Кто ты? Путешественник... где ты? Снаружи... куда ты идешь? Отправляйтесь в отдаленное место... Столкнувшись с тремя вопросами души, если человек, дающий эти ответы, является личностью, то в этом нет ничего страшного. Кто не был растерян и не бунтовал? Но если бы на этот вопрос ответил бы такой космический корабль... учёные на земле сошли бы с ума на месте.

Если вы хотите исследовать звезды и море, знание своего местоположения в любое время является основной темой. Однако это легче сказать, чем сделать. Давайте кратко поговорим об этом дальше.

Путешественник. Источник: НАСА

Как найти «Север» в космосе?

Давайте представим себе такой эксперимент: в вашей гостиной плотно задерните шторы так, чтобы вы не могли видеть свои пальцы. Затем ведущий в очках ночного видения берет вас за руку и делает несколько шагов влево, несколько шагов вправо, а затем несколько раз оборачивается в комнате. Короче говоря, это случайное упражнение, призванное полностью оглушить вас.

В настоящее время, если вас попросят указать ваше местоположение и указать направление на дверь, сможете ли вы это сделать? Как насчет того, чтобы сказать «полное головокружение и неспособность найти север»?

В это время я увидел, как хозяин положил на стол флуоресцентный шар с очень слабым светом, который мог осветить лишь небольшой участок стола, и сказал: «Это ваш обеденный стол». Можем ли мы сразу указать направление двери? Боюсь, это все равно не сработает, потому что по одной этой отметке у нас все еще нет возможности узнать, где мы находимся.

Теперь ведущий достает флуоресцентный шарик и говорит: «Тот маленький диванчик, на котором ты любишь сидеть, здесь». В это время наши навыки навигации будут немедленно активированы, и мы сможем указать расположение каждой мебели в доме.

Используя эти два маленьких огонька в качестве ориентира, мы могли даже пройти к двери задом наперед. Это связано с тем, что в таком месте, как комната, которую можно упростить до плоской карты, мы можем определить свое положение с помощью двух четких эталонных объектов.

Итак, вопрос в том, как детектор, путешествующий в нетронутом пространстве, узнает свое положение и ориентацию?кто я? Где я? Куда я иду?

Когда космический корабль определяет свое положение, это похоже на то, как мы это делаем в маленькой темной комнате, за исключением того, что его сложнее определить в огромном трехмерном пространстве. Если он хочет точно достичь пункта назначения, ему необходимо предоставить достаточное количество четких ориентиров, чтобы он мог судить о своем положении, положении и направлении полета.

Только глядя в сторону дома, можно бежать вдаль.

Примером может служить знаменитый зонд «Вояджер-2». Он оснащен солнечным датчиком и трекером Canopus и всегда контролирует положение Солнца и Канопуса, второй по яркости звезды на небе. Используя эти две звезды в качестве ориентира, путешественники могут двигаться вперед «до конца назад», чтобы исследовать Солнечную систему и необъятный космос.

Вы можете спросить: зачем нам отслеживать вторую по яркости звезду? Почему бы не выбрать Сириуса номер один? Поскольку Сириус находится слишком близко к эклиптике, путь света легко нарушается бликами со стороны Солнца. Канопус находится достаточно далеко от Солнца и является идеальным ориентиром для ориентации.

В эпоху разработки «Вояджера» каждая программа и каждый кусочек памяти были драгоценны. Его метод определения «то, что появляется в трекере, — это Канопус» был еще очень примитивным и заключался в измерении яркости звезды и отправке ее обратно на Землю для подтверждения: «Ну вот и все, продолжайте смотреть на нее».

Вдумчивые читатели скажут: стоп здесь: погодите! Вы сказали, что путешественники отправили данные о яркости обратно на Землю для подтверждения? Но поскольку то, что появляется в трекере, не обязательно является Канопусом, а антенна детектора не может быть направлена ​​на Землю, как можно гарантировать, что Земля сможет принимать данные?

Ученые также очень осторожны в своих размышлениях. Они попросили путешественников использовать расходящиеся антенны с низким коэффициентом усиления для связи с Землей вместо антенн с высоким коэффициентом усиления для направленной передачи в течение первых 80 дней миссии. В это время зонд улетел недалеко, поэтому даже если он не полностью обращен к Земле, проблем со связью между двумя сторонами нет.

Сегодня, когда память не имеет ценности, люди хранят в детекторе спектральные данные многих ярких звезд и позволяют ему делать собственные выводы на основе яркости и спектра.

Некоторые производители звездных трекеров даже помещают в базы данных угловые расстояния между парами ярких звезд. Поскольку положения ярких звезд очень случайны, данные о расстоянии до каждой из них уникальны и очень надежны.

Например, трекер видит две яркие звезды, разделенные расстоянием 27,1045°. Когда вы проверите их в библиотеке, вы сразу сможете определить, что это Сириус и Бетельгейзе. После быстрого установления личности двух сторон вы сможете измерить спектр или найти другую звезду для сравнения и определить, кто Сириус, а кто Бетельгейзе.

"Вояджер-2" действительно затерялся...

Итак, что произойдет, если космический корабль летит и внезапно потеряет представление о том, где он находится? Одна из возможностей заключается в том, что они отклонились от курса и уносились прочь, пока не потерялись, и тогда некоторые космические корабли можно было бы спасти.

Например, не так давно чуть не затерялся легендарный зонд «Вояджер-2», летавший в космосе 46 лет. 21 июля НАСА отправило «Вояджеру-2» несколько инструкций, но в них была ошибка, из-за которой его антенна, направленная на Землю, отклонялась на 2°. В чем заключается концепция 2°?

Если вы какое-то время держите руки ровно, они обязательно начнут трястись, когда вы устанете. Используя плечи в качестве оси, ваши руки будут смещаться вверх и вниз на 1–2°. В это время кончики пальцев сместятся всего на сантиметр-два. Это потому, что руки взрослых имеют длину всего полметра.

Однако «Вояджер-2» пролетел на расстояние 20 миллиардов километров. Это небольшое угловое отклонение в 2° приведет к тому, что центр его сигнального луча отклонится от Земли на 700 миллионов километров — Земля находится всего в 150 миллионах километров от Солнца! Так называемая «малейшая ошибка может совершить тысячу миль», настолько подходит это предложение Вселенной. В результате «Вояджер-2» потерял связь.

Ученые на Земле с сожалением хлопали себя по бедрам, пытаясь вернуть его.

1 августа они обнаружили, что сеть исследования дальнего космоса, которая общается с путешественниками, все еще может уловить след несущего сигнала «Я еще жив». 3 августа ученые использовали восходящий канал S-диапазона мощностью 100 киловатт сети исследования глубокого космоса в Канберре, чтобы «кричать» в направлении «Вояджера-2»:«Тебе стоит повернуть голову~»

Антенна Deep Space Network в Канберре. Источник: НАСА

Хотя сигнал, посланный «Вояджером-2», отклонился от Земли, Земля не смогла ошибиться в своем положении, и рев поразил ее без всякого смещения. Хоть он и наклонил голову, он все равно услышал это. Через 37 часов после подачи команды Земля снова получила нормальный сигнал от «Вояджера-2», и люди действительно нашли его обратно.

Если этот крик не сработает, «Вояджер-2» будет потерян навсегда? На самом деле, вероятность возвращения все еще довольно высока, поскольку время от времени он корректирует свое положение и выравнивает свою антенну с Землей. Только что прошедшее 15 октября было таким днем ​​в плане, но лучше было его не упустить...

Точная настройка обязательна

Космическому кораблю важно знать, где он находится, а также важно знать и иметь возможность корректировать свое положение. Предположим, спутник, с помощью которого фотографировали земную поверхность, перевернут, сами того не подозревая, то все будет напрасно. К счастью, с развитием науки и техники у нас нет недостатка в технологиях космического позиционирования и определения ориентации.

Например, кратковременные изменения курса, положения или скорости космического корабля можно обнаружить с помощью гироскопов и акселерометров. Гироскопы используют принцип сохранения углового момента для определения изменений направления, а акселерометры — для определения изменений скорости.

Точно так же, как гениальный мальчик, которого похитили грабители в фильме, он может с завязанными глазами определить, сколько поворотов сделала машина (гироскоп) и сколько огней она ждала (акселерометр). После этого он сможет привести полицию к логову грабителя.

Ориентация звезды, упомянутая много раз ранее, не только позволяет космическому кораблю знать, где он находится, но также позволяет космическому кораблю знать свое текущее положение.

Точно так же, как когда мы находимся в своей комнате, даже без учета гравитации, когда мы смотрим на потолок перед собой, поставив ноги лицом к стене, а головой к другой стене, мы знаем, что лежим ровно. Поняв свое положение, космический корабль может указать, где проводить наблюдения.

Например, Hubble Deep Field был синтезирован после получения 342 изображений участка неба размером всего 2,6 угловых минут в Большой Медведице, в то время как телескоп «Кеплер» фиксировал взгляд между созвездиями Лебедя и Лиры.

Зона наблюдения телескопа Кеплер. Источник изображения НАСА

Космические аппараты, такие как спутники связи и метеорологические спутники, летающие вблизи Земли, которым необходимо постоянно быть обращены к Земле, также должны разворачиваться каждый раз, когда они совершают оборот вокруг Земли.

Помимо отслеживания звезд или использования гироскопов для определения ориентации, есть несколько недорогих и надежных методов. Например, инфракрасный горизонт может быстро воспринимать круговой контур Земли, сравнивая инфракрасное излучение земной атмосферы с холодным космосом, при этом центром круга является Земля непосредственно под космическим кораблем.

Прибор инфракрасного горизонта получает контур Земли, наблюдая за резким подъемом и спадом инфракрасного излучения, и определяет свое собственное положение. Спутник пролетает над Сианем. Принципиальная схема, созданная автором

У вас еще могут возникнуть вопросы по поводу отслеживания звезд: звезды распределены в трехмерном пространстве, а не закреплены на сфере. Как может положение звезд оставаться неизменным даже на сферической поверхности, когда космический корабль летит в космосе? Как я могу проверить это в базе данных?

Это потому, что звезды находятся так далеко, что даже самые близкие к намПроксима Центавра находится на расстоянии 4,22 световых лет от нас..

«Вояджер-2» упорно летал уже 46 лет и только что преодолел одну двухтысячную расстояния до Проксимы Центавра! Это все равно, что поместить нас в центр круга радиусом два метра, попросить сдвинуть его на один миллиметр за 46 лет и спросить, чувствуем ли мы какие-либо изменения. В глазах космического корабля, за исключением Солнца, положение звезд почти не менялось.

Но если наш космический корабль будет иметь вечную жизнь или мы просто прилетим на «блуждающую землю» и продолжим летать и наблюдать, путешествуя среди звезд, то положение звезд в наших глазах постепенно изменится, а привычные созвездия тоже потеряют форму, и существующие методы определения ориентации окажутся неэффективными.

Конечно, есть два решения. Один из них — использовать в качестве эталона более далекие галактики. Они находятся на расстоянии десятков миллионов световых лет от нас, имеют более крупные масштабы и, следовательно, более стабильны.

Второй — использовать больше информации о звездах, включая не только ориентацию, но и расстояние, собственное движение и т. д., чтобы космический корабль мог рассчитать, как изменится ориентация опорной звезды, когда она полетит туда, куда летит. Для этого нам нужно очень точно измерить расстояние до звезд.

Подвести итог

Для космического корабля важно знать свое положение и положение, для чего требуется эталонный объект, а наиболее часто используемый эталонный объект — звезда. По мере того как люди продолжают двигаться к морю звезд, наши звездные карты, несомненно, будут становиться все более точными и большими, помогая большему количеству космических кораблей летать в отдаленные места.

Планирование и производство

Автор 丨Цюй Цзюн Создатель научно-популярной литературы

Обзор: Лю Юн, исследователь Национального центра космических наук Китайской академии наук.

Планирование丨Дин Ао

Редактор 丨 Бай Ли