Navigering i et rumfartøj gennem himlen er blevet sammenlignet med at sejle et skib på åbent hav eller køre et køretøj på en lang, langrendstur. Analogier er nødvendige, da rumfartøjsnavigation udføres ved en relativt lille prøveudtagning af den menneskelige race, og jobbet involverer normalt at gøre ting, der aldrig er blevet gjort før. De af os, der har problemer med at forstå et kørekort her på Jorden, står i ærefrygt for, hvad disse himmelnavigatorer kan udrette.
Bogstaveligt talt er dette raketvidenskab.
På enkleste vilkår betyder rumfartøjsnavigation, at man bestemmer, hvor rumfartøjet er, og holder det på kurs til den ønskede destination. Men det er ikke så let som bare at komme fra punkt A (Jorden) til punkt B (en planet eller et andet legeme i vores solsystem). Dette er ikke faste positioner i rummet. Navigatorer skal imødegå udfordringerne ved at beregne de nøjagtige hastigheder og orienteringer af en roterende jord, en roterende måldestination samt et bevægende rumfartøj, mens alle samtidig rejser i deres egne baner rundt om solen.
Chris Potts, der hjalp med at lede navigationsholdene for Mars Exploration Rovers (MER), sammenlignede målkravene for at lande Spirit Rover inde i et specifikt krater på Mars for at kunne skyde en basketball gennem en bøjle 9000 miles væk. ”Ikke kun skal du lave skuddet perfekt uden at bolden berører kanten, men timingen skal være perfekt, så du får skuddet nøjagtigt som summeren lyder,” sagde han.
Ken Williams var navigationsholdschef for Stardust-missionens tilbagevenden af uberørte prøver af en komet tilbage til Jorden. For en vellykket genindrejse og landing på et præcist sted i Utah, måtte navigationsholdet målrette returkapselens indrejse til et specifikt punkt i jordens atmosfære inden for otte 100. grad af en grad, et resultat, der er blevet sammenlignet med at ramme øjet af en synål med et stykke tråd fra tværs af et rum.
Navigation er vigtig for enhver robot-mission, og selvom missionsucces hænger sammen med, hvor godt navigationsholdet fungerer, findes navigatører normalt ikke i rampelyset, mens de sidder på scenen til en pressekonference. Det er typisk forbeholdt missionens forskere og designere. Navigatorerne arbejder tilsyneladende bag kulisserne og bemandet skyttergraverne i relativ anonymitet.
Men jeg havde lejlighed til at tale med et par rumfartøjsnavigatorer, lære mere om deres job og opdage de medfødte egenskaber hos dem, der leder vores rumfartøj til andre steder.
Neil Mottinger har været en del af adskillige missioner, siden han begyndte at arbejde på Jet Propulsion Laboratory i 1967. Han bistod med nogle af de tidlige måne- og planetariske missioner og udviklede noget af den software, som navigatører stadig bruger i dag.
Lyt til mit interview med Mottinger i 21. august-udgaven af podcasten 365 Days of Astronomy.
Der er flere forskellige underdiscipliner til rumfartøjsnavigation, og en af Mottingers specialiteter er banebestemmelse. ”Orbitbestemmelse er at vide, hvor rumfartøjet er, og hvor det går,” sagde Mottinger, der i øjeblikket arbejder med Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -missionen og den kommende LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) -mission til månen. ”Det starter med at forudsige banen, hvor rumfartøjet vil være lige efter lanceringen, så Deep Space Network (DSN) ved, hvor de skal pege deres antenne, og på hvilken frekvens man kan forvente signalet.” DSN består af et netværk af ekstremt følsomme dybe rumskommunikationsantenner på tre steder: Goldstone, Californien; Madrid, Spanien; og Canberra, Australien. Den strategiske placering med cirka 120 grader fra hinanden på Jordens overflade tillader konstant observation af rumfartøjer, når Jorden roterer.
Da der ikke er nogen GPS i det ydre rum, behandler navigatører de radiometriske sporingsdata, der er modtaget fra DSN, for at bestemme rumfartøjets position og hastighed. De bruger også optiske data, hvor rumfartøjet tager et billede af stjernebaggrunden for at hjælpe med at forfine rumfartøjets bane.
I mange år arbejdede Mottinger med en gruppe, der gav navigationssupport til lanceringen af over 100 rumfartøjer. ”Jeg blev aldrig knyttet til en eneste mission, da vi lige efter en lancering flyttede videre til den næste mission,” sagde Mottinger. Men nu forbliver han med missioner længere og har været med MRO-missionen i den bedre del af tre år. Mottinger er begejstret for de videnskabelige data, som denne mission har returneret. ”Vi er nødt til at give nøjagtige forudsigelser om, hvor rumfartøjet vil være. Så ved ingeniørerne, hvordan man orienterer rumfartøjer, så forskerne kan komme med deres observationer, ”sagde han. ”Hvis vi gør vores job, kan forskerne se et skred på Mars eller se på specifikke områder på planeten. Hvis vores forudsigelser er forkerte, peger kameraerne i den forkerte retning. Navigation er integreret i hele processen for at sikre missionens succes. ”
Mottinger sagde, at man typisk ikke tænker på navigatører som videnskabsmænd, kun som et middel til at stoppe forskerne for at få resultater. Nogle gange kommer videnskabelige biprodukter dog fra navigation. Det mest berømte eksempel involverede Voyager-missionen, da navigatør Linda Morabito opdagede en vulkan på Jupiters måne Io fra at se på optiske navigationsbilleder. I Lunar Orbiter-missionerne opdagede navigatører, at der var store koncentrationer af masse (nu kaldet maskoner) under månens overflade, der accelererede rumfartøjet i kredsløb.
Derudover er den videnskab, der bruges i navigationen, forbedret dramatisk gennem årene. ”Når man ser på de typer ting, vi ikke forstod, da jeg først startede i forhold til hvad vi ved nu, er det overvældende,” sagde Mottinger. F.eks. Kan navigatører nu oprette meget nøjagtige modeller af soltryk - hvordan sollyspartikler skubber mod et rumfartøj og ændrer dets bane - som ikke kun inkluderer, hvordan sollys reflekteres fra forskellige overflader i rumfartøjet, men også genstråling af absorberet energi af solcellepanelerne og udstrålte ud bagfra.
Derudover er efemerider, som tabellerne navigatorer bruger til at opnå placeringer af astronomiske objekter, også forbedret i nøjagtighed i årenes løb. ”Djævelen er i detaljerne,” sagde Mottinger. ”Navigation bliver et utroligt præcist spil.”
Som mange, der arbejder på JPL, kan Mottinger lide at tale med skoler eller samfundsgrupper for at fortælle om spændingen og de nylige opdagelser omkring rumfartsudforskning. ”Det er vigtigt at være derude og fortælle vores budskab for at få folk glade for det, vi laver,” sagde han. ”Og offentligheden har ret til at blive begejstret, fordi de betaler regningen.”
For flere år siden vendte Mottinger tilbage til sin hjemby Oswego, Illinois for at tale med studerende om sit job som navigatør. En ung Chris Potts sad i klasseværelset, som besluttede, at rumfartøjsnavigation var den karriere, han ville forfølge. Potts, der har været hos JPL siden 1984, var vicechef for teamet for navigationsholdet for MER og arbejder nu med Dawn-missionen, der er på vej til kredsløb om to asteroider, Ceres og Vesta.
Potts 'specialitet er flyvekontrol. Dette indebærer, at fremdrivningssystemet affyres for at ændre rumfartøjets hastighed eller bane, kaldet Trajectory Correction Maneuvers (TCM). ”Det inkluderer forståelse af rumfartøjets kontrolfunktioner og bestemmelse af eventuelle begrænsninger,” sagde Potts. ”Du bestemmer, hvornår du skal skyde fremdrivningssystemet, hvor ofte og målet for hver manøvre. Du er også nødt til at evaluere leveringsbehovene, for at sikre dig, at du f.eks. Kan lande i et krater på Mars og minimere risikoen undervejs. ”
Designaspektet er Potts 'yndlingsdel af jobbet. ”Du prøver at udvikle en strategi, der sætter alle brikkerne sammen,” sagde han. ”Du er nødt til at tale med missionens videnskabsmænd og forstå, hvad deres krav er, og derefter vide, hvad rumfartøjet kan gøre. Det er som mennesker, der har en gammel bil, og de har været i det så længe, de ved, hvordan de får mest muligt ud af det køretøj. At drage fordel af, hvad rumfartøjet klarer sig godt og arbejde omkring dets begrænsninger, strømmer ind i designet til en strategi, der trækker det hele sammen for at få det til at fungere. ”
Meget af Potts 'arbejde involverer simuleringer og test. ”Vi ser, hvordan rumfartøjet opfører sig, og prøver forskellige strategier for at forbedre det for vores situation,” sagde han. "Navigationsafsnittet har en hel 'værktøjskasse' med software, som vi er i stand til at bruge."
Dawn-rumfartøjet bruger en ionmotor, og det er første gang, Potts har arbejdet med et fremdrivningssystem med lavt tryk. ”Det er en helt anden mission,” sagde han. ”Bekymringerne er lidt anderledes end andre missioner, fordi drivkraften er så effektiv. En af de ting, du bekymrer dig om, er ikke at have nok tid til at foretage de nødvendige rettelser. Selvom drivkraften er lav, bygger den over tid en ret hastighedsændring, og du designer altid bane og ændrer kommandoer for at sikre, at ionmotoren skyder i den rigtige retning. Hvis der er nogen form for rumfartøjsfejl eller hik undervejs, er du nødt til at krydre, og nogle fremtidige begivenheder skal muligvis flyttes rundt. ” Dawn kommer til Vesta i 2011.
Potts nyder at være en del af spændingen ved alle de forskellige missioner hos JPL. ”Jeg nyder virkelig at arbejde med nogle ekstremt intelligente og talentfulde mennesker her, og du kan helt sikkert føle lidenskaben for det arbejde, de udfører,” sagde han. ”Det kan undertiden være skræmmende, men du er klar over, at alle har deres eget talent at tilbyde, og alle hjælper med at få dig til at gøre dit bedste her. Vi får til at udføre en række interessante arbejder, og det er meget udfordrende. Ingen dage er de samme. ”
En af fordelene ved sit job, sagde Potts, ser frukten af sit arbejde komme frem i videnskabelige opdagelser. ”Med Stardust-prøven vender tilbage, var det meget givende at se kapsellandet lige hvor det skulle i Utah,” sagde han. "Og for at se forskerne få fat på disse data og begynde at udføre deres undersøgelser, fornemmer du, hvor begejstrede og spændte de er over at endelig komme på arbejde med deres livslange ambition."
For nylig meddelte Stardust-forskere, at de fandt en aminosyre, en af livets byggesten, i en prøve, rumfartøjet vendte tilbage til Jorden.
Potts og Mottinger arbejdede begge på Stardust-missionen under ledelse af Ken Williams. Williams arbejdede i JPL i flere år, men er i øjeblikket ansat i KinetX, et privat ingeniørfirma med speciale i rumfartsteknologi og softwareudvikling. På nuværende tidspunkt yder KinetX navigationssupport til New Horizons-missionen til Pluto, samt MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) -missionen til Mercury, og Williams er MESSENGERs navigationsholdschef. I modsætning til Mottinger og Potts har Williams ikke altid været involveret i rummissioner, og hans karriere inden for navigation udviklede sig fra en fysisk baggrund. Han arbejdede på Applied Physics Lab på Johns Hopkins University, før han kom til at arbejde på JPL i 1994.
Williams yndlingsdel af at være navigator er at finde og løse interessante tekniske problemer. ”Det er det, der får min interesse,” sagde han. ”MESSENGER har bestemt en række af dem. Vi fløj én gang på jorden, Venus to gange og Merkur to gange. Vi bliver nødt til at flyve forbi Merkur endnu en gang, inden vi omsider går i bane på det fjerde møde. At finde en bane, der gør alle disse ting med succes, er et meget interessant teknisk problem, som jeg er meget glad for at være involveret i. Vi må også overveje alle mulige begrænsninger, såsom at holde rumfartøjet vendt væk fra solen, så komponenterne ikke bliver for varme. ”
Som navigationsholdschef koordinerer Williams alle underdisciplinerne for banebestemmelse, flyvevejskontrol og optisk navigation sammen med missionens videnskabers behov med hensyn til observationer, når de støder på en planet eller komet.
Williams nyder også spændingen ved at være i handlingen i vigtige rumopgaver. ”Jeg formoder, at det er som at være i en kamp eller i en basketball- eller fodboldkamp,” sagde han. ”Du føler spændingen ved at se begivenheder udfolde sig og svare på eventuelle afvigelser eller overraskelser, der dukker op. Og når det hele er gjort, har du en enorm følelse af tilfredshed. ”
Hans oplevelser med Stardusts tilbagevenden til Jorden fremstår som et højdepunkt. ”At få al den indsats koordineret og få rumfartøjet med succes ned var sandsynligvis den mest givende oplevelse i al den tid, jeg var på JPL,” sagde han. ”På næsten hver mission, jeg har arbejdet med, har der været en tid, hvor man har en følelse af eufori om at have rumfartøjet være på det rigtige sted til det rigtige tidspunkt. Det er en god følelse at have. ”
Selvom det var en vanskelig beslutning at forlade JPL, nyder Williams sine oplevelser hos et privat firma. ”Det ville have været let at bo på JPL og være det, de kalder en” gråbjørn ”med hensyn til at have erfaring, men efter Stardust kunne jeg lide udfordringen med at lede et navigationshold og vokse inden for tekniske områder,” sagde han. ”Jeg troede, at der ville være en bedre mulighed for at gøre det med et lille team i et lille firma, og jeg troede, KinetX var et godt sted at opnå det.”
Det modsatte af en 'gråbjørn' er navigatøren Emily Gist. Hun har været på JPL i 4 år og er en del af navigationsteamet til Cassini-missionen i Saturn. Ligesom Potts arbejder hun i flyvevejskontrol, hjælper med at planlægge banen og estimere rumfartøjets fremtidige position og kontrollere de rettelser, der kræves for at nå missionens mål.
Hun er meget tilfreds med at vide, at hun hjælper med at lette efterforskning. ”Det Saturnian-system er smukkere, end de fleste ville have forestillet sig og mere forskelligt end tidligere kendt,” sagde hun. ”De oplysninger, Cassini har givet, har oplyst os alle. Mere specifikt elsker jeg, hvor meget jeg lærer hver dag hos JPL og arbejder på Cassini-missionen. ”
Som en del af 'næste generation' af navigatører nyder Gist det udfordrende miljø, som JPL tilbyder. ”Vi havde en driftsberedskabstest på Cassini, hvor teamet blev testet for at se, hvordan vi ville reagere på en fiasko eller en fejl på rumfartøjet i et operationelt miljø,” sagde hun. ”De øverste ingeniører var ikke i spil, så den nyere generation måtte finde ud af det på vores egen, og vi gjorde et fremragende stykke arbejde. Det gjorde mig stolt af alle de mennesker, jeg arbejder med. De er virkelig talentfulde mennesker. ”
Gist sagde, at køn aldrig har været et problem i hendes job som navigatør. ”JPL har et vidunderligt mangfoldigt personale, og selvom der ikke er så mange kvindelige navigatører, bliver vi ikke behandlet forskelligt,” sagde hun. ”Jeg er temmelig partisk, men jeg tror, hvad vi mangler i mængde, som vi udgør for kvalitet. Jeg arbejder med nogle fantastiske kvinder. ”
”Derudover føler jeg mig heldig som lever i en tid og et samfund, hvor man uanset køn kan finde den ting, de vil gøre, og gøre det efter bedste evne. Jeg elsker at være ingeniør, og hvad jeg prøver at formidle til unge kvinder er, at de kan elske hvad de vil, selvom det er matematik og videnskab, uden frygt for, at det er et mindre feminint job. ”
Det sværeste spørgsmål for alle navigatører at svare på var, om de havde en mindst favorit del af jobbet. De citerede de sædvanlige problemer med ethvert job: ikke nok tid og for meget papirarbejde. Og stress kommer med jobbet. ”Deadlines, især arbejder hos JPL, er meget reelle,” sagde Potts. ”Hvis du ikke er forberedt på en kritisk begivenhed i missionen, får du normalt ikke en anden chance. Der kører meget på at få dit job ordentligt udført. ”
Men alle navigatører understregede vigtigheden af teamaspektet i deres job. ”Du ser efter teamets iboende kvalitet,” sagde Mottinger. ”Jeg havde en projektleder, der sagde, at et team fanger hinandens fejl, og at helheden er større end summen af delene. Alt foregår i en ånd af kameraderi, og der er ikke noget som et dumt spørgsmål. ”
Men at søge individuelt rampelys ser ikke ud til at være i en navigators makeup.
”Jeg er mere komfortabel med at arbejde bag kulisserne end at lave et interview,” sagde Potts. ”Når jeg ved, at jeg har gjort mit job og bidraget til missionens succes, er det nok for mig.”
”Jeg har det godt med mit arbejde at være bag kulisserne,” tilføjede Gist. ”Men når jeg overvejer det arbejde, som ingeniørerne før mig og omkring mig har gjort, føler jeg undertiden, at de burde få mere anerkendelse.”
Williams mener generelt, at selve navigationsfeltet burde få større anerkendelse. ”Jeg tror, at forskere og mennesker, der udelukkende bruger hardwaresystemer, undervurderer vanskeligheden ved, hvad navigatører skal gøre,” sagde han. ”Det ville være dejligt, hvis vi fik mere anerkendelse fra vores kolleger lige fra synspunktet om at kunne påvirke, hvordan missioner er planlagt og designet til at begynde med, så navigationsspørgsmål kan løses inden lancering og ikke kun efterlades til os at tackle lancering. Jeg føler mig stærkere over det end nogen anerkendelse af mine egne resultater. ”
Williams sagde, at hvad navigatører gør, er mere en kunstform. ”Det kan ikke reduceres til et sæt algoritmer, der kan gemmes ombord på et flysystem som f.eks. Strøm eller fremdrift. Det er konstant raffinering. ”
Og er navigatører generet af de undertiden lange og ulige timer, deres job kræver? ”Nej,” sagde Mottinger, ”jeg ville ikke handle med det for noget. Der er intet andet som det. ”
