Avaruusaluksen liikkuminen taivaan läpi on verrattu laivan purjehtimiseen avomerellä tai ajoneuvon ajamiseen pitkälle maastomatkalle. Analogiat ovat välttämättömiä, koska avaruusaluksen navigointi suoritetaan suhteellisen pienellä näytteellä ihmiskunnasta, ja työhön kuuluu yleensä sellaisten asioiden tekeminen, joita ei ole koskaan tehty. Ne meistä, joilla on vaikeuksia ymmärtää tiekarttaa täällä maan päällä, pelkäävät, mitä nämä taivaalliset navigoijat voivat saavuttaa.
Kirjaimellisesti tämä on rakettitiede.
Yksinkertaisesti sanottuna, avaruusaluksen navigointi tarkoittaa avaruusaluksen sijaintipaikan määrittämistä ja sen pitämistä kurssilla haluttuun määränpäähän. Mutta se ei ole niin helppoa kuin vain päästä pisteestä A (maa) pisteeseen B (planeetta tai muu kehomme aurinkokuntamme järjestelmässä.) Nämä eivät ole kiinteitä paikkoja avaruudessa. Navigaattorien on vastattava haasteisiin, jotka liittyvät pyörivän maan, pyörivän kohdekohteen ja liikkuvan avaruusaluksen tarkan nopeuden ja suunnan laskemiseen, kun kaikki matkustavat samanaikaisesti omilla kiertoradallaansa Auringon ympäri.
Chris Potts, joka auttoi johtamaan Mars Exploration Roversin (MER) navigointiryhmiä, vertasi tavoitevaatimuksia, jotka koskevat Spirit Roverin laskeutumista tietyn Marsin kraatterin sisään pystyäkseen ampumaan koripalloa 9000 mailin päässä olevan kehän kautta. "Sinun ei tarvitse vain tehdä laukausta täydellisesti ilman, että pallo koskettaa reunaa, vaan ajoituksen on oltava täydellinen, joten teet laukauksen täsmälleen summerin kuulostamalla", hän sanoi.
Ken Williams oli navigointiryhmän päällikkö Stardust-operaation palauttaessa komeetan koskemattomat näytteet takaisin Maahan. Jotta onnistunut palaaminen ja laskeutuminen tarkkaan paikkaan Utahissa, navigointiryhmän piti kohdistaa paluukapselin pääsy tiettyyn kohtaan maapallon ilmakehässä kahdeksan sadannesosaa asteesta, joka on verrattuna lyöntiin silmään. ompeleen neulalla, jossa on lanka huoneen poikki.
Navigointi on välttämätöntä jokaisessa robottioperaatiossa, ja vaikka operaation menestys riippuu navigointiryhmän suorituskyvystä, navigaattoreita ei yleensä löydy parrasvalosta, istuen lavalle lehdistötilaisuuteen. Tyypillisesti se on varattu operaation tutkijoille ja suunnittelijoille. Nähtävästi navigaattorit työskentelevät kulissien takana ja miehittävät kaivokset suhteellisen nimettömästi.
Mutta minulla oli tilaisuus puhua muutaman avaruusaluksen navigaattorin kanssa, oppia lisää heidän työstään ja löytää luontaisia ominaisuuksia niille, jotka ohjaavat avaruusaluksemme muualle.
Neil Mottinger on ollut osa lukuisia operaatioita siitä lähtien, kun hän aloitti työskentelynsä Jet-propulsiolaboratoriossa vuonna 1967. Hän avustaa joihinkin varhaisissa kuun- ja planeetta-operaatioissa ja kehitti joitain ohjelmistoja, joita navigaattorit käyttävät edelleen.
Kuuntele Mottingerin haastattelua 365 Days of Astronomy podcastin 21. elokuuta ilmestyvästä versiosta.
Avaruusalusten navigoinnissa on useita erilaisia ala-aloja, ja yksi Mottingerin erikoisuuksista on kiertoradan määrittäminen. "Kiertoradan määrittäminen on tieto siitä, missä avaruusalus on ja minne se menee", kertoi Mottinger, joka työskentelee parhaillaan Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -operaation ja tulevan LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite -operaation) -matkalla kuuhun. "Se alkaa ennustamalla suuntausta, missä avaruusalukset ovat heti laukaisun jälkeen, niin että Deep Space Network (DSN) tietää, mihin osoittaa heidän antenninsä ja millä taajuudella odottaa signaalia." DSN koostuu erittäin herkän syvän avaruuden viestintäantennien verkosta kolmella sijainnilla: Goldstone, Kalifornia; Madrid, Espanja; ja Canberra, Australia. Noin 120 asteen päässä toisistaan oleva maapallon strateginen sijainti mahdollistaa avaruusalusten jatkuvan tarkkailun maapallon pyöriessä.
Koska avaruudessa ei ole GPS: tä, navigaattorit käsittelevät DSN: ltä vastaanottamaa radiometristä seurantatietoa avaruusaluksen sijainnin ja nopeuden määrittämiseksi. He käyttävät myös optista dataa, jossa avaruusalus ottaa kuvan tähden taustasta tarkentaakseen avaruusaluksen liikettä.
Mottinger työskenteli monien vuosien ajan ryhmän kanssa, joka tarjosi navigointitukea yli 100 avaruusaluksen laukaisulle. "En ole koskaan sitoutunut mihinkään operaatioon, koska heti käynnistyksen jälkeen siirryimme seuraavaan operaatioon", Mottinger kertoi. Mutta nyt hän oleskelee operaatioissa pidempään ja on ollut MRO-operaation aikana paremmin kolmen vuoden ajan. Mottinger on innoissaan tieteellisestä tiedosta, jonka tämä tehtävä on palannut. ”Meidän on tarjottava tarkkoja ennusteita siitä, mihin avaruusalus tulee olemaan. Sitten insinöörit osaavat suunnata avaruusaluksia niin, että tutkijat voivat tehdä havaintojaan ”, hän sanoi. ”Jos teemme työmme, tutkijat voivat nähdä maanvyörymän Marsilla tai tarkastella tiettyjä maapallon alueita. Jos ennusteemme ovat vääriä, kamerat osoittavat väärään suuntaan. Navigointi on olennainen osa koko prosessin onnistumisen varmistamista. "
Mottinger sanoi, että tyypillisesti ei ajatella navigaattoreita tutkijoina, vaan vain keinona päästä tutkijoiden tuloksiin. Toisinaan tieteelliset sivutuotteet ovat kuitenkin peräisin navigoinnista. Kuuluisin tapaus oli Voyager-operaatio, kun navigaattori Linda Morabito löysi tulivuoren Jupiterin kuunpuolella, katsoessaan optisia navigointikuvia. Lunar Orbiter -operaatioissa navigaattorit havaitsivat, että kuun pinnan alla oli suuria massapitoisuuksia (joita nyt kutsutaan masconsiksi), jotka kiihdyttävät avaruusaluksia kiertoradalla.
Lisäksi navigoinnissa käytetty tiede on parantunut dramaattisesti vuosien varrella. "Kun tarkastellaan sellaisia asioita, joita emme ymmärtäneet, kun aloitin ensimmäisen kerran, verrattuna siihen, mitä tiedämme nyt, se on hienoa", sanoi Mottinger. Esimerkiksi navigaattorit voivat nyt luoda erittäin tarkkoja malleja auringonpaineesta - kuinka auringonvalon hiukkaset työntyvät avaruusalusta vastaan ja muuttaa sen lentorataa - joka sisältää paitsi kuinka auringonvalo heijastuu avaruusaluksen eri pinnoilta, mutta myös absorboituneen energian uudelleen säteilyn aurinkopaneelien kautta ja säteili ulos takapuolelta.
Lisäksi efemeridit, taulukoiden navigaattorit käyttävät tähtitieteellisten esineiden sijainteja, ovat myös parantuneet tarkkuudessaan vuosien varrella. "Paholainen on yksityiskohdissa", sanoi Mottinger. "Navigoinnista on tulossa uskomattoman tarkka peli."
Kuten monet JPL: n parissa työskentelevistä, myös Mottinger nauttii keskusteluista koulujen tai yhteisöryhmien kanssa jakaakseen jännitystä ja viimeaikaisia löytöjä avaruustutkinnasta. "On tärkeää käydä siellä kertoa viestimme, jotta ihmiset innostuisivat siitä, mitä teemme", hän sanoi. "Ja yleisöllä on oikeus olla innoissaan, koska he maksavat laskun."
Useita vuosia sitten Mottinger palasi kotikaupunkiinsä, Oswegoon, Illinoisiin puhuakseen opiskelijoille työstään navigaattorina. Luokkahuoneessa istui nuori Chris Potts, joka päätti, että avaruusaluksen navigointi oli ura, jota hän halusi jatkaa. Potts, joka on ollut JPL: ssä vuodesta 1984, oli MER: n navigointiryhmän päällikkö ja työskentelee nyt Dawn-operaation kanssa, joka on matkalla kiertää kahta asteroidia, Ceresiä ja Vestaa.
Pottsin erikoisuus on lentotien hallinta. Tähän sisältyy käyttövoimajärjestelmän ampuminen avaruusaluksen nopeuden tai suuntauksen muuttamiseksi, joka tunnetaan nimellä Trajectory Correction Maneuvers (TCM). "Tähän sisältyy avaruusaluksen ohjausominaisuuksien ymmärtäminen ja mahdollisten rajoitusten määrittäminen", Potts sanoi. ”Sinä määrität, milloin aiot ampua käyttövoimajärjestelmän, kuinka usein ja jokaisen liikkeen tavoite. Sinun on myös arvioitava toimitusvaatimukset varmistaaksesi, että pystyt laskeutumaan esimerkiksi kraatteriin Marsiin, ja minimoimaan riskit matkan varrella. "
Suunnittelu on Pottsin suosikki osa työtä. "Yrität kehittää strategian, joka yhdistää kaikki osat", hän sanoi. ”Sinun on puhuttava lähetystyön tutkijoiden kanssa ja ymmärrettävä heidän vaatimukset, ja sitten tiedettävä, mitä avaruusalus voi tehdä. Se on kuin ihmisillä, joilla on vanha auto ja jotka ovat olleet sen ympärillä niin kauan, että he tietävät, kuinka saada irti autosta. Hyödyntämällä sitä, mitä avaruusalus tekee hyvin, ja työskentelemällä sen rajoitusten parissa, voidaan suunnitella strategia, joka vetää sen kaiken yhteen saadakseen sen toimimaan. ”
Suuri osa Pottsin työstä sisältää simulaatioita ja testausta. "Me näemme, kuinka avaruusalukset käyttäytyvät, ja kokeilemme erilaisia strategioita tilanteen parantamiseksi", hän sanoi. "Navigointiosassa on koko" työkalupakki "ohjelmistoja, joita pystymme käyttämään."
Dawn-avaruusalus käyttää ionimoottoria, ja tämä on ensimmäinen kerta, kun Potts työskentelee alhaisen työntövoiman kanssa. "Se on aivan erilainen tehtävä", hän sanoi. ”Huoli on hiukan erilainen kuin muut tehtävät, koska työntövoima on niin tehokas. Yksi niistä asioista, joista olet huolissasi, ei ole tarpeeksi aikaa tehdä tarvittavia korjauksia. Vaikka työntövoima on pieni, ajan myötä se aikaansaa melko nopeuden muutoksen, ja suunnittelet aina suuntauksia ja muutat komentoja varmistaaksesi, että ionimoottori ampuu oikeaan suuntaan. Jos matkalla on jonkinlaista avaruusaluksen vikaa tai hikkaa, sinun on rypälettävä ja jotkut tulevat tapahtumat on ehkä siirrettävä ympäri. " Dawn saapuu Vestalle vuonna 2011.
Potts nauttii osallistumisesta jännitykseen kaikissa JPL: n eri tehtävissä. "Nautin todella työskentelystä täällä erittäin älykkäiden ja lahjakkaiden ihmisten kanssa ja voit varmasti tuntea intohimon heidän tekemästään työstä", hän sanoi. ”Joskus se voi olla pelottavaa, mutta huomaat, että jokaisella on oma kykynsä tarjota ja jokainen auttaa sinua tekemään parhaasi täällä. Meidän on tehtävä useita mielenkiintoisia töitä, ja se on erittäin haastavaa. Ei kaksi päivää ole sama. ”
Yksi työnsä palkinnoista, Potts sanoi, näkee hänen työnsä hedelmällisyyden paljastavan tieteellisissä löytöissä. "Kun Stardust-näyte palasi, seurata kapselin laskeutumista suoraan sinne, missä sen piti olla Utahissa, oli erittäin palkitsevaa", hän sanoi. "Ja nähdäksesi, että tutkijat saavat käsiinsä datan ja alkavat suorittaa tutkimuksiaan, ymmärrät kuinka innoissaan ja innostuneita he ovat vihdoin töistä elinikäisen kunnianhimonsa puolesta."
Äskettäin Stardust-tutkijat ilmoittivat löytävänsä aminohapon, joka on yksi elämän rakennuspalikoista, näytteestä, jonka avaruusalus palasi Maahan.
Potts ja Mottinger työskentelivät molemmat Stardust-operaatiossa Ken Williamsin johdolla. Williams työskenteli JPL: ssä useita vuosia, mutta tällä hetkellä hän työskentelee KinetX: ssä, yksityisessä konepajayrityksessä, joka on erikoistunut ilmailu- ja avaruusteknologiaan sekä ohjelmistojen kehittämiseen. Tällä hetkellä KinetX tarjoaa navigointitukea New Horizons -operaatioon Plutoon sekä MESSENGER (Mercury-pinta-avaruusympäristön geokemian ja Ranging) -operaatioon Mercuryyn, ja Williams on MESSENGERin navigointiryhmän päällikkö. Toisin kuin Mottinger ja Potts, Williams ei ole aina ollut mukana avaruusoperaatioissa ja hänen uransa navigoinnissa on kehittynyt fysiikan taustasta. Hän työskenteli Johns Hopkinsin yliopiston sovellettavan fysiikan laboratoriossa ennen tuloaan työskentelemään JPL: ssä vuonna 1994.
Williamsin suosikkiosa navigoijana on löytää ja ratkaista mielenkiintoisia teknisiä ongelmia. "Se on kiinnostuneisuuteni", hän sanoi. ”MESSENGERillä on varmasti joukko sellaisia. Lensimme kerran maan päällä, Venus kahdesti ja Mercury kahdesti. Meidän on lennettävä Mercuryn kautta vielä kerran, ennen kuin lopulta kiertämme kiertoradalla neljännessä kohtaamisessa. Kaikkien näiden asioiden onnistuneen suorittamisen löytäminen on erittäin mielenkiintoinen tekninen ongelma, johon olen erittäin iloinen voidessani olla mukana. Meidän on otettava huomioon myös kaikenlaiset rajoitukset, kuten pitämällä avaruusalusta etäällä auringosta, jotta komponentit eivät lämpene. "
Navigointiryhmän päällikkönä Williams koordinoi kaikkia kiertoradan määrittämisen, lentotien ohjauksen ja optisen navigoinnin osa-aloja sekä operaation tutkijoiden tarpeita havaintojen suhteen, kun he kohtaavat planeetan tai komeetta.
Myös Williams nauttii innostusta ollaan paksuudessa tärkeissä avaruusoperaatioissa. "Luulen, että se on kuin taistelussa tai koripallo- tai jalkapallopelissä", hän sanoi. ”Tunnet innostusta nähdä tapahtumia avautuvan ja reagoida mahdollisiin poikkeavuuksiin tai yllätyksiin. Ja kun kaikki on tehty, sinulla on valtava tyydytyksen tunne. "
Kokemukset Stardustin paluusta maan päälle erottuvat kohokohtana. "Kaikkien näiden ponnistelujen koordinointi ja avaruusaluksen laskeminen onnistuneesti olivat luultavasti palkitsevin kokemus koko ajan, jona olin JPL: ssä", hän sanoi. ”Lähes jokaisessa tehtävässä, jota olen työskennellyt, on ollut aika, jolloin sinulla on euforiaa siitä, että avaruusalus on oikeassa paikassa oikeaan aikaan. Se on hyvä tunne. "
Vaikka JPL: n jättäminen oli vaikea päätös, Williams nauttii kokemuksistaan yksityisessä yrityksessä. "Olisi ollut helppoa yöpyä JPL: ssä ja olla sitä, mitä he kutsuvat" greyardiksi "kokemuksen suhteen, mutta Stardustin jälkeen piti haasteesta johtaa navigointijoukkuetta ja kasvaa teknisillä alueilla", hän sanoi. "Ajattelin, että olisi parempi mahdollisuus tehdä se pienen joukkueen kanssa pienessä yrityksessä, ja ajattelin, että KinetX oli hyvä paikka saavuttaa tämä."
Päinvastoin "greyardin" on navigaattori Emily Gist. Hän on ollut JPL: ssä 4 vuotta ja kuuluu Saturnuksen Cassini-operaation navigointiryhmään. Pottsin tavoin hän työskentelee lentoradan ohjauksessa auttaen suunnittelemaan lentorataa ja arvioimaan avaruusaluksen tulevaa sijaintia ja hallitsemaan operaation tavoitteiden saavuttamiseksi tarvittavia korjauksia.
Hän on erittäin tyytyväinen tietäen, että hän auttaa helpottamaan etsintää. "Saturnian järjestelmä on kauniimpi kuin useimmat olisivat kuvitellut ja monimuotoisempi kuin aikaisemmin tiedettiin", hän sanoi. ”Cassinin toimittamat tiedot ovat valaistaneet meitä kaikkia. Rakastan tarkemmin, kuinka paljon opit joka päivä JPL: ssä ja työskentelevät Cassini-lähetystyössä. ”
Osana "seuraavan sukupolven" navigaattoreita Gist nauttii haastavasta ympäristöstä, jonka JPL tarjoaa. "Meillä oli operaation valmiustesti Cassinilla, missä joukkue testattiin, kuinka voimme reagoida avaruusaluksen vikaan tai vikaan toimintaympäristössä", hän sanoi. ”Vanhemmat insinöörit eivät olleet pelissä, joten uudemman sukupolven piti selvittää se itse ja saimme erinomaisen työn. Se sai minut ylpeäksi kaikista ihmisistä, joiden kanssa työskentelen. He ovat todella lahjakkaita ihmisiä. ”
Gist sanoi, että sukupuoli ei ole koskaan ollut ongelma hänen navigaattorin tehtävässään. "JPL: llä on uskomattoman monipuolinen henkilökunta, ja vaikka naisnavigoijia ei ole kovin paljon, meitä ei kohdella eri tavalla", hän sanoi. ”Olen melko puolueellinen, mutta luulen, että mitä meiltä puuttuu määrä, me korvaamme laadulla. Työskentelen uskomattomien naisten kanssa. ”
”Lisäksi minulla on onni elää aikaan ja yhteiskunnassa, jossa sukupuolesta riippumatta voidaan löytää haluamansa asia ja tehdä se parhaan kykynsä mukaan. Rakastan olla insinööri ja yritän kertoa nuorille naisille, että he voivat rakastaa mitä haluavat, vaikka se olisi matematiikkaa ja tiedettä, pelkäämättä, että se on vähemmän naisellinen työ. "
Vaikein kysymys kaikille navigaattoreille oli, jos heillä oli työpaikan vähiten suosikkiosa. He mainitsivat minkä tahansa työn tavanomaiset ongelmat: ei tarpeeksi aikaa ja liikaa paperityötä. Ja stressi tulee työn mukana. "Määräajat, etenkin JPL: ssä työskenteleminen, ovat todella todellisia", Potts sanoi. ”Jos et ole varautunut kriittiseen tapahtumaan operaatiossa, et yleensä saa toista mahdollisuutta. Työn tekeminen oikein tehdään paljon. "
Mutta kaikki navigaattorit korostivat joukkueaspektin merkitystä työssään. "Etsit joukkueelle ominaista laatua", Mottinger sanoi. ”Minulla oli projektipäällikkö, joka sanoi, että joukkue tarttuu toistensa virheisiin ja kokonaisuus on suurempi kuin osien summa. Kaikki tapahtuu toveruuden hengessä, eikä tyhmää kysymystä ole. "
Mutta henkilökohtaisen parrasvalon etsiminen ei vain näytä kuuluvan navigaattorin meikkiin.
"Työskentelen mieluummin kulissien takana kuin haastattelu", sanoi Potts. "Kun tiedän, että olen tehnyt työni ja vaikuttanut tehtävän onnistumiseen, se riittää minulle."
"Minulla on hienoa työni kulissien takana", lisäsi Gist. "Kun kuitenkin harkitsen edessäni ja ympärilläni työskenteleviä insinöörejä, tunnen joskus, että heidän pitäisi saada enemmän tunnustusta."
Williamsin mielestä merenkulkukentän pitäisi yleensä saada enemmän tunnustusta. "Uskon, että tutkijat ja ihmiset, jotka tekevät puhtaasti laitteistojärjestelmiä, aliarvioivat navigaattorien tehtävien vaikeudet", hän sanoi. ”Olisi hienoa, jos saisimme enemmän tunnustusta kollegoiltamme pelkästään siitä näkökulmasta, että pystymme vaikuttamaan siihen, kuinka operaatiot suunnitellaan ja suunnitellaan alkamaan niin, että navigointikysymykset voidaan käsitellä ennen käynnistämistä eikä vain jättää meidän käsitellä jälkeen tuoda markkinoille. Tunnen siitä voimakkaammin kuin minkään oman saavutuksen tunnustamisen. "
Williams sanoi, että se, mitä navigaattorit tekevät, on enemmän taiteen muotoa. "Sitä ei voida pelkistää algoritmeihin, joita voidaan esimerkiksi tallentaa lentojärjestelmään, kuten esimerkiksi teho tai työntövoima. Se on jatkuvaa jalostamista. "
Ja häiritsevätkö navigaattorit toisinaan pitkiä ja outoja tunteja, joita heidän työnsä vaativat? "Ei", sanoi Mottinger, "en kauppaa sitä mistään. Ei ole mitään muuta kuin se. "
