Levar o Laboratório de Ciências de Marte ao Planeta Vermelho não é tão fácil quanto amarrar o veículo espacial em um foguete Atlas V e explodi-lo na direção geral de Marte. A navegação de naves espaciais é uma ciência muito precisa e constante e, em termos mais simples, implica determinar onde a espaçonave está em todos os momentos e mantê-la no rumo do destino desejado.
E, diz o chefe da equipe de navegação da MSL, Tomas Martin-Mur, a única maneira de levar com precisão o rover Curiosity a Marte é para a sonda estar constantemente olhando no espelho retrovisor da Terra.
"O que fazemos é" dirigir "a espaçonave usando dados da Deep Space Network", disse Martin-Mur à Space Magazine. “Se você pensar bem, nunca vemos Marte. Não temos uma câmera de navegação óptica ou outros instrumentos para poder ver ou sentir Marte. Estamos indo para Marte, o tempo todo olhando para a Terra e, com medições da Terra, somos capazes de chegar a Marte com uma precisão muito alta. ”
Essa alta precisão é muito importante porque a MSL está usando um novo sistema de orientação de entrada, descida e pouso, que permitirá à sonda pousar com mais precisão do que qualquer sonda ou rover anterior.
"É muito desafiador e, embora seja algo semelhante ao que fizemos anteriormente com a missão Mars Exploration Rover (MER), desta vez será feito com um nível de precisão ainda mais alto", disse Martin-Mur. "Isso nos permite chegar a um lugar muito emocionante, Gale Crater".
Na Terra, constantemente podemos encontrar exatamente onde estamos com o GPS - que está em nossos telefones celulares e equipamentos de navegação. Mas como não há GPS em Marte, a única maneira pela qual o rover poderá chegar - e passar - um ponto preciso na atmosfera do Planeta Vermelho é que a equipe de navegação saiba exatamente onde está a espaçonave e continue dizendo a espaçonave exatamente onde está. Eles usam a Deep Space Network (DSN) para essas determinações desde o lançamento, até Marte.
A Deep Space Network consiste em uma rede de antenas de comunicações espaciais extremamente sensíveis em três locais: Goldstone, Califórnia; Madri, Espanha; e Canberra, Austrália. A colocação estratégica com aproximadamente 120 graus de distância na superfície da Terra permite a observação constante de naves espaciais enquanto a Terra gira.
Mas, é claro, não é tão fácil quanto levar o foguete do ponto A ao ponto B, pois a Terra e Marte não são posições fixas no espaço. Os navegadores precisam enfrentar os desafios de calcular as velocidades e orientações exatas de uma Terra em rotação, de um Marte em rotação, bem como de uma espaçonave em movimento e em rotação, enquanto todos viajam simultaneamente em suas próprias órbitas ao redor do Sol.
Existem outros fatores, como pressão da radiação solar e acionamentos do propulsor, que precisam ser calculados com precisão.
Martin-Mur disse que, embora o MSL seja um veículo espacial muito maior, com uma espaçonave e uma concha maiores do que a missão MER, as ferramentas e cálculos de navegação não são muito diferentes. E, de certa forma, navegar no MSL pode ser mais fácil.
"O veículo Atlas V oferece um lançamento muito mais preciso e pode nos colocar em um caminho mais preciso do que o MER, que usava um Delta II", disse Martin-Mur. "Isso nos permite usar menos propulsor, proporcionalmente por libra, para chegar a Marte do que os rovers MER."
A sonda e a sonda MER pesavam cerca de 1 tonelada, enquanto a MSL pesava quase 4 toneladas. A MSL recebe 70 kg de propulsor para a etapa de cruzeiro, enquanto os rovers do MER usam cerca de 42 kg de propulsor.
Curiosamente, para a sonda MSL descer pela atmosfera e terra de Marte, a sonda usará cerca de 400 kg de propulsor.
Além disso, Martin-Mur disse que estão disponíveis efemérides planetárias mais precisas e medidas de interferometria de linha de base muito longa, permitindo que a navegação possa entregar a sonda no lugar certo na interface de entrada atmosférica, para que o veículo se encontre na faixa de parâmetros que foi projetado para operar.
Navegação no lançamento
Tudo começa com anos de preparativos e cálculos da equipe de navegação, que deve calcular todas as trajetórias possíveis para Marte, dependendo exatamente quando o foguete Atlas V é lançado com o MSL a bordo.
Em alguns casos, existem literalmente milhares de oportunidades de lançamento e todas as trajetórias possíveis devem ser calculadas com precisão. A missão Juno, por exemplo, tinha duas horas diárias de lançamento com 3.300 possíveis oportunidades de lançamento. Para MSL, as janelas de inicialização diárias contêm oportunidades de retirada em incrementos de 5 minutos. Durante o período de lançamento de 24 dias, a equipe calculou 489 trajetórias diferentes para todas as oportunidades de lançamento possíveis.
Mas, finalmente, eles acabarão usando apenas um.
"Isso não é algo que você faz em tempo real - você prepara tudo isso com bastante antecedência para ter tempo para sentar e avaliar e verificar", disse outro membro da equipe de navegação da MSL, Neil Mottinger, que trabalhou na Laboratório de Propulsão a Jato desde 1967. Ele trabalhou na navegação para muitas missões como Mariner, Voyager, MER e várias missões internacionais.
"A função inicial da navegação no lançamento é determinar a trajetória real da espaçonave suficientemente bem para que o sinal da espaçonave fique bem dentro da largura do feixe das antenas DSN", disse Mottinger à Space Magazine.
O Laboratório de Ciências de Marte se separará do foguete que o levou a Marte cerca de 44 minutos após o lançamento, com o navegador rastreando todos os movimentos da sonda.
Mottinger acrescentou que, sem os recursos de comunicação do DSN, não há missões planetárias. "A equipe de navegação faz o possível para garantir que não haja falhas na comunicação", disse ele. "É hora de triturar durante as primeiras 6-8 horas após o lançamento para poder determinar a posição exata da espaçonave."
Dos problemas recentes com a missão Phobos-Grunt, é evidente como é difícil rastrear e se comunicar com uma espaçonave recém-lançada.
Correções no meio do percurso
Novamente, a equipe de navegação modelou e calculou todas as manobras e queimaduras do propulsor para a missão. Quando a MSL estiver a caminho de Marte, a equipe de navegação revisitará todos os seus modelos e projetará as manobras para levar a sonda à interface de entrada correta em Marte.
"Continuaremos determinando a órbita e redesenhando as manobras da espaçonave", disse Martin-Mur. "A MSL tem propulsores de 1 libra - do mesmo tamanho da sonda MER - mas nossa espaçonave é quase quatro vezes mais pesada, portanto as manobras que levamos muito tempo - algumas levarão horas".
Para navegação interplanetária, os engenheiros usam quasares distantes como pontos de referência no espaço para referência de onde está a espaçonave. Os quasares são incrivelmente brilhantes, mas estão a distâncias tão colossais que não se movem no céu como as estrelas de fundo mais próximas. A Martin-Mur forneceu uma lista de quase 100 quasares diferentes que poderiam ser usados para esse fim, dependendo da localização da espaçonave.
“É interessante”, Martin-Mur refletiu, “com quasares, estamos usando algo que está a bilhões de anos-luz de distância de nós, desde o universo primitivo, que é tão antigo que talvez nem esteja mais lá. É muito legal estarmos usando um objeto que atualmente pode não existir mais, mas usá-lo para uma navegação muito precisa. ”
A equipe de navegação também precisa modelar a pressão da radiação solar - o efeito que a radiação do Sol tem na sonda.
"Sabemos muito bem, graças aos nossos amigos do grupo Solar Systems Dynamics, onde Marte estará e onde estarão a Terra e o Sol", disse Martin-Mur. “Mas como essa espaçonave não estava no espaço antes, o que não se sabe exatamente é como a pressão da radiação solar afetará as propriedades da superfície da espaçonave e como ela perturbará a espaçonave. Se não tivermos um bom modelo para isso, poderíamos estar a centenas de quilômetros de distância, à medida que a sonda vai da Terra a Marte. ”
Chegando a Marte
À medida que a sonda se aproxima de Marte, é muito importante saber exatamente onde está a sonda. "Precisamos direcionar a sonda para o ponto de entrada correto", disse Martin-Mur, "e dizer à sonda onde ela entrará, para que possa encontrar o caminho para o local de pouso."
O MSL Entry Descent and Landing Instrumentation, ou MEDLI, transmitirá informações de volta à Terra quando a sonda entrar na atmosfera, permitindo que os navegadores - e a equipe científica - saibam exatamente onde o veículo espacial pousou.
Só então a equipe de navegação poderá - talvez - respirar aliviada.
