Атомные часы НАСА для дальнего космоса работают на борту спутника General Atomics Orbital Test Bed с июня 2019 года. На этой иллюстрации показан космический корабль на околоземной орбите. Предоставлено: Электромагнитные системы General Atomics.
Демонстрация технологии, разработанная для улучшения навигации для роботов-исследователей и работы спутников GPS, является важной вехой.
Космические корабли, которые выходят за пределы нашей Луны, полагаются на связь с наземными станциями на Земле, чтобы выяснить, где они находятся и куда направляются. Атомные часы дальнего космоса НАСА работают над тем, чтобы дать этим отдаленным исследователям больше автономии при навигации. В новой статье, опубликованной 30 июня 2021 г. в журнале природа, миссия сообщает о прогрессе в своей работе по улучшению способности космических атомных часов постоянно измерять время в течение длительных периодов времени.
Эта функция, известная как стабильность, также влияет на работу спутников GPS, которые помогают людям ориентироваться на Земле, поэтому эта работа также может повысить автономность космических кораблей GPS следующего поколения.
По теме: Что такое атомные часы?
Чтобы рассчитать траекторию дальнего космического корабля, инженеры отправляют сигналы с космического корабля на Землю и обратно. Они используют наземные атомные часы размером с холодильник для регистрации времени этих сигналов, что важно для точного измерения положения космического корабля. Но для роботов на Марсе или в более отдаленных местах ожидание сигналов для полета может быстро составить десятки минут или даже часов.
Если бы на этих космических кораблях были атомные часы, они могли бы вычислять свое собственное положение и направление, но часы должны были бы быть очень стабильными. Спутники GPS несут атомные часы, чтобы помочь нам добраться до наших пунктов назначения на Земле, но эти часы требуют обновления несколько раз в день для поддержания необходимого уровня стабильности. Для полетов в дальний космос потребуются более стабильные космические часы.
Проблеск атомных часов дальнего космоса в среднем отсеке космического корабля орбитального испытательного стенда General Atomics Electromagnetic Systems. Предоставлено: НАСА.
Управляемые Лабораторией реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии, Атомные часы Deep Space работают на борту космического корабля General Atomic Orbital Test Bed с июня 2019 года. Новое исследование сообщает, что команда миссии установила новый рекорд долгосрочной стабильности атомных часов в космос, что более чем в 10 раз превышает стабильность нынешних космических атомных часов, в том числе на спутниках GPS.
Когда на счету каждая наносекунда
Все атомные часы имеют некоторую степень нестабильности, которая приводит к смещению времени часов по сравнению с фактическим временем. Если его не исправить, смещение, хотя и небольшое, но быстро увеличивается, и с навигацией космического корабля даже крошечное смещение может иметь серьезные последствия.
Одна из ключевых целей миссии Deep Space Atomic Clock состояла в том, чтобы измерить стабильность часов в течение более продолжительных периодов времени, чтобы увидеть, как они меняются со временем. В новом документе команда сообщает об уровне стабильности, который приводит к отклонению по времени менее чем на четыре наносекунды после более чем 20 дней работы.
«Как правило, неопределенность во времени в одну наносекунду соответствует неопределенности расстояния около одного фута», - сказал Эрик Берт, физик по атомным часам из миссии JPL и соавтор новой статьи. «Некоторые часы GPS необходимо обновлять несколько раз в день, чтобы поддерживать такой уровень стабильности, а это означает, что GPS сильно зависит от связи с землей. Атомные часы Deep Space увеличивают этот срок до недели или более, что потенциально дает такому приложению, как GPS, большую автономию ».
Стабильность и последующая временная задержка, указанные в новой статье, примерно в пять раз лучше, чем то, о чем команда сообщила весной 2020 года. Это свидетельствует не об улучшении самих часов, а об улучшении их стабильности. Более длительные периоды работы и почти целый год дополнительных данных позволили повысить точность их измерения.
Атомные часы НАСА в глубоком космосе могут произвести революцию в навигации в глубоком космосе. Одним из ключевых требований для демонстрации технологии была компактная конструкция. Здесь показан полный комплект оборудования, его длина с каждой стороны составляет всего около 10 дюймов (25 сантиметров). Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.
Миссия Deep Space Atomic Clock завершится в августе, но НАСА объявило, что работа над этой технологией продолжается: Deep Space Atomic Clock-2, улучшенная версия передового хронометра, будет летать на VERITAS (сокращение от Venus Emissivity, Радионаука, InSAR, топография и спектроскопия) на Венеру. Как и его предшественник, новые космические часы представляют собой демонстрацию технологии, а это означает, что их целью является расширение космических возможностей путем разработки инструментов, аппаратного обеспечения, программного обеспечения и т. п., которых в настоящее время не существует. Созданный JPL и финансируемый Управлением космических технологий НАСА (STMD), сверхточный тактовый сигнал, генерируемый с помощью этой технологии, может помочь обеспечить автономную навигацию космического корабля и улучшить радионаучные наблюдения в будущих миссиях.
Компьютерный дизайн или CAD-чертеж линейной ионной ловушки часов - «сердца» физического пакета Deep Space Atomic Clock - немного меньше двух рулонов четвертей, положенных рядом. Проект DSAC - это небольшие атомные часы с малой массой, основанные на технологии ловушек с ртутными ионами, которые будут продемонстрированы в космосе, обеспечивая беспрецедентную стабильность, необходимую для навигации в дальнем космосе и радионауки следующего поколения. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения.
«Выбор НАСА Deep Space Atomic Clock-2 на VERITAS говорит об обещании этой технологии», - сказал Тодд Эли, главный исследователь и руководитель проекта в JPL. «На VERITAS мы стремимся испытать эти космические часы следующего поколения и продемонстрировать их потенциал для навигации и науки в дальнем космосе».
Ссылка: «Демонстрация атомных часов с захваченными ионами в космосе» Э.А. Берта, Дж.Д. Престейджа, Р.Л. Тьёлкера, Д.Г. Энзера, Д. Куанга, Д.У. Мерфи, Д.Е. Робисона, Дж. М. Зеберта, Р. Т. Ванга и Т. А. Эли, 30 июня 2021 г., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7
Подробнее о миссии
Атомные часы Deep Space размещены на космическом корабле, предоставленном компанией General Atomics Electromagnetic Systems из Энглвуда, штат Колорадо. Он спонсируется программой STMD Technology Demonstration Missions, расположенной в Центре космических полетов НАСА им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, и программой NASA по космической связи и навигации (SCaN) в Управлении миссии NASA по исследованию и эксплуатации человека. JPL управляет проектом.
