Cronómetro para pioneros del espacio.

En el siglo XVIII, el Imperio Británico estaba expandiendo activamente sus fronteras, comercio e influencia. La herramienta principal era la flota, no sin razón este pequeño país insular se llama Lady of the Seas. Y a principios del siglo XVIII, la mejora de la navegación requería la creación de un método más preciso para determinar la ubicación de los barcos. El Parlamento británico ha designado una recompensa sin precedentes por resolver este problema. La solución fue la creación de relojes "marinos" ultraprecisos (en ese momento) . Pero la historia va en espiral: hoy las tareas de dominar el sistema solar requieren el uso de relojes de navegación precisos, atómicos , en naves espaciales .

El tiempo es uno de los parámetros más importantes para trazar y navegar. Conociendo nuestra velocidad y el tiempo transcurrido desde el comienzo del movimiento, podemos calcular qué tan lejos nos hemos movido, cuánto nos queda por recorrer / conducir / volar del punto A al punto B. Y cuanto más precisos sean los instrumentos de medición, incluido el reloj, más exactamente podremos trazando la menor posibilidad de error. Esto es vital en situaciones donde las distancias entre los puntos de ruta son extremadamente grandes, y los recursos de los viajeros son extremadamente limitados y no le permiten deambular en el espacio en busca de un destino. Por ejemplo, cuando se viaja de la Tierra a Marte.

Los relojes más precisos creados por la humanidad son los relojes atómicos. Se basan en la idea de contar unidades de tiempo utilizando un cierto número de períodos de vibración de átomos de diversas sustancias. Por ejemplo, cesio, estroncio, rubidio, hidrógeno, calcio, yodo y otros elementos químicos. Hoy en día, los relojes atómicos se utilizan principalmente en sistemas de navegación por satélite y para controlar naves espaciales. Además, en muchos países están trabajando para mejorar la precisión de los relojes atómicos, su compacidad y resistencia a las influencias externas. Por ejemplo, en el otoño de 2016 , se presentó en el Instituto Físico Ruso un prototipo de reloj óptico atómico basado en átomos de tulio, que hoy es uno de los más precisos del mundo.

Pero cuanto más audaces pensamos en el desarrollo del sistema solar, más dificultades técnicas enfrentan los ingenieros. Uno de ellos es mejorar la precisión de la navegación en el espacio ultraterrestre. El costo de los errores de trazado en este caso es MUY alto, incluso si se utilizan sondas no tripuladas, sin mencionar los vuelos tripulados a Marte e incluso más lejos a los satélites de Júpiter y Saturno.
Hoy para la navegación espacial, se mide el tiempo de tránsito de la señal de radio entre la nave espacial y el centro de control. Conociendo la velocidad de propagación de las ondas de radio, puede determinar la distancia recorrida por el dispositivo y su velocidad relativa.

Espacio profundo

Hace unos años, la NASA comenzó a desarrollar un reloj atómico compacto para expediciones espaciales de largo alcance: el Reloj Atómico del Espacio Profundo (DSAC). El reloj es un módulo en forma de paralelepípedo con dimensiones de 29 x 27 x 23 cm. Peso - 16 kg. Consumo de energía: 44 vatios. DSAC utiliza átomos de mercurio, por lo que el reloj es muy resistente a campos magnéticos externos y temperaturas extremas. El nivel de precisión del reloj es inferior a 1 microsegundo en 10 años.



En marzo de 2017, se planea lanzar el módulo en un vuelo de prueba en el banco de pruebas orbital. Durante el año, el dispositivo determinará la altura de su órbita con alta precisión.

Por qué

Pero, ¿por qué necesitamos un nuevo reloj atómico, e incluso para la instalación en naves espaciales, cuando y cuando se controla desde la Tierra, se logra una enorme precisión en la medición de los parámetros de vuelo?

Tomemos un ejemplo práctico: determinar la trayectoria de un satélite en órbita alrededor de Marte. La distancia desde ella a la Tierra promedia 225 millones de km.(mínimo - 55,76 millones, máximo - 401 millones de km). A esta distancia, la señal de radio va y viene durante unos 25 minutos. Y el punto clave aquí es la precisión de la medición del tiempo. Hoy, el reloj atómico utilizado en los sistemas de control de vuelo en tierra nos permite calcular la distancia a la nave espacial con una precisión de menos de un metro y su velocidad en relación con el CCM, con una precisión de menos de un milímetro por segundo. Después de un período de dos días de acumulación de datos, puede determinar la trayectoria del vehículo alrededor de Marte. Y, si es necesario, ajústelo.

De acuerdo con el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, que está desarrollando DSAC, durante dos días de observación de un satélite en la órbita de Marte, el error de medición del tiempo acumulado es de varios picosegundos, lo que da el error total al medir la distancia al dispositivo en fracciones de un metro, y la velocidad es de aproximadamente 1 μm / s. Las estadísticas recopiladas son utilizadas por algoritmos complejos para calcular la trayectoria con un error dentro de los 10 metros.

Si coloca un reloj atómico en una nave espacial, entonces para calcular los parámetros de vuelo no necesita enviar un comando desde la Tierra cada vez para que la nave espacial responda midiendo el tiempo de tránsito de la señal de ida y vuelta. Es suficiente que el sistema de navegación a bordo envíe periódicamente señales, o las señales pueden enviarse unilateralmente desde la Tierra, y todos los cálculos de los parámetros de vuelo se realizarán a bordo. Es decir, reducimos a la mitad los intervalos de tiempo calculados y, por lo tanto, y la magnitud del error.

Además, según el mismo Laboratorio de Propulsión a Chorro, será posible cambiar a frecuencias más altas, lo que aumentará la precisión del seguimiento en un orden de magnitud, reduciendo el error en la misma cantidad.

Además, con el aumento en el número de naves espaciales que se controlarán desde la Tierra, inevitablemente surgirá el problema de los recursos limitados de los sistemas de antena. Y si será posible enviar una señal solo en una dirección, sin esperar una respuesta, entonces en las instalaciones existentes será posible administrar efectivamente el doble de dispositivos.



Si el dispositivo está diseñado para la transmisión unidireccional de la señal de medición, entonces será posible ahorrar en el tamaño de las antenas, ya que no será necesario apuntar con mucha precisión al suelo para enviar una respuesta. Además, será posible no gastar un tiempo valioso de investigaciones en sesiones de envío de señales de medición, dedicándolas a mediciones científicas. Y la acumulación de datos de navegación a bordo le permitirá utilizarlos en tiempo real para maniobrar y trazar el rumbo. Esto es especialmente importante en casos donde el tiempo de reacción se vuelve crítico. Por ejemplo, al acercarse a un planeta con un aparato robótico. O, al conducir sobre terreno accidentado de un rover robótico / rover lunar / rover titan / europass.



Incluso en el caso de vuelos tripulados, será muy útil para los astronautas tener a su alcance todos los datos sobre su trayectoria, para que puedan trazar rápidamente su curso en condiciones difíciles.

En cuanto a la cosmonautica rusa, nosotros, también, el trabajo no se detiene. En particular, en 2018 se planea lanzar el primer satélite GLONASS con un reloj atómico de hidrógeno , que en las pruebas mostró una precisión de 1.8 microsegundos en 10 años (0.5 picosegundos en 12 horas).

Source: https://habr.com/ru/post/es401105/