В будущем космические корабли смогут безопасно и автономно долетать до Луны или Марса, благодаря новой системе навигации NASA.

Специалисты лаборатории JPL создали атомные часы для работы в космосе

Сейчас система навигации направляет космический корабль, вычисляя его положение на Земле и посылая данные местоположения с помощью двусторонней системы передачи. Этот метод навигации означает, что не имеет значения, как далеко отправилась миссия, наш космический корабль все равно привязан к нашей планете, ожидая команд.

Это представляет собой очевидные проблемы для будущих пилотных миссий на другие планеты. Как астронавты смогут оперативно реагировать, находясь далеко от Земли? Как они смогут аккуратно высадиться на другую планету, если задержка связи влияет на то, как быстро они смогут скорректировать их траекторию в атмосфере?

Атомные часы глубокого космоса – это прибор, размеры которого не превышают размеры тостера для хлеба. Но именно он поможет ответить на эти вопросы. Это первое в своем роде устройство типа GPS, компактные размеры и стабильность которого позволяют использовать его на космическом корабле. Новая технология позволит космическому аппарату определять местоположение без необходимости получения этих данных с Земли. В конце июня атомные часы будут запущены на орбиту на борту ракеты SpaceX Falcon Heavy, где они пробудут в течение одного года. За этот период ученые смогут проверить их в действии.

Если тестовые атомные часы глубокого космоса будут успешно работать, то это станет первой ступенью к космической навигации будущего. Астронавты смогут использовать системы наподобие GPS, находясь на поверхности Луны, и безопасно путешествовать к Марсу и окрестностям.

«Каждый космический корабль, исследующий глубокий космос, держит курс согласно системам навигации, расположенным здесь, на Земле. Атомные часы глубокого космоса изменят это, сделав возможной автономную навигацию или космический корабль на самоуправлении», — говорит исследователь Джилл Сьюберт.

В глубоком космосе нет GPS

Использование атомных часов в космосе само по себе не ново. Каждое GPS устройство и смартфон определяют свое местоположение по атомным часам спутников, находящихся на орбите Земли. Спутники посылают сигналы из космоса, получатель вычисляет положение, измеряя время, за которое сигналы доходят до вашего GPS приемника.

Сейчас любой космический корабль, находящийся на орбите Земли, не имеет свой собственный GPS приемник, чтобы определить траекторию своего движения в космосе. А атомные часы на спутниках GPS недостаточно точны, чтобы посылать данные космическим кораблям.

Поэтому навигационные системы используют гигантские антенны, находящиеся на Земле. Эти антенны отправляют сигналы космическим кораблям, а они отражают их обратно на Землю. Прецизионные часы, находящиеся на Земле, измеряют длительность двустороннего прохождения сигнала, по которой можно определить расстояние до космического корабля и его скорость перемещения. Только после этих расчетов, навигационная система может передать данные о дальнейших координатах космическому аппарату.  

«Принцип работы похож на эхолокацию», — говорит Сьюберт, — «Если я стою перед горой и кричу, то время, которое пройдет прежде, чем я услышу эхо, позволит мне определить, как далеко находится гора».

Такая двунаправленная навигация означает, что даже если космический аппарат отправится в глубокий космос, ему все равно придется постоянно ожидать пока сигналы, передающие команды, пройдут расстояние между планетами. Например, после посадки марсохода Curiosity весь мир ждал 14 долгих минут, пока дойдет сигнал об успешной высадке на Марс. Такая задержка – это среднее время ожидания: в зависимости от положения Земли и Марса на их орбитах задержка может составлять от 4х до 20ти минут для прохождения сигнала в одном направлении.

Это похоже на перегруженную телефонную линию. Пока космический корабль обменивается сигналами с Землей он может преодолевать десятки тысяч километров в час, поэтому когда наконец, аппарат получит информацию о «своем местоположении», он будет уже очень далеко от этого места.

Лучший способ навигации

Компактные высокоточные атомные часы помогут решить проблему задержек при отслеживании курса космических аппаратов. В будущем навигационные системы будут посылать сигнал с Земли космическому кораблю. Атомные часы глубокого космоса будут измерять, сколько времени шел сигнал, а затем бортовые системы космического корабля смогут вычислить положение и траекторию его движения.

Такая однонаправленная навигация поможет астронавтам исследовать Марс и окрестности, а также улучшит точность GPS навигацию на Земле. В будущем несколько космических аппаратов с атомными часами глубокого космоса, вращающиеся вокруг Марса, позволят создать спутниковую сеть, подобную GPS, чтобы помогать роботам и людям, работающим на поверхности Красной планеты.

Специалисты из лаборатории JPL создали атомные часы на основе ионов ртути, которые в 50 раз точнее, чем GPS часы. Погрешность таких часов составляет 1 секунду каждые 10 миллионов лет.

Тестовый запуск часов в космос позволит определить, смогут ли они оставаться стабильными на орбите. В случае успеха ученые планируют оснащать подобными атомными часами космические миссии уже в 2030х годах.