Cronômetro para pioneiros no espaço

No século 18, o Império Britânico expandia ativamente suas fronteiras, comércio e influência. A principal ferramenta foi a frota - não sem razão, este pequeno país insular é chamado de Lady of the Seas. E no início do século 18, a melhoria da navegação exigiu a criação de um método mais preciso para determinar a localização dos navios. O Parlamento britânico nomeou uma recompensa sem precedentes por resolver este problema. A solução foi a criação de relógios "marinhos" ultraprecisos (na época) . Mas a história segue uma espiral: hoje, as tarefas de dominar o sistema solar exigem o uso de relógios de navegação precisos - atômicos - na espaçonave .

O tempo é um dos parâmetros mais importantes para plotagem e navegação. Conhecendo nossa velocidade e o tempo decorrido desde o início do movimento, podemos calcular até onde nos movemos, quanto resta para ir / dirigir / voar do ponto A ao ponto B. E quanto mais precisos os instrumentos de medição, incluindo o relógio, mais precisamente podemos plotando a menor chance de erro. Isso é vital em situações em que as distâncias entre os pontos da rota são extremamente grandes e os recursos dos viajantes são extremamente limitados e não permitem que você vague pelo espaço em busca de um destino. Por exemplo, ao viajar da Terra para Marte.

Os relógios mais precisos criados pela humanidade são os relógios atômicos. Eles se baseiam na idéia de contar unidades de tempo usando um certo número de períodos de vibração de átomos de várias substâncias. Por exemplo, césio, estrôncio, rubídio, hidrogênio, cálcio, iodo e outros elementos químicos. Hoje, os relógios atômicos são usados ​​principalmente em sistemas de navegação por satélite e no controle de naves espaciais. Além disso, em muitos países, eles estão trabalhando para melhorar a precisão dos relógios atômicos, sua compactação e resistência a influências externas. Por exemplo, no outono de 2016 , foi apresentado no Instituto Físico Russo um protótipo de um relógio atômico óptico baseado em átomos de túlio, hoje um dos mais precisos do mundo.

Mas quanto mais ousados ​​pensamos sobre o desenvolvimento do sistema solar, mais dificuldades técnicas os engenheiros enfrentam. Uma delas é melhorar a precisão da navegação no espaço sideral. O custo de erros de plotagem nesse caso é MUITO alto, mesmo que sondas não tripuladas sejam usadas, sem mencionar vôos tripulados para Marte e ainda mais para os satélites de Júpiter e Saturno.
Hoje, para a navegação espacial, é medido o tempo de trânsito do sinal de rádio entre a espaçonave e o centro de controle. Conhecendo a velocidade de propagação das ondas de rádio, você pode determinar a distância percorrida pelo dispositivo e sua velocidade relativa.

Espaço profundo

Alguns anos atrás, a NASA começou a desenvolver um relógio atômico compacto para expedições espaciais de longo alcance - Deep Space Atomic Clock (DSAC). O relógio é um módulo em forma de paralelepípedo com dimensões de 29 x 27 x 23 cm.Peso - 16 kg. Consumo de energia - 44 watts. O DSAC usa átomos de mercúrio, portanto o relógio é muito resistente a campos magnéticos externos e temperaturas extremas. O nível de precisão do relógio é inferior a 1 microssegundo em 10 anos.



Em março de 2017, está previsto o lançamento do módulo em um voo de teste no banco de ensaios orbitais. Durante o ano, o dispositivo determinará a altura de sua órbita com alta precisão.

Porque

Mas por que precisamos de um novo relógio atômico, e mesmo para instalação em naves espaciais, quando e quando controlados da Terra, é alcançada uma enorme precisão na medição dos parâmetros de vôo?

Tomemos um exemplo prático: determinando a trajetória de um satélite orbitando Marte. A distância dele até a Terra é em média 225 milhões de km(mínimo - 55,76 milhões, máximo - 401 milhões de km). A essa distância, o sinal de rádio vai e volta por cerca de 25 minutos. E o ponto principal aqui é a precisão da medição do tempo. Hoje, o relógio atômico usado em sistemas de controle de vôo em terra permite calcular a distância da espaçonave com uma precisão de menos de um metro e sua velocidade em relação à MCC - com uma precisão de menos de um milímetro por segundo. Após um período de dois dias de acumulação de dados, você pode determinar a trajetória do veículo em torno de Marte. E, se necessário, ajuste-o.

De acordo com o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que está desenvolvendo o DSAC, durante dois dias observando um satélite em órbita de Marte, o erro de medição do tempo acumulado é de vários picossegundos, o que dá o erro total de medir a distância do dispositivo em frações de metro e a velocidade é de cerca de 1 μm / s. As estatísticas coletadas são usadas por algoritmos complexos para calcular a trajetória com um erro dentro de 10 metros.

Se você colocar um relógio atômico em uma espaçonave, para calcular os parâmetros de vôo, não será necessário enviar um comando da Terra a cada vez para que a espaçonave responda medindo o tempo de trânsito do sinal de ida e volta. Basta que o próprio sistema de navegação a bordo envie sinais periodicamente, ou os sinais possam ser enviados unilateralmente da Terra, e todos os cálculos dos parâmetros de vôo serão realizados a bordo. Ou seja, reduzimos pela metade os intervalos de tempo calculados e, portanto - e a magnitude do erro.

Além disso, de acordo com o mesmo Laboratório de Propulsão a Jato, será possível alternar para frequências mais altas, o que aumentará a precisão do rastreamento em uma ordem de magnitude, reduzindo o erro na mesma quantidade.

Além disso, com o aumento do número de naves espaciais a serem controladas da Terra, surgirá inevitavelmente o problema dos recursos limitados dos sistemas de antena. E se for possível enviar um sinal apenas em uma direção, sem aguardar uma resposta, nas instalações existentes, será possível gerenciar efetivamente o dobro do número de dispositivos.



Se o dispositivo for projetado para transmissão unidirecional do sinal de medição, será possível economizar no tamanho das antenas, porque elas não precisarão ser direcionadas com muita precisão ao solo para enviar uma resposta. Além disso, será possível não gastar um tempo valioso de sondas de pesquisa em sessões de envio de sinais de medição, dedicando-o a medições científicas. E o acúmulo de dados de navegação a bordo permitirá que você os use em tempo real para manobrar e traçar o percurso. Isso é especialmente importante nos casos em que o tempo de reação se torna crítico. Por exemplo, ao se aproximar de um planeta com um aparelho robótico. Ou, ao dirigir sobre terrenos acidentados de um robô robótico / lunar / titan rover / europass.



Mesmo no caso de vôos tripulados, será muito útil para os astronautas ter na ponta de seus dedos todos os dados de sua trajetória, para que possam traçar rapidamente seu curso em condições difíceis.

Quanto à cosmonáutica russa, também nós não trabalhamos. Em particular, em 2018, está planejado o lançamento do primeiro satélite GLONASS com um relógio atômico de hidrogênio , que em testes mostrou uma precisão de 1,8 microssegundos em 10 anos (0,5 picossegundos em 12 horas).

Source: https://habr.com/ru/post/pt401105/