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航天科普:在太空飞翔的航天器,若何找到回家的路?

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在航天器进入太空后,太空天器天天有一项雷打不动的飞翔任务需要实施,那就是航的路不连续地确认自身与空中之间的距离有多远。

这是若何美女踢健身教练为了让空中把持中心更好地掌控航天器所处位置,不然在太空迷路可不是航天那末随便找到回家的路。

是科普以在地球外不雅的把持中心就会一向地向航天器发送旗子暗记(旗子暗记以光速传达),当航天器收到后,太空天器一样也会停止回答。飞翔

然后经由进程测量旗子暗记停止双向传递所需的航的路时辰,结合距离计算公式——速度乘以时辰,若何空中把持中心就可以计算返航天器的航天荷兰健身教练飞翔轨迹、所处位置及提高倾向。科普

看起来似乎挺复杂,太空天器但简化一下,真实和我们一样深刻生活特别很是相似。

假定你下班的处所距离你家有10分钟的步行路程,并且已知你1分钟可以走400米,那末你可以大年夜约计算出你家与公司之间的距离,当你从家中动身7分钟后,你就可以知道你距离公司还有多远。

而这个7分钟的时辰我们一样深刻是经由进程一样深刻运用的时钟来测量的。

不过航天器与空中把持中心之间的双向传递时辰却不是我们一样深刻运用的时钟可以也许精准测量的。

依照太空飞行规范,健身教练库尔勒用来计时的时钟必需具有特别很是好的静谧性,这个静谧性指的是时钟可以在确准时辰内延续准确测量一个时辰单位。比如说,它在几天甚至几周内对一秒长度的度量必需相同。

而我们而本大年夜多半时钟一样深刻都运用石英晶体震动器来计时。

这些振荡器运用石英晶体的“压电效应”,经由进程向其施加电压时,石英晶体会以切确的频率发生振动,而这个振动就相似新鲜的摆钟摆动,以此勾勒出时辰的萍踪。

惋惜石英钟并不是很静谧,即使是健身教练莹莹品行最好的石英振荡器,仅一个小时后,就会发生十亿分之一秒的误差,六周后,它们就能够会偏离整整一微秒

这关于测量快速移动的航天器位置将发生庞大年夜误差。

所以航天计时运用的是当今地球上最精准的时钟——原子钟

甚么是原子钟?

自上世纪五十年代以来,计时的黄金规范一向都是空中原子钟。

1948年世界第一台原子钟

在1967年,国际计量大年夜会经由进程了把原本基于天体宏不雅周期活动的时辰单位“秒”长定义改动为铯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个周期的延续时辰。

复杂来说,我们知道原子是健身教练玩法由被电子包抄的原子核(质子和中子)构成。

而这些盘绕原子核的电子并不静谧,假设遭到了相似微波情势的能量冲击,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)之间的激起能量是固定,多了不可,少了也不可,是以电子必需准确地接纳恰当的能量,才干完成跃迁,但幸而微波具有特定的频率

别的,使电子改动轨道(能级)所需的能量在每个元素中是独一的,并且关于全部宇宙来说都是分歧的。例如,使氢原子中的电子改动能级所需的频率对宇宙中每个氢原子都是相同的。

恰是由于原子中这些轨道(能级)之间的能量差特别很是准确且静谧,原子钟才可以到达远超石英钟的计时身手。

原子钟的“太空导航”

固然运用原子钟可以取得旗子暗记双向传递所需的精准时辰,但而今有个标题很为难。

这类双向传递旗子暗记的方法也就意味着航天器无论分开了地球多远,它都必需等候携带地球指令的旗子暗记超出无垠宇宙之间的超远距离传达过去后,再停止下一步举动。

这个场景可不是脑补出来的,在“猎奇号”航天器着陆火星之前,就发生了多么的状况,身处地球的把持中心收回的“确认着陆”旗子暗记经由了14分钟,“猎奇号”才收到了这个旗子暗记。

这类耽误属于平均等候时辰:依据的是地球和火星在太阳轨道上的位置。

并且这个标题不止为难,关于未来载人航天登录其他行星也会有比拟大年夜的影响。

是以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

这时辰间航天器只需要接纳来自空中把持中心发来的旗子暗记,下面的原子钟就能准确切时地取得旗子暗记传达所破费的时辰,然后,航天器上的宇航员就可以计算出自身的位置和轨迹,并一定在太空中的倾向。

实践上,航天器上装配原子钟并不是奇异事,而今的导航卫星(如中国的北斗卫星)上都装配了原子钟。

当我们运用手机上的导航软件时,卫星上的原子钟可以依据手机旗子暗记传递到卫星所需的时辰来计算我们在地球上的位置,再结合3D地图供应导航功用。

至于为甚么不消卫星上的原子钟,重要照样由于卫星上的原子钟静谧性不敷。虽然原子处于真空状况中,也照样能够会遭到诸如温度、磁场等外部成分的感染,招致频率误差

但深空原子钟运用的并非中性原子,而是自带电子的汞离子,多么一来,汞离子就会被“离子圈套”所维护,增添外界影响。

据NASA空中测试,汞离子深空原子钟的静谧性比GPS卫星的原子钟高50倍。

关于往往火星或其他行星等迢远目的地的义务,这类高精度的原子钟将束缚航天器,使太空自动导航成为能够。

也许在有生之年,人类真能登上火星。

由科普中国重新排版编辑



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