美国测试深空原子钟 若成功将颠覆星际飞行的导航方式

美国很快将把一个微波炉大小的“太空原子钟”送入地球轨道。作为原子钟小型化及在轨实验的一部分,它将比现在太空中所有的原子钟都要精确。通过在轨道上接收地面的信号,再自我计算出其位置来验证系统的性能。未来太空飞船将携带太空原子钟旅行,并允许其通过单向信标计算自己的位置,这会彻底改变人类航天器的导航方式。

工作原理与GPS相似 允许航天器自主导航

借助GPS的原子钟,我们的手机可以获取卫星信号传输到地面的准确时间,再经过计算可以得出我们所处的精确位置。但宇宙飞船在飞往火星的时候并没有GPS可用,因此必须通过地球上的原子钟设备来确定飞船的位置,确认一个位置坐标往往要来回折腾3次(地球向飞船发信号,飞船再将信号再返回地球,地球计算后再把结果告诉飞船)。

深空原子钟轨道测试示意图

飞船距离地球越远,这种沟通所需要的时间就越长,如果飞船到了火星,要精确进行一次定位就至少要消耗掉40分钟,无人飞行时还可以忍受,要是载人飞行的话,飞船上的宇航员就会非常的焦虑。而深空原子钟的出现,就是要改变这个过程。

深空原子钟是首个用于离开地球轨道的飞行器原子钟,它非常的小巧可以安装在飞船之上。定位时只需要单向接收地球上发射出的信号,就可以通过自身携带的原子钟和机载导航系统直接计算出自身的位置和速度,不再需要通过地球中转,大大提高了深空飞行器定位导航的效率。可以帮助人类安全高效地抵达火星和更远的星球。

比GPS原子钟精度更高 900万年只差一秒

原子钟只有相当的精确才能用于导航,哪怕只差一秒也会谬以千里。当年我国的北斗导航系统就是因为国外在原子钟的技术上卡脖子,致使我们的导航卫星的研制延迟了数年。深空原子钟对精度的要求更高,在地面测试中深空原子钟的精度已经达到了GPS卫星原子钟的50倍以上。如果本次在轨实验也能验证其稳定性和精度,它将是宇宙中最精确的时钟之一。

深空原子钟结构

使用汞离子以保持时间的准确性

与我们常用的手表和普通原子钟一样,都是通过测量一定周期内石英的震动来确定时间的。手表使用普通的电脉冲来造成适应震动,确定的时间每年都会有数秒的误差;普通原子钟通过原子来激发石英的震动可以做到数十万年误差一秒的效果。而深空原子钟使用非常少量的汞离子作为激发体,并且外部有电磁保护层,在最大程度上降低了宇宙环境对原子钟的影响,以维持其精度。

JPL正在地面测试深空原子钟

人类要征服太空,自主导航是大势所趋

美国已经走在了深空探索领域的前沿,中国也正在加快跟上。美国主导的月球空间站正在紧锣密鼓地展开,该站将作为人类征服火星的跳板,并以此前往更远的深空。当宇航员乘坐飞船远离地球后,导航系统每延迟一分钟,飞船的轨迹都会发生不小的变化,对整个飞行任务都会产生严重后果。因此未来的飞船必须具备自主导航的能力,而不再过度依赖地球上的数据支持。

目前我国正处在探月三期的征程中,今后如果能在嫦娥飞船中加入原子钟自主导航实验,对我国未来的火星甚至太阳系探测都会带来巨大的帮助。

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