Navigerer NASAs første mission til de trojanske asteroider

I science fiction, opdagelsesrejsende kan hoppe i futuristiske rumskibe og krydse halvdelen af ​​galaksen på et øjeblik af et plothul. Imidlertid, dette sidestiller den navigationsakrobatik, der kræves for at garantere succes i den virkelige mission.

I 2021, navigationsbedriften, som er Lucy-missionen, vil starte. At styre Lucy mod sine mål involverer ikke blot at programmere et kort ind i et rumfartøj og give det benzinpenge – det vil flyve forbi seks asteroidemål, hver i forskellige baner, i løbet af 12 år.

Lucys destination er blandt Jupiters trojanske asteroider, klynger af stenede kroppe næsten lige så gamle som Solen selv, og at besøge disse asteroider kan hjælpe med at låse op for det tidlige solsystems hemmeligheder. Lucy vil støde på en Main Belt-asteroide i 2025, hvor den vil udføre en øvelseskørsel af sine instrumenter, før den støder på de første fire trojanske mål fra 2027-2028. I 2033, Lucy vil afslutte sin mission med en undersøgelse af et binært system af to trojanske heste, der kredser om hinanden.

Det er en kæmpe udfordring at få rumfartøjet derhen, hvor det skal hen. Solsystemet er i konstant bevægelse, og gravitationskræfter vil trække på Lucy til enhver tid, især fra de mål, det sigter mod at besøge. Tidligere missioner har fløjet forbi og endda kredset om flere mål, men ingen så mange som Lucy vil.

Forskere og ingeniører involveret i banedesign har ansvaret for at finde ud af den rute, under Flight Dynamics Teamleder Kevin Berry fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. En sådan ingeniør er Jacob Englander, den tekniske optimeringsleder for Lucy-missionen. "Der er to måder at navigere på en mission som Lucy, " sagde han. "Du kan enten brænde en enorm mængde drivmiddel og zig-zagge dig rundt og prøve at finde flere mål, eller du kan se efter en mulighed, hvor de tilfældigvis alle sammen står perfekt på linje." For at besøge disse tilpassede mål, størstedelen af ​​Lucys højhastighedsbaneskift vil komme fra tyngdekraftsassistance, med minimal brug af brændstoftilpasninger.

Selvom Lucy er programmeret til at kaste sig ud i en himmelsk justering, som ikke vil forekomme i årtier, det kan ikke overlades til sig selv. Når rumfartøjet begynder at nærme sig sine asteroidemål, optisk navigation er det næste nødvendige trin.

"OpNav, "som den tekniske leder af optisk navigation, Coralie Adam, henviser til det, er brugen af ​​billeder fra de indbyggede kameraer til at bestemme Lucys position i forhold til målet. Dette er en nyttig måling, der bruges af navigationsteamet til at justere Lucys rute og sikre, at den forbliver på den nominelle forbiflyvningssti. Adam arbejder i Simi Valley, Californien, med KinetX, selskabet NASA udvalgte til at udføre Lucys dybe rumnavigation.

Ved at bruge kommunikationsforbindelsen fra rumfartøjet til Jorden, Adam sagde, Lucy-holdet får information om rumfartøjets placering, retning og hastighed. Rumfartøjet tager billeder og sender dem ned til Jorden, hvor Adam og andre optiske navigatører bruger software til at bestemme, hvor billedet er taget, baseret på placeringen af ​​stjerner og målet. Banebestemmelsesteamet bruger disse data sammen med data fra kommunikationsforbindelsen til at finde ud af, hvor rumfartøjet er, og hvor det forventes at være, i forhold til trojanske heste. Holdet designer derefter en banekorrektionsmanøvre for at få Lucy på sporet. "Den første manøvre er lille, " sagde navigationsteknisk leder Dale Stanbridge, som også er af KinetX. "Men den anden er på 898 meter i sekundet. Det er karakteristisk for Lucy:meget store delta V-manøvrer." Delta V refererer til ændringen i hastigheden under manøvren.

At kommunikere alle disse navigationskommandoer med Lucy er en proces i sig selv. "Lockheed Martin sender kommandoerne til rumfartøjet via Deep Space Network, " sagde Adam. "Det, vi gør, er, at vi arbejder med Lockheed og Southwest Research Institute, hvor hold sekventerer instrumenterne og designer, hvordan rumfartøjet peger, for at sikre, at Lucy tager de billeder, vi vil have, når vi vil have dem."

"Manøvrerne til at korrigere Lucys bane vil alle være virkelig kritiske, fordi rumfartøjet skal støde på trojaneren ved skæringspunktet mellem rumfartøjet og trojanske orbitale fly, " sagde Stanbridge. "At ændre rumfartøjets baneplan kræver en masse energi, så manøvrerne skal udføres på det optimale tidspunkt for at nå til næste krop og samtidig minimere brændstofomkostningerne."

Mens Lucy udfører dybe rummanøvrer for at rette sin bane mod sine mål, kommunikation med rumfartøjet går nogle gange tabt i korte perioder. "Blackout-perioder kan være op til 30 minutter for nogle af vores større manøvrer, " sagde Stanbridge. "Andre gange, du kunne miste kommunikationen ville være, når for eksempel, solen, kommer mellem jordsporingsstationen og rumfartøjet, hvor signalet ville blive forringet ved at passere gennem solplasmaet."

At miste kontakten er ikke katastrofalt, selvom. "Vi har hi-fi-forudsigelser af rumfartøjets bane, som let er gode nok til at genoptage sporing af rumfartøjet, når begivenheden, der forårsagede et kommunikationstab, er forbi, " sagde Stanbridge.

Hvilken rute vil Lucy tage, når dens mission er fuldført, næsten 15 år fra nu? "Vi vil bare lade det være derude, " sagde Englander. "Vi lavede en analyse for at se, om det passivt rammer noget, og ser langt ud i fremtiden, det gør det ikke." Lucy-holdet har givet rumfartøjet en klar vej i tusinder af år, længe efter, at Lucy har omskrevet lærebøgerne om vores solsystems historie.