Prechádzanie kozmickou loďou nebesami sa porovnávalo s plachtením na otvorenom mori alebo s riadením vozidla na dlhej cross-country ceste. Analógie sú potrebné, pretože navigácia kozmických lodí sa vykonáva pomocou relatívne malého vzorkovania ľudskej rasy a práca zvyčajne zahŕňa robiť veci, ktoré sa nikdy predtým nerobili. Tí z nás, ktorí majú ťažkosti so zmyslom cestovnej mapy tu na Zemi, sú v úcte nad tým, čo môžu títo nebeskí navigátori dosiahnuť.
Je to doslova raketová veda.
Zjednodušene povedané, navigácia v kozmickej lodi znamená určiť, kde je, a udržať ju na ceste k požadovanému cieľu. Nie je to však také ľahké, ako sa dostať z bodu A (Zem) do bodu B (planéty alebo iného tela v našej slnečnej sústave.) Nejde o pevné polohy vo vesmíre. Navigátori musia čeliť výzvam spočívajúcim v vypočítaní presných rýchlostí a orientácií rotujúcej Zeme, rotujúceho cieľového cieľa, ako aj pohyblivej kozmickej lode, pričom všetci súčasne cestujú po vlastných dráhach okolo Slnka.
Chris Potts, ktorý pomáhal viesť navigačné tímy pre Mars Exploration Rovers (MER), porovnal cieľové požiadavky na pristátie Spirit roveru vo vnútri konkrétneho krátera na Marse, aby mohol strieľať basketbal cez obruč vzdialenú 9000 kilometrov. "Nielen, že musíte urobiť výstrel bez toho, aby sa lopta dotýkala ráfika, ale načasovanie musí byť perfektné, takže výstrel urobíte presne tak, ako znie bzučiak," uviedol.
Ken Williams bol vedúcim navigačného tímu pre návrat nedotknutých vzoriek kométy späť na Zem, misie Stardust. Na úspešný návrat a pristátie na presnom mieste v Utahu musel navigačný tím zamerať vstup návratovej kapsuly na konkrétny bod v zemskej atmosfére s presnosťou na osem 100. stupňa, čo je vlastnosť, ktorá bola porovnaná s nárazom do oka šijacej ihly s kúskom nite z celej miestnosti.
Navigácia je nevyhnutná pre každú robotickú misiu a zatiaľ čo úspech misie závisí od toho, ako dobre plní navigačný tím, navigátori sa zvyčajne nenájdu v centre pozornosti a sedí na pódiu pre tlačovú konferenciu. Zvyčajne je to vyhradené pre vedcov a dizajnérov misií. Navigátori zjavne pôsobia v zákulisí a spravujú zákopy v relatívnej anonymite.
Mal som však príležitosť porozprávať sa s niekoľkými navigátormi kozmických lodí, dozvedieť sa viac o ich práci a objaviť vrodené vlastnosti tých, ktorí vedú našu kozmickú loď na iné miesta.
Neil Mottinger je súčasťou mnohých misií, odkedy začal pracovať v Jet Propulsion Laboratory v roku 1967. Pomáhal s niektorými skorými lunárnymi a planetárnymi misiami a vyvinul softvér, ktorý navigátori dodnes používajú.
Vypočujte si môj rozhovor s Mottingerom na 21. vydaní 365 dní podcastu Astronómia.
V navigácii kozmickými loďami existuje niekoľko rôznych disciplín a jednou zo špecialít spoločnosti Mottinger je určenie dráhy. „Určenie obežnej dráhy vie, kde je kozmická loď a kam ide,“ uviedol Mottinger, ktorý v súčasnosti spolupracuje s misiou Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) a nadchádzajúcou misiou LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) na Mesiac. "Začína sa to predpovedaním trajektórie, kde bude kozmická loď okamžite po vypustení, aby sieť Deep Space Network (DSN) vedela, kam nasmerovať svoju anténu a na akú frekvenciu očakávať signál." DSN pozostáva zo siete extrémne citlivých antén hlbokého vesmíru na troch miestach: Goldstone, Kalifornia; Madrid, Španielsko; a Canberra, Austrália. Strategické umiestnenie približne 120 stupňov od seba na zemskom povrchu umožňuje neustále sledovanie kozmickej lode pri rotácii Zeme.
Pretože vo vesmíre nie je žiadna GPS, navigátori spracúvajú údaje o rádiometrickom sledovaní prijaté z DSN na určenie polohy a rýchlosti kozmickej lode. Používajú tiež optické údaje, kde kozmická loď sníma pozadie hviezd, aby pomohla vylepšiť trajektóriu kozmickej lode.
Po mnoho rokov pracoval Mottinger so skupinou, ktorá poskytla navigačnú podporu pri vypustení viac ako 100 kozmických lodí. "Nikdy som nebol pripojený k žiadnej jednej misii, pretože hneď po štarte sme sa presunuli na ďalšiu misiu," povedal Mottinger. Teraz však ostáva s misiami dlhšie a je v misii MRO po lepšiu časť troch rokov. Mottinger je nadšený vedeckými údajmi, ktoré táto misia vrátila. „Musíme poskytnúť presné predpovede, kde bude kozmická loď. Potom inžinieri vedia, ako orientovať kozmickú loď tak, aby vedci mohli robiť pozorovania, “uviedol. „Ak urobíme svoju prácu, vedci môžu vidieť zosuv pôdy na Marse alebo sa pozrieť na konkrétne oblasti planéty. Ak sú naše predpovede nesprávne, kamery sú namierené nesprávnym smerom. Navigácia je neoddeliteľnou súčasťou celého procesu zabezpečenia úspechu misie. “
Mottinger povedal, že typicky sa nemyslí na navigátorov ako na vedcov, iba ako na prostriedok na dosiahnutie vedcov. Vedecké vedľajšie produkty však niekedy pochádzajú z navigácie. Najslávnejším príkladom bola misia Voyager, keď navigátor Linda Morabito objavil sopku na Jupiterovom mesiaci Io z pohľadu na optické navigačné obrázky. Počas misií Lunárny orbiter si navigátori uvedomili, že pod povrchom Mesiaca boli veľké koncentrácie hmoty (teraz nazývané maskoni), ktoré urýchľovali kozmickú loď na obežnej dráhe.
Okrem toho sa veda používaná v navigácii v priebehu rokov dramaticky zlepšila. "Keď sa pozriete na typy vecí, ktorým sme nerozumeli, keď som prvýkrát začal, oproti tomu, čo teraz vieme, je to ohromujúce," uviedol Mottinger. Napríklad navigátori môžu teraz vytvárať veľmi presné modely slnečného tlaku - ako častice slnečného žiarenia tlačia na kozmickú loď a menia jej trajektóriu - čo zahŕňa nielen to, ako sa slnečné svetlo odráža od rôznych povrchov kozmickej lode, ale aj opakované žiarenie absorbovanej energie. solárnymi panelmi a vyžarované zo zadnej strany.
Navyše efemeridy, ktoré navigátory tabuliek používajú na získanie pozícií astronomických objektov, sa v priebehu rokov tiež zlepšili v presnosti. "Diabol je v detailoch," povedal Mottinger. "Navigácia sa stáva neuveriteľne presnou hrou."
Rovnako ako mnohí, ktorí pracujú v spoločnosti JPL, aj Mottinger rád hovorí so školami alebo komunitnými skupinami, aby sa podelil o vzrušenie a nedávne objavy prieskumu vesmíru. "Je dôležité, aby sme boli tam a rozprávali náš odkaz, aby boli ľudia nadšení z toho, čo robíme," uviedol. "A verejnosť má právo byť nadšená, pretože platí účet."
Pred niekoľkými rokmi sa Mottinger vrátil do svojho rodného mesta Oswego v štáte Illinois, aby sa so študentmi porozprával o svojej práci navigátora. V triede sedel mladý Chris Potts, ktorý rozhodol, že navigácia v kozmickej lodi je kariéra, ktorú chcel sledovať. Potts, ktorý je na JPL od roku 1984, bol zástupcom náčelníka navigačného tímu pre MER a teraz pracuje s misiou Dawn, ktorá je na ceste na obežnú dráhu dvoch asteroidov, Ceres a Vesta.
Pottsovou špecialitou je riadenie letovej cesty. Vyžaduje si to prepálenie pohonného systému na zmenu rýchlosti alebo trajektórie kozmickej lode známej ako korekčné manévre trajektórie (TCM). "Zahŕňa to pochopenie ovládacích schopností kozmickej lode a určenie akýchkoľvek obmedzení," uviedol Potts. „Určujete, kedy sa chystáte vystreliť pohonný systém, ako často a aký je cieľ každého manévru. Musíte tiež vyhodnotiť požiadavky na doručenie, aby ste sa napríklad uistili, že môžete pristáť v kráteri na Marse a minimalizovať riziko. “
Dizajnovým aspektom je Pottsova obľúbená súčasť práce. "Pokúsite sa vyvinúť stratégiu, ktorá spojí všetky kúsky," uviedol. „Musíte sa porozprávať s vedcami misií a pochopiť, aké sú ich požiadavky, a potom vedieť, čo môže kozmická loď urobiť. Je to ako ľudia, ktorí majú staré auto a boli tam už tak dlho, vedia, ako z toho vozidla vyťažiť maximum. Využitie toho, čo sa kozmickej lodi darí dobre, a obchádzanie jej obmedzení prispieva k navrhovaniu stratégie, ktorá ju všetkých spája, aby fungovala. “
Veľa z Pottsovej práce zahŕňa simulácie a testovanie. "Vidíme, ako sa kozmická loď správa, a vyskúšame rôzne stratégie na jej zlepšenie pre našu situáciu," uviedol. „Navigačná časť obsahuje celý súbor nástrojov, ktoré sme schopní používať.“
Kozmická loď Dawn používa iónový motor, a toto je prvýkrát, čo Potts pracoval s propulzným systémom s nízkym ťahom. "Je to celkom iná misia," povedal. „Obavy sú trochu iné ako iné misie, pretože ťah je taký efektívny. Jednou z vecí, ktoré vás znepokojujú, nie je dosť času na vykonanie potrebných opráv. Aj keď je prítlak nízky, postupom času sa vytvára pomerne rýchla zmena a vy vždy navrhujete trajektórie a meniace sa príkazy, aby ste sa uistili, že iónový motor spaľuje správnym smerom. Ak sa na ceste vyskytne nejaká porucha alebo škytanie kozmickej lode, musíte sa zakódovať a niektoré budúce udalosti sa možno budú musieť presunúť. ““ Dawn dorazí na Vesta v roku 2011.
Potts sa teší z nadšenia zo všetkých rôznych misií v JPL. "Veľmi sa mi tu páči práca s niektorými mimoriadne inteligentnými a talentovanými ľuďmi a určite cítite vášeň pre prácu, ktorú robia," uviedol. „Niekedy to môže byť zastrašujúce, ale uvedomujete si, že každý má svoj vlastný talent, ktorý vám ponúka, a každý vám pomôže viesť vás, aby ste sa čo najviac snažili. Robíme veľa zaujímavých prác a je to veľmi náročné. Žiadne dva dni nie sú rovnaké. “
Jednou z výhod jeho práce, povedal Potts, je vidieť, ako sa jeho práca objavuje vo vedeckých objavoch. "Pri návrate vzorky Stardust bolo veľmi prospešné sledovať pôdu kapsuly tam, kde mala byť v Utahu," uviedol. "A keď vidíte vedcov, ako sa dostanú k týmto údajom a začnú ich vyšetrovať, vy cítite, ako nadšení a nadšení, že konečne začnú pracovať na ich celoživotných ambíciách."
Vedci Stardustu nedávno oznámili nájdenie aminokyseliny, jedného zo stavebných prvkov života, vo vzorke kozmickej lode, ktorá sa vrátila na Zem.
Potts a Mottinger pracovali na misii Stardust pod vedením Ken Williamsa. Williams pracoval v spoločnosti JPL niekoľko rokov, ale v súčasnosti je zamestnaný v súkromnej strojárskej spoločnosti KinetX, ktorá sa špecializuje na leteckú technológiu a vývoj softvéru. V súčasnosti poskytuje KinetX navigačnú podporu pre misiu New Horizons v Plute, ako aj pre misiu MESSENGER (Mercury Surface Space Geochemistry and Ranging) do Mercury a Williams je vedúcim navigačného tímu MESSENGER. Na rozdiel od spoločnosti Mottinger a Potts, Williams nebol vždy zapojený do vesmírnych misií a jeho kariéra v navigácii sa vyvíjala na pozadí fyziky. Pred prácou na JPL v roku 1994 pracoval v laboratóriu Applied Physics Lab na Johns Hopkins University.
Williamsova najobľúbenejšia súčasť navigácie je hľadanie a riešenie zaujímavých technických problémov. „To je môj záujem,“ povedal. „MESSENGER má určite veľa z nich. Raz sme lietali Zemou, dvakrát Venušou a Merkúrom dvakrát. Predtým, ako sa konečne dostaneme na obežnú dráhu pri štvrtom stretnutí, budeme musieť preletieť Merkúrom ešte raz. Nájdenie trajektórie, ktorá úspešne zvládne všetky tieto veci, je veľmi zaujímavým technickým problémom, s ktorým som veľmi rád, že sa s ňou môžem stretnúť. Musíme tiež vziať do úvahy všetky druhy obmedzení, ako napríklad udržanie kozmickej lode namierenej od slnka, aby sa komponenty príliš nezohrievali. ““
Ako vedúci navigačného tímu Williams koordinuje všetky poddisciplíny určovania obežnej dráhy, riadenia letovej dráhy a optickej navigácie spolu s potrebami vedcov misií, pokiaľ ide o pozorovania, keď sa stretnú s planétou alebo kométou.
Aj Williams sa teší z nadšenia, že je v dôležitých vesmírnych misiách. "Myslím, že je to ako v bitke alebo v basketbale alebo futbale," uviedol. „Cítite vzrušenie z vývoja udalostí a reagujete na akékoľvek anomálie alebo prekvapenia, ktoré sa objavia. A keď sa to všetko urobí, máte obrovský pocit uspokojenia. “
Jeho zážitky s Stardustovým návratom na Zem vynikajú ako vrchol. "Zosúladenie všetkého tohto úsilia a úspešné odstavenie kozmickej lode bolo pravdepodobne jediným najviac prospešným zážitkom po celú dobu, keď som bol na JPL," uviedol. „Takmer pri každej misii, na ktorej som pracoval, nastal čas, keď máte pocit eufórie, že vesmírna loď je na správnom mieste v správny čas. Je to dobrý pocit. “
Hoci opustenie spoločnosti JPL bolo náročné rozhodnutie, Williams má svoje skúsenosti v súkromnej spoločnosti. "Bolo by ľahké zostať v JPL a byť tým, čo nazývajú" greybeard ", pokiaľ ide o skúsenosti, ale po Stardustovi sa mi páčila výzva viesť navigačný tím a rásť v technických oblastiach," uviedol. „Myslel som si, že by na to bola lepšia príležitosť s malým tímom v malej spoločnosti, a myslel som si, že KinetX je dobré miesto na dosiahnutie tohto cieľa.“
Opakom „greybeard“ je navigátor Emily Gist. Je členom JPL 4 roky a je súčasťou navigačného tímu misie Cassini v Saturn. Rovnako ako Potts, aj ona pracuje v oblasti riadenia letových trás, pomáha plánovať trajektóriu a odhadovať budúcu polohu kozmickej lode a riadiť korekcie potrebné na dosiahnutie cieľov misie.
S veľkou spokojnosťou vie, že pomáha pri uľahčovaní prieskumu. „Saturnský systém je krajší, než by si väčšina myslela, a rozmanitejšia, ako sa predtým myslelo,“ uviedla. „Informácie, ktoré nám poskytla spoločnosť Cassini, nás všetkých poučili. Konkrétnejšie mám rád, koľko sa toho každý deň učím v JPL a pracujem na misii Cassini. “
Ako súčasť „ďalšej generácie“ navigátorov sa Gist teší náročnému prostrediu, ktoré poskytuje spoločnosť JPL. "Mali sme na Cassini test prevádzkovej pripravenosti, kde bol tím testovaný, aby sme zistili, ako reagujeme na zlyhanie alebo zlyhanie kozmickej lode v operačnom prostredí," uviedla. „Vedúci inžinieri neboli v hre, takže nová generácia to musela prísť sama a urobili sme vynikajúcu prácu. To ma urobilo hrdým na všetkých ľudí, s ktorými pracujem. Sú to skutočne talentovaní ľudia. “
Gist povedal, že pohlavie nikdy nebolo problémom v jej práci navigátora. "JPL má úžasne rôznorodý personál a hoci nie je veľa ženských navigátorov, nezaobchádzame s nimi inak," uviedla. „Som celkom zaujatý, ale myslím si, že v nedostatku toho, čoho sme si vymysleli, je kvalita. Pracujem s niektorými úžasnými ženami. “
„Okrem toho mám šťastie, že žijem v čase a spoločnosti, kde bez ohľadu na pohlavie je možné nájsť to, čo chcú, a robiť to podľa svojich najlepších schopností. Milujem, že som inžinierka a mladým ženám sa snažím povedať, že môžu milovať všetko, čo chcú, aj keď je to matematika a veda, bez obáv, že ide o menej ženskú prácu. ““
Najťažšia otázka, ktorú mali zodpovedať všetci navigátori, bola, či mali najmenej obľúbenú časť práce. Uviedli obvyklé problémy s akoukoľvek prácou: málo času a príliš veľa administratívy. A stres prichádza s prácou. "Termíny, najmä práce v JPL, sú veľmi reálne," povedal Potts. „Ak nie ste pripravení na kritickú udalosť v misii, zvyčajne nemáte druhú šancu. O tom, ako svoju prácu správne zvládnuť, je veľa práce. “
Ale všetci navigátori zdôraznili dôležitosť tímového aspektu v ich práci. "Hľadáte neodmysliteľnú kvalitu tímu," povedal Mottinger. „Mal som projektového manažéra, ktorý povedal, že tím si navzájom vymyslí chyby a celok je väčší ako súčet častí. Všetko sa deje v duchu kamarátstva a neexistuje taká hlúpa otázka. “
Zdá sa však, že hľadanie individuálneho žiarenia nie je v móde navigátora.
"Práca v zákulisí je pohodlnejšia ako rozhovor," povedal Potts. "Keď viem, že som urobil svoju prácu a prispel k úspechu misie, to mi stačí."
"Som v pohode, pretože moja práca je v zákulisí," dodal Gist. "Keď však uvažujem o práci, ktorú inžinieri predo mnou a okolo seba vykonali, niekedy cítim, že by mali dostať viac uznania."
Williams sa vo všeobecnosti domnieva, že samotná oblasť navigácie by sa mala viac uznávať. "Myslím, že vedci a ľudia, ktorí robia čisto hardvérové systémy, podceňujú ťažkosti, ktoré musia navigátori robiť," uviedol. „Bolo by pekné, keby sme získali viac uznania od našich kolegov už z hľadiska toho, že sme schopní ovplyvniť to, ako sa plánujú a majú začať misie, aby sa problémy s navigáciou mohli riešiť pred spustením a aby sme sa nimi zaoberali až potom štartu. Cítim sa tým silnejšie než akékoľvek uznanie mojich vlastných úspechov. “
Williams povedal, že to, čo robia navigátori, je skôr umelecká forma. „Nie je to možné zredukovať na skupinu algoritmov, ktoré sa dajú napríklad uložiť na palubu letového systému, napríklad energie alebo pohonu. Je to neustále zdokonaľovanie. “
A sú navigátori obťažovaní niekedy dlhými a nepárnymi hodinami, ktoré ich práca vyžaduje? „Nie,“ povedal Mottinger, „za nič by som neobchodoval. Neexistuje nič iné. “
