Навигация по космическому кораблю в небесах сравнивалась с плаванием корабля в открытом море или поездкой на длинном путешествии по пересеченной местности. Необходимы аналогии, так как навигация космического корабля осуществляется с помощью сравнительно небольшой выборки человеческой расы, и работа обычно включает в себя выполнение вещей, которые никогда не делались ранее. Те из нас, кто испытывает затруднения в понимании «дорожной карты» здесь на Земле, восхищаются тем, чего могут достичь эти небесные навигаторы.
Буквально это ракетостроение.
Проще говоря, навигация космического корабля влечет за собой определение того, где находится космический аппарат, и удержание его на пути к желаемому месту назначения. Но это не так просто, как просто добраться из точки А (Земли) в точку Б (планета или другое тело в нашей солнечной системе). Это не фиксированные положения в космосе. Навигаторы должны решать задачи расчета точных скоростей и ориентаций вращающейся Земли, вращающейся цели, а также движущегося космического корабля, в то время как все они одновременно движутся по своим орбитам вокруг Солнца.
Крис Поттс, который помогал руководить навигационными командами для Mars Exploration Rovers (MER), сравнил целевые требования по посадке марсохода Spirit в конкретном кратере на Марсе с возможностью стрелять в баскетбол через обруч на расстоянии 9000 миль. «Мало того, что вы должны делать идеальный выстрел без мяча, касающегося обода, но и время должно быть идеальным, поэтому вы делаете выстрел именно так, как звучит зуммер», - сказал он.
Кен Уильямс был руководителем навигационной группы по возвращению миссии Stardust нетронутых образцов кометы обратно на Землю. Для успешного въезда и приземления в точном месте в Юте, навигационная группа должна была нацелить вход возвратной капсулы в определенную точку в атмосфере Земли с точностью до восьми сотых градуса, подвиг, который сравнивали с попаданием в глаз. швейной иглы с куском нити через всю комнату.
Навигация необходима для каждой роботизированной миссии, и, хотя успех миссии зависит от того, насколько хорошо работает команда навигации, навигаторы обычно не находятся в центре внимания, сидя на сцене для пресс-конференции. Как правило, это предназначено для ученых и дизайнеров миссии. Навигаторы, похоже, работают за кадром, укомплектовывая окопы в относительной анонимности.
Но у меня была возможность поговорить с несколькими навигаторами космических кораблей, узнать больше об их работе и обнаружить врожденные качества тех, кто направляет наш космический корабль в другие места.
Нил Моттингер участвовал в многочисленных миссиях с тех пор, как начал работать в Лаборатории реактивного движения в 1967 году. Он помогал в некоторых ранних лунных и планетарных миссиях и разработал некоторые программы, которые навигаторы используют до сих пор.
Послушайте мое интервью с Моттингером, посвященное подкасту «365 дней астрономии» от 21 августа.
Есть несколько различных дисциплин для навигации космического корабля, и одна из специализаций Моттингера - определение орбиты. «Определение орбиты - это знание, где находится космический корабль и куда он идет», - сказал Моттингер, который в настоящее время работает с миссией «Марс-разведчик» (MRO) и предстоящей миссией LCROSS (спутник наблюдения и обнаружения лунного кратера) на Луну. «Он начинается с прогнозирования траектории, в которой космический корабль будет находиться сразу после запуска, чтобы сеть Deep Space Network (DSN) знала, куда направить свою антенну и на какой частоте ожидать сигнал». DSN состоит из сети чрезвычайно чувствительных антенн для связи в дальнем космосе в трех местах: Голдстоун, Калифорния; Мадрид, Испания; и Канберра, Австралия. Стратегическое расположение примерно на 120 градусов друг от друга на поверхности Земли позволяет постоянно наблюдать за космическими кораблями во время вращения Земли.
Поскольку в космическом пространстве нет GPS, навигаторы обрабатывают данные радиометрического слежения, полученные от DSN, для определения местоположения и скорости космического корабля. Они также используют оптические данные, где космический корабль делает снимок звездного фона, чтобы помочь уточнить траекторию космического корабля.
В течение многих лет Моттингер работал с группой, которая обеспечивала навигационную поддержку для запуска более 100 космических кораблей. «Я никогда не привязывался ни к одной миссии, так как сразу после запуска мы перешли к следующей миссии», - сказал Моттингер. Но теперь он остается с миссиями дольше и был с миссией MRO большую часть трех лет. Моттингер в восторге от научных данных, которые вернула эта миссия. «Мы должны предоставить точные прогнозы того, где будет находиться космический корабль. Тогда инженеры знают, как ориентировать космический корабль, чтобы ученые могли делать свои наблюдения », - сказал он. «Если мы сделаем свою работу, ученые смогут увидеть оползень на Марсе или посмотреть на определенные области на планете. Если наши прогнозы неверны, камеры направлены в неправильном направлении. Навигация является неотъемлемой частью всего процесса обеспечения успеха миссии ».
Моттингер сказал, что, как правило, никто не думает о навигаторах как о ученых, а лишь как средство достижения цели для ученых, чтобы получить результаты. Однако иногда научные побочные продукты приходят из навигации. Самым известным примером была миссия Voyager, когда штурман Линда Морабито обнаружила вулкан на луне Юпитера Ио, глядя на оптические навигационные изображения. В миссиях «Лунный орбитер» навигаторы поняли, что под поверхностью Луны имеются большие скопления массы (теперь называемые масконами), которые ускоряют космический корабль на орбите.
Кроме того, наука, используемая в навигации, значительно улучшилась за эти годы. «Когда вы смотрите на вещи, которые мы не понимали, когда я только начинал, и на то, что мы знаем сейчас, это ошеломляет», - сказал Моттингер. Например, теперь навигаторы могут создавать очень точные модели солнечного давления - как частицы солнечного света давят на космический корабль и изменяют его траекторию - что включает в себя не только то, как солнечный свет отражается от различных поверхностей космического корабля, но также и переизлучение поглощенной энергии солнечными батареями и излучается с обратной стороны.
Кроме того, эфемериды, используемые навигаторами таблиц для определения местоположения астрономических объектов, также улучшились в точности за эти годы. «Дьявол кроется в деталях», - сказал Моттингер. «Навигация становится невероятно точной игрой».
Как и многие, кто работает в JPL, Моттингер любит общаться со школами или общественными группами, чтобы поделиться впечатлениями и недавними открытиями в области освоения космоса. «Важно быть в курсе нашего сообщения, чтобы заинтересовать людей тем, что мы делаем», - сказал он. «И публика имеет право быть взволнованной, потому что они оплачивают счет».
Несколько лет назад Моттингер вернулся в свой родной город Освего, штат Иллинойс, чтобы поговорить со студентами о своей работе в качестве штурмана. В классе сидел молодой Крис Поттс, который решил, что навигация в космическом корабле - это его карьера. Поттс, который работает в JPL с 1984 года, был заместителем начальника навигационной группы по MER и теперь работает с Dawn Mission, которая находится на пути к орбите двух астероидов, Цереры и Весты.
Специальность Поттса - контроль траектории полета. Это включает в себя запуск двигательной установки для изменения скорости или траектории космического корабля, известный как «Маневры коррекции траектории» (TCM). «Это включает в себя понимание возможностей управления космическим кораблем и определение любых ограничений», - сказал Поттс. «Вы сами определяете, когда будете запускать двигательную установку, как часто и какова цель каждого маневра. Вы также должны оценить требования к доставке, чтобы убедиться, что вы можете приземлиться в кратере на Марсе, например, и минимизировать риск на этом пути ».
Аспект дизайна - любимая часть работы Поттса. «Вы пытаетесь разработать стратегию, которая объединит все части», - сказал он. «Вы должны поговорить с учеными миссии и понять, каковы их требования, а затем узнать, что может сделать космический корабль. Это как люди, у которых есть старая машина, и они так долго ею пользуются, они знают, как извлечь из этого максимум пользы. Использование преимуществ того, что делает космический корабль, и обход его ограничений, способствует разработке стратегии, которая объединяет все это, чтобы заставить его работать ».
Большая часть работы Поттса включает моделирование и тестирование. «Мы видим, как ведет себя космический корабль, и пробуем разные стратегии, чтобы улучшить его для нашей ситуации», - сказал он. «В разделе навигации есть целый« инструментарий »программного обеспечения, которое мы можем использовать».
Космический корабль Dawn использует ионный двигатель, и Поттс впервые работает с двигательной установкой с малой тягой. «Это совсем другая миссия», - сказал он. «Проблемы немного отличаются от других миссий, потому что тяга очень эффективна. Одна из вещей, о которой вы беспокоитесь, это нехватка времени для внесения необходимых исправлений. Несмотря на то, что тяга мала, с течением времени происходит довольно быстрое изменение скорости, и вы всегда разрабатываете траектории и меняете команды, чтобы убедиться, что ионный двигатель работает в правильном направлении. Если на этом пути произойдет какая-либо ошибка или сбой в работе космического корабля, вам придется суетиться, и некоторые будущие события, возможно, придется перенести ». Рассвет прибудет в Весту в 2011 году.
Поттсу нравится участвовать в различных миссиях в JPL. «Мне действительно нравится работать с некоторыми чрезвычайно умными и талантливыми людьми здесь, и вы определенно можете почувствовать страсть к работе, которую они делают», - сказал он. «Иногда это может быть пугающе, но вы понимаете, что у каждого есть свой талант, и каждый помогает вам сделать все возможное, чтобы здесь проявить себя. Мы выполняем множество интересных работ, и это очень сложно. Нет двух одинаковых дней.
По словам Поттса, одна из наград за его работу заключается в том, что его научные работы раскрываются в результате научных открытий. «С возвращением образца Stardust наблюдать за приземлением капсулы там, где она должна была находиться в Юте, было очень полезно», - сказал он. «И увидев, как ученые получат эти данные и начнут проводить свои исследования, вы почувствуете, как они взволнованы и взволнованы, наконец, приступив к работе над своими амбициями на всю жизнь».
Недавно ученые Stardust объявили об обнаружении аминокислоты, одного из строительных блоков жизни, в образце космического корабля, возвращенного на Землю.
Поттс и Моттингер оба работали на миссии Stardust под руководством Кена Уильямса. Уильямс работал в JPL в течение нескольких лет, но в настоящее время работает в KinetX, частной инженерной фирме, специализирующейся на аэрокосмических технологиях и разработке программного обеспечения. В настоящее время KinetX обеспечивает навигационную поддержку миссии New Horizons на Плутоне, а также миссии MESSENGER (геохимия и определение дальности космического пространства Меркурия) на Меркурии, а Уильямс является руководителем навигационной группы MESSENGER. В отличие от Моттингера и Поттса, Уильямс не всегда участвовал в космических полетах, и его карьера в области навигации складывалась из опыта работы в области физики. До прихода на работу в JPL в 1994 году он работал в лаборатории прикладной физики в университете Джона Хопкинса.
Любимая часть работы навигатора в Williams - это поиск и решение интересных технических задач. «Это то, что вызывает у меня интерес», - сказал он. «MESSENGER, безусловно, имеет ряд таких. Мы пролетели один раз на Земле, дважды на Венере и дважды на Меркурии. Нам придется пролететь мимо Меркурия еще раз, прежде чем мы наконец выйдем на орбиту в четвертом столкновении. Поиск траектории, которая делает все эти вещи успешными, - очень интересная техническая проблема, с которой я очень рад иметь дело. Мы также должны учитывать все виды ограничений, например, держать космический корабль направленным в сторону от солнца, чтобы компоненты не нагревались слишком сильно ».
Как руководитель группы по навигации, Уильямс координирует все под-дисциплины определения орбиты, управления траекторией полета и оптической навигации, а также потребности ученых миссий с точки зрения наблюдений, когда они сталкиваются с планетой или кометой.
Уильямс также получает удовольствие от участия в важных космических миссиях. «Полагаю, это похоже на битву, баскетбол или футбол», - сказал он. «Вы чувствуете волнение, наблюдая за разворачивающимися событиями и реагируя на любые возникающие аномалии или неожиданности. И когда все это сделано, у вас появляется огромное чувство удовлетворения ».
Его опыт с возвращением Stardust на Землю выделяется как основной момент. «Скорее всего, координация всех этих усилий и успешное разрушение космического корабля были, пожалуй, самым полезным опытом за все время моего пребывания в JPL», - сказал он. «Практически во всех миссиях, над которыми я работал, было время, когда у вас возникало чувство эйфории от того, что космический корабль находится в нужном месте в нужное время. Это хорошее чувство, чтобы иметь. ”
Хотя уход из JPL был трудным решением, Уильямсу нравится его опыт в частной компании. «Было бы легко остаться в JPL и быть тем, кого они называют« серой бородой »с точки зрения наличия опыта, но после Stardust мне понравилась задача руководства навигационной командой и роста в технических областях», - сказал он. «Я подумал, что будет лучшая возможность сделать это с небольшой командой в небольшой компании, и я подумал, что KinetX - хорошее место для достижения этой цели».
Совершенно противоположной «серой бороде» является штурман Эмили Гист. Она работает в JPL в течение 4 лет и является частью навигационной команды для миссии Кассини в Сатурне. Как и Поттс, она работает в области управления траекторией полета, помогая планировать траекторию и оценивать будущее положение космического корабля, а также контролировать коррективы, необходимые для достижения целей миссии.
Она получает большое удовлетворение, зная, что она помогает облегчить исследование. «Сатурнская система более прекрасна, чем многие могли себе представить, и более разнообразна, чем ранее известная», - сказала она. «Информация, предоставленная Кассини, просветила нас всех. Точнее, мне нравится, как я каждый день учусь в JPL и работаю над миссией Кассини ».
Как часть «следующего поколения» навигаторов, Gist пользуется сложной средой, которую обеспечивает JPL. «Мы провели тест на готовность к эксплуатации на Кассини, где команда прошла тестирование, чтобы выяснить, как мы отреагируем на отказ или неисправность космического корабля в операционной среде», - сказала она. «Старшие инженеры не были в игре, поэтому новое поколение должно было это выяснить самостоятельно, и мы отлично поработали. Это заставило меня гордиться всеми людьми, с которыми я работаю. Они действительно талантливые люди ».
Гист сказал, что пол никогда не был проблемой в ее работе в качестве штурмана. «В JPL удивительно разнообразный персонал, и хотя женщин-навигаторов не так много, к нам не относятся по-другому», - сказала она. «Я довольно предвзят, но думаю, что недостатка в количестве мы компенсируем качеством. Я работаю с некоторыми удивительными женщинами ».
«Кроме того, мне повезло жить во времени и обществе, где независимо от пола можно найти то, что они хотят сделать, и сделать это в меру своих возможностей. Мне нравится быть инженером, и я стараюсь донести до молодых женщин то, что они могут любить все, что хотят, даже если это математика и наука, не опасаясь, что это менее женственная работа ».
Самый сложный вопрос для всех навигаторов - ответить, была ли у них наименее любимая часть работы. Они привели обычные проблемы с любой работой: не хватает времени и слишком много документов. И стресс приходит с работой. «Сроки, особенно в JPL, вполне реальны», - сказал Поттс. «Если вы не готовы к критическому событию в миссии, у вас обычно не будет второго шанса. Надо делать свою работу как следует ».
Но все штурманы подчеркивали важность командного аспекта в своей работе. «Вы ищете качество, присущее команде», - сказал Моттингер. «У меня был менеджер проекта, который сказал, что команда улавливает ошибки друг друга и в целом больше, чем сумма частей. Все сделано в духе духа товарищества, и глупых вопросов не бывает ».
Но поиск индивидуального центра внимания, похоже, не в магии навигатора.
«Мне удобнее работать за кулисами, чем брать интервью», - сказал Поттс. «Когда я знаю, что выполнил свою работу и внес свой вклад в успех миссии, мне этого достаточно».
«Я в порядке с моей работой, находящейся за кадром», добавил Гист. «Однако когда я рассматриваю работу, которую проделали инженеры до меня и вокруг меня, я иногда чувствую, что они должны получить большее признание».
Уильямс считает, что в целом сама область навигации должна получить большее признание. «Я думаю, что ученые и люди, которые занимаются исключительно аппаратными системами, недооценивают сложность того, что должны делать навигаторы», - сказал он. «Было бы хорошо, если бы мы получили больше признания от наших коллег только с точки зрения возможности влиять на то, как планируются и разрабатываются миссии, с тем чтобы вопросы навигации можно было решать до запуска, а не только оставлять нам для решения после запуск. Я чувствую это сильнее, чем любое признание моих собственных достижений ».
Уильямс сказал, что то, что делают навигаторы, это скорее форма искусства. «Он не сводится к набору алгоритмов, которые можно хранить на борту системы полета, например, силовой или силовой. Это постоянное совершенствование ».
И беспокоит ли штурманов долгие и необычные часы, которые требуются их работе? «Нет, - сказал Моттингер, - я бы ни за что не обменял его. Больше нет ничего подобного.
