Das Navigieren eines Raumfahrzeugs durch den Himmel wurde mit dem Segeln eines Schiffes auf offener See oder dem Fahren eines Fahrzeugs auf einer langen Überlandreise verglichen. Analogien sind notwendig, da die Navigation von Raumfahrzeugen durch eine relativ kleine Stichprobe der Menschheit durchgeführt wird und die Aufgabe normalerweise darin besteht, Dinge zu tun, die noch nie zuvor getan wurden. Diejenigen von uns, die Schwierigkeiten haben, eine Straßenkarte hier auf der Erde zu verstehen, staunen darüber, was diese Himmelsnavigatoren leisten können.
Dies ist buchstäblich Raketenwissenschaft.
Im einfachsten Sinne bedeutet die Navigation von Raumfahrzeugen, zu bestimmen, wo sich das Raumfahrzeug befindet, und es auf Kurs zum gewünschten Ziel zu halten. Es ist jedoch nicht so einfach, von Punkt A (Erde) zu Punkt B (einem Planeten oder einem anderen Körper in unserem Sonnensystem) zu gelangen. Dies sind keine festen Positionen im Weltraum. Navigatoren müssen sich den Herausforderungen stellen, die genauen Geschwindigkeiten und Ausrichtungen einer rotierenden Erde, eines rotierenden Ziels sowie eines sich bewegenden Raumfahrzeugs zu berechnen, während sich alle gleichzeitig in ihren eigenen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen.
Chris Potts, der die Navigationsteams der Mars Exploration Rovers (MER) leitete, verglich die Zielvoraussetzungen für die Landung des Spirit Rovers in einem bestimmten Krater auf dem Mars mit der Fähigkeit, einen Basketball durch einen 9000 Meilen entfernten Reifen zu schießen. "Sie müssen nicht nur den Schuss perfekt machen, ohne dass der Ball die Felge berührt, sondern auch das Timing muss perfekt sein, damit Sie den Schuss genau so machen, wie der Summer klingt", sagte er.
Ken Williams war der Chef des Navigationsteams für die Rückgabe unberührter Proben eines Kometen durch die Stardust-Mission zur Erde. Für einen erfolgreichen Wiedereintritt und eine erfolgreiche Landung an einem bestimmten Ort in Utah musste das Navigationsteam den Eintritt der Rückführungskapsel auf einen bestimmten Punkt in der Erdatmosphäre auf acht Hundertstel Grad genau einstellen, eine Leistung, die mit dem Auftreffen auf das Auge verglichen wurde einer Nähnadel mit einem Stück Faden aus einem Raum.
Die Navigation ist für jede Robotermission von entscheidender Bedeutung. Während der Erfolg einer Mission von der Leistung des Navigationsteams abhängt, stehen Navigatoren normalerweise nicht im Rampenlicht und sitzen für eine Pressekonferenz auf der Bühne. In der Regel ist dies den Missionswissenschaftlern und Designern vorbehalten. Die Navigatoren arbeiten scheinbar hinter den Kulissen und bemannen die Gräben in relativer Anonymität.
Aber ich hatte die Gelegenheit, mit einigen Raumfahrzeugnavigatoren zu sprechen, mehr über ihre Arbeit zu erfahren und die angeborenen Eigenschaften derer zu entdecken, die unser Raumschiff zu Orten jenseits führen.
Neil Mottinger war an zahlreichen Missionen beteiligt, seit er 1967 im Jet Propulsion Laboratory arbeitete. Er assistierte bei einigen der frühen Mond- und Planetenmissionen und entwickelte einige der Software, die Navigatoren heute noch verwenden.
Hören Sie sich mein Interview mit Mottinger in der Ausgabe des 365 Days of Astronomy-Podcasts vom 21. August an.
Es gibt verschiedene Unterdisziplinen für die Navigation von Raumfahrzeugen, und eine der Spezialitäten von Mottinger ist die Bestimmung der Umlaufbahn. "Die Bestimmung der Umlaufbahn bedeutet zu wissen, wo sich das Raumschiff befindet und wohin es fährt", sagte Mottinger, der derzeit mit der Mission Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) und der bevorstehenden LCROSS-Mission (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) zum Mond zusammenarbeitet. "Es beginnt mit der Vorhersage der Flugbahn, auf der sich das Raumschiff unmittelbar nach dem Start befindet, damit das Deep Space Network (DSN) weiß, wo seine Antenne ausgerichtet werden muss und auf welche Frequenz das Signal zu erwarten ist." Das DSN besteht aus einem Netzwerk extrem empfindlicher Weltraumkommunikationsantennen an drei Standorten: Goldstone, Kalifornien; Madrid, Spanien; und Canberra, Australien. Die strategische Position in einem Abstand von ungefähr 120 Grad auf der Erdoberfläche ermöglicht die ständige Beobachtung von Raumfahrzeugen, wenn sich die Erde dreht.
Da sich im Weltraum kein GPS befindet, verarbeiten die Navigatoren die vom DSN empfangenen radiometrischen Verfolgungsdaten, um die Position und Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu bestimmen. Sie verwenden auch optische Daten, bei denen das Raumschiff ein Bild des Sternenhintergrunds macht, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu verfeinern.
Mottinger arbeitete viele Jahre mit einer Gruppe zusammen, die Navigationsunterstützung für den Start von über 100 Raumfahrzeugen bereitstellte. "Ich habe mich nie an eine Mission gebunden, da wir gleich nach dem Start zur nächsten Mission übergegangen sind", sagte Mottinger. Aber jetzt bleibt er länger bei Missionen und ist seit fast drei Jahren bei der MRO-Mission. Mottinger ist begeistert von den wissenschaftlichen Daten, die diese Mission zurückgegeben hat. „Wir müssen genaue Vorhersagen darüber treffen, wo sich das Raumschiff befinden wird. Dann wissen die Ingenieure, wie sie Raumfahrzeuge so ausrichten können, dass die Wissenschaftler ihre Beobachtungen machen können “, sagte er. „Wenn wir unsere Arbeit machen, können die Wissenschaftler einen Erdrutsch auf dem Mars sehen oder bestimmte Gebiete auf dem Planeten betrachten. Wenn unsere Vorhersagen falsch sind, zeigen die Kameras in die falsche Richtung. Die Navigation ist ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Prozesses zur Sicherung des Missionserfolgs. “
Mottinger sagte, dass man Navigatoren normalerweise nicht als Wissenschaftler betrachtet, sondern nur als Mittel zum Zweck für die Wissenschaftler, um Ergebnisse zu erzielen. Manchmal stammen jedoch wissenschaftliche Nebenprodukte aus der Navigation. Das berühmteste Beispiel war die Voyager-Mission, als die Navigatorin Linda Morabito einen Vulkan auf Jupiters Mond Io entdeckte, indem sie optische Navigationsbilder betrachtete. Bei den Lunar Orbiter-Missionen stellten die Navigatoren fest, dass sich unter der Mondoberfläche große Massenkonzentrationen (jetzt Mascons genannt) befanden, die das Raumschiff im Orbit beschleunigten.
Darüber hinaus hat sich die in der Navigation verwendete Wissenschaft im Laufe der Jahre dramatisch verbessert. "Wenn man sich die Arten von Dingen ansieht, die wir zu Beginn nicht verstanden haben, im Vergleich zu dem, was wir jetzt wissen, ist das überwältigend", sagte Mottinger. Zum Beispiel können Navigatoren jetzt sehr genaue Modelle des Solardrucks erstellen - wie Sonnenlichtteilchen gegen ein Raumfahrzeug drücken und dessen Flugbahn ändern -, einschließlich nicht nur der Reflexion des Sonnenlichts von verschiedenen Oberflächen des Raumfahrzeugs, sondern auch der Rückstrahlung der absorbierten Energie durch die Sonnenkollektoren und strahlte die Rückseite aus.
Zusätzlich haben Ephemeriden, die Tabellen, mit denen Navigatoren die Positionen astronomischer Objekte ermitteln, im Laufe der Jahre an Genauigkeit verbessert. "Der Teufel steckt im Detail", sagte Mottinger. "Die Navigation wird zu einem unglaublich präzisen Spiel."
Wie viele, die bei JPL arbeiten, unterhält sich Mottinger gerne mit Schulen oder Gemeindegruppen, um die Aufregung und die jüngsten Entdeckungen der Weltraumforschung zu teilen. "Es ist wichtig, da draußen zu sein und unsere Botschaft zu verbreiten, um die Leute für das, was wir tun, zu begeistern", sagte er. "Und die Öffentlichkeit hat das Recht, aufgeregt zu sein, weil sie die Rechnung bezahlt."
Vor einigen Jahren kehrte Mottinger in seine Heimatstadt Oswego, Illinois, zurück, um mit Studenten über seinen Job als Navigator zu sprechen. Im Klassenzimmer saß ein junger Chris Potts, der entschied, dass die Navigation von Raumfahrzeugen die Karriere war, die er verfolgen wollte. Potts, der seit 1984 bei JPL ist, war der stellvertretende Leiter des Navigationsteams für MER und arbeitet jetzt mit der Dawn Mission zusammen, die auf dem Weg ist, zwei Asteroiden, Ceres und Vesta, zu umkreisen.
Potts Spezialität ist die Flugbahnkontrolle. Dies beinhaltet das Abfeuern des Antriebssystems, um die Geschwindigkeit oder Flugbahn des Raumfahrzeugs zu ändern. Dies wird als Flugbahnkorrekturmanöver (TCM) bezeichnet. "Dazu gehört das Verständnis der Steuerungsfähigkeiten des Raumfahrzeugs und das Ermitteln etwaiger Einschränkungen", sagte Potts. "Sie bestimmen, wann Sie das Antriebssystem abfeuern, wie oft und das Ziel jedes Manövers. Sie müssen auch die Lieferanforderungen bewerten, um sicherzustellen, dass Sie beispielsweise in einem Krater auf dem Mars landen und das Risiko auf diesem Weg minimieren können. “
Der Designaspekt ist Potts Lieblingsteil des Jobs. "Sie versuchen, eine Strategie zu entwickeln, die alle Teile zusammenfügt", sagte er. „Man muss mit den Missionswissenschaftlern sprechen und ihre Anforderungen verstehen und dann wissen, was das Raumschiff tun kann. Es ist wie bei Leuten, die ein altes Auto haben und schon so lange in der Nähe sind, dass sie wissen, wie sie das Beste aus diesem Fahrzeug herausholen können. Wenn Sie die Vorteile des Raumfahrzeugs nutzen und seine Grenzen umgehen, können Sie eine Strategie entwickeln, die alles zusammenhält, damit es funktioniert. “
Ein Großteil der Arbeit von Potts umfasst Simulationen und Tests. "Wir sehen, wie sich das Raumschiff verhält, und probieren verschiedene Strategien aus, um es für unsere Situation zu verbessern", sagte er. "Der Navigationsbereich enthält eine ganze 'Toolbox' mit Software, die wir verwenden können."
Das Dawn-Raumschiff verwendet einen Ionenmotor, und dies ist das erste Mal, dass Potts mit einem Antriebssystem mit niedrigem Schub arbeitet. "Es ist eine ganz andere Mission", sagte er. „Die Bedenken unterscheiden sich ein wenig von anderen Missionen, weil der Schub so effizient ist. Eines der Dinge, über die Sie sich Sorgen machen, ist, dass Sie nicht genügend Zeit haben, um die erforderlichen Korrekturen vorzunehmen. Obwohl der Schub gering ist, führt dies im Laufe der Zeit zu einer erheblichen Geschwindigkeitsänderung. Sie entwerfen immer Flugbahnen und ändern Befehle, um sicherzustellen, dass der Ionenmotor in die richtige Richtung feuert. Wenn es auf dem Weg zu einem Raumfahrzeugfehler oder Schluckauf kommt, müssen Sie sich abmischen, und einige zukünftige Ereignisse müssen möglicherweise verschoben werden. " Dawn wird 2011 in Vesta eintreffen.
Potts genießt es, Teil der Aufregung all der verschiedenen Missionen bei JPL zu sein. "Ich arbeite sehr gerne mit äußerst intelligenten und talentierten Menschen zusammen, und man kann definitiv die Leidenschaft für die Arbeit spüren, die sie leisten", sagte er. „Manchmal kann das einschüchternd sein, aber man merkt, dass jeder sein eigenes Talent zu bieten hat und jeder hilft, Sie dazu zu bringen, hier Ihr Bestes zu geben. Wir können eine Vielzahl interessanter Arbeiten ausführen, die sehr herausfordernd sind. Keine zwei Tage sind gleich. “
Eine der Belohnungen seiner Arbeit, sagte Potts, ist es, die Verwirklichung seiner Arbeit in wissenschaftlichen Entdeckungen ans Licht zu bringen. "Mit der Rückkehr der Stardust-Probe war es sehr lohnend zu sehen, wie die Kapsel genau dort landete, wo sie in Utah sein sollte", sagte er. "Und um zu sehen, wie die Wissenschaftler diese Daten in die Hände bekommen und mit ihren Untersuchungen beginnen, spüren Sie, wie begeistert und aufgeregt sie sind, endlich an ihrem lebenslangen Ehrgeiz zu arbeiten."
Kürzlich kündigten Stardust-Wissenschaftler an, in einer Probe, die das Raumschiff zur Erde zurückbrachte, eine Aminosäure zu finden, einen der Bausteine des Lebens.
Potts und Mottinger arbeiteten beide unter der Leitung von Ken Williams an der Stardust-Mission. Williams arbeitete mehrere Jahre bei JPL, ist aber derzeit bei KinetX beschäftigt, einem privaten Ingenieurbüro, das sich auf Luft- und Raumfahrttechnik und Softwareentwicklung spezialisiert hat. Derzeit bietet KinetX Navigationsunterstützung für die Mission New Horizons in Pluto sowie für die Mission MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) in Mercury. Williams ist der Chef des Navigationsteams von MESSENGER. Im Gegensatz zu Mottinger und Potts war Williams nicht immer an Weltraummissionen beteiligt, und seine Karriere in der Navigation entwickelte sich aus einem Hintergrund in Physik. Er arbeitete am Applied Physics Lab der Johns Hopkins University, bevor er 1994 zu JPL kam.
Williams Lieblingsbeschäftigung als Navigator besteht darin, interessante technische Probleme zu finden und zu lösen. "Das ist es, was mein Interesse weckt", sagte er. „MESSENGER hat sicherlich eine Reihe davon. Wir flogen einmal an der Erde vorbei, zweimal an der Venus und zweimal an Merkur. Wir müssen noch einmal an Merkur vorbeifliegen, bevor wir bei der vierten Begegnung endlich in die Umlaufbahn gehen. Eine Flugbahn zu finden, die all diese Dinge erfolgreich erledigt, ist ein sehr interessantes technisches Problem, an dem ich sehr gerne beteiligt bin. Wir müssen auch alle möglichen Einschränkungen berücksichtigen, z. B. das Raumschiff von der Sonne fernzuhalten, damit die Komponenten nicht zu warm werden. "
Als Chef des Navigationsteams koordiniert Williams alle Unterdisziplinen der Umlaufbahnbestimmung, Flugbahnkontrolle und optischen Navigation sowie die Bedürfnisse von Missionswissenschaftlern in Bezug auf Beobachtungen, wenn sie auf einen Planeten oder Kometen treffen.
Auch Williams genießt die Erheiterung, in wichtigen Weltraummissionen mitten im Geschehen zu sein. "Ich nehme an, es ist wie in einer Schlacht oder in einem Basketball- oder Fußballspiel", sagte er. „Sie spüren die Aufregung, Ereignisse zu sehen und auf auftretende Anomalien oder Überraschungen zu reagieren. Und wenn alles erledigt ist, hast du ein enormes Gefühl der Zufriedenheit. "
Seine Erfahrungen mit Stardusts Rückkehr zur Erde sind ein Höhepunkt. "Es war wahrscheinlich die lohnendste Erfahrung in all der Zeit, in der ich bei JPL war, all diese Anstrengungen zu koordinieren und das Raumschiff erfolgreich herunterzufahren", sagte er. "Bei fast jeder Mission, an der ich gearbeitet habe, gab es eine Zeit, in der man ein Gefühl der Euphorie darüber hat, dass das Raumschiff zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist. Das ist ein gutes Gefühl. "
Obwohl es eine schwierige Entscheidung war, JPL zu verlassen, genießt Williams seine Erfahrungen in einem privaten Unternehmen. "Es wäre einfach gewesen, bei JPL zu bleiben und das zu sein, was man in Bezug auf Erfahrung als" Graubart "bezeichnet, aber nach Stardust gefiel mir die Herausforderung, ein Navigationsteam zu führen und in technischen Bereichen zu wachsen", sagte er. "Ich dachte, es gäbe eine bessere Gelegenheit, dies mit einem kleinen Team in einem kleinen Unternehmen zu tun, und ich dachte, KinetX wäre ein guter Ort, um dies zu erreichen."
Das Gegenteil von einem Graubart ist die Navigatorin Emily Gist. Sie ist seit 4 Jahren bei JPL und Teil des Navigationsteams für die Cassini-Mission bei Saturn. Wie Potts arbeitet sie in der Flugbahnkontrolle, hilft bei der Planung der Flugbahn und der Schätzung der zukünftigen Position des Raumfahrzeugs sowie bei der Kontrolle der Korrekturen, die zur Erreichung der Missionsziele erforderlich sind.
Sie ist sehr zufrieden mit dem Wissen, dass sie dabei hilft, die Erkundung zu erleichtern. "Das Saturn-System ist schöner als die meisten gedacht hätten und vielfältiger als bisher bekannt", sagte sie. „Die Informationen, die Cassini zur Verfügung gestellt hat, haben uns alle aufgeklärt. Insbesondere finde ich es toll, wie viel ich jeden Tag bei JPL lerne und an der Cassini-Mission arbeite. “
Als Teil der „nächsten Generation“ von Navigatoren genießt Gist das herausfordernde Umfeld, das JPL bietet. "Wir hatten einen Betriebsbereitschaftstest auf Cassini, bei dem das Team getestet wurde, um zu sehen, wie wir auf einen Ausfall oder Fehler des Raumfahrzeugs in einer Betriebsumgebung reagieren würden", sagte sie. „Die leitenden Ingenieure waren nicht im Spiel, daher musste die neuere Generation es selbst herausfinden, und wir haben hervorragende Arbeit geleistet. Es machte mich stolz auf all die Leute, mit denen ich arbeite. Sie sind wirklich talentierte Leute. “
Gist sagte, das Geschlecht sei in ihrem Beruf als Navigatorin nie ein Thema gewesen. "JPL hat ein wunderbar vielfältiges Personal und obwohl es nicht sehr viele weibliche Navigatoren gibt, werden wir nicht anders behandelt", sagte sie. „Ich bin ziemlich voreingenommen, aber ich denke, was uns an Quantität fehlt, machen wir an Qualität wieder wett. Ich arbeite mit erstaunlichen Frauen. “
„Außerdem habe ich das Glück, in einer Zeit und Gesellschaft zu leben, in der man unabhängig vom Geschlecht das finden kann, was man tun möchte, und es nach besten Kräften tun kann. Ich liebe es, Ingenieurin zu sein, und ich versuche jungen Frauen zu vermitteln, dass sie alles lieben können, was sie wollen, auch wenn es sich um Mathematik und Naturwissenschaften handelt, ohne befürchten zu müssen, dass es ein weniger weiblicher Job ist. "
Die schwierigste Frage, die alle Navigatoren beantworten konnten, war, ob sie einen am wenigsten bevorzugten Teil des Jobs hatten. Sie führten die üblichen Probleme bei jedem Job an: zu wenig Zeit und zu viel Papierkram. Und Stress kommt mit dem Job. "Die Fristen, insbesondere bei JPL, sind sehr real", sagte Potts. "Wenn Sie nicht auf ein kritisches Ereignis in der Mission vorbereitet sind, erhalten Sie normalerweise keine zweite Chance. Es hängt viel davon ab, ob Sie Ihre Arbeit richtig erledigen. "
Alle Navigatoren betonten jedoch die Bedeutung des Teamaspekts in ihrer Arbeit. "Sie suchen nach der inhärenten Qualität des Teams", sagte Mottinger. „Ich hatte einen Projektmanager, der sagte, dass ein Team die Fehler des anderen auffängt und das Ganze größer ist als die Summe der Teile. Alles geschieht im Geiste der Kameradschaft, und es gibt keine dumme Frage. "
Die Suche nach individuellem Rampenlicht scheint jedoch nicht im Make-up eines Navigators zu liegen.
"Ich arbeite gerne hinter den Kulissen als ein Interview", sagte Potts. "Wenn ich weiß, dass ich meine Arbeit erledigt und zum Missionserfolg beigetragen habe, reicht mir das."
"Mir geht es gut, wenn ich hinter den Kulissen arbeite", fügte Gist hinzu. "Wenn ich jedoch über die Arbeit nachdenke, die die Ingenieure vor mir und um mich herum geleistet haben, habe ich manchmal das Gefühl, dass sie mehr Anerkennung erhalten sollten."
Williams ist im Allgemeinen der Ansicht, dass das Gebiet der Navigation selbst mehr Anerkennung finden sollte. "Ich denke, Wissenschaftler und Leute, die reine Hardwaresysteme betreiben, unterschätzen die Schwierigkeit, die Navigatoren zu tun haben", sagte er. „Es wäre schön, wenn wir von unseren Kollegen mehr Anerkennung erhalten würden, nur unter dem Gesichtspunkt, Einfluss darauf zu haben, wie Missionen geplant und gestaltet werden, damit Navigationsprobleme vor dem Start behoben werden können und nicht nur nachträglich behandelt werden müssen starten. Das ist mir wichtiger als jede Anerkennung meiner eigenen Leistungen. “
Williams sagte, dass das, was Navigatoren tun, eher eine Kunstform ist. „Es lässt sich nicht auf eine Reihe von Algorithmen reduzieren, die an Bord eines Flugsystems gespeichert werden können, z. B. Leistung oder Antrieb. Es ist eine ständige Weiterentwicklung. "
Und stören sich Navigatoren an den manchmal langen und ungeraden Stunden, die ihre Arbeit erfordert? "Nein", sagte Mottinger, "ich würde es gegen nichts eintauschen. Es gibt nichts Vergleichbares. "
