Ранняя жизнь и образование

Кэтрин Коулман Гобл Джонсон родилась 26 августа 1918 года в Уайт-Сулфер-Спрингс, Западная Вирджиния, небольшом городке, прикрепленном к Аппалачским горам. Ее отец Джошуа Коулман работал фермером и разнорабочим, в то время как ее мать, Джойлетт Коулман, была учителем. С того момента, как она могла говорить, Кэтрин проявляла исключительную способность к цифрам. Она позже вспоминала, что считала все, что видела — шаги, блюда, звезды — и решала арифметические проблемы задолго до того, как смогла прочитать предложение. Система государственных школ в округе Гринбриер не предлагала образование для чернокожих учеников за пределами восьмого класса. Решив дать своим детям все возможности, Джошуа и Джойлетт перевели семью на 120 миль в Институт, Западная Вирджиния, город, который был домом для Института Цвета Западной Вирджинии, уважаемой школы подготовки черных колледжей и позже Государственного колледжа Западной Вирджинии.

К 10 годам Кэтрин была готова к средней школе; к 14 годам она окончила и поступила в колледж штата Западная Вирджиния. Там она нашла наставника в докторе Уильяме В. Шиффелин Клейтор, блестящий математик, который получил докторскую степень в Университете Пенсильвании. Клейтор признал необработанный талант Кэтрин и создал специальный курс аналитической геометрии только для нее. Он сказал ей: «Вы сделаете хорошего математика-исследователя, и я собираюсь подготовить вас к этому». Она окончила в 1937 году со степенью по математике и французскому языку, в возрасте всего 18 лет. После колледжа она преподавала в Черной государственной школе в Марионе, штат Вирджиния, и вышла замуж за Джеймса Гобля. У пары было три дочери. В 1939 году Западная Вирджиния объединила свои аспирантские школы, и Кэтрин стала одной из первых трех чернокожих студентов, отобранных для участия в аспирантуре Западного Вирджинского университета по математике. Эта веха ознаменовала начало ее пожизненного путешествия по преодолению расовых и гендерных барьеров.

Разрушая барьеры в математике

После воспитания семьи и обучения с перерывами жизнь Кэтрин приняла решительный поворот в 1953 году. Член семьи рассказал ей об открытиях рабочих мест в Национальном консультативном комитете по аэронавтике (NACA) в Исследовательском центре Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния. В то время NACA активно вербовал афроамериканских математиков для своего вычислительного пула, отчасти из-за приказа военного времени, запрещающего расовую дискриминацию при найме на работу в оборону. Кэтрин подала заявку и была нанята в июне 1953 года, первоначально назначенная в подразделение West Area Computing Лэнгли Мемориальной аэронавтической лаборатории — сегрегированная группа чернокожих женщин-математиков. Подразделение возглавляла Дороти Воган, которая стала близким другом и сотрудником. Несмотря на отдельные объекты, с отдельными ванными комнатами и обеденными зонами, сама работа Кэтрин была интеллектуально требовательна к анализу данных летных испытаний и выполнению математических расчетов для исследований самолетов.

В течение нескольких недель после начала она так впечатлила своих руководителей, что была временно назначена в Отдел исследований полетов, преимущественно белая мужская команда. Ее временное назначение стало постоянным - редкое достижение для черной женщины в то время. Она позже приписывала свою способность задавать вопросы и утверждать себя как критический для ее успеха: «Я не позволила факту, что я была женщиной или что я была черной, остановить меня. Я имела право быть там». Лэнгли был скороваркой авиационных инноваций, и Кэтрин преуспела в решении реальных проблем с чистой математикой.

Присоединяйтесь к космической гонке

Когда NACA преобразовалась в НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космоса) в 1958 году, фокус сместился с аэронавтики на освоение космоса. Навыки Джонсона стали еще более ценными. Отдел исследований полетов был сложен в космическую целевую группу, новую команду, посвященную посадке людей в космос. Джонсон вычислил траекторные диаграммы и окна запуска для ранних космических аппаратов, часто дважды проверяя результаты новейших электронных компьютеров. Ее репутация точности была легендарной - инженеры не подписывались на план полета миссии, пока «Кэтрин не говорит, что цифры хороши». Она работала в быстро меняющейся среде высокого давления, где ошибки могут быть фатальными. Ее коллеги включали будущих легенд НАСА, таких как Джон Гленн и Нил Армстронг, которые уважали ее математическую строгость.

Культура Отдела исследований полетов

Инженеры из разных дисциплин — аэродинамики, движения, руководства — постоянно консультировались с ней для получения второго мнения. Она часто рассказывала, как Гленн специально просил, чтобы она «доставила девушку проверить цифры» перед его историческим орбитальным полетом, потому что он доверял ее ручным расчетам над новыми компьютерами IBM 7090. Это доверие, родившееся из десятилетия безупречной работы, выделило ее даже во время расовой напряженности. Джонсон также отметил, что ее готовность выступать на встречах, даже когда она была единственной чернокожей женщиной в комнате, помогла гарантировать, что ее расчеты были интегрированы с самого начала планирования миссии. «Я спросил разрешения. Я должен был быть готов. Они не могли иметь встречу без меня», — сказала она позже.

Вклад пионеров в космические миссии

33-летняя карьера Джонсона в НАСА охватывала программы Меркурий, Близнецы, Аполлон и космический челнок. Ее вклад в каждую эпоху был одновременно фундаментальным и инновационным, часто закладывая математическую основу для миссий, которые определяли космическую эпоху.

Свобода 7: Первый американец в космосе

Первый американский пилотируемый космический полет, суборбитальная миссия Алана Шепарда 5 мая 1961 года, требовал траектории, которая отправит капсулу высотой 116 миль и 302 миль вниз. Джонсон рассчитал окно запуска и точку открытия парашюта для безопасной посадки капсулы. Она также вычислила резервную траекторию в случае отказа двигателя - непредвиденная ситуация, которая оказалась разумной, когда более поздние миссии столкнулись с аномалиями. Ее работа была интегрирована в систему телеметрии, помогая наземным контроллерам контролировать полет в режиме реального времени. Успех Freedom 7 доказал, что полет человека в космос был осуществим, и расчеты Джонсона были подтверждены нетронутыми данными полета. Она позже описала момент запуска: «Я наблюдал из диспетчерской. Это был большой момент. Я сделал свою часть, и это сработало».

Дружба 7: орбитальная проверка

Возможно, самый известный анекдот карьеры Джонсона включает орбитальную миссию Джона Гленна 20 февраля 1962 года. Дружба 7 была первым случаем, когда американец вращался вокруг Земли. Непроверенные компьютеры IBM 7090 страдали от периодических сбоев во время симуляций, в результате чего Гленн лихо отказался летать, если Джонсон, по крайней мере, вручную не проверил расчеты траектории компьютера. В течение двух дней она работала над сложными уравнениями для вставки орбиты и времени ретрофайра, дважды проверяя каждое число на настольном механическом калькуляторе. Когда она подтвердила, что значения соответствуют компьютеру, Гленн дал добро. Дружба 7 завершила три орбиты, и рукописные уравнения Джонсона стали частью официальной истории полета НАСА. Миссия была крупной победой космической программы США в гонке холодной войны против Советского Союза, и роль Джонсона была поворотным моментом в том, как НАСА рассматривало ручную проверку против надежности компьютера.

Аполлон-11 и Лунный модуль

Для программы «Аполлон» Джонсон помог рассчитать траекторию сближения лунного модуля, проблему, гораздо более сложную, чем любой маневр на орбите Земли. Лунный модуль должен был стартовать с поверхности Луны, подняться на точную орбиту, а затем состыковаться с командным модулем, движущимся со скоростью тысячи миль в час. Джонсон был соавтором исследовательского отчета об уравнениях движения для сближения лунной орбиты, который стал основополагающим документом для команды наведения «Аполлона». Ее работа определила точное время и угол горения при восхождении, учитывая неравномерное гравитационное поле Луны и относительные скорости двух космических аппаратов. 20 июля 1969 года, когда Нил Армстронг ступил на лунную поверхность, часть этого достижения прослеживалась непосредственно до математической точности Джонсона. Она позже сказала: «Все были обеспокоены тем, что они вернутся. Я тоже. Я хотел, чтобы они вернулись в безопасном состоянии».

Аполлон-13: Спасение

Джонсон также внес вклад в спасательные усилия «Аполлона-13» в 1970 году. Когда кислородный баллон взорвался по пути на Луну, миссия была прервана. Более ранние расчеты Джонсона по резервным траекториям и пассивному тепловому контролю — процедура «термического рулона», используемая для поддержания тепла космического корабля без активных систем, — использовались для безопасного возвращения экипажа на Землю. Ее команда разработала эти планы на случай непредвиденных обстоятельств много лет назад, предвидя, что будущие миссии могут нуждаться в вариантах аварийного возвращения. Вклад Джонсона в «успешный провал» «Аполлона-13» менее широко известен, но одинаково критичен, демонстрируя, как ее предвидение спасло жизни.

Космический шаттл и дальше

В 1970-х и 1980-х годах Джонсон работала над программой Space Shuttle, помогая рассчитать траекторию запуска первого полета шаттла, STS-1 в 1981 году. Она также внесла свой вклад в разработку спутников ресурсов Земли, используя свои математические навыки для моделирования планетарных орбит для научного наблюдения. Эти спутники контролировали культуры, леса и температуру океана, предоставляя данные, которые продолжают информировать климатологию. В 1986 году она ушла из НАСА после 33 лет службы, оставив после себя наследие точности и инноваций, которые сформировали каждую крупную американскую космическую программу с экипажем.

Позже признание и наследие

В течение десятилетий вклад Джонсона оставался в значительной степени скрытым от общественности. Она работала за кулисами, как и многие женщины в пуле вычислений. Это изменилось в 2016 году, когда она была награждена Президентской медалью Свободы президентом Бараком Обамой. В заявлении Белого дома говорилось о ее «первопроходческой работе в орбитальной механике» и «непоколебимой преданности» космической программе. В том же году была опубликована книга Марго Ли Шеттерли Скрытые фигуры: Американская мечта и нерассказанная история чернокожих женщин-математиков, которые помогли выиграть космическую гонку, а последующая экранизация Джонсона принесла историю Джонсона мировой аудитории. Фильм, в котором Джонсон изображен Тараджи П. Хенсоном, вдохновил поколение молодых женщин и меньшинств на продолжение карьеры STEM. Джонсон присутствовал на премьере фильма и стал публичным оратором, призывая студентов «принимать каждую возможность, которая приходит на ваш путь» и никогда не

В дополнение к Медали Свободы Джонсон получила многочисленные награды: Премия достижений группы НАСА, Премия Артура Б. С. Уокера II от Национального общества чернокожих физиков и почетные докторские степени от десятков университетов, включая Колледж Уильяма и Сэмпа; Мэри, Университет штата Вирджиния и Университет штата Западная Вирджиния. В 2016 году Университет штата Западная Вирджиния посвятил ей статую в кампусе. Исследовательский центр Лэнгли НАСА назвал в ее честь в 2017 году современное здание, где инженеры продолжают вид анализа траектории, который она впервые опубликовала. официальная биография НАСА отмечает, что Джонсон был «первопроходцем, который бросил вызов стереотипам и изменил лицо космического агентства».

Математика как основа для исследований

Работа Джонсона продемонстрировала, что строгая математика — это не абстрактная дисциплина, а основа практического исследования. Вычисленные ею орбитальные механики — уравнения для скорости, угла, времени и гравитации — те же принципы, которые сегодня используют планировщики миссий в НАСА, SpaceX и других космических агентствах. Ее ручные расчеты обеспечивали безопасность в эпоху, когда компьютеры были громоздкими, медленными и иногда ненадежными. Например, траектория для посадки на Луну требует решения проблемы с тремя телами: прогнозирование того, как космический корабль движется под влиянием гравитации Земли, гравитации Луны и собственной тяги. Уравнения Джонсона сводили проблемы многих тел к управляемым приближениям, которым могли доверять директора по запуску. Ее подход — скрупулезный, перекрестно проверенный и четко сообщаемый — установил стандарт для инженерной практики, которая сохраняется в современных комнатах управления миссиями.

Человеческая сторона: настойчивость и наставничество

Успех Джонсона был не чисто техническим; это был и триумф характера. В Лэнгли она ориентировалась на рабочем месте, где часто была единственной чернокожей женщиной на встречах. Она отказывалась принимать отдельные кофейники и ванные комнаты. Когда руководитель пытался ограничить ей доступ к встречам, она все равно просто присутствовала. Ее настойчивость в том, чтобы быть за столом, гарантировала, что различные перспективы информировали о критических решениях. Джонсон также наставлял молодых математиков, как черных, так и белых, делясь своими техниками для проверки сложных вычислений. Она часто говорила им: «У нас всегда будет STEM с нами. Некоторые вещи будут выпадать из поля зрения общественности, но всегда будет наука, техника и технологии. И всегда, всегда будет математика».

Жизнь Джонсона подчеркивает роль поддержки семьи и общества. Ее родители пожертвовали собой, чтобы дать ей образование. Ее первый муж, Джеймс Гобл, а затем и второй муж, Джим Джонсон, поддержали ее карьеру. Ее дочери гордились работой своей матери, даже когда они не полностью понимали ее значение. Эта сеть поощрений помогла ей сохранить уверенность в себе, необходимую для утверждения ее опыта в области, в которой доминируют белые мужчины. Сегодня стипендия Кэтрин Джонсон в NASA финансирует стажировки для студентов из недостаточно представленных слоев общества, гарантируя, что ее путь продолжает открывать двери для следующего поколения математиков и инженеров.

Вдохновение для будущих поколений

Путешествие Кэтрин Джонсон из небольшого городка в Западной Вирджинии в контрольные комнаты мыса Канаверал иллюстрирует, что небо не является пределом, когда ваши расчеты верны. Ее история продолжает вдохновлять будущие поколения на достижение звезд - и доводить их всех до стола, когда они туда попадают. Миссии Аполлона, космический челнок и планетарные исследования - все покоится на основе ее расчетов. Помимо ее технического вклада, упорство Джонсона перед лицом сегрегации и сексизма сделало ее символом инклюзивного потенциала космического полета. Когда она умерла 24 февраля 2020 года в возрасте 101 года, администратор НАСА Джим Брайденстайн сказал: "Она была американским героем, и ее наследие никогда не будет забыто". Жизнь Джонсона напоминает нам, что разнообразие в STEM - это не только моральная цель, но и практическая необходимость: лучшие решения приходят от привлечения каждого ума к вызову. Ее рукописные уравнения, теперь сохраненные в архивах НАСА, являются свидетельством силы человеческого интеллекта, чтобы отправить нас за пределы нашего мира.