Навигацията на космически кораб през небето е сравнена с плаване на кораб в открито море или с управление на превозно средство на дълги пътувания, пресичащи страната. Необходими са аналогии, тъй като навигацията на космически кораби се извършва чрез сравнително малко вземане на проби от човешката раса и работата обикновено включва извършване на неща, които никога не са правени досега. Тези от нас, които имат проблеми с осмислянето на пътната карта тук на Земята, изпитват страхопочитание за това, което тези небесни навигатори могат да постигнат.
Буквално това е ракетната наука.
Най-просто казано, навигацията на космически кораби води до определяне къде е космическият кораб и поддържането му на курса до желаната дестинация. Но това не е толкова лесно, колкото просто да стигнете от точка А (Земята) до точка Б (планета или друго тяло в нашата Слънчева система.) Това не са фиксирани позиции в космоса. Навигаторите трябва да посрещнат предизвикателствата при изчисляването на точните скорости и ориентации на въртяща се Земя, въртяща се цел на дестинация, както и на подвижен космически кораб, докато всички едновременно пътуват в собствените си орбити около Слънцето.
Крис Потс, който помогна да ръководи екипите за навигация за Марсовете за проучване на Марс (MER), сравни целевите изисквания за кацане на Rover Spirit в конкретен кратер на Марс, за да може да стреля по баскетбол през обръч на 9000 мили. „Не само трябва да правите удара перфектно, без топката да докосва джантата, но и времето трябва да бъде перфектно, така че вие правите изстрела точно както звучи зумерът“, каза той.
Кен Уилямс беше началник на Навигационния екип за връщането на девствени образци на комета обратно на Земята на мисията Stardust. За успешното повторно влизане и кацане на точно място в Юта, екипът за навигация трябваше да насочи влизането на капсулата за връщане към конкретна точка от земната атмосфера до осем 100-те градуса, подвиг, който се сравнява с удряне на окото на игла за шиене с парче конец от цялата стая.
Навигацията е от съществено значение за всяка роботизирана мисия и докато успехът на мисията зависи от това колко добре се справя екипът за навигация, навигаторите обикновено не се намират в светлината на прожекторите, седнали на сцената за пресконференция. Обикновено това е запазено за мисиите учени и дизайнери. Навигаторите, привидно, работят зад кулисите, поддържайки окопите в относителна анонимност.
Но имах възможността да говоря с няколко навигатори за космически кораби, да науча повече за тяхната работа и да открия вродените качества на онези, които ръководят нашия космически кораб на места отвъд.
Нийл Мотингер е част от многобройни мисии, откакто започва работа в лабораторията за реактивни двигатели през 1967 г. Той подпомага някои от ранните лунни и планетарни мисии и разработва част от софтуера, който навигаторите използват и до днес.
Чуйте моето интервю с Мотингер в изданието на 21 август от 365 дни подкаст „Дни на астрономията“.
Има няколко различни дисциплини за навигация на космически кораби, а една от специалностите на Mottinger е определянето на орбитата. „Определянето на орбитата е да знаем къде е космическият кораб и къде отива“, казва Мотингер, който в момента работи с мисията Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) и предстоящата мисия LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) на Луната. „Започва с прогнозиране на траекторията, където космическият кораб ще бъде веднага след старта, така че Deep Space Network (DSN) да знае къде да насочи антената си и на каква честота да очаква сигнала.“ DSN се състои от мрежа от изключително чувствителни комуникационни антени в дълбоки пространства на три места: Голдстоун, Калифорния; Мадрид, Испания; и Канбера, Австралия. Стратегическото разположение приблизително на 120 градуса един от друг на земната повърхност позволява постоянно наблюдение на космически кораби, докато Земята се върти.
Тъй като няма GPS в космическото пространство, навигаторите обработват радиометричните данни за проследяване, получени от DSN, за да определят положението и скоростта на космическия кораб. Те също използват оптични данни, където космическият апарат прави снимка на звездния фон, за да помогне за прецизиране на траекторията на космическия кораб.
Дълги години Мотингер работи с група, която осигурява навигационна поддръжка за изстрелването на над 100 космически кораба. „Никога не съм се привързвал към никоя мисия, тъй като веднага след старта преминахме към следващата мисия“, каза Мотингер. Но сега той остава с мисии по-дълго и е с мисията MRO през по-голямата част от три години. Мотингер е развълнуван от научните данни, които тази мисия върна. „Трябва да предоставим точни прогнози за това къде ще се намира космическият кораб. Тогава инженерите знаят как да ориентират космическите кораби, за да могат учените да направят своите наблюдения “, каза той. „Ако си свършим работата, учените могат да видят свлачище на Марс или да разгледат конкретни райони на планетата. Ако нашите прогнози са грешни, камерите са насочени в грешна посока. Навигацията е неразделна част от целия процес за осигуряване на успех на мисията. "
Мотингер каза, че обикновено човек не мисли за навигаторите като за учени, а само като средство за постигане на резултати за учените. Понякога обаче научните странични продукти идват от навигацията. Най-известният случай включваше мисията Вояджър, когато навигаторът Линда Морабито откри вулкан на луната на Юпитер Йо от гледане на оптични навигационни изображения. В мисиите на Лунния орбитър навигаторите разбраха, че има големи концентрации на маса (наричани сега маскони) под повърхността на Луната, които ускоряват космически кораби в орбита.
Освен това науката, използвана в навигацията, се е подобрила драстично през годините. „Когато погледнете типовете неща, които не разбрахме, когато за пръв път започнах спрямо това, което знаем сега, това е преодолимо“, каза Мотингер. Например, навигаторите вече могат да създават много точни модели на слънчево налягане - как частици слънчева светлина се натискат върху космически кораб и променят неговата траектория - която включва не само как слънчевата светлина се отразява от различни повърхности на космическия кораб, но и повторното излъчване на погълнатата енергия. от слънчевите панели и излъчва отзад.
Освен ефемериди, таблиците, които навигаторите използват за получаване на позициите на астрономически обекти, също са се подобрили в точността през годините. "Дяволът е в детайлите", каза Мотингер. „Навигацията става невероятно точна игра.“
Подобно на мнозина, които работят в JPL, Мотингер с удоволствие разговаря с училища или обществени групи, за да споделя вълненията и последните открития на космическите изследвания. „Важно е да бъдем там и да казваме нашето послание, за да развълнуваме хората за това, което правим“, каза той. „И обществеността има право да се вълнува, защото плаща сметката.“
Преди няколко години Мотингер се завърна в родния си град Освего, Илинойс, за да разговаря с учениците за работата си като навигатор. Седнал в класната стая млад Крис Потс, който реши, че навигацията в космически кораби е кариерата, която той искаше да продължи. Потс, който е в JPL от 1984 г., е заместник-началник на екипа по навигация в MER и сега работи с мисията на зората, която е на път да орбитира два астероида, Ceres и Vesta.
Специалността на Потс е контрол на траекторията на полета. Това включва задействане на задвижващата система, за да промени скоростта или траекторията на космическия кораб, известни като маневри за коригиране на траекторията (TCM). „Това включва разбиране на възможностите за контрол на космическия кораб и определяне на всякакви ограничения“, каза Потс. „Вие определяте кога ще стреляте със задвижващата система, колко често и целта на всяка маневра. Вие също трябва да оцените изискванията за доставка, за да сте сигурни, че можете да кацнете в кратер на Марс, например, и да сведете до минимум риска. “
Дизайнният аспект е любимата част на работата на Потс. „Опитвате се да разработите стратегия, която да събере всички парчета заедно“, каза той. „Трябва да поговорите с учените от мисията и да разберете какви са техните изисквания и тогава да знаете какво могат да направят космическите кораби. Като хора, които имат стара кола и обикалят толкова дълго време, те знаят как да извлекат максимума от това превозно средство. Възползвайки се от това, което космическият кораб прави добре, и обграждайки ограниченията му, се вписва в дизайна на стратегия, която го обединява, за да работи. "
Голяма част от работата на Потс включва симулации и тестване. „Виждаме как се държи космическият кораб и изпробваме различни стратегии за подобряването му за нашата ситуация“, каза той. „Разделът за навигация съдържа цял„ инструментариум “от софтуер, който сме в състояние да използваме.“
Космическият апарат "Зората" използва йонен двигател и това е първият път, когато Потс работи със система за задвижване с ниска тяга. „Това е съвсем различна мисия“, каза той. „Тревогите са малко по-различни от другите мисии, защото тягата е толкова ефективна. Едно от нещата, за които се тревожите е, че нямате достатъчно време за извършване на корекции, които са необходими. Въпреки че тягата е ниска, с течение на времето тя създава доста бърза промяна и винаги проектирате траектории и променяте команди, за да сте сигурни, че йонният двигател се движи в правилната посока. Ако има някаква повреда или хълцане на космически кораби по пътя, трябва да се размърдате и някои бъдещи събития може да се наложи да се преместите наоколо. " Зората ще пристигне във Веста през 2011 година.
Потс се радва да бъде част от вълнението на всички различни мисии в JPL. „Наистина ми е приятно да работя с някои изключително интелигентни и талантливи хора тук и определено можете да усетите страстта към работата, която вършат“, каза той. „Понякога това може да бъде плашещо, но вие осъзнавате, че всеки има свой талант да предложи и всеки ви помага да направите всичко възможно тук. Трябва да свършим разнообразна интересна работа и това е много предизвикателно. Няма два дни едно и също. "
Една от наградите на неговата работа, каза Потс, вижда, че плодът на неговата работа се появява в научни открития. „С връщането на пробата от Stardust много полезно е да гледате как капсулата се приземява точно там, където се предполагаше в Юта,“ каза той. „И за да видите как учените се захващат с тези данни и да започнат да извършват своите проучвания, усещате колко са развълнувани и развълнувани, че най-накрая ще започнат да работят върху своята амбиция през целия живот.“
Наскоро учените от Stardust обявиха, че намират аминокиселина, един от градивните елементи на живота, в проба, която космическият кораб се върна на Земята.
Потс и Мотингер работеха над мисията Stardust под ръководството на Кен Уилямс. Уилямс работи в JPL няколко години, но в момента е нает от KinetX, частна инженерна фирма, специализирана в аерокосмическите технологии и разработката на софтуер. Понастоящем KinetX осигурява навигационна поддръжка за мисията New Horizons в Плутон, както и мисията MESSENGER (Геохимия и обхват на Меркурий Космическо пространство в Меркурий), а Уилямс е ръководител на навигационния екип на MESSENGER. За разлика от Мотингер и Потс, Уилямс не винаги е участвал в космически мисии и кариерата му в навигацията се развива от предисторията на физиката. Работил е в лабораторията по приложна физика в университета „Джон Хопкинс“, преди да дойде да работи в JPL през 1994 г.
Любимата част на Уилямс да бъдеш навигатор е намирането и решаването на интересни технически проблеми. „Това е моят интерес“, каза той. „MESSENGER със сигурност има редица такива. Ние летяхме от Земята веднъж, Венера два пъти и Меркурий два пъти. Ще трябва да летим с Меркурий още веднъж, преди най-накрая да излезем в орбита при четвъртата среща. Намирането на траектория, която прави всички тези неща успешно, е много интересен технически проблем, с който много се радвам да участвам. Ние също трябва да вземем предвид всякакви ограничения, като например да държим космическия кораб, насочен далеч от слънцето, така че компонентите да не се затоплят много. "
Като началник на екипа за навигация Уилямс координира всички поддисциплини за определяне на орбитата, контрол на траекторията на полета и оптична навигация, заедно с нуждите на учените от мисията по отношение на наблюденията, когато се натъкнат на планета или комета.
Уилямс също се радва на вълнението да бъде в разгара на действието във важни космически мисии. „Предполагам, че е като в битка или в баскетболна или футболна игра“, каза той. „Усещате вълнението да видите как се развиват събития и да реагирате на възникнали аномалии или изненади. А когато всичко е готово, изпитвате огромно чувство на удовлетворение. "
Преживяванията му с завръщането на Stardust на Земята се открояват като акцент. „Координирането на всички тези усилия и успешното сваляне на космическия кораб вероятно беше единственият най-печеливш опит през цялото време, когато бях в JPL“, каза той. „Почти във всяка мисия, над която съм работил, е имало време, в което имате чувство на еуфория от това космическият кораб да бъде на правилното място в точното време. Това е добро усещане да имаш. "
Въпреки че напускането на JPL беше трудно решение, Уилямс се радва на опита си в частна компания. „Би било лесно да останеш в JPL и да бъда това, което наричат„ сива брада “от гледна точка на опит, но след Stardust, ми хареса предизвикателството да ръководя екип за навигация и да се развивам в технически области“, каза той. „Мислех, че ще има по-добра възможност да направя това с малък екип в малка компания и смятах, че KinetX е добро място за постигане на това.“
Точно обратното на "сивата брада" е навигаторът Емили Гист. Тя е в JPL от 4 години и е част от екипа за навигация за мисията Касини в Сатурн. Подобно на Потс, тя работи в контрола на траекторията на полета, като помага да планира траекторията и да оцени бъдещото положение на космическия кораб и да контролира необходимите корекции за постигане на целите на мисията.
Тя получава голямо удовлетворение, знаейки, че помага за улесняване на изследването. „Сатурнианската система е по-красива, отколкото повечето биха си представяли и по-разнообразна от познатата досега“, каза тя. „Информацията, която Касини е предоставил, ни просвети всички. По-конкретно обичам колко научавам всеки ден в JPL и работя върху мисията Касини. "
Като част от „следващото поколение“ навигатори, Gist се радва на предизвикателната среда, която JPL предлага. „Имахме тест за готовност за експлоатация на Касини, където екипът беше тестван, за да видим как ще реагираме на повреда или повреда на космическия кораб в оперативна среда“, каза тя. „Старшите инженери не играеха, така че по-новото поколение трябваше да се справим сами и ние свършихме отлична работа. Това ме накара да се гордея с всички хора, с които работя. Те са наистина талантливи хора. "
Гист каза, че полът никога не е бил проблем в работата й като навигатор. „JPL има чудесно разнообразен персонал и макар да няма много жени-навигатори, ние не се отнасяме по различен начин“, каза тя. „Аз съм доста пристрастен, но мисля, че това, което ни липсва в количеството, компенсираме като качество. Работя с няколко невероятни жени. "
„Освен това се чувствам щастлив да живея във време и общество, където независимо от пола човек може да намери нещото, което иска да направи, и да го направи по най-добрия начин. Обичам да съм инженер и това, което се опитвам да предам на младите жени е, че те могат да обичат всичко, което искат, дори и да е математика и наука, без да се страхуват, че това е не толкова женствена работа. "
Най-трудният въпрос на всички навигатори да отговорят беше дали имат най-малко любимата част от работата. Те цитираха обичайните проблеми с всяка работа: недостатъчно време и твърде много документи. И стресът идва с работата. „Крайните срокове, особено за работа в JPL, са много реални“, каза Потс. „Ако не сте подготвени за критично събитие в мисията, обикновено нямате втори шанс. Има много езда, за да си свършите работата правилно. "
Но всички навигатори подчертаха важността на екипния аспект в тяхната работа. „Вие търсите присъщото качество на екипа“, каза Мотингер. „Имах ръководител на проекти, който каза, че екип улови грешките на всеки друг и цялото е по-голямо от сбора на частите. Всичко е направено в дух на другарство и няма такова нещо като глупав въпрос. "
Но търсенето на отделни светлини не изглежда да е в грима на навигатора.
„По-удобно ми е да работя зад кулисите, отколкото да правя интервю“, каза Потс. „Когато знам, че съм свършил работата си и съм допринесъл за успеха на мисията, това е достатъчно за мен.“
"Добре съм, че работата ми е зад кулисите", добави Гист. "Въпреки това, когато обмисля работата, която инженерите преди мен и около мен са свършили, понякога чувствам, че трябва да получат по-голямо признание."
Уилямс смята, че като цяло полето на навигацията трябва да получи повече признание. „Смятам, че учените и хората, които правят чисто хардуерни системи, подценяват трудността на това, което трябва да правят навигаторите“, каза той. „Би било хубаво, ако получим по-голямо признание от нашите връстници, само от гледна точка на възможността да повлияем на начина, по който мисиите се планират и проектират да започнат, така че проблемите с навигацията да могат да се решават преди старта, а не само да ни оставят да се справим след това изстрелване. Чувствам се по-силно от това от всяко признание на моите собствени постижения. "
Уилямс каза, че това, което правят навигаторите, е по-скоро форма на изкуство. „Не може да се свежда до набор от алгоритми, които могат да се съхраняват в бордовата система като например мощност или задвижване. Това е постоянно рафиниране. "
А навигаторите притесняват ли понякога дългите и странни часове, които работата им изисква? "Не", каза Мотингер, "не бих го търгувал с нищо. Няма нищо друго подобно. "
