra synspunktet om å kunne påvirke hvordan oppdrag er planlagt og designet til å begynne med slik at navigasjonsproblemer kan adresseres før lansering og ikke bare igjen for oss å takle etter lanseringen. Det føler jeg sterkere enn noen anerkjennelse av mine egne prestasjoner. ”
Williams sa at det navigatører gjør er mer en kunstform. "Det kan ikke reduseres til et sett med algoritmer som kan lagres ombord på et flysystem som strøm eller fremdrift, for eksempel. Det er konstant raffinering. "
Og er navigatører plaget av de til tider lange og rare timene jobben deres krever? "Nei," sa Mottinger, "jeg ville ikke bytte det for noe. Det er ingenting annet som ligner det. "
