Naviguer dans un vaisseau spatial à travers les cieux a été comparé à naviguer sur un navire en haute mer ou à conduire un véhicule lors d'un long voyage à travers le pays. Des analogies sont nécessaires, car la navigation dans un vaisseau spatial est effectuée par un échantillonnage relativement restreint de la race humaine, et le travail implique généralement de faire des choses qui n'ont jamais été faites auparavant. Ceux d'entre nous qui ont du mal à comprendre une feuille de route ici sur Terre sont impressionnés par ce que ces navigateurs célestes peuvent accomplir.
Littéralement, c'est la science des fusées.
En termes plus simples, la navigation par vaisseau spatial implique de déterminer où se trouve le vaisseau spatial et de le maintenir sur la bonne voie jusqu'à la destination souhaitée. Mais ce n'est pas aussi facile que de se rendre du point A (Terre) au point B (une planète ou un autre corps de notre système solaire). Ce ne sont pas des positions fixes dans l'espace. Les navigateurs doivent relever les défis du calcul des vitesses et orientations exactes d'une Terre en rotation, d'une destination cible en rotation, ainsi que d'un vaisseau spatial en mouvement, alors que tous voyagent simultanément sur leurs propres orbites autour du Soleil.
Chris Potts, qui a aidé à diriger les équipes de navigation pour les Mars Exploration Rovers (MER), a comparé les exigences cibles de l'atterrissage du Spirit rover à l'intérieur d'un cratère spécifique sur Mars à la possibilité de tirer un ballon de basket à travers un cerceau à 9000 miles de distance. "Non seulement vous devez effectuer le tir parfaitement sans que le ballon touche la jante, mais le timing doit être parfait, donc vous effectuez le tir exactement comme le signal sonore", a-t-il déclaré.
Ken Williams était le chef de l'équipe de navigation pour le retour par la mission Stardust d'échantillons vierges d'une comète sur Terre. Pour une rentrée et un atterrissage réussis à un endroit précis de l'Utah, l'équipe de navigation devait cibler l'entrée de la capsule de retour à un point spécifique de l'atmosphère terrestre à moins de huit centièmes de degré, un exploit qui a été comparé à frapper l'œil d'une aiguille à coudre avec un morceau de fil de l'autre côté d'une pièce.
La navigation est essentielle à chaque mission robotique, et tandis que le succès de la mission dépend de la performance de l'équipe de navigation, les navigateurs ne sont généralement pas sous les projecteurs, assis sur scène pour une conférence de presse. Généralement, cela est réservé aux scientifiques et aux concepteurs de la mission. Les navigateurs, apparemment, travaillent dans les coulisses, occupant les tranchées dans un relatif anonymat.
Mais j'ai eu l'occasion de parler à quelques navigateurs d'engins spatiaux, d'en apprendre davantage sur leur travail et de découvrir les qualités innées de ceux qui guident notre vaisseau spatial vers des endroits au-delà.
Neil Mottinger a fait partie de nombreuses missions depuis qu'il a commencé à travailler au Jet Propulsion Laboratory en 1967. Il a aidé à certaines des premières missions lunaires et planétaires, et a développé certains des logiciels que les navigateurs utilisent encore aujourd'hui.
Écoutez mon entrevue avec Mottinger sur l'édition du 21 août du podcast 365 Days of Astronomy.
Il existe plusieurs sous-disciplines différentes pour la navigation spatiale, et l'une des spécialités de Mottinger est la détermination de l'orbite. "La détermination de l'orbite, c'est savoir où se trouve le vaisseau spatial et où il va", a déclaré Mottinger, qui travaille actuellement avec la mission Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et la prochaine mission LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) sur la Lune. «Cela commence par prédire la trajectoire où le vaisseau spatial sera immédiatement après le lancement afin que le Deep Space Network (DSN) sache où diriger son antenne et sur quelle fréquence attendre le signal.» Le DSN se compose d'un réseau d'antennes de communication dans l'espace lointain extrêmement sensibles sur trois sites: Goldstone, Californie; Madrid, Espagne; et Canberra, Australie. Le placement stratégique à environ 120 degrés les uns des autres sur la surface de la Terre permet une observation constante des vaisseaux spatiaux lorsque la Terre tourne.
Comme il n'y a pas de GPS dans l'espace, les navigateurs traitent les données de suivi radiométrique reçues du DSN pour déterminer la position et la vitesse du vaisseau spatial. Ils utilisent également des données optiques, où le vaisseau spatial prend une photo du fond de l’étoile pour aider à affiner la trajectoire du vaisseau spatial.
Pendant de nombreuses années, Mottinger a travaillé avec un groupe qui a fourni un soutien à la navigation pour le lancement de plus de 100 vaisseaux spatiaux. «Je ne me suis jamais attaché à une mission, car juste après un lancement, nous sommes passés à la prochaine mission», a déclaré Mottinger. Mais maintenant, il reste avec des missions plus longtemps et a été avec la mission MRO pendant la plus grande partie de trois ans. Mottinger est ravi des données scientifiques que cette mission a rendu. «Nous devons fournir des prévisions précises de l'emplacement du vaisseau spatial. Ensuite, les ingénieurs savent comment orienter les engins spatiaux afin que les scientifiques puissent faire leurs observations », a-t-il déclaré. «Si nous faisons notre travail, les scientifiques peuvent voir un glissement de terrain sur Mars ou regarder des zones spécifiques de la planète. Si nos prévisions sont fausses, les caméras sont dirigées dans la mauvaise direction. La navigation fait partie intégrante de tout le processus de réussite de la mission. »
Mottinger a déclaré que, généralement, on ne considère pas les navigateurs comme des scientifiques, mais uniquement comme un moyen de parvenir à des résultats pour les scientifiques. Cependant, les sous-produits scientifiques proviennent parfois de la navigation. L'instance la plus célèbre a concerné la mission Voyager lorsque la navigatrice Linda Morabito a découvert un volcan sur la lune Io de Jupiter en regardant des images de navigation optique. Dans les missions Lunar Orbiter, les navigateurs ont réalisé qu'il y avait de grandes concentrations de masse (maintenant appelées mascons) sous la surface de la lune qui accéléraient des vaisseaux spatiaux en orbite.
De plus, la science utilisée en navigation s'est considérablement améliorée au fil des ans. "Quand vous regardez les types de choses que nous ne comprenions pas quand j'ai commencé par rapport à ce que nous savons maintenant, c'est écrasant", a déclaré Mottinger. Par exemple, les navigateurs peuvent désormais créer des modèles très précis de la pression solaire - comment les particules de lumière solaire poussent contre un vaisseau spatial et modifient sa trajectoire - qui inclut non seulement la façon dont la lumière solaire est réfléchie par différentes surfaces du vaisseau spatial, mais aussi le re-rayonnement de l'énergie absorbée par les panneaux solaires et rayonné à l'arrière.
De plus, les éphémérides, les tables utilisées par les navigateurs pour obtenir les positions des objets astronomiques, ont également amélioré leur précision au fil des ans. "Le diable est dans les détails", a déclaré Mottinger. "La navigation devient un jeu incroyablement précis."
Comme beaucoup de ceux qui travaillent au JPL, Mottinger aime parler aux écoles ou aux groupes communautaires pour partager l'excitation et les découvertes récentes de l'exploration spatiale. «Il est important d’être là-bas pour dire notre message afin d’enthousiasmer les gens sur ce que nous faisons», a-t-il déclaré. "Et le public a le droit d'être excité, car il paie la facture."
Il y a plusieurs années, Mottinger est retourné dans sa ville natale d'Oswego, dans l'Illinois, pour parler aux étudiants de son travail de navigateur. Assis dans la salle de classe était un jeune Chris Potts, qui a décidé que la navigation dans un vaisseau spatial était la carrière qu'il voulait poursuivre. Potts, qui est au JPL depuis 1984, était chef adjoint de l'équipe de navigation pour MER et travaille maintenant avec la mission Dawn qui est en route pour orbiter deux astéroïdes, Ceres et Vesta.
La spécialité de Potts est le contrôle de la trajectoire de vol. Cela implique de tirer le système de propulsion pour modifier la vitesse ou la trajectoire du vaisseau spatial, connu sous le nom de manoeuvres de correction de trajectoire (TCM). "Cela comprend la compréhension des capacités de contrôle de l'engin spatial et la détermination de toute limitation", a déclaré Potts. "Vous déterminez quand vous allez tirer sur le système de propulsion, à quelle fréquence et l'objectif de chaque manœuvre. Vous devez également évaluer les exigences de livraison, pour vous assurer que vous pouvez atterrir dans un cratère sur Mars, par exemple, et minimiser les risques en cours de route. »
L’aspect design est la partie préférée du travail de Potts. "Vous essayez de développer une stratégie qui rassemble toutes les pièces", a-t-il déclaré. «Vous devez parler avec les scientifiques de la mission et comprendre quelles sont leurs exigences, puis savoir ce que le vaisseau spatial peut faire. C’est comme les gens qui ont une vieille voiture et qui la côtoient depuis si longtemps qu’ils savent comment tirer le meilleur parti de ce véhicule. Profiter de ce que le vaisseau spatial fait bien et contourner ses limites alimente la conception d'une stratégie qui rassemble tout pour le faire fonctionner. »
Une grande partie du travail de Potts implique des simulations et des tests. "Nous voyons comment le vaisseau spatial se comporte et essayons différentes stratégies pour l'améliorer dans notre situation", a-t-il déclaré. "La section de navigation contient toute une" boîte à outils "de logiciels que nous pouvons utiliser."
Le vaisseau spatial Dawn utilise un moteur ionique, et c'est la première fois que Potts travaille avec un système de propulsion à faible poussée. "C'est une mission assez différente", a-t-il déclaré. «Les préoccupations sont un peu différentes des autres missions car la poussée est tellement efficace. L'une des choses dont vous vous inquiétez est de ne pas avoir suffisamment de temps pour apporter les corrections nécessaires. Bien que la poussée soit faible, au fil du temps, elle crée un changement de vitesse assez important et vous concevez toujours des trajectoires et des commandes changeantes pour vous assurer que le moteur ionique tire dans la bonne direction. S'il y a une sorte de panne ou de hoquet de vaisseau spatial en cours de route, vous devez vous précipiter et certains événements futurs devront peut-être être déplacés. " Dawn arrivera à Vesta en 2011.
Potts aime faire partie de l'excitation de toutes les différentes missions au JPL. «J'aime vraiment travailler avec des gens extrêmement intelligents et talentueux ici et vous pouvez certainement ressentir la passion pour le travail qu'ils font», a-t-il déclaré. «Parfois, cela peut être intimidant, mais vous vous rendez compte que chacun a son propre talent à offrir, et tout le monde vous aide à faire de votre mieux ici. Nous pouvons faire une variété de travaux intéressants, et c'est très difficile. Il n'y a pas deux jours pareils. »
L'une des récompenses de son travail, a déclaré Potts, est de voir le fruit de son travail se révéler dans les découvertes scientifiques. "Avec le retour de l'échantillon Stardust, regarder la capsule atterrir là où elle était supposée être dans l'Utah était très gratifiant", a-t-il déclaré. "Et pour voir les scientifiques mettre la main sur ces données et commencer à effectuer leurs investigations, vous sentez à quel point ils sont ravis et enthousiastes de pouvoir enfin travailler sur leur ambition de toujours."
Récemment, des scientifiques de Stardust ont annoncé la découverte d'un acide aminé, l'un des éléments constitutifs de la vie, dans un échantillon du vaisseau spatial retourné sur Terre.
Potts et Mottinger ont tous deux travaillé sur la mission Stardust sous la direction de Ken Williams. Williams a travaillé chez JPL pendant plusieurs années, mais est actuellement employé par KinetX, une société d'ingénierie privée spécialisée dans la technologie aérospatiale et le développement de logiciels. À l'heure actuelle, KinetX fournit un soutien à la navigation pour la mission New Horizons à Pluton, ainsi que la mission MESSENGER (Mercury Surface Space Environment Geochemistry and Ranging) à Mercury, et Williams est le chef de l'équipe de navigation de MESSENGER. Contrairement à Mottinger et Potts, Williams n'a pas toujours été impliqué dans des missions spatiales et sa carrière en navigation a évolué à partir d'une formation en physique. Il a travaillé au laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins avant de venir travailler au JPL en 1994.
La partie préférée de Williams en tant que navigateur est de trouver et de résoudre des problèmes techniques intéressants. "C'est ce qui m'intéresse", a-t-il déclaré. «MESSENGER en a certainement un certain nombre. Nous avons survolé la Terre une fois, Vénus deux fois et Mercure deux fois. Nous devrons survoler Mercury une fois de plus avant de finalement entrer en orbite lors de la quatrième rencontre. Trouver une trajectoire qui réussit toutes ces choses est un problème technique très intéressant avec lequel je suis très heureux d'être impliqué. Nous devons également tenir compte de toutes sortes de contraintes, telles que garder le vaisseau spatial pointé loin du soleil afin que les composants ne chauffent pas trop. »
En tant que chef de l'équipe de navigation, Williams coordonne toutes les sous-disciplines de la détermination de l'orbite, du contrôle de la trajectoire de vol et de la navigation optique ainsi que les besoins des scientifiques de mission en termes d'observations lorsqu'ils rencontrent une planète ou une comète.
Williams, aussi, jouit de l'exaltation d'être au cœur de l'action dans d'importantes missions spatiales. "Je suppose que c'est comme être dans une bataille, ou dans un match de basket ou de football", a-t-il dit. «Vous ressentez l'excitation de voir les événements se dérouler et de réagir aux anomalies ou aux surprises qui surviennent. Et quand tout est terminé, vous ressentez un immense sentiment de satisfaction. »
Ses expériences avec le retour de Stardust sur Terre se distinguent comme un moment fort. "Obtenir tous ces efforts coordonnés et faire descendre le vaisseau spatial avec succès a probablement été l'expérience la plus gratifiante de tout le temps où j'étais au JPL", a-t-il déclaré. "Sur presque toutes les missions sur lesquelles j'ai travaillé, il y a eu un moment où vous avez un sentiment d'euphorie d'avoir le vaisseau spatial au bon endroit au bon moment. C’est un bon sentiment d’avoir. "
Bien que quitter JPL ait été une décision difficile, Williams aime ses expériences dans une entreprise privée. "Il aurait été facile de rester au JPL et d'être ce qu'ils appellent une" barbe grise "en termes d'expérience, mais après Stardust, j'ai aimé le défi de diriger une équipe de navigation et de grandir dans des domaines techniques", a-t-il déclaré. «Je pensais qu'il y aurait une meilleure occasion de le faire avec une petite équipe dans une petite entreprise, et je pensais que KinetX était un bon endroit pour y parvenir.»
Tout à fait à l’opposé d’une «barbe grise», la navigatrice Emily Gist. Elle est au JPL depuis 4 ans et fait partie de l'équipe de navigation pour la mission Cassini à Saturne. Comme Potts, elle travaille au contrôle de la trajectoire de vol, aidant à planifier la trajectoire et à estimer la position future de l'engin spatial, et à contrôler les corrections nécessaires pour atteindre les objectifs de la mission.
Elle est très satisfaite de savoir qu'elle aide à faciliter l'exploration. "Le système saturnien est plus beau que la plupart des gens l'auraient imaginé et plus diversifié qu'on ne le pensait auparavant", at-elle déclaré. «Les informations fournies par Cassini nous ont tous éclairés. Plus précisément, j'aime tout ce que j'apprends chaque jour au JPL et en travaillant sur la mission Cassini. »
En tant que membre de la «prochaine génération» de navigateurs, Gist bénéficie de l'environnement difficile fourni par JPL. "Nous avons eu un test de préparation aux opérations sur Cassini où l'équipe a été testée pour voir comment nous réagirions à une défaillance ou à une panne du vaisseau spatial dans un environnement opérationnel", a-t-elle déclaré. «Les ingénieurs seniors n’étaient pas en jeu. La nouvelle génération a donc dû se débrouiller toute seule et nous avons fait un excellent travail. Cela m'a rendu fier de tous les gens avec qui je travaille. Ce sont des gens vraiment talentueux. »
Gist a déclaré que le sexe n'avait jamais été un problème dans son travail de navigateur. «Le JPL a un personnel merveilleusement diversifié et bien qu'il n'y ait pas beaucoup de navigatrices, nous ne sommes pas traitées différemment», a-t-elle déclaré. «Je suis assez biaisé, mais je pense que ce qui nous manque en quantité, nous le compensons en qualité. Je travaille avec des femmes extraordinaires. »
«De plus, je me sens chanceux de vivre à une époque et dans une société où, quel que soit le sexe, on peut trouver ce qu’ils veulent faire et le faire au mieux de leurs capacités. J'adore être ingénieure et ce que j'essaie de transmettre aux jeunes femmes, c'est qu'elles peuvent aimer tout ce qu'elles veulent, même si c'est des mathématiques et des sciences, sans craindre que ce soit un travail moins féminin. »
La question la plus difficile à répondre à tous les navigateurs était de savoir s'ils avaient une partie moins préférée du travail. Ils ont cité les problèmes habituels avec n'importe quel travail: pas assez de temps et trop de paperasse. Et le stress vient avec le travail. "Les délais, en particulier chez JPL, sont très réels", a déclaré Potts. "Si vous n'êtes pas préparé à un événement critique de la mission, vous n'avez généralement pas de deuxième chance. Il y a beaucoup à faire pour que votre travail soit fait correctement. »
Mais tous les navigateurs ont souligné l'importance de l'aspect d'équipe dans leur travail. "Vous recherchez la qualité inhérente de l'équipe", a déclaré Mottinger. «J’avais un chef de projet qui a dit qu’une équipe se rattrape et que l’ensemble est supérieur à la somme des parties. Tout est fait dans un esprit de camaraderie, et il n'y a pas de question stupide. »
Mais la recherche de projecteurs individuels ne semble tout simplement pas être faite par un navigateur.
"Je suis plus à l'aise de travailler en coulisses que de faire une interview", a déclaré Potts. "Quand je sais que j'ai fait mon travail et contribué au succès de la mission, cela me suffit."
"Je suis d'accord avec mon travail en coulisses", a ajouté Gist. «Cependant, lorsque je considère le travail accompli par les ingénieurs avant moi et autour de moi, je pense parfois qu'ils devraient obtenir plus de reconnaissance.»
Williams estime, en général, que le domaine de la navigation lui-même devrait être mieux reconnu. «Je pense que les scientifiques et les gens qui font des systèmes purement matériels sous-estiment la difficulté de ce que les navigateurs doivent faire», a-t-il déclaré. «Ce serait bien si nous obtenions plus de reconnaissance de nos pairs juste du point de vue de pouvoir influencer la façon dont les missions sont planifiées et conçues pour commencer afin que les problèmes de navigation puissent être résolus avant le lancement et non seulement laissés pour nous lancement. Je suis plus convaincu de cela que de toute reconnaissance de mes propres réalisations. »
Williams a dit que ce que font les navigateurs est plus une forme d'art. "Ce n'est pas réductible à un ensemble d'algorithmes qui peuvent être stockés à bord d'un système de vol comme la puissance ou la propulsion, par exemple. C'est un raffinement constant. "
Et les navigateurs sont-ils gênés par les heures parfois longues et étranges que leur travail nécessite? "Non", a déclaré Mottinger, "je ne l'échangerais contre rien. Il n'y a rien d'autre comme ça. "
