Jak dostat Vědeckou laboratoř Mars na Rudou planetu není tak snadné, jako připoutat rover na raketu Atlas V a vystřelit ji obecným směrem na Mars. Navigace v kosmické lodi je velmi přesná a stálá věda a nejjednodušší řečeno znamená zjistit, kde je kosmická loď za všech okolností, a udržet ji na cestě k požadovanému cíli.
A, říká šéf navigačního týmu MSL Tomáš Martin-Mur, jediný způsob, jak přesně přenést rover zvědavosti na Mars, je, že kosmická loď se neustále dívá do zpětného zrcátka na Zemi.
"Co děláme, je" řídit "kosmickou loď pomocí dat z Deep Space Network," řekl Martin – Mur časopisu Space Magazine. "Pokud o tom přemýšlíš, nikdy nevidíme Mars." Nemáme k dispozici optickou navigační kameru ani jiné nástroje, které by Mars mohly vidět nebo vnímat. Míříme na Mars, celou dobu se díváme zpět na Zemi, a díky měření ze Země jsme schopni se dostat na Mars s velmi vysokou přesností. “
Tato vysoká přesnost je velmi důležitá, protože MSL používá nový systém navádění, klesání a přistání, který umožní kosmické lodi přistát přesněji než předchozí přistávající nebo roveri.
"Je to velmi náročné, a přestože je to něco podobného tomu, co jsme předtím udělali s misí MER Exploration Rover (MER), tentokrát to bude provedeno s ještě vyšší přesností," uvedl Martin-Mur. "To nám umožňuje dostat se na velmi vzrušující místo, kráter Gale."
Na Zemi můžeme neustále najít přesně to, kde jsme s GPS - což je na našich mobilních telefonech a navigačním zařízení. Ale na Marsu není GPS, takže jediný způsob, jakým bude rover schopen projít - a skrz - přesný bod v atmosféře Rudé planety, je, aby navigační tým přesně věděl, kde je kosmická loď, a aby jim neustále říkali kosmická loď přesně tam, kde je. Používají Deep Space Network (DSN) pro tato stanovení od startu až po Mars.
Deep Space Network se skládá ze sítě extrémně citlivých antén hlubokého vesmíru na třech místech: Goldstone, Kalifornie; Madrid, Španělsko; a Canberra, Austrálie. Strategické umístění přibližně 120 stupňů od sebe na zemském povrchu umožňuje stálé pozorování kosmické lodi při rotaci Země.
Ale samozřejmě to není tak snadné, jako dostat raketu z bodu A do bodu B, protože Země a Mars nejsou pevnými pozicemi ve vesmíru. Navigátoři musí čelit výzvám spočívajícím ve výpočtu přesných rychlostí a orientací rotující Země, rotujícího Marsu, stejně jako pohybující se rotující kosmické lodi, zatímco všichni současně cestují po svých vlastních drahách kolem Slunce.
Existují i další faktory, jako je tlak slunečního záření a vypálení paliva, které je třeba přesně vypočítat.
Martin-Mur řekl, i když MSL je mnohem větší rover s větší kosmickou lodí a backshell než mise MER, navigační nástroje a výpočty se však příliš neliší. A v některých ohledech může být navigace MSL jednodušší.
"Vozidlo Atlas V poskytuje mnohem přesnější spuštění a může nás dostat přesnější cestou než MER, který používal Delta II," řekl Martin-Mur. "To nám umožňuje použít méně paliva, úměrně za libru, abychom se dostali na Mars, než to udělali MER rovery."
MER rovery a kosmická loď vážily asi 1 tunu, zatímco MSL váží téměř 4 tuny. MSL je přiděleno 70 kg pohonné hmoty pro fázi plavby, zatímco MER rovery každý spotřeboval asi 42 kg pohonné hmoty.
Je zajímavé, že pro kosmickou loď MSL bude sestupovat skrze atmosféru a zemi Marsu, kosmická loď použije asi 400 kg paliva.
Martin-Mur navíc uvedl, že jsou k dispozici přesnější měření planetární efemeridy a velmi dlouhá základní interferometrie, což umožňuje navigaci umožnit dodávat kosmickou loď na správné místo v rozhraní pro atmosférický vstup, takže se vozidlo nachází v rozsahu parametrů, které byl navržen pro provoz.
Navigace při spuštění
Všechno to začíná roky příprav a výpočtů navigačního týmu, který musí vypočítat všechny možné trajektorie na Mars v závislosti na přesně, kdy se raketa Atlas V spustí s MSL na palubě.
V některých případech existují doslova tisíce možností spuštění a všechny možné trajektorie musí být přesně spočteny. Například mise Juno měla dvěhodinová denní spouštěcí okna s 3 300 možnými příležitostmi ke spuštění. U MSL obsahují okna pro každodenní spouštění příležitosti v 5 minutových krocích. Během 24denního zahajovacího období vypočítal tým 489 různých trajektorií pro všechny možné příležitosti k zahájení.
Nakonec ale nakonec použijí pouze jeden.
"To není něco, co děláte za chodu - vše připravujete v dostatečném předstihu, takže máte čas se posadit a posoudit a zkontrolovat," řekl další člen navigačního týmu MSL Neil Mottinger, který pracoval v Jet Propulsion Laboratory od roku 1967. Pracoval na navigaci pro mnoho misí, jako je Mariner, Voyager, MER a několik mezinárodních misí.
"Počáteční funkcí navigace při startu je dostatečně přesně určit skutečnou trajektorii kosmické lodi, takže signál kosmické lodi bude dobře v šířce paprsku DSN antény," řekl Mottinger časopisu Space Magazine.
Vědecká laboratoř Mars se oddělí od rakety, která ji posílila směrem k Marsu přibližně 44 minut po startu, s tím, jak navigátor sleduje každý pohyb kosmické lodi.
Mottinger dodal, že bez komunikačních schopností DSN neexistují žádné planetární mise. "Navigační tým dělá vše, co je v jeho silách, aby se ujistil, že v komunikaci nejsou žádné mezery," řekl. "Je to doba krize během prvních 6-8 hodin po startu, aby bylo možné určit přesnou polohu kosmické lodi."
Z nedávných problémů s misí Phobos-Grunt je zřejmé, jak obtížné je sledovat a komunikovat s právě spuštěnou kosmickou lodí.
Opravy v polovině kurzu
Navigační tým opět modeloval a vypočítal všechny manévry a popáleniny způsobené střelbou pro misi. Jakmile bude MSL na cestě na Mars, navigační tým provede revizi všech svých modelů a navrhne manévry, aby přivedly kosmickou loď na správné vstupní rozhraní na Marsu.
"Budeme stále dělat oběžné dráhy a přepracovat manévry pro kosmickou loď," řekl Martin-Mur. "MSL má trysky 1 lb - stejné velikosti jako kosmická loď MER - ale naše kosmická loď je téměř čtyřikrát těžší, takže manévry, které provádíme, trvají dlouho - některé zabere hodiny."
Pro meziplanetární navigaci inženýři používají vzdálené kvazary jako orientační body v prostoru, aby zjistili, kde je kosmická loď. Kvasary jsou neuvěřitelně jasné, ale jsou v tak obrovských vzdálenostech, že se nepohybují na obloze, jako tomu bývá u hvězd na pozadí. Martin-Mur poskytl seznam téměř 100 různých kvasarů, které by mohly být použity pro tento účel, v závislosti na tom, kde je kosmická loď.
"Je zajímavé," přemítal Martin-Mur, "s kvazary používáme něco, co je od nás miliardy světelných let, od velmi raného vesmíru, který je tak starý, že už tam možná ani nebudou." Je opravdu skvělé, že používáme objekt, který v současné době již neexistuje, ale používáme je pro velmi přesnou navigaci. “
Navigační tým musí také modelovat tlak slunečního záření - účinek slunečního záření na kosmickou loď.
"Víme velmi dobře, díky našim přátelům ze skupiny Solar Systems Dynamics, kde bude Mars a kde jsou Země a Slunce," řekl Martin-Mur. "Protože však tato kosmická loď nebyla dříve ve vesmíru, není přesně známo, jak tlak slunečního záření ovlivní povrchové vlastnosti kosmické lodi a jak to naruší kosmickou loď." Pokud k tomu nemáme dobrý model, mohli bychom být stovky kilometrů pryč, jak kosmická loď jde ze Země na Mars. “
Příjezd na Mars
Jak se kosmická loď blíží k Marsu, je velmi důležité přesně vědět, kde je. "Musíme zaměřit kosmickou loď na správný vstupní bod," řekl Martin-Mur, "a sdělit kosmické lodi, kam vstoupí, takže bude moci najít cestu na místo přistání."
Přístroj MSL Entry Descend and Landing Instrument nebo MEDLI bude proudit informace zpět na Zemi, jakmile sonda vstoupí do atmosféry, a umožní navigátorům - a vědeckému týmu - přesně vědět, kde rover přistál.
Pouze tehdy bude navigační tým schopen - možná - vydechnout úlevou.
