深空原子鐘：讓航天器自主導(dǎo)航

NASA的深空原子鐘將前往近地軌道進(jìn)行為期一年的測(cè)設(shè) 來源：英國(guó)《科學(xué)新聞》網(wǎng)

你想過嗎？有朝一日，遨游太陽系可能會(huì)像搭乘公共汽車上班一樣容易——自動(dòng)駕駛宇宙飛船運(yùn)送宇航員穿越深空，類似GPS的定位系統(tǒng)將引導(dǎo)游客在其他行星和衛(wèi)星表面穿越各種地形。但要實(shí)現(xiàn)這些充滿未來感的導(dǎo)航計(jì)劃，航天器和衛(wèi)星需要配備計(jì)時(shí)精度*的時(shí)鐘，這就是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的深空原子鐘。

據(jù)英國(guó)《科學(xué)新聞》周刊網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)深空原子鐘樣本于24日試飛，有望成為有史以來穩(wěn)定的太空原子鐘。該項(xiàng)目研究員、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的伊爾·舒伯特在新聞發(fā)布會(huì)上說，這種迷你原子鐘將安裝在未來的宇宙飛船或衛(wèi)星上，可能“*改變我們的航天器在深空的導(dǎo)航方式”。

新原子鐘為何這么靠譜

據(jù)悉，NASA的深空原子鐘對(duì)每一秒計(jì)量的一致程度大約是GPS衛(wèi)星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會(huì)出現(xiàn)1秒鐘的偏差，與NASA“深空網(wǎng)絡(luò)”所使用的地面原子鐘的精度相當(dāng)。地面原子鐘利用無線電天線與整個(gè)太陽系的航天任務(wù)進(jìn)行通信。但與那些冰箱大小的原子鐘不同，烤面包機(jī)大小的深空原子鐘更小，可以搭載在航天器上。

新原子鐘為何這么可靠呢？該項(xiàng)目研究員、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的托德·埃利解釋說，這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計(jì)時(shí)，而目前地球GPS衛(wèi)星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計(jì)時(shí)。由于深空原子鐘內(nèi)部的汞原子帶有電荷，它們會(huì)被困在電場(chǎng)中，因而無法與其容器壁相互作用；相比之下，GPS原子鐘內(nèi)部的這種相互作用會(huì)導(dǎo)致銣原子失去節(jié)奏。

GPS衛(wèi)星時(shí)鐘需要地球上的指揮中心每天進(jìn)行兩次修正，但新的原子鐘更加可靠，不需要頻繁修正。埃利說：“如果你有深空原子鐘，那么每天兩次（修正）可能會(huì)變成數(shù)周一次，甚至數(shù)月一次。”

從雙向中繼變單向?qū)Ш?/p>

那么，深空原子鐘大的作用是什么？研究人員稱，主要是幫助航天器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。舒伯特說：“今天探索深空的每一臺(tái)航天器都依賴在地球上進(jìn)行的導(dǎo)航操作。”

他解釋道，地面天線通過雙向中繼系統(tǒng)（two-way relay system）向航天器發(fā)送信號(hào)，然后航天器把信號(hào)發(fā)射回來。通過測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間，“深空網(wǎng)絡(luò)”的地面原子鐘可以幫助確定航天器的位置。這種導(dǎo)航方法意味著，無論太空探索任務(wù)在太陽系中行進(jìn)至何處，航天器仍然像一只被拴在地球上的風(fēng)箏，等待來自地球的行進(jìn)指令，才能繼續(xù)前行。但是有了深空原子鐘，“我們可以過渡到所謂的單向追蹤”。宇宙飛船將用其來測(cè)量追蹤信號(hào)從地球抵達(dá)飛船所需的時(shí)間，而無需將信號(hào)發(fā)回地面的原子鐘進(jìn)行測(cè)量，這將使航天器能夠判斷自己的軌道。

能自我定位、自主導(dǎo)航的航天器可以使宇航員在不需要接收地球指令的情況下，自行穿越太陽系。埃利說：“在火星這樣的地方，（追蹤信號(hào)）往返時(shí)間為8—40分鐘；在木星，可能是一個(gè)半小時(shí)；而在土星，則是兩個(gè)半小時(shí)。”

由于飛行器能自我定位，宇航員可以更加靈活地開展行動(dòng)，更及時(shí)地對(duì)意外情況作出反應(yīng)。

在其他星球上，探測(cè)器可利用其攜帶的深空原子鐘來廣播帶有時(shí)間標(biāo)記的信號(hào)，任何GPS地面接收器都可以利用這些信號(hào)，通過三角測(cè)量法確定它的位置。另外，攜帶深空原子鐘的多個(gè)航天器可以圍繞火星運(yùn)行，創(chuàng)建出一個(gè)類似GPS的網(wǎng)絡(luò)，為火星上的探測(cè)車和宇航員指示方向。

進(jìn)行為期一年的測(cè)試

這個(gè)原子鐘樣本從NASA位于美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的*航天中心發(fā)射。研究人員將對(duì)其在近地軌道的表現(xiàn)進(jìn)行為期一年的監(jiān)測(cè)，以測(cè)試這臺(tái)原子鐘在太空中的穩(wěn)定性及其一整年的運(yùn)行情況。埃利說：“我們的目標(biāo)是每天誤差為2納秒左右，或者不到2納秒。”

舒伯特表示，如果深空原子鐘在太空中試驗(yàn)的這一年進(jìn)展順利，那么它早在本世紀(jì)30年代就可以開始執(zhí)行任務(wù)，能為未來的單向?qū)Ш酱蚝没A(chǔ)。宇航員將可以用其在月球表面進(jìn)行導(dǎo)航，也可以安全地自主執(zhí)行任務(wù)，前往火星以及更遠(yuǎn)的深空。減少與地球之間的通信——這將是航天器目前航行方式的巨大改進(jìn)。

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