¿Cómo navegará MSL a Marte? Muy precisamente

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Llevar el Laboratorio de Ciencias de Marte al Planeta Rojo no es tan fácil como simplemente amarrar el rover en un cohete Atlas V y lanzarlo en dirección a Marte. La navegación de naves espaciales es una ciencia muy precisa y constante, y en términos más simples, implica determinar dónde está la nave espacial en todo momento y mantenerla en curso hacia el destino deseado.

Y, dice el jefe del equipo de navegación de MSL, Tomas Martin-Mur, la única forma de llevar con precisión el rover Curiosity a Marte es que la nave espacial esté constantemente mirando por el espejo retrovisor de la Tierra.

"Lo que hacemos es" conducir "la nave espacial utilizando datos de la Red del Espacio Profundo", dijo Martin-Mur a la revista Space. “Si lo piensas, nunca vemos Marte. No tenemos una cámara de navegación óptica ni ningún otro instrumento para poder ver o sentir Marte. Nos dirigimos a Marte, todo el tiempo mirando hacia atrás a la Tierra, y con mediciones desde la Tierra podemos llegar a Marte con una precisión muy alta ".

Esta alta precisión es muy importante porque MSL está utilizando un nuevo sistema de guía de entrada, descenso y aterrizaje que permitirá a la nave espacial aterrizar con mayor precisión que cualquier aterrizaje o rover anterior.

"Es muy desafiante, y aunque es algo similar a lo que hemos hecho antes con la misión Mars Exploration Rover (MER), esta vez se hará con un nivel de precisión aún mayor", dijo Martin-Mur. "Eso nos permite llegar a un lugar muy emocionante, Gale Crater".

En la Tierra, constantemente podemos encontrar exactamente dónde estamos con el GPS, que está en nuestros teléfonos celulares y equipos de navegación. Pero no hay GPS en Marte, por lo que la única forma en que el rover podrá dirigirse a un punto preciso en la atmósfera del planeta rojo es para que el equipo de navegación sepa exactamente dónde está la nave espacial y para que sigan diciendo la nave espacial exactamente donde está. Utilizan la Red de Espacio Profundo (DSN) para esas determinaciones desde el lanzamiento, hasta Marte.

La Red del Espacio Profundo consiste en una red de antenas de comunicaciones del espacio profundo extremadamente sensibles en tres ubicaciones: Goldstone, California; Madrid, España; y Canberra, Australia. La ubicación estratégica aproximadamente a 120 grados de separación en la superficie de la Tierra permite la observación constante de la nave espacial a medida que la Tierra gira.

Pero, por supuesto, no es tan fácil como llevar el cohete del punto A al punto B, ya que la Tierra y Marte no son posiciones fijas en el espacio. Los navegadores deben enfrentar los desafíos de calcular las velocidades y orientaciones exactas de una Tierra giratoria, un Marte giratorio, así como una nave espacial giratoria y en movimiento, mientras todos viajan simultáneamente en sus propias órbitas alrededor del Sol.

Hay otros factores como la presión de la radiación solar y los disparos del propulsor que deben calcularse con precisión.

Martin-Mur dijo que a pesar de que MSL es un rover mucho más grande con una nave espacial y una carcasa posterior más grandes que la misión MER, las herramientas y los cálculos de navegación no son muy diferentes. Y de alguna manera, navegar MSL podría ser más fácil.

"El vehículo Atlas V proporciona un lanzamiento mucho más preciso y puede ponernos en un camino más preciso que el MER, que utilizó un Delta II", dijo Martin-Mur. "Esto nos permite usar menos propelente, proporcionalmente por libra, para llegar a Marte que los rovers MER".

Los rovers MER y las naves espaciales pesaron aproximadamente 1 tonelada, mientras que MSL pesa casi 4 toneladas. A MSL se le asignan 70 kg de propelente para la etapa de crucero, mientras que los vehículos MER utilizan aproximadamente 42 kg de propelente.

Curiosamente, para que la nave espacial MSL descienda a través de la atmósfera y la tierra de Marte, la nave espacial utilizará unos 400 kg de propelente.

Además, Martin-Mur dijo que hay disponibles efemérides planetarias más precisas y mediciones de interferometría de línea de base muy largas, lo que permite que la navegación pueda llevar la nave espacial al lugar correcto en la interfaz de entrada atmosférica, por lo que el vehículo se encuentra en el rango de parámetros que Ha sido diseñado para operar.

Navegación en el lanzamiento

Todo comienza con años de preparativos y cálculos por parte del equipo de navegación, que debe calcular todas las trayectorias posibles a Marte dependiendo de exactamente cuándo se lanza el cohete Atlas V con MSL a bordo.

En algunos casos, hay literalmente miles de oportunidades de lanzamiento y todas las trayectorias posibles deben calcularse con precisión. La misión Juno, por ejemplo, tenía ventanas de lanzamiento diarias de dos horas con 3.300 posibles oportunidades de lanzamiento. Para MSL, las ventanas de lanzamiento diario contienen oportunidades de despegue en incrementos de 5 minutos. Durante el período de lanzamiento de 24 días, el equipo ha calculado 489 trayectorias diferentes para todas las posibles oportunidades de lanzamiento.

Pero en última instancia, terminarán usando solo uno.

"Esto no es algo que haces sobre la marcha: preparas todo esto con anticipación para que tengas tiempo para sentarte y evaluarlo y comprobarlo", dijo otro miembro del equipo de navegación de MSL, Neil Mottinger, que ha trabajado en el Laboratorio de propulsión a chorro desde 1967. Ha trabajado en navegación para muchas misiones como Mariner, Voyager, MER y varias misiones internacionales.

"La función inicial de la navegación en el lanzamiento es determinar la trayectoria real de la nave espacial lo suficientemente bien como para que la señal de la nave espacial esté dentro del ancho del haz de las antenas DSN", dijo Mottinger a Space Magazine.

El Laboratorio de Ciencias de Marte se separará del cohete que lo impulsó hacia Marte aproximadamente 44 minutos después del lanzamiento, con el navegador rastreando cada movimiento de la nave espacial.

Mottinger agregó que sin las capacidades de comunicación del DSN, no hay misiones planetarias. "El equipo de navegación hace todo lo posible para asegurarse de que no haya brechas en la comunicación", dijo. "Es el momento crucial durante las primeras 6-8 horas después del lanzamiento para poder determinar la posición exacta de la nave espacial".

A partir de los problemas recientes con la misión Phobos-Grunt, es evidente lo difícil que es rastrear y comunicarse con una nave espacial recién lanzada.

Correcciones de mitad de curso

Nuevamente, el equipo de navegación ha modelado y calculado todas las maniobras y quemaduras del propulsor para la misión. Una vez que MSL esté en camino a Marte, el equipo de navegación revisará todos sus modelos y diseñará las maniobras para llevar la nave espacial a la interfaz de entrada correcta en Marte.

"Seguiremos determinando la órbita y rediseñando las maniobras para la nave espacial", dijo Martin-Mur. "MSL tiene propulsores de 1 lb, del mismo tamaño que la nave espacial MER, pero nuestra nave espacial es casi cuatro veces más pesada, por lo que las maniobras que llevamos llevan mucho tiempo, algunas tomarán horas".

Para la navegación interplanetaria, los ingenieros usan cuásares distantes como puntos de referencia en el espacio para referencia de dónde está la nave espacial. Los cuásares son increíblemente brillantes, pero están a distancias tan colosales que no se mueven en el cielo como lo hacen las estrellas de fondo más cercanas. Martin-Mur proporcionó una lista de casi 100 quásares diferentes que podrían usarse para este propósito, dependiendo de dónde esté la nave espacial.

"Es interesante", reflexionó Martin-Mur, "con los cuásares estamos usando algo que está a miles de millones de años luz de nosotros, desde el universo primitivo, que son tan viejos que tal vez ya no estén allí. Es realmente genial que estemos usando un objeto que actualmente ya no exista, pero que los usamos para una navegación muy precisa ".

El equipo de navegación también necesita modelar la presión de radiación solar, el efecto que la radiación del Sol tiene en la nave espacial.

"Sabemos muy bien, gracias a nuestros amigos del grupo Solar Systems Dynamics, dónde estará Marte y dónde estarán la Tierra y el Sol", dijo Martin-Mur. “Pero dado que esta nave espacial no ha estado en el espacio antes, lo que no se sabe con precisión es cómo la presión de radiación solar afectará las propiedades de la superficie de la nave espacial, y cómo perturbará la nave espacial. Si no tenemos un buen modelo para eso, podríamos estar a cientos de kilómetros de distancia a medida que la nave espacial va de la Tierra a Marte ".

Llegando a Marte

A medida que la nave espacial se acerca a Marte, es muy importante saber con precisión dónde está la nave espacial. "Necesitamos apuntar la nave espacial al punto de entrada correcto", dijo Martin-Mur, "y decirle a la nave espacial dónde entrará, para que pueda llegar al sitio de aterrizaje".

El Instrumento de descenso y aterrizaje de entrada MSL, o MEDLI, transmitirá información a la Tierra a medida que la sonda ingrese a la atmósfera, permitiendo que los navegadores, y el equipo científico, sepan exactamente dónde aterrizó el rover.

Solo entonces el equipo de navegación podrá, tal vez, respirar aliviado.

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