Navigace kosmickou lodí nebem byla srovnávána s plavbou lodí na otevřeném moři nebo s řízením vozidla na dlouhé, přespolní cestě. Analogie jsou nezbytné, protože navigace kosmických lodí je prováděna relativně malým vzorkem lidské rasy a práce obvykle zahrnuje dělat věci, které nikdy předtím nebyly provedeny. Ti z nás, kteří mají problémy se smyslem cestovní mapy zde na Zemi, stojí v úctě nad tím, čeho mohou tito nebeslí navigátoři dosáhnout.
Doslova je to raketová věda.
Zjednodušeně řečeno, navigace v kosmické lodi zahrnuje určení, kde se kosmická loď nachází, a její udržení na cestě k požadovanému cíli. Není to však tak snadné, jako když se dostanete z bodu A (Země) do bodu B (planety nebo jiného těla v naší sluneční soustavě.) Nejedná se o pevné pozice ve vesmíru. Navigátoři musí čelit výzvám spočívajícím ve výpočtu přesných rychlostí a orientací rotující Země, rotujícího cílového cíle a pohyblivé kosmické lodi, zatímco všichni cestují současně po svých vlastních drahách kolem Slunce.
Chris Potts, který pomáhal vést navigační týmy pro Mars Exploration Rovers (MER), porovnával cílové požadavky na přistání Spirit roveru uvnitř konkrétního kráteru na Marsu, aby mohl střílet basketbal přes obruč vzdálenou 9000 mil daleko. "Nejen, že musíte udělat výstřel perfektně, aniž by se míč dotýkal ráfku, ale načasování musí být perfektní, takže provedete výstřel přesně podle bzučáku," řekl.
Ken Williams byl náčelníkem navigačního týmu pro návrat Stardustovy mise nedotčených vzorků komety zpět na Zemi. Pro úspěšný návrat a přistání na přesném místě v Utahu musel navigační tým zaměřit vstup zpáteční kapsle na konkrétní bod v zemské atmosféře do osmi 100. stupně, což je vlastnost, která byla porovnána s nárazem do oka šicí jehly s kouskem nitě z celé místnosti.
Navigace je nezbytná pro každou robotickou misi, a zatímco úspěch mise závisí na tom, jak dobře funguje navigační tým, navigátoři se obvykle nenacházejí v centru pozornosti a sedí na jevišti pro tiskovou konferenci. Obvykle je to vyhrazeno pro vědce a designéry misí. Navigátoři, zdá se, pracují za scénami a obsluhují zákopy v relativní anonymitě.
Měl jsem však příležitost promluvit si s několika navigátory kosmických lodí, dozvědět se více o jejich práci a objevovat vrozené vlastnosti těch, kteří naši kosmickou loď vedou na místa za nimi.
Neil Mottinger je součástí mnoha misí od doby, kdy začal pracovat v Jet Propulsion Laboratory v roce 1967. Pomáhal s některými ranými lunárními a planetárními misemi a vyvinul část softwaru, který navigátoři stále používají.
Poslechněte si můj rozhovor s Mottingerem v edici 215 365 dní astronomického podcastu z 21. srpna.
V navigaci kosmických lodí existuje několik různých disciplín a jednou ze specialit společnosti Mottinger je určování orbity. "Určení orbity je vědět, kde je kosmická loď a kam směřuje," řekl Mottinger, který v současné době pracuje s misí Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) a nadcházející misí LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) na Měsíc. "Začíná to předpovídáním trajektorie, kde bude kosmická loď bezprostředně po startu, takže Deep Space Network (DSN) ví, kam nasměrovat jejich anténu a na jakou frekvenci očekávat signál." DSN sestává ze sítě extrémně citlivých antén hlubokého vesmíru na třech místech: Goldstone, Kalifornie; Madrid, Španělsko; a Canberra, Austrálie. Strategické umístění přibližně 120 stupňů od sebe na zemském povrchu umožňuje stálé pozorování kosmické lodi při rotaci Země.
Protože ve vesmíru není žádná GPS, navigátoři zpracovávají radiometrická sledovací data přijatá od DSN, aby určili polohu a rychlost kosmické lodi. Používají také optická data, kde kosmická loď vyfotí hvězdné pozadí, aby pomohla upřesnit trajektorii kosmické lodi.
Po mnoho let pracoval Mottinger se skupinou, která zajišťovala navigační podporu pro vypuštění více než 100 kosmických lodí. "Nikdy jsem se nepřipojil k žádné misi, protože hned po startu jsme se přesunuli na další misi," řekl Mottinger. Nyní však zůstává s misemi déle a je s misí MRO delší dobu tři roky. Mottinger je nadšený vědeckými údaji, které se tato mise vrátila. "Musíme poskytnout přesné předpovědi, kde bude kosmická loď." Pak technici vědí, jak orientovat kosmickou loď tak, aby si vědci mohli udělat pozorování, “řekl. "Pokud budeme dělat svou práci, vědci uvidí sesuv půdy na Marsu nebo se podívají na konkrétní oblasti planety." Pokud jsou naše předpovědi špatné, jsou kamery namířeny nesprávným směrem. Navigace je nedílnou součástí celého procesu zajištění úspěchu mise. “
Mottinger uvedl, že obvykle nepovažuje navigátory za vědce, ale pouze jako prostředek k dosažení výsledků pro vědce. Vědecké vedlejší produkty však někdy pocházejí z navigace. Nejznámějším příkladem byla mise Voyager, když navigátor Linda Morabito objevil sopku na Jupiterově měsíci Io z pohledu na optické navigační obrázky. Při misích na Měsíční orbiter si navigátoři uvědomili, že pod povrchem měsíce byly velké koncentrace hmoty (nyní nazývané masconi), které urychlovaly kosmickou loď na oběžné dráze.
Věda používaná v navigaci se navíc v průběhu let dramaticky zlepšila. "Když se podíváte na typy věcí, kterým jsme nerozuměli, když jsem poprvé začal versus to, co víme teď, je to ohromující," řekl Mottinger. Například navigátoři nyní mohou vytvářet velmi přesné modely slunečního tlaku - jak částice slunečního světla tlačí na kosmickou loď a mění její trajektorii - což zahrnuje nejen to, jak se sluneční světlo odráží od různých povrchů kosmické lodi, ale také re-záření absorbované energie solárními panely a vyzařoval zadní stranu.
Kromě efemeridů, které navigátory tabulek používají k získání pozic astronomických objektů, se v průběhu let také zlepšila přesnost. "Ďábel je v detailech," řekl Mottinger. "Navigace začíná být neuvěřitelně přesná hra."
Stejně jako mnozí, kteří pracují v JPL, i Mottinger rád mluví se školami nebo komunitními skupinami, aby se podělil o vzrušení a nedávné objevy průzkumu vesmíru. "Je důležité být venku a říkat naše poselství, aby byli lidé nadšení z toho, co děláme," řekl. "A veřejnost má právo být nadšená, protože platí účet."
Před několika lety se Mottinger vrátil do rodného města Oswego v Illinois, aby se studenty promluvil o své práci navigátora. Ve třídě seděl mladý Chris Potts, který rozhodl, že navigace kosmických lodí je kariérou, kterou chtěl sledovat. Potts, který je na JPL od roku 1984, byl zástupcem náčelníka navigačního týmu pro MER a nyní pracuje s Dawn Mission, která je na cestě na oběžné dráhy dvou asteroidů, Ceres a Vesta.
Pottsovou specialitou je řízení letové dráhy. To zahrnuje vypálení pohonného systému pro změnu rychlosti nebo trajektorie kosmické lodi, známé jako korekční manévry trajektorie (TCM). "To zahrnuje pochopení ovládacích schopností kosmické lodi a stanovení jakýchkoli omezení," řekl Potts. "Určuješ, kdy budeš propalovat pohonný systém, jak často a jaký cíl má každý manévr." Musíte také zhodnotit požadavky na doručení, abyste se například ujistili, že můžete přistát v kráteru na Marsu a minimalizovat riziko. “
Designový aspekt je Pottsovou oblíbenou součástí práce. "Snažíte se vyvinout strategii, která spojí všechny kusy," řekl. "Musíte mluvit s vědci misí a pochopit, jaké jsou jejich požadavky, a pak vědět, co může kosmická loď udělat." Je to jako lidé, kteří mají staré auto a byli kolem něj tak dlouho, že vědí, jak z toho vozidla vytěžit maximum. Využití toho, co se kosmické lodi daří dobře, a obcházení jejích omezení přispívá k návrhu strategie, která to vše spojuje, aby fungovala. “
Mnoho z Pottsových prací zahrnuje simulace a testování. "Vidíme, jak se kosmická loď chová, a vyzkoušíme různé strategie, jak ji zlepšit pro naši situaci," řekl. "Navigační část obsahuje celou sadu nástrojů, které jsme schopni použít."
Kosmická loď Dawn používá iontový motor, a toto je poprvé, co Potts pracoval s pohonným systémem s nízkým tahem. "Je to docela jiná mise," řekl. "Obavy jsou trochu jiné než jiné mise, protože tah je tak efektivní." Jednou z věcí, kterou se obáváte, není dostatek času na provedení potřebných oprav. Přestože je tah nízký, časem vytváří poměrně rychlou změnu a vy vždy navrhujete trajektorie a měníte příkazy, abyste se ujistili, že iontový motor střílí správným směrem. Pokud se na cestě vyskytne nějaká chyba nebo škytání kosmické lodi, musíte se vyškrabat a některé budoucí události se možná budou muset pohybovat. “ Dawn dorazí na Vesta v roce 2011.
Potts se těší, že je součástí vzrušení ze všech různých misí v JPL. "Opravdu mě baví pracovat s některými extrémně inteligentními a talentovanými lidmi a určitě cítíte vášeň pro práci, kterou vykonávají," řekl. "Někdy to může být zastrašující, ale uvědomujete si, že každý má svůj vlastní talent, který vám nabízí, a každý vám pomáhá řídit vás, abyste se zde snažili dělat to nejlepší." Musíme udělat řadu zajímavých prací a je to velmi náročné. Žádné dva dny nejsou stejné. “
Jednou z odměn jeho práce, řekl Potts, je vidět, jak se jeho práce objevuje ve vědeckých objevech. "Při návratu vzorku Stardust bylo velmi prospěšné sledovat zemi, kde se kapsle nachází tam, kde měla být v Utahu," řekl. "A když vidíte, jak vědci získávají na těchto datech ruce a začínají provádět jejich vyšetřování, cítíte, jak jsou nadšení a nadšení, že konečně začnou pracovat na jejich celoživotních ambicích."
Vědci Stardust nedávno oznámili, že ve vzorku, ve kterém se kosmická loď vrátila na Zemi, najdeme aminokyselinu, jeden ze stavebních kamenů života.
Potts a Mottinger oba pracovali na misi Stardust pod vedením Ken Williamsa. Williams pracoval v JPL několik let, ale v současné době je zaměstnán v KinetXu, soukromé strojírenské firmě specializující se na leteckou techniku a vývoj softwaru. V současné době poskytuje KinetX navigační podporu pro misi New Horizons v Plutu a misi MESSENGER (Mercury Surface Space Geochemistry and Ranging) do Mercury a Williams je vedoucím navigačního týmu MESSENGER. Na rozdíl od Mottinger a Potts, Williams nebyl vždy zapojen do vesmírných misí a jeho kariéra v navigaci se vyvinula z pozadí ve fyzice. Před nástupem do JPL v roce 1994 pracoval v Applied Physics Lab na Johns Hopkins University.
Williamsova nejoblíbenější součást navigace je hledání a řešení zajímavých technických problémů. "To mě zajímá," řekl. "MESSENGER má jistě mnoho z nich." Jednou jsme létali Zemí, dvakrát Venuši a Merkurem dvakrát. Než se konečně dostaneme na oběžné dráze na čtvrtém setkání, musíme letět Merkurem ještě jednou. Nalezení trajektorie, která všechny tyto věci úspěšně zvládne, je velmi zajímavým technickým problémem, s nímž jsem velmi rád, že se mohu zapojit. Musíme také zvážit nejrůznější omezení, jako je například udržování kosmické lodi namířené od slunce, aby součásti nebyly příliš horké. “
Jako vedoucí navigačního týmu Williams koordinuje všechny dílčí obory určování oběžné dráhy, řízení letové dráhy a optické navigace spolu s potřebami vědců v misích, pokud jde o pozorování, když narazí na planetu nebo kometu.
Williams se také těší z potěšení z toho, že je v důležitých kosmických misích v síle akce. "Myslím, že je to jako být v bitvě nebo v basketbalu nebo fotbalu," řekl. "Cítíte vzrušení z toho, že se události odehrávají, a reagujete na jakékoli anomálie nebo překvapení, která se objeví." A když je vše hotovo, máte obrovský pocit uspokojení. “
Jeho zážitky s Stardustovým návratem na Zemi vynikají jako vrchol. "Získat veškeré úsilí koordinované a úspěšně zničit kosmickou loď byl pravděpodobně ten nejpřínosnější zážitek po celou dobu, kdy jsem byl na JPL," řekl. "Téměř na každé misi, na které jsem pracoval, bylo období, kdy máte pocit euforie, že kosmická loď je na správném místě ve správný čas." To je dobrý pocit. “
Přestože opustit JPL bylo obtížné rozhodnutí, Williams má své zkušenosti v soukromé společnosti. "Bylo by snadné zůstat v JPL a být tím, co říkají" greybeard ", pokud jde o zkušenosti, ale po Stardustovi se mi líbil úkol vést navigační tým a růst v technických oblastech," řekl. "Myslel jsem, že by to bylo lepší příležitost udělat s malým týmem v malé společnosti, a myslel jsem, že KinetX je dobrým místem k dosažení tohoto cíle."
Opakem „greybeard“ je navigátor Emily Gist. V JPL je 4 roky a je součástí navigačního týmu pro misi Cassini v Saturn. Stejně jako Potts pracuje v řízení letové dráhy, pomáhá plánovat trajektorii a odhadovat budoucí polohu kosmické lodi a řídit opravy potřebné k dosažení cílů mise.
S velkým uspokojením bere na vědomí, že pomáhá usnadnit průzkum. "Saturnský systém je krásnější, než by si většina představovala, a rozmanitější, než bylo dříve známo," řekla. "Informace, které nám Cassini poskytla, nás všechny osvětlily." Konkrétněji mám rád, kolik toho se každý den učím v JPL a pracuji na misi Cassini. “
Jako součást „další generace“ navigátorů se Gist těší náročnému prostředí, které poskytuje JPL. "Měli jsme na Cassini test operační pohotovosti, kde byl tým testován, abychom viděli, jak bychom reagovali na selhání nebo poruchu kosmické lodi v provozním prostředí," řekla. "Vedoucí inženýři nebyli ve hře, takže nová generace to musela přijít sama a udělali jsme skvělou práci." Byl jsem hrdý na všechny lidi, se kterými pracuji. Jsou to skutečně talentovaní lidé. “
Gist řekl, že pohlaví nikdy nebylo v její práci navigátora problémem. "JPL má úžasně různorodý personál a přestože není příliš mnoho ženských navigátorů, nezacházíme s nimi jinak," řekla. "Jsem docela zkreslený, ale myslím, že to, co nám chybí v kvantitě, se snažíme o kvalitu." Pracuji s několika úžasnými ženami. “
"Navíc se cítím šťastný, že žiji v čase a ve společnosti, kde bez ohledu na pohlaví lze najít to, co chtějí, a udělat to podle svých nejlepších schopností." Miluji být inženýrkou a snažím se mladým ženám sdělit, že mohou milovat vše, co chtějí, i když je to matematika a věda, aniž by se obávaly, že je to méně ženská práce. “
Nejtěžší otázkou, na kterou měli všichni navigátoři odpovědět, bylo, zda měli nejméně oblíbenou část práce. Uváděli obvyklé problémy s jakoukoli prací: málo času a příliš mnoho papírování. A stres přichází s prací. "Termíny, zejména práce v JPL, jsou velmi reálné," řekl Potts. "Pokud nejste připraveni na kritickou událost v misi, obvykle nemáte druhou šanci." Je tu hodně práce na tom, aby se vaše práce odvedla správně. “
Všichni navigátoři však zdůraznili důležitost týmového aspektu v jejich práci. "Hledáš neodmyslitelnou kvalitu týmu," řekl Mottinger. "Měl jsem projektového manažera, který řekl, že tým chytí navzájem chyby a celek je větší než součet částí." Všechno se děje v duchu kamarádství a není nic takového jako hloupá otázka. “
Zdá se však, že hledat individuální záře se nezdá být v make-upu navigátora.
"Jsem pohodlnější pracovat v zákulisí než dělat rozhovor," řekl Potts. "Když vím, že jsem odvedl svou práci a přispěl k úspěchu mise, to mi stačí."
"Jsem v pohodě, protože moje práce je v zákulisí," dodal Gist. "Ale když uvažuji o práci, kterou inženýři přede mnou a kolem mě udělali, někdy mám pocit, že by měli získat větší uznání."
Williams se obecně domnívá, že samotné pole navigace by mělo získat větší uznání. "Myslím, že vědci a lidé, kteří čistě hardwarové systémy podceňují obtížnost toho, co musí navigátoři dělat," řekl. "Bylo by hezké, kdybychom získali více uznání od našich vrstevníků právě z hlediska toho, že jsme schopni ovlivnit, jak jsou plánovány a navrženy mise tak, aby začaly s řešením problémů s navigací před zahájením, a nejen aby nám zůstaly po řešení zahájení. Cítím se tím silněji než jakékoli uznání svých vlastních úspěchů. “
Williams řekl, že navigátoři dělají spíše uměleckou formu. „Nelze ji redukovat na řadu algoritmů, které lze například uložit na palubu letového systému, jako je například výkon nebo pohon. Je to neustálá rafinace. “
A jsou navigátoři obtěžováni někdy dlouhými a lichými hodinami, které jejich práce vyžaduje? "Ne," řekl Mottinger, "za nic bych neobchodoval." Nic jiného se jí nelíbí. “
