Dərin kosmosda vaxt ölçmək

DSAC, gələcək dərin kosmik tədqiqatlarda istifadəyə yararlılığını xarakterizə etmək və sınamaq üçün bir illik sınaq üçün hazırlaşır. NASA Jet Propulsion Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

DSAC, gələcək dərin kosmik tədqiqatlarda istifadəyə yararlılığını xarakterizə etmək və sınamaq üçün bir illik sınaq üçün hazırlaşır. NASA Jet Propulsion Laboratoriyası vasitəsilə görüntü


TərəfindənTodd Ely,NASA

Hamımız intuitiv olaraq zamanın əsaslarını başa düşürük. Hər gün onun keçidini sayırıq və həyatımızı planlaşdırmaq üçün istifadə edirik.


Biz dəyolumuza getmək üçün vaxtdan istifadə edinbizim üçün vacib olan istiqamətlərə. Məktəbdə öyrəndik ki, sürət və zaman bizə A nöqtəsindən B nöqtəsinə qədər nə qədər yol getdiyimizi söyləyəcək; bir xəritə ilə ən səmərəli yolu seçə bilərik - sadə.

Bəs əgər A nöqtəsi Yer, B nöqtəsi Marsdırsa - bu qədər sadədirmi? Konseptual olaraq, bəli. Ancaq əslində bunu etmək üçün daha yaxşı vasitələrə - daha yaxşı vasitələrə ehtiyacımız var.

NASA -nın Jet Propulsion Laboratoriyasında bu vasitələrdən birini inkişaf etdirmək üçün çalışıram: Dərin Kosmik Atom Saatı və yaDSACqısaca. DSAC, kosmik gəmilərin naviqasiya sisteminin bir hissəsi kimi istifadə edilə bilən kiçik bir atom saatıdır. Dəqiqliyi artıracaq və nəzarətsiz və ya muxtar kimi yeni naviqasiya rejimlərini işə salacaq.

Son formada, Dərin Kosmik Atom Saatı, Günəş sistemində Yer orbitinin çox kənarında əməliyyatlar üçün uyğun olacaq. Məqsədimiz, inkişaf etmiş bir DSAC prototipini inkişaf etdirmək və gələcəkdə dərin kosmik tədqiqatlar üçün istifadəsini nümayiş etdirərək bir il ərzində kosmosda istismar etməkdir.




Zaman və sürət bizə məsafəni göstərir

Dərin kosmosda gəzmək üçün bir kosmik gəmi ilə Yerdəki ötürücü antenalarımızdan biri arasında (ümumiyyətlə NASA -nın Goldstone, Kaliforniyada yerləşən Dərin Kosmik Şəbəkə komplekslərindən biri arasında, Madrid və İspaniya arasında) irəli və irəli gedən radio siqnalının keçmə müddətini ölçürük. Canberra, Avstraliya).

Avstraliyadakı Canberra Dərin Kosmik Rabitə Kompleksi, NASA -nın Dərin Kosmik Şəbəkəsinin bir hissəsidir, kosmik gəmilərə və oradan radio siqnalları alır və göndərir. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

Avstraliyadakı Canberra Dərin Kosmik Rabitə Kompleksi, NASA -nın Dərin Kosmik Şəbəkəsinin bir hissəsidir, kosmik gəmilərə və oradan radio siqnalları alır və göndərir. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

Siqnalın işıq sürətində, təxminən 300.000 km/saniyə (186.000 mil/san) sabit bir sürətlə hərəkət etdiyini bilirik. Sonra, 'iki tərəfli' ölçməmizin ora və geriyə nə qədər vaxt apardığına görə, kosmik gəmi üçün məsafələri və nisbi sürətləri hesablaya bilərik.


Məsələn, Marsda fırlanan bir peyk Yerdən orta hesabla 250 milyon kilometr məsafədədir. Radio siqnalının ora və geriyə səyahət etməsi üçün lazım olan vaxt (iki tərəfli işıq vaxtı deyilir) təxminən 28 dəqiqədir. Siqnalın gediş müddətini ölçə bilərik və sonra onu Yerin izləmə antenası ilə orbit arasındakı məsafəni bir metrdən daha yaxşı və orbitin antenə nisbi sürətini 0,1 mm/saniyəyə aid edə bilərik.

Zamanla məsafə və nisbi sürət məlumatlarını toplayırıq və kifayət qədər miqdarımız olduqda (bir Mars orbitində bu adətən iki gündür) peykin traektoriyasını təyin edə bilərik.

Vaxtın ölçülməsi, İsveçrənin dəqiqliyindən çox uzaqdır

Bu dəqiq ölçülərin əsasını atom saatları təşkil edir. Bəzi atomların yaydığı işığın çox sabit və dəqiq tezliklərini ölçməklə (məsələn, hidrogen, sezium, rubidiyum və DSAC üçün civə) atom saatı daha ənənəvi mexaniki (kvars kristallı) saatın saxlama müddətini tənzimləyə bilər. Vaxtın saxlanması üçün bir tuning çəngəlinə bənzəyir. Nəticə onilliklər ərzində son dərəcə sabit ola bilən bir saat sistemidir.


Dərin Kosmik Atom Saatının dəqiqliyi civə ionlarının xas xüsusiyyətlərindən asılıdır - onlar dəqiq 40.5073479968 GHz tezlikdə qonşu enerji səviyyələri arasında keçid edirlər. DSAC, bu xüsusiyyətdən bir kvars saatının 'gənə nisbətindəki' xətanı ölçmək üçün istifadə edir və bu ölçü ilə onu sabit bir sürətə 'yönləndirir'. DSAC-ın sabitliyi, yerüstü atom saatları ilə eyni səviyyədədir, on ildə bir mikrosaniyədən daha az qazanır və ya itirir.

Mars orbiter nümunəsinə davam edərək, Dərin Kosmos Şəbəkəsindəki yerüstü atom saatlarısəhv töhfəOrbiterin iki tərəfli işıq vaxtının ölçülməsi, pikosaniyələr sırasındadır və ümumi məsafə səhvinə yalnız bir metr hissəsini qatır. Eyni şəkildə, orbiterin sürət ölçməsindəki səhvlərə töhfə, ümumi səhvin kiçik bir hissəsidir (cəmi 0,1 mm/saniyədən 1 mikrometr/saniyə).

Məsafə və sürət ölçüləri yerüstü stansiyalar tərəfindən toplanır və kosmik gəmilərin hərəkətinin mürəkkəb kompüter modellərindən istifadə edərək məlumatları işləyən naviqator qruplarına göndərilir. Bir Mars yörüngəsi üçün ümumiyyətlə 10 metr (məktəb avtobusunun uzunluğuna yaxın) qədər dəqiq olan ən uyğun bir traektoriyanı hesablayırlar.

DSAC Göstərmə Birimi (asan daşınması üçün lövhəyə quraşdırılmış şəkildə göstərilmişdir). Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

DSAC Göstərmə Birimi (asan daşınması üçün lövhəyə quraşdırılmış şəkildə göstərilmişdir). Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

Dərin kosmosa atom saatı göndərmək

Bu ölçmələr üçün istifadə olunan yer saatı soyuducunun ölçüsüdür və diqqətlə idarə olunan mühitlərdə işləyir - bu, mütləq kosmik uçuşlar üçün uyğun deyil. Müqayisə üçün, DSAC, hətta yuxarıda göründüyü kimi indiki prototip formasında olsa da, təxminən dörd dilimli tost ölçüsündədir. Dizaynına görə, dərin kosmik tədqiqat gəmisində dinamik mühitdə yaxşı işləyə bilir.

Kəsiklərdə görünən elektrik sahə tutma çubuqları olan DSAC civə ion tələsi yuvası. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

Kəsiklərdə görünən elektrik sahə tutma çubuqları olan DSAC civə ion tələsi yuvası. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

DSAC -ın ümumi ölçüsünü azaltmağın açarlarından biri civə ion tutucusunun minyatürləşdirilməsi idi. Yuxarıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, təxminən 15 sm (6 düym) uzunluqdadır. Tələ elektrik sahələrindən istifadə edərək civə ionlarının plazmasını məhdudlaşdırır. Daha sonra, maqnit sahələri və xarici ekranlama tətbiq edərək, ionların temperaturdan və ya maqnit dəyişikliklərindən minimal şəkildə təsirləndiyi sabit bir mühit təmin edirik. Bu sabit mühit, ionların enerji vəziyyətləri arasındakı keçidini çox dəqiq ölçməyə imkan verir.

DSAC texnologiyası həqiqətən gücdən başqa bir şey istehlak etmir. Bütün bu xüsusiyyətlər birlikdə çox uzun müddətli kosmik missiyalar üçün uyğun bir saat hazırlaya biləcəyimiz deməkdir.

DSAC, yerdəki həmkarları qədər sabit olduğu üçün, DSAC daşıyan kosmik gəmilərin iki tərəfli izləmə əldə etmək üçün siqnalları çevirməsinə ehtiyac olmayacaq. Bunun əvəzinə, kosmik gəmi Yer stansiyasına izləmə siqnalı göndərə bilər və ya Yer stansiyası tərəfindən göndərilən siqnalı qəbul edə və gəmidə izləmə ölçməsini edə bilər. Başqa sözlə, ənənəvi ikitərəfli izləmə, ya yerdə, ya da kosmik gəminin göyərtəsində ölçülən bir tərəfli ilə əvəz edilə bilər.

Bəs dərin kosmik naviqasiya üçün bu nə deməkdir? Ümumiyyətlə, birtərəfli izləmə daha çevik, ölçeklenebilirdir (çünki yeni antenalar qurmadan daha çox missiyanı dəstəkləyə bilər) və yeni naviqasiya yolları verir.

DSAC, gələcək nəsil dərin kosmik izləmə imkanı verir. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

DSAC, gələcək nəsil dərin kosmik izləmə imkanı verir. Jet Mühərrik Laboratoriyası vasitəsilə görüntü

DSAC bizi bu gün mümkün olanlardan daha irəli aparır

Dərin Kosmik Atom Saatı, indiki kosmik naviqasiya problemlərimizi həll etmək potensialına malikdir.

  • Kimi yerlərmartbir çox kosmik gəmi ilə 'izdihamlıdır': Hal -hazırda, radio izləmə üçün yarışan beş orbiter var. İki tərəfli izləmə, kosmik gəmilərin mənbəni 'vaxt paylaşmasını' tələb edir. Ancaq bir tərəfli izləmə ilə Dərin Kosmik Şəbəkə, şəbəkəni genişləndirmədən eyni vaxtda bir çox kosmik gəmini dəstəkləyə bilər. Lazım olanların hamısı DSAC ilə birləşən qabiliyyətli kosmik gəmilərdir.

  • Mövcud Dərin Kosmik Şəbəkə ilə, bir tərəfli izləmə indiki iki tərəflidən daha yüksək tezlik diapazonunda aparıla bilər. Bunu etmək vəziyyəti yaxşılaşdırırizləmə məlumatlarının dəqiqliyi 10 qat yuxarı, yalnız 0.01 mm/san xətası ilə aralıq ölçmə ölçüləri istehsal edir.

  • Dərin Kosmos Şəbəkəsindən bir tərəfli yuxarıya keçid ötürmələri çox güclüdür. Bu gün ikitərəfli izləmə üçün istifadə olunan tipik yüksək qazanclı, fokuslu antenalardan daha böyük görmə sahələrinə malik kiçik kosmik gəmi antenaları tərəfindən qəbul edilə bilər. Bu dəyişiklik, missiyaya hələ də naviqasiya və elm üçün yüksək dəqiqlikli məlumatlar toplayarkən elm və kəşfiyyat fəaliyyətlərini həyata keçirməyə imkan verir. Nümunə olaraq, Yupiterin buzlu bir ayı olan Europa'nın cazibə sahəsini təyin etmək üçün DSAC ilə birtərəfli məlumatların istifadəsi, uçmaq missiyası ilə ənənəvi iki tərəfli metodlardan istifadə etmək lazım olduğu vaxtın üçdə birində əldə edilə bilər.hazırda inkişaf mərhələsindədirNASA tərəfindən.

  • Bir kosmik gəmidə yüksək dəqiqlikli birtərəfli məlumatların toplanması, məlumatların real vaxt naviqasiyası üçün mövcud olduğunu bildirir. İki tərəfli izləmədən fərqli olaraq, yerüstü məlumatların toplanması və emalı ilə bağlı heç bir gecikmə yoxdur. Bu növ naviqasiya robot kəşfiyyatı üçün çox vacib ola bilər; kritik hadisələr zamanı dəqiqliyi və etibarlılığı artıracaq - məsələn, bir kosmik gəmi planetin orbitinə daxil olduqda. Astronavtların uzaq günəş sistemi istiqamətlərinə etibarlı şəkildə getmək üçün dəqiq real vaxt trayektoriyası məlumatlarına ehtiyacı olacağı zaman insan araşdırmaları üçün də vacibdir.

Hal-hazırda NASA tərəfindən konsepsiya hazırlanan Next Mars Orbiter (NeMO), DSAC-ın imkan verəcəyi birtərəfli radio naviqasiya və elmdən faydalana biləcək bir missiyadır. NASA vasitəsilə görüntü

Hal-hazırda NASA tərəfindən konsepsiya hazırlanan Next Mars Orbiter (NeMO), DSAC-ın imkan verəcəyi birtərəfli radio naviqasiya və elmdən faydalana biləcək bir missiyadır. NASA vasitəsilə görüntü

DSAC -ın işə salınması üçün geri sayma

DSAC missiyası, ev sahibliyi edən bir yükdürSurrey peyk texnologiyası Orbital Test Yatağıkosmik gəmi. DSAC Nümayiş Birliyi ilə birlikdə ultra sabit bir kvars osilatoru və antenli GPS qəbuledicisi 2017 -ci ilin əvvəlində bir SpaceX Falcon Heavy raketi ilə buraxıldıqdan sonra aşağı yüksəklikdə Yer orbitinə girəcək.

Orbitdə olarkən, DSAC-ın kosmosa əsaslanan performansı, OTB-nin orbitinin və DSAC-ın sabitliyinin dəqiq təxminlərini təyin etmək üçün Qlobal Mövqe Ayarlama Sistemi izləmə məlumatlarından istifadə ediləcək bir illik nümayişdə ölçüləcək. DSAC əsaslı orbit təxminlərinin ənənəvi ikitərəfli məlumatlardan daha dəqiq və ya daha yaxşı olduğunu təsdiqləmək üçün diqqətlə hazırlanmış bir təcrübə də aparacağıq. Dərin kosmosda birtərəfli radio naviqasiyası üçün DSAC-ın yardım proqramını belə təsdiqləyəcəyik.

1700 -cü illərin sonlarında açıq dənizdə gəzmək sonsuza qədər dəyişdiJohn Harrisonnin inkişafıH4'Dəniz saatı.' H4 -ün dayanıqlılığı dənizçilərə o vaxta qədər min illərlə dənizçilərdən qaçan uzunluqları dəqiq və etibarlı şəkildə təyin etməyə imkan verdi. Bu gün dərin kosmosu araşdırmaq üçün okeanların uzunluğundan daha böyük miqyaslı səyahət məsafələri tələb olunur və təhlükəsiz naviqasiya üçün daha çox dəqiqliyə malik vasitələr tələb olunur. DSAC bu çağırışa cavab verməyə hazırdır.

Söhbət & apos; src = & apos; img/insan-dünya/00/ölçü-zaman-dərin-kosmos.gif

Todd Ely, Dərin Kosmik Atom Saatı Texnologiyası Nümayiş Missiyası, Jet Tahrik Laboratoriyası üzrə Baş Tədqiqatçı,NASA

ForVM -dən zövq alırsınız? Bu gün pulsuz gündəlik bülletenimizə üzv olun!

Bu məqalə əvvəlcə nəşr olunduSöhbət. Oxuyunorijinal məqalə.