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在太空飞行的航天器,如何找到回家的路?

2022年08月17日 21:24   来源: 科普中国

在航天器进入太空后,每天有一项雷打不动的工作需要执行,那就是不间断地确认自身与地面之间的距离有多远。

这是为了让地面控制中心更好地掌握航天器所处位置,不然在太空迷路可不是那么容易找到回家的路。

因此在地球表面的控制中心就会不停地向航天器发送信号(信号以光速传播),当航天器收到后,同样也会进行回复。

然后通过测量信号进行双向传递所需的时间,结合距离计算公式——速度乘以时间,地面控制中心就可以计算出航天器的飞行轨迹、所处位置及前进方向。

看起来好像挺复杂,但简化一下,其实和我们日常生活非常相似。

假设你上班的地方距离你家有10分钟的步行路程,并且已知你1分钟可以走400米,那么你可以大约计算出你家与公司之间的距离,当你从家中出发7分钟后,你就可以知道你距离公司还有多远。

而这个7分钟的时间我们一般是通过日常使用的时钟来测量的。

不过航天器与地面控制中心之间的双向传递时间却不是我们日常使用的时钟能够精准测量的。

依照太空航行标准,用来计时的时钟必须具有非常好的稳定性,这个稳定性指的是时钟可以在一定时间内持续准确测量一个时间单位。比如说,它在几天甚至几周内对一秒长度的度量必须相同。

而我们目前大多数时钟一般都使用石英晶体震荡器来计时。

这些振荡器利用石英晶体的“压电效应”,通过向其施加电压时,石英晶体会以精确的频率产生振动,而这个振动就类似古老的摆钟摆动,以此勾勒出时间的足迹。

可惜石英钟并不是很稳定,即使是品质最好的石英振荡器,仅一个小时后,就会产生十亿分之一秒的误差,六周后,它们就可能会偏离整整一微秒。

这对于测量快速移动的航天器位置将产生巨大误差。

所以航天计时使用的是现今地球上最精准的时钟——原子钟。

什么是原子钟?

自上世纪五十年代以来,计时的黄金标准一直都是地面原子钟。

1948年世界第一台原子钟

在1967年,国际计量大会通过了把原来基于天体宏观周期运动的时间单位“秒”长定义改变为铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

简单来说,我们知道原子是由被电子包围的原子核(质子和中子)组成。

而这些环绕原子核的电子并不稳定,如果受到了类似微波形式的能量冲击,这些电子就会上升到原子核周围更高的轨道(能级)。

不过,两个轨道(能级)之间的激发能量是固定,多了不行,少了也不行,因此电子必须准确地接受适量的能量,才能完成跃迁,但幸好微波具有特定的频率。

另外,使电子改变轨道(能级)所需的能量在每个元素中是唯一的,并且对于整个宇宙来说都是一致的。例如,使氢原子中的电子改变能级所需的频率对宇宙中每个氢原子都是相同的。

正是由于原子中这些轨道(能级)之间的能量差非常准确且稳定,原子钟才可以达到远超石英钟的计时能力。

原子钟的“太空导航”

虽然利用原子钟可以得到信号双向传递所需的精准时间,但目前有个问题很尴尬。

这种双向传递信号的方式也就意味着航天器无论离开了地球多远,它都必须等待携带地球指令的信号越过无垠宇宙之间的超远距离传达过来后,再进行下一步行动。

这个场景可不是脑补出来的,在“好奇号”航天器着陆火星之前,就发生了这样的情况,身处地球的控制中心发出的“确认着陆”信号经过了14分钟,“好奇号”才收到了这个信号。

这种延迟属于平均等待时间:依据的是地球和火星在太阳轨道上的位置。

并且这个问题不止尴尬,对于未来载人航天登录其他行星也会有比较大的影响。

因此NASA实验了一种方法:将原子钟直接装在航天器上,也称为深空原子钟。

这时候航天器只需要接收来自地面控制中心发来的信号,上面的原子钟就能准确及时地得到信号传达所花费的时间,然后,航天器上的宇航员就可以计算出自己的位置和轨迹,并确定在太空中的方向。

实际上,航天器上安装原子钟并不是新鲜事,现在的导航卫星(如中国的北斗卫星)上都装置了原子钟。

当我们使用手机上的导航软件时,卫星上的原子钟可以根据手机信号传递到卫星所需的时间来计算我们在地球上的位置,再结合3D地图提供导航功能。

至于为什么不用卫星上的原子钟,主要还是因为卫星上的原子钟稳定性不够。尽管原子处于真空环境中,也还是可能会受到诸如温度、磁场等外部因素的作用,导致频率误差。

但深空原子钟使用的并非中性原子,而是自带电子的汞离子,这样一来,汞离子就会被“离子陷阱”所保护,减少外界影响。

据NASA地面测试,汞离子深空原子钟的稳定性比GPS卫星的原子钟高50倍。

对于去往火星或其他行星等遥远目的地的任务,这种高精度的原子钟将解放航天器,使太空自动导航成为可能。

或许在有生之年,人类真能登上火星。

编辑:李娜   审核:钱洪涛   终审:于衍来

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