Атомний годинник для глибокого космосу NASA працює на борту супутника General Atomics Orbital Test Bed з червня 2019 року. Ця ілюстрація показує космічний корабель на орбіті Землі. Авторство: General Atomics Electromagnetic Systems
Створена для покращення навігації для роботизованих дослідників і роботи супутників GPS, демонстрація технології повідомляє про важливий етап.
Космічні кораблі, які вилітають за межі нашого Місяця, покладаються на зв’язок із наземними станціями на Землі, щоб з’ясувати, де вони знаходяться і куди йдуть. Атомний годинник глибокого космосу NASA працює над тим, щоб надати цим далеким дослідникам більше автономії під час навігації. У новій статті, опублікованій 30 червня 2021 року в журналі природамісія повідомляє про прогрес у своїй роботі з покращення здатності космічних атомних годин постійно вимірювати час протягом тривалого періоду.
Відома як стабільність, ця функція також впливає на роботу супутників GPS, які допомагають людям орієнтуватися на Землі, тому ця робота також може підвищити автономність космічних кораблів GPS наступного покоління.
За темою: Що таке атомний годинник?
Щоб розрахувати траєкторію далекого космічного корабля, інженери посилають сигнали з космічного корабля на Землю і назад. Вони використовують на землі атомні годинники розміром з холодильник, щоб реєструвати час цих сигналів, що важливо для точного вимірювання положення космічного корабля. Але для роботів на Марсі або в більш віддалених місцях очікування сигналів для здійснення подорожі може швидко додавати до десятків хвилин або навіть годин.
Якби ці космічні кораблі мали атомні годинники, вони могли б обчислити своє власне положення та напрямок, але годинники мали б бути дуже стабільними. Супутники GPS несуть атомні годинники, щоб допомогти нам дістатися до місця призначення на Землі, але ці годинники вимагають оновлення кілька разів на день, щоб підтримувати необхідний рівень стабільності. Місії в глибокий космос потребують більш стабільних космічних годинників.
Погляд на атомний годинник глибокого космосу в середньому відсіку космічного корабля General Atomics Electromagnetic Systems Orbital Test Bed. Авторство: NASA
Атомний годинник глибокого космосу, керований Лабораторією реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії, працює на борту космічного корабля General Atomic Orbital Test Bed з червня 2019 року. У новому дослідженні повідомляється, що команда місії встановила новий рекорд довгострокової стабільності атомного годинника в космос, що в 10 разів перевищує стабільність поточних космічних атомних годинників, у тому числі на супутниках GPS.
Коли кожна наносекунда на рахунку
Усі атомні годинники мають певний ступінь нестабільності, що призводить до зміщення часу годинника щодо фактичного часу. Якщо не виправити, зміщення, хоча і незначне, швидко збільшується, і при навігації космічним кораблем навіть невелике зміщення може мати різкі наслідки.
Однією з ключових цілей місії «Атомний годинник глибокого космосу» було вимірювати стабільність годинника протягом все більш тривалих періодів, щоб побачити, як він змінюється з часом. У новій роботі команда повідомляє про рівень стабільності, який призводить до відхилення в часі менше чотирьох наносекунд після більше ніж 20 днів роботи.
«За загальним правилом, невизначеність в одну наносекунду в часі відповідає невизначеності відстані приблизно в один фут», — сказав Ерік Берт, фізик з атомного годинника з місії JPL і співавтор нової роботи. «Деякі GPS-годинники необхідно оновлювати кілька разів на день, щоб підтримувати цей рівень стабільності, а це означає, що GPS дуже залежить від зв’язку з землею. Атомний годинник глибокого космосу збільшує це до тижня або більше, що потенційно надає додатку, як-от GPS, набагато більшу автономію».
Стабільність і подальша затримка в часі, про яку повідомляється в новій статті, приблизно в п’ять разів кращі, ніж про те, що команда повідомила навесні 2020 року. Це не є покращенням самих годинників, а покращенням командного вимірювання стабільності годинника. Більш тривалі періоди експлуатації та майже цілий рік додаткових даних дозволили підвищити точність їх вимірювання.
Атомний годинник для глибокого космосу NASA може змінити навігацію в глибокий космос. Однією з ключових вимог до демонстрації технології був компактний дизайн. Повний комплект обладнання показаний тут і має лише близько 10 дюймів (25 сантиметрів) з кожного боку. Авторство і права: NASA/JPL-Caltech
Місія Deep Space Atomic Clock завершиться в серпні, але NASA оголосило, що робота над цією технологією триває: Deep Space Atomic Clock-2, покращена версія передового хронометриста, буде літати на VERITAS (скорочення від Venus Emisivity, Радіонаука, InSAR, топографія та спектроскопія) місія до Венери. Як і його попередник, нові космічні годинники є демонстрацією технологій, тобто їх метою є розширити можливості в космосі шляхом розробки інструментів, апаратного забезпечення, програмного забезпечення тощо, яких на даний момент не існує. Створений JPL і фінансований Управлінням місії космічних технологій NASA (STMD), надточний тактовий сигнал, згенерований за допомогою цієї технології, може допомогти забезпечити автономну навігацію космічним кораблем і покращити спостереження за радіотехнікою в майбутніх місіях.
Комп’ютерне проектування, або CAD, креслення лінійної іонної пастки годинника – «серця» фізичного пакета Deep Space Atomic Clock – трохи менше, ніж два рулони четвертин, покладених поруч. Проект DSAC — це невеликий атомний годинник з малою масою, заснований на технології уловлювання іонів ртуті, який буде продемонстровано в космосі, забезпечуючи безпрецедентну стабільність, необхідну для навігації в глибокому космосі та радіонауки наступного покоління. Авторство і права: NASA/JPL
«Вибір NASA атомного годинника глибокого космосу-2 на VERITAS говорить про перспективність цієї технології», – сказав Тодд Елі, головний дослідник Deep Space Atomic Clock і менеджер проекту в JPL. «У VERITAS ми прагнемо вдосконалити цей космічний годинник наступного покоління та продемонструвати його потенціал для навігації в глибокий космос і науки».
Посилання: «Демонстрація атомного годинника з захопленими іонами в космосі» Е. А. Берт, Дж. Д. Престедж, Р. Л. Тьолкер, Д. Г. Енцер, Д. Куанг, Д. В. Мерфі, Д. Е. Робісон, Дж. М. Сойберт, Р. Т. Ван і Т. А. Елі, 30 червня 2021 р., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7
Детальніше про місію
Атомний годинник глибокого космосу розміщений на космічному кораблі, наданому General Atomics Electromagnetic Systems з Енглвуда, штат Колорадо. Його спонсорує програма STMD демонстраційних місій, розташована в Центрі космічних польотів Маршалла НАСА в Хантсвіллі, штат Алабама, і програма космічного зв’язку та навігації (SCaN) НАСА в рамках Управління місії дослідження людини та операцій НАСА. JPL керує проектом.
