Deep Space Atomic Clock. Фото: General Atomics Electromagnetic Systems

23 августа 2019 года в рамках годичного эксперимента состоялся экспериментальный запуск часов Deep Space Atomic Clock. Если демонстрация окажется успешной, аналогичные атомные часы будут использоваться для навигации автономных космических аппаратов.

Атомные часы — важный шаг к тому, чтобы позволить космическим аппаратам безопасно перемещаться в глубоком космосе, а не полагаться на трудоёмкий процесс получения данных навигации с Земли. Процесс становится особенно трудным, когда задержка обмена пакетами с Землёй возрастает до десятков минут или часов из-за физических ограничений скорости света.

Разработанные в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, часы являются первым достаточно стабильным хронометром для расчёта траектории космического корабля в глубоком космосе и при этом достаточно маленьким, чтобы поместиться на борт. Эти часы должны быть гораздо стабильнее, чем спутниковые атомные часы, потому что им придётся работать дальше от Земли в течение более длительных периодов.


Атомные часы, GPS-приёмник и ультра-стабильный генератор импульсов входят в комплектацию Deep Space Atomic Clock

Как и атомные часы на спутниках GPS, часы Deep Space Atomic Clock используются для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б. Для исследования космоса атомные часы должны быть чрезвычайно точными: ошибка в одну секунду означает разницу в 300 тысяч километров.

Ртутно-ионные атомные часы Deep Space Atomic Clock примерно в 50 раз более стабильны, чем спутниковые часы GPS. Как показали контролируемые испытания на Земле, погрешность составляет 1 секунду в 10 миллионов лет. Теперь начинается следующий этап испытаний — уже в космосе.



В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник. Может пройти больше часа, пока сигнал дойдёт до космического корабля и вернётся на Землю. По полученным данным вычисляются координаты и составляются инструкции, которые затем отправляются из наземной сети Deep Space Network обратно на космический корабль. Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию, а не ждать, пока эту информацию пришлют с Земли. Это позволит путешествовать дальше и, в конечном счёте, безопасно транспортировать людей на другие планеты.

«Цель космического эксперимента — поместить Deep Space Atomic Clock в контекст работающего космического корабля, в окружение, которое влияет на стабильность и точность часов — и посмотреть, будут ли они работать с расчётной точностью, то есть на порядке стабильнее, чем существующие космические часы», — говорит Тодд Эли (Todd Ely), ведущий исследователь проекта атомных часов в JPL.

Речь идёт о том, чтобы проверить работу часов в условиях резких перепадов температур, гравитационных сил и других неблагоприятных факторов.


CAD-модель линейной ртутно-ионной ловушки диаметров в пару сантиметров — «сердца» Deep Space Atomic Clock

В ближайшие месяцы команда проверит, что часы удерживают точность измерения времени в пределах 1 наносекунды за 10 дней.

Часы Deep Space Atomic Clock размещены на космическом аппарате производства компании General Atomics Electromagnetic Systems. Запуск состоялся 25 июня 2019 года в рамках миссии Space Test Program-2 (STP-2).

Отличительная особенность конструкции часов — то, что для их работы не требуется никаких расходных материалов, что необходимо для длительных миссий в открытом космосе. В часах используются ионы ртути, пойманные в ловушку электрического поля и защищённые от внешних магнитных полей и прочих воздействий.

Специалисты NASA утверждают, что у часов масса применений в космической технике и других областях. В перспективе такие часы позволят спутникам GPS стать независимыми от сигналов точного времени с наземных станций.

Работа по созданию портативных атомных часов улучшенной точности ведётся и российскими специалистами. Например, они планируют установить на новые спутники «Глонасс-К2» водородные атомные часы. Запуск первого спутника «Глонасс-К2» планируется на 2020 год.

Навигация космического аппарата

Местоположение и скорость космического корабля в любой данный момент времени определяют в общей сложности шесть цифр — три для местоположения и три для скорости. Они, в свою очередь, выводятся из более простых данных: серии прямых измерений расстояния и скорости, каждое из которых производится в определённый момент времени. Расстояние от наземной сети Deep Space Network до ускоряющегося зонда рассчитывается по времени, за которое радиосигнал проходит расстояние между наземными станциями и зондом туда и обратно. Скорость вычисляется по доплеровскому смещению радиосигнала. Доплеровское смещение — это «вытягивание» длины волны, когда она возвращается с удаляющегося космического корабля: чем больше смещение, тем быстрее космический аппарат удаляется от Земли (эффект действует и для звуковых волн, говорят, его можно определить по высоте звука сирены от удаляющегося автомобиля на разной скорости).

Антенны Deep Space Network должны быть невероятно чувствительны. Зонды «Викинг», запущенные в 1975 году, отправляли на Землю сигнал с 16-ваттного радиопередатчика. Уловить такой сигнал — словно заметить с Земли зажжённую спичку на поверхности Марса, пишет Hodinkee.

Итак, если положение и скорость космического корабля в космосе известны для конкретного момента времени, то можно вычислить уникальную траекторию. Для каждой комбинации значений положения и скорости диапазон и доплеровское смещение изменяются со временем уникальным образом, характерным для результирующей траектории.

Джилл Зойберт (Jill Seubert), ведущий исследователь эксперимента Deep Space Atomic Clock и эксперт в области межпланетной навигации, описывает некоторые из основных шагов в отслеживании космического корабля, который перемещается между планетами со скоростью в десятки тысяч километров в час: «Главное в том, что у нас есть модели его движения. У нас есть модели орбитальной механики [для планет и космических аппаратов]. Основная цель в день запуска — убедиться, что вы можете отслеживать космический корабль — находится ли он на траектории, достаточно близкой к эталонной? Первый вопрос заключается в том, как ракета-носитель вывела вас на орбиту. Есть некоторые неточности с выводом ракеты-носителя, поэтому вы проверяете направление после запуска. Космический аппарат должен войти в стабильное положение [ориентация], чтобы быть термически стабильным и получать необходимое питание: если солнечные батареи неправильно направлены, вы не получите необходимую мощность. Как только вы это установили, то можно отслеживать космический корабль, и тогда мы начинаем думать о маневрировании».

Межпланетная навигация опирается на данные слежения, чтобы определить, как быстро движется космический аппарат и как далеко он находится от Земли. Земля и большинство планет вращаются в одной базовой плоскости — это так называемая плоскость эклиптики. Как правило, траектории лежат в плоскости эклиптики, а более конкретно, для целей навигации, в плоскости треугольника, определяемого Солнцем, Землёй и положением космического аппарата. Станции слежения на Земле должны быть в состоянии оценить как движение космического аппарата вдоль этой плоскости, так и любое отклонение выше или ниже. Последнее особенно сложно измерить, поскольку оно должно быть получено из данных о дальности, а на расстоянии 100 миллионов километров смещение на 1000 километров выше или ниже плоскости траектории космического аппарата приводит к увеличению дальности всего на пять метров. Однако благодаря тщательному анализу изменений в измерениях скорости, вызванных вращением Земли, можно также получить эту составляющую положения космического аппарата.

Направление на космический аппарат с Земли может быть установлено с помощью модели прогнозирования его траектории, построенной по данным, полученным из радиопередач. Модель генерирует ожидаемый набор цифр, он сравнивается с фактическими данными. Разница между прогнозируемыми данными о местоположении и скорости и фактическим набором данных называется остаточной.

Всегда есть некоторая разница между тем, что предсказывает модель, и реальными измерениями; поэтому всегда есть некоторый остаток. Однако, если он мал, и распределение остатков является случайным (неслучайное распределение может указывать на некоторую силу, действующую на космический корабль, и которую модель не учитывает), то модель точна — и космический корабль идёт по курсу. И самое главное, мы знаем, где космический корабль будет находиться в любой момент времени в будущем. Мы также можем отправить команду на проведение манёвра.

Скорость и положение космического аппарата по его траектории сегодня вычисляется с невероятной точностью. По словам Зойберта, расстояние вычисляется с точностью 1-2 метра, а погрешность скорости по допплеровскому смещению — 0,01 мм в секунду, даже на расстоянии миллионы или миллиарды километров. Однако у системы есть существенный недостаток: космический аппарат зависит от сети Deep Space Network для навигации и, кроме того, зависит от двусторонней передачи данных.

К орбите Юпитера сигнал идёт 45 минут, и столько же обратно. За это время космический аппарат может переместиться на огромное расстояние. Например, межпланетная станция «Кассини-Гюйгенс» на пути к Сатурну достигла максимальной скорости более 100 000 километров в час относительно Солнца.


Устойчивое гексагональное облачное образование на северном полюсе Сатурна, сфотографированное аппаратом «Кассини-Гюйгенс». Изображение: NASA/JPL

Зойберт говорит, что на спутниках GPS установлены цезиевые и рубидиевые часы, которые приходится корректировать дважды в день. Поскольку спутники рядом, это не имеет большого значения, но в глубоком космосе другая ситуация. Сигнал до Марса идёт 20 минут, до Юпитера 45 минут, так что нужны часы с долгосрочной стабильностью.

Путешествия в глубокий космос

«Deep Space Atomic Clock — не просто эволюционное изменение производительности, это новый технологический рывок, — говорит Эрик Бёрт (Eric Burt), ведущий разработчик устройства. — Технология [атомные часы с ионной ловушкой] была впервые изобретена сорок или пятьдесят лет назад, но до сих пор её не использовали в космосе. С теоретической точки зрения атомной физики, ключевой вопрос в том, насколько сильно можно охладить ион. Мы выбрали конкретный ион, который очень слабо чувствителен к возмущениям окружающей среды».


Цезиевые атомные часы NIST-F2 в лаборатории физики Национального института стандартов и технологий. Источник: NASA

Атомные часы работают, измеряя частоту энергии, испускаемой атомом, когда он переходит из одного конкретного энергетического состояния в более низкое. Для любого энергетического состояния атома при таком переходе излучается фотон с очень точной частотой. Например, в цезиевых часах конкретный переход высвобождает фотон с частотой конкретно 9 192 631 770 Гц.

Атомы удерживаются в вакуумных камерах, но некоторые могут взаимодействовать со стенками камеры, что вызывает помехи. Для борьбы с этим в Deep Space Atomic Clock используются ионы ртути. Это атомы с электрическим зарядом, поэтому их можно удержать электромагнитным полем, устранив потенциальный источник нестабильности. Благодаря этому и другим достижениям в своей конструкции в DSAC стабильность частоты до 50 раз лучше, чем у атомных часов на спутниках GPS.

Удержание ионов в электромагнитном поле позволяет значительно уменьшить размеры, по сравнению с конструкцией вакуумной камеры. Атомные часы на Земле обычно размером с холодильник, а Deep Space Atomic Clock значительно меньше: примерно как крупный тостер.

Малый размер и низкое энергопотребление DSAC означают, что впервые появилась техническая возможность поставить атомные часы большой стабильности на борту космического аппарата. Прототип часов, который сейчас тестируется на околоземной орбите, потребляет всего 40 ватт (Джилл Зойберт говорит, что для следующей модели энергопотребление снизят до 30 ватт или меньше). Они могут надёжно работать в течение многих лет, не требуя коррекции с земли. Это открывает целый ряд новых возможностей с точки зрения навигации в глубоком космосе.

Переполненный Марс

«Если у вас космический аппарат с Deep Space Atomic Clock на борту, — говорит Зойберт, — он может сам собирать свои данные для навигации, поэтому нет необходимости отправлять их на Землю. Deep Space Network может передавать данные только одному космическому аппарату за раз, но слушает несколько космических аппаратов. Вы можете взять антенну, направить её на Марс — и любой космический аппарат на Марсе будет принимать эти радиосигналы. Марс становится всё более и более переполненным, верьте или нет — мы все хотим отслеживать данные во время критических событий миссии, но если вы просто транслируете сигнал на Марс [и вам не нужно слушать ответный сигнал конкретного аппарата], то их количество не имеет значения — мы просто транслируем сигнал на Марс».

Ещё одно интересное применение — создание систем позиционирования вроде GPS на поверхности Марса и других планет и спутников.

В целом, эксперимент с Deep Space Atomic Clock подготовит почву для создания инструментов, необходимых для более широкого исследования Солнечной системы беспилотными, а затем и пилотируемыми кораблями, считает NASA.