Menavigasi kapal angkasa melalui langit telah dibandingkan dengan mengayuh kapal di laut terbuka atau memandu kenderaan dalam perjalanan merentas desa. Analogi diperlukan, kerana navigasi kapal angkasa dilakukan dengan persampelan umat manusia yang agak kecil, dan pekerjaan biasanya melibatkan melakukan perkara yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Bagi kita yang menghadapi masalah memahami peta jalan di Bumi, kagum dengan apa yang dapat dicapai oleh pelayar langit ini.
Secara harfiah, ini adalah sains roket.
Dalam istilah yang paling mudah, navigasi kapal angkasa memerlukan penentuan di mana kapal angkasa itu dan terus menuju ke destinasi yang diinginkan. Tetapi tidak semudah hanya dari Titik A (Bumi) ke Titik B (planet atau badan lain di sistem suria kita.) Ini bukan kedudukan tetap di angkasa. Navigator mesti menghadapi cabaran untuk mengira kelajuan dan orientasi tepat Bumi yang berputar, destinasi sasaran yang berputar, dan juga kapal angkasa yang bergerak, sementara semuanya bergerak dalam orbit mereka sendiri di sekitar Matahari.
Chris Potts, yang membantu memimpin pasukan navigasi untuk Mars Exploration Rovers (MER), membandingkan syarat sasaran mendarat Spirit Spirit di dalam kawah tertentu di Marikh dengan dapat menembak bola keranjang melalui gelung sejauh 9000 batu. "Bukan hanya Anda harus membuat tembakan dengan sempurna tanpa bola menyentuh pelek, tetapi waktunya harus sempurna, jadi Anda membuat tembakan tepat seperti bunyi bel," katanya.
Ken Williams adalah Ketua Pasukan Navigasi untuk pengembalian sampel komet murni kembali ke Bumi oleh misi Stardust. Untuk berjaya masuk semula dan mendarat di lokasi yang tepat di Utah, pasukan navigasi harus menargetkan kemasukan kapsul kembali ke titik tertentu di atmosfer Bumi hingga dalam lapan 100th darjah, suatu prestasi yang dibandingkan dengan memukul mata jarum jahit dengan sehelai benang dari seberang bilik.
Navigasi sangat penting untuk setiap misi robotik, dan sementara kejayaan misi bergantung pada seberapa baik prestasi pasukan navigasi, navigator biasanya tidak dapat dilihat, duduk di atas pentas untuk sidang media. Biasanya ia dikhaskan untuk saintis misi dan pereka. Navigator, nampaknya, bekerja di belakang tabir, menguruskan parit dengan relatif tanpa nama.
Tetapi saya berkesempatan untuk berbicara dengan beberapa pelayar kapal angkasa, belajar lebih banyak mengenai pekerjaan mereka dan mengetahui kualiti semula jadi mereka yang memandu kapal angkasa kita ke tempat-tempat di luar.
Neil Mottinger telah menjadi sebahagian daripada banyak misi sejak dia mula bekerja di Jet Propulsion Laboratory pada tahun 1967. Dia membantu beberapa misi awal bulan dan planet, dan mengembangkan beberapa perisian yang masih digunakan para navigator hingga kini.
Dengarkan temu ramah saya dengan Mottinger pada podcast 365 Days of Astronomy edisi 21 Ogos.
Terdapat beberapa sub-disiplin yang berbeza untuk navigasi kapal angkasa, dan salah satu kepakaran Mottinger adalah penentuan orbit. "Penentuan orbit adalah mengetahui di mana kapal angkasa itu dan ke mana ia pergi," kata Mottinger, yang kini bekerja dengan misi Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) dan misi LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) yang akan datang ke bulan. "Ini dimulai dengan memprediksi lintasan di mana kapal angkasa akan segera setelah dilancarkan sehingga Jaringan Angkasa Dalam (DSN) tahu di mana titik antena mereka dan berapa frekuensi yang diharapkan untuk mendapatkan isyarat." DSN terdiri daripada rangkaian antena komunikasi ruang dalam yang sangat sensitif di tiga lokasi: Goldstone, California; Madrid, Sepanyol; dan Canberra, Australia. Penempatan strategik kira-kira 120 darjah di permukaan Bumi membolehkan pemerhatian berterusan kapal angkasa semasa Bumi berputar.
Oleh kerana tidak ada GPS di angkasa lepas, navigator memproses data penjejakan radiometrik yang diterima dari DSN untuk menentukan kedudukan dan halaju kapal angkasa. Mereka juga menggunakan data optik, di mana kapal angkasa mengambil gambar latar belakang bintang untuk membantu memperbaiki lintasan kapal angkasa.
Selama bertahun-tahun, Mottinger bekerjasama dengan kumpulan yang memberikan sokongan navigasi untuk pelancaran lebih dari 100 kapal angkasa. "Saya tidak pernah terikat dengan satu misi sejak tepat setelah pelancaran kami melanjutkan misi berikutnya," kata Mottinger. Tetapi sekarang dia bertahan dengan misi lebih lama dan telah bersama misi MRO selama tiga tahun. Mottinger sangat gembira dengan data saintifik misi ini telah kembali. “Kami harus memberikan ramalan yang tepat tentang lokasi kapal angkasa itu. Kemudian para jurutera tahu bagaimana mengorientasikan kapal angkasa sehingga para saintis dapat membuat pemerhatian mereka, ”katanya. "Sekiranya kita melakukan tugas kita, para saintis dapat melihat tanah longsor di Marikh atau melihat kawasan tertentu di planet ini. Sekiranya ramalan kami salah, kamera dihalakan ke arah yang salah. Navigasi penting untuk keseluruhan proses memastikan kejayaan misi. "
Mottinger mengatakan bahawa biasanya seseorang tidak menganggap pelayar sebagai saintis, hanya sebagai alat untuk menamatkan saintis untuk mendapatkan hasil. Walau bagaimanapun, kadangkala produk sampingan saintifik berasal dari navigasi. Contoh yang paling terkenal melibatkan misi Voyager ketika navigator Linda Morabito menemui gunung berapi di bulan Jupiter Io dari melihat gambar navigasi optik. Dalam misi Lunar Orbiter, para navigator menyedari terdapat sejumlah besar jisim, (sekarang disebut tukang batu) di bawah permukaan bulan yang mempercepat kapal angkasa di orbit.
Selain itu, sains yang digunakan dalam navigasi telah meningkat secara mendadak selama bertahun-tahun. "Apabila anda melihat jenis perkara yang tidak kami fahami ketika saya mula-mula berbanding yang kita tahu sekarang, itu sangat luar biasa," kata Mottinger. Sebagai contoh, navigator kini dapat membuat model tekanan suria yang sangat tepat - bagaimana zarah cahaya matahari mendorong terhadap kapal angkasa dan mengubah lintasannya - yang merangkumi bukan sahaja bagaimana cahaya matahari dipantulkan dari berbagai permukaan kapal angkasa, tetapi juga sinaran semula tenaga yang diserap oleh panel solar dan terpancar di bahagian belakang.
Selain itu, ephemerides, jadual navigator yang digunakan untuk mendapatkan kedudukan objek astronomi, juga bertambah baik dalam ketepatannya selama bertahun-tahun. "Iblis ada dalam perinciannya," kata Mottinger. "Navigasi menjadi permainan yang sangat tepat."
Seperti ramai yang bekerja di JPL, Mottinger suka bercakap dengan sekolah atau kumpulan masyarakat untuk berkongsi kegembiraan dan penemuan penerokaan angkasa lepas. "Penting untuk berada di luar sana untuk memberitahu mesej kami untuk membuat orang teruja dengan apa yang kami lakukan," katanya. "Dan orang ramai berhak bersemangat, karena mereka membayar tagihan."
Beberapa tahun yang lalu Mottinger kembali ke kampung halamannya di Oswego, Illinois untuk bercakap dengan pelajar mengenai pekerjaannya sebagai pelayaran. Duduk di dalam kelas adalah Chris Potts muda, yang memutuskan navigasi kapal angkasa adalah kerjaya yang ingin dia lalui. Potts, yang berada di JPL sejak 1984, adalah Wakil Ketua Pasukan Navigasi untuk MER dan sekarang bekerja dengan Dawn Mission yang dalam perjalanan ke orbit dua asteroid, Ceres dan Vesta.
Keistimewaan Potts adalah kawalan laluan penerbangan. Ini melibatkan pengaktifan sistem pendorong untuk mengubah halaju atau lintasan kapal angkasa, yang dikenal sebagai Trajectory Correction Maneuvers (TCM). "Itu termasuk memahami kemampuan kawalan kapal angkasa dan menentukan batasan apa pun," kata Potts. "Anda menentukan kapan anda akan menjalankan sistem penggerak, berapa kerap dan objektif setiap manuver. Anda juga harus menilai keperluan penghantaran, untuk memastikan anda boleh mendarat di dalam kawah di Mars, misalnya, dan meminimumkan risiko di sepanjang jalan. "
Aspek reka bentuk adalah bahagian kegemaran Potts dalam pekerjaan. "Anda cuba mengembangkan strategi yang menyatukan semua bagian," katanya. “Anda harus berbincang dengan saintis misi dan memahami apa keperluan mereka, dan kemudian mengetahui apa yang dapat dilakukan kapal angkasa. Seperti orang yang mempunyai kereta lama dan mereka sudah lama menggunakannya, mereka tahu bagaimana memanfaatkan sepenuhnya kenderaan itu. Mengambil keuntungan dari apa yang dilakukan kapal angkasa dengan baik dan mengatasi batasannya menyertakan rancangan strategi yang menyatukan semuanya untuk membuatnya berfungsi. "
Sebilangan besar karya Potts melibatkan simulasi dan ujian. "Kami melihat bagaimana kapal angkasa bersikap, dan mencuba pelbagai strategi untuk memperbaikinya untuk situasi kami," katanya. "Bahagian navigasi mempunyai keseluruhan 'kotak alat' perisian yang dapat kami gunakan."
Kapal angkasa Dawn menggunakan mesin ion, dan ini adalah kali pertama Potts bekerja dengan sistem dorongan rendah. "Ini adalah misi yang berbeza," katanya. "Keprihatinannya sedikit berbeza daripada misi lain kerana terasnya sangat cekap. Salah satu perkara yang anda bimbangkan adalah tidak mempunyai cukup masa untuk membuat pembetulan yang diperlukan. Walaupun daya dorongnya rendah, lama-kelamaan ia menghasilkan perubahan halaju dan anda selalu merancang lintasan dan menukar arahan untuk memastikan enjin ion menyala ke arah yang betul. Sekiranya terdapat kesalahan atau cegukan kapal angkasa di sepanjang jalan, anda harus berebut, dan beberapa peristiwa di masa depan mungkin harus dipindahkan. " Subuh akan tiba di Vesta pada tahun 2011.
Potts senang menjadi sebahagian daripada kegembiraan dalam pelbagai misi di JPL. "Saya sangat menikmati bekerja dengan beberapa orang yang sangat pintar dan berbakat di sini dan anda pasti dapat merasakan minat terhadap pekerjaan yang mereka lakukan," katanya. "Kadang-kadang itu boleh menakutkan, tetapi anda menyedari bahawa setiap orang mempunyai bakat mereka sendiri untuk ditawarkan, dan semua orang membantu mendorong anda melakukan yang terbaik di sini. Kami dapat melakukan pelbagai kerja menarik, dan sangat mencabar. Tidak ada dua hari yang sama. "
Salah satu penghargaan dari pekerjaannya, kata Potts, adalah melihat hasil kerjanya terungkap dalam penemuan saintifik. "Dengan kepulangan sampel Stardust, untuk melihat tanah kapsul tepat di tempat yang sepatutnya di Utah sangat bermanfaat," katanya. "Dan untuk melihat para saintis mendapatkan data tersebut dan mula melakukan penyiasatan mereka, anda merasakan betapa gembira dan bersemangatnya mereka akhirnya dapat bekerja dalam cita-cita seumur hidup mereka."
Baru-baru ini, saintis Stardust mengumumkan untuk mencari asid amino, salah satu blok bangunan kehidupan, dalam sampel kapal angkasa itu kembali ke Bumi.
Potts dan Mottinger sama-sama mengerjakan misi Stardust di bawah pimpinan Ken Williams. Williams bekerja di JPL selama beberapa tahun, tetapi kini bekerja di KinetX, sebuah firma kejuruteraan swasta yang mengkhususkan diri dalam teknologi aeroangkasa dan pengembangan perisian. Pada masa ini, KinetX menyediakan sokongan navigasi untuk misi New Horizons ke Pluto, serta misi MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) ke Mercury, dan Williams adalah ketua pasukan navigasi MESSENGER. Tidak seperti Mottinger dan Potts, Williams tidak selalu terlibat dalam misi angkasa dan kariernya dalam navigasi berkembang dari latar belakang fizik. Dia bekerja di Makmal Fizik Gunaan di Johns Hopkins University sebelum datang bekerja di JPL pada tahun 1994.
Bahagian kegemaran Williams sebagai pelayar adalah mencari dan menyelesaikan masalah teknikal yang menarik. "Itulah yang menarik minat saya," katanya. "MESSENGER pasti mempunyai sejumlah itu. Kami terbang dengan Bumi sekali, Venus dua kali dan Mercury dua kali. Kita mesti terbang dengan Mercury sekali lagi sebelum akhirnya kita memasuki orbit pada pertemuan keempat. Mencari lintasan yang berjaya melakukan semua perkara itu adalah masalah teknikal yang sangat menarik yang saya sangat senang terlibat. Kita juga harus mempertimbangkan segala macam kekangan, seperti menjauhkan kapal angkasa dari matahari agar komponennya tidak terlalu panas. "
Sebagai Ketua Pasukan Navigasi, Williams mengkoordinasikan semua sub-disiplin penentuan orbit, kawalan laluan penerbangan, dan navigasi optik bersama dengan keperluan saintis misi dari segi pemerhatian ketika mereka menghadapi planet atau komet.
Williams juga menikmati kegembiraan ketika berada di puncak aksi dalam misi ruang angkasa yang penting. "Saya rasa seperti dalam pertempuran, atau dalam permainan bola keranjang atau bola sepak," katanya. “Anda merasakan kegembiraan melihat peristiwa yang terjadi, dan menanggapi segala anomali atau kejutan yang muncul. Dan apabila semuanya selesai, anda mempunyai rasa kepuasan yang luar biasa. "
Pengalamannya dengan kepulangan Stardust ke Bumi menonjol. "Mendapatkan semua usaha itu diselaraskan dan berjaya menurunkan kapal angkasa mungkin merupakan satu-satunya pengalaman paling bermanfaat sepanjang saya berada di JPL," katanya. "Di hampir setiap misi yang saya kerjakan ada saatnya anda mempunyai rasa euforia mengenai kapal angkasa berada di tempat yang tepat pada waktu yang tepat. Itulah perasaan yang baik untuk dimiliki. "
Walaupun meninggalkan JPL adalah keputusan yang sukar, Williams menikmati pengalamannya di sebuah syarikat swasta. "Rasanya senang tinggal di JPL dan menjadi apa yang mereka sebut sebagai 'greybeard' dari segi pengalaman, tetapi setelah Stardust, saya menyukai cabaran memimpin pasukan navigasi dan berkembang di bidang teknikal," katanya. "Saya fikir akan ada kesempatan yang lebih baik untuk melakukannya dengan pasukan kecil di sebuah syarikat kecil, dan saya fikir KinetX adalah tempat yang baik untuk mencapainya."
Sebaliknya 'greybeard' adalah pelayar Emily Gist. Dia telah berada di JPL selama 4 tahun dan merupakan sebahagian daripada pasukan navigasi untuk misi Cassini di Saturn. Seperti Potts, dia bekerja dalam pengendalian jalur penerbangan, membantu merencanakan lintasan dan memperkirakan posisi kapal angkasa yang akan datang, dan untuk mengawal pembetulan yang diperlukan untuk mencapai objektif misi.
Dia merasa puas kerana mengetahui bahawa ia membantu memudahkan penerokaan. "Sistem Saturnia lebih indah daripada yang dibayangkan oleh kebanyakan orang dan lebih beragam daripada yang diketahui sebelumnya," katanya. "Maklumat yang diberikan Cassini telah menyedarkan kita semua. Lebih khusus lagi saya suka betapa saya belajar setiap hari di JPL dan bekerja di Cassini Mission. "
Sebagai sebahagian daripada ‘generasi seterusnya’ navigator, Gist menikmati persekitaran yang mencabar yang disediakan oleh JPL. "Kami menjalani Uji Kesediaan Operasi di Cassini di mana pasukan diuji untuk melihat bagaimana kami akan bereaksi terhadap kegagalan atau kesalahan kapal angkasa dalam lingkungan operasi," katanya. "Jurutera senior tidak bermain sehingga generasi baru harus mengetahuinya sendiri dan kami melakukan pekerjaan yang sangat baik. Ini membuat saya bangga dengan semua orang yang saya bekerjasama. Mereka adalah orang yang benar-benar berbakat. "
Gist berkata jantina tidak pernah menjadi masalah dalam tugasnya sebagai pengemudi. "JPL mempunyai kakitangan yang luar biasa dan walaupun tidak banyak pelayar wanita, kami tidak diperlakukan secara berbeza," katanya. "Saya cukup berat sebelah, tetapi saya rasa apa yang kita kekurangan dari segi kuantiti yang kita buat dari segi kualiti. Saya bekerja dengan beberapa wanita yang luar biasa. "
“Selain itu, saya merasa beruntung hidup dalam masa dan masyarakat di mana sahaja tanpa jantina seseorang dapat menemui perkara yang mereka mahu lakukan dan melakukannya dengan sebaik mungkin. Saya suka menjadi jurutera dan apa yang saya cuba sampaikan kepada wanita muda ialah mereka boleh menyukai apa sahaja yang mereka mahukan, walaupun itu matematik dan sains, tanpa rasa takut bahawa ini adalah pekerjaan yang kurang feminin. "
Soalan paling sukar untuk dijawab oleh semua pelayar adalah jika mereka mempunyai bahagian pekerjaan yang paling tidak disukai. Mereka menyebut masalah biasa dengan pekerjaan apa pun: tidak cukup masa dan terlalu banyak kertas kerja. Dan tekanan datang dengan pekerjaan. "Tarikh akhir, terutama bekerja di JPL, sangat nyata," kata Potts. "Sekiranya anda tidak bersedia untuk peristiwa penting dalam misi, anda biasanya tidak mendapat peluang kedua. Terdapat banyak usaha untuk menyelesaikan tugas anda dengan betul. "
Tetapi semua pelayar menekankan pentingnya aspek pasukan dalam tugas mereka. "Anda mencari kualiti pasukan yang ada," kata Mottinger. "Saya mempunyai seorang pengurus projek yang mengatakan bahawa satu pasukan saling memahami kesalahan dan keseluruhannya lebih besar daripada jumlah bahagian. Segala-galanya dilakukan dengan semangat persahabatan, dan tidak ada soalan bodoh. "
Tetapi mencari perhatian individu sepertinya tidak sesuai dengan penampilan navigator.
"Saya lebih selesa bekerja di belakang tabir daripada melakukan wawancara," kata Potts. "Apabila saya tahu saya telah melakukan tugas saya, dan menyumbang kepada kejayaan misi, itu sudah cukup bagi saya."
"Saya baik-baik saja dengan kerja saya di belakang tabir," tambah Gist. "Namun ketika saya mempertimbangkan pekerjaan yang dilakukan oleh jurutera sebelum saya dan di sekeliling saya, saya kadang-kadang merasakan mereka harus mendapat pengiktirafan lebih banyak."
Williams merasakan, secara umum, bidang navigasi itu sendiri harus mendapat lebih banyak pengiktirafan. "Saya fikir saintis dan orang yang menggunakan sistem perkakasan semata-mata meremehkan kesukaran apa yang harus dilakukan oleh pelayar," katanya. "Alangkah baiknya jika kita mendapat lebih banyak pengiktirafan dari rakan sebaya kita hanya dari sudut pandang dapat mempengaruhi bagaimana misi dirancang dan dirancang untuk dimulakan sehingga masalah navigasi dapat ditangani sebelum dilancarkan dan tidak hanya dibiarkan untuk kita tangani setelah pelancaran. Saya merasa lebih kuat daripada itu daripada pengiktirafan pencapaian saya sendiri. "
Williams mengatakan bahawa apa yang dilakukan pelayar lebih merupakan bentuk seni. "Ini tidak dapat dikurangkan untuk sekumpulan algoritma yang dapat disimpan dalam sistem penerbangan seperti daya atau penggerak, misalnya. Ini penyempurnaan berterusan. "
Dan adakah pelayar terganggu oleh waktu yang kadang-kadang panjang dan ganjil yang diperlukan oleh pekerjaan mereka? "Tidak," kata Mottinger, "Saya tidak akan menukarnya dengan apa-apa. Tidak ada yang lain seperti itu. "
