Het Mars Science Laboratory naar de Rode Planeet brengen is niet zo eenvoudig als de rover op een Atlas V-raket vastbinden en hem in de algemene richting van Mars schieten. Ruimtevaartuignavigatie is een zeer nauwkeurige en constante wetenschap, en in de eenvoudigste bewoordingen houdt het in dat wordt bepaald waar het ruimtevaartuig zich te allen tijde bevindt en het op koers houdt naar de gewenste bestemming.
En, zegt Tomas Martin-Mur, chef van het MSL-navigatieteam, de enige manier om de Curiosity-rover nauwkeurig naar Mars te krijgen, is dat het ruimtevaartuig constant in de achteruitkijkspiegel naar de aarde kijkt.
"Wat we doen is het ruimtevaartuig 'besturen' met behulp van gegevens van het Deep Space Network, 'vertelde Martin-Mur aan Space Magazine. 'Als je erover nadenkt, zien we Mars nooit. We hebben geen optische navigatiecamera of andere instrumenten om Mars te kunnen zien of voelen. We gaan op weg naar Mars, terwijl we terugkijken naar de aarde, en met metingen van de aarde zijn we in staat om met een zeer hoge nauwkeurigheid naar Mars te komen. ”
Deze hoge nauwkeurigheid is erg belangrijk omdat MSL een nieuw instap-, afdaal- en landingsgeleidingssysteem gebruikt waarmee het ruimtevaartuig nauwkeuriger kan landen dan eerdere landers of rovers.
"Het is een hele uitdaging, en hoewel het lijkt op wat we eerder hebben gedaan met de Mars Exploration Rover (MER) -missie, zal het deze keer met een nog hogere precisie worden gedaan", zei Martin-Mur. 'Dat stelt ons in staat om naar een zeer opwindende plek te gaan, Gale Crater.'
Op aarde kunnen we constant precies vinden waar we zijn met GPS - dat is op onze mobiele telefoons en navigatieapparatuur. Maar er is geen GPS op Mars, dus de enige manier waarop de rover in staat is om - en erdoorheen te gaan - een nauwkeurig punt in de atmosfeer van de Rode Planeet is dat het navigatieteam precies weet waar het ruimtevaartuig is en dat ze blijven vertellen het ruimtevaartuig precies waar het is. Ze gebruiken het Deep Space Network (DSN) voor die bepalingen vanaf de lancering tot aan Mars.
Het Deep Space Network bestaat uit een netwerk van uiterst gevoelige deep space-communicatieantennes op drie locaties: Goldstone, Californië; Madrid, Spanje; en Canberra, Australië. De strategische plaatsing op ongeveer 120 graden van elkaar op het aardoppervlak maakt een constante observatie van ruimtevaartuigen mogelijk terwijl de aarde draait.
Maar het is natuurlijk niet zo eenvoudig als de raket gewoon van punt A naar punt B brengen, aangezien de aarde en Mars geen vaste posities in de ruimte zijn. Navigators moeten de uitdagingen aangaan van het berekenen van de exacte snelheden en oriëntaties van een roterende aarde, een roterende Mars en een bewegend, draaiend ruimtevaartuig, terwijl ze allemaal tegelijkertijd in hun eigen banen rond de zon reizen.
Er zijn nog andere factoren, zoals zonnestralingdruk en boegschoten, die allemaal nauwkeurig moeten worden berekend.
Martin-Mur zei dat hoewel MSL een veel grotere rover is met een groter ruimtevaartuig en backshell dan de MER-missie, de navigatietools en berekeningen niet veel anders zijn. En in sommige opzichten is navigeren door MSL misschien eenvoudiger.
"Het Atlas V-voertuig biedt een veel nauwkeurigere lancering en kan ons op een nauwkeuriger pad brengen dan de MER, die een Delta II gebruikte," zei Martin-Mur. "Hierdoor kunnen we, naar verhouding per pond, minder drijfgas gebruiken om naar Mars te komen dan de MER-rovers."
De MER-rovers en het ruimtevaartuig wogen ongeveer 1 ton, terwijl MSL bijna 4 ton weegt. MSL krijgt 70 kg drijfgas toegewezen voor de cruisefase, terwijl de MER-rovers elk ongeveer 42 kg drijfgas gebruikten.
Interessant is dat het ruimtevaartuig, om het MSL-ruimtevaartuig door de atmosfeer en het land van Mars te laten afdalen, ongeveer 400 kg drijfgas zal gebruiken.
Bovendien zei Martin-Mur dat er nauwkeurigere planetaire efemeriden en Very Long Baseline Interferometry-metingen beschikbaar zijn, waardoor de navigatie het ruimtevaartuig op de juiste plaats in de atmosferische ingangsinterface kan afleveren, zodat het voertuig zich in het bereik van parameters bevindt dat het is ontworpen om te werken.
Navigatie bij lancering
Het begint allemaal met jaren van voorbereiding en berekeningen door het navigatieteam, dat alle mogelijke trajecten naar Mars moet berekenen, afhankelijk van wanneer de Atlas V-raket precies met MSL aan boord wordt gelanceerd.
In sommige gevallen zijn er letterlijk duizenden lanceermogelijkheden en moeten alle mogelijke trajecten nauwkeurig worden berekend. De Juno-missie had bijvoorbeeld twee uur durende dagelijkse lanceringsvensters met 3.300 mogelijke lanceringsmogelijkheden. Voor MSL bevatten de dagelijkse startvensters opstijgmogelijkheden in stappen van 5 minuten. Over de lanceringsperiode van 24 dagen heeft het team 489 verschillende trajecten berekend voor alle mogelijke lanceringsmogelijkheden.
Maar uiteindelijk zullen ze er uiteindelijk maar één gebruiken.
"Dit is niet iets dat je direct doet - je bereidt dit alles ruim van tevoren voor, zodat je tijd hebt om achterover te leunen en het te controleren en te controleren", zei een ander lid van het MSL-navigatieteam, Neil Mottinger, die bij de Jet Propulsion Laboratory sinds 1967. Hij werkte aan navigatie voor vele missies zoals Mariner, Voyager, de MER en verschillende internationale missies.
"De initiële functie van navigatie bij de lancering is om het traject van het ruimtevaartuig goed genoeg te bepalen, zodat het signaal van het ruimtevaartuig ruim binnen de bundelbreedte van de DSN-antennes zal zijn," vertelde Mottinger aan Space Magazine.
Het Mars Science Laboratory zal zich scheiden van de raket die hem ongeveer 44 minuten na de lancering naar Mars heeft gestuwd, waarbij de navigator elke beweging van het ruimtevaartuig volgt.
Mottinger voegde eraan toe dat er zonder de communicatiemogelijkheden van de DSN geen planetaire missies zijn. "Het navigatieteam doet er alles aan om ervoor te zorgen dat er geen hiaten in de communicatie zijn", zei hij. "Het is de crunch-tijd gedurende de eerste 6-8 uur na lancering om de exacte positie van het ruimtevaartuig te kunnen bepalen."
Uit de recente problemen met de Phobos-Grunt-missie is duidelijk hoe moeilijk het is om te volgen en te communiceren met een net gelanceerd ruimtevaartuig.
Middencorrecties
Nogmaals, het navigatieteam heeft alle manoeuvres en brandschroeven voor de missie gemodelleerd en berekend. Zodra MSL op weg is naar Mars, zal het navigatieteam al hun modellen opnieuw bekijken en de manoeuvres ontwerpen om het ruimtevaartuig naar de juiste instapinterface op Mars te brengen.
"We blijven de baan bepalen en de manoeuvres voor het ruimtevaartuig opnieuw ontwerpen", zegt Martin-Mur. "MSL heeft 1 lb thrusters - even groot als het MER-ruimtevaartuig - maar ons ruimtevaartuig is bijna vier keer zwaarder, dus de manoeuvres die we doen duren lang - sommige zullen uren duren."
Voor interplanetaire navigatie gebruiken de ingenieurs quasars op afstand als oriëntatiepunten in de ruimte als referentie voor waar het ruimtevaartuig zich bevindt. Quasars zijn ongelooflijk helder, maar bevinden zich op zulke kolossale afstanden dat ze niet in de lucht bewegen zoals dichterbij komende achtergrondsterren. Martin-Mur leverde een lijst met bijna 100 verschillende quasars die voor dit doel kunnen worden gebruikt, afhankelijk van waar het ruimtevaartuig zich bevindt.
"Het is interessant," mijmerde Martin-Mur, "met quasars gebruiken we iets dat miljarden lichtjaren van ons verwijderd is, van het zeer vroege universum, dat zo oud is dat ze er misschien niet eens meer zijn. Het is echt gaaf dat we een object gebruiken dat momenteel misschien niet meer bestaat, maar ze gebruiken voor een zeer nauwkeurige navigatie. ”
Het navigatieteam moet ook de zonnestralingsdruk modelleren - het effect van de zonnestraling op het ruimtevaartuig.
"We weten heel goed, dankzij onze vrienden van de Solar Systems Dynamics-groep, waar Mars zal zijn en waar de aarde en de zon zullen zijn", zei Martin-Mur. “Maar aangezien dit ruimtevaartuig nog niet eerder in de ruimte is geweest, is niet precies bekend hoe de zonnestralingdruk de oppervlakte-eigenschappen van het ruimtevaartuig zal beïnvloeden en hoe het het ruimtevaartuig zal verstoren. Als we daar geen goed model voor hebben, zouden we honderden kilometers verwijderd kunnen zijn terwijl het ruimtevaartuig van de aarde naar Mars gaat. "
Aangekomen op Mars
Als het ruimtevaartuig Mars nadert, is het erg belangrijk om precies te weten waar het ruimtevaartuig is. "We moeten het ruimtevaartuig op het juiste toegangspunt richten", zei Martin-Mur, "en het ruimtevaartuig vertellen waar het zal binnenkomen, zodat het zijn weg naar de landingsplaats kan vinden."
De MSL Entry Descent and Landing Instrumentation, of MEDLI, zal informatie terugsturen naar de aarde terwijl de sonde de atmosfeer binnendringt, waardoor de navigators - en het wetenschappelijke team - precies weten waar de rover is geland.
Alleen dan kan het navigatieteam - misschien - opgelucht ademhalen.
