Chronomètre pour les pionniers de l'espace

Au XVIIIe siècle, l'Empire britannique étendait activement ses frontières, son commerce et son influence. L'outil principal était la flotte - non sans raison, ce petit pays insulaire s'appelle la Dame des mers. Et au début du XVIIIe siècle, l'amélioration de la navigation a nécessité la création d'une méthode plus précise pour déterminer l'emplacement des navires. Le Parlement britannique a nommé une récompense sans précédent pour la résolution de ce problème. La solution a été la création de montres «marines» ultraprécises (à l'époque) . Mais l'histoire va dans une spirale: aujourd'hui, les tâches de maîtrise du système solaire nécessitent l'utilisation d'horloges de navigation précises - atomiques - sur vaisseau spatial .

Le temps est l'un des paramètres les plus importants pour tracer et naviguer. Connaissant notre vitesse et le temps écoulé depuis le début du mouvement, nous pouvons calculer jusqu'où nous nous sommes déplacés, combien il nous reste pour aller / conduire / voler du point A au point B. Et plus les instruments de mesure, y compris l'horloge, sont précis, plus nous pouvons précisément traçant le moindre risque d'erreur. Ceci est vital dans les situations où les distances entre les points de route sont extrêmement grandes, et les ressources des voyageurs sont extrêmement limitées et ne vous permettent pas de vous promener dans l'espace à la recherche d'une destination. Par exemple, lorsque vous voyagez de la Terre à Mars.

Les horloges les plus précises créées par l'humanité sont les horloges atomiques. Ils sont basés sur l'idée de compter des unités de temps en utilisant un certain nombre de périodes de vibration d'atomes de diverses substances. Par exemple, le césium, le strontium, le rubidium, l'hydrogène, le calcium, l'iode et d'autres éléments chimiques. Aujourd'hui, les horloges atomiques sont utilisées principalement dans les systèmes de navigation par satellite et pour contrôler les engins spatiaux. De plus, dans de nombreux pays, ils travaillent à améliorer la précision des horloges atomiques, leur compacité et leur résistance aux influences extérieures. Par exemple, à l'automne 2016, un prototype d'horloge atomique optique à base d'atomes de thulium, aujourd'hui parmi les plus précis au monde, a été présenté à l'Institut physique russe .

Mais plus nous pensons audacieux au développement du système solaire, plus les ingénieurs rencontrent des difficultés techniques. L'un d'eux améliore la précision de la navigation dans l'espace. Le coût des erreurs de traçage dans ce cas est TRÈS élevé même si des sondes sans pilote sont utilisées, sans parler des vols habités vers Mars et même plus loin vers les satellites de Jupiter et Saturne.
Aujourd'hui pour la navigation spatiale, le temps de transit du signal radio entre l'engin spatial et le centre de contrôle est mesuré. Connaissant la vitesse de propagation des ondes radio, vous pouvez déterminer la distance parcourue par l'appareil et sa vitesse relative.

Espace profond

Il y a quelques années, la NASA a commencé à développer une horloge atomique compacte pour les expéditions spatiales à longue portée - l'horloge atomique de l'espace profond (DSAC). La montre est un module de forme parallélépipédique de 29 x 27 x 23 cm, poids - 16 kg. Consommation électrique - 44 watts. Le DSAC utilise des atomes de mercure, la montre est donc très résistante aux champs magnétiques externes et aux températures extrêmes. Le niveau de précision de la montre est inférieur à 1 microseconde en 10 ans.



En mars 2017, il est prévu de lancer le module lors d'un vol d'essai sur le banc d'essai orbital. Au cours de l'année, l'appareil déterminera la hauteur de son orbite avec une grande précision.

Pourquoi?

Mais pourquoi avons-nous besoin d'une nouvelle horloge atomique, et même pour une installation sur un vaisseau spatial, quand et quand ils sont contrôlés depuis la Terre, une énorme précision dans la mesure des paramètres de vol est atteinte?

Prenons un exemple pratique: déterminer la trajectoire d'un satellite en orbite autour de Mars. Sa distance à la Terre est en moyenne de 225 millions de km(minimum - 55,76 millions, maximum - 401 millions de km). À cette distance, le signal radio va et vient pendant environ 25 minutes. Et le point clé ici est la précision de la mesure du temps. Aujourd'hui, l'horloge atomique utilisée dans les systèmes de commandes de vol au sol nous permet de calculer la distance à l'engin spatial avec une précision inférieure à un mètre, et sa vitesse par rapport au MCC - avec une précision inférieure à un millimètre par seconde. Après une période d'accumulation de données de deux jours, vous pouvez déterminer la trajectoire du véhicule autour de Mars. Et, si nécessaire, ajustez-le.

Selon le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui développe la DSAC, pendant deux jours d'observation d'un satellite en orbite martienne, l'erreur de mesure du temps cumulé est de plusieurs picosecondes, ce qui donne l'erreur totale de mesure de la distance à l'appareil en fractions de mètre, et la vitesse est d'environ 1 μm / s. Les statistiques collectées sont utilisées par des algorithmes complexes pour calculer la trajectoire avec une erreur à moins de 10 mètres.

Si vous placez une horloge atomique sur un vaisseau spatial, pour calculer les paramètres de vol, vous n'avez pas besoin d'envoyer une commande de la Terre à chaque fois pour que le vaisseau spatial réponde en mesurant le temps de transit du signal aller-retour. Il suffit que le système de navigation embarqué lui-même envoie périodiquement des signaux, ou que les signaux puissent être envoyés unilatéralement depuis la Terre, et tous les calculs des paramètres de vol seront effectués à bord. Autrement dit, nous divisons par deux les intervalles de temps calculés, et donc - et l'ampleur de l'erreur.

De plus, selon le même Jet Propulsion Laboratory, il sera possible de passer à des fréquences plus élevées, ce qui augmentera la précision du suivi d'un ordre de grandeur, réduisant l'erreur de la même quantité.

De plus, avec l'augmentation du nombre d'engins spatiaux à contrôler depuis la Terre, le problème des ressources limitées des systèmes d'antennes se posera inévitablement. Et s'il sera possible d'envoyer un signal dans une seule direction, sans attendre de réponse, alors dans les installations existantes, il sera possible de gérer efficacement deux fois plus d'appareils.



Si l'appareil est conçu pour une transmission unidirectionnelle du signal de mesure, il sera possible d'économiser sur la taille des antennes, car elles n'auront pas besoin d'être très précisément dirigées vers le sol pour envoyer une réponse. De plus, il sera possible de ne pas passer un temps précieux de sondes de recherche sur des sessions d'envoi de signaux de mesure, en le consacrant à des mesures scientifiques. Et l'accumulation de données de navigation à bord vous permettra de les utiliser en temps réel pour manœuvrer et tracer le parcours. Ceci est particulièrement important dans les cas où le temps de réaction devient critique. Par exemple, à l'approche d'une planète avec un appareil robotique. Ou, lorsque vous conduisez sur un terrain accidenté d'un robot robot / lunaire / titan / europass.



Même dans le cas de vols habités, il sera très utile pour les astronautes d'avoir à portée de main toutes les données sur leur trajectoire, afin de pouvoir tracer rapidement leur cap dans des conditions difficiles.

Quant à la cosmonautique russe, nous aussi, le travail ne s'arrête pas. En particulier, en 2018, il est prévu de lancer le premier satellite GLONASS avec une horloge atomique à hydrogène , qui lors des tests a montré une précision de 1,8 microsecondes en 10 ans (0,5 picosecondes en 12 heures).

Source: https://habr.com/ru/post/fr401105/