In maart 2016 lanceerde de European Space Agency (ESA) de ExoMars (Exobiology on Mars) missie in de ruimte. Een gezamenlijk project tussen de ESA en Roscosmos, deze tweedelige missie bestond uit de Trace Gas Orbiter (TGO) en de Schiaparelli lander, die beide in oktober 2016 in een baan rond Mars aankwamen. Terwijl Schiaparelli crashte tijdens een poging om te landen, de TGO heeft indrukwekkende prestaties geleverd.
In maart 2017 begon de orbiter bijvoorbeeld met een reeks aerobraking-manoeuvres, waarbij hij zijn baan begon te verlagen om de dunne atmosfeer van Mars binnen te gaan en zich te vertragen. Volgens Armelle Hubault, de Spacecraft Operations Engineer van de TGO vluchtcontroleteam heeft de ExoMars-missie enorme vooruitgang geboekt en is goed op weg om haar laatste baan rond de Rode Planeet te vestigen.
TGO's missie was om het oppervlak van Mars te bestuderen, de verspreiding van water en chemicaliën onder het oppervlak te karakteriseren, de geologische evolutie van de planeet te bestuderen, toekomstige landingsplaatsen te identificeren en te zoeken naar mogelijke biosignaturen van het vorige Marsleven. Zodra het zijn laatste baan rond Mars heeft vastgesteld - 400 km (248,5 mijl) van het oppervlak - de TGO zal bij uitstek geschikt zijn om deze studies uit te voeren.
De ESA heeft ook een afbeelding vrijgegeven (hierboven afgebeeld) die de opeenvolgende banen van de TGO heeft gemaakt sinds het begon met aerobraking - en zal dit blijven doen tot maart 2018. Terwijl de rode stip de orbiter aangeeft (en de blauwe lijn zijn huidige baan), vertonen de grijze lijnen opeenvolgende reducties in de TGO's omlooptijd. De dikke lijnen geven een vermindering van 1 uur aan, terwijl de dunne lijnen een vermindering van 30 minuten aangeven.
In wezen bestaat een enkele aerobraking-manoeuvre uit het feit dat de orbiter de bovenste atmosfeer van Mars binnengaat en vertrouwt op zijn zonnepanelen om kleine hoeveelheden weerstand te genereren. Na verloop van tijd vertraagt dit proces het vaartuig en verlaagt het geleidelijk zijn baan rond Mars. Zoals Armelle Hubault onlangs op de ESA-blog over raketwetenschap heeft gepost:
“We zijn begonnen aan de grootste baan met een apocentre (de verste afstand van Mars tijdens elke baan) van 33 200 km en een baan van 24 uur in maart 2017, maar moesten afgelopen zomer pauzeren omdat Mars samen was. We zijn weer begonnen met aerobraking in augustus 2017 en liggen op schema om te eindigen in de laatste wetenschappelijke baan medio maart 2018. Vanaf vandaag, 30 januari 2018, hebben we ExoMars TGO met 781,5 m / s vertraagd. Ter vergelijking: deze snelheid is meer dan twee keer zo hoog als de snelheid van een typisch langeafstandsvliegtuig. ”
Eerder deze week passeerde de orbiter het punt waar hij in zijn baan het dichtst bij het oppervlak kwam (de pericenterpassage, weergegeven door de rode lijn). Tijdens deze nadering dook het ruimtevaartuig ver in de bovenste atmosfeer van Mars, die het vliegtuig sleepte en verder vertraagde. In zijn huidige elliptische baan bereikt hij een maximale afstand van 2700 km (1677 mijl) van Mars (het is het apocentrum).
Ondanks dat het een decennia oude praktijk is, blijft aerobraking een belangrijke technische uitdaging voor missieteams. Elke keer dat een ruimtevaartuig door de atmosfeer van een planeet gaat, moeten de vluchtcontrollers ervoor zorgen dat de oriëntatie precies goed is om te vertragen en ervoor te zorgen dat het vaartuig stabiel blijft. Als hun berekeningen zelfs maar een beetje afwijken, kan het ruimtevaartuig uit de hand lopen en uit koers raken. Zoals Hubault uitlegde:
“We moeten onze pericenterhoogte regelmatig aanpassen, omdat enerzijds de atmosfeer van Mars varieert in dichtheid (dus soms remmen we meer en soms remmen we minder) en anderzijds is de zwaartekracht van Mars niet overal hetzelfde (dus soms de planeet trekt ons naar beneden en soms drijven we een beetje uit). We proberen op ongeveer 110 km hoogte te blijven voor een optimaal remeffect. Om het ruimtevaartuig op schema te houden, uploaden we elke dag een nieuwe reeks commando's - dus voor ons, voor de vluchtdynamiek en voor de grondstationteams, is het een zeer veeleisende tijd! "
De volgende stap voor het vluchtcontroleteam is om de stuwraketten van het ruimtevaartuig te gebruiken om het ruimtevaartuig in zijn laatste baan te manoeuvreren (weergegeven door de groene lijn op het diagram). Op dit punt bevindt het ruimtevaartuig zich in zijn laatste baan voor wetenschappelijke en operationele gegevensrelais, waar het zich in een ongeveer cirkelvormige baan bevindt, ongeveer 400 km (248,5 mijl) van het oppervlak van Mars. Zoals Hubault schreef, blijft het een uitdaging om de TGO in zijn laatste baan te brengen.
“De grootste uitdaging op dit moment is dat, aangezien we van tevoren nooit weten hoeveel het ruimtevaartuig zal vertragen tijdens elke pericenterpassage, we ook nooit precies weten wanneer het contact met onze grondstations zal herstellen nadat we hebben terugverwezen naar Aarde, 'zei ze. "We werken met een 'venster' van 20 minuten voor het opvangen van signaal (AOS), wanneer het grondstation het signaal van TGO voor het eerst opvangt tijdens een bepaald stationzicht, terwijl we normaal gesproken voor interplanetaire missies vooraf een vaste AOS-tijd hebben geprogrammeerd.
Nu de baanperiode van het ruimtevaartuig nu is verkort tot minder dan 3 uur, moet het vluchtcontroleteam deze oefening nu 8 keer per dag uitvoeren. Zodra de TGO zijn definitieve baan heeft bereikt (tegen maart 2018), blijft de orbiter daar tot 2022 en dient als een telecommunicatierelaisatelliet voor toekomstige missies. Een van zijn taken is het doorgeven van gegevens van de ESA's ExoMars 2020 missie, die zal bestaan uit een Europese rover en een Russisch oppervlakteplatform dat in het voorjaar van 2021 op het oppervlak van Mars wordt ingezet.
Samen met NASA's Mars 2020 rover, dit rover / lander-paar zal het nieuwste zijn in een lange reeks robotmissies die de geheimen van het Mars-verleden willen ontrafelen. Bovendien zullen deze missies cruciale onderzoeken uitvoeren die de weg zullen effenen voor uiteindelijke terugkeermissies van monsters naar de aarde, om nog maar te zwijgen van bemand naar de oppervlakte!
