НАСА включило новые сверхточные космические атомные часы, которые, как надеется агентство, однажды помогут космическим кораблям вести себя в открытом космосе, не полагаясь на земные часы.
Он называется «Атомные часы в глубоком космосе» (DSAC) и работает, измеряя поведение ионов ртути, захваченных в его маленьком корпусе. Он был на орбите с июня, но впервые был успешно активирован 23 августа. Он совсем не бросается в глаза - просто серая коробка размером с тостер с четырьмя срезами и полный проводов, Джилл Сойберт, инженер-аэрокосмик и один из них. из лидеров проекта в НАСА, рассказал Live Science. Но этот скромный размер - главное: Зуберт и ее коллеги работают над тем, чтобы спроектировать часы, достаточно маленькие, чтобы загружать их на любой космический корабль, и достаточно точные, чтобы вести сложные маневры в глубоком космосе без участия своих собратьев размером с холодильник на Земле.
Вам нужны точные часы, чтобы ориентироваться в пространстве, потому что оно большое и пустое. Есть несколько ориентиров, по которым можно судить о вашей позиции или скорости, и большинство из них слишком далеко, чтобы предоставить точную информацию. Таким образом, каждое решение повернуть судно или запустить его двигатели, по словам Зойберта, начинается с трех вопросов: где я? Как быстро я двигаюсь? И в каком направлении?
Лучший способ ответить на эти вопросы - посмотреть на объекты, ответы на которые уже известны, такие как радиопередатчики на Земле или спутники GPS, следующие по известным орбитальным траекториям в космосе. Посылайте сигнал со скоростью света с точным временем в точке A и измеряйте, сколько времени потребуется, чтобы добраться до точки B. Он сообщает вам расстояние между A и B. Отправьте еще два сигнала из еще двух мест, и вы получите достаточно информации, чтобы точно определить, где находится точка B в трехмерном пространстве. (Вот как работает программное обеспечение GPS на вашем телефоне: постоянно проверяя разницу минут в сигнатурах, передаваемых разными орбитальными спутниками.)
По словам Зойберта, для навигации в космосе НАСА в настоящее время использует аналогичную, но менее точную систему. Большинство атомных часов и радиовещательного оборудования находятся на Земле, и они в совокупности образуют так называемую сеть глубокого космоса. Поэтому НАСА обычно не может рассчитать положение и скорость космического корабля из трех источников за один раз. Вместо этого агентство использует серию измерений, когда Земля и космический корабль движутся в пространстве с течением времени, чтобы определить направление и положение космического корабля.
Чтобы космический корабль знал, где он находится, ему необходимо получить сигнал из глубокой космической сети, рассчитать время, необходимое для прибытия сигнала, и использовать скорость света для определения расстояния. «Чтобы сделать это очень точно, вы необходимо иметь возможность измерять эти времена - время отправки и получения сигнала - как можно точнее. И на местах, когда мы посылаем эти сигналы из нашей сети Deep Space, у нас есть очень точные атомные часы и точный, "сказал Зубер. «До сих пор у нас были достаточно маленькие часы и достаточно маломощные, чтобы летать на космическом корабле, они назывались ультрастабильными генераторами, что совершенно неверно. Они не ультрастабильны. Они записывают этот сигнал… получил время, но это очень низкая точность ".
Поскольку данные о местоположении на борту космического корабля настолько ненадежны, выяснить, как ориентироваться - например, когда включить двигатель или изменить курс, - гораздо сложнее, и это необходимо сделать на Земле. Другими словами, люди на Земле управляют космическим кораблем за сотни тысяч или миллионы миль.
«Но если бы вы могли очень точно записать это время приема сигналов на борту с помощью атомных часов, теперь у вас есть возможность собрать все эти данные отслеживания на борту и спроектировать свой компьютер и радио так, чтобы космический корабль мог вести себя сам». она сказала.
НАСА и другие космические агентства уже раньше помещали атомные часы в космос. Весь наш спутниковый флот GPS несет атомные часы. Но, по большей части, они слишком неточны и громоздки для долгосрочной работы, сказал Зойберт. Окружающая среда в космосе намного грубее, чем исследовательская лаборатория на Земле. Температура меняется, когда часы проходят и выходят из солнечного света. Уровень радиации повышается и понижается.
«Это хорошо известная проблема космического полета, и мы, как правило, отправляем закаленные радиацией детали, которые, как мы продемонстрировали, могут работать в различных радиационных средах с аналогичными характеристиками», - сказала она.
Но излучение все еще меняет способ работы электроники. И эти изменения влияют на чувствительное оборудование, используемое атомными часами, чтобы измерить время проскальзывания, угрожая ввести неточности. По словам Зойберта, несколько раз в день военно-воздушные силы загружают поправки в часы спутников GPS, чтобы они не синхронизировались с часами на земле.
По ее словам, цель DSAC - создать систему, которая будет не только портативной и достаточно простой для установки на любом космическом корабле, но и достаточно выносливой для работы в космосе в течение длительного периода времени, не требуя постоянной настройки от команд, базирующихся на Земле.
По словам Зойберта, в дополнение к тому, что такие часы позволяют более точную навигацию в дальнем космосе с использованием земных сигналов, они могут однажды позволить космонавтам на отдаленных аванпостах перемещаться так же, как мы делаем это с помощью наших картографических устройств на Земле. Небольшой парк спутников, оснащенных устройствами DSAC, может вращаться на орбите Луны или Марса, функционируя вместо земных систем GPS, и эта сеть не потребует исправлений несколько раз в день.
В будущем, по ее словам, DSAC или подобные устройства могут играть роль в пульсарных навигационных системах, которые будут отслеживать время, такое как пульсация света от других звездных систем, чтобы позволить космическому кораблю перемещаться без какого-либо входа с Земли.
Однако в следующем году цель состоит в том, чтобы этот первый DSAC функционировал должным образом, поскольку он вращается вблизи Земли.
«Нам нужно по сути научиться настраивать часы для правильной работы в этой среде», - сказал Зойберт.
Уроки, которые команда DSAC изучает при настройке устройства в этом году, должны подготовить их к использованию аналогичных устройств в более дальних полетах в будущем, добавила она.
