Vores læser Bent har spurgt:
Hvordan navigerer man i rummet, når man fx skal ramme Mars? Bruger man et solsystemkort?
Og hvordan kan man beregne banen til Mars, når det tager syv måneder at flyve derud? Skal man flyve af sted på et præcist tidspunkt syv måneder og nul sekunder før, eller kan man justere farten undervejs?
Og hvordan holder man styr på positionen, når Jorden hele tiden drejer rundt i forhold til fartøjet?
John Leif Jørgensen, professor på Institut for Rumforskning og Rumteknologi på DTU Space, svarer:
Solsystemets planeters bane er målt med ekstremt stor nøjagtighed. Vi ved således, hvor Jorden og Mars befinder sig og vil befinde sig syv måneder senere med centimeters nøjagtighed.
Så at planlægge en flyvning fra Jorden til Mars, kræver 'blot' lidt intuition og en masse beregninger af, hvordan rumfartøjet vil bevæge sig under indflydelse af solsystemets tyngdefelt (Solen og planeterne).
Jordens elliptiske bane er kendt med ekstremt stor nøjagtighed. Da man kan observere Mars’ position fra Jorden, og ud fra Mars' bane kan man nu beregne den omtrentlige bane ved hjælp af Keplers ligninger, og så bagefter meget nøjagtigt ved numeriske beregninger på en computer.
I forbindelse med Apollo-projektet opfandt man en simpel måde at få en grov idé om, hvordan banen fra Jorden til Mars så kan beregnes. Denne metode kaldes ’Conical-Section-Patching’.
Metoden er hurtig, ret præcis og kræver ikke store computere, så det var faktisk den, der reddede Apollo 13's besætning!
Med denne metoder deler man turen op i fire segmenter:
Opgaven går nu ud på at rotere de fire ellipse-segmenter, som vi nu kender, så de mødes parvis. Antag, at vi kender det ønskede landingssted på Mars.
Der er altså tale om patching (sammenlapning) af fire meget forskellige ellipsedele. For hver dag i launch-vinduet ændres opsendelsestidspunktet lidt, fordi Mars - og dermed banekurven - flytter sig. Ændringen i banelængden klares med en lille ændring i hastigheden.
Selv om udregningerne er komplekse, giver de meget høj nøjagtighed. Så hvis der ikke var andre fejlkilder, ville turen til Mars være let.
Men..... Når Hope-sonden fra De Forenede Arabiske Emirater, Tianwen-1 fra Kina og Perseverance (som Mars 2020 nu er døbt) fra NASA skal afsted her i juli, skal en masse ting gå godt før opsendelsen:
Selve rumsonden skal checkes og være OK, løfteraketten og dens delsystemer skal være OK, vejret skal være OK under tankningen af løfteraketten (som ikke er glad for lynnedslag), og specielt skal vejret være OK under selve opsendelsen.
For at sikre, at alle disse ting er OK ved opsendelsen, er det netop, at man laver dette såkaldte 'launch-vindue', som er et tidsrum, hvor opsendelsen teknisk set kan lykkes. Dette vindue åbner d. 17. juli 2020, når Mars er kommet så tæt på Jorden, at løfteraketten har kræfter nok til at sende Peseverance til målet. Hope-missionen fra de De Forenede Arabiske Emirater tyvstarter allerede tirsdag aften i denne uge.
Vinduet lukker igen d. 5. august, når Mars er kommet så langt væk fra Jorden, at raketten er for svag. Når vi det ikke, må vi vente to år på, at Mars igen er tæt nok på.
For at kunne håndtere forskellige forsinkelser og udefrakommende faktorer bruger man dog altid en raket, der har lidt ekstra energi (brændstof) ombord (svarer til reservebrændstof for en bil eller et fly). Denne reserve frigøres kun i nødstilfælde.
Launch-vinduet åbner den første dag, hvor Mars kan nås med den raket, man har valgt, og lukker den sidste dag. Den optimale dag, energimæssigt, ligger midt i intervallet. Men, det koster også penge at bemande en opsendelsesfacilitet, typisk 1 mio. dollar om dagen, så man launcher normalt ved først givne lejlighed.
Når løfteraketten (Atlas 541) så går afsted, er den programmeret til at følge den beregnede optimale kurve igennem rummet. Men... alle raketter har små fejl, og deres motorer er altid lidt forskellige, og vejret, specielt kraftige vinde højt oppe i vores atmosfære, vil ændre lidt på rakettens retning.
Så når løfterakettens første trin og 'strap on boosters' er brændt ud, måles retning og hastighed fra Jorden med store radarantenner, så små korrektioner i programmeringen af andet trin (Centaur) med Perseverance, lander og skycrane, vil rette op for de fejl, som vi fik samlet op under løftet ud af Jordens atmosfære.
Når Centauer-trinnet så er brændt ud, og vi er godt på vej mod Mars, trackes fartøjet med radar fra Jorden, og ca. hver 14. dag laves små korrektionsmanøvrer (TCM'er) for at sikre, at vi følger den beregnede optimale kurve (der har få meters tolerance).
Alle missioner, der forlader Jord-Måne-systemet, bruger et netværk af store antenner, Deep Space Network (DSN) i Perseverance's tilfælde. DSN har antenner i Californien, Spanien og Australien, så mindst én af antennerne kan se rumfartøjet døgnet rundt.
Hvad angår selve navigationen: Forestil dig et fartøj på vej til Mars. Radioen ombord sender signaler til Jorden, som let trackes med de store kommunikationsantenner fra Jorden.
Antennerne på Jorden sender en puls, som rumfartøjet opfanger og straks sender retur. Ud fra signalets løbetid beregnes afstanden mellem antenne og rumfartøj. Ud fra signalet fra rumfartøjets Doppler-forskydning beregnes hastigheden.
Vi kender nu retningen til fartøjet og de radiale hastighedskomponenter. Hvis disse trackes og integreres over dage og måneder, kan de tangentielle komponenter beregnes (man har naturligvis en grov idé fra antennens retning). Voilá, du kender nu fartøjets position og hastighed.
Antag yderligere, at Jordens og Mars' positioner er kendte. Dem har vi jo, som tidligere nævnt, med ekstrem nøjagtighed fra astronomiens observationer af Sol og stjerner. Og antag, at du har beregnet den perfekte fald-kurve gennem rummet med start fra Jorden til ankomst til Mars.
Du kan nu beregne fejlen i din position (Ønsket position minus målte). Når du kender denne fejl, sender du en serie kommandoer til rumfartøjet, typisk á la: Drej rumfartøjet til ’denne’ attitude (måles af fartøjets stjernekameraer), så raketmotoren peger i den ønskede retning.
Tænd raketmotoren i xx sekunder. Drej rumfartøjet tilbage, så hoved-antenne peger mod Jorden. Mål doppler-forskydningen og se, om den ønskede hastighed er opnået. Check efter et par dage igen, hvorefter korrektionen i lateral retning kan tjekkes.
Gentag hele proceduren, typisk hver måned. Normalt bliver korrektionerne mindre over tid, når rumfartøjets raketmotor bliver bedre kendt.
Får man brug for at ændre på rumfartøjets orientering i rummet, som jo kendes fra dens stjernekamerer, kan det gøres ved brug af små styreraketter (gas-dyser), eller ved hjælp af moment-hjul, hvis rumfartøjet har sådanne med.
Skal man ændre rumfartøjets bevægelsesretning (hastighed), skal man normalt bruge en kraftig raket (hovedmotoren), da baneændringer kræver meget energi.
Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.
