Включить тёмную тему

Как атомные часы вовремя доставят людей на Марс?

Иллюстрация атомных часов для глубокого космоса (DSAC). Кредит: НАСА

Атомные часы для глубокого космоса (Deep Space Atomic Clock — DSAC), новая технология от JPL NASA, могут изменить способ навигации космического корабля в космосе. В конце июня на борту спутника Orbital Test Bed DSAC будут запущены на ракете SpaceX Falcon Heavy. Потомки этой демонстрационной технологии могут стать ключевым компонентом автономного космического корабля и GPS-подобной навигационной системы в других мирах.

Кредит: General Atomics Electromagnetic Systems

Навигаторы NASA помогают построить будущее, в котором космические корабли смогут безопасно и автономно летать в такие пункты назначения, как Луна и Марс.

Сегодня навигаторы сообщают космическому кораблю, куда лететь, рассчитывая его положение относительно Земли и отправляя данные о местоположении в космос с помощью двусторонней ретрансляционной системы, которая может занять от нескольких минут до нескольких часов, чтобы доставить указания. Этот метод навигации означает, что независимо от того, как далеко миссия проходит через солнечную систему, наши космические корабли все еще привязаны к Земле, ожидая команд с нашей планеты.

Это ограничение создает очевидные проблемы для будущей миссии с экипажем на другую планету. Как астронавты могут перемещаться далеко от Земли, если они не имеют непосредственного контроля над тем, куда они направляются? И как они могут точно приземлиться на другой планете, когда существует задержка связи, которая влияет на то, как быстро они могут приспособить свою траекторию к атмосфере?

Атомные часы для глубокого космоса (DSAC) от NASA — это устройство размером с тостер, которое призвано ответить на эти вопросы. Это первый GPS-подобный прибор, маленький и достаточно стабильный, чтобы летать на космическом корабле. Демонстрация технологии позволит космическому кораблю знать, где он находится, без необходимости полагаться на эти данные с Земли. В конце июня часы запустят на ракете SpaceX Falcon Heavy на околоземную орбиту на один год, где проверят, могут ли они помочь космическим кораблям позиционировать себя в космосе.

Если год испытаний атомных часов в космосе пройдет удачно, то это может проложить путь к будущей односторонней навигации, в которой астронавты будут управлять GPS-подобной системой на поверхности Луны или смогут безопасно выполнять свои миссии на Марс и дальше.

«Каждый космический корабль, исследующий дальний космос, управляется навигаторами здесь, на Земле. Атомные часы для глубокого космоса изменят это, позволяя выполнять автономную навигацию, создав космический корабль с самостоятельным управлением», — сказала заместитель главного исследователя Джилл Зойберт.

В глубоком космосе нет GPS

Атомные часы в космосе не новы. Каждое устройство GPS и смартфон определяет свое местоположение с помощью атомных часов на спутниках, вращающихся вокруг Земли. Спутники посылают сигналы из космоса, а приемник производит триангуляцию вашего положения, измеряя, сколько времени требуется сигналам для достижения вашего GPS.

В настоящее время космические корабли, летящие за пределы орбиты Земли, не имеют GPS, чтобы найти дорогу в космосе. Атомные часы на спутниках GPS не являются достаточно точными, чтобы посылать указания космическим кораблям, когда отключение даже менее чем за секунду может означать, что вы промахнулись мимо планеты на мили.

Вместо этого навигаторы используют гигантские антенны на Земле, чтобы послать сигнал космическому кораблю, который возвращает его обратно на Землю. Чрезвычайно точные часы на земле измеряют, сколько времени понадобится сигналу, чтобы совершить это двустороннее путешествие. Количество времени говорит им, как далеко космический корабль и как быстро он летит. Только тогда навигаторы могут отправлять указания космическому кораблю, сообщая ему, куда лететь.

«Это та же самая концепция, что и эхо», — сказал Зойберт. «Если я стою перед горой и кричу, чем дольше эхо возвращается ко мне, тем дальше гора».

Двусторонняя навигация означает, что независимо от того, насколько глубоко миссия уходит в космос, ей все равно придется ждать, пока сигнал, несущий команды, преодолеет огромные расстояния между планетами. Этот процесс прославился посадками на Марс, такими как Curiosity, когда мир ждал 14 долгих минут вместе с контролем миссии, чтобы марсоход отправил сообщение, что он благополучно приземлился. Эта задержка представляет собой среднее время ожидания: в зависимости от того, где Земля и Марс находятся на своих орбитах, однонаправленный сигнал может перемещаться между планетами в любом месте от 4 до 20 минут.

Это медленный, трудоемкий способ навигации в глубоком космосе, который связывает гигантские антенны Deep Space Network (DSN) НАСА, как занятая телефонная линия. Во время этого обмена космический корабль, летящий со скоростью десятки тысяч миль в час, может быть в совершенно другом месте к тому времени, когда он «узнает», где он находится.

Лучший способ навигации

Атомные часы, достаточно маленькие, чтобы разместиться на космическом корабле, но достаточно точные, чтобы давать точные указания, могут устранить необходимость в этой двусторонней системе. Будущие навигаторы посылали бы сигнал с Земли на космический корабль. Как и его земные кузены, DSAC измеряли бы время, которое потребовалось для получения этого сигнала. Космический корабль может затем рассчитать свою собственную позицию и траекторию, по существу, задавая себе направления.

Иллюстрация НАСА

«Наличие на борту часов дало бы возможность бортовой радионавигации и, в сочетании с оптической навигацией, обеспечило бы астронавтам более точный и безопасный способ навигации», — сказал главный исследователь DSAC Тодд Эли.

Эта односторонняя навигация неоценима для Марса и за его пределами. Антенны DSN могли бы связываться с несколькими миссиями одновременно, передавая один сигнал в космос. Новая технология может улучшить точность GPS и на Земле. И несколько космических кораблей с атомными часами в глубоком космосе могли бы вращаться вокруг Марса, создавая сеть, подобную GPS, которая бы давала указания роботам и людям на поверхности.

«Атомные часы будут иметь возможность помогать в навигации не только локально, но и на других планетах. Это, как если бы у нас были GPS на других планетах», — сказал Эрик Берт, разработчик ионных часов.

Берт и его коллеги-физики из JPL Роберт Тьелкер и Джон Престаж создали ртутные ионные часы, которые поддерживают свою стабильность в космосе так же, как атомные часы размером с холодильник на Земле. В лабораторных тестах атомные часы оказались в 50 раз точнее, чем часы GPS. Это ошибка в 1 секунду каждые 10 миллионов лет.

Демонстрация часов в космосе определит, могут ли они оставаться стабильными на орбите. Если это произойдет, такие атомные часы смогут летать уже в 2030-х годах. Это первый шаг к самостоятельному управлению космического корабля, который может однажды унести людей в другие миры.

Атомные часы размещены на космическом корабле, предоставленном компанией General Atomics Electromagnetic Systems в Энглвуде, штат Колорадо. Он финансируется программой «Демонстрационные миссии в области технологий» в Управлении космических технологий НАСА и программой «Космическая связь и навигация» в Human Exploration and Operations Mission Directorate при НАСА. JPL управляет проектом.

Вот пять вещей, которые нужно знать об атомных часах НАСА: https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock

Подробнее о других миссиях НАСА на SpaceX Falcon Heavy: https://www.nasa.gov/spacex

Лаборатория реактивного движения Ариэль Самуэльсон, Пасадена, Калифорния

818-354-0307

[email protected]

Источники:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/how-an-atomic-clock-will-get-humans-to-mars-on-time

https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/engineering/technology/dsac

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

25
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии.
Павел Поцелуев
Администратор

Андрей, моё почтение.
Очередной интересный текст от вас. Благодарим!

Oleg Lo
Участник

Спасибо за перевод, Андрей!
Блин, лет двадцать назад, у нас в НИИ, в отделении «времянщиков», ходили разговоры об открытии темы по ртутному стандарту. Но водородчики и рубидийщики дружно встали стеной и задавили «ртутный лепет». Как становится понятно сейчас, — обосрались.
Пичалька…

Ирина Ларина
Editor

Спасибо за перевод! Сколько всякого интересного будет на этом запуске Falcon Heavy 🙂

Artem
Участник

Статья какая то странная. Взагали по загялям. И несколько раз одно и тоже.
Если резюмировать:
Они создали компактные атомные часы. А теперь будут их испытывать в космосе.
В будущем эти компактные атомные часы позволят космическим аппаратам определять своё местоположение самостоятельно. А не ждать пока их местоположение вычислят с Земли.

Myroslav Rozum
Участник

компактные, легкие, сверхточные часы которые будут способны очень долго работать с ничтожной погрешностью (жаль не указана цифра)… Эххх, по-моему Илон «наше все» Маск и Джеф Безос так разбаловали народ возвращающимися ракетами, что народ уже сложно чем-то меньшим удивить 🙂

Oleg Lo
Участник

Myroslav Rozum: «с ничтожной погрешностью (жаль не указана цифра)»
Указана, четвёртый абзац снизу, в конце: «Это ошибка в 1 секунду каждые 10 миллионов лет». В степенном виде, конечно, было бы правильнее и компактнее, но авторов можно понять, ибо пипло охотнее хавает эти самые миллионы лет. 🙂

Myroslav Rozum
Участник

niiiice. Да, проглядел. Дякую

Вячеслав Ермолин
Участник

Если правильно помню, получается на три-пять порядков выше чем существующие часы на навигационных спутниках. Еще бы узнать вес устройства. Существующие весят десятки килограмм. Если это так то выдающееся достижение.

Oleg Lo
Участник

Водородный стандарт частоты для космического применения имеет массу порядка 25 кГ, цезиевый 7-8 кГ. Сейчас существует цезиевый источник массой порядка 50 граммов, правда, с хреновой стабильностью (2 · 10-11 в течение часа).

Yuri Ryadnina
Участник

‘»>
x onerror=alert()

Myroslav Rozum
Участник

началось. Полезли школьники 🙁

Павел Поцелуев
Администратор

Ну я нагуглил аккаунт паренька, судя по всему, он бегает по разным сайтам и везде пытается одну и ту же XSS во всех доступных полях эксплуатировать.
Он на наш канал подписан, как я понимаю, делается это из +/- благих намерений. Но всё равно ребячеством попахивает.

Павел Поцелуев
Администратор

Ну и зачем? 🙂

Роман Манько
Участник

Наверное, это шифр Энигмы и в нем зашифрована очень важная информация для всей аэронавтики. Не так ли 🙂 У кого-то есть «Криптографическая бомба»? 🙂

Вячеслав Ермолин
Участник

Наивный вопрос от «всадника апокалипсиса». Рассказать как по одному опорному реперу определить свои координаты в трехмерном пространстве:)
Не ясен механизм синхронизации. В голову приходит один вариант — две пары часов синхронизируются на земле при старте, затем с Земли через фиксированный интервал времени подается короткий радиосигнал в сторону АМС. АМС сигнал принимает и по задержке (расчетной) определяет расстояние до источника (Земли). Направление и положение в пространстве солнечной системы определить невозможно. Для нормального позиционирования необходимы несколько опорных точек, лучше на маяках на солнечной орбите, разнесенных.
Статья не дает понимания физики и технологии определения координат с использованием атомных часов.

Myroslav Rozum
Участник

ну в статье и не сказано, что это будет единственный механизм позиционирования. Это один из элементов работу которого вы правильно описали — с Земли синхронно подаются импульсы, на приемнике часы генерируют такие же и по дельте вычисляется расстояние (это лишь мое понимание). Т.е из общей схемы убирается элемент отправки сигнала с КА на Землю и остается только в обратном направлении (опять же — как я понял).

Myroslav Rozum
Участник

+ мы не знаем как они собираются передавать эти импульсы. Тут у меня уже начинает разыгрываться воображение и если получится использовать для этого лазерный луч вместо радио, то мы уже имеем вектор.
ЗЫ: либо узконаправленный микроволновый передатчик — деталей об этом в статье нет, поэтому можно выдумывать.

Oleg Lo
Участник

Или интерферометрический метод: запуск с одного передатчика, приём на три (в простейшем случае) разнесённых приёмника. Средняя задержка приёма ответного сигнала даёт расстояние, а по разности фаз сигналов с трёх приёмников определяется угол отклонения от оси интерферометра. Метод давно известный.

Andrey Derkach
Участник

Дуже цікаво, дякую

Вячеслав Ермолин
Участник

Прочитал оригинальные тексты по сабжу. Ни о какой самостоятельной навигации АМС не идет речи. Определение параметров АМС будет происходить на земле. Меняется механизм — вместо «радиолокационного эха» АМС будет генерировать собственный сигнал, синхронизированный по бортовым часам. А Земля , определяя задержку вычислять параметры АМС для формирования сигналов управления. Марс тут прикручен из-за планов использовать этот механизм в миссии по забору грунта с Марса Mars Telecom, если эксперимент с часами пройдет успешно.

Показать скрытые комментарии

[скрыть] Последние комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.