NASA的深空原子鐘將前往近地軌道進(jìn)行為期一年的測設 來(lái)源：英國《科學(xué)新聞》網(wǎng)站

你想過(guò)嗎？有朝一日，遨游太陽(yáng)系可能會(huì )像搭乘公共汽車(chē)上班一樣容易——自動(dòng)駕駛宇宙飛船運送宇航員穿越深空，類(lèi)似GPS的定位系統將引導游客在其他行星和衛星表面穿越各種地形。但要實(shí)現這些充滿(mǎn)未來(lái)感的導航計劃，航天器和衛星需要配備計時(shí)精度極高的時(shí)鐘，這就是美國國家航空航天局（NASA）的深空原子鐘。

據英國《科學(xué)新聞》周刊網(wǎng)站近日報道，一個(gè)深空原子鐘樣本于24日試飛，有望成為有史以來(lái)最穩定的太空原子鐘。該項目首席研究員、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的伊爾·舒伯特在新聞發(fā)布會(huì )上說(shuō)，這種迷你原子鐘將安裝在未來(lái)的宇宙飛船或衛星上，可能“徹底改變我們的航天器在深空的導航方式”。

新原子鐘為何這么靠譜

據悉，NASA的深空原子鐘對每一秒計量的一致程度大約是GPS衛星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬(wàn)年才會(huì )出現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。地面原子鐘利用無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)與整個(gè)太陽(yáng)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？該項目研究員、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的托德·埃利解釋說(shuō)，這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來(lái)計時(shí)，而目前地球GPS衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來(lái)計時(shí)。由于深空原子鐘內部的汞原子帶有電荷，它們會(huì )被困在電場(chǎng)中，因而無(wú)法與其容器壁相互作用；相比之下，GPS原子鐘內部的這種相互作用會(huì )導致銣原子失去節奏。

GPS衛星時(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(shuō)：“如果你有深空原子鐘，那么每天兩次（修正）可能會(huì )變成數周一次，甚至數月一次?！?/span>

從雙向中繼變單向導航

那么，深空原子鐘最大的作用是什么？研究人員稱(chēng)，主要是幫助航天器實(shí)現自主導航。舒伯特說(shuō)：“今天探索深空的每一臺航天器都依賴(lài)在地球上進(jìn)行的導航操作?！?/span>

他解釋道，地面天線(xiàn)通過(guò)雙向中繼系統（two-way relay system）向航天器發(fā)送信號，然后航天器把信號發(fā)射回來(lái)。通過(guò)測量信號的往返時(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。這種導航方法意味著(zhù)，無(wú)論太空探索任務(wù)在太陽(yáng)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(lái)自地球的行進(jìn)指令，才能繼續前行。但是有了深空原子鐘，“我們可以過(guò)渡到所謂的單向追蹤”。宇宙飛船將用其來(lái)測量追蹤信號從地球抵達飛船所需的時(shí)間，而無(wú)需將信號發(fā)回地面的原子鐘進(jìn)行測量，這將使航天器能夠判斷自己的軌道。

能自我定位、自主導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(yáng)系。埃利說(shuō)：“在火星這樣的地方，（追蹤信號）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)?！?/span>

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

在其他星球上，探測器可利用其攜帶的深空原子鐘來(lái)廣播帶有精確時(shí)間標記的信號，任何GPS地面接收器都可以利用這些信號，通過(guò)三角測量法確定它的位置。另外，攜帶深空原子鐘的多個(gè)航天器可以圍繞火星運行，創(chuàng )建出一個(gè)類(lèi)似GPS的網(wǎng)絡(luò )，為火星上的探測車(chē)和宇航員指示方向。

進(jìn)行為期一年的測試

這個(gè)原子鐘樣本從NASA位于美國佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發(fā)射。研究人員將對其在近地軌道的表現進(jìn)行為期一年的監測，以測試這臺原子鐘在太空中的穩定性及其一整年的運行情況。埃利說(shuō)：“我們的目標是每天誤差為2納秒左右，或者不到2納秒?！?/span>

舒伯特表示，如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進(jìn)展順利，那么它最早在本世紀30年代就可以開(kāi)始執行任務(wù)，能為未來(lái)的單向導航打好基礎。宇航員將可以用其在月球表面進(jìn)行導航，也可以安全地自主執行任務(wù)，前往火星以及更遠的深空。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)。