NASA新型微型原子钟,能让宇宙飞船在深空中实现自动驾驶?

原标题:NASA新型微型原子钟,能让宇宙飞船在深空中实现自动驾驶?

美国宇航局一种新的、超精密太空原子钟,有朝一日或能帮助宇宙飞船在不依赖地球时钟的情况下自行驾驶宇宙飞船穿越深空。太空原子钟被称为深空原子钟(DSAC),工作原理是测量困在其小框架内的汞离子行为。深空原子钟自今年6月以来一直在轨道上运行,在8月23日首次成功启动,但深空原子钟外观一点也不华丽,只是一个四片烤面包机大小的灰色盒子,里面装满了各种器件。

但关键是这个不起眼的大小,NASA科学家努力设计的一种时钟,它足够小,可以装载到任何航天器上,并且足够精确,可以在不需要地球上冰箱大小原子时钟的情况下,在深太空中引导复杂的操作。在太空需要一个精确的时钟来找到你在太空中的飞行路线,因为太空又大又空。很少有地标可以用来判断位置或速度,而且大多数都太远了,无法提供准确的信息。因此,每一个决定都是改变飞船的转向,还是启动推进器?

都要从三个问题开始的:我在哪里?我移动的速度有多快?我在哪个方向?回答这些问题的最好方法是看那些已经知道答案的物体,比如地球上的无线电发射器,或者GPS卫星沿着已知轨道穿过太空。在A点以光速发送信号,并测量到达B点所需的时间。就能知道A和B之间的距离。从另外两个位置再发送两个信号,就会有足够的信息来确定B点在三维空间中的确切位置(手机上的GPS就是这样工作的:通过不断检验不同轨道卫星广播的时间信号微小差异)。为了导航太空,NASA目前依靠的是一个类似但不太精确的系统。

大多数原子钟和广播设备都在地球上,它们共同形成了所谓的深空网络。所以NASA通常不能一次从三个来源计算出航天器的位置和速度。取而代之的是,当地球和宇宙飞船随着时间的推移在空间中移动时,NASA使用一系列测量来确定宇宙飞船的方向和位置。为了知道航天器在哪里,需要接收来自深空网络的信号,计算信号到达的时间,并使用光速来确定距离。要做到非常精确,需要能够尽可能精确地测量这些时间:信号发送和信号接收时间。

而在地面上,当从深空网络发送这些信号时,有非常精确和准确的原子钟。到目前为止,拥有的那些足够小、功率足够低的时钟可以在航天器上飞行,被称为超稳定振荡器,这是一个完全错误的称谓,因为它们不是超稳定,虽然记录接收信号的时间,但准确度非常低。由于太空船上的位置数据如此不可靠,要弄清楚如何导航:例如何时开启推进器或改变航线要复杂得多,必须在地球上完成,换句话说,地球上的在从数十万或数百万英里之外驾驶宇宙飞船。

但如果能用原子钟非常准确地记录飞船上接收到的信号时间,就能在飞船上收集所有跟踪数据,并设计计算机和无线电,使飞船等航天器能够自动驾驶。NASA和其他太空机构以前也曾在太空放置过原子钟。如整个GPS卫星都携带原子钟。但是,在大多数情况下,它们对于长期工作来说太不准确和笨拙了。太空环境比地球上的研究实验室恶劣得多。当时钟在阳光下进出时,温度会发生变化,辐射水平上下波动。

这是一个众所周知的航天问题,通常做法是发射抗辐射的部件来保护,这些部件可以在不同辐射环境中工作,具有相似的性能。但是辐射仍然会改变电子设备的操作方式,而且这些变化影响了原子钟用来测量时间的敏感设备,有可能引入不准确,每天都要多次向GPS卫星的时钟上传校正,以防止它们与地面上的时钟不同步。深空原子钟的目标是建立一个系统,不仅足够轻便和简单,可以安装在任何航天器上,而且足够耐用,可以在太空中长期运行,而不需要地球团队的不断调整。

除了能使用地球信号进行更精确的深空导航之外,深空原子钟有朝一日可能会为远方前哨的宇航员提供极大的帮助,就像在地球上使用测绘设备所做的那样。配备深空原子钟设备的一小批卫星可以绕月球或火星轨道运行,取代地球GPS系统,并且这个网络不需要一天修正几次。未来,深空原子钟或类似设备可能会在脉冲星导航系统中发挥作用,该系统将能跟踪其他恒星系统发出光脉冲等事件的时间,未来一年NASA的目标是让第一个深空原子钟在接近地球的轨道上正常运行。返回搜狐,查看更多

博科园|文:Rafi Letzter/Live Science
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