Amener le Mars Science Laboratory sur la planète rouge n'est pas aussi facile que de simplement attacher le rover sur une fusée Atlas V et de le projeter dans la direction générale de Mars. La navigation par vaisseau spatial est une science très précise et constante, et en termes plus simples, elle implique de déterminer où se trouve le vaisseau spatial à tout moment et de le maintenir sur la bonne voie jusqu'à la destination souhaitée.
Et, explique le chef de l'équipe de navigation MSL, Tomas Martin-Mur, le seul moyen d'obtenir avec précision le rover Curiosity sur Mars est que le vaisseau spatial soit constamment à la recherche dans le rétroviseur de la Terre.
«Ce que nous faisons, c'est« conduire »le vaisseau spatial en utilisant les données du Deep Space Network», a déclaré Martin – Mur à Space Magazine. «Si vous y réfléchissez, nous ne voyons jamais Mars. Nous n'avons pas de caméra de navigation optique ni aucun autre instrument pour pouvoir voir ou détecter Mars. Nous nous dirigeons vers Mars, tout en regardant vers la Terre, et avec des mesures de la Terre, nous sommes en mesure d'atteindre Mars avec une très grande précision. »
Cette haute précision est très importante car MSL utilise un nouveau système de guidage d'entrée, de descente et d'atterrissage qui permettra au vaisseau spatial d'atterrir plus précisément que n'importe quel atterrisseur ou rover précédent.
"C'est très difficile, et même si c'est quelque chose de similaire à ce que nous avons fait auparavant avec la mission Mars Exploration Rover (MER), cette fois ce sera fait avec un niveau de précision encore plus élevé", a déclaré Martin-Mur. "Cela nous permet d'arriver à un endroit très excitant, Gale Crater."
Sur Terre, nous pouvons constamment trouver exactement où nous en sommes avec le GPS - qui se trouve sur nos téléphones portables et notre équipement de navigation. Mais il n'y a pas de GPS sur Mars, donc la seule façon pour le rover de se diriger vers - et à travers - un point précis de l'atmosphère de la planète rouge est que l'équipe de navigation sache exactement où se trouve le vaisseau spatial et qu'elle continue de le dire. le vaisseau spatial exactement où il se trouve. Ils utilisent le Deep Space Network (DSN) pour ces déterminations depuis le lancement, jusqu'à Mars.
Le Deep Space Network se compose d'un réseau d'antennes de communication dans l'espace lointain extrêmement sensibles sur trois sites: Goldstone, Californie; Madrid, Espagne; et Canberra, Australie. Le placement stratégique à environ 120 degrés les uns des autres sur la surface de la Terre permet une observation constante des vaisseaux spatiaux lorsque la Terre tourne.
Mais bien sûr, ce n'est pas aussi facile que de simplement transporter la fusée du point A au point B, car la Terre et Mars ne sont pas des positions fixes dans l'espace. Les navigateurs doivent relever les défis du calcul des vitesses et orientations exactes d'une Terre en rotation, d'une Mars en rotation, ainsi que d'un vaisseau spatial en mouvement et en rotation, alors que tous voyagent simultanément sur leurs propres orbites autour du Soleil.
Il existe d'autres facteurs tels que la pression du rayonnement solaire et les coups de propulseur qui doivent tous être calculés avec précision.
Martin-Mur a déclaré que même si MSL est un rover beaucoup plus gros avec un vaisseau spatial et un backshell plus gros que la mission MER, les outils de navigation et les calculs ne sont pas très différents. Et à certains égards, la navigation dans MSL pourrait être plus facile.
"Le véhicule Atlas V offre un lancement beaucoup plus précis et peut nous mettre sur une trajectoire plus précise que le MER, qui utilisait un Delta II", a déclaré Martin-Mur. «Cela nous permet d'utiliser moins de propulseur, proportionnellement par livre, pour se rendre sur Mars que les rovers MER.»
Les rovers et engins spatiaux MER pesaient environ 1 tonne, tandis que MSL pèse près de 4 tonnes. MSL se voit attribuer 70 kg de propulseur pour la phase de croisière, tandis que les rovers MER ont chacun utilisé environ 42 kg de propulseur.
Fait intéressant, pour que le vaisseau spatial MSL descende à travers l'atmosphère et la terre de Mars, le vaisseau spatial utilisera environ 400 kg de propulseur.
De plus, Martin-Mur a déclaré que des éphémérides planétaires plus précises et des mesures d'interférométrie à très longue base sont disponibles, permettant à la navigation d'être en mesure de livrer le vaisseau spatial au bon endroit dans l'interface d'entrée atmosphérique, de sorte que le véhicule se retrouve dans la gamme de paramètres qui il a été conçu pour fonctionner.
Navigation au lancement
Tout commence par des années de préparatifs et de calculs par l'équipe de navigation, qui doit calculer toutes les trajectoires possibles vers Mars en fonction du moment exact du lancement de la fusée Atlas V avec MSL à bord.
Dans certains cas, il existe littéralement des milliers d'opportunités de lancement et toutes les trajectoires possibles doivent être calculées avec précision. La mission Juno, par exemple, avait des fenêtres de lancement quotidien de deux heures avec 3300 opportunités de lancement possibles. Pour MSL, les fenêtres de lancement quotidiennes contiennent des opportunités de décollage par incréments de 5 minutes. Au cours de la période de lancement de 24 jours, l'équipe a calculé 489 trajectoires différentes pour toutes les opportunités de lancement possibles.
Mais finalement, ils finiront par en utiliser un seul.
"Ce n'est pas quelque chose que vous faites à la volée - vous préparez tout cela bien à l'avance, vous avez donc le temps de vous asseoir et de l'évaluer et de le vérifier", a déclaré un autre membre de l'équipe de navigation MSL, Neil Mottinger, qui a travaillé au Jet Propulsion Laboratory depuis 1967. Il a travaillé sur la navigation pour de nombreuses missions comme Mariner, Voyager, le MER et plusieurs missions internationales.
"La fonction initiale de la navigation au lancement est de déterminer suffisamment bien la trajectoire réelle du vaisseau spatial pour que le signal du vaisseau spatial soit bien à l'intérieur de la largeur du faisceau des antennes DSN", a déclaré Mottinger à Space Magazine.
Le Mars Science Laboratory se séparera de la fusée qui l'a propulsée vers Mars environ 44 minutes après le lancement, le navigateur suivant chaque mouvement du vaisseau spatial.
Mottinger a ajouté que sans les capacités de communication du DSN, il n'y a pas de missions planétaires. "L'équipe de navigation fait tout ce qu'elle peut pour s'assurer qu'il n'y a pas de lacunes dans la communication", a-t-il déclaré. "C'est le moment critique pendant les 6 à 8 premières heures après le lancement pour pouvoir déterminer la position exacte du vaisseau spatial."
D'après les problèmes récents de la mission Phobos-Grunt, il est évident à quel point il est difficile de suivre et de communiquer avec un vaisseau spatial qui vient d'être lancé.
Corrections à mi-parcours
Encore une fois, l'équipe de navigation a modélisé et calculé toutes les manœuvres et brûlures de propulseur pour la mission. Une fois MSL en route vers Mars, l'équipe de navigation revisitera tous ses modèles et concevra les manœuvres pour amener le vaisseau spatial vers la bonne interface d'entrée sur Mars.
"Nous continuerons à déterminer l'orbite et à reconcevoir les manœuvres du vaisseau spatial", a déclaré Martin-Mur. «MSL a des propulseurs de 1 lb - la même taille que le vaisseau spatial MER - mais notre vaisseau spatial est presque quatre fois plus lourd, donc les manœuvres que nous faisons prennent beaucoup de temps - certaines prendront des heures.»
Pour la navigation interplanétaire, les ingénieurs utilisent des quasars éloignés comme points de repère dans l'espace pour se référer à l'endroit où se trouve l'engin spatial. Les quasars sont incroyablement brillants, mais sont à des distances si colossales qu'ils ne se déplacent pas dans le ciel comme le font les étoiles de fond plus proches. Martin-Mur a fourni une liste de près de 100 quasars différents qui pourraient être utilisés à cette fin, selon l'endroit où se trouve l'engin spatial.
«C'est intéressant», songea Martin-Mur, «avec les quasars, nous utilisons quelque chose qui se trouve à des milliards d'années-lumière de nous, de l'univers très ancien, si vieux qu'ils pourraient même ne plus être là. C'est vraiment cool que nous utilisons un objet qui n'existe peut-être plus, mais que nous les utilisons pour une navigation très précise. »
L’équipe de navigation doit également modéliser la pression du rayonnement solaire - l’effet du rayonnement solaire sur le vaisseau spatial.
«Nous savons très bien, grâce à nos amis du groupe Solar Systems Dynamics, où sera Mars et où seront la Terre et le Soleil», a déclaré Martin-Mur. «Mais puisque ce vaisseau spatial n'a jamais été dans l'espace auparavant, ce que l'on ne sait pas précisément, c'est comment la pression du rayonnement solaire affectera les propriétés de surface du vaisseau spatial et comment elle perturbera le vaisseau spatial. Si nous n’avons pas un bon modèle pour cela, nous pourrions être à des centaines de kilomètres de distance alors que le vaisseau spatial passe de la Terre à Mars. »
Arrivée sur Mars
À mesure que le vaisseau spatial s'approche de Mars, il est très important de savoir précisément où se trouve le vaisseau spatial. "Nous devons cibler le vaisseau spatial vers le bon point d'entrée", a déclaré Martin-Mur, "et dire au vaisseau spatial où il entrera, afin qu'il puisse trouver son chemin vers le site d'atterrissage."
L'instrument de descente et d'atterrissage MSL, ou MEDLI, diffusera des informations sur la Terre lorsque la sonde pénètrera dans l'atmosphère, permettant aux navigateurs - et à l'équipe scientifique - de savoir précisément où le rover a atterri.
C'est seulement alors que l'équipe de navigation pourra - peut-être - pousser un soupir de soulagement.
