Es ist nicht so einfach, das Mars Science Laboratory auf den Roten Planeten zu bringen, als den Rover auf eine Atlas V-Rakete zu schnallen und ihn in die allgemeine Richtung des Mars zu sprengen. Die Navigation von Raumfahrzeugen ist eine sehr präzise und konstante Wissenschaft. Im einfachsten Sinne bedeutet dies, jederzeit zu bestimmen, wo sich das Raumfahrzeug befindet, und es auf Kurs zum gewünschten Ziel zu halten.
Laut Tomas Martin-Mur, Chef des MSL-Navigationsteams, besteht die einzige Möglichkeit, den Curiosity Rover genau zum Mars zu bringen, darin, dass das Raumschiff ständig in den Rückspiegel auf die Erde schaut.
"Wir fahren das Raumschiff mit Daten aus dem Deep Space Network", sagte Martin-Mur gegenüber dem Space Magazine. „Wenn Sie darüber nachdenken, sehen wir den Mars nie. Wir haben keine optische Navigationskamera oder andere Instrumente, um den Mars sehen oder spüren zu können. Wir sind auf dem Weg zum Mars, während wir auf die Erde zurückblicken, und mit Messungen von der Erde aus können wir mit sehr hoher Genauigkeit zum Mars gelangen. “
Diese hohe Genauigkeit ist sehr wichtig, da MSL ein neues Einführungs-, Sink- und Landeführungssystem verwendet, mit dem das Raumschiff präziser landen kann als alle früheren Lander oder Rover.
"Es ist eine große Herausforderung, und obwohl es etwas Ähnliches ist wie das, was wir zuvor mit der Mission Mars Exploration Rover (MER) gemacht haben, wird es diesmal mit einer noch höheren Präzision durchgeführt", sagte Martin-Mur. "Dadurch können wir an einen sehr aufregenden Ort gelangen, den Gale Crater."
Auf der Erde können wir mit GPS ständig genau feststellen, wo wir uns befinden - auf unseren Handys und Navigationsgeräten. Da es auf dem Mars kein GPS gibt, kann der Rover nur dann einen genauen Punkt in der Atmosphäre des Roten Planeten erreichen und durchqueren, wenn das Navigationsteam genau weiß, wo sich das Raumschiff befindet, und wenn es weiter sagt das Raumschiff genau dort, wo es ist. Sie verwenden das Deep Space Network (DSN) für diese Bestimmungen vom Start bis zum Mars.
Das Deep Space Network besteht aus einem Netzwerk extrem empfindlicher Deep Space-Kommunikationsantennen an drei Standorten: Goldstone, Kalifornien; Madrid, Spanien; und Canberra, Australien. Die strategische Position in einem Abstand von ungefähr 120 Grad auf der Erdoberfläche ermöglicht die ständige Beobachtung von Raumfahrzeugen, wenn sich die Erde dreht.
Aber natürlich ist es nicht so einfach, die Rakete von Punkt A nach Punkt B zu bringen, da Erde und Mars keine festen Positionen im Weltraum sind. Navigatoren müssen sich den Herausforderungen stellen, die genauen Geschwindigkeiten und Ausrichtungen einer rotierenden Erde, eines rotierenden Mars sowie eines sich bewegenden, sich drehenden Raumfahrzeugs zu berechnen, während sich alle gleichzeitig in ihren eigenen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen.
Es gibt andere Faktoren wie Sonnenstrahlungsdruck und Triebwerkszündungen, die alle genau berechnet werden müssen.
Martin-Mur sagte, obwohl MSL ein viel größerer Rover mit einem größeren Raumschiff und einer größeren Rückwand als die MER-Mission ist, unterscheiden sich die Navigationswerkzeuge und Berechnungen nicht wesentlich. In mancher Hinsicht ist das Navigieren in MSL möglicherweise einfacher.
"Das Atlas V-Fahrzeug bietet einen viel präziseren Start und kann uns auf einen genaueren Weg bringen als das MER, das ein Delta II verwendet", sagte Martin-Mur. "Dadurch können wir proportional zum Pfund weniger Treibmittel verwenden, um zum Mars zu gelangen als die MER-Rover."
Die MER-Rover und Raumfahrzeuge wogen ungefähr 1 Tonne, während MSL fast 4 Tonnen wog. MSL werden 70 kg Treibmittel für die Kreuzfahrtphase zugeteilt, während die MER-Rover jeweils etwa 42 kg Treibmittel verwendeten.
Interessanterweise wird das Raumschiff etwa 400 kg Treibmittel verbrauchen, damit das MSL-Raumschiff durch die Marsatmosphäre und das Land sinken kann.
Darüber hinaus sagte Martin-Mur, dass genauere Messungen der Planeten-Ephemeride und der Interferometrie mit sehr langer Basislinie verfügbar sind, die es der Navigation ermöglichen, das Raumschiff an den richtigen Ort in der atmosphärischen Eingangsschnittstelle zu bringen, sodass sich das Fahrzeug im Bereich der Parameter befindet, die Es wurde für den Betrieb entwickelt.
Navigation beim Start
Alles beginnt mit jahrelangen Vorbereitungen und Berechnungen des Navigationsteams, das alle möglichen Flugbahnen zum Mars berechnen muss, je nachdem, wann genau die Atlas V-Rakete mit MSL an Bord startet.
In einigen Fällen gibt es buchstäblich Tausende von Startmöglichkeiten und alle möglichen Flugbahnen müssen genau berechnet werden. Die Juno-Mission hatte zum Beispiel täglich zwei Stunden Startfenster mit 3.300 möglichen Startmöglichkeiten. Für MSL enthalten die täglichen Startfenster Startmöglichkeiten in Schritten von 5 Minuten. Während der 24-tägigen Startphase hat das Team 489 verschiedene Flugbahnen für alle möglichen Startmöglichkeiten berechnet.
Aber letztendlich werden sie nur eine verwenden.
"Dies ist nicht etwas, was Sie im laufenden Betrieb tun - Sie bereiten dies alles im Voraus vor, damit Sie Zeit haben, sich zurückzulehnen und es zu bewerten und zu überprüfen", sagte ein anderes Mitglied des MSL-Navigationsteams, Neil Mottinger, der bei der Jet Propulsion Laboratory seit 1967. Er hat für viele Missionen wie Mariner, Voyager, die MER und mehrere internationale Missionen an der Navigation gearbeitet.
"Die anfängliche Funktion der Navigation beim Start besteht darin, die tatsächliche Flugbahn des Raumfahrzeugs gut genug zu bestimmen, damit das Signal des Raumfahrzeugs gut innerhalb der Strahlbreite der DSN-Antennen liegt", sagte Mottinger gegenüber dem Space Magazine.
Das Mars Science Laboratory wird sich etwa 44 Minuten nach dem Start von der Rakete trennen, die es in Richtung Mars befördert hat, wobei der Navigator jede Bewegung des Raumfahrzeugs verfolgt.
Mottinger fügte hinzu, dass es ohne die Kommunikationsfähigkeiten des DSN keine Planetenmissionen gibt. "Das Navigationsteam unternimmt alles, um sicherzustellen, dass keine Kommunikationslücken bestehen", sagte er. "Es ist Crunch-Zeit in den ersten 6-8 Stunden nach dem Start, um die genaue Position des Raumfahrzeugs bestimmen zu können."
Aus den jüngsten Problemen mit der Phobos-Grunt-Mission geht hervor, wie schwierig es ist, ein gerade gestartetes Raumschiff zu verfolgen und mit ihm zu kommunizieren.
Korrekturen während des Kurses
Auch hier hat das Navigationsteam alle Manöver und Triebwerksverbrennungen für die Mission modelliert und berechnet. Sobald MSL auf dem Weg zum Mars ist, wird das Navigationsteam alle Modelle erneut prüfen und die Manöver entwerfen, um das Raumschiff zur richtigen Eingangsschnittstelle auf dem Mars zu bringen.
"Wir werden weiterhin die Umlaufbahn bestimmen und die Manöver für das Raumschiff neu gestalten", sagte Martin-Mur. "MSL hat 1-Pfund-Triebwerke - die gleiche Größe wie das MER-Raumschiff - aber unser Raumschiff ist fast viermal schwerer, so dass die Manöver, die wir durchführen, lange dauern - einige werden Stunden dauern."
Für die interplanetare Navigation verwenden die Ingenieure entfernte Quasare als Orientierungspunkte im Weltraum, um festzustellen, wo sich das Raumschiff befindet. Quasare sind unglaublich hell, befinden sich jedoch in solch kolossalen Entfernungen, dass sie sich nicht wie nähere Hintergrundsterne am Himmel bewegen. Martin-Mur lieferte eine Liste von fast 100 verschiedenen Quasaren, die für diesen Zweck verwendet werden könnten, je nachdem, wo sich das Raumschiff befindet.
„Es ist interessant“, überlegte Martin-Mur, „mit Quasaren verwenden wir etwas, das Milliarden von Lichtjahren von uns entfernt ist, aus dem sehr frühen Universum, das so alt ist, dass sie möglicherweise gar nicht mehr da sind. Es ist wirklich cool, dass wir ein Objekt verwenden, das derzeit möglicherweise nicht mehr existiert, aber für eine sehr genaue Navigation verwenden. “
Das Navigationsteam muss auch den Sonnenstrahlungsdruck modellieren - die Auswirkung der Sonnenstrahlung auf das Raumschiff.
„Wir wissen dank unserer Freunde aus der Gruppe Solar Systems Dynamics sehr gut, wo der Mars sein wird und wo sich Erde und Sonne befinden“, sagte Martin-Mur. „Da dieses Raumschiff jedoch noch nicht im Weltraum war, ist nicht genau bekannt, wie sich der Sonnenstrahlungsdruck auf die Oberflächeneigenschaften des Raumfahrzeugs auswirkt und wie er das Raumfahrzeug stört. Wenn wir dafür kein gutes Modell haben, könnten wir Hunderte von Kilometern entfernt sein, wenn das Raumschiff von der Erde zum Mars fährt. "
Ankunft auf dem Mars
Wenn sich das Raumschiff dem Mars nähert, ist es sehr wichtig, genau zu wissen, wo sich das Raumschiff befindet. "Wir müssen das Raumschiff auf den richtigen Einstiegspunkt richten", sagte Martin-Mur, "und dem Raumschiff mitteilen, wo es eintreten wird, damit es seinen Weg zum Landeplatz finden kann."
Das MSL Entry Descent and Landing Instrumentation (MEDLI) überträgt Informationen zur Erde zurück, wenn die Sonde in die Atmosphäre eintritt, und lässt die Navigatoren - und das Wissenschaftsteam - genau wissen, wo der Rover gelandet ist.
Nur dann kann das Navigationsteam - vielleicht - aufatmen.
