Mendapatkan Laboratorium Sains Mars ke Planet Merah tidak semudah hanya mengikat baling-baling pada roket Atlas V dan meledakkannya ke arah umum Mars. Navigasi pesawat ruang angkasa adalah ilmu yang sangat tepat dan konstan, dan dalam istilah paling sederhana, ini mensyaratkan menentukan di mana pesawat ruang angkasa itu setiap saat dan menjaganya agar tetap pada tujuan yang diinginkan.
Dan, kata ketua tim navigasi MSL Tomas Martin-Mur, satu-satunya cara untuk secara akurat membawa penjelajah Curiosity ke Mars adalah agar pesawat ruang angkasa terus-menerus mencari di kaca spion di Bumi.
“Apa yang kami lakukan adalah 'mengendarai' pesawat ruang angkasa menggunakan data dari Deep Space Network,” Martin – Mur mengatakan kepada Space Magazine. "Jika Anda memikirkannya, kami tidak pernah melihat Mars. Kami tidak memiliki kamera navigasi optik atau instrumen lain untuk dapat melihat atau merasakan Mars. Kami menuju ke Mars, sambil melihat kembali ke Bumi, dan dengan pengukuran dari Bumi kami dapat mencapai Mars dengan akurasi yang sangat tinggi. "
Akurasi tinggi ini sangat penting karena MSL menggunakan sistem masuk, turun dan pendaratan baru yang akan memungkinkan pesawat ruang angkasa untuk mendarat lebih tepat daripada pendarat atau penjelajah sebelumnya.
"Ini sangat menantang, dan meskipun itu mirip dengan apa yang telah kami lakukan sebelumnya dengan misi Mars Exploration Rover (MER), kali ini akan dilakukan pada tingkat presisi yang lebih tinggi," kata Martin-Mur. "Itu memungkinkan kita untuk sampai ke tempat yang sangat menyenangkan, Kawah Gale."
Di Bumi, kita terus-menerus dapat menemukan di mana kita berada dengan GPS - yang ada di ponsel dan peralatan navigasi kita. Tetapi tidak ada GPS di Mars, jadi satu-satunya cara bajak akan dapat menuju ke - dan melalui - titik tepat di atmosfer Planet Merah adalah agar tim navigasi tahu persis di mana pesawat ruang angkasa itu dan bagi mereka untuk terus memberi tahu pesawat ruang angkasa persis di tempat itu. Mereka menggunakan Deep Space Network (DSN) untuk penentuan sejak peluncuran, sampai ke Mars.
Deep Space Network terdiri dari jaringan antena komunikasi luar angkasa yang sangat sensitif di tiga lokasi: Goldstone, California; Madrid, Spanyol; dan Canberra, Australia. Penempatan yang strategis kira-kira berjarak 120 derajat di permukaan bumi memungkinkan pengamatan yang konstan terhadap pesawat ruang angkasa saat Bumi berotasi.
Tapi tentu saja, itu tidak semudah hanya mendapatkan roket dari Titik A ke Titik B karena Bumi dan Mars tidak posisi tetap di ruang angkasa. Navigator harus memenuhi tantangan penghitungan kecepatan dan orientasi yang tepat dari Bumi yang berputar, Mars yang berputar, serta pesawat ruang angkasa yang bergerak dan berputar, sementara semuanya secara bersamaan melakukan perjalanan dalam orbitnya sendiri mengelilingi Matahari.
Ada faktor-faktor lain seperti tekanan radiasi matahari dan pembakaran thruster yang semuanya harus dihitung secara tepat.
Martin-Mur mengatakan meskipun MSL adalah bajak yang jauh lebih besar dengan pesawat ruang angkasa dan backshell yang lebih besar daripada misi MER, alat navigasi dan perhitungan tidak jauh berbeda. Dan dalam beberapa hal, menavigasi MSL mungkin lebih mudah.
"Kendaraan Atlas V menyediakan peluncuran yang jauh lebih tepat dan dapat menempatkan kita di jalur yang lebih tepat daripada MER, yang menggunakan Delta II," kata Martin-Mur. "Ini memungkinkan kita untuk menggunakan propelan yang lebih sedikit, secara proporsional per pon, untuk sampai ke Mars daripada yang dilakukan MER rovers."
Penemu dan pesawat ruang angkasa MER memiliki berat sekitar 1 ton, sedangkan MSL beratnya hampir 4 ton. MSL diberikan 70 kg propelan untuk tahap pelayaran, sementara MER rover masing-masing menggunakan sekitar 42 kg propelan.
Menariknya, agar pesawat ruang angkasa MSL turun melalui atmosfer dan daratan Mars, pesawat ruang angkasa akan menggunakan sekitar 400 kg propelan.
Selain itu, Martin-Mur mengatakan ephemeris planet yang lebih tepat dan pengukuran Long Baseline Interferometry juga tersedia, memungkinkan navigasi untuk dapat mengantarkan pesawat ruang angkasa ke tempat yang tepat di antarmuka entri atmosfer, sehingga kendaraan menemukan dirinya dalam kisaran parameter yang telah dirancang untuk beroperasi.
Navigasi saat Peluncuran
Semuanya dimulai dengan persiapan dan perhitungan bertahun-tahun oleh tim navigasi, yang harus menghitung semua lintasan yang mungkin ke Mars tergantung pada kapan roket Atlas V diluncurkan dengan MSL di atas kapal.
Dalam beberapa kasus ada ribuan peluang peluncuran dan semua lintasan yang mungkin harus dihitung secara tepat. Misi Juno, misalnya, memiliki jendela peluncuran dua jam setiap hari dengan 3.300 peluang peluncuran. Untuk MSL jendela peluncuran harian mengandung peluang lepas landas dalam peningkatan 5 menit. Sepanjang periode peluncuran 24 hari tim telah menghitung 489 lintasan yang berbeda untuk semua peluang peluncuran yang mungkin.
Tetapi pada akhirnya, mereka hanya akan menggunakan satu saja.
"Ini bukan sesuatu yang Anda lakukan dengan cepat - Anda mempersiapkan semua ini dengan baik sebelumnya sehingga Anda punya waktu untuk duduk dan menilai dan memeriksanya," kata anggota lain dari tim navigasi MSL, Neil Mottinger, yang telah bekerja di Jet Propulsion Laboratory sejak 1967. Dia mengerjakan navigasi untuk banyak misi seperti Mariner, Voyager, MER, dan beberapa misi internasional.
"Fungsi awal navigasi saat peluncuran adalah untuk menentukan lintasan pesawat ruang angkasa yang sebenarnya dengan cukup baik sehingga sinyal pesawat ruang angkasa akan berada dalam jangkauan lebar antena DSN," kata Mottinger kepada Space Magazine.
Laboratorium Sains Mars akan terpisah dari roket yang mendorongnya ke Mars sekitar 44 menit setelah peluncuran, dengan navigator melacak setiap gerakan pesawat ruang angkasa.
Mottinger menambahkan bahwa tanpa kemampuan komunikasi DSN, tidak ada misi planet. "Tim Navigasi melakukan apa pun untuk memastikan tidak ada kesenjangan dalam komunikasi," katanya. "Ini adalah saat yang sulit selama 6-8 jam pertama setelah peluncuran untuk dapat menentukan posisi yang tepat dari pesawat ruang angkasa."
Dari masalah baru-baru ini dengan misi Phobos-Grunt, terbukti betapa sulitnya melacak dan berkomunikasi dengan pesawat ruang angkasa yang baru saja diluncurkan.
Koreksi tengah jalan
Sekali lagi, tim navigasi telah membuat model dan menghitung semua manuver dan luka bakar pendorong untuk misi. Setelah MSL menuju Mars, tim navigasi akan meninjau kembali semua model mereka dan merancang manuver untuk membawa pesawat ruang angkasa ke antarmuka entri yang benar di Mars.
"Kami akan terus melakukan penentuan orbit dan merancang ulang manuver untuk pesawat ruang angkasa," kata Martin-Mur. "MSL memiliki pendorong 1 lb - ukuran yang sama dengan pesawat ruang angkasa MER - tetapi pesawat ruang angkasa kita hampir empat kali lebih berat sehingga manuver yang kita lakukan memakan waktu lama - beberapa akan memakan waktu berjam-jam."
Untuk navigasi antarplanet, para insinyur menggunakan quasar jauh sebagai landmark di ruang angkasa untuk referensi di mana pesawat ruang angkasa itu. Quasar sangat cerah, tetapi pada jarak yang sangat besar sehingga mereka tidak bergerak di langit seperti bintang latar belakang yang lebih dekat. Martin-Mur memberikan daftar hampir 100 quasar berbeda yang dapat digunakan untuk tujuan ini, tergantung di mana pesawat ruang angkasa itu.
“Sangat menarik,” renung Martin-Mur, “dengan quasar kita menggunakan sesuatu yang milyaran tahun cahaya jauhnya dari kita, dari jagat raya yang sangat awal, yang begitu tua sehingga mereka bahkan tidak ada lagi di sana. Sangat keren bahwa kami menggunakan objek yang saat ini mungkin tidak ada lagi, tetapi menggunakannya untuk navigasi yang sangat tepat. "
Tim navigasi juga perlu memodelkan tekanan radiasi matahari - efek radiasi matahari terhadap pesawat ruang angkasa.
"Kami tahu betul, terima kasih kepada teman-teman kami dari kelompok Dynamics Solar Systems, di mana Mars akan berada dan di mana Bumi dan Matahari berada," kata Martin-Mur. "Tapi karena pesawat ruang angkasa ini belum ada di ruang angkasa sebelumnya, apa yang tidak diketahui tepatnya adalah bagaimana tekanan radiasi matahari akan mempengaruhi sifat permukaan pesawat ruang angkasa, dan bagaimana hal itu akan mengganggu pesawat ruang angkasa. Jika kita tidak memiliki model yang bagus untuk itu, kita mungkin berada ratusan kilometer saat pesawat ruang angkasa bergerak dari Bumi ke Mars. "
Tiba di Mars
Saat pesawat ruang angkasa mendekati Mars, sangat penting untuk mengetahui dengan tepat di mana pesawat ruang angkasa itu. "Kita harus menargetkan pesawat ruang angkasa ke titik masuk yang tepat," kata Martin-Mur, "dan memberi tahu pesawat ruang angkasa di mana ia akan masuk, sehingga ia akan dapat menemukan jalannya ke lokasi pendaratan."
Entri Masuk dan Pendaratan Masuk MSL, atau MEDLI, akan mengalirkan informasi kembali ke Bumi ketika probe memasuki atmosfer, membiarkan para navigator - dan tim sains - tahu persis di mana bajak telah mendarat.
Hanya dengan begitu tim navigasi dapat - mungkin - bernafas lega.