Навігація космічним кораблем через небо порівняли з плаванням на кораблі у відкритому морі або керуванням транспортним засобом у тривалому кросовому шляху. Аналогії необхідні, оскільки навігація на космічних кораблях проводиться порівняно невеликим відбором людської раси, а робота зазвичай передбачає виконання того, що ніколи раніше не робилося. Ті з нас, хто не має сенсу визначити дорожню карту тут на Землі, в захваті від того, що можуть зробити ці небесні мореплавці.
Буквально це ракетна наука.
Найпростіше кажучи, навігація космічних апаратів тягне за собою визначення місця, де знаходиться космічний корабель, і тримати його в напрямку до потрібного пункту призначення. Але це не так просто, як просто дістатися з точки А (Земля) до точки В (планети чи іншого тіла нашої Сонячної системи.) Це не фіксовані положення у просторі. Навігатори повинні вирішувати завдання обчислення точних швидкостей та орієнтацій обертової Землі, обертового цільового пункту призначення, а також космічного корабля, що рухається, при цьому всі одночасно подорожують на власних орбітах навколо Сонця.
Кріс Поттс, який допомагав керувати навігаційними командами для дослідницьких роверів на Марсі (MER), порівняв цільові вимоги щодо посадки ровера "Дух" всередині конкретного кратера на Марсі з можливістю стріляти в баскетбол через обруч за 9000 миль. "Ви не тільки повинні робити ідеальний удар без м'яча, що торкається обода, але і час повинен бути ідеальним, так що ви робите постріл саме так, як звучить зумер", - сказав він.
Кен Уільямс був начальником навігаційної групи по поверненню незайманих зразків комети на Землю місії Stardust. Для успішного повторного в'їзду та висадки в точному місці в штаті Юта команда навігації повинна була націлити вхід капсули повернення до конкретної точки атмосфери Землі протягом восьми сотих градусів, подвиг, який порівняли з ударом в око швейної голки з шматочком нитки з усієї кімнати.
Навігація має важливе значення для кожної робототехнічної місії, і хоча успіх місії залежить від того, наскільки ефективно працює навігаційна команда, навігатори зазвичай не знаходяться в центрі уваги, сидячи на сцені для прес-конференції. Як правило, це зарезервовано для науковців та дизайнерів місії. Навігатори, здавалося б, працюють за лаштунками, комплектуючи окопи у відносній анонімності.
Але я мав нагоду поспілкуватися з кількома космічними кораблями-навігаторами, дізнавшись більше про їх роботу та розкривши вроджені якості тих, хто скеровує наш космічний корабель у місця, що знаходяться за його межами.
Ніл Моттінгер був частиною численних місій з того часу, як він почав працювати в Лабораторії реактивного руху в 1967 році. Він допомагав в деяких ранніх місячних і планетарних місіях і розробив частину програмного забезпечення, яким навігатори досі користуються.
Послухайте моє інтерв'ю з Моттінгер у випуску 21 серпня 365 днів астрономії.
Існує кілька різних дисциплін навігації космічних кораблів, і одна з особливостей Моттінгера - визначення орбіти. "Визначення орбіти - це знання, де знаходиться космічний корабель і куди він рухається", - сказав Моттінгер, який зараз працює з місією Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) та майбутньою місією LCROSS (Супутник спостереження і зондування місячних кратерів) на Місяць. "Починається з прогнозування траєкторії, де космічний корабель буде одразу після запуску, щоб Глибока космічна мережа (DSN) знала, куди вказувати свою антену та на яку частоту очікувати сигнал". DSN складається з мережі надзвичайно чутливих антен глибокого космосу в трьох місцях: Голдстоун, Каліфорнія; Мадрид, Іспанія; та Канберра, Австралія. Стратегічне розміщення приблизно на відстані 120 градусів від поверхні Землі дозволяє постійно спостерігати за космічними кораблями під час обертання Землі.
Оскільки в космосі немає GPS, навігатори обробляють дані радіометричного відстеження, отримані від DSN, щоб визначити положення та швидкість руху космічного корабля. Вони також використовують оптичні дані, коли космічний корабель робить знімок зіркового фону, щоб допомогти уточнити траєкторію космічного корабля.
Протягом багатьох років Моттінгер працював з групою, яка надала підтримку навігації для запуску понад 100 космічних апаратів. "Я ніколи не прив'язувався до жодної місії, оскільки відразу після запуску ми перейшли до наступної місії", - сказав Моттінгер. Але зараз він довше залишається на місіях і вже три роки працює з місією МРО. Моттінгер в захваті від наукових даних, до яких повернулась місія. "Ми повинні дати точні прогнози, де знаходиться космічний корабель. Тоді інженери знають, як орієнтувати космічні кораблі, щоб вчені могли робити свої спостереження ", - сказав він. "Якщо ми зробимо свою роботу, вчені можуть побачити зсув на Марсі або подивитися конкретні райони планети. Якщо наші прогнози неправильні, камери спрямовуються в неправильному напрямку. Навігація є невід'ємною частиною всього процесу забезпечення успіху місії ".
Моттінгер сказав, що зазвичай не мислить навігаторів як науковців, а лише як засіб для досягнення вченими результатів. Однак іноді наукові побічні продукти походять із навігації. Найвідоміший екземпляр стосувався місії Voyager, коли навігатор Лінда Морабіто виявила вулкан на Місяці Юпітера Іо з огляду оптичних навігаційних зображень. У місіях Місячного орбітера навігатори зрозуміли, що під поверхнею Місяця знаходяться великі концентрації маси (тепер їх називають масканами), які прискорювали космічні кораблі на орбіту.
До того ж, наука, що використовується в навігації, за останні роки значно покращилася. "Коли ви дивитесь на речі, які ми не розуміли, коли я вперше почав, а не те, що ми знаємо зараз, це надзвичайно", - сказав Моттінгер. Наприклад, навігатори тепер можуть створювати дуже точні моделі сонячного тиску - як частинки сонячного світла притискаються до космічного корабля і змінюють його траєкторію - яка включає не тільки те, як сонячне світло відбивається від різних поверхонь космічного корабля, але і повторне випромінювання поглиненої енергії. сонячними панелями і випромінювали задню сторону.
Крім ефемерідів, навігатори таблиць, які використовуються для отримання положень астрономічних об'єктів, також покращилися в точності за ці роки. "Чорт у деталях", - сказав Моттінгер. "Навігація стає надзвичайно точною грою".
Як і багато хто, хто працює в JPL, Моттінгер із задоволенням спілкується зі школами чи громадськими групами, щоб поділитися хвилюванням та останніми відкриттями про дослідження космосу. "Важливо, щоб ми були там, розповідаючи наше повідомлення, щоб розбурхати людей про те, що ми робимо", - сказав він. "І громадськість має право бути схвильованою, тому що вони сплачують рахунок".
Кілька років тому Моттінгер повернувся до рідного міста Освего, штат Іллінойс, щоб поговорити зі студентами про свою роботу навігатора. У класі сидів молодий Кріс Поттс, який вирішив, що навігація космічних кораблів - це кар'єра, яку він хотів зробити. Поттс, який працює в JPL з 1984 року, був заступником начальника навігаційної команди МЕР і зараз працює з Місією Світанку, яка рухається на орбіту двох астероїдів, Церери та Вести.
Особливістю Потса є управління траєкторією польоту. Це передбачає запуск системи приведення в рух, щоб змінити швидкість або траєкторію космічного корабля, відому як маневри корекції траєкторії (TCM). "Це включає розуміння можливостей управління космічним кораблем та визначення будь-яких обмежень", - сказав Поттс. "Ви визначаєте, коли збираєтеся робити вогонь з приводної системи, як часто та цілі кожного маневру. Ви також повинні оцінити вимоги до доставки, щоб переконатися, що ви можете приземлитися в кратері на Марсі, наприклад, і мінімізувати ризик по дорозі ».
Дизайн-аспект - улюблена частина роботи Потса. "Ви намагаєтесь розробити стратегію, яка поєднує всі частини", - сказав він. «Ви повинні поговорити з науковцями місії та зрозуміти, які їх вимоги, а потім знати, що може робити космічний корабель. Наче люди, у яких є стара машина, і вони так довго їздять, вони знають, як отримати максимальну користь від цього автомобіля. Скористаючись тим, що космічний корабель справляється добре, і обробляючи його обмеження, вкладається в розробку стратегії, яка об'єднує його все для того, щоб він працював ».
Значна частина роботи Потса включає моделювання та тестування. "Ми бачимо, як поводиться космічний корабель, і випробуємо різні стратегії, щоб поліпшити його для нашої ситуації", - сказав він. "У розділі навігації є цілий" набір інструментів "програмного забезпечення, яке ми можемо використовувати."
Космічний корабель "Світанок" використовує іонний двигун, і це перший раз, коли Поттс працював із системою приводу з низькою тягою. "Це зовсім інша місія", - сказав він. «Побоювання трохи відрізняються від інших місій, оскільки тяга настільки ефективна. Одна з речей, про яку ви хвилюєтесь - це не вистачає часу на внесення необхідних виправлень. Хоча тяга низька, з часом вона створює досить швидкі зміни, і ви завжди розробляєте траєкторії та змінюєте команди, щоб переконатися, що іонний двигун спрацьовує в правильному напрямку. Якщо по дорозі є якісь несправності космічного корабля або гикавка, вам доведеться розібратися, і деякі майбутні події, можливо, доведеться перенести навколо ". Світанок прибуде до Вести у 2011 році.
Потс любить бути частиною хвилювання всіх різних місій JPL. "Мені дуже подобається працювати з надзвичайно інтелектуальними та талановитими людьми тут, і ти точно можеш відчути пристрасть до роботи, яку вони роблять", - сказав він. "Іноді це може залякати, але ти розумієш, що кожен має свій талант запропонувати, і кожен допомагає змусити тебе зробити все можливе тут. Ми повинні зробити різноманітну цікаву роботу, і це дуже складно. Немає двох днів однакових ».
Один із винагород його роботи, за словами Потса, бачить, що плід його роботи з'являється у наукових відкриттях. "З поверненням зразка Stardust дуже корисно було б спостерігати, як капсула знаходиться там, де вона повинна була в штаті Юта", - сказав він. "І побачивши, як вчені отримують свої дані і починають проводити свої дослідження, ви відчуваєте, як вони в захваті та раді вони нарешті приступають до роботи над своєю амбіцією протягом усього життя".
Нещодавно вчені Stardust оголосили, що знайшли амінокислоту, одну із будівельних частин життя, у зразку, що космічний корабель повернувся на Землю.
Поттс і Моттінгер працювали над місією Stardust під керівництвом Кена Вільямса. Вільямс працював у JPL кілька років, але на даний момент працює у KinetX, приватній інженерній фірмі, що спеціалізується на аерокосмічній технології та розробці програмного забезпечення. В даний час KinetX забезпечує навігаційну підтримку місії "New Horizons" в Плутоні, а також місії MESSENGER (геохімія та діапазон навколишнього середовища Меркурія в Меркурії), а Вільямс - начальник навігаційної команди MESSENGER. На відміну від Моттінгера і Поттса, Вільямс не завжди брав участь у космічних місіях, і його кар'єра в навігації розвивалася з передумови фізики. Він працював у лабораторії прикладної фізики в університеті Джона Хопкінса, перш ніж прийти на роботу в JPL в 1994 році.
Улюблена частина Вільямса бути навігатором - це пошук та вирішення цікавих технічних проблем. "Саме це викликає мій інтерес", - сказав він. «MESSENGER, безумовно, має ряд таких. Ми пролетіли Землею один раз, Венеру двічі і Меркурієм двічі. Нам доведеться літати Меркурі ще раз, перш ніж ми нарешті вийдемо на орбіту на четвертому зустрічі. Пошук траєкторії, яка успішно виконує всі ці речі, є дуже цікавою технічною проблемою, з якою я дуже радий брати участь. Ми також повинні враховувати всілякі обмеження, як-от утримувати космічний корабель убік від сонця, щоб компоненти не надто нагрівались ».
Як керівник навігаційної групи Вільямс координує всі піддисципліни визначення орбіти, управління траєкторією польоту та оптичної навігації разом з потребами науковців місії з точки зору спостережень, коли вони стикаються з планетою чи кометою.
Вільямс теж насолоджується тим, що перебуває у розпалі дій у важливих космічних місіях. "Я вважаю, що це як битися, або в баскетбольній чи футбольній грі", - сказав він. "Ви відчуваєте хвилювання, коли бачите, як розгортаються події, і реагуєте на будь-які аномалії чи сюрпризи, які виникають. А коли все зроблено, у вас виникає величезне почуття задоволення ".
Його досвід із поверненням Stardust на Землю виділяється як важливий момент. "Злагодження всіх цих зусиль та успішне скорочення космічного корабля було, мабуть, єдиним найкориснішим досвідом за весь час, коли я був у JPL", - сказав він. «Практично на кожній місії, над якою я працював, був час, коли ви відчуваєте ейфорію щодо того, щоб космічний апарат знаходився в потрібному місці в потрібний час. Це добре почуття ".
Хоча залишити JPL було важким рішенням, Вільямс насолоджується своїм досвідом роботи в приватній компанії. "Бути легко в JPL і бути тим, що вони називають" сірою бородою "з точки зору досвіду, але після Stardust мені сподобалося завдання вести команду навігації та рости в технічних областях", - сказав він. "Я думав, що буде краща можливість зробити це з невеликою командою в невеликій компанії, і я подумав, що KinetX - це гарне місце для досягнення цього".
Зовсім протилежне "сірій бороді" - це штурман Емілі Гіст. Вона була в JPL вже 4 роки і є частиною навігаційної команди місії Кассіні в Сатурні. Як і Поттс, вона працює в управлінні траєкторією польоту, допомагаючи планувати траєкторію та оцінювати майбутнє положення космічного корабля, а також контролювати виправлення, необхідні для досягнення цілей місії.
Вона отримує велике задоволення, знаючи, що вона допомагає полегшити розвідку. "Сатурнівська система є прекраснішою, ніж уявляли більшість, і різноманітнішою, ніж раніше було відомо", - сказала вона. «Інформація, яку надав Кассіні, просвітила нас усіх. Більш конкретно, мені подобається, як я щодня навчаюсь в JPL і працюю над місією Кассіні ».
Як частина навігаторів "нового покоління", Gist насолоджується складним середовищем, яке забезпечує JPL. "Ми провели перевірку готовності до експлуатації на Кассіні, де команду провели тестування, щоб побачити, як ми реагуватимемо на поломку або несправність космічного корабля в оперативному середовищі", - сказала вона. «Старші інженери не грали, тому нове покоління повинне було зрозуміти це самостійно, і ми зробили чудову роботу. Це змусило мене пишатися всіма людьми, з якими я працюю. Вони справді талановиті люди ».
Гіст сказала, що гендер ніколи не був проблемою в її роботі навігатора. "JPL має надзвичайно різноманітний персонал, і хоча не дуже багато жінок-навігаторів, до нас не ставляться по-різному", - сказала вона. «Я досить упереджений, але думаю, що нам не вистачає кількості, яку ми компенсуємо якістю. Я працюю з чудовими жінками ».
«Крім того, мені пощастило жити в часі та суспільстві, де незалежно від статі можна знайти те, що хочуть зробити, і зробити це якнайкраще. Я люблю бути інженером, і те, що я намагаюся донести до молодих жінок, - це те, що вони можуть любити все, що завгодно, навіть якщо це математика та наука, не боячись, що це не менш жіноча робота ».
Найважче для всіх навігаторів відповісти було, чи не було у них найменш улюбленої частини роботи. Вони посилаються на звичайні проблеми з будь-якою роботою: недостатньо часу та занадто багато документів. І стрес приходить із роботою. "Терміни, особливо в JPL, дуже реальні", - сказав Поттс. "Якщо ви не готові до критичної події в місії, зазвичай не отримуєте другого шансу. Існує багато їзди, щоб правильно виконати свою роботу. "
Але всі навігатори наголошували на важливості аспекту команди у своїй роботі. "Ви шукаєте властиву якості команди", - сказав Моттінгер. «У мене був керівник проекту, який сказав, що команда виявляє помилки один одного, і ціле більше, ніж сума частин. Все робиться в дусі товариства, і не існує дурного питання ".
Але шукати окремих світильників просто не схоже на макіяж навігатора.
"Мені зручніше працювати за лаштунками, ніж робити інтерв'ю", - сказав Поттс. "Коли я знаю, що я зробив свою роботу і сприяв успіху місії, цього мені достатньо".
"Я добре, коли моя робота знаходиться за кадром", - додав Гіст. "Однак, коли я розглядаю роботу інженерів перед мною та навколо мене, я іноді відчуваю, що вони повинні отримати більше визнання".
Вільямс вважає, що взагалі саме поле навігації повинно отримати більше визнання. "Я думаю, що вчені та люди, які працюють з чисто апаратними системами, недооцінюють складність того, що повинні робити навігатори", - сказав він. "Було б добре, якби ми отримали більше визнання від своїх ровесників саме з точки зору того, щоб мати можливість впливати на те, як плануються місії і починатись з того, щоб питання навігації можна було вирішити перед запуском, а не тільки залишати нам для вирішення після запуск. Я відчуваю це сильніше, ніж будь-яке визнання власних досягнень ".
Вільямс сказав, що те, що роблять навігатори, - це більше форма мистецтва. "Це не зводиться до набору алгоритмів, які можна зберігати на борту літальної системи, наприклад, потужність або привід. Це постійне вдосконалення. "
А навігатори турбують часом довгі та непарні години, які вимагає їх робота? "Ні, - сказав Моттінгер, - я б не торгував ні за що. Нічого іншого подібного немає ».
