DONNER PARTY ПРИБЫВАЕТ В КАЛИФОРНИЮ, ЗАЯВЛЯЯ О ХОРОШЕЙ ПОГОДЕ И БЕЗОПАСНОМ ПУТЕШЕСТВИИ
Это могло бы быть заголовком, написанным осенью 1846 года, если бы Джордж и Джейкоб Доннер имели доступ к Глобальной системе позиционирования, высокоточной навигационной технологии, основанной на сигналах от массива спутников, находящихся на расстоянии около 12 500 миль (20 200 километров) над поверхностью Земли. К несчастью для братьев Доннер и их злополучной группы первопроходцев, GPS потребовалось еще 100 лет исследований и разработок, и им пришлось искать дорогу в Калифорнию, используя компасы, карты и дурные советы. В конце концов, их долгое путешествие превратилось в мучительный кошмар. Они попали в снег в горах Сьерра-Невада, где многие из их группы погибли, прежде чем спасатели смогли добраться до них весной.
Исследователи космоса могут столкнуться с подобными трагедиями, если не смогут найти надежный способ ориентироваться во время путешествия к далеким планетам и, возможно, к далеким звездам. GPS кажется логичным кандидатом для таких начинаний, но система работает только в том случае, если ваше путешествие ограничено земными пунктами назначения. Это потому, что 24 спутника, составляющие «созвездие» GPS, передают свои сигналы на Землю. Если вы находитесь ниже спутников и у вас есть приемник, способный обнаруживать сигналы, вы можете надежно определить свое местоположение. Круиз по поверхности планеты? Вы можете идти. Полеты на низкой околоземной орбите (НОО)? Ты выздоровел. Однако поднимитесь выше LEO, и ваш удобный GPS-приемник быстро окажется над созвездием спутников и, как следствие, больше не сможет записывать сигнал. Иными словами, спутники GPS передают сигнал только вниз, а не вверх.
Это не означает, что миссии за пределами Земли должны летать вслепую. Современные методы навигации используют сеть наземных станций слежения, которые смотрят вверх и в космос. Когда ракета покидает нашу планету и направляется к Марсу, Юпитеру или куда-то еще, наземные команды направляют радиоволны со станций слежения на корабль. Эти волны отскакивают от корабля и возвращаются на Землю, где инструменты измеряют время, которое потребовалось волнам, чтобы совершить путешествие, и изменение частоты, вызванное эффектом Доплера. Используя эту информацию, наземные службы могут рассчитать положение ракеты в космосе.
Теперь представьте, что вы хотите отправиться во внешние уголки Солнечной системы. Когда ваш космический корабль достигнет Плутона, вы будете на расстоянии 3 673 500 000 миль (5,9 миллиарда километров) от Земли. Радиосигналу, отправленному станцией слежения, потребуется 5,5 часов, чтобы добраться до вас, а затем еще 5,5 часов, чтобы добраться обратно (при условии, что волны распространяются со скоростью света), что затрудняет определение вашего точного местоположения. Путешествуйте еще дальше, и точность наземных систем слежения упадет еще больше. Очевидно, что лучшим решением было бы разместить на космическом корабле навигационный прибор, чтобы он мог самостоятельно вычислять свое положение. Вот где на помощь приходитпульсарная навигация, инновация Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
Навигация по нейтронным звездам
GPS использует точные измерения времени для расчетов. Каждый спутник GPS содержит атомные часы, и их время синхронизируется со временем приемника. Приемник может рассчитать дальность до спутника, умножив время, которое требуется сигналу от спутника, чтобы достичь приемника, на скорость сигнала, то есть скорость света. Если сигнал от спутника достигает приемника за 0,07 секунды, то радиус действия спутника составляет 13 020 миль (186 000 миль в секунду × 0,07 секунды).
Ракета могла бы производить аналогичные вычисления, если бы могла принимать сигналы времени, излучаемые чем-то в космосе. Как назло, во Вселенной есть немало очень точных устройств для измерения времени. Они известны какпульсары - быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие регулярные импульсы электромагнитного излучения. В какой-то момент своей жизни пульсар был большим и ярким. Затем он израсходовал свое ядерное топливо и погиб в результате мощного взрыва. Продуктом этого взрыва стал быстро вращающийся сильно намагниченный объект, полюса которого испускали мощные энергетические лучи. Теперь, когда мёртвая звезда вращается, лучи движутся вокруг, как маяк маяка. Наблюдатель на Земле не может видеть саму звезду, но он может видеть импульсы света, проходящие сквозь пространство.
Некоторые пульсары мигают каждые несколько секунд; другие моргают гораздо быстрее. В любом случае, они всегда пульсируют с постоянной частотой, что делает их полезными для сохранения времени. На самом деле, как устройства для измерения времени, пульсары соперничают с атомными часами с точки зрения их точности. В 1974 году ученый из Лаборатории реактивного движения Г. С. Даунс впервые предложил идею использования пульсаров для помощи космическим кораблям в навигации по космосу. Концепция осталась на бумаге, потому что ученые все еще недостаточно знали о загадочных звездах, а единственные доступные инструменты для обнаружения пульсаров - радиотелескопы - были огромными..
С годами эта область продвинулась вперед. Астрономы продолжали открывать пульсары и изучать их поведение. В 1982 году, например, ученые открыли первые миллисекундные пульсары с периодом менее 20 миллисекунд. А в 1983 году они обнаружили, что некоторые миллисекундные пульсары испускают сильные рентгеновские сигналы. Вся эта работа позволила перенести навигацию пульсаров с бумаги на практику.
Галактический GPS
Хотя GPS, который мы используем на Земле, бесполезен для межпланетных путешествий, его принципы применимы и к другим навигационным системам. На самом деле, использование пульсаров для ориентации в Солнечной системе во многом напоминает земной GPS:
- Во-первых, точно так же, как GPS-приемник триангулирует положение, используя данные с четырех или более спутников, вам нужно более одного пульсара, чтобы определить точное местоположение объекта в космосе. К счастью, за прошедшие годы астрономы обнаружили более 2000 пульсаров. Однако лучшими кандидатами для навигации являются стабильные пульсары, которые мигают и гаснут в миллисекундном диапазоне и излучают сильные рентгеновские сигналы. Даже с учетом этих ограничений остается ряд возможностей. Некоторые рассматриваемые пульсары включают J0437-4715, J1824-2452A, J1939+2134 и J2124-3358.
- Далее вам нужно что-то для обнаружения сигналов, излучаемых пульсарами. Это было бы эквивалентно приемнику GPS, но должно быть чувствительным к рентгеновскому излучению. В ряде обсерваторий есть рентгеновские телескопы, хотя они слишком велики, чтобы их можно было привязать к космическому кораблю. Детекторы следующего поколения, известные какприемники XNAV, будут намного меньше и их будет легко доставлять в космос.
- Наконец, вам нужны алгоритмы для выполнения всех необходимых вычислений. Группы ученых работали над математикой в течение нескольких лет, используя сложный набор уравнений для учета таких переменных, как неравномерность вращения пульсара и влияние внешних явлений - гравитационных волн или плазмы - на распространение волн. Хотя математика сложна, основная идея та же, что и у наземного GPS: приемник XNAV будет обнаруживать сигналы от четырех или более пульсаров. Каждый сигнал будет иметь точную временную метку, позволяющую компьютеру рассчитывать изменения по мере того, как космический корабль будет удаляться от одних пульсаров и приближаться к другим.
Последним препятствием, конечно же, является проверка теории, чтобы увидеть, верна ли она. Это будет одной из ключевых целей миссии НАСА NICER/SEXTANT. NICER/SEXTANTрасшифровывается какИсследователь внутреннего состава нейтронной звезды/Исследователь станции для рентгеновской синхронизации и навигационной технологии, который описывает инструмент, состоящий из 56 Рентгеновские телескопы собраны в массив размером с мини-холодильник. Этот прибор, который планируется запустить на Международной космической станции в 2017 году, будет делать две вещи: изучать нейтронные звезды, чтобы узнать о них больше, и служить доказательством концепции навигации по пульсарам.
Если миссия NICER/SEXTANT будет успешной, мы будем на шаг ближе к автономной межпланетной навигации. И, возможно, у нас будут технологии, чтобы избежать космической катастрофы, подобной Доннеру. Заблудиться на краю Солнечной системы, в миллиардах миль от Земли, кажется чуть более пугающим, чем блуждать по проторенной дороге по пути в Калифорнию.
Примечание автора: как GPS используется в космическом полете?
Помните «Затерянные в космосе», манерное научно-фантастическое телешоу, которое транслировалось в конце 1960-х годов? Я смотрел его в повторах в 70-х и любил каждую минуту. Тогда казалось крутым потеряться в космосе. Сейчас, с некоторого ракурса, это кажется совершенно ужасающим. Если навигация по пульсарам станет реальностью, по крайней мере, этот аспект космического полета - поиск своего пути - станет менее пугающим.