如何引導機器人飛船穿越外太空?NASA 僅憑 X 射線

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 19 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly

X 射線,又稱倫琴射線,由德國物理學家 WK 倫琴於 1895 年發現。X 射線具有很高的穿透本領,能透過許多對可見光不透明的物質,如墨紙、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的螢光,使照相底片感光以及空氣電離等效應。



從目前的技術手段,人類無法到達外太空,因此科學家藉助 X 光線、紅外線和其他觀測手段進行研究。現在,NASA 就希望用 X 射線導航來引導機器人太空船穿越外太空。

▲ NICER 會將 X 射線集中到矽探測器,收集探測中子星內部組成的數據,包括經常出現的脈衝星。(Source:NASA

NASA 太空中展示了完全自主的 X 射線導航,這種技術可以將無人駕駛的飛行器引導到太陽系及更遠的地方。

這個團隊的展示,進行名叫 SEXTANT(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)的實驗,顯示毫秒脈衝星(旋轉的中子星),可在太空定位一個以時速數千英里移動的物體──有點類似太空版的全球定位系統 GPS。

NASA 航太技術專家 Jason Mitchell 介紹,這是第一次在太空完全自主展示 X 射線導航。這項技術為深空導航提供了一個新選擇,可與現有的太空無線電和光學系統合作。

不過,可能還需要幾年的時間來完善用於深空一號的 X 射線導航系統。

▲ 動畫顯示 NICER 如何掃描天空。(Source:NASA

這項展示利用 52 個 X 射線望遠鏡和矽飄移探測器,這些探測器構成 NASA 的中子星內部成分探測器(NICER)。這是一個由該機構於 2017 年 6 月發射用於研究中子星,洗衣機大小的太空船。

展示中,研究小組選擇了 4 個毫秒脈衝星(每秒旋轉上百次的脈衝星)目標──J0218+4232、b1821-24、J0030+0451 和 j04347-4715,來讓 NICER 幫自己定位,這樣它就可以光束探測 X 射線。NICER 使用的毫秒脈衝星非常穩定,脈衝到達時間未來數年預計可精確到微秒。

為期兩天的實驗中,該裝備產生了 78 次測量以獲得時間數據,SEXTANT 的實驗將其送入特別開發的機載演算法,生成一個導航解決方案,可顯示 NICER 的位置。該團隊將該解決方案與由 NICER 機載 GPS 接收器收集的位置數據進行比較。

「為了讓這個測量有意義,我們需要開發一種模型,利用我們的合作者在世界各地的射電望遠鏡提供​​的地面觀測,來預測到達時間,」美國海軍研究實驗室的 SEXTANT 研究員保羅‧雷說。「測量和模型預測之間的差異將提供導航訊息給我們。」

▲ NICER 在國際太空站的工作。(Source:NASA

測試目標是為了證明,這個系統可在半徑 10 英里的範圍內找到 NICER 位置,與此同時,太空站以時速 17,500 英里運行。

Mitchell 說,在 11 月 9 日開始試驗的 8 小時內,該系統在 10 英里的目標範圍內聚集,並在實驗剩餘時間內保持低於這個閾值的位置。事實上,數據「很大一部分」顯示精確到 3 英里以內位置。

儘管 GPS 系統對地球用戶可精確到幾英尺距離,但在太陽系外的遙遠距離時,卻不需要這種精確度。Mitchell 說:「深空中,我們希望精準度能達到數百英尺範圍。」

SEXTANT 系統設計師 Luke Winternitz 說,未來該團隊將專注於更新飛行和地面軟體,為 2018 年稍晚的第二次實驗做準備。最終的目標可能需要幾年時間才能實現,就是開發探測器和其他硬體,使基於脈衝的導航能在未來的太空船隨時使用。為此,團隊努力減小儀器的尺寸、重量和功率要求,並提高靈敏度。

此外,Mitchell 表示,SEXTANT 團隊也在討論 X 射線導航支援人類飛行的可能性。

例如,如果到木星(或土星)衛星的星際任務裝備有這樣的導航裝置,就能自動計算出位置,並在很長一段時間內不與地球通訊,相比之下,在這樣的空間裡 GPS 將無能為力。

這次展示證明 X 射線脈衝星導航在太陽系深空探測的可行性,未來,技術的進步將讓我們深入更遙遠的外太空。

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:NASA

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