Získať vedecké laboratórium Mars na Červenú planétu nie je také ľahké, ako len pripevniť rover na raketu Atlas V a odstreliť ho všeobecným smerom na Mars. Navigácia v kozmickej lodi je veľmi presná a stála veda, ktorá v najjednoduchšom zmysle znamená určiť, kde sa kozmická loď nachádza, a udržiavať ju na požadovanom mieste.
A, ako hovorí vedúci navigačného tímu MSL Tomáš Martin-Mur, jediný spôsob, ako presne dopraviť vozidlo na zvedavosť na Mars, je ten, že sa kozmická loď neustále pozerá do spätného zrkadla na Zemi.
„Čo robíme, je„ riadiť “kozmickú loď pomocou údajov z siete Deep Space Network,“ povedal Martin – Mur časopisu Space Magazine. "Ak o tom premýšľaš, nikdy nebudeme vidieť Mars." Nemáme optickú navigačnú kameru ani iné nástroje, ktoré by mohli Mars vidieť alebo vnímať. Ideme na Mars, zatiaľ čo sa obzierame späť na Zem a pomocou meraní zo Zeme sa dokážeme dostať na Mars s veľmi vysokou presnosťou. “
Táto vysoká presnosť je veľmi dôležitá, pretože MSL používa nový systém navádzania, zostupu a pristátia, ktorý umožní kozmickej lodi pristávať presnejšie ako ktorýkoľvek z predchádzajúcich pristávateľov alebo roverov.
"Je to veľmi náročné a hoci je to niečo podobné tomu, čo sme urobili predtým pri misii MER Exploration Rover (MER), tentokrát to bude ešte presnejšie," uviedol Martin-Mur. "To nám umožňuje dostať sa na veľmi vzrušujúce miesto, kráter Gale."
Na Zemi neustále dokážeme nájsť presne to, kde sme s GPS - čo je na našich mobilných telefónoch a navigačných zariadeniach. Ale na Marse nie je GPS, takže jediný spôsob, ako sa bude môcť pohybovať roverom - cez presný bod v atmosfére červenej planéty je, aby navigačný tím vedel presne, kde je kozmická loď, a aby im neustále hovorili. kozmická loď presne tam, kde je. Používajú sieť Deep Space Network (DSN) na tieto rozhodnutia od vypustenia až po Mars.
Deep Space Network pozostáva zo siete extrémne citlivých antén hlbokej kozmickej komunikácie na troch miestach: Goldstone, Kalifornia; Madrid, Španielsko; a Canberra, Austrália. Strategické umiestnenie približne 120 stupňov od seba na zemskom povrchu umožňuje neustále sledovanie kozmickej lode pri rotácii Zeme.
Nie je to však také jednoduché, ako dostať raketu z bodu A do bodu B, pretože Zem a Mars nie sú pevne umiestnené vo vesmíre. Navigátori musia čeliť výzvam spočívajúcim v vypočítaní presných rýchlostí a orientácií rotujúcej Zeme, rotujúceho Marsu, ako aj pohyblivej rotujúcej kozmickej lode, zatiaľ čo všetci súčasne cestujú po vlastných dráhach okolo Slnka.
Existujú aj ďalšie faktory, ako je tlak slnečného žiarenia a požiare, ktoré musia byť presne vypočítané.
Martin-Mur uviedol, že hoci MSL je oveľa väčší rover s väčšou kozmickou loďou a chrbtovou strechou ako misia MER, navigačné nástroje a výpočty sa príliš nelíšia. A v niektorých ohľadoch môže byť navigácia MSL jednoduchšia.
„Vozidlo Atlas V poskytuje omnoho presnejšie spustenie a môže nás posunúť presnejšou cestou ako MER, ktorý používal Delta II,“ uviedol Martin-Mur. "To nám umožňuje použiť menej paliva, úmerne za libru, aby sme sa dostali na Mars ako MER rovery."
MER rovery a kozmická loď vážili asi 1 tonu, zatiaľ čo MSL vážilo takmer 4 tony. MSL sa na výletnú fázu pridelí 70 kg pohonnej látky, zatiaľ čo MER rovery používali asi 42 kg pohonnej látky.
Je zaujímavé, že na to, aby kozmická loď MSL zostúpila cez Marsovu atmosféru a pevninu, použije približne 400 kg paliva.
Martin-Mur ďalej uviedol, že sú k dispozícii presnejšie merania planetárnej efemeridy a veľmi dlhej základnej línie, čo umožňuje navigácii, aby mohla kozmickú loď dodať na správne miesto v rozhraní pre vstup do atmosféry, takže sa vozidlo ocitne v rozsahu parametrov, ktoré bol navrhnutý na prevádzku.
Navigácia pri spustení
Všetko to začína rokmi príprav a výpočtov navigačného tímu, ktorý musí vypočítať všetky možné trajektórie na Mars v závislosti od toho, kedy presne sa raketa Atlas V spustí s MSL na palube.
V niektorých prípadoch existujú doslova tisíce príležitostí na spustenie a všetky možné trajektórie sa musia vypočítať presne. Napríklad misia Juno mala dvojhodinové denné štartovacie okná s 3 300 možnými štartovacími príležitosťami. Pre MSL obsahujú okná denného spustenia príležitosti na zdvihnutie v 5-minútových prírastkoch. V priebehu 24-denného štartovacieho obdobia tím vypočítal 489 rôznych trás pre všetky možné príležitosti na spustenie.
Nakoniec však použijú iba jeden.
"Toto nie je niečo, čo robíte za chodu - všetko pripravujete v dostatočnom časovom predstihu, takže budete mať čas sa posadiť a vyhodnotiť a skontrolovať," uviedol ďalší člen navigačného tímu MSL Neil Mottinger, ktorý pracoval v Laboratórium prúdového pohonu od roku 1967. Pracoval na navigácii pre mnoho misií, ako sú Mariner, Voyager, MER a niekoľko medzinárodných misií.
"Počiatočnou funkciou navigácie pri štarte je dostatočne presne určiť skutočnú trajektóriu kozmickej lode, aby sa signál kozmickej lode nachádzal v šírke lúča antény DSN," uviedol Mottinger pre časopis Space Magazine.
Laboratórium Mars Science Laboratory sa oddelí od rakety, ktorá ho posunula smerom k Marsu asi 44 minút po štarte, pričom navigátor sleduje každý pohyb kozmickej lode.
Mottinger dodal, že bez komunikačných schopností DSN neexistujú žiadne planetárne misie. „Navigačný tím robí všetko, čo je v jeho silách, aby sa ubezpečil, že v komunikácii nie sú žiadne medzery,“ uviedol. "Je to krízový čas počas prvých 6-8 hodín po vypustení, aby bolo možné určiť presnú polohu kozmickej lode."
Z posledných problémov s misiou Phobos-Grunt je zrejmé, aké ťažké je sledovať a komunikovať s práve spustenou kozmickou loďou.
Opravy v polovici kurzu
Navigačný tím opäť navrhol a vypočítal všetky manévre a popáleniny paliva pri misii. Keď sa MSL vydá na Mars, navigačný tím prehodnotí všetky svoje modely a navrhne manévre, aby priviedli kozmickú loď na správne vstupné rozhranie na Marse.
"Budeme robiť obežné rozhodnutia a prepracovať manévre pre kozmickú loď," uviedol Martin-Mur. "MSL má trysky 1 lb - rovnaké veľkosti ako kozmická loď MER - ale naša kozmická loď je takmer štyrikrát ťažšia, takže manévre, ktoré robíme, trvajú dlho - niektoré budú trvať hodiny."
Pri medziplanetárnej navigácii inžinieri používajú vzdialené kvázary ako orientačné body v priestore na určenie miesta, kde sa nachádza. Kvazary sú neuveriteľne jasné, ale sú v takej obrovskej vzdialenosti, že sa nepohybujú na oblohe, ako to robia bližšie hviezdy na pozadí. Martin-Mur poskytol zoznam takmer 100 rôznych kvázarov, ktoré by sa mohli použiť na tento účel, v závislosti od toho, kde sa nachádza.
„Je zaujímavé,“ zamyslel sa Martin-Mur, „s kvázarmi používame niečo, čo je od nás miliardy svetelných rokov, od veľmi skorého vesmíru, ktoré sú také staré, že tam už nemusia byť. Je skutočne skvelé, že používame objekt, ktorý v súčasnosti už nemusí existovať, ale používa sa na veľmi presnú navigáciu. “
Navigačný tím musí tiež modelovať tlak slnečného žiarenia - vplyv slnečného žiarenia na kozmickú loď.
"Veľmi dobre vieme, vďaka našim priateľom zo skupiny Solar Systems Dynamics, kde bude Mars a kde sú Zem a Slnko," uviedol Martin-Mur. „Keďže táto kozmická loď predtým nebola v kozmickom priestore, nie je presne známe, ako bude tlak slnečného žiarenia ovplyvňovať povrchové vlastnosti kozmickej lode a ako naruší kozmickú loď. Ak na to nemáme dobrý model, mohli by sme byť vzdialení stovky kilometrov, keď kozmická loď prechádza zo Zeme na Mars. “
Prichádza na Mars
Keď sa kozmická loď blíži k Marsu, je veľmi dôležité presne vedieť, kde je. "Potrebujeme zamerať kozmickú loď na správny vstupný bod," uviedol Martin-Mur, "a oznámiť kozmickej lodi, kam vstúpi, aby si mohla nájsť cestu na miesto pristátia."
MSL Entry Descent and Landing Instruments, alebo MEDLI, bude prúdiť informácie späť na Zem, keď sonda vstúpi do atmosféry, čo umožní navigátorom - a vedeckému tímu - presne vedieť, kde rover pristál.
Až potom bude môcť navigačný tím - možno - vydýchnuť.