Att navigera i ett rymdskepp genom himlen har jämförts med att segla ett fartyg på öppet hav eller köra ett fordon på en lång, längdresa. Analoger är nödvändiga, eftersom rymdskeppsnavigering utförs av en relativt liten provtagning av mänskligheten, och jobbet innebär vanligtvis att göra saker som aldrig har gjorts tidigare. De av oss som har problem med att känna till en färdplan här på jorden står i vördnad för vad dessa himmelsnavigatorer kan åstadkomma.
Bokstavligen är detta raketvetenskap.
I enklaste termer innebär rymdskeppsnavigering att bestämma var rymdskeppet är och hålla det på kurs till önskad destination. Men det är inte så lätt som att bara komma från punkt A (jorden) till punkt B (en planet eller annan kropp i vårt solsystem.) Det här är inte fasta positioner i rymden. Navigatörer måste möta utmaningarna med att beräkna de exakta hastigheterna och riktningarna för en roterande jord, en roterande måldestination samt ett rörligt rymdskepp, medan alla samtidigt reser i sina egna banor runt solen.
Chris Potts, som hjälpte till att leda navigeringsteamen för Mars Exploration Rovers (MER), jämförde målkraven för att landa Spirit Rover inuti en specifik krater på Mars för att kunna skjuta en basket genom en båge 9000 mil bort. "Inte bara måste du göra skottet perfekt utan att bollen berör kanten, utan timingen måste vara perfekt, så du gör skottet precis som summern låter," sade han.
Ken Williams var Navigation Team Chief för Stardust-uppdragets återkomst av orörda prover av en komet tillbaka till Jorden. För en framgångsrik återinträde och landning på en exakt plats i Utah, måste navigeringsteamet rikta in returkapselens inträde till en specifik punkt i jordens atmosfär till inom åtta 100: e grad, en prestation som har jämförts med att träffa ögat av en synål med ett trådstycke från ett rum.
Navigering är avgörande för varje robotuppdrag, och även om uppdragets framgång hänger samman med hur bra navigeringsteamet presterar, hittas vanligtvis inte navigatörer i rampljuset, och sitter på scenen för en presskonferens. Det är vanligtvis reserverat för uppdragsforskare och formgivare. Navigatorerna arbetar till synes bakom kulisserna och bemannar diken i relativ anonymitet.
Men jag hade möjlighet att prata med några rymdskeppsnavigatorer, lära mig mer om deras jobb och upptäcka de medfödda egenskaperna hos dem som leder vårt rymdskepp till andra ställen.
Neil Mottinger har varit en del av många uppdrag sedan han började arbeta vid Jet Propulsion Laboratory 1967. Han hjälpte till med några av de tidiga mån- och planetuppdragen och utvecklade en del av programvaran som navigatörer fortfarande använder idag.
Lyssna på min intervju med Mottinger på 21 augusti-utgåvan av podcasten 365 Days of Astronomy.
Det finns flera olika underdiscipliner för rymdskeppsnavigering, och en av Mottingers specialiteter är banabestämning. "Orbitbestämning är att veta var rymdskeppet är och vart det går," sade Mottinger, som för närvarande arbetar med uppdraget Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) och det kommande LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) uppdraget till månen. "Det börjar med att förutsäga banan där rymdskeppet kommer att vara omedelbart efter lanseringen så att Deep Space Network (DSN) vet var de ska peka antennen och på vilken frekvens man kan förvänta sig signalen." DSN består av ett nätverk av extremt känsliga djupa rymdkommunikationsantenner på tre platser: Goldstone, Kalifornien; Madrid, Spanien; och Canberra, Australien. Den strategiska placeringen ungefär 120 graders mellanrum på jordens yta tillåter konstant observation av rymdfarkoster när jorden roterar.
Eftersom det inte finns någon GPS i det yttre rymden, bearbetar navigatörerna de radiometriska spårningsdata som mottas från DSN för att bestämma rymdskeppets position och hastighet. De använder också optiska data, där rymdskeppet tar en bild av stjärnbakgrunden för att förfina rymdskeppets bana.
Under många år arbetade Mottinger med en grupp som gav navigationsstöd för lanseringen av över 100 rymdskepp. "Jag blev aldrig knuten till något uppdrag eftersom vi direkt efter en lansering flyttade till nästa uppdrag," sa Mottinger. Men nu stannar han längre med uppdrag och har varit med MRO-uppdraget under den bästa delen av tre år. Mottinger är nöjd med de vetenskapliga uppgifterna som detta uppdrag har returnerat. ”Vi måste ge exakta förutsägelser om var rymdskeppet kommer att vara. Då vet ingenjörerna hur de ska orientera rymdskepp så att forskarna kan göra sina observationer, ”sade han. ”Om vi gör vårt jobb kan forskarna se ett skred på Mars eller titta på specifika områden på planeten. Om våra förutsägelser är fel pekar kamerorna i fel riktning. Navigering är en integrerad del av hela processen för att säkerställa uppdragets framgång. ”
Mottinger sa att man vanligtvis inte tänker på navigatörer som forskare, bara som ett medel för att få forskarna att få resultat. Men ibland kommer vetenskapliga biprodukter från navigering. Det mest kända exemplet involverade Voyager-uppdraget när navigatören Linda Morabito upptäckte en vulkan på Jupiters måne Io från att titta på optiska navigationsbilder. I Lunar Orbiter-uppdragen insåg navigatörerna att det fanns stora koncentrationer av massa (nu kallat mascons) under månens yta som accelererade rymdskepp i omloppsbana.
Dessutom har vetenskapen som används i navigering förbättrats dramatiskt under åren. "När du tittar på de typer av saker som vi inte förstod när jag först började kontra vad vi vet nu är det överväldigande," sa Mottinger. Till exempel kan navigatörer nu skapa mycket exakta modeller av soltryck - hur partiklar av solljus pressar mot ett rymdskepp och förändrar dess bana - vilket inkluderar inte bara hur solljus reflekteras från olika ytor i rymdskeppet, utan också omstrålningen av energi absorberad av solpanelerna och strålade ut baksidan.
Dessutom ephemerides, tabellerna navigatörer använder för att få positionerna för astronomiska objekt, har också förbättrats i noggrannhet genom åren. "Djävulen är i detaljerna," sa Mottinger. "Navigering blir ett otroligt exakt spel."
Liksom många som arbetar på JPL, gillar Mottinger att prata med skolor eller samhällsgrupper för att dela spänningen och de senaste upptäckterna av rymdutforskning. "Det är viktigt att vara ute och berätta för vårt meddelande för att få folk upphetsade över vad vi gör," sade han. "Och allmänheten har rätt att bli upphetsad, för de betalar räkningen."
För flera år sedan återvände Mottinger till sin hemstad Oswego, Illinois för att prata med studenter om sitt jobb som navigatör. Han satt i klassrummet var en ung Chris Potts, som beslutade att rymdskeppsnavigering var den karriär han ville bedriva. Potts, som har varit på JPL sedan 1984, var vice chef för navigeringsteamet för MER och arbetar nu med Dawn Mission som är på väg att kretsa om två asteroider, Ceres och Vesta.
Potts specialitet är flygvägskontroll. Detta inbegriper avfyrning av framdrivningssystemet för att förändra rymdfarkostens hastighet eller bana, känd som Trajectory Correction Maneuvers (TCM). "Det inkluderar att förstå rymdfarkostens kontrollfunktioner och bestämma eventuella begränsningar," sade Potts. ”Du bestämmer när du ska avfyra framdrivningssystemet, hur ofta och målet för varje manöver. Du måste också utvärdera leveranskraven, för att se till att du kan landa till exempel i en krater på Mars och minimera risken på vägen. "
Designaspekten är Potts favoritdel av jobbet. "Du försöker utveckla en strategi som sätter samman alla delar," sade han. ”Du måste prata med uppdragsforskarna och förstå vad deras krav är, och sedan veta vad rymdskeppet kan göra. Det är som människor som har en gammal bil och de har funnits så länge, de vet hur de får ut det bästa av fordonet. Att dra nytta av det som rymdskeppet gör bra och arbeta kring sina begränsningar matas in i utformningen av en strategi som drar allt tillsammans för att få det att fungera. ”
Mycket av Potts arbete innefattar simuleringar och tester. "Vi ser hur rymdskeppet beter sig och testar olika strategier för att förbättra det för vår situation," sade han. "Navigeringsavsnittet har en hel 'verktygslåda' med mjukvara som vi kan använda."
Dawn-rymdskeppet använder en jonmotor, och det är första gången Potts arbetar med ett framdrivningssystem med låg drivkraft. "Det är ett helt annat uppdrag," sade han. ”Oroarna är lite annorlunda än andra uppdrag eftersom drivkraften är så effektiv. En av de saker du oroar dig för är att du inte har tillräckligt med tid att göra några korrigeringar som behövs. Trots att drivkraften är låg bygger den med tiden upp en ganska hastighetsförändring och du utformar alltid bana och ändrar kommandon för att se till att jonmotorn skjuter i rätt riktning. Om det finns någon form av rymdfarkoster eller hik på vägen, måste du klättra och vissa framtida händelser kanske måste flyttas runt. " Gryningen kommer till Vesta 2011.
Potts tycker om att vara en del av spänningen i alla olika uppdrag på JPL. "Jag gillar verkligen att arbeta med några extremt intelligenta och begåvade människor här och du kan definitivt känna passionen för det arbete som de gör," sade han. ”Ibland kan det vara skrämmande, men du inser att alla har sin egen talang att erbjuda och alla hjälper dig att göra ditt bästa här. Vi får göra en mängd intressant arbete, och det är väldigt utmanande. Inga två dagar är desamma. ”
En av fördelarna med hans jobb, sade Potts, är att se frukten av sitt arbete komma fram i vetenskapliga upptäckter. "Med Stardust-provet tillbaka var det mycket givande att titta på kapseln land där den skulle i Utah," sade han. "Och för att se forskarna få tag på den informationen och börja utföra sina undersökningar känner du hur glada och upphetsade de är att äntligen få arbeta med sin livslånga ambition."
Nyligen meddelade Stardust-forskare att de fann en aminosyra, en av livets byggstenar, i ett prov som rymdskeppet återvände till jorden.
Potts och Mottinger arbetade båda på Stardust-uppdraget under ledning av Ken Williams. Williams arbetade på JPL i flera år, men är för närvarande anställd av KinetX, ett privat verkstadsföretag som specialiserat sig på rymdteknik och mjukvaruutveckling. För närvarande tillhandahåller KinetX navigationssupport för New Horizons-uppdraget till Pluto, samt MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) -uppdraget till Mercury, och Williams är MESSENGERs chef för navigeringsteam. Till skillnad från Mottinger och Potts har Williams inte alltid varit inblandad i rymdsuppdrag och hans karriär inom navigering utvecklats från en fysisk bakgrund. Han arbetade på Applied Physics Lab vid Johns Hopkins University innan han kom till JPL 1994.
Williams favoritdel av att vara navigatör är att hitta och lösa intressanta tekniska problem. "Det är vad som får mitt intresse," sade han. ”MESSENGER har verkligen ett antal sådana. Vi flög en gång på jorden, Venus två gånger och Merkurius två gånger. Vi måste flyga med Merkurius en gång till innan vi äntligen går in i bana vid det fjärde mötet. Att hitta en bana som gör alla dessa saker framgångsrikt är ett mycket intressant tekniskt problem som jag är mycket glad över att vara involverad i. Vi måste också ta hänsyn till alla möjliga begränsningar, som att hålla rymdskeppet riktat bort från solen så att komponenterna inte blir för varma. ”
Som navigationsgruppschef koordinerar Williams alla underdiscipliner för banabestämning, flygvägskontroll och optisk navigering tillsammans med uppdragsforskares behov när det gäller observationer när de möter en planet eller komet.
Williams har också glädjen över att vara i handlingen i viktiga rymduppdrag. "Jag antar att det är som att vara i en strid eller i en basket- eller fotbollsmatch," sade han. ”Du känner spänningen av att se händelser utvecklas och svara på eventuella avvikelser eller överraskningar som dyker upp. Och när det är klart har du en enorm känsla av tillfredsställelse. ”
Hans upplevelser med Stardusts återkomst till jorden framträder som en höjdpunkt. "Att få all den ansträngningen samordnad och få rymdfarkosten framgångsrikt var förmodligen den enskilt mest givande upplevelsen under hela tiden jag var på JPL," sade han. "På nästan varje uppdrag jag har arbetat med har det varit en tid där du har en känsla av eufori om att rymdskeppet ska vara på rätt plats vid rätt tidpunkt. Det är en bra känsla att ha. ”
Även om det var ett svårt beslut att lämna JPL, njuter Williams av sina erfarenheter hos ett privat företag. "Det hade varit lätt att bo på JPL och vara det de kallar en" gråskägg "när det gäller att ha erfarenhet, men efter Stardust gillade jag utmaningen att leda ett navigationslag och växa inom tekniska områden," sade han. "Jag trodde att det skulle finnas en bättre möjlighet att göra det med ett litet team i ett litet företag, och jag tyckte KinetX var ett bra ställe att åstadkomma det."
Det motsatta av en "gråskägg" är navigatören Emily Gist. Hon har varit på JPL i 4 år och ingår i navigeringsteamet för Cassini-uppdraget i Saturn. Liksom Potts arbetar hon i flygvägskontroll, hjälper till att planera banan och uppskatta rymdskeppets framtida position och kontrollera de korrigeringar som krävs för att uppnå uppdragsmålen.
Hon är mycket nöjd med att veta att hon hjälper till att underlätta utforskningen. "Det saturniska systemet är vackrare än de flesta skulle ha föreställt sig och mer mångsidig än tidigare känt," sade hon. ”Den information som Cassini har tillhandahållit har upplyst oss alla. Mer specifikt älskar jag hur mycket jag lär mig varje dag på JPL och arbetar på Cassini-uppdraget. ”
Som en del av ”nästa generation av navigatörer” åtnjuter Gist den utmanande miljön som JPL erbjuder. "Vi hade ett Operations Readiness Test på Cassini där teamet testades för att se hur vi skulle reagera på ett fel eller fel på rymdskeppet i en operativ miljö," sa hon. ”Senioringenjörerna var inte i spel så den nyare generationen var tvungen att ta reda på det på egen hand och vi gjorde ett utmärkt jobb. Det gjorde mig stolt över alla jag arbetar med. De är verkligen begåvade människor. ”
Gist sa att kön aldrig har varit ett problem i hennes jobb som navigatör. "JPL har en underbar mångfald personal och även om det inte finns så många kvinnliga navigatörer behandlas vi inte annorlunda," sade hon. ”Jag är ganska partisk, men jag tänker vad vi saknar i kvantitet som vi kompenserar för i kvalitet. Jag arbetar med några fantastiska kvinnor. ”
”Dessutom känner jag mig lycklig att leva i en tid och ett samhälle där man oavsett kön kan hitta det de vill göra och göra det efter bästa förmåga. Jag älskar att vara ingenjör och vad jag försöker förmedla till unga kvinnor är att de kan älska allt de vill, även om det är matematik och vetenskap, utan rädsla för att det är ett mindre feminint jobb. "
Den svåraste frågan för alla navigatörer att svara på var om de hade en minst favorit del av jobbet. De citerade de vanliga problemen med något jobb: inte tillräckligt med tid och för mycket pappersarbete. Och stress kommer med jobbet. "Tidsfrister, särskilt arbetar på JPL, är väldigt riktiga," sade Potts. ”Om du inte är beredd på en kritisk händelse i uppdraget får du vanligtvis ingen andra chans. Det rider mycket på att få ditt jobb ordentligt gjort. "
Men alla navigatörer betonade vikten av teamaspekten i sitt jobb. "Du letar efter teamets inneboende kvalitet," sade Mottinger. ”Jag hade en projektledare som sa att ett team fångar varandras misstag och helheten är större än summan av delarna. Allt görs i en anda av kamratskap, och det finns inget sådant som en dum fråga. ”
Men att söka individuell rampljus verkar bara inte vara i en navigators smink.
"Jag är bekvämare att arbeta bakom kulisserna än att göra en intervju," sade Potts. "När jag vet att jag har gjort mitt jobb och bidragit till uppdragets framgång, räcker det för mig."
"Jag har det bra med mitt arbete som ligger bakom kulisserna," tilllade Gist. "Men när jag överväger arbetet som ingenjörerna före mig och runt mig har gjort känner jag ibland att de borde få mer erkännande."
Williams anser att allmänna navigationsfält i allmänhet borde få mer erkännande. "Jag tror att forskare och människor som gör rent hårdvarusystem underskattar svårigheten med vad navigatörer måste göra," sade han. ”Det skulle vara trevligt om vi fick mer erkännande från våra kamrater bara ur synvinkeln att kunna påverka hur uppdrag planeras och utformas till att börja med så att navigeringsfrågor kan tas upp före lansering och inte bara lämnas åt oss att ta itu med efter lansera. Jag känner starkare om det än något erkännande av mina egna prestationer. ”
Williams sa att det som navigatörer gör är mer en konstform. "Det kan inte reduceras till en uppsättning algoritmer som kan lagras ombord på ett flygsystem som kraft eller framdrivning, till exempel. Det är konstant förfining. "
Och bryts navigatörerna av de ibland långa och udda timmar som deras jobb kräver? "Nej," sade Mottinger, "jag skulle inte handla med det för någonting. Det finns inget annat som det. "
