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如何引导机器人飞船穿越外太空?NASA 仅凭 X 射线

如何引导机器人飞船穿越外太空?NASA 仅凭 X 射线

X 射线,又称伦琴射线,由德国物理学家 WK 伦琴于 1895 年发现。X 射线具有很高的穿透本领,能透过许多对可见光不透明的物质,如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的萤光,使照相底片感光以及空气电离等效应。

从目前的技术手段,人类无法到达外太空,因此科学家藉助 X 光线、红外线和其他观测手段进行研究。现在,NASA 就希望用 X 射线导航来引导机器人太空船穿越外太空。

如何引导机器人飞船穿越外太空?NASA 仅凭 X 射线

NICER 会将 X 射线集中到硅探测器,收集探测中子星内部组成的数据,包括经常出现的脉冲星。

NASA 太空中展示了完全自主的 X 射线导航,这种技术可以将无人驾驶的飞行器引导到太阳系及更远的地方。

这个团队的展示,进行名叫 SEXTANT(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology)的实验,显示毫秒脉冲星(旋转的中子星),可在太空定位一个以时速数千英里移动的物体──有点类似太空版的全球定位系统 GPS。

NASA 航太技术专家 Jason Mitchell 介绍,这是第一次在太空完全自主展示 X 射线导航。这项技术为深空导航提供了一个新选择,可与现有的太空无线电和光学系统合作。

不过,可能还需要几年的时间来完善用于深空一号的 X 射线导航系统。

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动画显示 NICER 如何扫描天空。

这项展示利用 52 个 X 射线望远镜和硅飘移探测器,这些探测器构成 NASA 的中子星内部成分探测器(NICER)。这是一个由该机构于 2017 年 6 月发射用于研究中子星,洗衣机大小的太空船。

展示中,研究小组选择了 4 个毫秒脉冲星(每秒旋转上百次的脉冲星)目标──J0218+4232、b1821-24、J0030+0451 和 j04347-4715,来让 NICER 帮自己定位,这样它就可以光束探测 X 射线。NICER 使用的毫秒脉冲星非常稳定,脉冲到达时间未来数年预计可精确到微秒。

为期两天的实验中,该装备产生了 78 次测量以获得时间数据,SEXTANT 的实验将其送入特别开发的机载演算法,生成一个导航解决方案,可显示 NICER 的位置。该团队将该解决方案与由 NICER 机载 GPS 接收器收集的位置数据进行比较。

「为了让这个测量有意义,我们需要开发一种模型,利用我们的合作者在世界各地的射电望远镜提供​​的地面观测,来预测到达时间,」美国海军研究实验室的 SEXTANT 研究员保罗‧雷说。「测量和模型预测之间的差异将提供导航讯息给我们。」

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NICER 在国际太空站的工作。

测试目标是为了证明,这个系统可在半径 10 英里的範围内找到 NICER 位置,与此同时,太空站以时速 17,500 英里运行。

Mitchell 说,在 11 月 9 日开始试验的 8 小时内,该系统在 10 英里的目标範围内聚集,并在实验剩余时间内保持低于这个阈值的位置。事实上,数据「很大一部分」显示精确到 3 英里以内位置。

儘管 GPS 系统对地球用户可精确到几英尺距离,但在太阳系外的遥远距离时,却不需要这种精确度。Mitchell 说:「深空中,我们希望精準度能达到数百英尺範围。」

SEXTANT 系统设计师 Luke Winternitz 说,未来该团队将专注于更新飞行和地面软体,为 2018 年稍晚的第二次实验做準备。最终的目标可能需要几年时间才能实现,就是开发探测器和其他硬体,使基于脉冲的导航能在未来的太空船随时使用。为此,团队努力减小仪器的尺寸、重量和功率要求,并提高灵敏度。

此外,Mitchell 表示,SEXTANT 团队也在讨论 X 射线导航支援人类飞行的可能性。

例如,如果到木星(或土星)卫星的星际任务装备有这样的导航装置,就能自动计算出位置,并在很长一段时间内不与地球通讯,相比之下,在这样的空间里 GPS 将无能为力。

这次展示证明 X 射线脉冲星导航在太阳系深空探测的可行性,未来,技术的进步将让我们深入更遥远的外太空。

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