Marsin tiedelaboratorion saaminen Punaiselle planeetalle ei ole niin helppoa kuin pelkästään hihnan kiinnittäminen Atlas V -rakettiin ja räjäyttäminen Marsin yleiseen suuntaan. Avaruusaluksen navigointi on erittäin tarkka ja jatkuva tiede, ja yksinkertaisin sanoin se edellyttää avaruusaluksen sijainnin määrittämistä koko ajan ja sen pitämistä tiellä haluttuun määränpäähän.
Ja, sanoo MSL-navigointiryhmän päällikkö Tomas Martin-Mur, ainoa tapa saada Curiosity -reitti Marsiin on tarkalleen, että avaruusalus etsii jatkuvasti taustapeiliä Maapallolla.
"Se mitä teemme, on" ajaa "avaruusalusta käyttämällä syvän avaruusverkon tietoja", Martin – Mur kertoi Space Magazine -lehdelle. ”Jos ajattelet sitä, emme koskaan näe Marsia. Meillä ei ole optista navigointikameraa tai muita välineitä Marsin näkemiseen tai havaitsemiseen. Olemme matkalla Marsiin, katsoen koko ajan taaksepäin maan päälle, ja mittauksilla maapallosta päästämme Marsiin erittäin suurella tarkkuudella. "
Tämä korkea tarkkuus on erittäin tärkeä, koska MSL käyttää uutta sisääntulo-, lasku- ja laskuohjausjärjestelmää, jonka avulla avaruusalus voi laskeutua tarkemmin kuin aikaisemmat laskeuttajat tai roverit.
"Se on erittäin haastava, ja vaikka se on jotain samanlaista kuin mitä olemme aiemmin tehneet Mars Exploration Rover (MER) -operaation kanssa, tällä kertaa se tehdään entistä korkeammalla tarkkuudella", Martin-Mur sanoi. "Tämän avulla voimme päästä erittäin jännittävään paikkaan, Gale Crater."
Maapallolla voimme jatkuvasti löytää tarkalleen missä olemme GPS: n kanssa - joka on matkapuhelimissamme ja navigointilaitteissamme. Mutta Marsissa ei ole GPS: ää, joten ainoa tapa, jolla rover pystyy kulkemaan - ja läpi - tarkka kohta Red Planetin ilmakehässä on, että navigointiryhmä tietää tarkalleen missä avaruusalus on ja heidän pitää kertoa jatkuvasti avaruusaluksen tarkalleen missä se on. He käyttävät Deep Space Network -verkkoa (DSN) määrityksiin alusta alkaen Marsiin asti.
Deep Space Network koostuu erittäin herkkien syvän avaruuden viestintäantennien verkosta kolmella sijainnilla: Goldstone, Kalifornia; Madrid, Espanja; ja Canberra, Australia. Noin 120 asteen päässä toisistaan oleva maapallon strateginen sijainti mahdollistaa avaruusalusten jatkuvan tarkkailun maapallon pyöriessä.
Mutta tietysti, se ei ole niin helppoa kuin vain saada raketti pisteestä A pisteeseen B, koska Maa ja Mars eivät ole kiinteitä paikkoja avaruudessa. Navigaattorien on vastattava haasteisiin, jotka liittyvät pyörivän maan, pyörivän Marsin ja liikkuvan, pyörivän avaruusaluksen tarkan nopeuden ja suunnan laskemiseen, kun kaikki matkustavat samanaikaisesti omalla kiertoradallaan Auringon ympäri.
On myös muita tekijöitä, kuten auringon säteilypaine ja potkurin laukaisut, jotka kaikki on laskettava tarkasti.
Martin-Mur sanoi, että vaikka MSL on paljon suurempi rover, jolla on suurempi avaruusalus ja selänkuori kuin MER-operaatiolla, navigointityökalut ja laskelmat eivät ole paljon erilaisia. Ja tietyllä tavalla MSL-navigointi voi olla helpompaa.
"Atlas V -auto tarjoaa paljon tarkemman laukaisun ja voi viedä meidät tarkempaan polkuun kuin MER, joka käytti Delta II: ta", Martin-Mur sanoi. "Tämän ansiosta voimme käyttää vähemmän ponneainetta suhteessa puntaa kohti päästäkseen Marsiin kuin MER-moottorit."
MER-moottorit ja avaruusalukset painoivat noin yhden tonnin, kun taas MSL painaa melkein 4 tonnia. MSL: lle on varattu 70 kg ponneainetta risteilyvaiheeseen, kun taas MER-kuljettajilla kullakin oli noin 42 kg ponneainetta.
Mielenkiintoista on, että MSL-avaruusaluksen laskeutuessa Marsin ilmakehän ja maan läpi avaruusalus käyttää noin 400 kg potkuria.
Lisäksi Martin-Mur sanoi, että käytettävissä on tarkempia planeettaefemeerejä ja erittäin pitkiä lähtövirtainterferometriamittauksia, joiden avulla navigointi pystyy toimittamaan avaruusaluksen oikeaan kohtaan ilmakehän rajapinnassa, joten ajoneuvo löytää parametrejä, jotka se on suunniteltu toimimaan.
Navigointi käynnistyksen yhteydessä
Kaikki alkaa vuosien valmisteluista ja navigointiryhmän laskelmista, joiden on laskettava kaikki mahdolliset Marsiin suuntautuvat reitit riippuen siitä, milloin Atlas V -rakettia lasketaan MSL: n ollessa aluksella.
Joissakin tapauksissa laukaisumahdollisuuksia on kirjaimellisesti tuhansia, ja kaikki mahdolliset radat on laskettava tarkasti. Esimerkiksi Juno-operaatiolla oli kahden tunnin päivittäiset laukaisuikkunat, joissa oli 3 300 mahdollista laukaisumahdollisuutta. MSL: n päivittäiset käynnistysikkunat sisältävät nostomahdollisuudet 5 minuutin välein. 24 vuorokauden käynnistysjakson aikana joukkue on laskenut 489 erilaista lentorataa kaikille mahdollisille käynnistysmahdollisuuksille.
Mutta viime kädessä he käyttävät vain yhtä.
"Tämä ei ole jotain mitä teet lennossa - valmistat kaiken tämän hyvissä ajoin, joten sinulla on aikaa rentoutua ja arvioida sitä ja tarkistaa se", kertoi toinen MSL-navigointiryhmän jäsen Neil Mottinger, joka on työskennellyt Suihkukoneiden laboratorio vuodesta 1967. Hän on työskennellyt navigoinnissa monissa operaatioissa, kuten Mariner, Voyager, MER ja useissa kansainvälisissä operaatioissa.
"Navigoinnin alkuperäinen tehtävä laukaisun yhteydessä on määrittää todellinen avaruusaluksen lentorata riittävän hyvin, jotta avaruusaluksen signaali on hyvin DSN-antennien säteilykeilan sisällä", Mottinger kertoi Space Magazinelle.
Marsin tiedelaboratorio erottuu raketista, joka vauhditti sitä kohti Marsia, noin 44 minuutin kuluttua laukaisusta, navigaattorin seuraamalla avaruusaluksen jokaista liikettä.
Mottinger lisäsi, että ilman DSN: n viestintäominaisuuksia ei ole planeettaoperaatioita. "Navigointiryhmä tekee kaikkensa varmistaakseen, että viestinnässä ei ole aukkoja", hän sanoi. "Se on rapistumisaika ensimmäisten 6-8 tunnin aikana laukaisun jälkeen, jotta voidaan määrittää avaruusaluksen tarkka sijainti."
Phobos-Grunt-operaation viimeaikaisista ongelmista on selvää, kuinka vaikeaa on jäljittää ja kommunikoida juuri laukaisun avaruusaluksen kanssa.
Kurssin puolivälissä tapahtuvat korjaukset
Jälleen, navigointiryhmä on mallinnut ja laskenut kaikki operaation liikkeet ja potkuripolttimet. Kun MSL on matkalla Marsiin, navigointiryhmä tarkistaa kaikki heidän mallinsa ja suunnittelee liikkuma-alueet viedäkseen avaruusaluksen oikealle tulorajapinnalle Marsissa.
"Teemme jatkossakin kiertoradan määritystä ja suunnittelemme avaruusaluksen liikkeitä uudelleen", sanoi Martin-Mur. "MSL: llä on 1 paunaiset työntövoimat - samankokoiset kuin MER-avaruusaluksella -, mutta avaruusaluksemme on melkein neljä kertaa raskaampi, joten tekemämme liikkeet vievät kauan - jotkut vievät tunteja."
Planeettienväliseen navigointiin insinöörit käyttävät etäkvasaareja avaruuden maamerkeinä viitaten siihen, missä avaruusalus on. Kvazarit ovat uskomattoman kirkkaita, mutta ovat niin valtaisilla etäisyyksillä, etteivät ne liikku taivaalla kuten lähempänä olevat taustatähteet. Martin-Mur toimitti luettelon lähes 100 eri kvasaarista, joita voitaisiin käyttää tähän tarkoitukseen, riippuen siitä, missä avaruusalus on.
"On mielenkiintoista", Martin-Mur pilasi, "kvasaareilla käytämme jotain, joka on miljardeja valovuosia meistä, hyvin varhaisesta maailmankaikkeudesta, jotka ovat niin vanhoja, että he eivät ehkä edes ole siellä enää. On todella hienoa, että käytämme objektia, jota nykyään ei ehkä ole enää olemassa, mutta käytämme sitä erittäin tarkkaan navigointiin. "
Navigointiryhmän on myös mallinnettava auringon säteilypaine - auringon säteilyn vaikutus avaruusalukseen.
"Tiedämme erittäin hyvin, aurinkokunnan dynamiikkaryhmän ystävien ansiosta, missä Mars tulee olemaan ja missä maa ja aurinko ovat", sanoi Martin-Mur. "Mutta koska tätä avaruusalusta ei ole aiemmin ollut avaruudessa, ei tiedetä tarkalleen, miten auringon säteilypaine vaikuttaa avaruusaluksen pintaominaisuuksiin ja miten se häiritsee avaruusalusta. Jos meillä ei ole sitä varten hyvää mallia, voisimme olla satojen kilometrien päässä, kun avaruusalus kulkee maasta Marsiin. "
Saapuminen Marsille
Kun avaruusalus lähestyy Marsia, on erittäin tärkeää tietää tarkalleen missä avaruusalus on. "Meidän on kohdennettava avaruusalus oikealle sisääntulopisteelle", sanoi Martin-Mur, "ja kertoa avaruusalukselle, mihin se tulee, jotta se voi löytää tien laskeutumispaikalle."
MSL Entry Descent and Landing Instrumentation eli MEDLI virtaa tietoa takaisin Maahan, kun anturi saapuu ilmakehään, antaen navigaattorien - ja tiederyhmän - tietää tarkalleen mihin rover on laskeutunut.
Vasta sitten navigointiryhmä pystyy - ehkä - hengittämään helpotuksen huolen.
