Kronometer untuk perintis luar angkasa

Pada abad ke-18, Kerajaan Inggris secara aktif memperluas perbatasan, perdagangan, dan pengaruhnya. Alat utama adalah armada - bukan tanpa alasan negara pulau kecil ini disebut Lady of the Seas. Dan pada awal abad ke-18, peningkatan navigasi membutuhkan penciptaan metode yang lebih akurat untuk menentukan lokasi kapal. Parlemen Inggris telah menunjuk hadiah yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk menyelesaikan masalah ini. Solusinya adalah menciptakan jam tangan "laut" ultraprecise (pada waktu itu) . Tapi sejarah berjalan dalam spiral: hari ini tugas menguasai tata surya memerlukan penggunaan jam navigasi yang tepat - atom - di pesawat ruang angkasa .

Waktu adalah salah satu parameter terpenting untuk merencanakan dan menavigasi. Mengetahui kecepatan kita dan waktu yang telah berlalu sejak awal gerakan, kita dapat menghitung seberapa jauh kita telah bergerak, berapa banyak yang tersisa untuk pergi / berkendara / terbang dari titik A ke titik B. Dan semakin akurat alat ukur, termasuk jam, semakin akurat kita dapat merencanakan lebih sedikit kemungkinan kesalahan. Ini sangat penting dalam situasi di mana jarak antara titik rute sangat besar, dan sumber daya pelancong sangat terbatas dan tidak memungkinkan Anda berkeliaran di ruang angkasa untuk mencari tujuan. Misalnya, saat bepergian dari Bumi ke Mars.

Jam paling akurat yang dibuat oleh manusia adalah jam atom. Mereka didasarkan pada gagasan penghitungan satuan waktu menggunakan sejumlah periode getaran atom dari berbagai zat. Misalnya, cesium, strontium, rubidium, hidrogen, kalsium, yodium dan unsur kimia lainnya. Saat ini, jam atom digunakan terutama dalam sistem navigasi satelit dan untuk mengendalikan pesawat ruang angkasa. Selain itu, di banyak negara mereka bekerja untuk meningkatkan akurasi jam atom, kekompakan dan ketahanan mereka terhadap pengaruh eksternal. Misalnya, pada musim gugur 2016, prototipe jam atom optik berdasarkan atom thulium, yang saat ini adalah salah satu yang paling akurat di dunia, dipresentasikan di Institut Fisika Rusia .

Tetapi semakin berani kita berpikir tentang pengembangan tata surya, semakin banyak kesulitan teknis yang dihadapi para insinyur. Salah satunya adalah meningkatkan akurasi navigasi di luar angkasa. Biaya merencanakan kesalahan dalam kasus ini SANGAT tinggi bahkan jika probe tak berawak digunakan, belum lagi penerbangan berawak ke Mars dan bahkan lebih jauh ke satelit Jupiter dan Saturnus.
Hari ini untuk navigasi ruang, waktu transit sinyal radio antara pesawat ruang angkasa dan pusat kontrol diukur. Mengetahui kecepatan rambat gelombang radio, Anda dapat menentukan jarak yang ditempuh oleh perangkat, dan kecepatan relatifnya.

Ruang yang dalam

Beberapa tahun yang lalu, NASA mulai mengembangkan jam atom kompak untuk ekspedisi ruang jarak jauh - Deep Space Atomic Clock (DSAC). Arloji adalah modul berbentuk paralelepiped dengan dimensi 29 x 27 x 23 cm Berat - 16 kg. Konsumsi daya - 44 watt. DSAC menggunakan atom merkuri, sehingga arloji ini sangat tahan terhadap medan magnet luar dan suhu yang ekstrem. Tingkat akurasi arloji kurang dari 1 mikrodetik dalam 10 tahun.



Pada bulan Maret 2017, direncanakan untuk meluncurkan modul dalam penerbangan uji di Orbital Test Bed. Selama tahun ini, perangkat akan menentukan ketinggian orbitnya dengan akurasi tinggi.

Mengapa

Tetapi mengapa kita membutuhkan jam atom baru, dan bahkan untuk instalasi di pesawat ruang angkasa, kapan dan kapan dikendalikan dari Bumi, akurasi yang sangat besar dalam mengukur parameter penerbangan tercapai?

Ambil contoh praktis: menentukan lintasan satelit yang mengorbit Mars. Jarak dari sana ke Bumi rata-rata 225 juta km(minimum - 55,76 juta, maksimum - 401 juta km). Pada jarak ini, sinyal radio bolak-balik sekitar 25 menit. Dan poin kunci di sini adalah keakuratan pengukuran waktu. Saat ini, jam atom yang digunakan dalam sistem kontrol penerbangan berbasis darat memungkinkan kita menghitung jarak ke pesawat ruang angkasa dengan akurasi kurang dari satu meter, dan kecepatannya relatif terhadap MCC - dengan akurasi kurang dari satu milimeter per detik. Setelah periode dua hari akumulasi data, Anda dapat menentukan lintasan kendaraan di sekitar Mars. Dan, jika perlu, sesuaikan itu.

Menurut Jet Propulsion Laboratory NASA, yang mengembangkan DSAC, selama dua hari mengamati satelit di orbit Mars, kesalahan pengukuran waktu yang terakumulasi adalah beberapa picoseconds, yang memberikan kesalahan total dalam mengukur jarak ke perangkat dalam fraksi meter, dan kecepatannya sekitar 1 μm / s. Statistik yang dikumpulkan digunakan oleh algoritma yang kompleks untuk menghitung lintasan dengan kesalahan dalam 10 meter.

Jika Anda menempatkan jam atom di pesawat ruang angkasa, maka untuk menghitung parameter penerbangan Anda tidak perlu mengirim perintah dari Bumi setiap kali sehingga pesawat ruang angkasa merespons dengan mengukur waktu transit sinyal pulang pergi. Cukup bahwa sistem navigasi on-board itu sendiri secara berkala mengirimkan sinyal, atau sinyal dapat dikirim secara sepihak dari Bumi, dan semua perhitungan parameter penerbangan akan dilakukan di atas kapal. Artinya, kita membagi dua interval waktu yang dihitung, dan karena itu - dan besarnya kesalahan.

Selain itu, menurut Jet Propulsion Laboratory yang sama, akan mungkin untuk beralih ke frekuensi yang lebih tinggi, yang akan meningkatkan akurasi pelacakan dengan urutan besarnya, mengurangi kesalahan dengan jumlah yang sama.

Selain itu, dengan peningkatan jumlah pesawat ruang angkasa yang akan dikendalikan dari Bumi, masalah sumber daya yang terbatas dari sistem antena pasti akan muncul. Dan jika dimungkinkan untuk mengirim sinyal hanya dalam satu arah, tanpa menunggu respons, maka pada fasilitas yang ada akan dimungkinkan untuk secara efektif mengelola perangkat dua kali lebih banyak.



Jika perangkat dirancang untuk transmisi sinyal pengukuran satu arah, maka akan dimungkinkan untuk menghemat ukuran antena, karena mereka tidak perlu diarahkan dengan sangat akurat ke tanah untuk mengirim respons. Selain itu, dimungkinkan untuk tidak menghabiskan waktu yang berharga dari penyelidikan penelitian pada sesi pengiriman sinyal pengukuran, mengabdikannya untuk pengukuran ilmiah. Dan akumulasi data navigasi di papan akan memungkinkan Anda untuk menggunakannya secara real time untuk bermanuver dan merencanakan kursus. Ini terutama penting dalam kasus di mana waktu reaksi menjadi kritis. Misalnya, ketika mendekati sebuah planet dengan alat robot. Atau, saat berkendara di medan kasar robot penjelajah / penjelajah bulan / penjelajah titan / europass.



Bahkan dalam kasus penerbangan berawak, akan sangat berguna bagi para astronot untuk memiliki semua data di lintasan mereka, sehingga mereka dapat dengan cepat merencanakan jalurnya dalam kondisi yang sulit.

Sedangkan untuk kosmonotika Rusia, kami juga bekerja tidak berhenti. Secara khusus, pada tahun 2018 direncanakan untuk meluncurkan satelit GLONASS pertama dengan jam atom hidrogen , yang dalam pengujian menunjukkan akurasi 1,8 mikrodetik dalam 10 tahun (0,5 picosekon dalam 12 jam).

Source: https://habr.com/ru/post/id401105/