الكرونومتر لرواد الفضاء

في القرن الثامن عشر ، كانت الإمبراطورية البريطانية تعمل بنشاط على توسيع حدودها وتجارتها ونفوذها. كانت الأداة الرئيسية هي الأسطول - ليس بدون سبب يسمى هذا البلد الجزري الصغير سيدة البحار. وفي بداية القرن الثامن عشر ، تطلب تحسين الملاحة إنشاء طريقة أكثر دقة لتحديد موقع السفن. عين البرلمان البريطاني مكافأة غير مسبوقة لحل هذه المشكلة. كان الحل هو إنشاء ساعات فائقة الدقة (في ذلك الوقت) "البحرية" . لكن التاريخ يسير بشكل حلزوني: اليوم تتطلب مهام إتقان النظام الشمسي استخدام ساعات الملاحة الدقيقة - الذرية - على المركبات الفضائية .

الوقت هو أحد أهم المعلمات للتخطيط والتنقل. من خلال معرفة سرعتنا والوقت المنقضي منذ بداية الحركة ، يمكننا حساب المسافة التي قطعناها ، والمقدار المتبقي للذهاب / القيادة / الطيران من النقطة أ إلى النقطة ب. وكلما كانت أجهزة القياس أكثر دقة ، بما في ذلك الساعة ، زادت دقة قدرتنا رسم أقل فرصة للخطأ. هذا أمر حيوي في المواقف التي تكون فيها المسافات بين نقاط المسار كبيرة للغاية ، وموارد المسافرين محدودة للغاية ولا تسمح لك بالتجول في الفضاء بحثًا عن وجهة. على سبيل المثال ، عند السفر من الأرض إلى المريخ.

الساعات الأكثر دقة التي خلقتها البشرية هي الساعات الذرية. وتستند إلى فكرة حساب وحدات الوقت باستخدام عدد معين من فترات اهتزاز ذرات المواد المختلفة. على سبيل المثال ، السيزيوم ، السترونتيوم ، الروبيديوم ، الهيدروجين ، الكالسيوم ، اليود وعناصر كيميائية أخرى. اليوم ، يتم استخدام الساعات الذرية بشكل رئيسي في أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية والسيطرة على المركبات الفضائية. علاوة على ذلك ، يعملون في العديد من البلدان على تحسين دقة الساعات الذرية ، وضغطها ومقاومتها للتأثيرات الخارجية. على سبيل المثال، في خريف عام 2016 في معهد المادية للالروسية تم عرض نموذج أولي من الساعات الذرية الضوئية القائمة على الثوليوم الذرات، التي هي اليوم من بين الأكثر دقة في العالم.

ولكن كلما فكرنا أكثر جرأة في تطوير النظام الشمسي ، زادت الصعوبات التقنية التي يواجهها المهندسين. أحدها هو تحسين دقة الملاحة في الفضاء الخارجي. تكلفة أخطاء التآمر في هذه الحالة مرتفعة للغاية حتى إذا تم استخدام مجسات بدون طيار ، ناهيك عن الرحلات المأهولة إلى المريخ وحتى أبعد من أقمار المشتري وزحل.
اليوم بالنسبة للملاحة الفضائية ، يتم قياس وقت عبور الإشارة اللاسلكية بين المركبة الفضائية ومركز التحكم. بمعرفة سرعة انتشار الموجات اللاسلكية ، يمكنك تحديد المسافة التي يقطعها الجهاز وسرعته النسبية.

مساحة عميقة

قبل بضع سنوات ، بدأت وكالة ناسا في تطوير ساعة ذرية مدمجة لبعثات فضائية بعيدة المدى - ساعة ذرية في الفضاء العميق (DSAC). الساعة عبارة عن وحدة متوازية الشكل بأبعاد 29 × 27 × 23 سم الوزن - 16 كجم. استهلاك الطاقة - 44 واط. يستخدم DSAC ذرات الزئبق ، لذا فإن الساعة شديدة المقاومة للمجالات المغناطيسية الخارجية ودرجات الحرارة القصوى. مستوى دقة الساعة أقل من 1 ميكروثانية في 10 سنوات.



في مارس 2017 ، من المخطط إطلاق الوحدة في رحلة تجريبية على سرير الاختبار المداري. خلال العام ، سيحدد الجهاز ارتفاع مداره بدقة عالية.

لماذا؟

ولكن لماذا نحتاج إلى ساعة ذرية جديدة ، وحتى للتركيب على المركبة الفضائية ، عندما ومتى يتم التحكم فيها من الأرض ، يتم تحقيق دقة هائلة في قياس معلمات الطيران؟

خذ مثالا عمليا: تحديد مسار القمر الصناعي الذي يدور حول المريخ. وتبلغ المسافة من الأرض إلى 225 مليون كيلومتر(الحد الأدنى - 55.76 مليون ، الحد الأقصى - 401 مليون كيلومتر). عند هذه المسافة ، تتحرك إشارة الراديو ذهابًا وإيابًا لمدة 25 دقيقة تقريبًا. والنقطة الأساسية هنا هي دقة قياس الوقت. اليوم ، تتيح لنا الساعة الذرية المستخدمة في أنظمة التحكم في الطيران الأرضية حساب المسافة إلى المركبة الفضائية بدقة أقل من متر ، وسرعتها بالنسبة إلى MCC - بدقة أقل من ملليمتر في الثانية. بعد فترة تراكم البيانات لمدة يومين ، يمكنك تحديد مسار السيارة حول المريخ. وإذا لزم الأمر ، قم بتعديله.

وفقًا لمختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا، الذي يقوم بتطوير DSAC ، خلال يومين من مراقبة القمر الصناعي في مدار المريخ ، فإن خطأ قياس الوقت المتراكم هو عدة بيكو ثانية ، مما يعطي الخطأ الإجمالي في قياس المسافة إلى الجهاز في أجزاء من المتر ، وتبلغ السرعة حوالي 1 ميكرومتر / ثانية. يتم استخدام الإحصائيات التي تم جمعها بواسطة الخوارزميات المعقدة لحساب المسار مع وجود خطأ في حدود 10 أمتار.

إذا وضعت ساعة ذرية على مركبة فضائية ، فعندئذٍ لحساب معلمات الطيران ، لا تحتاج إلى إرسال أمر من الأرض في كل مرة بحيث تستجيب المركبة الفضائية بقياس وقت عبور إشارة ذهاب وإياب. يكفي أن يرسل نظام الملاحة الموجود على متن الطائرة إشارات دورية ، أو يمكن إرسال الإشارات من جانب واحد من الأرض ، وسيتم إجراء جميع حسابات معلمات الطيران على متن الطائرة. أي أننا نخفض الفترات الزمنية المحسوبة إلى النصف ، وبالتالي - وحجم الخطأ.

بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لمختبر الدفع النفاث نفسه ، سيكون من الممكن التبديل إلى ترددات أعلى ، مما سيزيد من دقة التتبع بأمر من الحجم ، ويقلل الخطأ بنفس المقدار.

بالإضافة إلى ذلك ، مع الزيادة في عدد المركبات الفضائية التي يتعين التحكم فيها من الأرض ، ستنشأ حتما مشكلة الموارد المحدودة لأنظمة الهوائي. وإذا كان من الممكن إرسال إشارة في اتجاه واحد فقط ، دون انتظار الرد ، فسيكون من الممكن في المرافق الحالية إدارة ضعف عدد الأجهزة بشكل فعال.



إذا تم تصميم الجهاز لإرسال إشارة قياس في اتجاه واحد ، فسيكون من الممكن توفير حجم الهوائيات ، لأنه لن يحتاج إلى توجيه دقيق للغاية على الأرض لإرسال استجابة. علاوة على ذلك ، سيكون من الممكن عدم قضاء وقت ثمين في تحقيقات البحث في جلسات إرسال إشارات القياس ، وتخصيصها للقياسات العلمية. وسيسمح لك تراكم بيانات التنقل على متن الطائرة باستخدامها في الوقت الفعلي للمناورة ورسم الدورة. هذا مهم بشكل خاص في الحالات التي يصبح فيها وقت رد الفعل حرجًا. على سبيل المثال ، عند الاقتراب من كوكب بجهاز آلي. أو ، عند القيادة فوق التضاريس الوعرة للمركبة الآلية / المركب القمري / تيتان روفر / يوروباس.



حتى في حالة الرحلات المأهولة ، سيكون من المفيد جدًا أن يكون لدى رواد الفضاء في متناولهم جميع البيانات على مسارهم ، حتى يتمكنوا من رسم مسارهم بسرعة في ظروف صعبة.

أما بالنسبة إلى رواد الفضاء الروس ، فنحن أيضًا لا نقف مكتوفي الأيدي. على وجه الخصوص ، في عام 2018 ، من المخطط إطلاق أول قمر صناعي GLONASS بساعة ذرية هيدروجينية ، والتي أظهرت في الاختبارات دقة 1.8 ميكروثانية في 10 سنوات (0.5 بيكو ثانية في 12 ساعة).

Source: https://habr.com/ru/post/ar401105/