Помощь атомных часов в доставке людей на Марс

Навигаторы НАСА помогают построить будущее, в котором космические корабли могли бы безопасно и автономно лететь в такие пункты назначения, как Луна и Марс. Сегодня навигаторы сообщают космическому кораблю, куда лететь, рассчитывая его положение относительно Земли и отправляя данные о местоположении в космос с помощью двусторонней ретрансляционной системы, что может занять от нескольких минут до нескольких часов, чтобы доставить указания.

Этот метод навигации означает, что независимо от того, как далеко миссия проходит через солнечную систему, наши космические корабли все еще привязаны к земле, ожидая команд с нашей планеты. Это ограничение создает очевидные проблемы для будущей миссии с экипажем на другую планету. Как астронавты могут перемещаться далеко от Земли, если они не имеют непосредственного контроля над тем, куда они направляются?

И как они могут точно приземлиться на другой планете, когда существует задержка связи, которая влияет на то, как быстро они могут приспособить свою траекторию к атмосфере? Атомные часы DeepSpace от NASA - это устройство размером с тостер, которое призвано решить данную проблему. Это первый GPS-подобный прибор, маленький и достаточно стабильный, чтобы летать на космическом корабле. Технология позволяет космическому кораблю узнать, где он находится, без необходимости полагаться на эти данные с Земли.

В конце июня часы будут запускаться на ракете SpaceX Falcon Heavy на орбиту Земли в течение одного года, где будут проверяться, могут ли они помочь космическим кораблям ориентироваться в космосе.

Если год испытаний космических атомных часов в космосе пройдет удачно, это может проложить путь к будущей односторонней навигации, в которой астронавты будут ориентироваться на данную систему и самостоятельно осуществлять миссии по высадке на Марс и другие планеты.

«Каждый космический корабль, исследующий дальний космос, управляется навигаторами здесь, на Земле. Deep Space Atomic Clock изменит это, позволив кораблям летать автономно», - сказала Джилл Сойберт, заместитель главного исследователя.

Как ориентироваться в глубоком космосе?

Атомные часы в космосе не такое уж и новое изобретение. Каждое устройство GPS и смартфон определяет свое местоположение с помощью атомных часов на спутниках, вращающихся вокруг Земли. Спутники посылают сигналы из космоса, а приемник производит триангуляцию вашего положения, измеряя, сколько времени требуется сигналам для достижения вашего GPS. В настоящее время космические корабли, летящие за пределы орбиты Земли, не имеют GPS, чтобы найти дорогу в космосе.

Атомные часы на спутниках GPS не являются достаточно точными, чтобы посылать указания космическим кораблям, когда отклонение даже менее чем за секунду может означать, что вы пропустили планету и находитесь на огромном расстоянии от нее. Вместо этого навигаторы используют гигантские антенны на Земле, чтобы послать сигнал космическому кораблю, который возвращает его обратно на Землю. Чрезвычайно точные часы на земле измеряют, сколько времени понадобится сигналу, чтобы совершить это двустороннее путешествие.

Количество времени говорит им, как далеко находится космический корабль и как быстро он летит. Только тогда навигаторы могут отправлять указания космическому кораблю, сообщая ему, куда направляться. «Система работает как эхо», - сказал Зойберт. «Если я стою перед горой и кричу, чем дольше эхо возвращается ко мне, тем дальше гора». Двусторонняя навигация означает, что независимо от того, насколько глубоко в космос заходит миссия, ей все равно придется ждать, пока сигнал, несущий команды, преодолеет огромные расстояния между планетами.

Этот процесс очень хорошо заметен во время высадки на Марс Curiosity, когда мир ждал 14 долгих минут, чтобы марсоход отправил сообщение, что он благополучно приземлился. Эта задержка представляет собой среднее время ожидания: в зависимости от того, где Земля и Марс находятся на своих орбитах, однонаправленный сигнал может перемещаться между планетами в любом месте от 4 до 20 минут.

Это медленный, трудоемкий способ навигации в глубоком космосе, который связывает гигантские антенны Deep Space Network НАСА, словно телефонная линия. Во время этого обмена космический корабль, летящий со скоростью десятки тысяч миль в час, может быть в совершенно другом месте к тому времени, когда он «узнает», где он находится.

Лучший способ навигации

Атомные часы, достаточно маленькие, чтобы летать на миссии, но достаточно точные, чтобы давать точные указания, могут устранить необходимость в этой двусторонней системе. Будущие навигаторы посылают сигнал с Земли на космический корабль. Как и его земные аналоги, Атомные часы в глубоком космосе измеряли количество времени, которое потребовалось для получения этого сигнала. Космический корабль может затем рассчитать свою собственную позицию и траекторию, по существу, задавая себе направления.

«Наличие на борту часов позволило бы осуществлять радионавигацию на борту и, в сочетании с оптической навигацией, обеспечило бы астронавтам более точный и безопасный способ навигации», - сказал главный исследователь Тодд Эли. Эта односторонняя навигация будет работать до Марса и далеко за его пределами. Антенны DSN могли бы связываться с несколькими кораблями одновременно, передавая один сигнал в космос.

Новая технология также может улучшить точность GPS на Земле. И несколько космических кораблей с атомными часами в глубоком космосе могли вращаться вокруг Марса, создавая сеть, подобную GPS, которая бы давала указания роботам и людям на поверхности. Берт и его коллеги-физики из JPL Роберт Тьелкер и Джон Престаж создали ртутные ионные часы, которые поддерживают свою стабильность в космосе так же, как атомные часы.

В лабораторных тестах атомные часы Deep Space оказались в 50 раз точнее, чем GPS. Демонстрация часов в космосе определит, смогут ли они оставаться стабильными на орбите. Если это произойдет, атомные часы в глубоком космосе смогут летать на миссии уже в 2030-х годах.

Первый шаг к самостоятельному управлению космического корабля, который может однажды унести людей в другие миры. Атомные часы размещены на космическом корабле, предоставленном компанией General Atomics в Энглвуде, штат Колорадо.

Он финансируется программой "Демонстрационные миссии в области космических технологий " в рамках Управления космических технологий НАСА и программой "Космическая связь и навигация" в рамках Управления миссии по исследованию и эксплуатации человека НАСА.