Navigeren door een ruimtevaartuig door de hemel wordt vergeleken met het varen op open zee of het besturen van een voertuig op een lange, langlaufreis. Analogieën zijn nodig, omdat de navigatie van ruimtevaartuigen wordt uitgevoerd door een relatief kleine steekproef van de mensheid, en het werk omvat meestal dingen doen die nog nooit eerder zijn gedaan. Degenen onder ons die moeite hebben om een wegenkaart hier op aarde te begrijpen, staan versteld van wat deze hemelse navigators kunnen bereiken.
Dit is letterlijk raketwetenschap.
Simpel gezegd betekent ruimtevaartuignavigatie het bepalen waar het ruimtevaartuig zich bevindt en het op koers houden naar de gewenste bestemming. Maar het is niet zo eenvoudig als gewoon van punt A (aarde) naar punt B (een planeet of ander lichaam in ons zonnestelsel) gaan. Dit zijn geen vaste posities in de ruimte. Navigators moeten de uitdagingen aangaan van het berekenen van de exacte snelheden en oriëntaties van een roterende aarde, een roterende doelbestemming en een bewegend ruimtevaartuig, terwijl ze allemaal tegelijkertijd in hun eigen banen rond de zon reizen.
Chris Potts, die hielp de navigatieteams voor de Mars Exploration Rovers (MER) te leiden, vergeleek de doelvereisten om de Spirit-rover in een specifieke krater op Mars te laten landen, om een basketbal door een hoepel te kunnen schieten, 9000 mijl verderop. 'Je moet niet alleen het schot perfect maken zonder dat de bal de rand raakt, maar de timing moet ook perfect zijn, dus je maakt het schot precies zoals de zoemer klinkt', zei hij.
Ken Williams was de hoofd van het navigatieteam voor de terugkeer van ongerepte monsters van een komeet naar de aarde van de missie Stardust. Voor een succesvolle terugkeer en landing op een precieze locatie in Utah, moest het navigatieteam de binnenkomst van de retourcapsule richten op een specifiek punt in de atmosfeer van de aarde tot binnen acht honderdste van een graad, een prestatie die wordt vergeleken met het raken van het oog van een naainaald met een stuk draad uit een kamer.
Navigatie is essentieel voor elke robotmissie, en hoewel het succes van een missie afhangt van hoe goed het navigatieteam presteert, staan navigators meestal niet in de schijnwerpers, zittend op het podium voor een persconferentie. Meestal is dat gereserveerd voor de missiewetenschappers en ontwerpers. De navigators werken schijnbaar achter de schermen en bemannen de loopgraven in relatieve anonimiteit.
Maar ik kreeg de gelegenheid om met een paar navigatoren van ruimtevaartuigen te praten, meer te leren over hun werk en de aangeboren kwaliteiten te ontdekken van degenen die ons ruimtevaartuig naar plaatsen daarbuiten leiden.
Neil Mottinger heeft deelgenomen aan tal van missies sinds hij in 1967 bij het Jet Propulsion Laboratory begon te werken. Hij assisteerde bij enkele van de vroege maan- en planetaire missies en ontwikkelde een deel van de software die navigators tegenwoordig nog steeds gebruiken.
Luister naar mijn interview met Mottinger op de 21 augustus editie van 365 Days of Astronomy podcast.
Er zijn verschillende subdisciplines voor de navigatie van ruimtevaartuigen, en een van de specialiteiten van Mottinger is het bepalen van de baan. "Baanbepaling is weten waar het ruimtevaartuig is en waar het heen gaat", zegt Mottinger, die momenteel werkt met de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -missie en de aanstaande LCROSS-missie (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) naar de maan. "Het begint met het voorspellen van het traject waar het ruimtevaartuig zich onmiddellijk na de lancering zal bevinden, zodat het Deep Space Network (DSN) weet waar het zijn antenne moet richten en op welke frequentie het signaal kan worden verwacht." De DSN bestaat uit een netwerk van uiterst gevoelige deep space-communicatieantennes op drie locaties: Goldstone, Californië; Madrid, Spanje; en Canberra, Australië. De strategische plaatsing op ongeveer 120 graden van elkaar op het aardoppervlak maakt een constante observatie van ruimtevaartuigen mogelijk terwijl de aarde draait.
Aangezien er geen GPS in de ruimte is, verwerken navigators de radiometrische trackinggegevens die zijn ontvangen van de DSN om de positie en snelheid van het ruimtevaartuig te bepalen. Ze gebruiken ook optische gegevens, waarbij het ruimtevaartuig een foto maakt van de sterachtergrond om het traject van het ruimtevaartuig te verfijnen.
Mottinger werkte jarenlang samen met een groep die navigatie-ondersteuning bood voor de lancering van meer dan 100 ruimtevaartuigen. 'Ik raakte nooit gehecht aan een missie, want direct na een lancering gingen we verder met de volgende missie', zei Mottinger. Maar nu blijft hij langer bij missies en is hij al bijna drie jaar bij de MRO-missie. Mottinger is verheugd met de wetenschappelijke gegevens die deze missie heeft teruggegeven. 'We moeten nauwkeurige voorspellingen doen over waar het ruimtevaartuig zal zijn. Dan weten de ingenieurs hoe ze ruimtevaartuigen moeten oriënteren zodat de wetenschappers hun waarnemingen kunnen doen, ”zei hij. 'Als we ons werk doen, kunnen de wetenschappers een aardverschuiving op Mars zien of naar specifieke gebieden op de planeet kijken. Als onze voorspellingen niet kloppen, worden de camera's in de verkeerde richting gericht. Navigatie is een integraal onderdeel van het hele proces om missiesucces te verzekeren. ”
Mottinger zei dat men navigators doorgaans niet als wetenschappers beschouwt, maar alleen als een middel om de wetenschappers een eind te laten maken om resultaten te behalen. Soms komen wetenschappelijke bijproducten echter voort uit navigatie. Het bekendste voorbeeld was de Voyager-missie toen navigator Linda Morabito een vulkaan op de maan Io van Jupiter ontdekte door naar optische navigatiebeelden te kijken. In de Lunar Orbiter-missies realiseerden navigators zich dat er onder het oppervlak van de maan grote concentraties massa (nu mascons genoemd) waren die het ruimtevaartuig in een baan om de aarde versnelden.
Bovendien is de wetenschap die in navigatie wordt gebruikt in de loop van de jaren dramatisch verbeterd. "Als je kijkt naar de soorten dingen die we niet begrepen toen ik net begon versus wat we nu weten, is het overweldigend", zei Mottinger. Zo kunnen navigators nu zeer nauwkeurige modellen van zonnedruk creëren - hoe zonnedeeltjes tegen een ruimtevaartuig duwen en het traject ervan veranderen - wat niet alleen inhoudt hoe zonlicht wordt gereflecteerd door verschillende oppervlakken van het ruimtevaartuig, maar ook de herstraling van geabsorbeerde energie door de zonnepanelen en straalde de achterkant uit.
Naast efemeriden, de tabellen die navigators gebruiken om de posities van astronomische objecten te bepalen, is de nauwkeurigheid in de loop der jaren ook verbeterd. 'De duivel zit in de details', zei Mottinger. "Navigatie wordt een ongelooflijk nauwkeurig spel."
Zoals velen die bij JPL werken, vindt Mottinger het leuk om met scholen of gemeenschapsgroepen te praten om de opwinding en recente ontdekkingen van ruimteverkenning te delen. "Het is belangrijk om onze boodschap te vertellen om mensen enthousiast te maken over wat we doen", zei hij. "En het publiek heeft het recht enthousiast te zijn, omdat ze de rekening betalen."
Enkele jaren geleden keerde Mottinger terug naar zijn geboorteplaats Oswego, Illinois om met studenten te praten over zijn baan als navigator. In de klas zat een jonge Chris Potts, die besloot dat ruimtevaartnavigatie de carrière was die hij wilde nastreven. Potts, die sinds 1984 bij JPL werkt, was plaatsvervangend hoofd van het navigatieteam van MER en werkt nu samen met de Dawn Mission, die onderweg is om twee asteroïden, Ceres en Vesta, in een baan om de aarde te brengen.
De specialiteit van Potts is vluchtpadcontrole. Dit houdt in dat het voortstuwingssysteem wordt afgevuurd om de snelheid of het traject van het ruimtevaartuig te veranderen, bekend als Trajectory Correction Manoeuvres (TCM). "Dat omvat het begrijpen van de controlemogelijkheden van het ruimtevaartuig en het bepalen van eventuele beperkingen", aldus Potts. "U bepaalt wanneer u het voortstuwingssysteem gaat afvuren, hoe vaak en het doel van elke manoeuvre. Je moet ook de leveringsvereisten evalueren, om er zeker van te zijn dat je bijvoorbeeld in een krater op Mars kunt landen, en het risico onderweg te minimaliseren. ”
Het ontwerpaspect is het favoriete onderdeel van Potts. 'Je probeert een strategie te ontwikkelen die alle stukjes bij elkaar brengt', zei hij. 'Je moet met de missiewetenschappers praten en begrijpen wat hun vereisten zijn, en dan weten wat het ruimtevaartuig kan doen. Het is net als mensen die een oude auto hebben en er al zo lang mee bezig zijn, ze weten hoe ze het meeste uit die auto kunnen halen. Door te profiteren van wat het ruimtevaartuig goed doet en de beperkingen ervan te omzeilen, wordt het ontwerp van een strategie ontwikkeld die alles bij elkaar brengt om het te laten werken. ”
Veel van Potts 'werk omvat simulaties en testen. 'We zien hoe het ruimtevaartuig zich gedraagt en proberen verschillende strategieën uit om het voor onze situatie te verbeteren', zei hij. "Het navigatiegedeelte heeft een hele 'toolbox' met software die we kunnen gebruiken."
Het Dawn-ruimtevaartuig gebruikt een ionenmotor en dit is de eerste keer dat Potts met een aandrijfsysteem met lage stuwkracht werkt. 'Het is een heel andere missie', zei hij. “De zorgen zijn een beetje anders dan bij andere missies omdat de stuwkracht zo efficiënt is. Een van de dingen waar u zich zorgen over maakt, is dat u niet genoeg tijd heeft om eventuele correcties aan te brengen. Hoewel de stuwkracht laag is, bouwt het na verloop van tijd een behoorlijke snelheidsverandering op en je ontwerpt altijd trajecten en verandert commando's om ervoor te zorgen dat de ionenmotor in de juiste richting vuurt. Als er onderweg een storing of een hapering van een ruimtevaartuig is, moet je klauteren en moeten sommige toekomstige gebeurtenissen mogelijk worden verplaatst. " Dawn komt in 2011 aan in Vesta.
Potts maakt graag deel uit van de opwinding van alle verschillende missies bij JPL. "Ik vind het erg leuk om hier met een aantal uiterst intelligente en getalenteerde mensen te werken en je voelt zeker de passie voor het werk dat ze doen", zei hij. “Soms kan dat intimiderend zijn, maar je realiseert je dat iedereen zijn eigen talent te bieden heeft en dat iedereen je helpt om hier je best te doen. We kunnen een verscheidenheid aan interessant werk doen, en het is erg uitdagend. Geen dag is hetzelfde. '
Een van de beloningen van zijn werk, zei Potts, is dat de vruchten van zijn werk aan het licht komen in wetenschappelijke ontdekkingen. "Met de terugkeer van het Stardust-monster was het zeer de moeite waard om te zien hoe de capsule precies daar terechtkwam in Utah", zei hij. "En om te zien hoe de wetenschappers die gegevens in handen krijgen en hun onderzoeken beginnen uit te voeren, voel je hoe opgewonden en opgewonden ze zijn om eindelijk aan hun levenslange ambitie te werken."
Onlangs hebben Stardust-wetenschappers aangekondigd dat ze een aminozuur, een van de bouwstenen van het leven, zouden vinden in een monster dat het ruimtevaartuig naar de aarde terugstuurde.
Potts en Mottinger werkten beiden onder leiding van Ken Williams aan de Stardust-missie. Williams werkte een aantal jaren bij JPL, maar is momenteel werkzaam bij KinetX, een particulier ingenieursbureau dat gespecialiseerd is in ruimtevaarttechnologie en softwareontwikkeling. Op dit moment biedt KinetX navigatie-ondersteuning voor de New Horizons-missie naar Pluto, evenals de MESSENGER-missie (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) aan Mercury, en Williams is de chef van het navigatieteam van MESSENGER. In tegenstelling tot Mottinger en Potts, is Williams niet altijd betrokken geweest bij ruimtemissies en zijn carrière in de navigatie is voortgekomen uit een natuurkundige achtergrond. Hij werkte bij het Applied Physics Lab aan de Johns Hopkins University voordat hij in 1994 bij JPL kwam werken.
Het favoriete onderdeel van Williams als navigator is het vinden en oplossen van interessante technische problemen. 'Dat is wat mijn interesse wekt', zei hij. 'MESSENGER heeft er zeker een aantal. We zijn één keer langs de aarde gevlogen, twee keer Venus en twee keer Mercurius. We zullen nog een keer langs Mercurius moeten vliegen voordat we eindelijk in een baan om de aarde gaan bij de vierde ontmoeting. Het vinden van een traject dat al die dingen met succes doet, is een zeer interessant technisch probleem waar ik heel graag bij betrokken ben. We moeten ook rekening houden met allerlei beperkingen, zoals het ruimtevaartuig weghouden van de zon zodat de componenten niet te warm worden. "
Als hoofd van het navigatieteam coördineert Williams alle subdisciplines van baanbepaling, vluchtpadbesturing en optische navigatie, samen met de behoeften van missiewetenschappers op het gebied van waarnemingen wanneer ze een planeet of komeet tegenkomen.
Ook Williams geniet van de opwinding dat hij midden in de actie zit in belangrijke ruimtemissies. "Ik veronderstel dat het is alsof je in een gevecht zit, of in een basketbal- of voetbalwedstrijd," zei hij. 'Je voelt de opwinding van het zien van gebeurtenissen en het reageren op eventuele afwijkingen of verrassingen die zich voordoen. En als alles klaar is, heb je een enorm gevoel van tevredenheid. "
Zijn ervaringen met de terugkeer van Stardust naar de aarde vallen op als hoogtepunt. "Al die inspanningen gecoördineerd krijgen en het ruimtevaartuig succesvol neerhalen was waarschijnlijk de meest lonende ervaring in de tijd dat ik bij JPL was", zei hij. "Bij bijna elke missie waaraan ik heb gewerkt, is er een tijd geweest dat je een gevoel van euforie hebt dat het ruimtevaartuig op het juiste moment op de juiste plaats is. Dat is een fijn gevoel. "
Hoewel het verlaten van JPL een moeilijke beslissing was, geniet Williams van zijn ervaringen bij een privébedrijf. "Het zou gemakkelijk zijn geweest om bij JPL te blijven en wat ze noemen een" greybeard "in termen van ervaring, maar na Stardust vond ik de uitdaging leuk om een navigatieteam te leiden en te groeien in technische gebieden," zei hij. "Ik dacht dat er een betere kans zou zijn om dat te doen met een klein team in een klein bedrijf, en ik vond KinetX een goede plek om dat te bereiken."
Het tegenovergestelde van een 'greybeard' is navigator Emily Gist. Ze werkt al vier jaar bij JPL en maakt deel uit van het navigatieteam voor de Cassini-missie in Saturnus. Net als Potts werkt ze in de besturing van de vliegbaan, helpt ze bij het plannen van het traject en het schatten van de toekomstige positie van het ruimtevaartuig, en bij het controleren van de correcties die nodig zijn om de missiedoelen te bereiken.
Ze vindt het heel fijn om te weten dat ze helpt bij het verkennen. 'Het Saturniaanse systeem is mooier dan de meeste mensen zich hadden voorgesteld en diverser dan voorheen bekend was', zei ze. 'De informatie die Cassini heeft verstrekt, heeft ons allemaal verlicht. Meer specifiek hou ik van hoeveel ik elke dag leer bij JPL en het werken aan de Cassini-missie. ”
Als onderdeel van de ‘volgende generatie’ navigators geniet Gist van de uitdagende omgeving die JPL biedt. "We hadden een Operations Readiness Test op Cassini waarbij het team werd getest om te zien hoe we zouden reageren op een storing of fout in het ruimtevaartuig in een operationele omgeving," zei ze. "De senior ingenieurs waren niet in het spel, dus de nieuwere generatie moest het zelf uitzoeken en we hebben uitstekend werk geleverd. Het maakte me trots op alle mensen met wie ik werk. Het zijn echt getalenteerde mensen. '
Gist zei dat gender nooit een probleem is geweest in haar werk als navigator. "JPL heeft een geweldig diverse staf en hoewel er niet veel vrouwelijke navigators zijn, worden we niet anders behandeld", zei ze. “Ik ben behoorlijk bevooroordeeld, maar ik denk dat wat we missen in kwantiteit, we goedmaken in kwaliteit. Ik werk met een aantal fantastische vrouwen. '
“Bovendien voel ik me gelukkig om in een tijd en samenleving te leven waar men, ongeacht geslacht, het ding kan vinden dat ze willen doen en het zo goed mogelijk doen. Ik vind het geweldig om ingenieur te zijn en wat ik probeer over te brengen aan jonge vrouwen is dat ze alles kunnen waarderen wat ze willen, zelfs als het wiskunde en wetenschap is, zonder bang te hoeven zijn dat het een minder vrouwelijke baan is. "
De moeilijkste vraag die alle navigators konden beantwoorden was of ze een minst favoriete taak hadden. Ze noemden de gebruikelijke problemen bij elke klus: niet genoeg tijd en te veel papierwerk. En stress komt met het werk. "Deadlines, vooral bij JPL, zijn heel reëel", zegt Potts. 'Als je niet bent voorbereid op een kritieke gebeurtenis in de missie, krijg je meestal geen tweede kans. Er komt veel bij kijken om uw werk goed gedaan te krijgen. "
Maar alle navigators benadrukten het belang van het teamaspect in hun werk. 'Je zoekt naar de inherente kwaliteit van het team', zei Mottinger. 'Ik had een projectmanager die zei dat een team elkaars fouten opvangt en dat het geheel groter is dan de som van de delen. Alles wordt gedaan in een geest van kameraadschap, en er bestaat niet zoiets als een domme vraag. "
Maar het zoeken naar individuele schijnwerpers lijkt gewoon niet in de make-up van een navigator te zitten.
"Ik vind het prettiger om achter de schermen te werken dan een interview te doen", zei Potts. "Als ik weet dat ik mijn werk heb gedaan en heb bijgedragen aan het succes van de missie, is dat genoeg voor mij."
"Ik vind het prima dat mijn werk achter de schermen is," voegde Gist eraan toe. "Maar als ik nadenk over het werk dat de ingenieurs voor en om mij heen hebben gedaan, heb ik soms het gevoel dat ze meer erkenning zouden moeten krijgen."
Williams vindt over het algemeen dat het navigatieveld zelf meer erkenning zou moeten krijgen. "Ik denk dat wetenschappers en mensen die puur hardwaresystemen maken de moeilijkheid onderschatten van wat navigators moeten doen", zei hij. “Het zou mooi zijn als we meer erkenning zouden krijgen van onze collega's, alleen vanuit het standpunt dat we invloed kunnen hebben op de manier waarop missies worden gepland en ontworpen om te beginnen, zodat navigatieproblemen kunnen worden aangepakt vóór de lancering en niet alleen aan ons worden overgelaten om na te gaan lancering. Ik voel me daar sterker bij dan enige erkenning van mijn eigen prestaties. ”
Williams zei dat wat navigators doen meer een kunstvorm is. "Het is niet herleidbaar tot een reeks algoritmen die kunnen worden opgeslagen aan boord van een vluchtsysteem zoals kracht of voortstuwing." Het verfijnt constant. "
En hebben navigators last van de soms lange en oneven uren die hun werk nodig heeft? 'Nee', zei Mottinger, 'ik zou het nergens voor willen ruilen. Er gaat niets boven dit. "
