Das Navigieren eines Raumschiffs durch den Himmel wurde mit dem Segeln eines Schiffes auf offener See oder dem Fahren eines Fahrzeugs auf einer langen Reise über Land verglichen. Analogien sind notwendig, da die Navigation von Raumfahrzeugen von einer relativ kleinen Stichprobe der menschlichen Rasse durchgeführt wird und die Aufgabe normalerweise darin besteht, Dinge zu tun, die noch nie zuvor gemacht wurden. Diejenigen von uns, die Schwierigkeiten haben, eine Straßenkarte hier auf der Erde zu verstehen, stehen in Ehrfurcht vor dem, was diese himmlischen Navigatoren leisten können.
Das ist im wahrsten Sinne des Wortes Raketenwissenschaft.
Einfach ausgedrückt beinhaltet die Raumfahrzeugnavigation das Bestimmen, wo sich das Raumfahrzeug befindet und es auf Kurs zu dem gewünschten Ziel zu halten. Aber es ist 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 der Herausforderung stellen, die exakten Geschwindigkeiten und Orientierungen einer rotierenden Erde, eines rotierenden Zielorts sowie eines sich bewegenden Raumfahrzeugs zu berechnen, während alle gleichzeitig auf ihren eigenen Umlaufbahnen um die Sonne reisen.
Chris Potts zeigt am 4. Januar 2004 auf den Gusev-Krater auf dem Mars, nachdem das MER-Navigationsteam den Spirit-Rover mit beispielloser Genauigkeit auf dem Mars gelandet hatte. Foto mit freundlicher Genehmigung von Chris Potts
Chris Potts, der die Navigationsteams für die Mars Exploration Rovers (MER) leitete, verglich die Zielanforderungen für die Landung des Spirit-Rovers in einem bestimmten Krater auf dem Mars mit der Möglichkeit, einen Basketball durch einen 9000 Meilen entfernten Reifen zu schießen. „Sie müssen nicht nur den Schlag perfekt machen, ohne dass der Ball den Rand berührt, sondern auch das Timing muss perfekt sein, damit Sie den Schlag genau so machen, wie der Summer ertönt“, sagte er.
Ken Williams war der Chef des Navigationsteams für die Rückkehr der makellosen Proben eines Kometen zur Erde durch die Stardust-Mission. Für einen erfolgreichen Wiedereintritt und eine Landung an einem genauen Ort in Utah musste das Navigationsteam den Eintritt der Rückkehrkapsel auf einen bestimmten Punkt in der Erdatmosphäre auf acht Hundertstel Grad genau anvisieren, eine Leistung, die mit einem Treffer ins Auge verglichen wurde einer Nähnadel mit einem Faden durch einen Raum.
Navigation ist für jede Robotermission unerlässlich, und während der Missionserfolg von der Leistung des Navigationsteams abhängt, stehen Navigatoren normalerweise nicht im Rampenlicht und sitzen für eine Pressekonferenz auf der Bühne. Normalerweise ist das den Missionswissenschaftlern und -designern vorbehalten. Die Navigatoren arbeiten anscheinend hinter den Kulissen und besetzen die Schützengräben in relativer Anonymität.
Aber ich hatte die Gelegenheit, mit einigen Raumschiff-Navigatoren zu sprechen, mehr über ihre Arbeit zu erfahren und die angeborenen Qualitäten derer zu entdecken, die unsere Raumschiffe zu Orten jenseits der Grenze führen.
Neil Mottinger. Bild mit freundlicher Genehmigung von Neil Mottinger.
Neil Mottinger war an zahlreichen Missionen beteiligt, seit er 1967 am Jet Propulsion Laboratory arbeitete. Er half bei einigen der frühen Mond- und Planetenmissionen und entwickelte einige der Software, die heute noch von Navigatoren verwendet wird.
Hören Sie mein Interview mit Mottinger auf der Ausgabe des Podcasts 365 Days of Astronomy vom 21. August.
Es gibt verschiedene Unterdisziplinen der Raumfahrzeugnavigation, und eine von Mottingers Spezialitäten ist die Bestimmung der Umlaufbahn. 'Umlaufbahnbestimmung bedeutet zu wissen, wo sich die Raumsonde befindet und wohin sie geht', sagte Mottinger, der derzeit an der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)-Mission und der bevorstehenden LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite)-Mission zum Mond arbeitet. „Es beginnt mit der Vorhersage der Flugbahn, auf der sich das Raumfahrzeug unmittelbar nach dem Start befinden wird, damit das Deep Space Network (DSN) weiß, wo es seine Antenne ausrichten muss und auf welcher 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 Platzierung mit einem Abstand von etwa 120 Grad auf der Erdoberfläche ermöglicht die ständige Beobachtung von Raumfahrzeugen, während sich die Erde dreht.
Da es im Weltraum kein GPS gibt, verarbeiten Navigatoren die vom DSN empfangenen radiometrischen Verfolgungsdaten, um die Position und Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs zu bestimmen. Sie verwenden auch optische Daten, bei denen das Raumfahrzeug ein Bild des Sternenhintergrunds aufnimmt, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu verfeinern.
Mottinger arbeitete viele Jahre mit einer Gruppe zusammen, die den Start von über 100 Raumfahrzeugen bei der Navigation unterstützte. 'Ich habe mich nie an eine Mission gebunden, da wir gleich nach einem Start zur nächsten Mission übergegangen sind', sagte Mottinger. Aber jetzt bleibt er länger bei Missionen und ist seit mehr als drei Jahren bei der MRO-Mission. Mottinger ist begeistert von den wissenschaftlichen Daten, die diese Mission geliefert hat. „Wir müssen genaue Vorhersagen machen, wo sich das Raumschiff befinden wird. Dann wissen die Ingenieure, wie man Raumschiffe ausrichtet, damit die Wissenschaftler ihre Beobachtungen machen können“, sagte er. „Wenn wir unseren Job machen, können die Wissenschaftler einen Erdrutsch auf dem Mars sehen oder sich bestimmte Gebiete des Planeten ansehen. Wenn unsere Vorhersagen falsch sind, sind die Kameras in die falsche Richtung gerichtet. Die Navigation ist ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Prozesses zur Sicherstellung des Missionserfolgs.“
Ein aktiver Vulkan auf Io, aufgenommen von der Raumsonde New Horizons. Bildnachweis: NASA
Mottinger sagte, dass man Navigatoren normalerweise nicht als Wissenschaftler betrachtet, sondern nur als Mittel zum Zweck für die Wissenschaftler, um Ergebnisse zu erzielen. Manchmal kommen jedoch wissenschaftliche Nebenprodukte aus der Navigation. Der bekannteste Fall war die Voyager-Mission, als die Navigatorin Linda Morabito einen Vulkan auf dem Jupitermond Io entdeckte, indem sie optische Navigationsbilder betrachtete. Bei den Lunar Orbiter-Missionen stellten die Navigatoren fest, dass es unter der Mondoberfläche große Massenkonzentrationen (jetzt Mascons genannt) gab, die Raumschiffe in der Umlaufbahn beschleunigten.
Darüber hinaus hat sich die in der Navigation verwendete Wissenschaft im Laufe der Jahre dramatisch verbessert. „Wenn man sich die Dinge ansieht, die wir am Anfang nicht verstanden haben, im Vergleich zu dem, was wir heute wissen, ist das überwältigend“, sagte Mottinger. Zum Beispiel können Navigatoren jetzt sehr genaue Modelle des Sonnendrucks erstellen – wie Sonnenlichtpartikel gegen ein Raumfahrzeug stoßen und seine Flugbahn ändern – was nicht nur die Reflexion des Sonnenlichts von verschiedenen Oberflächen des Raumfahrzeugs umfasst, sondern auch die Rückstrahlung der absorbierten Energie. durch die Sonnenkollektoren und strahlt die Rückseite aus.
Darüber hinaus haben Ephemeriden, die Tabellennavigatoren verwenden, um die Positionen astronomischer Objekte zu ermitteln, im Laufe der Jahre ebenfalls an Genauigkeit zugenommen. „Der Teufel steckt im Detail“, sagte Mottinger. „Navigation wird zu einem unglaublich präzisen Spiel.“
Wie viele, die am JPL arbeiten, spricht 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 zu begeistern, was wir tun“, sagte er. 'Und die Öffentlichkeit darf sich freuen, 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 Raumschiffen die Karriere sei, die er verfolgen wollte. Potts, der seit 1984 am JPL ist, war stellvertretender Navigationsteamchef für MER und arbeitet jetzt mit der Dawn-Mission, die auf dem Weg ist, zwei Asteroiden, Ceres und Vesta, zu umkreisen.
Chris Potts und Neil Mottinger mit einem Modell des Mars Exploration Rover am JPL. Foto mit freundlicher Genehmigung von Chris Potts
Potts' Spezialität ist die Flugbahnkontrolle. Dies beinhaltet das Abfeuern des Antriebssystems, um die Geschwindigkeit oder Flugbahn des Raumfahrzeugs zu ändern, bekannt als Flugbahnkorrekturmanöver (TCM). „Dazu gehört das Verständnis der Kontrollfähigkeiten des Raumfahrzeugs und die Ermittlung etwaiger Einschränkungen“, sagte Potts. „Sie bestimmen, wann Sie das Antriebssystem abfeuern, wie oft und welches Ziel jedes Manöver hat. Sie müssen auch die Lieferanforderungen bewerten, um sicherzustellen, dass Sie beispielsweise in einem Krater auf dem Mars landen und das Risiko auf dem Weg minimieren können.“
Der Designaspekt ist Potts' Lieblingsteil des Jobs. „Man versucht, eine Strategie zu entwickeln, die alle Teile zusammenfügt“, sagte er. „Man muss mit den Missionswissenschaftlern sprechen und ihre Anforderungen verstehen und dann wissen, was die Raumsonde kann. Es ist wie bei Leuten, die ein altes Auto haben und schon so lange damit unterwegs sind, dass sie wissen, wie man das Beste aus diesem Fahrzeug herausholt. Die Vorteile der Raumsonde zu nutzen und ihre Grenzen zu umgehen, fließt in die Entwicklung einer Strategie ein, die alles zusammenführt, damit es funktioniert.“
Ein Großteil der Arbeit von Potts umfasst Simulationen und Tests. „Wir sehen, wie sich das Raumfahrzeug verhält, und probieren verschiedene Strategien aus, um es für unsere Situation zu verbessern“, sagte er. „Der Navigationsbereich hat eine ganze ‚Toolbox‘ an Software, die wir verwenden können.“
Künstlerkonzept der Raumsonde Dawn. Bildnachweis: NASA
Die Raumsonde Dawn verwendet ein Ionentriebwerk, und dies ist das erste Mal, dass Potts mit einem Antriebssystem mit niedrigem Schub arbeitet. „Das ist eine ganz andere Mission“, sagt er. „Die Bedenken sind ein bisschen anders als bei 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 erforderliche Korrekturen vorzunehmen. Obwohl der Schub gering ist, baut er mit der Zeit eine ziemliche Geschwindigkeitsänderung auf und Sie entwerfen ständig Flugbahnen und ändern die Befehle, um sicherzustellen, dass der Ionenmotor in die richtige Richtung feuert. Wenn es auf dem Weg zu einem Fehler oder einem Schluckauf des Raumfahrzeugs kommt, müssen Sie klettern, und einige zukünftige Ereignisse müssen möglicherweise verschoben werden.“ Dawn wird 2011 bei Vesta eintreffen.
Potts genießt es, Teil der Aufregung der verschiedenen Missionen bei JPL zu sein. „Ich arbeite sehr gerne mit einigen extrem intelligenten und talentierten Leuten hier zusammen und man spürt definitiv die Leidenschaft für ihre Arbeit“, sagte er. „Manchmal kann das einschüchternd wirken, aber man merkt, dass jeder sein eigenes Talent zu bieten hat und jeder dazu beiträgt, dass man hier sein Bestes gibt. Wir haben eine Vielzahl interessanter Aufgaben, die sehr herausfordernd sind. Kein Tag ist wie der andere.“
Eine der Belohnungen für seine Arbeit, sagte Potts, besteht darin, zu sehen, wie die Früchte seiner Arbeit in wissenschaftlichen Entdeckungen ans Licht kommen. „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 wenn man sieht, wie die Wissenschaftler diese Daten in die Hände bekommen und mit ihren Untersuchungen beginnen, spürt man, wie aufgeregt und aufgeregt sie sind, endlich an ihrem lebenslangen Ziel zu arbeiten.“
Kürzlich Stardust Wissenschaftler kündigten an, eine Aminosäure zu finden, einer der Bausteine des Lebens, in einer Probe kehrte die Raumsonde zur Erde zurück.
Potts und Mottinger arbeiteten beide an der Stardust-Mission unter der Leitung von Ken Williams. Williams arbeitete mehrere Jahre bei JPL, ist jedoch derzeit bei KinetX angestellt, einem privaten Ingenieurbüro, das sich auf Luft- und Raumfahrttechnologie und Softwareentwicklung spezialisiert hat. Derzeit bietet KinetX Navigationsunterstützung für die New Horizons-Mission zu Pluto sowie die MESSENGER-Mission (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) zum Merkur, und 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 der Physik. Er arbeitete am Applied Physics Lab der Johns Hopkins University, bevor er 1994 ans JPL kam.
Ken Williams von KinetX.
Williams' Lieblingsbeschäftigung als Navigator ist es, interessante technische Probleme zu finden und zu lösen. „Das weckt mein Interesse“, sagte er. „Davon hat MESSENGER sicherlich einige. Wir sind einmal an der Erde vorbeigeflogen, zweimal an der Venus und zweimal am Merkur. Wir müssen noch einmal an Merkur vorbeifliegen, bevor wir bei der vierten Begegnung endlich in die Umlaufbahn gehen. Eine Trajektorie zu finden, die all diese Dinge erfolgreich macht, ist ein sehr interessantes technisches Problem, an dem ich sehr gerne beteiligt bin. Wir müssen auch alle möglichen Einschränkungen berücksichtigen, wie zum Beispiel, die Raumsonde von der Sonne weg zu halten, damit die Komponenten nicht zu warm werden.“
Als Navigation Team Chief koordiniert Williams alle Teildisziplinen der Bahnbestimmung, Flugbahnkontrolle und optische Navigation sowie die Bedürfnisse von Missionswissenschaftlern in Bezug auf Beobachtungen, wenn sie auf einen Planeten oder Kometen treffen.
Auch Williams genießt es, bei wichtigen Weltraummissionen mitten im Geschehen zu sein. 'Ich nehme an, es ist wie in einer Schlacht oder in einem Basketball- oder Fußballspiel', sagte er. „Man spürt die Aufregung, zu sehen, wie sich die Ereignisse entwickeln, und reagiert auf alle auftretenden Anomalien oder Überraschungen. Und wenn alles fertig ist, hat man ein enormes Gefühl der Zufriedenheit.“
Als Highlight ragen seine Erfahrungen mit der Rückkehr von Stardust zur Erde heraus. „Es war wahrscheinlich die lohnendste Erfahrung in meiner ganzen Zeit am JPL, all diese Bemühungen zu koordinieren und das Raumfahrzeug erfolgreich abzusetzen“, sagte er. „Bei fast jeder Mission, an der ich gearbeitet habe, gab es eine Zeit, in der man euphorisch war, das Raumschiff zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu haben. Das ist ein gutes Gefühl.“
Das Stardust Mission Navigation Team wurde mit dem Breakthrough Award von Popular Mechanics ausgezeichnet. Teamchef Ken Williams sagte: „An dem Tag, an dem wir dieses Bild machten, fühlte ich eine starke Kameradschaft mit all diesen Leuten, nachdem alles so gut funktioniert hatte. Sie sind eine sehr talentierte Gruppe von Leuten, die einen großartigen Job gemacht haben.“ VORDERE REIHE – von links nach rechts: Tung-Han You, Ken Williams, Prem Menon. 2. Reihe: Roby Wilson, Katherine Nakazono, Julie Kangas. 3. Reihe: Daniel Lyons, Ram Ramachand, Bhat Shyam Bhaskaran, Cliff Helfrich, Jeff Tooley, David Jefferson, Dimitri Gerasimatos, Paul Thompson, Neil Mottinger. Letzte Reihe: Darren Baird, Jae Lee, Chris Potts, Tim McElrath, Brian Kennedy
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 in Bezug auf Erfahrung ein ‚Graubart‘ zu sein, aber nach Stardust gefiel mir die Herausforderung, ein Navigationsteam zu leiten und in technischen Bereichen zu wachsen“, sagte er. „Ich dachte, es gäbe eine bessere Möglichkeit, dies mit einem kleinen Team in einem kleinen Unternehmen zu tun, und ich dachte, KinetX wäre ein guter Ort, um dies zu erreichen.“
Ganz im Gegenteil zu einem „Graubart“ ist die Navigatorin Emily Gist. Sie ist seit 4 Jahren am JPL und ist Teil des Navigationsteams für die Cassini-Mission am Saturn. Wie Potts arbeitet sie in der Flugbahnkontrolle, hilft bei der Planung der Flugbahn und der Einschätzung der zukünftigen Position des Raumfahrzeugs und steuert die Korrekturen, die zum Erreichen der Missionsziele erforderlich sind.
Künstlerkonzept der Raumsonde Cassini bei Saturn. Bildnachweis: NASA
Sie ist sehr zufrieden zu wissen, dass sie dabei hilft, die Erkundung zu erleichtern. „Das Saturnsystem ist schöner, als sich die meisten vorgestellt haben, und vielfältiger als bisher bekannt“, sagte sie. „Die Informationen, die Cassini bereitgestellt hat, haben uns alle aufgeklärt. Genauer gesagt liebe ich es, wie viel ich jeden Tag bei JPL lerne und an der Cassini-Mission arbeite.“
Als Teil der „nächsten Generation“ von Navigatoren genießt Gist die herausfordernde Umgebung, die JPL bietet. 'Wir hatten einen Operations Readiness Test auf Cassini, bei dem das Team getestet wurde, um zu sehen, wie wir in einer Betriebsumgebung auf einen Ausfall oder eine Störung des Raumfahrzeugs reagieren würden', sagte sie. „Die leitenden Ingenieure waren nicht im Spiel, also musste die neuere Generation es selbst herausfinden und wir haben hervorragende Arbeit geleistet. Es machte mich stolz auf all die Leute, mit denen ich zusammenarbeite. Sie sind wirklich talentierte Leute.“
Gist sagte, das Geschlecht sei in ihrem Job 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 durch Qualität wett. Ich arbeite mit einigen tollen Frauen zusammen.“
„Außerdem fühle ich mich glücklich, in einer Zeit und Gesellschaft zu leben, in der man unabhängig vom Geschlecht das finden kann, was man 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 Mathematik und Naturwissenschaften, ohne Angst haben zu müssen, dass es ein weniger weiblicher Job ist.“
Die für alle Navigatoren am schwierigsten zu beantwortende Frage war, ob sie einen Teil der Arbeit am wenigsten mochten. Sie nannten die üblichen Probleme bei jedem Job: zu wenig Zeit und zu viel Papierkram. Und Stress kommt mit der Arbeit. „Die Fristen, insbesondere die Arbeit bei JPL, sind sehr real“, sagte Potts. „Wer auf ein kritisches Ereignis in der Mission nicht vorbereitet ist, bekommt normalerweise keine zweite Chance. Es hängt viel davon ab, seine Arbeit richtig zu erledigen.“
Aber alle Navigatoren betonten die Bedeutung des Teamaspekts in ihrem Job. „Man sucht nach der Qualität des Teams“, sagt Mottinger. „Ich hatte einen Projektmanager, der sagte, dass ein Team die Fehler des anderen auffängt und das Ganze mehr ist als die Summe der Teile. Alles geschieht im Geiste der Kameradschaft, und so etwas wie eine dumme Frage gibt es nicht.“
Galilei und Jupiter. Bildnachweis: NASA
Aber das Streben nach individuellem Rampenlicht scheint einfach nicht im Make-up eines Navigators zu liegen.
„Ich arbeite lieber hinter den Kulissen als ein Interview zu führen“, sagt Potts. „Wenn ich weiß, dass ich meinen Job gemacht und zum Missionserfolg beigetragen habe, reicht mir das.“
„Ich finde es gut, dass meine Arbeit hinter den Kulissen stattfindet“, fügte Gist hinzu. „Aber wenn ich bedenke, welche Arbeit die Ingenieure vor mir und um mich herum geleistet haben, habe ich manchmal das Gefühl, dass sie mehr Anerkennung bekommen sollten.“
Williams ist der Meinung, dass der Bereich der Navigation im Allgemeinen mehr Anerkennung finden sollte. „Ich denke, Wissenschaftler und Leute, die reine Hardwaresysteme entwickeln, unterschätzen die Schwierigkeit, was Navigatoren zu tun haben“, sagte er. „Es wäre schön, wenn wir mehr Anerkennung von unseren Kollegen bekommen würden, nur weil wir die Planung und Gestaltung von Missionen von Anfang an beeinflussen können, damit Navigationsprobleme vor dem Start angegangen werden können und nicht nur uns danach überlassen wird.“ Start. Das liegt mir stärker am Herzen 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, wie zum Beispiel Antrieb oder Antrieb. Es ist eine ständige Verfeinerung.“
Und stören sich Navigatoren an den manchmal langen und ungeraden Arbeitszeiten, die ihr Job erfordert? „Nein“, sagte Mottinger, „ich würde es gegen nichts eintauschen. Es gibt nichts Vergleichbares.'
