การเดินทางไปยังห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ของดาวอังคารไปยังดาวเคราะห์สีแดงนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนแค่ผูกยานสำรวจบนจรวด Atlas V แล้วทำการระเบิดในทิศทางทั่วไปของดาวอังคาร การนำทางยานอวกาศเป็นวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำและคงที่มากและในแง่ที่ง่ายที่สุดมันส่งผลต่อการพิจารณาว่ายานอยู่ที่ไหนตลอดเวลาและทำให้มันอยู่ในเส้นทางที่ต้องการ
และหัวหน้าทีมนำทางของ MSL โทมัสมาร์ติน - มูร์กล่าวว่าวิธีเดียวที่จะนำยานอวกาศ Curiosity มาสู่ดาวอังคารได้อย่างแม่นยำนั้นคือยานอวกาศที่จะมองไปที่กระจกมองหลังบนโลกอย่างต่อเนื่อง
“ สิ่งที่เราทำคือ 'ขับยานอวกาศโดยใช้ข้อมูลจากเครือข่ายห้วงอวกาศ” Martin – Mur บอกกับนิตยสาร Space “ ถ้าคุณคิดเกี่ยวกับมันเราไม่เคยเห็นดาวอังคาร เราไม่มีกล้องนำทางด้วยแสงหรือเครื่องมืออื่นใดที่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสดาวอังคารได้ เรากำลังมุ่งหน้าสู่ดาวอังคารทุกขณะที่มองย้อนกลับไปยังโลกและด้วยการวัดจากโลกเราจึงสามารถไปยังดาวอังคารด้วยความแม่นยำสูงมาก”
ความแม่นยำสูงนี้มีความสำคัญมากเนื่องจาก MSL กำลังใช้ระบบนำทางและการลงจอดใหม่ซึ่งจะช่วยให้ยานอวกาศลงจอดได้แม่นยำกว่ายานแลนเดอร์หรือโรเวอร์
“ มันเป็นเรื่องที่ท้าทายมากและถึงแม้ว่ามันจะคล้ายกับสิ่งที่เราเคยทำก่อนหน้านี้กับภารกิจ Mars Exploration Rover (MER) แต่คราวนี้มันจะทำในระดับความแม่นยำที่สูงขึ้น” Martin-Mur กล่าว “ นั่นทำให้เราสามารถไปยังสถานที่ที่น่าตื่นเต้นมาก Gale Crater”
บนโลกเราพบว่าเราอยู่ที่ไหนด้วย GPS อย่างต่อเนื่อง - ซึ่งอยู่บนโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์นำทาง แต่ไม่มีจีพีเอสที่ดาวอังคารดังนั้นวิธีเดียวที่รถแลนด์โรเวอร์จะสามารถเดินทางไป - ผ่านจุดที่แม่นยำในชั้นบรรยากาศของเรดแพลนเน็ตคือสำหรับทีมนำทางที่จะรู้ว่ายานอยู่ที่ไหนและให้พวกเขาบอกต่อไป ยานอวกาศอยู่ตรงไหน พวกเขาใช้เครือข่ายห้วงอวกาศ (DSN) สำหรับการตัดสินใจเหล่านั้นตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงดาวอังคาร
เครือข่ายห้วงอวกาศประกอบด้วยเครือข่ายเสาอากาศสื่อสารที่มีความละเอียดอ่อนมากที่สถานที่สามแห่ง: Goldstone, California; มาดริด, สเปน; และแคนเบอร์ราออสเตรเลีย การวางตำแหน่งเชิงกลยุทธ์ห่างกันประมาณ 120 องศาบนพื้นผิวโลกช่วยให้สามารถสังเกตยานอวกาศได้อย่างต่อเนื่องขณะที่โลกหมุน
แต่แน่นอนว่าไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนการเอาจรวดจากจุด A ไปยังจุด B เนื่องจาก Earth และ Mars ไม่ได้อยู่ในตำแหน่งคงที่ในอวกาศ ผู้นำต้องพบกับความท้าทายในการคำนวณความเร็วที่แน่นอนและทิศทางของโลกหมุนรอบดาวอังคารที่กำลังหมุนตลอดจนยานอวกาศที่กำลังหมุนและหมุนรอบตัวในขณะที่ทุกคนกำลังเดินทางไปในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์พร้อมกัน
มีปัจจัยอื่น ๆ เช่นความดันการแผ่รังสีแสงอาทิตย์และการเผาทรัสเตอร์ที่ทุกคนต้องคำนวณอย่างแม่นยำ
Martin-Mur กล่าวว่าแม้ว่า MSL จะเป็นยานสำรวจขนาดใหญ่ที่มียานอวกาศและ backshell มากกว่าภารกิจ MER แต่เครื่องมือการนำทางและการคำนวณไม่แตกต่างกันมากนัก และในบางวิธีการนำ MSL อาจทำได้ง่ายกว่า
"ยานพาหนะ Atlas V ให้การเปิดตัวที่แม่นยำยิ่งขึ้นและสามารถทำให้เราอยู่ในเส้นทางที่แม่นยำกว่า MER ซึ่งใช้ Delta II" Martin-Mur กล่าว “ สิ่งนี้ช่วยให้เราใช้จรวดน้อยลงตามสัดส่วนต่อปอนด์เพื่อไปยังดาวอังคารได้มากกว่าที่โรเวอร์ MER ใช้”
ยานสำรวจและยานอวกาศ MER ชั่งน้ำหนักประมาณ 1 ตันในขณะที่ MSL มีน้ำหนักเกือบ 4 ตัน MSL ได้รับการจัดสรร 70 กิโลกรัมของจรวดสำหรับการล่องเรือในขณะที่ MER โรเวอร์แต่ละคนใช้ประมาณ 42 กิโลกรัมของจรวด
ที่น่าสนใจสำหรับยานอวกาศ MSL ที่จะผ่านชั้นบรรยากาศและพื้นดินของดาวอังคารยานอวกาศจะใช้ตัวขับเคลื่อนประมาณ 400 กิโลกรัม
นอกจากนี้ Martin-Mur ยังมีการตรวจสอบ ephemeris ดาวเคราะห์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นและการวัด Interferometry แบบ Long Long Baseline ที่แม่นยำยิ่งขึ้นทำให้การนำทางสามารถส่งยานอวกาศไปยังสถานที่ที่เหมาะสมในอินเทอร์เฟซการเข้าสู่บรรยากาศ มันถูกออกแบบมาเพื่อใช้งาน
การนำทางที่เปิดตัว
ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยการเตรียมการและการคำนวณเป็นเวลาหลายปีโดยทีมนำทางซึ่งจะต้องคำนวณเส้นทางโคจรที่เป็นไปได้ทั้งหมดไปยังดาวอังคารขึ้นอยู่กับว่าจรวด Atlas V เปิดตัวด้วย MSL บนเรือแน่นอน
ในบางกรณีมีโอกาสในการเปิดตัวหลายพันตัวและจะต้องคำนวณวิถีทั้งหมดที่เป็นไปได้อย่างแม่นยำ ยกตัวอย่างเช่นภารกิจของ Juno มีหน้าต่างการเปิดตัวสองชั่วโมงต่อวันพร้อมโอกาสในการเปิดตัว 3,300 ครั้ง สำหรับ MSL หน้าต่างการเรียกใช้งานรายวันจะมีโอกาสในการเปิดใช้งานเพิ่มขึ้น 5 นาที ตลอดระยะเวลาการเปิดตัว 24 วันทีมได้คำนวณวิถีกระสุนที่แตกต่างกัน 489 ครั้งสำหรับโอกาสในการเปิดตัวที่เป็นไปได้ทั้งหมด
แต่ท้ายที่สุดพวกเขาจะใช้เพียงหนึ่งเดียว
“ นี่ไม่ใช่สิ่งที่คุณทำในทันที - คุณเตรียมความพร้อมทั้งหมดล่วงหน้าเพื่อให้คุณมีเวลานั่งลงและประเมินผลและตรวจสอบ” Neil Mottinger ซึ่งเป็นสมาชิกทีมนำทาง MSL คนอื่นที่ทำงานที่ Jet Propulsion Laboratory ตั้งแต่ปี 1967 เขาทำงานในการนำทางสำหรับหลายภารกิจเช่น Mariner, Voyager, MER และภารกิจระหว่างประเทศหลายแห่ง
“ ฟังก์ชั่นเริ่มต้นของการนำทางในการเปิดตัวคือการกำหนดวิถีการเคลื่อนที่ของยานอวกาศที่แท้จริงเพียงพอดังนั้นสัญญาณยานอวกาศจะอยู่ในช่วงกว้างของคานเสาอากาศของ DSN” Mottinger กล่าวกับนิตยสาร Space
ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ของดาวอังคารจะแยกออกจากจรวดที่เพิ่มขึ้นสู่ดาวอังคารในเวลาประมาณ 44 นาทีหลังจากการเปิดตัวโดยนักเดินเรือจะติดตามยานอวกาศทุกการเคลื่อนไหว
Mottinger กล่าวเพิ่มเติมว่าหากไม่มีความสามารถในการสื่อสารของ DSN จะไม่มีภารกิจของดาวเคราะห์ “ ทีมการนำทางทำทุกอย่างเท่าที่ทำได้เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีช่องว่างในการสื่อสาร” เขากล่าว “ มันเป็นเวลาที่เกิดวิกฤติในช่วง 6-8 ชั่วโมงแรกหลังจากการเปิดตัวเพื่อกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของยานอวกาศ”
จากปัญหาล่าสุดกับภารกิจ Phobos-Grunt มันชัดเจนว่าเป็นการยากที่จะติดตามและสื่อสารกับยานอวกาศที่เพิ่งเปิดตัว
การแก้ไขระดับกลาง
อีกครั้งที่ทีมนำทางได้สร้างแบบจำลองและคำนวณการซ้อมรบและทรัสเตอร์ทั้งหมดสำหรับภารกิจ เมื่อ MSL กำลังจะมาถึงดาวอังคารทีมนำทางจะกลับมาที่แบบจำลองทั้งหมดของพวกเขาอีกครั้งและออกแบบกลยุทธ์เพื่อนำยานอวกาศไปยังส่วนต่อประสานการเข้าที่ถูกต้องที่ดาวอังคาร
“ เราจะทำการกำหนดวงโคจรอย่างต่อเนื่องและออกแบบการจัดทำยานอวกาศใหม่” มาร์ติน - มูร์กล่าว “ MSL มี thrusters 1 ปอนด์ - ขนาดเดียวกับยานอวกาศ MER - แต่ยานอวกาศของเราเกือบหนักกว่าสี่เท่าดังนั้นการซ้อมรบที่เราใช้เวลานาน - บางคนอาจใช้เวลาหลายชั่วโมง”
สำหรับการนำทางระหว่างดาวเคราะห์นั้นวิศวกรใช้ควาซาร์ระยะไกลเป็นจุดสังเกตในอวกาศเพื่ออ้างอิงว่ายานอวกาศนั้นอยู่ที่ไหน ควาซาร์นั้นสว่างไสวอย่างเหลือเชื่อ แต่อยู่ในระยะทางมหาศาลที่พวกมันไม่เคลื่อนไหวในท้องฟ้าเหมือนดาวพื้นหลังที่อยู่ใกล้ยิ่งขึ้น Martin-Mur จัดทำรายการควาซาร์ที่แตกต่างกันเกือบ 100 รายการซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่ายานอวกาศนั้นอยู่ที่ไหน
“ มันน่าสนใจ” มาร์ติน - มูร์กล่าว“ ด้วยควาซาร์เรากำลังใช้บางสิ่งบางอย่างที่ห่างจากเราไปหลายพันล้านปีแสงจากเอกภพยุคแรกซึ่งมีอายุมากจนพวกมันอาจไม่อยู่ที่นั่นอีกแล้ว มันเจ๋งจริงๆที่เราใช้วัตถุที่อาจไม่มีอยู่ในปัจจุบันอีกต่อไป แต่ใช้มันเพื่อการนำทางที่แม่นยำมาก”
ทีมงานนำทางยังต้องสร้างแบบจำลองความดันรังสีอาทิตย์ซึ่งผลกระทบที่รังสีของดวงอาทิตย์มีต่อยานอวกาศ
“ เรารู้ดีมากขอบคุณเพื่อนของเราจากกลุ่ม Solar Systems Dynamics ที่ดาวอังคารกำลังจะไปที่ไหนและโลกและดวงอาทิตย์อยู่ที่ไหน” Martin-Mur กล่าว “ แต่เนื่องจากยานอวกาศนี้ไม่เคยอยู่ในอวกาศมาก่อนสิ่งที่ไม่ทราบแน่ชัดก็คือแรงดันการแผ่รังสีจากแสงอาทิตย์จะส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติพื้นผิวของยานอวกาศอย่างไรและมันจะรบกวนยานอวกาศอย่างไร ถ้าเราไม่มีแบบอย่างที่ดีเราก็อาจจะอยู่ห่างออกไปหลายร้อยกิโลเมตรเมื่อยานอวกาศเคลื่อนจากโลกถึงดาวอังคาร”
มาถึงที่ดาวอังคาร
เมื่อยานอวกาศเข้าใกล้ดาวอังคารมันสำคัญมากที่จะต้องรู้ว่ายานอยู่ที่ไหน “ เราจำเป็นต้องกำหนดเป้าหมายยานอวกาศไปยังจุดเริ่มต้นที่ถูกต้อง” มาร์ติน - มูร์กล่าว“ และบอกยานอวกาศว่ามันจะเข้าสู่ที่ใดดังนั้นมันจะสามารถหาทางไปยังพื้นที่ลงจอดได้”
MSL Entry Descent and Landing Instrumentation หรือ MEDLI จะส่งกระแสข้อมูลกลับสู่โลกเมื่อโพรบเข้าสู่ชั้นบรรยากาศปล่อยให้ผู้นำและทีมวิทยาศาสตร์รู้อย่างแม่นยำว่ารถแลนด์โรเวอร์จอดอยู่ที่ใด
ทีมการนำทางจากนั้นจะสามารถหายใจได้ด้วยความโล่งอก
