宇宙船を空中を移動することは、外洋で船を航海することや、長い国を横断する旅で車両を運転することと比較されてきました。宇宙船の航行は人類の比較的小さなサンプリングによって行われるため、類推が必要であり、その仕事には通常、これまでに行われたことがないことを行うことが含まれます。この地球上のロードマップを理解するのに苦労している私たちの人々は、これらの天体ナビゲーターが何を達成できるかに畏敬の念を抱いています。
文字通り、これはロケット科学です。
簡単に言えば、宇宙船のナビゲーションは、宇宙船がどこにあるかを決定し、希望の目的地まで航路を維持することを伴います。しかし、A点（地球）からB点（太陽系の惑星またはその他の天体）に移動するのと同じくらい簡単ではありません。これらは、空間内の固定位置ではありません。ナビゲーターは、回転する地球、回転する目標の目的地、および移動する宇宙船の正確な速度と方向を計算するという課題に対処する必要があります。
火星探査ローバー（MER）のナビゲーションチームを率いるのを手伝ったクリスポッツは、火星の特定のクレーターの中にスピリットローバーを着陸させるという目標要件と、9000マイル離れたフープを通してバスケットボールを撃つことができるという要件を比較しました。 「ボールがリムに触れずに完璧にショットを打たなければならないだけでなく、タイミングも完璧でなければならないので、ブザーが鳴るように正確にショットを打たなければなりません」と彼は言った。
ケンウィリアムズは、彗星の原始的なサンプルを地球に戻すスターダストミッションのナビゲーションチームチーフでした。ユタ州の正確な場所への再突入と着陸を成功させるために、ナビゲーションチームは、地球の大気中の特定のポイントに8度の100度以内に戻りカプセルの入口を向ける必要がありました。これは、目を打つことと比較された偉業です。部屋の向こう側にある糸で縫い針を刺します。
ナビゲーションはすべてのロボットミッションに不可欠です。ミッションの成功はナビゲーションチームのパフォーマンスにかかっていますが、通常、ナビゲーターは脚光を浴びず、記者会見のためにステージに立ちます。通常、これはミッションの科学者と設計者のために予約されています。ナビゲーターは一見、舞台裏で働いており、比較的匿名で塹壕を管理しています。
しかし、私は数人の宇宙船ナビゲーターと話をして、彼らの仕事についてさらに学び、私たちの宇宙船を向こうへと案内する人々の生来の資質を発見する機会がありました。
ニール・モッティンガーは、1967年にジェット推進研究所で働き始めて以来、数多くのミッションに参加してきました。初期の月と惑星のミッションのいくつかを支援し、現在でもナビゲーターが使用しているソフトウェアのいくつかを開発しました。
8月21日版の365 Days of AstronomyポッドキャストのMottingerへのインタビューを聞いてください。
宇宙船の航法にはいくつかの異なる専門分野があり、Mottingerの専門の1つは軌道決定です。 「軌道決定は、宇宙船がどこにあり、どこに向かっているのかを知っています」と、現在火星偵察オービター（MRO）ミッションと月へのLCROSS（月面クレーター観測およびセンシング衛星）ミッションで働いているMottingerは言いました。 「それは、宇宙船が打ち上げ直後の軌道を予測することから始まり、ディープスペースネットワーク（DSN）は、アンテナをどこに向けるべきか、そして信号を予期する周波数を知ることができます。」 DSNは、3つの場所にある非常に敏感な深宇宙通信アンテナのネットワークで構成されています。マドリッド、スペイン;オーストラリアのキャンベラ。地球の表面上で約120度離れた戦略的な配置により、地球が回転している間、宇宙船を常に観測できます。
宇宙空間にはGPSがないため、ナビゲーターはDSNから受信した放射追跡データを処理して、宇宙船の位置と速度を決定します。また、光学データを使用して、宇宙船が星の背景の写真を撮り、宇宙船の軌道を改善します。
何年もの間、Mottingerは100以上の宇宙船の打ち上げのためのナビゲーションサポートを提供するグループと協力していました。 「打ち上げ直後に次のミッションに移ったため、どのミッションにも夢中になりませんでした」とMottinger氏は語った。しかし、現在はミッションに長く滞在しており、MROミッションに3年間参加しています。 Mottingerは、この使命が戻ってきた科学データに興奮しています。 「私たちは、宇宙船がどこに行くのかを正確に予測する必要があります。その後、エンジニアは、科学者が観測を行えるように宇宙船の向きを決める方法を知っています」と彼は言った。 「私たちが私たちの仕事をした場合、科学者は火星の地すべりを見たり、惑星の特定の領域を見ることができます。私たちの予測が間違っている場合、カメラは間違った方向に向けられています。ナビゲーションは、ミッションの成功を保証するプロセス全体に不可欠です。」
モッティンガー氏は、通常、ナビゲーターを科学者とは考えず、科学者が結果を得るための目的を達成するための手段としてのみ考えていると語った。ただし、科学的な副産物が航海に由来する場合もあります。最も有名な例は、航海士のリンダ・モラビトが光学航法画像を見て、木星の月イオに火山を発見したときのボイジャーミッションに関するものでした。月面探査機のミッションで、ナビゲーターは、軌道上で宇宙船を加速させている月面の下に大量の質量（現在はマスコンと呼ばれる）が集中していることに気付きました。
さらに、ナビゲーションで使用される科学は、長年にわたって劇的に改善されました。 「私が最初に始めたときに私たちが理解していなかったものと、私たちが現在知っていることを比較すると、それは圧倒的です」とモッティンガー氏は語った。たとえば、ナビゲーターは太陽圧力の非常に正確なモデルを作成できます。太陽光の粒子が宇宙船に押し付けられ、軌道を変える方法です。これには、宇宙船のさまざまな表面からの太陽光の反射だけでなく、吸収されたエネルギーの再放射も含まれます。太陽電池パネルによってそして裏側から放射しました。
さらに、天体の位置を取得するためにナビゲーターが使用する表天体暦も、長年にわたって精度が向上しています。 「悪魔は詳細にあります」とモッティンガーは言いました。 「ナビゲーションは非常に正確なゲームになりつつあります。」
JPLで働く多くの人と同じように、Mottingerは学校やコミュニティグループと話し、興奮と宇宙探査の最近の発見を共有することを楽しんでいます。 「私たちがしていることに人々を興奮させるために、私たちのメッセージを伝えることが重要です」と彼は言った。 「そして、国民は法案を支払っているので、興奮する権利があります。」
数年前、モッティンガーは故郷のイリノイ州オスウィーゴに戻り、ナビゲーターとしての仕事について生徒たちに話しました。教室に座っていたのは若いクリス・ポッツでした。彼は、宇宙船の航行が彼が追求したいキャリアであると判断しました。 1984年からJPLに在籍しているポッツは、MERの副ナビゲーションチームチーフで、現在は2つの小惑星、セレスとベスタの軌道に乗る途中のドーンミッションと協力しています。
ポッツの専門は飛行経路制御です。これには、推進システムを発射して、宇宙船の速度または軌道を変更することが含まれます。これは、軌道補正操作（TCM）と呼ばれます。 「これには、宇宙船の制御機能を理解し、制限を決定することが含まれます」とポッツ氏は述べています。 「推進システムをいつ発射するか、頻度と各操縦の目的を決定します。また、配達要件を評価して、たとえば火星のクレーター内に着陸できるようにし、途中のリスクを最小限に抑える必要があります。」
設計の側面は、ポッツの仕事のお気に入りの部分です。 「すべての要素をまとめる戦略を立てようとしている」と彼は言った。 「ミッションサイエンティストと話し、彼らの要件が何であるかを理解してから、宇宙船が何ができるかを理解する必要があります。古い車を持っていて、長い間車を運転してきた人のようで、その車を最大限に活用する方法を知っています。宇宙船がうまく機能していることを利用し、その限界を回避することで、宇宙船をまとめて機能させる戦略の設計に役立ちます。」
Pottsの作業の多くは、シミュレーションとテストに関係しています。 「私たちは宇宙船の動作を確認し、状況に応じて宇宙船を改善するためのさまざまな戦略を試します」と彼は言った。 「ナビゲーションセクションには、私たちが使用できるソフトウェアの「ツールボックス」全体があります。」
ドーン宇宙船はイオンエンジンを使用しており、ポッツが低推力推進システムで作業したのはこれが初めてです。 「それはまったく異なる任務だ」と彼は言った。 「推力は非常に効率的であるため、懸念は他のミッションと少し異なります。心配することの1つは、必要な修正を行うための十分な時間がないことです。推力は低いですが、時間の経過とともにかなりの速度の変化が生じ、イオンエンジンが正しい方向に発射するように、常に軌道とコマンドを変更します。途中で何らかの種類の宇宙船の故障やしゃっくりがある場合は、スクランブルをかけなければならず、将来のいくつかのイベントを移動する必要があるかもしれません。」ドーンは2011年にベスタに到着します。
ポッツは、JPLのさまざまなミッションすべての興奮の一翼を担っています。 「私はここで非常にインテリジェントで才能のある人々と一緒に働くことを本当に楽しんでいます、そしてあなたは彼らがしている仕事への情熱を間違いなく感じることができます」と彼は言った。 「それは時として怖いこともありますが、誰もが自分の才能を持っていることに気づき、誰もがここで最善を尽くすためにあなたを駆り立てます。さまざまな興味深い作業を行うことができますが、それは非常に困難です。同じ2日はありません。」
ポッツ氏によると、彼の仕事の成果の1つは、彼の研究の成果が科学的発見で明らかになったことです。 「スターダストのサンプルが返ってきたので、ユタ州で予定されていた場所にカプセルが着陸するのを見るのは非常にやりがいのあることでした」と彼は言った。 「そして、科学者がそのデータを手に入れ、調査を開始するのを見ると、彼らがいかにして彼らの生涯の野望に取り組もうとすることにわくわくして興奮しているのかを感じます。」
最近、スターダストの科学者は、宇宙船が地球に戻ったサンプルから、生命のビルディングブロックの1つであるアミノ酸を見つけることを発表しました。
ポッツとモッティンガーはどちらもケンウィリアムズの指揮のもと、スターダストの任務に取り組みました。ウィリアムズはJPLで数年間働いていましたが、現在は航空宇宙技術とソフトウェア開発を専門とする民間のエンジニアリング会社であるKinetXに雇用されています。現在、KinetXは、冥王星へのニューホライズンミッション、および水星へのMESSENGER（水星表面空間環境地球化学および測距）ミッションのナビゲーションサポートを提供しており、ウィリアムズはMESSENGERのナビゲーションチームチーフです。モッティンガーやポッツとは異なり、ウィリアムズは宇宙ミッションに常に関与しているわけではなく、航海における彼のキャリアは物理学のバックグラウンドから発展しました。ジョンズホプキンス大学の応用物理学研究所で働いた後、1994年にJPLで働きました。
ナビゲーターであるウィリアムズのお気に入りの部分は、興味深い技術的な問題を見つけて解決することです。 「それが私の興味を引くものです」と彼は言った。 「メッセンジャーには確かにそれらがたくさんあります。私たちは地球を1回、金星を2回、水星を2回飛行しました。 4回目の遭遇でようやく軌道に乗る前に、もう一度水星を飛行する必要があります。これらすべてのことをうまく実行する軌道を見つけることは、非常に興味深い技術的な問題であり、関与できてとてもうれしく思います。また、コンポーネントが熱くなりすぎないように、宇宙船を太陽から遠ざけるなど、あらゆる種類の制約も考慮する必要があります。」
ウィリアムズは、ナビゲーションチームチーフとして、軌道決定、飛行経路制御、光学ナビゲーションのすべての副分野を調整し、ミッション科学者が惑星や彗星に遭遇したときの観測に関するニーズに応えます。
ウィリアムズも、重要な宇宙ミッションでの行動の濃厚さにいることの興奮を楽しんでいます。 「私はそれが戦い、バスケットボール、またはフットボールの試合にいるようなものだと思います」と彼は言った。 「あなたは、出来事が展開するのを見て、異常や驚きに対応することに興奮を感じます。そしてすべてが完了すると、あなたは途方もない満足感を得ます。」
スターダストの地球への帰還に関する彼の経験は、ハイライトとして際立っています。 「すべての努力を調整し、宇宙船を首尾よく降ろしたことは、JPLにいた間ずっと、おそらく最もやりがいのある経験でした」と彼は言った。 「私が取り組んできたほぼすべてのミッションで、宇宙船を適切な場所に適切なタイミングで配置することについて陶酔感を覚えるときがありました。それは良い感じです。」
JPLを去るのは難しい決断でしたが、ウィリアムズは民間企業での経験を楽しんでいます。 「JPLに留まり、経験上、彼らが「グレービアード」と呼ぶのは簡単だったでしょうが、スターダストの後で、ナビゲーションチームをリードし、技術分野で成長するという課題が好きでした」と彼は言った。 「私は小さな会社の小さなチームでそれを行うより良い機会があると思いました、そしてそれを達成するためにKinetXが良い場所だと思いました。」
「灰色のひげ」の正反対はナビゲーターのエミリー・ギストです。彼女はJPLに4年間在籍しており、土星のカッシーニミッションの航海チームの一員です。ポッツのように、彼女は飛行経路制御で働いて、軌道の計画と宇宙船の将来の位置の推定を支援し、ミッションの目的を達成するために必要な修正を制御します。
彼女は探検を促進するのを手伝っていることを知って、彼女は大きな満足感を得ます。 「土星のシステムは、ほとんどの人が想像したよりも美しく、以前に知られているものよりも多様です」と彼女は言った。 「カッシーニが提供した情報は私たち全員を啓蒙しました。具体的には、JPLで毎日学び、カッシーニミッションに取り組んでいることが大好きです。」
ナビゲーターの「次世代」の一部として、GistはJPLが提供する困難な環境を楽しんでいます。 「カッシーニで運用準備テストを実施し、運用環境で宇宙船の故障や障害にどのように対応するかをチームがテストしました」と彼女は言いました。 「上級エンジニアは関与していなかったので、新しい世代は自分でそれを理解する必要があり、私たちは素晴らしい仕事をしました。それは私が一緒に働くすべての人々を誇りに思いました。彼らは本当に才能のある人です。」
Gist氏は、ナビゲーターとしての仕事でジェンダーが問題になることは一度もないと語った。 「JPLには非常に多様なスタッフがおり、女性ナビゲーターはそれほど多くありませんが、私たちが違った扱いを受けているわけではありません」と彼女は言った。 「私はかなり偏見がありますが、私たちが量的に不足しているものは質で補っていると思います。私は何人かのすばらしい女性と働きます。」
「また、性別を問わず、やりたいことを見つけて、自分の能力を最大限に発揮できる時代や社会に生きることができて幸運です。私はエンジニアであることを愛し、若い女性に伝えようとしていることは、たとえそれが数学や科学であっても、女性的な仕事ではないことを恐れずに、好きなものを好きにできるということです。」
すべてのナビゲーターが答えるのが最も難しい質問は、彼らが仕事の中で最も好きではない部分を持っているかどうかでした。彼らはどんな仕事でもいつもの問題を挙げました：十分な時間とあまりにも多くの書類。そして、ストレスは仕事に付随します。 「締め切り、特にJPLで働くことは非常に現実的です」とPottsは言いました。 「ミッションでの重要なイベントの準備ができていない場合、通常、2回目のチャンスはありません。仕事を適切に遂行するためには多くのことが必要です。」
しかし、すべてのナビゲーターは彼らの仕事におけるチームの側面の重要性を強調しました。 「あなたはチームの本質的な品質を求めています」とMottingerは言いました。 「私はプロジェクトマネージャーがいて、チームはお互いのミスをキャッチし、全体は部分の合計よりも大きいと言っていました。すべては友情の精神で行われ、愚かな質問のようなものはありません。」
しかし、個々の脚光を求めることは、ナビゲーターの構成のようには見えません。
「私は面接をするよりも裏方で仕事をするほうが楽です」とポッツ氏は語った。 「私が自分の仕事を終え、ミッションの成功に貢献したことがわかったとき、それで十分です。」
「私は自分の仕事が舞台裏にいるので元気です」とGistは付け加えました。 「しかし、私の前や周りのエンジニアがやった仕事を考えると、もっと認識されるべきだと感じることがあります。」
ウィリアムズ氏は、一般的に、航海の分野自体がもっと認知されるべきだと感じている。 「科学者や純粋にハードウェアシステムを使用する人々は、ナビゲーターがしなければならないことの難しさを過小評価していると思います」と彼は言った。 「ミッションがどのように計画され、最初から設計されているかに影響を与えることができるという観点からだけで仲間からより多くの認識を得て、打ち上げの前にナビゲーションの問題に対処でき、後で対処するだけに留まらないのは良いことです。打ち上げ。自分の業績を認めたことよりも、私はそれについてより強く感じています。」
ウィリアムズ氏は、ナビゲーターが行うことはより芸術的な形態であると述べた。 「たとえば、動力や推進力などの飛行システムに搭載して保存できる一連のアルゴリズムに還元することはできません。常に洗練されています。」
そして、ナビゲーターは仕事が必要とする時々長く奇妙な時間に悩まされていますか？ 「いいえ」とMottinger氏は言いました。こんなものは他にありません。」
