Kosmosesõiduki liikumist läbi taeva on võrreldud laeva purjetamisega avamerel või sõiduki juhtimisega pikale murdmaareisile. Analoogiad on vajalikud, kuna kosmoselaevade navigeerimine toimub inimkonna suhteliselt väikese valimi abil ja töö hõlmab tavaliselt selliste asjade tegemist, mida pole kunagi varem tehtud. Need meist, kellel on raskusi siin Maal asuva teekaardi mõistmisega, tunnevad hirmu selle ees, mida need taeva navigaatorid suudavad saavutada.
Sõna otseses mõttes on see raketiteadus.
Kõige lihtsamalt öeldes tähendab kosmoselaevade navigeerimine kosmoselaeva asukoha kindlaksmääramist ja kursi jätkamist soovitud sihtkohta. Kuid see pole nii lihtne, kui lihtsalt jõudmine punktist A (Maa) punkti B (planeet või muu keha meie päikesesüsteemis.) Need pole kosmoses fikseeritud positsioonid. Navigeerijad peavad vastama väljakutsetele, mis on seotud pöörleva Maa, pöörleva sihtkoha ja liikuva kosmoselaeva täpse kiiruse ja orientatsiooni arvutamisega, samal ajal kui kõik liiguvad samaaegselt omal orbiidil ümber Päikese.
Chris Potts, kes aitas Mars Exploration Roversi (MER) navigatsioonimeeskondi juhtida, võrdles Spirit Roveri maandumiseks konkreetse Marsi kraatri sees olevaid eesmärke, et oleks võimalik korvpalli tulistada 9000 miili kaugusel asuva vitsu kaudu. "Sa ei pea mitte ainult laskma perfektselt, ilma et pall puutuks kokku veljega, vaid ka ajastus peab olema täiuslik, nii et teete lasku täpselt nii, nagu helisignaal kõlab," sõnas ta.
Ken Williams oli Stardusti missiooni navigatsioonimeeskonna pealik, kelle ülesandeks oli komeedi põliste proovide tagastamine Maale. Utah 'täpses asukohas edukaks sisenemiseks ja maandumiseks pidi navigeerimismeeskond suunama tagasivoolukapsli sisenemise Maa atmosfääri konkreetsesse punkti kaheksa 100-kraadise täpsusega, mis on võrreldud silma löömisega. niidiotsast õmblusnõela ruumist üle.
Navigeerimine on iga robotmissiooni jaoks hädavajalik ja kuigi missiooni edu sõltub navigeerimismeeskonna toimimisest, ei leidu navigaatoreid tavaliselt rambivalguses, istudes laval pressikonverentsi jaoks. Tavaliselt on see reserveeritud missiooni teadlastele ja disaineritele. Näib, et navigaatorid töötavad kulisside taga, korraldades kaevikuid suhteliselt anonüümselt.
Kuid mul oli võimalus vestelda mõne kosmoselaeva navigaatoriga, õppides rohkem tundma nende tööd ja avastanud nende loomupäraseid omadusi, kes suunavad meie kosmoselaeva kaugematesse kohtadesse.
Neil Mottinger on kuulunud arvukatesse missioonidesse alates sellest, kui ta asus tööle reaktiivmootorite laboratooriumisse 1967. aastal. Ta abistas mõnel varasel kuu- ja planeedimissioonil ning töötas välja tarkvara, mida navigaatorid tänapäevalgi kasutavad.
Kuulake minu intervjuud Mottingeriga 365 Days of Astronomy podcast'i 21. augusti väljaandest.
Kosmoselaevade navigeerimisel on mitu erinevat alaharu ja Mottingeri üks erialasid on orbiidi määramine. "Orbiidi määramine on teadmine, kus kosmoseaparaat asub ja kuhu see liigub," ütles Mottinger, kes töötab praegu koos Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) missiooniga ja peagi läheneva missiooniga LCROSS (Kuukraatri vaatlus- ja jälgimissatelliit) Kuule. "See algab trajektoori ennustamisega, kus kosmoselaev asub kohe pärast laskmist, nii et Deep Space Network (DSN) teaks, kuhu nende antenn suunata ja millisel sagedusel signaali oodata." DSN koosneb ülitundlike süvakosmoseantennide võrgustikust kolmes asukohas: Goldstone, California; Madrid, Hispaania; ja Canberra, Austraalia. Strateegiline paigutus Maa pinnast umbes 120 kraadi kaugusel võimaldab kosmoselaevade pidevat jälgimist Maa pöörlemisel.
Kuna kosmoses pole GPS-i, töötlevad navigaatorid DSN-ist saadud radiomeetrilisi jälgimisandmeid, et teha kindlaks kosmoselaeva asukoht ja kiirus. Nad kasutavad ka optilisi andmeid, kus kosmoseaparaat teeb tähe taustast pildi, et täpsustada kosmoselaeva trajektoori.
Aastaid tegi Mottinger koostööd grupiga, mis pakkus navigatsiooni tuge enam kui 100 kosmoselaeva laskmiseks. "Ma ei olnud kunagi seotud ühegi missiooniga, sest kohe pärast käivitamist liikusime järgmisele missioonile," ütles Mottinger. Kuid nüüd viibib ta missioonidega kauem ja on olnud parema osa MRO missioonist kolm aastat. Mottinger on vaimustatud teaduslikest andmetest, mille see missioon on tagasi saatnud. „Peame esitama täpsed ennustused selle kohta, kuhu kosmoselaev tuleb. Siis teavad insenerid, kuidas kosmoselaevu orienteerida, et teadlased saaksid oma tähelepanekuid teha, ”rääkis ta. „Kui teeme oma töö, saavad teadlased näha Marsil maalihket või vaadata planeedi konkreetseid piirkondi. Kui meie ennustused on valed, suunatakse kaamerad valesse suunda. Navigeerimine on kogu missiooni edukuse tagamise protsessi lahutamatu osa. ”
Mottinger ütles, et tavaliselt ei arvata navigaatoreid teadlastena, vaid ainult selleks, et teadlased saaksid tulemusi saavutada. Kuid mõnikord pärinevad teaduslikud kõrvalsaadused navigatsioonist. Kõige kuulsam juhtum hõlmas Voyageri missiooni, kui navigaator Linda Morabito avastas optilise navigatsiooni piltide põhjal Jupiteri kuult Io vulkaani. Lunar Orbiteri missioonidel mõistsid navigaatorid, et Kuu pinna all on suured massikontsentratsioonid (neid nimetatakse nüüd maskoonideks), mis kiirendasid kosmoselaevu orbiidil.
Lisaks on navigatsioonis kasutatav teadus aastatega dramaatiliselt paranenud. "Kui vaadata tüüpi asju, millest me ei saanud aru, kui ma esimest korda alustasin, võrreldes sellega, mida me praegu teame, on see tohutu," ütles Mottinger. Näiteks saavad navigaatorid nüüd luua väga täpsed päikeserõhu mudelid - kuidas päikesevalguse osakesed suruvad vastu kosmoselaeva ja muudavad selle trajektoori - mis hõlmab lisaks sellele, kuidas päikesevalgus peegeldub kosmoselaeva erinevatelt pindadelt, vaid ka neeldunud energia taaskiirguse kiirgus päikesepaneelide poolt ja kiirgas selle tagumist osa välja.
Lisaks on efemeriidid, mida tabeli navigaatorid kasutavad astronoomiliste objektide asukohtade saamiseks, on aastate jooksul ka täpsust parandanud. “Kurat on detailides,” ütles Mottinger. "Navigeerimine on muutumas uskumatult täpseks mänguks."
Nagu paljud JPL-is töötavad, naudib Mottinger vestlust koolide või kogukonna rühmadega, et jagada põnevust ja hiljutisi avastusi kosmoseuuringute kohta. "Oluline on seal oma sõnumit edastada, et inimesed põnevil sellest, mida me teeme," sõnas ta. "Ja üldsusel on õigus olla elevil, sest nad maksavad arve."
Mitu aastat tagasi naasis Mottinger Illinoisi osariiki Oswegosse, et rääkida õpilastega navigaatori tööst. Klassiruumis istus noor Chris Potts, kes otsustas, et kosmoselaevade navigeerimine on karjäär, mida ta soovib teha. Potts, kes on JPL-is töötanud alates 1984. aastast, oli MER-i navigatsioonimeeskonna ülema asetäitja ja töötab nüüd koos Koiduki missiooniga, mis on teel kahe asteroidi, Cerese ja Vesta orbiidile.
Potts on spetsialiseerunud lennutrajektoori juhtimisele. See hõlmab tõukejõu süsteemi tulistamist, et muuta kosmoselaeva kiirust või trajektoori, mida nimetatakse trajektoori korrektsiooni manöövriteks (TCM). "See hõlmab kosmoselaeva juhtimisvõimaluste mõistmist ja võimalike piirangute kindlaksmääramist," ütles Potts. „Teie saate kindlaks määrata, millal kavatsete käitursüsteemi tulistada, kui sageli ja millise eesmärgiga iga manööver tehakse. Samuti peate hindama kohaletoimetamisnõudeid, veendumaks, et saate maanduda näiteks kraavi Marsil, ja minimeerida kogu tee vältel tekkivaid riske. ”
Kujunduse aspekt on Potts lemmik osa tööst. "Proovite välja töötada strateegia, mis koondaks kõik tükid kokku," sõnas ta. “Peate rääkima missiooniteadlastega ja mõistma, millised on nende nõuded, ning seejärel teadma, mida kosmoselaev saab teha. See on nagu inimesed, kellel on vana auto ja kes on selle ümber juba nii kaua olnud, nad teavad, kuidas sellest sõidukist kõige paremini kasu saada. Kosmoselaeva hästi toimimise ärakasutamine ja selle piirangutega ümber käimine aitab kaasa strateegia väljatöötamisele, mis tõmbab selle kõik tööle, et see toimiks. ”
Suur osa Pottsi tööst hõlmab simulatsioone ja testimist. "Me näeme, kuidas kosmoselaev käitub, ja proovime erinevaid strateegiaid, et seda meie olukorra jaoks paremaks muuta," sõnas ta. „Navigeerimise jaotises on terve tarkvara tööriistakast, mida me saame kasutada.”
Dawni kosmoselaev kasutab ioonmootorit ja see on esimene kord, kui Potts töötab madala tõukejõusüsteemiga. "See on üsna erinev missioon," ütles ta. „Mured on pisut erinevad kui muud missioonid, sest tõukejõud on nii tõhus. Üks mure, mille pärast muretsete, on see, et teil pole piisavalt aega vajalike paranduste tegemiseks. Ehkki tõukejõud on madal, tekitab see aja jooksul üsna suure kiiruse muutuse ja te kavandate alati trajektoore ja muudate käske, et veenduda ioonmootoris õiges suunas. Kui teel on mingi kosmoselaeva tõrge või luksumine, peate rüseluse tegema ja mõned tulevased sündmused tuleb võib-olla ümber tõsta. " Koit saabub Vestasse 2011. aastal.
Potts naudib kuulumist kõigi erinevate JPL-i missioonide põnevusse. "Mulle väga meeldib töötada koos siinsete eriti intelligentsete ja andekate inimestega ning te võite kindlasti tunda nende töö kire," ütles ta. „Mõnikord võib see hirmutada, kuid saate aru, et kõigil on oma anne pakkuda ja kõik aitavad teil siin endast parima anda. Saame teha mitmesuguseid huvitavaid töid ja see on väga keeruline. Kaks päeva pole samad. ”
Potts ütles, et tema töö üks preemia on see, et tema töö vilja saab teaduslikel avastustel ilmsiks. "Pärast Stardusti proovi naasmist oli väga rahuldust vaadata kapsli maandumist otse sinna, kus see pidi Utahis olema," sõnas ta. "Ja et näha, kuidas teadlased saavad nendest andmetest kätte ja asuda oma uuringuid tegema, tunnete, kui põnevil ja elevil nad on, et lõpuks oma elukestva eesmärgi nimel tööle asuda."
Hiljuti teatasid Stardusti teadlased, et kosmoseaparaat naasis proovist aminohappe, mis on üks elu alustaladest, kosmoselaeva Maale tagasi.
Potts ja Mottinger töötasid mõlemad Stardusti missioonil Ken Williamsi juhtimisel. Williams töötas mitu aastat JPL-is, kuid töötab praegu kosmosetehnoloogiale ja tarkvara arendamisele spetsialiseerunud eraettevõttes KinetX. Praegu pakub KinetX navigatsioonituge nii New Horizoni missioonile Pluutosse kui ka MESSENGER (elavhõbeda kosmosekeskkonna geokeemia ja ulatus) missioonile Mercury ning Williams on MESSENGERi navigatsioonimeeskonna pealik. Erinevalt Mottingerist ja Pottsist pole Williams alati kosmosemissioonidel osalenud ja tema karjäär navigatsioonis kujunes füüsika taustast. Enne 1994. aastal JPL-i tööle asumist töötas ta Johns Hopkinsi ülikooli rakendusfüüsika laboris.
Williamsi lemmikosa navigaatorina on huvitavate tehniliste probleemide leidmine ja lahendamine. "See on see, mis minu huvi äratab," ütles ta. „MESSENGERil on kindlasti mitmeid neid. Me lendasime üks kord mööda Maad, kaks korda Veenus ja kaks korda Merkuur. Peame veel kord Mercury kaudu lendama, enne kui lõpuks neljandal kohtumisel orbiidile läheme. Trajektoori leidmine, mis kõiki neid asju edukalt teostaks, on väga huvitav tehniline probleem, millega on mul väga hea meel tegeleda. Peame arvestama ka igasuguste piirangutega, näiteks hoidma kosmoselaeva päikese eest eemale, et komponendid ei läheks liiga soojaks. "
Navigatsioonimeeskonna juhina koordineerib Williams kõiki orbiidi määramise, lennutrajektoori juhtimise ja optilise navigatsiooni alamdistsipliine koos missiooniteadlaste vajadustega vaatluste osas, kui nad kohtuvad planeedi või komeediga.
Ka Williams naudib olulistes kosmoseülesannetes põnevusrõõmu tundmist. "Ma arvan, et see on nagu lahingus või korvpallis või jalgpallis mängimine," sõnas ta. „Kui tunnete sündmuste ilmnedes põnevust ja reageerite võimalikele kõrvalekalletele või üllatustele, siis tunnete põnevust. Ja kui see kõik on tehtud, on teil tohutu rahulolu. "
Tema kogemused Stardusti tagasipöördumisega Maale paistavad silma esiletõstmiseks. "Kogu selle pingutuse koordineerimine ja kosmoselaeva edukas allapoole laskmine oli ilmselt kõige tasustavam kogemus kogu selle aja jooksul, kui ma olin JPL-is," sõnas ta. „Peaaegu igal missioonil, mille kallal olen töötanud, on olnud aeg, kus on tunda eufooriat selle üle, et kosmoselaev oleks õigel ajal õiges kohas. See on hea tunne. ”
Ehkki JPL-ist lahkumine oli keeruline otsus, naudib Williams oma kogemusi eraettevõttes. "JPL-is oleks olnud kerge viibida ja olla seda, mida nad kogemuste poolest nn greyardiks nimetavad, kuid pärast Stardust meeldis mulle navigatsioonimeeskonna juhtimise ja tehnilistes valdkondades kasvamise väljakutse," sõnas ta. "Arvasin, et oleks parem võimalus seda teha väikese meeskonnaga väikeses ettevõttes ja arvasin, et KinetX on hea koht selle saavutamiseks."
Greyard ’i vastupidine on navigaator Emily Gist. Ta on olnud JPL-is neli aastat ja kuulub Saturnis asuva Cassini missiooni navigeerimismeeskonda. Nagu Potts, töötab ta lennutrajektoori juhtimisel, aidates planeerida trajektoori ja prognoosida kosmoseaparaadi edasist asukohta ning kontrollida missiooni eesmärkide saavutamiseks vajalikke parandusi.
Ta suhtub väga rahule, teades, et aitab uurimist hõlbustada. "Saturni süsteem on ilusam, kui enamik oleks osanud ette kujutada, ja mitmekesisem kui varem teada olnud," sõnas naine. „Cassini esitatud teave on meid kõiki valgustanud. Täpsemalt meeldib mulle see, kui palju ma õpin iga päev JPL-is ja Cassini-missioonil töötades. ”
Navigaatorite „järgmise põlvkonna” osana naudib Gist väljakutset pakkuvat keskkonda, mille JPL pakub. "Meil oli Cassini peal operatsioonide valmisoleku test, kus meeskonda testiti, kuidas reageerida kosmoseaparaadi rikkele või tõrkele töökeskkonnas," rääkis ta. „Vaneminsenerid ei mänginud, nii et uuema põlvkonna töötajad pidid selle ise välja mõtlema ja tegime suurepärast tööd. See pani mind uhkust tundma kõigi nende inimeste üle, kellega ma töötan. Nad on tõeliselt andekad inimesed. ”
Gist ütles, et sugu pole tema navigaatori ametikohal kunagi probleem olnud. "JPL-l on imeliselt mitmekesine personal ja kuigi naisnavigaatoreid pole eriti palju, ei kohelda meid erinevalt," sõnas ta. „Olen üsna erapoolik, kuid arvan, et see, mille osas meil kvantiteedist puudu on, on kvaliteet. Ma teen koostööd hämmastavate naistega. ”
„Lisaks on mul õnne elada ajal ja ühiskonnas, kus soost sõltumata on võimalik leida asi, mida nad tahavad teha, ja teha seda oma parimate võimaluste piires. Armastan olla inseneriks olemine ja proovida noortele naistele edastada seda, et nad saavad armastada kõike, mida nad tahavad, isegi kui see on matemaatika ja teadus, kartmata, et see on vähem naiselik töö. "
Kõigile navigaatoritele oli kõige raskem vastata, kui neil oli töö kõige vähem lemmik osa. Nad tõid välja tavalised probleemid mis tahes tööga: pole piisavalt aega ja liiga palju paberimajandust. Ja stress kaasneb tööga. "Tähtajad, eriti JPL-is töötamine, on väga reaalsed," ütles Potts. „Kui te ei ole missiooni jaoks kriitiliseks sündmuseks valmis, ei saa te tavaliselt teist võimalust. Oma töö korralikult korda ajamine on palju. "
Kuid kõik navigaatorid rõhutasid meeskonnaaspekti olulisust oma töös. "Otsite meeskonna loomupärast kvaliteeti," ütles Mottinger. “Mul oli projektijuht, kes ütles, et meeskond püüab üksteise vigu kinni ja tervik on suurem kui osade summa. Kõik toimub armuelu vaimus ja rumalat küsimust pole olemas. ”
Kuid individuaalse rambivalguse otsimine ei tundu olevat navigaatori meik.
"Mul on kulisside taga töötamine mugavam kui intervjuud teha," ütles Potts. "Kui ma tean, et olen teinud oma töö ja andnud oma panuse missiooni õnnestumisse, siis sellest mulle piisab."
"Mul on kõik hästi, kui töö on kulisside taga," lisas Gist. "Kuid kui ma mõtlen enne mind ja minu ümber olnud inseneride tehtud tööle, siis mõnikord tunnen, et nad peaksid rohkem tunnustust saama."
Williams leiab, et üldiselt peaks navigatsiooni valdkond ise rohkem tunnustust saama. "Ma arvan, et teadlased ja puhtalt riistvarasüsteeme kasutavad inimesed alahindavad navigaatorite raskusi," sõnas ta. „Oleks tore, kui saaksime oma kaaslastelt rohkem tunnustust just seetõttu, et saaksime mõjutada missioonide kavandamist ja kavandamist nii, et navigeerimisküsimustega saaks tegeleda juba enne nende algust ja mitte ainult, et jääksime pärast tegelema käivitada. Ma tunnen seda tugevamini kui tunnustan oma saavutusi. "
Williams ütles, et see, mida navigaatorid teevad, on rohkem kunstivorm. „See ei ole taandatav algoritmide kogumile, mida saab salvestada näiteks lennusüsteemis, näiteks võimsus või tõukejõud. See on pidev täiustamine. ”
Ja kas navigaatoreid häirib mõnikord pikk ja veider tund, mida nende töö nõuab? "Ei," ütles Mottinger, "ma ei kaupleks sellega millegi pärast. Midagi muud ei meeldi. ”
