Portare il Mars Science Laboratory sul Pianeta Rosso non è facile come semplicemente legare il rover su un razzo Atlas V e lanciarlo nella direzione generale di Marte. La navigazione dei veicoli spaziali è una scienza molto precisa e costante e, in termini più semplici, comporta la determinazione della posizione del veicolo spaziale in ogni momento e il mantenimento della rotta verso la destinazione desiderata.
E, afferma il capo del team di navigazione di MSL, Tomas Martin-Mur, l'unico modo per portare con precisione il rover Curiosity su Marte è che il veicolo spaziale guardi costantemente nello specchietto retrovisore verso la Terra.
"Quello che facciamo è" guidare "l'astronave utilizzando i dati della Deep Space Network", ha dichiarato Martin – Mur a Space Magazine. “Se ci pensi, non vedremo mai Marte. Non abbiamo una videocamera di navigazione ottica o altri strumenti per poter vedere o percepire Marte. Stiamo andando su Marte, mentre guardiamo sempre indietro alla Terra, e con le misurazioni dalla Terra siamo in grado di raggiungere Marte con una precisione molto elevata. "
Questa elevata precisione è molto importante perché MSL sta utilizzando un nuovo sistema di guida per l'entrata, la discesa e l'atterraggio che consentirà all'astronave di atterrare in modo più preciso rispetto ai precedenti lander o rover.
"È molto impegnativo, e anche se è qualcosa di simile a quello che abbiamo fatto prima con la missione Mars Exploration Rover (MER), questa volta sarà fatto con un livello di precisione ancora maggiore", ha detto Martin-Mur. "Questo ci consente di raggiungere un posto molto eccitante, il cratere Gale."
Sulla Terra, possiamo costantemente trovare esattamente dove siamo con il GPS, che è sui nostri telefoni cellulari e apparecchiature di navigazione. Ma non esiste un GPS su Marte, quindi l'unico modo in cui il rover sarà in grado di andare - e attraverso - un punto preciso nell'atmosfera del Pianeta Rosso è che il team di navigazione sappia esattamente dove si trova l'astronave e che continuino a dirlo l'astronave esattamente dove si trova. Usano la Deep Space Network (DSN) per quelle determinazioni dal lancio, fino a Marte.
La Deep Space Network è costituita da una rete di antenne di comunicazione nello spazio profondo estremamente sensibili in tre posizioni: Goldstone, California; Madrid, Spagna; e Canberra, in Australia. La posizione strategica a circa 120 gradi di distanza sulla superficie terrestre consente l'osservazione costante di veicoli spaziali mentre la Terra ruota.
Ma ovviamente, non è facile come ottenere il razzo dal punto A al punto B poiché Terra e Marte non sono posizioni fisse nello spazio. I navigatori devono affrontare le sfide del calcolo delle velocità e degli orientamenti esatti di una Terra in rotazione, di un Marte in rotazione, nonché di un veicolo spaziale in movimento e rotante, mentre tutti viaggiano simultaneamente nelle proprie orbite attorno al Sole.
Esistono altri fattori come la pressione della radiazione solare e i colpi del propulsore che devono essere calcolati con precisione.
Martin-Mur ha affermato che, sebbene MSL sia un rover molto più grande con un veicolo spaziale e un guscio posteriore più grandi rispetto alla missione MER, gli strumenti di navigazione e i calcoli non sono molto diversi. E per certi versi, navigare in MSL potrebbe essere più semplice.
"Il veicolo Atlas V offre un lancio molto più preciso e può metterci in un percorso più preciso rispetto al MER, che utilizzava un Delta II", ha affermato Martin-Mur. "Questo ci consente di utilizzare meno propellente, proporzionalmente per libbra, per arrivare su Marte rispetto ai rover MER."
I rover e veicoli spaziali MER pesavano circa 1 tonnellata, mentre MSL pesa quasi 4 tonnellate. A MSL sono assegnati 70 kg di propellente per la fase di crociera, mentre i rover MER hanno utilizzato ciascuno circa 42 kg di propellente.
È interessante notare che per il veicolo spaziale MSL per scendere attraverso l'atmosfera e la terra di Marte, il veicolo spaziale utilizzerà circa 400 kg di propellente.
Inoltre, Martin-Mur ha affermato che sono disponibili misurazioni planetarie più precise e misurazioni dell'interferometria di base molto lunghe, consentendo alla navigazione di essere in grado di consegnare il veicolo spaziale nel posto giusto nell'interfaccia di ingresso atmosferica, quindi il veicolo si trova nella gamma di parametri che è stato progettato per funzionare.
Navigazione all'avvio
Tutto inizia con anni di preparativi e calcoli da parte del team di navigazione, che deve calcolare tutte le possibili traiettorie su Marte a seconda del momento esatto in cui il razzo Atlas V si lancia con MSL a bordo.
In alcuni casi ci sono letteralmente migliaia di opportunità di lancio e tutte le possibili traiettorie devono essere calcolate con precisione. La missione di Juno, ad esempio, aveva finestre di lancio giornaliere di due ore con 3.300 possibili opportunità di lancio. Per MSL le finestre di lancio giornaliere contengono opportunità di decollo con incrementi di 5 minuti. Durante il periodo di lancio di 24 giorni il team ha calcolato 489 traiettorie diverse per tutte le possibili opportunità di lancio.
Ma alla fine, finiranno per usarne solo uno.
"Questo non è qualcosa che fai al volo - ti prepari tutto con largo anticipo in modo da avere il tempo di sederti e valutarlo e controllarlo", ha detto un altro membro del team di navigazione MSL, Neil Mottinger, che ha lavorato presso il Jet Propulsion Laboratory dal 1967. Ha lavorato alla navigazione per molte missioni come Mariner, Voyager, MER e diverse missioni internazionali.
"La funzione iniziale della navigazione al momento del lancio è quella di determinare la traiettoria del veicolo spaziale in modo sufficientemente adeguato in modo che il segnale del veicolo spaziale sia ben all'interno della larghezza del raggio delle antenne DSN", ha detto Mottinger a Space Magazine.
Il Mars Science Laboratory si separerà dal razzo che lo ha spinto verso Marte circa 44 minuti dopo il lancio, con il navigatore che segue ogni movimento della navicella spaziale.
Mottinger ha aggiunto che senza le capacità di comunicazione del DSN, non ci sono missioni planetarie. "Il team di navigazione fa tutto il possibile per assicurarsi che non vi siano lacune nella comunicazione", ha affermato. "È tempo di scricchiolio nelle prime 6-8 ore dopo il lancio per poter determinare la posizione esatta del veicolo spaziale."
Dai recenti problemi con la missione Phobos-Grunt, è evidente quanto sia difficile rintracciare e comunicare con un veicolo spaziale appena lanciato.
Correzioni a metà corso
Ancora una volta, il team di navigazione ha modellato e calcolato tutte le manovre e le bruciature del propulsore per la missione. Una volta che MSL sta arrivando su Marte, il team di navigazione rivedrà tutti i suoi modelli e progetterà le manovre per portare il veicolo spaziale alla giusta interfaccia di ingresso su Marte.
"Continueremo a determinare l'orbita e a riprogettare le manovre per il veicolo spaziale", ha affermato Martin-Mur. "MSL ha propulsori da 1 kg - le stesse dimensioni del veicolo spaziale MER - ma il nostro veicolo spaziale è quasi quattro volte più pesante, quindi le manovre che facciamo impiegano molto tempo - alcune richiederanno ore."
Per la navigazione interplanetaria, gli ingegneri utilizzano quasar distanti come punti di riferimento nello spazio per riferimento a dove si trova il veicolo spaziale. I quasar sono incredibilmente luminosi, ma sono a distanze colossali che non si muovono nel cielo come fanno le stelle di sfondo più vicine. Martin-Mur ha fornito un elenco di quasi 100 diversi quasar che potrebbero essere utilizzati per questo scopo, a seconda di dove si trova il veicolo spaziale.
"È interessante," rifletté Martin-Mur, "con i quasar stiamo usando qualcosa che è lontano miliardi di anni luce da noi, dall'universo primordiale, che sono così vecchi che potrebbero non essere più lì. È davvero bello usare un oggetto che al momento potrebbe non esistere più, ma utilizzarlo per una navigazione molto precisa. "
Il team di navigazione deve anche modellare la pressione della radiazione solare - l'effetto che la radiazione solare ha sul veicolo spaziale.
"Sappiamo molto bene, grazie ai nostri amici del gruppo Solar Systems Dynamics, dove Marte sarà e dove saranno la Terra e il Sole", ha detto Martin-Mur. “Ma dal momento che questo veicolo spaziale non è mai stato nello spazio prima, ciò che non si sa con precisione è come la pressione della radiazione solare influenzerà le proprietà della superficie del veicolo spaziale e come perturberà il veicolo spaziale. Se non abbiamo un buon modello per questo, potremmo essere a centinaia di chilometri di distanza mentre la navicella spaziale va dalla Terra a Marte. "
Arrivando su Marte
Man mano che l'astronave si avvicina a Marte, è molto importante sapere esattamente dove si trova l'astronave. "Dobbiamo puntare la navicella spaziale verso il giusto punto di entrata", ha detto Martin-Mur, "e dire alla navicella spaziale dove entrerà, così sarà in grado di trovare la sua strada verso il sito di atterraggio".
La MSL Entry Descent and Landing Instrumentation, o MEDLI, trasmetterà le informazioni sulla Terra mentre la sonda entra nell'atmosfera, consentendo ai navigatori - e al team scientifico - di sapere esattamente dove è atterrato il rover.
Solo così il team di navigazione sarà in grado - forse - di emettere un sospiro di sollievo.