Marsi teaduslabori jõudmine Punasele planeedile pole nii lihtne, kui lihtsalt hõljuda raketile Atlas V raketi ja lõhkeda see Marsi üldises suunas. Kosmoselaevade navigeerimine on väga täpne ja pidev teadus ning lihtsustatult tähendab see, et kosmoseaparaat on kogu aeg otsas ja hoitakse kursil soovitud sihtkohta.
Ja, ütles MSL-i navigatsioonimeeskonna pealik Tomas Martin-Mur, on Curiosity roveri Marsile jõudmiseks ainus viis kosmoselaeva pidevalt Maal tahavaatepeeglisse vaatamine.
"See, mida me teeme, on kosmoselaeva" juhtimine ", kasutades Deep Space Network andmeid," rääkis Martin – Mur kosmoseajakirjale. “Kui järele mõelda, ei näe me kunagi Marsi. Meil pole optilist navigeerimiskaamerat ega muid seadmeid, mis võimaldaksid Marsi näha või tajuda. Suundume Marsile, vaadates kogu aeg Maale tagasi ja Maa peal tehtavate mõõtmistega pääseme Marsile väga suure täpsusega. ”
See kõrge täpsus on väga oluline, kuna MSL kasutab uut sisenemise, laskumise ja maandumise juhtimissüsteemi, mis võimaldab kosmoselaeval maanduda täpsemini kui kõik varasemad maandurid või roverid.
"See on väga keeruline ja kuigi see sarnaneb sellega, mida oleme varem teinud Mars Exploration Roveri (MER) missiooniga, tehakse seda seekord veelgi suurema täpsusastmega," ütles Martin-Mur. "See võimaldab meil pääseda väga põnevasse kohta, Gale Crater."
Maa peal leiame pidevalt GPS-iga täpselt oma asukoha - see on meie mobiiltelefonides ja navigatsiooniseadmetes. Kuid Marsil pole GPS-i, seega on ainus viis, kuidas rover edasi pääseb ja läbi saab - Punase Planeedi atmosfääri täpne punkt on see, et navigatsioonimeeskonnad teavad täpselt, kus kosmoselaev asub, ja neile, kes neid pidevalt räägivad kosmoselaev täpselt seal, kus see asub. Nad kasutavad nende määramiste jaoks süvakosmosevõrku (DSN) alates stardist kuni Marsini.
Deep Space Network koosneb ülitundlike süvakosmoseantennide võrgustikust kolmes asukohas: Goldstone, California; Madrid, Hispaania; ja Canberra, Austraalia. Strateegiline paigutus Maa pinnast umbes 120 kraadi kaugusel võimaldab kosmoselaevade pidevat jälgimist Maa pöörlemisel.
Kuid muidugi pole see nii lihtne kui lihtsalt raketi saamine punktist A punkti B, kuna Maa ja Mars pole kosmoses fikseeritud positsioonid. Navigaatorid peavad vastama pöörleva Maa, pöörleva Marsi ja liikuva pöörleva kosmoselaeva täpse kiiruse ja orientatsiooni arvutamise väljakutsetele, samal ajal kui kõik liiguvad samaaegselt omal orbiidil ümber Päikese.
On ka teisi tegureid, näiteks päikesekiirguse rõhk ja tõukejõu tulistamine, mis kõik tuleb täpselt välja arvutada.
Martin-Mur ütles, et kuigi MSL on palju suurem rover suurema kosmoselaeva ja seljaga kui MER-i missioon, pole navigeerimisriistad ja arvutused palju erinevad. Ja mõnes mõttes võib MSL-is navigeerimine olla lihtsam.
"Atlas V sõiduk pakub palju täpsemat käivitamist ja võib meid suunata täpsemale teele kui MER, mis kasutas Delta II," ütles Martin-Mur. "See võimaldab meil Marsile jõudmiseks kasutada vähem propellenti, proportsionaalselt naela kohta, kui seda tegid MER-i roverid."
MER-roolid ja kosmoseaparaadid kaalusid umbes 1 tonn, MSL aga peaaegu 4 tonni. MSL-ile on kruiisiperioodil eraldatud 70 kg raketikütust, samal ajal kui MER-i kaubikud kasutasid umbes 42 kg raketikütust.
Huvitav on see, et kosmoselaeva MSL laskumiseks läbi Marsi atmosfääri ja maa, kasutab kosmoseaparaat umbes 400 kg raketikütust.
Lisaks on Martin-Mur öelnud, et on olemas täpsemad planeetide efemeeride ja väga pika algtaseme interferomeetria mõõtmised, mis võimaldavad navigeerimisel kosmoselaeva atmosfääri sisenemisliidesesse õigesse kohta viia, nii et sõiduk asub parameetrite vahemikus, mis see on loodud tööks.
Navigeerimine käivitamisel
Kõik algab aastatepikkuste ettevalmistuste ja navigatsioonimeeskonna tehtud arvutuste abil, mis peavad arvutama kõik võimalikud trajektoorid Marsile, sõltuvalt sellest, millal Atlas V rakett koos MSL-iga pardal stardib.
Mõnel juhul on sõna otseses mõttes tuhandeid stardivõimalusi ja kõik võimalikud trajektoorid tuleb täpselt välja arvutada. Näiteks Juno missioonil olid kahetunnised igapäevased stardiaknad, kus oli 3300 võimalikku käivitusvõimalust. MSL-i jaoks sisaldavad igapäevased käivitusaknad tõstevõimalusi 5-minutise sammuga. 24-päevase stardiperioodi vältel on meeskond arvutanud 489 erinevat trajektoori kõigi võimalike stardivõimaluste jaoks.
Kuid lõpuks kasutavad nad ainult ühte.
"See pole asi, mida teete lennult - valmistate selle kõik ette ette, nii et teil on aega maha istuda, seda hinnata ja kontrollida," ütles MSL-i teine navigatsioonimeeskonna liige Neil Mottinger, kes on töötanud Reaktiivmootorite laboratoorium alates 1967. aastast. Ta on töötanud navigeerimise alal paljudel missioonidel nagu Mariner, Voyager, HTM ja mitmetel rahvusvahelistel missioonidel.
"Navigeerimise algfunktsioon käivitamisel on kosmoseaparaadi tegeliku trajektoori kindlaksmääramine piisavalt hästi, nii et kosmoselaeva signaal jääks DSN-i antennide kiire laiusesse," rääkis Mottinger Space Magazine'ile.
Marsi teaduslabor eraldub raketist, mis tõstis seda Marsi suunas, umbes 44 minutit pärast laskmist, navigaatori jälgides kosmoselaeva iga liigutust.
Mottinger lisas, et ilma DSN-i kommunikatsioonivõimeta pole planeedimissioone. "Navigeerimismeeskond teeb kõik endast oleneva, et olla kindel, et kommunikatsioonis pole lünki," sõnas ta. "Kosmoseaparaadi täpse asukoha määramiseks on esimese 6-8 tunni jooksul pärast veeskamist raputusaeg."
Phobos-Grunti missiooni hiljutistest probleemidest on ilmne, kui keeruline on äsja lastud kosmoselaevaga jälgida ja suhelda.
Kursuse keskpaiga parandused
Jälle on navigatsioonimeeskond modelleerinud ja arvutanud välja kõik missiooni jaoks vajalikud manöövrid ja tõukejõu põletused. Kui MSL on teel Marsile, vaatab navigatsioonimeeskond uuesti läbi kõik nende mudelid ja kavandab manöövrid kosmoselaeva viimiseks Marsi paremale sisenemisliidesele.
"Me jätkame orbiidi määramist ja kavandame kosmoselaeva manöövreid ümber," ütles Martin-Mur. "MSL-il on 1 naela tõukejõud - sama suur kui MER-i kosmoselaeval -, kuid meie kosmoselaev on peaaegu neli korda raskem, nii et manöövrid võtavad kaua aega - mõni võtab tunde."
Planeedidevahelise navigeerimise jaoks kasutavad insenerid kosmosesõiduki asukoha määramiseks orientiiridena kaugeid kvaasare. Kvaarid on uskumatult heledad, kuid asuvad nii kolossaalsete vahemaade taga, et nad ei liigu taevas nagu lähedasemad taustatähed. Martin-Mur esitas nimekirja peaaegu 100 erinevast kvasarist, mida võiks sel eesmärgil kasutada, sõltuvalt sellest, kus kosmoselaev asub.
"See on huvitav," pomises Martin-Mur, "kvaasaritega kasutame midagi, mis on meist miljardite valgusaastate kaugusel väga varajasest universumist ja mis on nii vanad, et neid polekski võib-olla enam olemas. On väga lahe, et me kasutame eset, mida praegu enam ei eksisteeri, kuid kasutame neid väga täpseks navigeerimiseks. ”
Navigeerimismeeskond peab modelleerima ka päikesekiirguse rõhu - Päikese kiirguse mõju kosmoselaevale.
"Me teame väga hästi, tänu oma sõpradele Päikesesüsteemide dünaamika grupist, kus Marss saab olema ja kus on Maa ja Päike," ütles Martin-Mur. Kuid kuna seda kosmoselaeva pole varem kosmoses olnud, pole täpselt teada, kuidas päikesekiirguse rõhk mõjutab kosmoselaeva pinnaomadusi ja kuidas see kosmoseaparaati häirib. Kui meil pole selleks head mudelit, võiksime olla sadade kilomeetrite kaugusel, kui kosmoselaev läheb Maalt Marsile. ”
Saabumine Marsile
Kosmoselaeva lähenedes Marsile on väga oluline täpselt teada saada, kus kosmoselaev asub. "Peame suunama kosmoselaeva õigesse sisenemispunkti," ütles Martin-Mur ja "ütlema kosmoselaevale, kuhu see siseneb, et see leiaks tee maandumiskohale."
MSL sisenemise laskumise ja maandumise mõõteriistad ehk MEDLI vooguvad andmed atmosfääri sisenemisel tagasi Maale, lastes navigaatoritel - ja teaduse meeskonnal - täpselt teada saada, kuhu rover on maandunud.
Alles siis saab navigatsioonimeeskond - võib-olla - kergendatult hingata.
