НАСА створює GPS для космічних кораблів

Це стало можливим завдяки сучасному атомному годиннику, що достатньо компактний, міцний і в 50 разів точніший, ніж атомний годинник GPS-супутників на орбіті землі. В основі атомного годинника Deep Space від НАСА є іони ртуті, і тепер його відправили у тестовий політ навколо Землі, що триватиме рік. Якщо він повернеться цілим, то надалі його встановлюватимуть на космічних кораблях.

Атомний годинник синхронізує світовий час, він служить дослідницьким інструментом та основою світової системи GPS. Аби визначити місце свого розташування, отримувачі GPS порівнюють час, який потрібно, щоб отримати сигнал з GPS-супутника. Це спрацьовує точно лише тоді, коли супутник точно вимірює час. Тому на його борту розміщують атомний годинник, який іде з точністю до 60 наносекунд. Проте такий пристрій потрібно двічі на день звіряти з сигналами з Землі.

Ця система дуже практична на Землі – проте за орбітою планети GPS не працює. Космічні кораблі, що летять на Місяць, Марс і далі в Сонячну систему, щодо своєї навігації покладаються на радіосигнали з Землі. Для цього антени мережі Deep Space відправляють їм сигнал, який вони потім скеровують назад на Землю. Вимірявши час, потрібний для цього, наземні станції визначають відстань до корабля та його розташування.

«Це принцип відлуння», – пояснила Джил Зейберт (Jill Seubert) з НАСА. Проблема ось у чому: що далі космічний корабель відлітає від Землі, то довше триває обмін цими сигналами – і на критичних етапах місії це може призвести до фатального запізнення.

Дотепер все ж не було жодного приладу чи атомного годинника, який був би достатньо компактним і міцним, щоби працювати на борту корабля без постійного звіряння з годинниками Землі. «Такий годинник на борту дав би змогу кораблям самостійно здійснювати навігацію, тобто астронавтам відкрився б шлях до точного та надійного визначення власного розташування», – сказав керівник проекту Тод Елі (Todd Ely) з НАСА.

Нещодавно тут, у НАСА, розробили один такий годинник для космічного корабля. Прилад завбільшки з тостер є міцним і достатньо точним, щоби служити GPS-модулем для космічного корабля. За даними НАСА, новий «Deep Space Atomic Clock» за чотири дні відстає або спішить на одну наносекунду – це в 50 разів точніше, ніж звичайний атомний годинник. Інакше кажучи, потрібно приблизно 10 мільйонів років, щоби він почав помилятися на одну секунду.

Серцевиною нового атомного годинника є сильно охолоджені іони ртуті, котрий електромагнітна пастка втримує в стані невагомості. Як і в звичайних атомних годинниках, функцію таймера виконує зміна енергетичних станів у електронах цих частинок: частота коливань, за якої випромінювання ззовні змушує іони змінювати їхні стани, становить основну одиницю часового вимірювання.

Однак є й ускладнення: зазвичай такі атомні годинники дуже чутливі до земних струсів, температурних коливань та інших шумів. «Перенести технологію з лабораторії в дуже нестабільне середовище ракети та космосу було справжнім викликом для нас», – сказав Елі. Магнітне поле та ізоляційні шари повинні гарантувати, що атомний годинник витримає силу запуску, а також значні температурні коливання в космосі.

Чи впорається атомний годинник із завданням, дасться чути впродовж наступного року. Перший тестовий прилад полетів на земну орбіту 24 червня 2019 року з ракетою Falcon-9-Heavy. Там він має виконати низку тестів та довести, що насправді настільки точний, як сподіваються. «Наступні місяці ми проведемо, вимірюючи ефективність атомного годинника Deep Space за часовою шкалою – від секунд до днів», – пояснив Елі.

Якщо ці тести будуть успішними, в космічних польотах може розпочатися нова ера навігації. «Атомний годинник Deep Space уможливить автономну навігацію космічних кораблів – навіть у подорожах на інші планети», – сказала Зейберт. Так, наприклад, оснащені Deep-Space GPS-модулями кораблі на орбіті Марса зможуть розбудувати GPS-систему для Марса. Також ці системи були б помічними у запланованих місіях на Місяць та в створенні місячних космічних станцій.

Nadja Podbregar

NASA startet GPS für Raumsonden

Quelle: NASA, 24/06/2019

Зреферувала С. К.