Потрапити в Наукову лабораторію Марса на Червону планету не так просто, як просто прив’язати ровер до ракети Atlas V і підірвати його в загальному напрямку Марса. Навігація на космічних кораблях - дуже точна і постійна наука, і найпростіше кажучи, це передбачає визначення місця перебування космічного корабля в усі часи і тримати його на шляху до потрібного пункту призначення.
І, зазначає керівник навігаційної команди MSL Томаш Мартін-Мур, єдиний спосіб точно переїхати на Марс на ровері Curiosity - це космічний апарат постійно дивитись у дзеркало заднього огляду на Землі.
"Ми робимо" керування "космічним кораблем, використовуючи дані з глибокої космічної мережі", - сказав Мартин – Мур для Space Magazine. "Якщо ви подумаєте над цим, ми ніколи не побачимо Марса. У нас немає оптичної камери навігації чи будь-яких інших інструментів, які б могли побачити або відчути Марс. Ми прямуємо до Марса, весь час озираючись до Землі, і за допомогою вимірювань із Землі ми можемо дістатись до Марса з дуже високою точністю ».
Ця висока точність є дуже важливою, оскільки MSL використовує нову систему наведення, спуску та посадки, яка дозволить космічному апарату приземлитися більш точно, ніж будь-які попередні десантники або мотоблоки.
"Це дуже складно, і, хоча це щось подібне до того, що ми робили раніше з місією Mars Exploration Rover (MER), цього разу це буде зроблено з ще більш високим рівнем точності", - сказав Мартін-Мур. "Це дозволяє нам дістатися до дуже захоплюючого місця, Гейл Кратер".
На Землі ми постійно можемо знайти саме там, де ми знаходимося з GPS - що є на наших мобільних телефонах та навігаційному обладнанні. Але на Марсі немає GPS, тому єдиний спосіб, коли ровер зможе проїхати і пройти - точний момент в атмосфері Червоної планети - це навігаційна команда точно знати, де знаходиться космічний корабель, і про те, щоб вони постійно розповідали космічний корабель саме там, де він є. Вони використовують Глибоку космічну мережу (DSN) для тих визначень від запуску, аж до Марса.
Мережа Deep Space складається з мережі надзвичайно чутливих антен глибокого космосу в трьох місцях: Голдстоун, Каліфорнія; Мадрид, Іспанія; та Канберра, Австралія. Стратегічне розміщення приблизно на відстані 120 градусів від поверхні Землі дозволяє постійно спостерігати за космічними кораблями під час обертання Землі.
Але, звичайно, це не так просто, як просто дістати ракету від точки А до точки В, оскільки Земля і Марс не є фіксованими положеннями в просторі. Навігатори повинні відповідати завданням обчислення точних швидкостей та орієнтацій обертової Землі, обертового Марса, а також рухомого, що обертається космічного корабля, при цьому всі одночасно подорожують на власних орбітах навколо Сонця.
Існують й інші фактори, такі як тиск сонячного випромінювання та випали, що мають ударні сили, які всі повинні бути точно розраховані.
Мартін-Мур сказав, що хоча MSL є значно більшим ровером з більшим космічним кораблем і заднім корпусом, ніж місія MER, навігаційні інструменти та розрахунки не сильно відрізняються. І певним чином навігація по MSL може бути простішою.
"Автомобіль Atlas V забезпечує набагато більш точний запуск і може поставити нас на більш точний шлях, ніж MER, де використовується Delta II", - сказала Мартін-Мур. "Це дозволяє нам використовувати менше пального, пропорційно на фунт, щоб дістатися до Марса, ніж це робили MER".
Ровери та космічні апарати MER важили близько 1 тонни, тоді як MSL важить майже 4 тонни. MSL виділяє 70 кг ракетного палива для круїзного етапу, в той час як мотори MER використовували близько 42 кг пального.
Цікаво, що для того, щоб космічний корабель MSL спустився через атмосферу і сушу Марса, космічний апарат буде використовувати близько 400 кг ракетного палива.
Крім того, Мартін-Мур сказав, що є більш точні планетарні ефемериди та дуже довгі базові інтерферометричні вимірювання, що дозволяє навігації мати можливість доставити космічний корабель до потрібного місця в інтерфейсі входу в атмосферу, тому автомобіль опиняється в діапазоні параметрів, які він був розроблений для роботи.
Навігація при запуску
Все починається з років підготовки та розрахунків навігаційної команди, яка повинна обчислити всі можливі траєкторії на Марс залежно від того, коли саме ракета Atlas V запускається з борту MSL.
У деяких випадках є буквально тисячі можливостей запуску, і всі можливі траєкторії повинні бути розраховані точно. Наприклад, місія Juno мала щогодиничні щоденні запуски вікон із 3300 можливими можливостями запуску. Для MSL щоденні вікна запуску містять можливості витримки з кроком 5 хвилин. Протягом 24-денного періоду запуску команда обчислила 489 різних траєкторій для всіх можливих можливостей запуску.
Але в кінцевому підсумку вони в кінцевому підсумку використовуватимуть лише один.
"Це не те, що ти робиш на льоту - ти все це заздалегідь підготуєш, щоб ти встиг сидіти і оцінити це і перевірити", - сказав інший член навігаційної команди MSL Ніл Моттінгер, який працював у Лабораторія реактивного руху з 1967 року. Він працював над навігацією в багатьох місіях, таких як "Марінер", "Вояджер", МЕР та декількох міжнародних місіях.
"Початкова функція навігації при запуску полягає в тому, щоб визначити фактичну траєкторію космічного корабля досить добре, щоб сигнал космічного корабля знаходився в межах ширини променя антен DSN", - заявив Моттінгер для Space Magazine.
Наукова лабораторія Марса відокремиться від ракети, яка прискорила її до Марса приблизно через 44 хвилини після запуску, при цьому навігатор слідкує за кожним рухом космічного корабля.
Моттінгер додав, що без комунікаційних можливостей DSN не існує планетарних місій. "Команда навігації робить все можливе, щоб переконатися, що у спілкуванні немає прогалин", - сказав він. "Це час хрускоту протягом перших 6-8 годин після запуску, щоб можна було визначити точне положення космічного корабля."
З останніх проблем з місією Фобос-Грунт видно, як складно відстежувати та спілкуватися з щойно запущеним космічним кораблем.
Виправлення середнього курсу
Знову навігаційна команда змоделювала та обчислила всі маневри та опіки тяги для місії. Після того, як MSL вирушає на Марс, навігаційна команда перегляне всі свої моделі та сконструює маневри, щоб перевезти космічний корабель до потрібного інтерфейсу в'їзду на Марс.
"Ми продовжуватимемо визначати орбіту і переробляти маневри космічного корабля", - сказав Мартін-Мур. "MSL має ударні двигуни на 1 фунт - такого ж розміру, як і космічний корабель MER, але наш космічний апарат майже в чотири рази важчий, тому маневри, які ми виконуємо, тривають багато часу - деякі займуть години".
Для міжпланетної навігації інженери використовують віддалені квазари як орієнтири в космосі для орієнтації на місце космічного корабля. Квазари неймовірно яскраві, але знаходяться на таких колосальних відстанях, що вони не рухаються в небі, як ближчі фонові зірки. Мартін-Мур надав перелік майже 100 різних квазарів, які могли бути використані для цієї мети, залежно від того, де знаходиться космічний апарат.
"Цікаво, - замислювався Мартін-Мур," за допомогою квазарів ми використовуємо щось, що знаходиться на відстані мільярдів світлових років від нас, від самого раннього Всесвіту, настільки старої, що їх вже навіть не може бути там. Дуже здорово, що ми використовуємо об’єкт, який наразі може не існувати, але використовуємо їх для дуже точної навігації ».
Навігаційній команді також потрібно моделювати тиск сонячного випромінювання - вплив, яке має випромінювання Сонця на космічний апарат.
"Ми добре знаємо, завдяки нашим друзям з групи" Сонячна система динаміки ", де буде Марс і де Земля і Сонце", - сказав Мартін Мур. "Але оскільки цей космічний апарат раніше не був у космосі, то невідомо точно, як тиск сонячного випромінювання впливатиме на поверхневі властивості космічного корабля і як буде збурений космічний корабель. Якщо у нас не буде гарної моделі для цього, ми можемо бути за сотні кілометрів, коли космічний корабель йде від Землі до Марса ".
Прибуття на Марс
Коли космічний корабель наближається до Марса, дуже важливо точно знати, де знаходиться космічний корабель. "Нам потрібно націлити космічний апарат на потрібну точку входу, - сказав Мартин-Мур, - і сказати космічному апарату, куди він ввійде, щоб він зміг знайти свій шлях до місця посадки".
MSL Entry Descent and Landing Instrumentation, або MEDLI, передасть інформацію назад на Землю, коли зонд потрапляє в атмосферу, дозволяючи навігаторам - і науковій команді - точно знати, де приземлився ровер.
Тільки тоді команда навігації зможе - можливо - полегшити зітхання.
