Điều hướng một tàu vũ trụ qua các tầng trời đã được so sánh với việc lái một con tàu trên biển khơi hoặc lái một chiếc xe trong một hành trình dài xuyên quốc gia. Sự tương tự là cần thiết, vì việc điều hướng tàu vũ trụ được thực hiện bằng một mẫu tương đối nhỏ của loài người, và công việc thường liên quan đến việc làm những việc chưa từng được thực hiện trước đây. Những người trong chúng ta gặp khó khăn trong việc tìm hiểu bản đồ đường bộ ở đây trên Trái đất đứng trước nỗi kinh hoàng về những gì các nhà hàng hải trên trời có thể đạt được.
Theo nghĩa đen, đây là khoa học tên lửa.
Nói một cách đơn giản nhất, việc điều hướng tàu vũ trụ đòi hỏi phải xác định vị trí của tàu vũ trụ và giữ nó đi đúng hướng đến đích mong muốn. Nhưng nó không dễ như đi từ Điểm A (Trái đất) đến Điểm B (một hành tinh hoặc cơ thể khác trong hệ mặt trời của chúng ta.) Đây không phải là những vị trí cố định trong không gian. Các nhà điều hướng phải đáp ứng những thách thức trong việc tính toán tốc độ và định hướng chính xác của Trái đất đang quay, đích đến đang quay, cũng như tàu vũ trụ đang di chuyển, trong khi tất cả đều đồng thời di chuyển trên quỹ đạo quanh Mặt trời.
Chris Potts, người đứng đầu nhóm các đội bóng chuyển hướng cho Mars Exploration Rover (MER), so với các yêu cầu mục tiêu hạ cánh Spirit rover bên trong một miệng núi lửa trên sao Hỏa cụ thể để có thể bắn một quả bóng rổ thông qua một hoop 9000 dặm. Bạn không chỉ phải thực hiện cú đánh một cách hoàn hảo mà không có quả bóng chạm vào vành, mà thời gian phải thật hoàn hảo, vì vậy bạn thực hiện cú đánh chính xác như tiếng còi vang lên, anh nói.
Ken Williams là Trưởng nhóm Điều hướng cho nhiệm vụ Stardust. Trả lại các mẫu nguyên sơ của một sao chổi trở về Trái đất. Để tái nhập thành công và hạ cánh tại một địa điểm chính xác ở Utah, đội điều hướng phải nhắm mục tiêu của viên đạn trở lại đến một điểm cụ thể trong bầu khí quyển của Trái đất trong vòng tám phần trăm độ, một kỳ tích được so sánh với việc đập vào mắt của một cây kim khâu với một mảnh sợi từ khắp phòng.
Điều hướng là điều cần thiết cho mọi nhiệm vụ robot, và trong khi nhiệm vụ thành công xoay quanh việc đội điều hướng thực hiện tốt như thế nào, thì các nhà điều hướng thường được tìm thấy dưới ánh đèn sân khấu, ngồi lên sân khấu cho một cuộc họp báo. Điển hình là việc dành riêng cho các nhà khoa học và nhà thiết kế nhiệm vụ. Các nhà hàng hải, dường như, làm việc đằng sau hậu trường, điều khiển các chiến hào trong tình trạng ẩn danh tương đối.
Nhưng tôi đã có cơ hội nói chuyện với một vài người điều hướng tàu vũ trụ, tìm hiểu thêm về công việc của họ và khám phá những phẩm chất bẩm sinh của những người hướng dẫn tàu vũ trụ của chúng ta đến những nơi xa hơn.
Neil Mottinger là một phần của nhiều nhiệm vụ kể từ khi ông bắt đầu làm việc tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực năm 1967. Ông đã hỗ trợ một số nhiệm vụ mặt trăng và hành tinh đầu tiên, và phát triển một số phần mềm mà các nhà hàng hải vẫn sử dụng ngày nay.
Nghe cuộc phỏng vấn của tôi với Mottinger trên phiên bản ngày 21 tháng 8 của podcast 365 ngày của Thiên văn học.
Có một số môn học khác nhau đối với việc điều hướng tàu vũ trụ, và một trong những đặc sản của Mottinger, là xác định quỹ đạo. Mottinger, người hiện đang làm việc với nhiệm vụ Tàu thám hiểm sao Hỏa (MRO) và nhiệm vụ LCROSS (Vệ tinh quan sát và quan sát miệng núi lửa) sắp tới trên mặt trăng. Bắt đầu với việc dự đoán quỹ đạo nơi tàu vũ trụ sẽ ngay lập tức sau khi phóng để Mạng không gian sâu (DSN) biết nơi đặt ăng-ten của chúng và tần số nào để mong đợi tín hiệu. DSN bao gồm một mạng lưới ăng-ten truyền thông không gian sâu cực kỳ nhạy cảm tại ba địa điểm: Goldstone, California; Madrid, Tây Ban Nha; và Canberra, Úc. Vị trí chiến lược cách nhau khoảng 120 độ trên bề mặt Trái đất cho phép quan sát liên tục tàu vũ trụ khi Trái đất quay.
Vì không có GPS ngoài vũ trụ, các nhà điều hướng xử lý dữ liệu theo dõi bằng phép đo phóng xạ nhận được từ DSN để xác định vị trí và vận tốc của tàu vũ trụ. Họ cũng sử dụng dữ liệu quang học, trong đó tàu vũ trụ chụp ảnh nền sao để giúp tinh chỉnh quỹ đạo tàu vũ trụ.
Trong nhiều năm, Mottinger đã làm việc với một nhóm cung cấp hỗ trợ điều hướng cho việc phóng hơn 100 tàu vũ trụ. Tôi không bao giờ gắn bó với bất kỳ một nhiệm vụ nào kể từ sau khi ra mắt, chúng tôi đã chuyển sang nhiệm vụ tiếp theo, ông Mottinger nói. Nhưng bây giờ anh ấy ở lại với các nhiệm vụ lâu hơn và đã ở với nhiệm vụ MRO trong phần ba năm tốt hơn. Mottinger vui mừng với dữ liệu khoa học mà nhiệm vụ này đã trở lại. Chúng tôi phải đưa ra dự đoán chính xác về nơi tàu vũ trụ sẽ đến. Sau đó, các kỹ sư biết cách định hướng tàu vũ trụ để các nhà khoa học có thể thực hiện các quan sát của họ, ông nói. Nếu chúng ta làm công việc của mình, các nhà khoa học có thể thấy một trận lở đất trên Sao Hỏa hoặc nhìn vào các khu vực cụ thể trên hành tinh. Nếu dự đoán của chúng tôi sai, các camera bị chỉ sai hướng. Điều hướng là không thể thiếu cho toàn bộ quá trình đảm bảo thành công nhiệm vụ.
Mottinger nói rằng thông thường người ta không nghĩ rằng các nhà điều hướng là nhà khoa học, chỉ là phương tiện để chấm dứt các nhà khoa học để có kết quả. Tuy nhiên, đôi khi các sản phẩm phụ khoa học đến từ điều hướng. Trường hợp nổi tiếng nhất liên quan đến nhiệm vụ Voyager khi hoa tiêu Linda Morabito phát hiện ra một ngọn núi lửa trên sao Mộc Jupiter mặt trăng nhìn vào hình ảnh điều hướng quang học. Trong các nhiệm vụ của Lunar Orbiter, các nhà hàng hải nhận ra có khối lượng lớn, (hiện được gọi là mascons) bên dưới bề mặt mặt trăng Moon đang tăng tốc tàu vũ trụ trên quỹ đạo.
Ngoài ra, khoa học được sử dụng trong điều hướng đã được cải thiện đáng kể qua nhiều năm. Mạo hiểm khi bạn nhìn vào những thứ mà chúng tôi đã không hiểu khi tôi mới bắt đầu so với những gì chúng ta biết bây giờ, nó đã áp đảo, Mottinger nói. Ví dụ, các nhà hàng hải giờ đây có thể tạo ra các mô hình áp suất mặt trời rất chính xác - cách các hạt ánh sáng mặt trời chống lại tàu vũ trụ và thay đổi quỹ đạo của nó - bao gồm không chỉ ánh sáng mặt trời phản xạ từ các bề mặt khác nhau của tàu vũ trụ, mà còn cả sự tái hấp thụ năng lượng bởi các tấm pin mặt trời và tỏa ra phía sau.
Ngoài ra, các ephTableide, các nhà điều hướng bảng sử dụng để có được vị trí của các vật thể thiên văn, cũng đã được cải thiện về độ chính xác trong những năm qua. Ma quỷ nói chi tiết, Mottinger nói. Hướng dẫn chuyển đổi đang trở thành một trò chơi cực kỳ chính xác.
Giống như nhiều người làm việc tại JPL, Mottinger thích nói chuyện với các trường học hoặc các nhóm cộng đồng để chia sẻ sự thú vị và những khám phá gần đây về thám hiểm không gian. Anh nói, một điều quan trọng là ở ngoài đó nói với thông điệp của chúng tôi để khiến mọi người hào hứng với những gì chúng tôi làm, anh ấy nói. Và công chúng có quyền được vui mừng, bởi vì họ đã thanh toán hóa đơn.
Vài năm trước, Mottinger trở về quê hương Oswego, Illinois để nói chuyện với các sinh viên về công việc của mình như một hoa tiêu. Ngồi trong lớp là một Chris Potts trẻ tuổi, người quyết định điều hướng tàu vũ trụ là nghề nghiệp mà anh muốn theo đuổi. Potts, người đã tham gia JPL từ năm 1984, là Phó Đội trưởng Điều hướng của MER và hiện đang làm việc với Sứ mệnh Bình minh đang trên đường tới quỹ đạo của hai tiểu hành tinh, Ceres và Vesta.
Đặc sản của Potts là điều khiển đường bay. Điều này liên quan đến việc bắn hệ thống động lực để thay đổi vận tốc hoặc quỹ đạo của tàu vũ trụ, được gọi là Cơ động điều chỉnh quỹ đạo (TCM). Điều đó bao gồm sự hiểu biết về các khả năng điều khiển của tàu vũ trụ và xác định bất kỳ giới hạn nào, theo ông Potts. Bạn xác định khi nào bạn sẽ bắn hệ thống đẩy, tần suất và mục tiêu của mỗi lần điều động. Bạn cũng phải đánh giá các yêu cầu giao hàng, để đảm bảo bạn có thể hạ cánh trong miệng núi lửa trên Sao Hỏa, và giảm thiểu rủi ro trên đường đi.
Khía cạnh thiết kế là phần yêu thích của Potts. Bạn cố gắng phát triển một chiến lược kết hợp tất cả các phần lại với nhau, ông nói. Bạn phải nói chuyện với các nhà khoa học nhiệm vụ và hiểu yêu cầu của họ là gì, và sau đó biết tàu vũ trụ có thể làm gì. Nó giống như những người có một chiếc xe cũ và họ đã ở quanh nó rất lâu, họ biết cách tận dụng tối đa chiếc xe đó. Tận dụng những gì tàu vũ trụ làm tốt và giải quyết các hạn chế của nó đưa vào thiết kế một chiến lược kết hợp tất cả lại để làm cho nó hoạt động.
Phần lớn công việc của Potts liên quan đến mô phỏng và thử nghiệm. Ông nói chúng ta thấy tàu vũ trụ hoạt động như thế nào và thử các chiến lược khác nhau để cải thiện tình hình của chúng ta, ông nói. Phần điều hướng có toàn bộ ‘hộp công cụ Phần mềm mà chúng tôi có thể sử dụng.
Tàu vũ trụ Dawn sử dụng động cơ ion và đây là lần đầu tiên Potts làm việc với hệ thống đẩy lực đẩy thấp. Ông nói, đó là một nhiệm vụ hoàn toàn khác. Các mối quan tâm khác một chút so với các nhiệm vụ khác vì lực đẩy rất hiệu quả. Một trong những điều bạn lo lắng là không có đủ thời gian để thực hiện bất kỳ chỉnh sửa nào là cần thiết. Mặc dù lực đẩy thấp, theo thời gian, nó tạo ra một sự thay đổi vận tốc và bạn luôn luôn thiết kế quỹ đạo và thay đổi các lệnh để đảm bảo động cơ ion bắn đúng hướng. Nếu có bất kỳ loại lỗi tàu vũ trụ hoặc trục trặc nào trên đường đi, bạn phải tranh giành, và một số sự kiện trong tương lai có thể phải di chuyển xung quanh. Bình minh sẽ đến Vesta vào năm 2011.
Potts thích là một phần của sự phấn khích của tất cả các nhiệm vụ khác nhau tại JPL. Tôi thực sự thích làm việc với một số người cực kỳ thông minh và tài năng ở đây và bạn chắc chắn có thể cảm nhận được niềm đam mê với công việc họ làm, anh ấy nói. Đôi khi điều đó có thể đáng sợ, nhưng bạn nhận ra rằng mọi người đều có tài năng riêng của họ và mọi người giúp thúc đẩy bạn cố gắng hết sức ở đây. Chúng tôi phải thực hiện một loạt các công việc thú vị, và nó rất khó khăn. Không có hai ngày là như nhau."
Một trong những phần thưởng trong công việc của ông, Potts nói, đang chứng kiến kết quả công việc của ông được đưa ra ánh sáng trong những khám phá khoa học. Với sự trở lại của mẫu Stardust, để xem vùng đất con nhộng ngay tại nơi được cho là ở Utah rất bổ ích, anh nói. Để xem các nhà khoa học nắm bắt được dữ liệu đó và bắt đầu thực hiện các cuộc điều tra của họ, bạn sẽ cảm thấy họ cảm thấy hồi hộp và phấn khích như thế nào khi cuối cùng cũng làm việc với tham vọng cả đời của họ.
Gần đây, các nhà khoa học Stardust tuyên bố tìm thấy một axit amin, một trong những khối xây dựng của sự sống, trong một mẫu tàu vũ trụ trở về Trái đất.
Potts và Mottinger đều làm việc trong nhiệm vụ Stardust dưới sự lãnh đạo của Ken Williams. Williams đã làm việc tại JPL trong vài năm, nhưng hiện đang được KinetX, một công ty kỹ thuật tư nhân chuyên về công nghệ hàng không vũ trụ và phát triển phần mềm. Hiện tại, KinetX cung cấp hỗ trợ điều hướng cho nhiệm vụ New Horizons cho Sao Diêm Vương, cũng như nhiệm vụ MESSENGER (Mercury Surface Space Geo Geo Chemistry Chemistry and Ranging) cho Mercury, và Williams là trưởng nhóm điều hướng MESSENGER. Không giống như Mottinger và Potts, Williams hasn luôn luôn tham gia vào các nhiệm vụ không gian và sự nghiệp điều hướng của anh ta phát triển từ một nền tảng trong vật lý. Ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Đại học Johns Hopkins trước khi đến làm việc tại JPL năm 1994.
Phần yêu thích của Williams là một hoa tiêu là tìm và giải quyết các vấn đề kỹ thuật thú vị. Anh ấy nói những gì tôi quan tâm, anh ấy nói. MESSENGER chắc chắn có một số trong số đó. Chúng ta đã bay qua Trái đất một lần, Sao Kim hai lần và Sao Thủy hai lần. Chúng tôi sẽ phải bay bằng sao Thủy một lần nữa trước khi cuối cùng chúng ta đi vào quỹ đạo trong lần chạm trán thứ tư. Tìm ra một quỹ đạo thực hiện tất cả những điều đó thành công là một vấn đề kỹ thuật rất thú vị mà tôi đã rất vui mừng khi được tham gia. Chúng ta cũng phải xem xét tất cả các loại ràng buộc, chẳng hạn như giữ cho tàu vũ trụ hướng ra khỏi mặt trời để các thành phần don don trở nên quá ấm.
Với tư cách là Trưởng nhóm Điều hướng, Williams điều phối tất cả các phân ngành xác định quỹ đạo, điều khiển đường bay và điều hướng quang học cùng với nhu cầu của các nhà khoa học nhiệm vụ về mặt quan sát khi họ gặp một hành tinh hoặc sao chổi.
Williams cũng vậy, rất thích sự phấn khích khi ở trong hành động dày đặc trong các nhiệm vụ không gian quan trọng. Tôi cho rằng nó giống như đang ở trong một trận chiến, hoặc trong một trận bóng rổ hay bóng đá, anh nói. Bạn cảm thấy phấn khích khi thấy các sự kiện diễn ra và phản ứng với bất kỳ sự bất thường hoặc bất ngờ nào xảy ra. Và khi nó hoàn thành, bạn có một cảm giác thỏa mãn vô cùng.
Những trải nghiệm của anh với Stardust sườn trở lại Trái đất nổi bật như một điểm nhấn. Ông nhận được tất cả những nỗ lực đó đã phối hợp và đưa tàu vũ trụ thành công có lẽ là trải nghiệm bổ ích nhất trong suốt thời gian tôi ở JPL, ông nói. Hầu như trên tất cả các nhiệm vụ tôi đã làm việc ở đó đã có lúc bạn có cảm giác hưng phấn về việc tàu vũ trụ được đặt đúng chỗ vào đúng thời điểm. Đó là một cảm giác tốt để có.
Mặc dù rời khỏi JPL là một quyết định khó khăn, Williams thích những trải nghiệm của mình tại một công ty tư nhân. Thật dễ dàng để ở lại JPL và là cái mà họ gọi là rey greybeard, về mặt kinh nghiệm, nhưng sau Stardust, tôi thích thử thách dẫn dắt một đội điều hướng và phát triển trong các lĩnh vực kỹ thuật, anh nói. Tôi nghĩ rằng sẽ có cơ hội tốt hơn để làm điều đó với một nhóm nhỏ trong một công ty nhỏ và tôi nghĩ KinetX là một nơi tốt để thực hiện điều đó.
Hoàn toàn trái ngược với một rey greybeardát là hoa tiêu Emily Gist. Cô đã ở JPL được 4 năm và là thành viên của đội điều hướng cho nhiệm vụ Cassini tại Sao Thổ. Giống như Potts, cô làm việc trong việc điều khiển đường bay, giúp lập kế hoạch quỹ đạo và ước tính vị trí tương lai của tàu vũ trụ và kiểm soát các điều chỉnh cần thiết để đạt được các mục tiêu nhiệm vụ.
Cô ấy rất hài lòng khi biết rằng cô ấy đang giúp tạo điều kiện khám phá. Hệ thống Saturnian đẹp hơn hầu hết những gì người ta tưởng tượng và đa dạng hơn so với trước đây, cô nói. Thông tin mà Cassini đã cung cấp đã khai sáng tất cả chúng ta. Cụ thể hơn, tôi yêu thích việc tôi học được bao nhiêu mỗi ngày tại JPL và làm việc trong Nhiệm vụ Cassini.
Là một phần của ’thế hệ tiếp theo của các nhà hàng hải, Gist thích môi trường đầy thách thức mà JPL cung cấp. Chúng tôi đã có một thử nghiệm sẵn sàng hoạt động trên Cassini, nơi nhóm nghiên cứu đã được thử nghiệm để xem chúng tôi sẽ phản ứng thế nào với sự cố hoặc lỗi trên tàu vũ trụ trong môi trường hoạt động, cô nói. Các kỹ sư cao cấp người sói chơi, vì vậy thế hệ mới phải tự mình tìm ra và chúng tôi đã làm một công việc tuyệt vời. Nó làm tôi tự hào về tất cả những người tôi làm việc cùng. Họ là những người thực sự tài năng.
Gist cho biết giới tính chưa bao giờ là một vấn đề trong công việc của cô như một hoa tiêu. Cô JPL có một đội ngũ nhân viên đa dạng tuyệt vời và trong khi không có nhiều nữ hoa tiêu, chúng tôi không được đối xử khác biệt, cô nói. Tôi rất thiên vị, nhưng tôi nghĩ những gì chúng ta thiếu về số lượng chúng ta tạo nên về chất lượng. Tôi làm việc với một số phụ nữ tuyệt vời.
Ngoài ra, tôi cảm thấy may mắn khi sống trong một thời đại và xã hội nơi mà bất kể giới tính ai cũng có thể tìm thấy điều họ muốn làm và làm điều đó với khả năng tốt nhất của họ. Tôi thích trở thành một kỹ sư và điều tôi cố gắng truyền đạt cho phụ nữ trẻ là họ có thể yêu bất cứ thứ gì họ muốn, ngay cả khi đó là toán học và khoa học, mà không sợ rằng đó là một công việc ít nữ tính hơn.
Câu hỏi khó nhất cho tất cả các nhà hàng hải trả lời là nếu họ có phần yêu thích nhất trong công việc. Họ đã trích dẫn các vấn đề thông thường với bất kỳ công việc nào: không đủ thời gian và quá nhiều giấy tờ. Và căng thẳng đi kèm với công việc. Hạn chót, đặc biệt là làm việc tại JPL, rất thực tế, Potts nói. Nếu bạn không chuẩn bị cho một sự kiện quan trọng trong nhiệm vụ, bạn thường không có cơ hội thứ hai. Có rất nhiều cưỡi ngựa để hoàn thành công việc của bạn đúng cách.
Nhưng tất cả các nhà điều hướng nhấn mạnh tầm quan trọng của khía cạnh nhóm trong công việc của họ. Mottinger cho biết, bạn tìm kiếm chất lượng vốn có của đội. Tôi đã có một người quản lý dự án nói rằng một nhóm bắt lỗi lẫn nhau và toàn bộ lớn hơn tổng của các phần. Mọi thứ đều được thực hiện trên tinh thần tình bạn, và ở đó, không có câu hỏi ngu ngốc nào.
Nhưng việc tìm kiếm ánh đèn sân khấu cá nhân chỉ có vẻ như là trong một bộ trang điểm điều hướng.
Một người khác cảm thấy thoải mái hơn khi làm việc ở hậu trường hơn là thực hiện một cuộc phỏng vấn. Khi tôi biết tôi đã hoàn thành công việc của mình và đóng góp vào thành công của nhiệm vụ, điều đó đủ cho tôi.
Tôi rất ổn với công việc của mình ở phía sau hậu trường, đã thêm Gist. Tuy nhiên, khi tôi xem xét công việc mà các kỹ sư trước tôi và xung quanh tôi đã làm, đôi khi tôi cảm thấy họ nên được công nhận nhiều hơn.
Williams cảm thấy, nói chung, lĩnh vực điều hướng chính nó sẽ được công nhận nhiều hơn. Tôi nghĩ rằng các nhà khoa học và những người làm các hệ thống phần cứng hoàn toàn đánh giá thấp sự khó khăn của những gì các nhà hàng hải phải làm, ông nói. Thật tuyệt nếu chúng ta nhận được nhiều sự công nhận hơn từ các đồng nghiệp của mình chỉ từ quan điểm có thể ảnh hưởng đến cách các nhiệm vụ được lên kế hoạch và thiết kế để bắt đầu các vấn đề điều hướng có thể được giải quyết trước khi khởi động và không chỉ để chúng ta giải quyết sau phóng. Tôi cảm thấy mạnh mẽ về điều đó hơn bất kỳ sự công nhận thành tựu nào của riêng tôi.
Williams nói rằng những gì các nhà điều hướng làm là nhiều hơn một hình thức nghệ thuật. Chẳng hạn, nó không thể chuyển sang một tập hợp các thuật toán có thể được lưu trữ trên một hệ thống bay như sức mạnh hoặc lực đẩy. Nó tinh luyện liên tục.
Và các nhà điều hướng có bị làm phiền bởi những giờ đôi khi dài và kỳ quặc mà công việc của họ yêu cầu không? Mùi không, dạy nói Mottinger, tôi sẽ đổi nó lấy bất cứ thứ gì. Không có gì khác giống như vậy.
