הנווטים: איך אנו טסים חלליות סביב מערכת השמש

הניווט בחללית בשמים הושווה לשייט בספינה בים הפתוח או בנהיגה ברכב במסע ארוך וארצי. אנלוגיות הן הכרחיות, מכיוון שהניווט בחלליות מתבצע על ידי דגימה קטנה יחסית של המין האנושי, והתפקיד בדרך כלל כרוך בביצוע דברים שמעולם לא נעשו בעבר. אלה מאיתנו שמתקשים להבין את מפת הדרכים כאן על כדור הארץ עומדים ביראת כבוד מה הניווטים השמימיים האלה יכולים להשיג.

פשוטו כמשמעו, זהו מדע טילים.

במונחים הפשוטים ביותר, ניווט חלליות כרוך בקביעה היכן נמצאת החללית ושמירה על מסלולו ליעד הרצוי. אבל זה לא כל כך פשוט כמו להגיע מנקודה A (כדור הארץ) לנקודה B (כוכב לכת או גוף אחר במערכת השמש שלנו.) אלה לא עמדות קבועות בחלל. נווטים חייבים לעמוד באתגרים של חישוב המהירויות וההכוונות המדויקות של כדור הארץ המסתובב, יעד יעד מסתובב, כמו גם חללית נעה, כאשר כולם נוהגים במקביל במסלוליהם סביב השמש.

כריס פוטס, שעזר להוביל את צוותי הניווט עבור רוברי חיפושי מאדים (MER), השווה בין דרישות המטרה של הנחתת הכביש הרוחב בתוך מכתש ספציפי במאדים ביכולתו לירות כדורסל דרך חישוק שנמצא במרחק של 9,000 מיילים משם. "לא רק שאתה צריך לעשות את הזריקה בצורה מושלמת בלי שהכדור ייגע בשפה, אלא שהתזמון צריך להיות מושלם, כך שתבצע את הזריקה בדיוק כמו שנשמע הבאזר", אמר.

קן וויליאמס היה ראש צוות הניווט בהחזרת משימת סטארדאוסט לדגימות של בתוליים של שביט בחזרה לכדור הארץ. לצורך כניסה חוזרת ונחיתה מוצלחת במיקום מדויק ביוטה, צוות הניווט היה צריך לכוון את כניסת קפסולת החזרה לנקודה ספציפית באטמוספירה של כדור הארץ, תוך שמונה מאה מאיות מעלות, הישג שהושווה לפגיעה בעין. של מחט תפירה עם חתיכת חוט מרחבי החדר.

ניווט חיוני לכל משימה רובוטית, ובעוד הצלחת המשימה תלויה בביצועי צוות הניווט, בדרך כלל נווטים לא נמצאים באור הזרקורים, כשהם עומדים על הבמה למסיבת עיתונאים. בדרך כלל זה שמור למדענים ומעצבי המשימה. הנווטים, לכאורה, עובדים מאחורי הקלעים, מאיישים את התעלות באנונימיות יחסית.

אבל הייתה לי הזדמנות לשוחח עם כמה נווטי חלליות, ללמוד יותר על תפקידם ולגלות את התכונות המולדות של מי שמנחה את החללית שלנו למקומות שמעבר להם.

ניל מוטינגר היה חלק ממשימות רבות מאז החל לעבוד במעבדת הנעה של Jet בשנת 1967. הוא סייע בכמה מהמשימות הירחיות והפלנטאריות המוקדמות, ופיתח חלק מהתוכנות שנווטים משתמשים בהן עד היום.

האזינו לראיון שלי עם מוטינגר במהדורת 21 באוגוסט של הפודקאסט 365 Days of Astronomy.

ישנן כמה תחומי משנה שונים לניווט חלליות, ואחת המומחיות של מוטינגר היא קביעת מסלול. "קביעת מסלול היא הידיעה איפה החללית ואיפה היא הולכת", אמר מוטינגר, שעובד כיום עם משימת הסיור של מאדים (MRO) והמשימה הקרובה לירח LCROSS (תצפית ומכתש לוויית הירח). "זה מתחיל בניבוי התוואי איפה החללית תהיה מייד לאחר השיגור כך שרשת החלל העמוק (DSN) יודעת לאן לכוון את האנטנה שלהם ובאיזו תדר לצפות לאות." ה- DSN מורכב מרשת של אנטנות תקשורת לחלל עמוק רגישים במיוחד בשלושה מוקדים: גולדסטון, קליפורניה; מדריד, ספרד; וקנברה, אוסטרליה. המיקום האסטרטגי זה מזה כ -120 מעלות זה מזה על פני כדור הארץ מאפשר התבוננות מתמדת בחלליות כאשר כדור הארץ מסתובב.

מכיוון שאין GPS בחלל החיצון, הנווטים מעבדים את נתוני המעקב הרדיומטריים שהתקבלו מ- DSN כדי לקבוע את מיקום החללית ואת המהירות שלהם. הם משתמשים גם בנתונים אופטיים, שבהם החללית מצטלמת ברקע הכוכב כדי לעזור לצמצם את מסלול החללית.

במשך שנים רבות עבד מוטינגר עם קבוצה שסיפקה תמיכה בניווט לשיגור של למעלה ממאה חלליות. "מעולם לא התחברתי למשימה אחת מכיוון שממש לאחר ההשקה עברנו למשימה הבאה," אמר מוטינגר. אבל עכשיו הוא נשאר עם משימות יותר זמן והיה במשימת ה- MRO במשך החלק הטוב יותר משלוש שנים. מוטינגר נרגש מהנתונים המדעיים שהמשימה הזו החזירה. "עלינו לספק תחזיות מדויקות לאן הולכת החללית. ואז המהנדסים יודעים לכוון חללית כדי שהמדענים יוכלו להשמיע את התצפיות שלהם, "אמר. "אם אנו עושים את העבודה שלנו, המדענים יכולים לראות מפולת על מאדים או להסתכל על אזורים ספציפיים על פני כדור הארץ. אם התחזיות שלנו שגויות, המצלמות מכוונות לכיוון הלא נכון. הניווט הוא אינטגרלי לכל התהליך של הבטחת הצלחה של המשימה. "

מוטינגר אמר שבדרך כלל אנשים לא חושבים על נווטים כמדענים, אלא רק ככלי לסיום של המדענים להשיג תוצאות. עם זאת, לפעמים תוצרי לוואי מדעיים מגיעים מניווט. המקרה המפורסם ביותר כלל את משימת הוויאג'ר כאשר הנווט לינדה מורביטו גילה הר געש בירח Io של יופיטר מתוך התבוננות בתמונות ניווט אופטיות. במשימות לונר אורביטר, הנווטים הבינו שיש ריכוזי מסה גדולים, (המכונים כיום מסקונים) מתחת לפני השטח של הירח שהאיצו חללית במסלול.

בנוסף, המדע המשמש בניווט השתפר באופן דרמטי עם השנים. "כשאתה מסתכל על סוגי הדברים שלא הבנו כשהתחלתי לראשונה לעומת מה שאנחנו יודעים עכשיו, זה מדהים," אמר מוטינגר. לדוגמה, נווטים יכולים כעת ליצור מודלים מדויקים מאוד של לחץ סולארי - כיצד חלקיקי אור השמש דוחפים אל חללית ומשנים את מסלולו - הכולל לא רק כיצד אור שמש משתקף ממשטחים שונים של החללית, אלא גם קרינת האנרגיה שנקלטת מחדש על ידי הלוחות הסולאריים והקרינו מהצד האחורי.

בנוסף, נמרצות, הטבלאות בהן נווטים משתמשים בכדי להשיג את המיקומים של חפצים אסטרונומיים, השתפרו גם ברמת הדיוק לאורך השנים. "השטן נמצא בפרטים הקטנים", אמר מוטינגר. "הניווט הולך להיות משחק מדויק להפליא."

כמו רבים העובדים ב- JPL, מוטינגר נהנה לדבר עם בתי ספר או קבוצות קהילתיות כדי לחלוק את ההתרגשות והתגליות האחרונות מחקירת החלל. "חשוב להיות שם בחוץ ולומר את ההודעה שלנו כדי להתרגש מאנשים שאנחנו עושים," אמר. "והציבור רשאי להתרגש, כי הם משלמים את החשבון."

לפני מספר שנים חזר מוטינגר לעיר הולדתו אוסווגו, אילינוי כדי לדבר עם סטודנטים על תפקידו כנווט. ישב בכיתה היה כריס פוטס הצעיר, שהחליט שהניווט בחלליות הוא הקריירה שהוא רצה להמשיך. פוטס, שנמצא ב- JPL מאז 1984, היה סגן ראש צוות הניווט ב- MER ועובד כעת עם משימת שחר העומדת בדרך למסלול סביב שני אסטרואידים, סרס וסטה.

המומחיות של פוטס היא בקרת נתיבי טיסה. זה כרוך בירי מערכת ההנעה כדי לשנות את מהירות החלל או מסלול החלל, המכונה תמרוני מסלול מסלול (TCM). "זה כולל הבנת יכולות הבקרה של החללית וקביעת מגבלות כלשהן", אמר פוטס. "אתה קובע מתי אתה הולך לפטר את מערכת ההנעה, באיזו תדירות והמטרה של כל תמרון. צריך גם להעריך את דרישות המסירה, כדי לוודא שאתה יכול לנחות בתוך מכתש במאדים, למשל, ולמזער את הסיכון בדרך. "

ההיבט העיצובי הוא החלק המועדף על פוטס בתפקיד. "אתה מנסה לפתח אסטרטגיה שמאחדת את כל החלקים," אמר. "צריך לדבר עם מדעני המשימה ולהבין מה הדרישות שלהם ואז לדעת מה החללית יכולה לעשות. זה כמו אנשים שיש להם מכונית ישנה והם מסתובבים בה כל כך הרבה זמן, הם יודעים להפיק את המרב מהרכב הזה. ניצול מה שחללית עושה טוב ועבודה סביב המגבלות שלה מזין לתכנון של אסטרטגיה המקשרת את הכל כדי לגרום לזה לעבוד. "

חלק גדול מהעבודות של פוטס כרוך בסימולציות ובדיקות. "אנו רואים כיצד החללית מתנהגת ומנסים אסטרטגיות שונות כדי לשפר אותה במצבנו", אמר. "בקטע הניווט יש 'ארגז כלים' שלם של תוכנות בהן אנו יכולים להשתמש."

חללית השחר משתמשת במנוע יונים וזו הפעם הראשונה שפוטס עובד עם מערכת הנעה נמוכה. "זו משימה אחרת לגמרי," אמר. "הדאגות מעט שונות ממשימות אחרות מכיוון שהדחף כל כך יעיל. אחד הדברים שאתה דואג להם הוא לא מספיק זמן לבצע את התיקונים הדרושים. למרות שהדחף נמוך, עם הזמן הוא בונה שינוי מהיר למדי ותמיד מעצבים מסלולי מסלול ומשנים פקודות כדי לוודא שמנוע היונים יורה בכיוון הנכון. אם יש איזושהי תקלה או היקף חללית בדרך, אתה צריך לטרוף, ואולי יש להזיז אירועים עתידיים סביבם. " שחר יגיע לווסטה בשנת 2011.

פוטס נהנה להיות חלק מההתרגשות של כל המשימות השונות ב- JPL. "אני מאוד נהנה לעבוד עם כמה אנשים אינטליגנטים ומוכשרים במיוחד כאן, ואתה בהחלט יכול לחוש את התשוקה לעבודה שהם עושים," אמר. "לפעמים זה יכול להיות מאיים, אבל אתה מבין שלכולם יש הכישרון שלהם להציע, וכולם עוזרים לגרום לך לעשות את המיטב שלך כאן. אנו נאלצים לעשות מגוון עבודות מעניינות וזה מאוד מאתגר. אין יומיים זהים. "

אחד התגמולים בעבודתו, אמר פוטס, הוא לראות את פרי עבודתו מתגלה בתגליות מדעיות. "עם חזרה מדגם סטארדסט, לראות את אדמת הקפסולה ממש במקום שהיה אמור היה ביוטה היה מאוד מתגמל", אמר. "וכדי לראות את המדענים מתייחסים לנתונים האלה ומתחילים לבצע את החקירות שלהם, אתה מרגיש עד כמה הם נרגשים ונרגשים להגיע סוף סוף לעבוד על שאיפתם לכל החיים."

לאחרונה הודיעו מדעני סטארדאוסט כי הם מצאו חומצה אמינית, אחת מאבני הבניין של החיים, במדגם שהחללית חזרה לכדור הארץ.

פוטס ומוטינגר עבדו שניהם במשימת סטארדאוסט בהנהגתו של קן וויליאמס. וויליאמס עבד ב- JPL מספר שנים, אך כיום מועסק על ידי KinetX, חברת הנדסה פרטית המתמחה בטכנולוגיית חלל ופיתוח תוכנה. נכון לעכשיו, KinetX מספקת תמיכת ניווט במשימת "אופקים חדשים" לפלוטו, כמו גם המשימה MESSENGER (מרקורי שטח מרחב סביבה גיאוכימיה וטווח) למרקורי, וויליאמס היא ראש צוות הניווט של MESSENGER. שלא כמו מוטינגר ופוטס, וויליאמס לא תמיד היה מעורב במשימות חלל והקריירה שלו בניווט התפתחה מרקע בפיזיקה. הוא עבד במעבדה לפיזיקה יישומית באוניברסיטת ג'ונס הופקינס לפני שהגיע לעבוד ב- JPL בשנת 1994.

החלק האהוב על ויליאמס בהיותו נווט הוא למצוא ולפתור בעיות טכניות מעניינות. "זה מה שמעניין אותי," אמר. "ל- MESSENGER בהחלט יש כאלה. טסנו בכדור הארץ פעם אחת, ונוס פעמיים ומרקורי פעמיים. נצטרך לטוס ליד מרקורי פעם נוספת לפני שנעבור סוף סוף למסלול במפגש הרביעי. מציאת מסלול שעושה את כל הדברים האלה בהצלחה זו בעיה טכנית מאוד מעניינת שאני שמח מאוד להיות מעורב בה. עלינו לקחת בחשבון גם כל מיני אילוצים, כמו למשל לשמור על החללית מופנה מהשמש, כך שהרכיבים לא יחממו מדי. "

כראש צוות ניווט, וויליאמס מרכז את כל תחומי המשנה של קביעת מסלול, בקרת נתיבי טיסה וניווט אופטי יחד עם צרכיהם של מדעני המשימה מבחינת תצפיות כאשר הם נתקלים בכוכב לכת או שביט.

גם וויליאמס נהנה מההתלהבות של להיות בעובי הפעולה במשימות חלל חשובות. "אני משער שזה כמו להיות בקרב, או במשחק כדורסל או כדורגל," הוא אמר. "אתה מרגיש את ההתרגשות מלראות אירועים מתגלים, ולהגיב לכל חריגות או הפתעות שעולות. וכשהכל מסתיים יש לך תחושת סיפוק אדירה. "

חוויותיו עם שובו של סטארדאוסט לכדור הארץ בולטות כנקודת השיא. "לתאם את כל המאמץ הזה ולהוריד את החללית בהצלחה זו ככל הנראה החוויה היחידה המתגמלת ביותר בכל הזמן שהייתי ב- JPL," הוא אמר. "כמעט בכל משימה שעבדתי עליה הייתה תקופה שיש לך תחושה של אופוריה לגבי כך שהחללית תהיה במקום הנכון ובזמן הנכון. זו הרגשה טובה שיש. "

למרות שעזיבת JPL הייתה החלטה קשה, וויליאמס נהנה מחוויותיו בחברה פרטית. "היה קל להישאר ב- JPL ולהיות מה שהם מכנים 'זקן אפור' מבחינת ניסיון, אבל אחרי סטארדוסט אהבתי את האתגר להוביל צוות ניווט ולגדול בתחומים טכניים," אמר. "חשבתי שתהיה הזדמנות טובה יותר לעשות זאת עם צוות קטן בחברה קטנה, וחשבתי ש- KinetX הוא מקום טוב להשיג זאת."

ההפך הגמור מ'ציפור גריי 'הוא הנווט אמילי גיסט. היא הייתה ב- JPL כבר 4 שנים והיא חלק מצוות הניווט למשימת קאסיני בשבתאי. בדומה לפוטס, היא עובדת בבקרת נתיבי טיסה, עוזרת לתכנן את מסלול המסלול ולהעריך את המיקום העתידי של החללית, ולבקרת התיקונים הנדרשים להשגת יעדי המשימה.

היא מקבלת סיפוק רב בידיעה שהיא עוזרת להקל על החקירה. "המערכת השבתאי יפה יותר מכפי שרובם היו מעלים על דעתם ומגוונת יותר מכפי שהיה ידוע בעבר", אמרה. "המידע שקאסיני העביר האיר את כולנו. ליתר דיוק אני אוהב כמה אני לומד כל יום ב- JPL ועובד על משימת קסיני. "

כחלק מ'דור הדור הבא 'של הנווטים, ג'יסט נהנה מהסביבה המאתגרת שמציעה JPL. "היה לנו מבחן מוכנות לפעולה בקאסיני, שם נבדק הצוות כדי לראות כיצד נגיב לכישלון או תקלה בחללית בסביבה מבצעית," אמרה. "המהנדסים הבכירים לא היו במשחק ולכן הדור החדש נאלץ להבין זאת בכוחות עצמנו ועשינו עבודה מצוינת. זה גרם לי להתגאות בכל האנשים שאני עובד איתם. הם אנשים מוכשרים באמת. "

גיסט אמרה כי מגדר מעולם לא היה נושא בעבודתה כנווט. "ל- JPL יש צוות מגוון להפליא ובעוד אין הרבה נווטות נשים, לא מתייחסים אלינו אחרת", אמרה. "אני די מוטה, אבל אני חושב מה חסר לנו בכמות שאנחנו ממציאים באיכות. אני עובד עם כמה נשים מדהימות. "
"בנוסף, אני מאושר לחיות בתקופה ובחברה שבה ללא קשר למגדר אפשר למצוא את הדבר שהם רוצים לעשות ולעשות את זה לפי מיטב יכולתם. אני אוהב להיות מהנדס ומה שאני מנסה להעביר לנשים צעירות זה שהם יכולים לאהוב כל מה שהם רוצים, גם אם זה מתמטיקה ומדע, בלי לחשוש שזו עבודה פחות נשית. "

השאלה הקשה ביותר לכל הניווט לענות הייתה אם היה להם החלק הפחות אהוב בתפקיד. הם ציטטו את הבעיות הרגילות בכל עבודה: לא מספיק זמן ויותר מדי ניירת. והלחץ מגיע עם העבודה. "מועדים, במיוחד עובדים ב- JPL, הם אמיתיים מאוד", אמר פוטס. "אם אינך מוכן לאירוע קריטי במשימה, בדרך כלל אינך מקבל הזדמנות שנייה. יש הרבה רכבים על ביצוע העבודה שלך כראוי. "

אך כל הנווטים הדגישו את חשיבותו של הצד הצוותי בעבודתם. "אתה מחפש את האיכות המובנית של הקבוצה," אמר מוטינגר. "היה לי מנהל פרויקטים שאמר שצוות תופס אחד את השגיאות של השני והשלם גדול מסכום החלקים. הכל נעשה ברוח של אחווה, ואין דבר כזה שאלה מטופשת. "

אבל נראה שאור הזרקורים האינדיווידואלי פשוט נראה באיפור של נווט.

"יותר נוח לי לעבוד מאחורי הקלעים מאשר לעשות ראיון", אמר פוטס. "כשאני יודע שעשיתי את העבודה שלי ותרממתי להצלחת המשימה, זה מספיק לי."

"אני בסדר עם היצירה שלי מאחורי הקלעים," הוסיף גיסט. "עם זאת כשאני מחשיב את העבודה שהמהנדסים שלפני ומסביבי עשו, אני מרגיש שהם צריכים לקבל הכרה רבה יותר."

וויליאמס מרגיש, באופן כללי, שתחום הניווט עצמו צריך לקבל הכרה רבה יותר. "אני חושב שמדענים ואנשים שעושים מערכות חומרה גרידא מעריכים את הקושי של מה שנווט צריך לעשות," אמר. "יהיה נחמד אם נקבל יותר הכרה מצד בני גילנו רק מההיבט של היכולת להשפיע על אופן מתוכננים ומיועדים משימות מלכתחילה כך שניתן יהיה לטפל בבעיות ניווט לפני ההשקה ולא נותר לנו רק להתמודד איתן השקה. אני מרגיש בזה יותר חזק מכל הכרה בהישגים שלי. "

וויליאמס אמר שמה שנווטים עושים הוא יותר צורת אמנות. "זה לא ניתן להפחתה לקבוצה של אלגוריתמים שניתן לאחסן על סיפון מערכת טיסה כמו כוח או הנעה, למשל. זה זיקוק מתמיד. "

והאם הנווטים מוטרדים מהשעות הארוכות והקשות לפעמים של העבודה שלהם? "לא", אמר מוטינגר, "לא הייתי סוחר בזה בשום דבר. אין שום דבר אחר כמוהו. "