Một nhà khoa học đang phát triển đồng hồ nguyên tử Deep Space về lý do tại sao nó lại khóa cho các nhiệm vụ không gian trong tương lai.
DSAC đang chuẩn bị cho một thử nghiệm kéo dài một năm để mô tả và kiểm tra sự phù hợp của nó để sử dụng trong khám phá không gian sâu trong tương lai. Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA
Bởi Todd Ely, NASA
Tất cả chúng ta đều trực giác hiểu những điều cơ bản của thời gian. Mỗi ngày chúng ta đếm đoạn văn của nó và sử dụng nó để lên lịch cho cuộc sống của chúng ta.
Chúng tôi cũng sử dụng thời gian để điều hướng theo cách của chúng tôi đến các điểm đến quan trọng với chúng tôi. Ở trường, chúng tôi đã học được rằng tốc độ và thời gian sẽ cho chúng tôi biết chúng tôi đã đi bao xa từ điểm A đến điểm B; với bản đồ, chúng ta có thể chọn tuyến đường hiệu quả nhất - đơn giản.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu điểm A là Trái đất và điểm B là Sao Hỏa - nó vẫn đơn giản như vậy? Về mặt khái niệm, vâng. Nhưng để thực sự làm điều đó, chúng ta cần các công cụ tốt hơn - các công cụ tốt hơn nhiều.
Tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA, tôi đã làm việc để phát triển một trong những công cụ sau: Đồng hồ nguyên tử Deep Space, hay viết tắt là DSAC. DSAC là một chiếc đồng hồ nguyên tử nhỏ có thể được sử dụng như một phần của hệ thống định vị tàu vũ trụ. Nó sẽ cải thiện độ chính xác và cho phép các chế độ điều hướng mới, chẳng hạn như không giám sát hoặc tự trị.
Ở dạng cuối cùng, Đồng hồ nguyên tử Deep Space sẽ phù hợp cho các hoạt động trong hệ mặt trời vượt xa quỹ đạo Trái đất. Mục tiêu của chúng tôi là phát triển một nguyên mẫu tiên tiến của DSAC và vận hành nó trong không gian trong một năm, thể hiện việc sử dụng nó để khám phá không gian sâu trong tương lai.
Tốc độ và thời gian cho chúng ta biết khoảng cách
Để điều hướng trong không gian sâu, chúng tôi đo thời gian truyền tín hiệu vô tuyến truyền qua lại giữa tàu vũ trụ và một trong các ăng ten truyền tín hiệu của chúng ta trên Trái đất (thường là một trong những tổ hợp Mạng không gian sâu của NASA nằm ở Goldstone, California; Madrid, Tây Ban Nha; Canberra, Úc).
Tổ hợp truyền thông không gian sâu ở Úc tại Úc là một phần của Mạng không gian sâu của NASA, nhận và nhận tín hiệu vô tuyến đến và đi từ tàu vũ trụ. Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực
Chúng tôi biết các tín hiệu được truyền đi ở tốc độ ánh sáng, một hằng số xấp xỉ 300.000 km / giây (186.000 dặm / giây). Sau đó, từ việc đo lường hai chiều của chúng tôi mất bao lâu để đi đến đó và quay lại, chúng tôi có thể tính toán khoảng cách và tốc độ tương đối cho tàu vũ trụ.
Chẳng hạn, một vệ tinh quay quanh Sao Hỏa cách Trái đất trung bình 250 triệu km. Thời gian tín hiệu vô tuyến truyền đến đó và quay lại (gọi là thời gian ánh sáng hai chiều) là khoảng 28 phút. Chúng ta có thể đo thời gian di chuyển của tín hiệu và sau đó liên kết nó với tổng khoảng cách di chuyển giữa ăng ten theo dõi Trái đất và quỹ đạo để tốt hơn một mét, và tốc độ tương đối của quỹ đạo đối với ăng-ten trong vòng 0,1 mm / giây.
Chúng tôi thu thập dữ liệu khoảng cách và tốc độ tương đối theo thời gian và khi chúng tôi có đủ số lượng (đối với quỹ đạo sao Hỏa, điều này thường là hai ngày), chúng tôi có thể xác định quỹ đạo Vệ tinh.
Đo thời gian, vượt quá độ chính xác của Thụy Sĩ
Cơ bản cho các phép đo chính xác này là đồng hồ nguyên tử. Bằng cách đo tần số ánh sáng rất ổn định và chính xác được phát ra bởi một số nguyên tử nhất định (ví dụ như hydro, xêtan, rubidium và, đối với DSAC, thủy ngân), đồng hồ nguyên tử có thể điều chỉnh thời gian được giữ bằng đồng hồ cơ (thạch anh) truyền thống hơn. Nó giống như một ngã ba điều chỉnh cho chấm công. Kết quả là một hệ thống đồng hồ có thể cực kỳ ổn định trong nhiều thập kỷ.
Độ chính xác của Đồng hồ nguyên tử Deep Space dựa vào một tính chất vốn có của các ion thủy ngân - chúng chuyển đổi giữa các mức năng lượng lân cận với tần số chính xác là 40.5073479968 GHz. DSAC sử dụng đặc tính này để đo sai số trong đồng hồ thạch anh, tốc độ tích tắc, và, với phép đo này, có thể điều khiển nó theo hướng ổn định. Sự ổn định của DSAC, ngang bằng với đồng hồ nguyên tử trên mặt đất, tăng hoặc giảm ít hơn một phần triệu giây mỗi thập kỷ.
Tiếp tục với ví dụ về quỹ đạo sao Hỏa, đồng hồ nguyên tử trên mặt đất tại Deep Space Network đóng góp cho phép đo thời gian ánh sáng hai chiều của quỹ đạo là theo thứ tự picosecond, chỉ đóng góp một phần của mét vào sai số khoảng cách tổng thể. Tương tự như vậy, sự đóng góp của xung nhịp cho lỗi trong phép đo tốc độ quỹ đạo là một phần rất nhỏ của lỗi tổng thể (1 micromet / giây trên tổng số 0,1 mm / giây).
Các phép đo khoảng cách và tốc độ được thu thập bởi các trạm mặt đất và gửi đến các đội điều hướng xử lý dữ liệu bằng các mô hình máy tính tinh vi của chuyển động tàu vũ trụ. Họ tính toán quỹ đạo phù hợp nhất, đối với quỹ đạo sao Hỏa, thường chính xác trong phạm vi 10 mét (khoảng chiều dài của xe buýt trường học).
Đơn vị trình diễn DSAC (được gắn trên một tấm để dễ vận chuyển). Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực
ing một đồng hồ nguyên tử vào không gian sâu
Đồng hồ mặt đất được sử dụng cho các phép đo này là kích thước của tủ lạnh và hoạt động trong môi trường được kiểm soát cẩn thận - chắc chắn không phù hợp với không gian. So sánh, DSAC, ngay cả ở dạng nguyên mẫu hiện tại như đã thấy ở trên, có kích thước bằng một máy nướng bánh bốn lát. Theo thiết kế, nó có thể hoạt động tốt trong môi trường năng động trên tàu thám hiểm không gian sâu.
Vỏ bẫy ion thủy ngân DSAC với thanh bẫy điện trường nhìn thấy trong các phần cắt ra. Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực
Một chìa khóa để giảm kích thước tổng thể DSAC, là thu nhỏ bẫy ion thủy ngân. Thể hiện trong hình trên, nó có chiều dài khoảng 15 cm (6 inch). Cái bẫy giam giữ plasma của các ion thủy ngân sử dụng điện trường. Sau đó, bằng cách áp dụng từ trường và che chắn bên ngoài, chúng tôi cung cấp một môi trường ổn định nơi các ion bị ảnh hưởng tối thiểu bởi nhiệt độ hoặc biến đổi từ tính. Môi trường ổn định này cho phép đo sự chuyển đổi ion giữa các trạng thái năng lượng rất chính xác.
Công nghệ DSAC không thực sự tiêu thụ bất cứ thứ gì ngoài sức mạnh. Tất cả các tính năng này cùng nhau có nghĩa là chúng ta có thể phát triển một chiếc đồng hồ phù hợp với các nhiệm vụ không gian trong thời gian rất dài.
Do DSAC ổn định như các đối tác trên mặt đất của nó, tàu vũ trụ mang DSAC sẽ không cần phải quay tín hiệu để có được theo dõi hai chiều. Thay vào đó, tàu vũ trụ có thể phát tín hiệu theo dõi đến trạm Trái đất hoặc nó có thể nhận tín hiệu do trạm Trái đất gửi và thực hiện phép đo theo dõi trên tàu. Nói cách khác, theo dõi hai chiều truyền thống có thể được thay thế bằng một chiều, được đo trên mặt đất hoặc trên tàu vũ trụ.
Vì vậy, điều này có nghĩa gì cho điều hướng không gian sâu? Nói rộng hơn, theo dõi một chiều linh hoạt hơn, có thể mở rộng (vì nó có thể hỗ trợ nhiều nhiệm vụ hơn mà không cần xây dựng ăng-ten mới) và cho phép các cách mới để điều hướng.
DSAC cho phép thế hệ theo dõi không gian sâu tiếp theo. Hình ảnh thông qua Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực
DSAC thúc đẩy chúng tôi vượt xa những gì có thể có ngày hôm nay
Đồng hồ nguyên tử Deep Space có khả năng giải quyết một loạt các thách thức điều hướng không gian hiện tại của chúng tôi.
-
Những nơi như Sao Hỏa là nơi đông đúc, có rất nhiều tàu vũ trụ: Hiện tại, có năm quỹ đạo đang cạnh tranh để theo dõi radio. Theo dõi hai chiều đòi hỏi tàu vũ trụ phải chia sẻ thời gian của tài nguyên. Nhưng với tính năng theo dõi một chiều, Deep Space Network có thể hỗ trợ nhiều tàu vũ trụ đồng thời mà không cần mở rộng mạng. Tất cả những gì mà Cameron cần là các đài phát thanh tàu vũ trụ có khả năng kết hợp với DSAC.
-
Với Mạng không gian sâu hiện tại, việc theo dõi một chiều có thể được tiến hành ở dải tần số cao hơn so với hai chiều hiện tại. Làm như vậy sẽ cải thiện độ chính xác của dữ liệu theo dõi lên tới 10 lần, tạo ra các phép đo tốc độ phạm vi chỉ với sai số 0,01 mm / giây.
-
Truyền dẫn đường lên một chiều từ Mạng không gian sâu có công suất rất cao. Chúng có thể được nhận bởi các ăng-ten tàu vũ trụ nhỏ hơn với trường nhìn rộng hơn so với các ăng-ten tập trung, có mức tăng cao điển hình được sử dụng ngày nay để theo dõi hai chiều. Thay đổi này cho phép sứ mệnh tiến hành các hoạt động khoa học và thăm dò mà không bị gián đoạn trong khi vẫn thu thập dữ liệu có độ chính xác cao để điều hướng và khoa học. Ví dụ, sử dụng dữ liệu một chiều với DSAC để xác định trường trọng lực của Europa, mặt trăng băng giá của Sao Mộc, có thể đạt được trong một phần ba thời gian sử dụng phương pháp hai chiều truyền thống với nhiệm vụ bay hiện tại phát triển bởi NASA.
-
Thu thập dữ liệu một chiều có độ chính xác cao trên tàu vũ trụ có nghĩa là dữ liệu có sẵn để điều hướng thời gian thực. Không giống như theo dõi hai chiều, không có sự chậm trễ với việc thu thập và xử lý dữ liệu trên mặt đất. Loại điều hướng này có thể rất quan trọng cho việc thăm dò robot; nó sẽ cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong các sự kiện quan trọng - ví dụ, khi tàu vũ trụ đưa vào quỹ đạo quanh một hành tinh. Nó cũng rất quan trọng đối với việc thám hiểm của con người, khi các phi hành gia sẽ cần thông tin quỹ đạo thời gian thực chính xác để di chuyển an toàn đến các điểm đến của hệ mặt trời xa xôi.
Tàu quỹ đạo Sao Hỏa tiếp theo (NeMO) hiện đang được NASA phát triển ý tưởng là một sứ mệnh có khả năng hưởng lợi từ việc điều hướng vô tuyến và khoa học một chiều mà DSAC sẽ kích hoạt. Hình ảnh qua NASA
Đếm ngược đến DSAC ra mắt
Nhiệm vụ DSAC là một trọng tải được lưu trữ trên tàu vũ trụ Surrey Test Technology. Cùng với Đơn vị trình diễn DSAC, bộ tạo dao động thạch anh cực ổn định và máy thu GPS có ăng-ten sẽ đi vào quỹ đạo Trái đất ở độ cao thấp từng được phóng qua tên lửa SpaceX Falcon Heavy vào đầu năm 2017.
Trong khi nó trên quỹ đạo, hiệu suất dựa trên không gian DSAC, sẽ được đo lường trong một cuộc biểu tình kéo dài một năm, trong đó dữ liệu theo dõi Hệ thống Định vị Toàn cầu sẽ được sử dụng để xác định các ước tính chính xác về quỹ đạo OTB và độ ổn định của DSAC. Chúng tôi cũng sẽ thực hiện một thử nghiệm được thiết kế cẩn thận để xác nhận các ước tính quỹ đạo dựa trên DSAC là chính xác hoặc tốt hơn so với các xác định từ dữ liệu hai chiều truyền thống. Đây là cách chúng tôi xác nhận tiện ích DSAC, để điều hướng vô tuyến một chiều trong không gian sâu.
Vào cuối những năm 1700, việc điều hướng các vùng biển đã bị thay đổi mãi mãi bởi sự phát triển của John Harrison, chiếc đồng hồ biển H4, sự ổn định cho phép những người đi biển xác định chính xác và đáng tin cậy kinh độ, cho đến khi đó họ đã trốn tránh hàng ngàn năm. Ngày nay, khám phá không gian sâu đòi hỏi khoảng cách di chuyển là những đơn đặt hàng có cường độ lớn hơn chiều dài của đại dương và đòi hỏi các công cụ với độ chính xác cao hơn để điều hướng an toàn. DSAC đã sẵn sàng để đáp ứng với thách thức này.
Todd Ely, Điều tra viên chính về Nhiệm vụ trình diễn công nghệ đồng hồ nguyên tử không gian sâu, Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực, NASA