Laika mērīšana dziļā kosmosā

DSAC gatavojas gadu ilgam eksperimentam, lai raksturotu un pārbaudītu tā piemērotību izmantošanai turpmākajā dziļās kosmosa izpētē. Attēls, izmantojot NASA reaktīvo dzinēju laboratoriju

DSAC gatavojas gadu ilgam eksperimentam, lai raksturotu un pārbaudītu tā piemērotību izmantošanai turpmākajā dziļās kosmosa izpētē. Attēls, izmantojot NASA reaktīvo dzinēju laboratoriju


AutorsTods Elijs,NASA

Mēs visi intuitīvi saprotam laika pamatus. Katru dienu mēs skaitām tās gaitu un izmantojam, lai ieplānotu savu dzīvi.


Mēs arīizmantojiet laiku, lai virzītos pa mūsu ceļugalamērķiem, kas mums ir svarīgi. Skolā mēs uzzinājām, ka ātrums un laiks mums pateiks, cik tālu mēs gājām, ceļojot no punkta A uz punktu B; ar karti mēs varam izvēlēties visefektīvāko maršrutu - vienkāršu.

Bet ko tad, ja punkts A ir Zeme, bet punkts B ir Marss - vai tas joprojām ir tik vienkārši? Konceptuāli, jā. Bet, lai to izdarītu, mums ir vajadzīgi labāki rīki - daudz labāki rīki.

NASA reaktīvo dzinēju laboratorijā es strādāju, lai izstrādātu vienu no šiem rīkiem: dziļās kosmosa atomu pulksteni vaiDSACīsumā. DSAC ir mazs atomu pulkstenis, ko var izmantot kā daļu no kosmosa kuģa navigācijas sistēmas. Tas uzlabos precizitāti un nodrošinās jaunus navigācijas režīmus, piemēram, bez uzraudzības vai autonomu.

Galīgajā formā Deep Space Atomic Clock būs piemērots darbībām Saules sistēmā, kas atrodas daudz tālāk par Zemes orbītu. Mūsu mērķis ir izstrādāt modernu DSAC prototipu un ekspluatēt to kosmosā vienu gadu, demonstrējot tā izmantošanu turpmākai dziļās kosmosa izpētei.




Ātrums un laiks nosaka attālumu

Lai orientētos dziļā kosmosā, mēs mēra radiosignāla, kas pārvietojas uz priekšu un atpakaļ starp kosmosa kuģi un vienu no mūsu raidošajām antenām uz Zemes (parasti viens no NASA dziļo kosmosa tīklu kompleksiem, kas atrodas Goldstonā, Kalifornijā; Madride, Spānija) tranzīta laiku. Kanbera, Austrālija).

Kanberas dziļo kosmosa sakaru komplekss Austrālijā ir daļa no NASA dziļās kosmosa tīkla, kas saņem un nosūta radio signālus uz kosmosa kuģiem un no tiem. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

Kanberas dziļo kosmosa sakaru komplekss Austrālijā ir daļa no NASA dziļās kosmosa tīkla, kas saņem un nosūta radio signālus uz kosmosa kuģiem un no tiem. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

Mēs zinām, ka signāls pārvietojas ar gaismas ātrumu, nemainīgu aptuveni 300 000 km/sek (186 000 jūdzes/sek). Pēc tam, no cik ilga mūsu “divvirzienu” mērījumu veikšanas turp un atpakaļ, mēs varam aprēķināt attālumus un relatīvos ātrumus kosmosa kuģim.


Piemēram, Marsa orbītā esošais satelīts atrodas vidēji 250 miljonu kilometru attālumā no Zemes. Laiks, kas nepieciešams radio signālam, lai turp un atpakaļ (saukts par tā divvirzienu gaismas laiku) ir aptuveni 28 minūtes. Mēs varam izmērīt signāla pārvietošanās laiku un pēc tam to saistīt ar kopējo attālumu, kas nobraucams starp Zemes izsekošanas antenu un orbītu, ar labāku par metru, un orbītā esošā relatīvo ātrumu attiecībā pret antenu 0,1 mm/sek.

Laika gaitā mēs apkopojam datus par attālumu un relatīvo ātrumu, un, ja mums ir pietiekams daudzums (Marsa orbītā, tas parasti ir divas dienas), mēs varam noteikt satelīta trajektoriju.

Laika mērīšana, kas pārsniedz Šveices precizitāti

Šo precīzo mērījumu pamatā ir atomu pulksteņi. Izmērot ļoti stabilu un precīzu noteiktu frekvenču gaismu, ko izstaro daži atomi (piemēram, ūdeņradis, cēzijs, rubīdijs un DSAC gadījumā - dzīvsudrabs), atomu pulkstenis var regulēt tradicionālā mehāniskā (kvarca kristāla) pulksteņa laiku. Tas ir kā kamertonis laika skaitīšanai. Rezultāts ir pulksteņu sistēma, kas gadu desmitiem var būt īpaši stabila.


Dziļās kosmosa atomu pulksteņa precizitāte ir atkarīga no dzīvsudraba jonu īpašībām - tie pāriet starp blakus esošajiem enerģijas līmeņiem ar frekvenci 40,5073479968 GHz. DSAC izmanto šo īpašību, lai izmērītu kļūdu kvarca pulksteņa 'atzīmes ātrumā' un ar šo mērījumu 'virza' to uz stabilu ātrumu. Rezultātā DSAC stabilitāte ir līdzvērtīga uz zemes esošajiem atomu pulksteņiem, iegūstot vai zaudējot mazāk nekā mikrosekundi desmitgadē.

Turpinot Marsa orbītas piemēru, zemes atomu pulksteņi Deep Space Networkkļūdas ieguldījumsorbītas divvirzienu gaismas laika mērīšana notiek pikosekundēs, kopējās distances kļūdas veicinot tikai metra daļās. Tāpat pulksteņu ieguldījums orbītas ātruma mērīšanas kļūdās ir niecīga daļa no kopējās kļūdas (1 mikrometrs/s no kopējās 0,1 mm/sek).

Attāluma un ātruma mērījumus apkopo zemes stacijas un nosūta navigatoru komandām, kuras apstrādā datus, izmantojot sarežģītus kosmosa kuģu kustības datoru modeļus. Viņi aprēķina vispiemērotāko trajektoriju, kas Marsa orbītā parasti ir līdz 10 metru precizitātei (apmēram skolas autobusa garumam).

DSAC demonstrācijas vienība (parādīta uzstādīta uz plāksnes ērtai transportēšanai). Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

DSAC demonstrācijas vienība (parādīta uzstādīta uz plāksnes ērtai transportēšanai). Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

Atomu pulksteņa nosūtīšana uz dziļo kosmosu

Šiem mērījumiem izmantotie pulksteņi ir ledusskapja lielumā un darbojas rūpīgi kontrolētā vidē - noteikti nav piemēroti lidojumiem kosmosā. Salīdzinājumam, DSAC, pat pašreizējā prototipa formā, kā redzams iepriekš, ir aptuveni četru šķēļu tostera izmērs. Pēc konstrukcijas tas spēj labi darboties dinamiskā vidē uz dziļūdens izpētes kuģa.

Izgriezumos redzams DSAC dzīvsudraba jonu uztvērēja korpuss ar elektriskā lauka uztveršanas stieņiem. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

Izgriezumos redzams DSAC dzīvsudraba jonu uztvērēja korpuss ar elektriskā lauka uztveršanas stieņiem. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

Viena no galvenajām DSAC izmēru samazināšanas iespējām bija dzīvsudraba jonu slazda samazināšana. Iepriekš redzamajā attēlā tas ir aptuveni 15 cm (6 collas) garš. Slazds ierobežo dzīvsudraba jonu plazmu, izmantojot elektriskos laukus. Tad, pielietojot magnētiskos laukus un ārējo ekranējumu, mēs nodrošinām stabilu vidi, kurā jonus minimāli ietekmē temperatūra vai magnētiskās svārstības. Šī stabilā vide ļauj ļoti precīzi izmērīt jonu pāreju starp enerģijas stāvokļiem.

DSAC tehnoloģija īsti patērē tikai enerģiju. Visas šīs funkcijas kopā nozīmē, ka mēs varam izstrādāt pulksteni, kas ir piemērots ļoti ilgām kosmosa misijām.

Tā kā DSAC ir tikpat stabils kā tā līdzinieki uz zemes, kosmosa kuģim, kas pārvadā DSAC, nebūtu nepieciešams pagriezt signālus, lai iegūtu divvirzienu izsekošanu. Tā vietā kosmosa kuģis varētu nosūtīt izsekošanas signālu uz Zemes staciju vai arī saņemt Zemes stacijas sūtīto signālu un veikt izsekošanas mērījumus uz kuģa. Citiem vārdiem sakot, tradicionālo divvirzienu izsekošanu var aizstāt ar vienvirziena, mērot vai nu uz zemes, vai uz kosmosa kuģa.

Tātad, ko tas nozīmē dziļās kosmosa navigācijai? Vispārīgi runājot, vienvirziena izsekošana ir elastīgāka, mērogojamāka (jo tā varētu atbalstīt vairāk misiju, neveidojot jaunas antenas) un ļauj izmantot jaunus navigācijas veidus.

DSAC nodrošina nākamās paaudzes dziļas telpas izsekošanu. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

DSAC nodrošina nākamās paaudzes dziļas telpas izsekošanu. Attēls, izmantojot reaktīvo dzinēju laboratoriju

DSAC mūs virza tālāk par to, kas ir iespējams šodien

Deep Space Atomic Clock spēj atrisināt virkni mūsu pašreizējo kosmosa navigācijas problēmu.

  • Tādas vietas kāMartsir “pārpildīti” ar daudziem kosmosa kuģiem: Pašlaik par radio izsekošanu konkurē pieci orbītas. Divvirzienu izsekošanai ir nepieciešams kosmosa kuģis, lai “koplietotu” resursu. Bet, izmantojot vienvirziena izsekošanu, Deep Space Network varētu vienlaikus atbalstīt daudzus kosmosa kuģus, nepaplašinot tīklu. Viss, kas nepieciešams, ir spējīgi kosmosa kuģu radioaparāti kopā ar DSAC.

  • Izmantojot esošo Deep Space Network, vienvirziena izsekošanu var veikt augstākas frekvences joslā nekā pašreizējo divvirzienu. To darot, uzlabojasizsekošanas datu precizitāti līdz pat 10 reizēm, ražojot diapazona ātruma mērījumus ar tikai 0,01 mm/sek kļūdu.

  • Vienvirziena augšupsaites pārraide no Deep Space Network ir ļoti jaudīga. Tos var uztvert ar mazākām kosmosa kuģu antenām ar lielāku redzamības lauku nekā parastās augsta ieguvuma, fokusētās antenas, ko mūsdienās izmanto divvirzienu izsekošanai. Šīs izmaiņas ļauj misijai bez pārtraukuma veikt zinātnes un izpētes darbības, vienlaikus vācot augstas precizitātes datus navigācijai un zinātnei. Piemēram, vienvirziena datu izmantošanu ar DSAC, lai noteiktu Jupitera ledus mēness Europa gravitācijas lauku, var sasniegt trešdaļā laika, kas būtu nepieciešams, izmantojot tradicionālās divvirzienu metodes ar lidojuma misijupašlaik tiek izstrādātsNASA.

  • Augstas precizitātes vienvirziena datu apkopošana kosmosa kuģī nozīmē, ka dati ir pieejami reāllaika navigācijai. Atšķirībā no divvirzienu izsekošanas, uz zemes balstīta datu vākšana un apstrāde nekavējas. Šāda veida navigācija varētu būt izšķiroša robotu izpētei; tas uzlabotu precizitāti un uzticamību kritisku notikumu laikā - piemēram, kad kosmosa kuģis ieiet orbītā ap planētu. Tas ir svarīgi arī cilvēku izpētei, kad astronautiem būs nepieciešama precīza reāllaika informācija par trajektoriju, lai droši pārvietotos uz attāliem Saules sistēmas galamērķiem.

Nākamais Mars Orbiter (NeMO), ko pašlaik izstrādā NASA, ir viena no misijām, kas varētu gūt labumu no vienvirziena radionavigācijas un zinātnes, ko DSAC ļautu. Attēls caur NASA

Nākamais Mars Orbiter (NeMO), ko pašlaik izstrādā NASA, ir viena no misijām, kas varētu gūt labumu no vienvirziena radionavigācijas un zinātnes, ko DSAC ļautu. Attēls caur NASA

Atpakaļskaitīšana līdz DSAC palaišanai

DSAC misija ir mitināta lietderīgā slodze uzSurrey satelīta tehnoloģija Orbitālā testa gultakosmosa kuģis. Kopā ar DSAC demonstrācijas vienību īpaši stabils kvarca oscilators un GPS uztvērējs ar antenu nonāks Zemes orbītā augstumā, kad tie tiks palaisti, izmantojot SpaceX Falcon Heavy raķeti 2017. gada sākumā.

Kamēr tas atrodas orbītā, DSAC kosmosa veiktspēja tiks mērīta gadu ilgā demonstrācijā, kuras laikā globālās pozicionēšanas sistēmas izsekošanas dati tiks izmantoti, lai noteiktu precīzus OTB orbītas un DSAC stabilitātes aprēķinus. Mēs arī veiksim rūpīgi izstrādātu eksperimentu, lai apstiprinātu, ka uz DSAC balstītas orbītas aplēses ir tikpat precīzas vai labākas nekā tās, kas noteiktas no tradicionālajiem divvirzienu datiem. Šādi mēs apstiprināsim DSAC lietderību vienvirziena radionavigācijai dziļumā.

1700. gadu beigās navigāciju atklātā jūrā uz visiem laikiem mainījaDžona HarisonaattīstībaH4'Jūras pulkstenis.' H4 stabilitāte ļāva jūrniekiem precīzi un ticami noteikt garumu, kas līdz tam tūkstošiem gadu bija izvairījies no jūrniekiem. Mūsdienās, lai izpētītu dziļu kosmosu, ir nepieciešami ceļošanas attālumi, kas ir par kārtām lielāki nekā okeānu garumi, un ir nepieciešami arvien precīzāki rīki drošai navigācijai. DSAC ir gatavs atbildēt uz šo izaicinājumu.

Saruna & apos; src = & apos; img/human-world/00/mērīšanas laiks-dziļa telpa.gif

Tods Elijs, Galvenais pētnieks dziļās kosmosa atomu pulksteņu tehnoloģijas demonstrācijas misijā, reaktīvo dzinēju laboratorija,NASA

Vai jums patīk ForVM? Abonējiet mūsu bezmaksas ikdienas biļetenu jau šodien!

Šis raksts sākotnēji tika publicētsSaruna. Lasītoriģināls raksts.