La navigazione di un veicolo spaziale attraverso i cieli è stata paragonata alla navigazione di una nave in mare aperto o alla guida di un veicolo in un lungo viaggio di fondo. Sono necessarie analogie, poiché la navigazione di veicoli spaziali viene eseguita da un campionamento relativamente piccolo della razza umana, e il lavoro di solito prevede di fare cose che non sono mai state fatte prima. Quelli di noi che hanno difficoltà a dare un senso a una road map qui sulla Terra sono sbalorditi da ciò che questi navigatori celesti possono realizzare.
Letteralmente, questa è scienza missilistica.
In termini più semplici, la navigazione del veicolo spaziale comporta la determinazione della posizione del veicolo spaziale e la sua rotta verso la destinazione desiderata. Ma non è facile come passare dal punto A (Terra) al punto B (un pianeta o altro corpo nel nostro sistema solare.) Queste non sono posizioni fisse nello spazio. I navigatori devono affrontare le sfide del calcolo delle velocità e degli orientamenti esatti di una Terra rotante, di una destinazione bersaglio rotante e di un veicolo spaziale mobile, mentre tutti viaggiano simultaneamente nelle proprie orbite attorno al Sole.
Chris Potts, che ha aiutato a guidare le squadre di navigazione per Mars Exploration Rovers (MER), ha confrontato i requisiti target di atterraggio del rover Spirit all'interno di un cratere specifico su Marte con la possibilità di sparare a basket attraverso un cerchio a 9000 miglia di distanza. "Non solo devi effettuare il tiro perfettamente senza che la palla tocchi il bordo, ma i tempi devono essere perfetti, quindi fai il tiro esattamente come suona il cicalino", ha detto.
Ken Williams era il capo del gruppo di navigazione per il ritorno della missione Stardust di campioni incontaminati di una cometa sulla Terra. Per un rientro e un atterraggio riusciti in una posizione precisa nello Utah, il team di navigazione ha dovuto indirizzare l'ingresso della capsula di ritorno in un punto specifico dell'atmosfera terrestre entro otto centesimi di grado, un'impresa che è stata paragonata a colpire l'occhio di un ago da cucito con un filo da una stanza.
La navigazione è essenziale per ogni missione robotica e mentre il successo della missione dipende dalle prestazioni del team di navigazione, i navigatori di solito non si trovano alla ribalta, seduti sul palco per una conferenza stampa. In genere è riservato agli scienziati e ai progettisti della missione. I navigatori, a quanto pare, lavorano dietro le quinte, presidiando le trincee in relativo anonimato.
Ma ho avuto l'opportunità di parlare con alcuni navigatori di veicoli spaziali, apprendere di più sul loro lavoro e scoprire le qualità innate di coloro che guidano il nostro veicolo spaziale verso luoghi oltre.
Neil Mottinger ha fatto parte di numerose missioni da quando ha iniziato a lavorare presso il Jet Propulsion Laboratory nel 1967. Ha collaborato con alcune delle prime missioni lunari e planetarie e ha sviluppato alcuni dei software che i navigatori utilizzano ancora oggi.
Ascolta la mia intervista con Mottinger sull'edizione del 21 agosto del podcast 365 Days of Astronomy.
Esistono diverse sotto-discipline per la navigazione di veicoli spaziali e una delle specialità di Mottinger è la determinazione dell'orbita. "La determinazione dell'orbita è sapere dove si trova il veicolo spaziale e dove sta andando", ha detto Mottinger, che attualmente lavora con la missione Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) e l'imminente missione LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) sulla luna. "Inizia con la previsione della traiettoria in cui il veicolo spaziale sarà immediatamente dopo il lancio in modo che la Deep Space Network (DSN) sappia dove puntare la propria antenna e su quale frequenza aspettarsi il segnale." Il DSN è costituito da una rete di antenne di comunicazione nello spazio profondo estremamente sensibili in tre posizioni: Goldstone, California; Madrid, Spagna; e Canberra, in Australia. La posizione strategica a circa 120 gradi di distanza sulla superficie terrestre consente l'osservazione costante di veicoli spaziali mentre la Terra ruota.
Poiché non esiste alcun GPS nello spazio, i navigatori elaborano i dati di tracciamento radiometrico ricevuti dal DSN per determinare la posizione e la velocità del veicolo spaziale. Usano anche dati ottici, in cui il veicolo spaziale scatta una foto dello sfondo a stella per affinare la traiettoria del veicolo spaziale.
Per molti anni, Mottinger ha lavorato con un gruppo che ha fornito supporto alla navigazione per il lancio di oltre 100 veicoli spaziali. "Non mi sono mai affezionato a nessuna missione dal momento che dopo un lancio ci siamo spostati nella missione successiva", ha detto Mottinger. Ma ora rimane con le missioni più a lungo ed è stato con la missione MRO per la parte migliore di tre anni. Mottinger è elettrizzato dai dati scientifici che questa missione ha restituito. “Dobbiamo fornire previsioni accurate su dove si troverà la navicella spaziale. Quindi gli ingegneri sanno come orientare i veicoli spaziali in modo che gli scienziati possano fare le loro osservazioni ", ha detto. “Se facciamo il nostro lavoro, gli scienziati possono vedere una frana su Marte o guardare aree specifiche del pianeta. Se le nostre previsioni sono sbagliate, le telecamere sono puntate nella direzione sbagliata. La navigazione è parte integrante dell'intero processo per garantire il successo della missione. "
Mottinger ha affermato che in genere non si pensa ai navigatori come a scienziati, ma solo come un mezzo per raggiungere gli scienziati per ottenere risultati. Tuttavia, a volte i sottoprodotti scientifici provengono dalla navigazione. L'istanza più famosa ha coinvolto la missione Voyager quando la navigatrice Linda Morabito ha scoperto un vulcano sulla luna di Giove Io guardando le immagini di navigazione ottica. Nelle missioni Lunar Orbiter, i navigatori hanno capito che c'erano grandi concentrazioni di massa, (ora chiamate masconi) sotto la superficie della luna che stavano accelerando l'astronave in orbita.
Inoltre, la scienza utilizzata nella navigazione è notevolmente migliorata nel corso degli anni. "Quando guardi i tipi di cose che non capivamo quando ho iniziato per la prima volta rispetto a ciò che sappiamo ora, è travolgente", ha detto Mottinger. Ad esempio, i navigatori possono ora creare modelli molto precisi di pressione solare - in che modo le particelle di luce solare spingono contro un veicolo spaziale e alterano la sua traiettoria - che include non solo il modo in cui la luce solare viene riflessa da diverse superfici del veicolo spaziale, ma anche la radiazione di energia assorbita dai pannelli solari e irradiato dalla parte posteriore.
Inoltre, le effemeridi, utilizzate dai navigatori delle tabelle per ottenere le posizioni degli oggetti astronomici, hanno migliorato la precisione nel corso degli anni. "Il diavolo è nei dettagli", ha detto Mottinger. "La navigazione sta diventando un gioco incredibilmente preciso."
Come molti che lavorano in JPL, Mottinger ama parlare con scuole o gruppi di comunità per condividere l'entusiasmo e le recenti scoperte dell'esplorazione dello spazio. "È importante essere là fuori a dire il nostro messaggio per entusiasmare le persone su ciò che stiamo facendo", ha detto. "E il pubblico ha il diritto di essere eccitato, perché stanno pagando il conto".
Diversi anni fa Mottinger è tornato nella sua città natale di Oswego, Illinois, per parlare agli studenti del suo lavoro di navigatore. Seduto in classe c'era un giovane Chris Potts, che decise che la navigazione spaziale era la carriera che voleva perseguire. Potts, che è stato alla JPL dal 1984, era il vice capo del team di navigazione per MER e ora lavora con la missione Dawn che è in viaggio per orbitare due asteroidi, Cerere e Vesta.
La specialità di Potts è il controllo della traiettoria di volo. Ciò comporta l'attivazione del sistema di propulsione per alterare la velocità o la traiettoria del veicolo spaziale, nota come Trajectory Correction Maneuvers (TCM). "Ciò include la comprensione delle capacità di controllo del veicolo spaziale e la determinazione di eventuali limiti", ha detto Potts. "Determini quando sparerai il sistema di propulsione, con quale frequenza e l'obiettivo di ogni manovra. Devi anche valutare i requisiti di consegna, per assicurarti di poter atterrare all'interno di un cratere su Marte, per esempio, e minimizzare i rischi lungo la strada. "
L'aspetto del design è la parte preferita del lavoro di Potts. "Cerchi di sviluppare una strategia che metta insieme tutti i pezzi", ha detto. “Devi parlare con gli scienziati della missione e capire quali sono i loro requisiti, quindi sapere cosa può fare l'astronave. È come se le persone avessero una macchina vecchia e ci stessero da così tanto tempo, sanno come ottenere il massimo da quel veicolo. Sfruttare ciò che la navicella spaziale fa bene e aggirare i suoi limiti alimenta la progettazione di una strategia che mette tutto insieme per farlo funzionare. "
Gran parte del lavoro di Potts prevede simulazioni e test. "Vediamo come si comporta il veicolo spaziale e proviamo diverse strategie per migliorarlo per la nostra situazione", ha detto. "La sezione di navigazione contiene un'intera" cassetta degli attrezzi "di software che siamo in grado di utilizzare."
La navicella spaziale Dawn utilizza un motore a ioni e questa è la prima volta che Potts lavora con un sistema di propulsione a bassa spinta. "È una missione piuttosto diversa", ha detto. “Le preoccupazioni sono leggermente diverse rispetto ad altre missioni perché la spinta è così efficiente. Una delle cose di cui ti preoccupi è non avere abbastanza tempo per apportare le correzioni necessarie. Sebbene la spinta sia bassa, col passare del tempo si sviluppa un notevole cambiamento di velocità e si progetta sempre traiettorie e si cambiano i comandi per assicurarsi che il motore a ioni stia funzionando nella giusta direzione. Se c'è qualche tipo di guasto o singhiozzo del veicolo spaziale lungo la strada, devi arrampicarti e potrebbe essere necessario spostare alcuni eventi futuri ". Dawn arriverà a Vesta nel 2011.
A Potts piace essere parte dell'eccitazione di tutte le diverse missioni di JPL. "Mi piace molto lavorare con alcune persone estremamente intelligenti e di talento qui e puoi sicuramente percepire la passione per il lavoro che svolgono", ha detto. "A volte può essere intimidatorio, ma ti rendi conto che ognuno ha il proprio talento da offrire e tutti ti aiutano a fare del tuo meglio qui. Dobbiamo fare una varietà di lavori interessanti ed è molto impegnativo. Non ci sono due giorni uguali. "
Uno dei vantaggi del suo lavoro, ha affermato Potts, è vedere la realizzazione del suo lavoro venire alla luce nelle scoperte scientifiche. "Con il ritorno del campione Stardust, guardare la capsula atterrare proprio dove avrebbe dovuto essere nello Utah è stato molto gratificante", ha detto. "E per vedere gli scienziati mettere le mani su quei dati e iniziare a svolgere le loro indagini, senti quanto sono elettrizzati ed entusiasti di riuscire finalmente a lavorare sulla loro ambizione per tutta la vita."
Di recente, gli scienziati di Stardust hanno annunciato di aver trovato un amminoacido, uno dei mattoni della vita, in un campione che il veicolo spaziale è tornato sulla Terra.
Potts e Mottinger lavorarono entrambi alla missione Stardust sotto la guida di Ken Williams. Williams ha lavorato in JPL per diversi anni, ma attualmente è impiegato da KinetX, una società di ingegneria privata specializzata nella tecnologia aerospaziale e nello sviluppo di software. Al momento, KinetX fornisce supporto alla navigazione per la missione New Horizons su Plutone, nonché per la missione MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) su Mercury, e Williams è il capo del team di navigazione di MESSENGER. A differenza di Mottinger e Potts, Williams non è sempre stato coinvolto in missioni spaziali e la sua carriera nella navigazione si è evoluta da un background in fisica. Ha lavorato presso l'Applied Physics Lab della Johns Hopkins University prima di venire a lavorare alla JPL nel 1994.
La parte preferita di Williams di essere un navigatore è trovare e risolvere problemi tecnici interessanti. "Questo è ciò che attira il mio interesse", ha detto. “MESSENGER ha sicuramente un certo numero di quelli. Abbiamo volato sulla Terra una volta, Venere due volte e Mercurio due volte. Dovremo volare da Mercury ancora una volta prima di andare finalmente in orbita al quarto incontro. Trovare una traiettoria che fa tutte queste cose con successo è un problema tecnico molto interessante di cui sono molto felice di essere coinvolto. Dobbiamo considerare anche tutti i tipi di vincoli, come tenere il veicolo spaziale puntato lontano dal sole in modo che i componenti non si scaldino troppo. "
Come capo del team di navigazione, Williams coordina tutte le sotto-discipline di determinazione dell'orbita, controllo della traiettoria di volo e navigazione ottica insieme alle esigenze degli scienziati di missione in termini di osservazioni quando incontrano un pianeta o una cometa.
Anche Williams gode dell'eccitazione di essere nel bel mezzo dell'azione in importanti missioni spaziali. "Suppongo che sia come essere in una battaglia, o in una partita di basket o calcio", ha detto. “Senti l'entusiasmo di vedere gli eventi svolgersi e di rispondere a eventuali anomalie o sorprese che si presentano. E quando hai finito, hai un enorme senso di soddisfazione ".
Le sue esperienze con il ritorno di Stardust sulla Terra spiccano come punto culminante. "Ottenere tutto questo sforzo coordinato e far decollare con successo l'astronave è stata probabilmente l'esperienza più gratificante in tutto il periodo in cui ero alla JPL", ha detto. "In quasi tutte le missioni su cui ho lavorato c'è stato un momento in cui hai avuto un senso di euforia riguardo al fatto che la navicella spaziale fosse nel posto giusto al momento giusto. È una bella sensazione avere. "
Sebbene lasciare JPL sia stata una decisione difficile, Williams gode delle sue esperienze in una società privata. "Sarebbe stato facile rimanere in JPL ed essere ciò che chiamano una" barba grigia "in termini di esperienza, ma dopo Stardust mi è piaciuta la sfida di guidare una squadra di navigazione e crescere nelle aree tecniche", ha detto. "Ho pensato che ci sarebbe stata un'opportunità migliore per farlo con un piccolo team in una piccola azienda, e ho pensato che KinetX fosse un buon posto per farlo."
Esattamente il contrario di una "barba grigia" è la navigatrice Emily Gist. È alla JPL da 4 anni e fa parte del team di navigazione per la missione Cassini a Saturno. Come Potts, lavora nel controllo della traiettoria di volo, aiutando a pianificare la traiettoria e stimare la posizione futura del veicolo spaziale, e a controllare le correzioni necessarie per raggiungere gli obiettivi della missione.
Prende grande soddisfazione sapendo che sta aiutando a facilitare l'esplorazione. "Il sistema saturniano è più bello di quanto molti avrebbero immaginato e più diversificato di quanto precedentemente noto", ha detto. “Le informazioni fornite da Cassini ci hanno illuminato tutti. Più in particolare, adoro quanto imparo ogni giorno alla JPL e lavorando alla missione Cassini. "
Come parte della "prossima generazione" di navigatori, Gist gode del difficile ambiente offerto da JPL. "Abbiamo effettuato un test di prontezza operativa su Cassini in cui il team è stato testato per vedere come avremmo reagito a un guasto o un guasto del veicolo spaziale in un ambiente operativo", ha affermato. "Gli ingegneri senior non erano in gioco, quindi le nuove generazioni hanno dovuto capire da soli e abbiamo fatto un lavoro eccellente. Mi ha reso orgoglioso di tutte le persone con cui lavoro. Sono persone di grande talento. "
Gist ha affermato che il genere non è mai stato un problema nel suo lavoro di navigatore. "JPL ha uno staff meravigliosamente diversificato e, sebbene non ci siano molte navigatrici di sesso femminile, non siamo trattati in modo diverso", ha detto. “Sono piuttosto parziale, ma penso che ciò che ci manca in quantità compensiamo in termini di qualità. Lavoro con alcune donne fantastiche. ”
“Inoltre, mi sento fortunato a vivere in un tempo e in una società in cui, indipendentemente dal genere, si può trovare la cosa che vogliono fare e farlo al meglio delle proprie capacità. Adoro fare l'ingegnere e quello che cerco di trasmettere alle giovani donne è che possono amare tutto ciò che vogliono, anche se sono matematica e scienza, senza paura che sia un lavoro meno femminile ".
La domanda più difficile a cui tutti i navigatori rispondevano era se avevano una parte del lavoro meno preferita. Hanno citato i soliti problemi con qualsiasi lavoro: non abbastanza tempo e troppe scartoffie. E lo stress arriva con il lavoro. "Le scadenze, in particolare lavorando presso JPL, sono molto reali", ha detto Potts. "Se non sei preparato per un evento critico nella missione, di solito non hai una seconda possibilità. C'è molto da fare per svolgere correttamente il tuo lavoro ".
Ma tutti i navigatori hanno sottolineato l'importanza dell'aspetto del team nel loro lavoro. "Cerchi la qualità intrinseca della squadra", ha dichiarato Mottinger. "Avevo un project manager che diceva che una squadra si sorprende a vicenda e il tutto è maggiore della somma delle parti. Tutto è fatto in uno spirito di cameratismo, e non esiste una domanda stupida ".
Ma cercare le luci della ribalta individuale non sembra essere nel trucco di un navigatore.
"Mi sento più a mio agio a lavorare dietro le quinte che a fare un'intervista", ha detto Potts. "Quando so di aver fatto il mio lavoro e di aver contribuito al successo della missione, questo è abbastanza per me".
"Sto bene con il mio lavoro dietro le quinte", ha aggiunto Gist. "Tuttavia, quando considero il lavoro svolto dagli ingegneri prima di me e intorno a me, a volte sento che dovrebbero ottenere un maggiore riconoscimento."
Williams ritiene, in generale, che il campo di navigazione stesso debba ottenere un maggiore riconoscimento. "Penso che scienziati e persone che fanno sistemi puramente hardware sottovalutino la difficoltà di ciò che i navigatori devono fare", ha detto. "Sarebbe bello se avessimo un maggiore riconoscimento da parte dei nostri pari solo dal punto di vista della capacità di influenzare il modo in cui le missioni sono pianificate e progettate per iniziare in modo che i problemi di navigazione possano essere affrontati prima del lancio e non solo lasciati a noi per affrontare dopo lanciare. Mi sento più fortemente riguardo a questo rispetto a qualsiasi riconoscimento dei miei risultati. "
Williams ha affermato che ciò che fanno i navigatori è più una forma d'arte. "Non è riducibile a una serie di algoritmi che possono essere memorizzati a bordo di un sistema di volo come la potenza o la propulsione, ad esempio. È una raffinazione costante ".
E i navigatori sono infastiditi dalle ore a volte lunghe e strane che il loro lavoro richiede? "No", disse Mottinger, "non lo scambierei con nulla. Non c'è nient'altro di simile. "
