Chronometer für Weltraumpioniere

Im 18. Jahrhundert erweiterte das britische Empire aktiv seine Grenzen, seinen Handel und seinen Einfluss. Das Hauptwerkzeug war die Flotte - nicht ohne Grund heißt dieses kleine Inselland Lady of the Seas. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erforderte die Verbesserung der Navigation die Schaffung einer genaueren Methode zur Bestimmung des Standortes von Schiffen. Das britische Parlament hat eine beispiellose Belohnung für die Lösung dieses Problems ernannt. Die Lösung war die Schaffung ultrapräziser (zu dieser Zeit) „Marine“ -Uhren . Die Geschichte dreht sich jedoch spiralförmig: Für die Beherrschung des Sonnensystems müssen heute präzise Navigationsuhren - atomar - auf Raumfahrzeugen eingesetzt werden .

Die Zeit ist einer der wichtigsten Parameter für das Zeichnen und Navigieren. Wenn wir unsere Geschwindigkeit und die vom Beginn der Bewegung verstrichene Zeit kennen, können wir berechnen, wie weit wir uns bewegt haben, wie viel noch von Punkt A nach Punkt B zu gehen / zu fahren / zu fliegen ist. Und je genauer die Messinstrumente einschließlich der Uhr sind, desto genauer können wir Zeichnen der geringeren Fehlerwahrscheinlichkeit. Dies ist in Situationen von entscheidender Bedeutung, in denen die Entfernungen zwischen Routenpunkten extrem groß sind und die Ressourcen von Reisenden extrem begrenzt sind und Sie nicht im Weltraum auf der Suche nach einem Ziel wandern können. Zum Beispiel auf Reisen von der Erde zum Mars.

Die genauesten von der Menschheit geschaffenen Uhren sind Atomuhren. Sie basieren auf der Idee, Zeiteinheiten unter Verwendung einer bestimmten Anzahl von Schwingungsperioden von Atomen verschiedener Substanzen zu zählen. Zum Beispiel Cäsium, Strontium, Rubidium, Wasserstoff, Calcium, Jod und andere chemische Elemente. Atomuhren werden heute hauptsächlich in Satellitennavigationssystemen und zur Steuerung von Raumfahrzeugen eingesetzt. Darüber hinaus arbeiten sie in vielen Ländern daran, die Genauigkeit von Atomuhren, ihre Kompaktheit und Beständigkeit gegen äußere Einflüsse zu verbessern. So wurde zum Beispiel im Herbst 2016 im Physikalischen Institut der Russischen präsentiert einen Prototyp von optischen Atomuhren auf Thulium - Atomen basiert, die heute zu den am genauesten in der Welt sind.

Aber je mutiger wir über die Entwicklung des Sonnensystems nachdenken, desto mehr technische Schwierigkeiten haben Ingenieure. Eine davon ist die Verbesserung der Navigationsgenauigkeit im Weltraum. Die Kosten für das Zeichnen von Fehlern sind in diesem Fall SEHR hoch, selbst wenn unbemannte Sonden verwendet werden, ganz zu schweigen von bemannten Flügen zum Mars und noch weiter zu den Satelliten Jupiter und Saturn.
Für die Weltraumnavigation wird heute die Laufzeit des Funksignals zwischen dem Raumfahrzeug und der Zentrale gemessen. Wenn Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen kennen, können Sie die vom Gerät zurückgelegte Entfernung und die relative Geschwindigkeit bestimmen.

Weltraum

Vor einigen Jahren begann die NASA mit der Entwicklung einer kompakten Atomuhr für weiträumige Weltraumexpeditionen - der Deep Space Atomic Clock (DSAC). Die Uhr ist ein Parallelepiped-förmiges Modul mit den Abmessungen 29 x 27 x 23 cm. Gewicht - 16 kg. Leistungsaufnahme - 44 Watt. DSAC verwendet Quecksilberatome, daher ist die Uhr sehr widerstandsfähig gegen äußere Magnetfelder und extreme Temperaturen. Die Genauigkeit der Uhr beträgt in 10 Jahren weniger als 1 Mikrosekunde.



Im März 2017 ist geplant, das Modul in einem Testflug auf dem Orbitalprüfstand zu starten. Im Laufe des Jahres bestimmt das Gerät die Höhe seiner Umlaufbahn mit hoher Genauigkeit.

Warum?

Aber warum brauchen wir eine neue Atomuhr und selbst für die Installation auf Raumfahrzeugen, wenn und wenn sie von der Erde aus gesteuert werden, wird eine enorme Genauigkeit bei der Messung von Flugparametern erreicht?

Nehmen Sie ein praktisches Beispiel: Bestimmen der Flugbahn eines Satelliten, der den Mars umkreist. Die Entfernung zur Erde beträgt durchschnittlich 225 Millionen km(Minimum - 55,76 Millionen, Maximum - 401 Millionen km). In dieser Entfernung geht das Funksignal etwa 25 Minuten lang hin und her. Und der entscheidende Punkt hierbei ist die Genauigkeit der Zeitmessung. Die Atomuhr, die in bodengestützten Flugsteuerungssystemen verwendet wird, ermöglicht es uns heute, die Entfernung zum Raumfahrzeug mit einer Genauigkeit von weniger als einem Meter und seine Geschwindigkeit relativ zum MCC zu berechnen - mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter pro Sekunde. Nach einer zweitägigen Datenakkumulation können Sie die Flugbahn des Fahrzeugs um den Mars bestimmen. Und passen Sie es gegebenenfalls an.

Laut dem Jet Propulsion Laboratory der NASAWährend der zwei Tage dauernden Beobachtung eines Satelliten in der Marsumlaufbahn beträgt der akkumulierte Zeitmessfehler mehrere Pikosekunden. Dies ergibt den Gesamtfehler bei der Messung der Entfernung zum Gerät in Bruchteilen eines Meters, und die Geschwindigkeit beträgt etwa 1 μm / s. Die gesammelten Statistiken werden von komplexen Algorithmen zur Berechnung der Flugbahn mit einem Fehler innerhalb von 10 Metern verwendet.

Wenn Sie eine Atomuhr auf einem Raumfahrzeug platzieren, müssen Sie zur Berechnung der Flugparameter nicht jedes Mal einen Befehl von der Erde senden, damit das Raumfahrzeug daraufhin die Transitzeit des Umlaufsignals misst. Es reicht aus, dass das Bordnavigationssystem selbst regelmäßig Signale sendet oder die Signale einseitig von der Erde gesendet werden können und alle Berechnungen der Flugparameter an Bord durchgeführt werden. Das heißt, wir halbieren die berechneten Zeitintervalle und damit - und die Größe des Fehlers.

Laut demselben Jet Propulsion Laboratory wird es außerdem möglich sein, auf höhere Frequenzen umzuschalten, wodurch die Tracking-Genauigkeit um eine Größenordnung erhöht und der Fehler um den gleichen Betrag verringert wird.

Darüber hinaus wird mit der Zunahme der Anzahl von Raumfahrzeugen, die von der Erde aus gesteuert werden sollen, zwangsläufig das Problem der begrenzten Ressourcen von Antennensystemen auftreten. Und wenn es möglich sein wird, ein Signal nur in eine Richtung zu senden, ohne auf eine Antwort zu warten, können in vorhandenen Einrichtungen doppelt so viele Geräte effektiv verwaltet werden.



Wenn das Gerät für die Einwegübertragung des Messsignals ausgelegt ist, kann die Größe der Antennen eingespart werden, da diese nicht sehr genau auf den Boden gerichtet sein müssen, um eine Antwort zu senden. Darüber hinaus wird es möglich sein, keine wertvolle Zeit mit Forschungssonden für Sitzungen zum Senden von Messsignalen aufzuwenden und diese wissenschaftlichen Messungen zu widmen. Durch die Ansammlung von Navigationsdaten an Bord können Sie diese in Echtzeit verwenden, um den Kurs zu manövrieren und zu zeichnen. Dies ist besonders wichtig in Fällen, in denen die Reaktionszeit kritisch wird. Zum Beispiel, wenn Sie sich einem Planeten mit einem Roboterapparat nähern. Oder wenn Sie über unwegsames Gelände eines Roboter-Rovers / Mond-Rovers / Titan-Rovers / Europass fahren.



Selbst bei bemannten Flügen ist es für Astronauten sehr nützlich, alle Daten auf ihrer Flugbahn zur Hand zu haben, damit sie ihren Kurs unter schwierigen Bedingungen schnell zeichnen können.

Auch für die russische Kosmonautik steht die Arbeit nicht still. Insbesondere ist geplant, 2018 den ersten GLONASS-Satelliten mit einer Wasserstoff-Atomuhr zu starten , der in Tests eine Genauigkeit von 1,8 Mikrosekunden in 10 Jahren (0,5 Pikosekunden in 12 Stunden) ergab.

Source: https://habr.com/ru/post/de401105/