NASA-teamet demonstrerede først røntgennavigation i rummet

I en teknologi først, et team af NASA-ingeniører har demonstreret fuldt autonom røntgennavigation i rummet-en kapacitet, der i fremtiden kan revolutionere NASAs evne til at styre robotfartøjer til solsystemets fjernområder og videre.

Demonstrationen, som teamet udførte med et eksperiment kaldet Station Explorer for røntgentiming og navigationsteknologi, eller SEXTANT, viste, at millisekundpulsarer kunne bruges til nøjagtigt at bestemme placeringen af ​​et objekt, der bevæger sig i tusindvis af miles i timen i rummet - svarende til hvordan Global Positioning System, almindeligt kendt som GPS, giver positionering, navigation, og timing -tjenester til brugere på Jorden med sin konstellation af 24 driftssatellitter.

"Denne demonstration er et gennembrud for fremtidig udforskning af dybe rum, "sagde SEXTANT projektleder Jason Mitchell, en rumfartsteknolog ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Som den første til at demonstrere røntgennavigation fuldt ud autonomt og i realtid i rummet, vi fører nu vejen. "

Denne teknologi giver en ny mulighed for dyb rumnavigation, der kan fungere sammen med eksisterende rumfartøjsbaserede radio- og optiske systemer.

Selvom det kan tage et par år at modne et røntgennavigationssystem, der er praktisk til brug på rumfartøjer i dybt rum, det faktum, at NASA -ingeniører beviste, at det kunne lade sig gøre, lover godt for fremtidige interplanetære rumrejser. Et sådant system giver rumfartøjer en ny mulighed for autonomt at bestemme deres placeringer uden for de i øjeblikket anvendte jordbaserede globale navigationsnetværk, fordi pulsarer er tilgængelige i stort set alle tænkelige flyveregimer, fra lavjord til dybeste rum.

Udnytter NICER -teleskoper

SEXTANT teknologidemonstrationen, som NASA's Space Technology Mission Directorate havde finansieret under sit Game Changing Program, udnyttede de 52 røntgenteleskoper og siliciumdriftdetektorer, der udgør NASAs neutronstjerne Interior Composition Explorer, eller NICER. Siden dens succesfulde implementering som en ekstern tilknyttet nyttelast på den internationale rumstation i juni, den har trænet sin optik på nogle af de mest usædvanlige objekter i universet.

"Vi laver meget cool videnskab og bruger rumstationen som en platform til at udføre den videnskab, hvilket igen muliggør røntgennavigation, "sagde Goddards Keith Gendreau, hovedforsker for NICER, der præsenterede resultaterne torsdag, 11. januar, ved American Astronomical Society -mødet i Washington. "Teknologien vil hjælpe menneskeheden med at navigere og udforske galaksen."

NICER, et observatorium om størrelsen på en vaskemaskine, studerer i øjeblikket neutronstjerner og deres hurtigt pulserende kohorte, kaldet pulsarer. Selvom disse stjernemærkigheder udsender stråling på tværs af det elektromagnetiske spektrum, at observere i røntgenbåndet giver den største indsigt i disse usædvanlige, utroligt tætte himmellegemer, hvilken, hvis den komprimeres yderligere, ville falde helt sammen i sorte huller. Blot en teskefuld neutronstjernemateriale ville veje en milliard tons på Jorden.

Selvom NICER studerer alle typer neutronstjerner, SEXTANT -eksperimentet er fokuseret på observationer af pulsarer. Stråling fra deres kraftfulde magnetfelter fejes rundt som et fyrtårn. De smalle stråler ses som lysglimt, når de fejer hen over vores sigtelinje. Med disse forudsigelige pulsationer, pulsarer kan levere tidsoplysninger med høj præcision svarende til atomurets signaler, der leveres via GPS-systemet.

Veteran's Day demonstration

I SEXTANT -demonstrationen, der fandt sted over Veteran's Day -ferien i 2017, SEXTANT -teamet valgte fire millisekunder pulsar -mål - J0218+4232, B1821-24, J0030+0451, og J0437-4715-og instruerede NICER om at orientere sig, så den kunne detektere røntgenstråler inden for deres fejende lysstråler. De millisekund pulsarer, der bruges af SEXTANT, er så stabile, at deres ankomsttid for puls kan forudsiges til nøjagtigheder i mikrosekunder i årevis frem i tiden.

Under det to dage lange forsøg, nyttelasten genererede 78 målinger for at få timingdata, som SEXTANT -eksperimentet førte ind i sine specielt udviklede indbyggede algoritmer for autonomt at sammensætte en navigationsløsning, der afslørede placeringen af ​​NICER i sin bane omkring Jorden som en rumstations nyttelast. Teamet sammenlignede denne løsning med lokaliseringsdata indsamlet af NICER's indbyggede GPS -modtager.

"For at de indbyggede målinger er meningsfulde, vi havde brug for at udvikle en model, der forudsagde ankomsttider ved hjælp af jordbaserede observationer fra vores samarbejdspartnere ved radioteleskoper rundt om i verden, "sagde Paul Ray, en SEXTANT medforsker med U.S. Naval Research Laboratory. "Forskellen mellem målingen og modelforudsigelsen er det, der giver os vores navigationsinformation."

Målet var at demonstrere, at systemet kunne lokalisere NICER inden for en radius på 10 mil, da rumstationen kørte rundt om Jorden på lidt mere end 17, 500 mph. Inden for otte timer efter forsøgets start den 9. november, systemet konvergerede på et sted inden for målområdet på 10 miles og forblev langt under denne tærskel for resten af ​​eksperimentet, Sagde Mitchell. Faktisk, "en god del" af dataene viste positioner, der var nøjagtige inden for tre miles.

"Dette var meget hurtigere end de to uger, vi tildelte eksperimentet, "sagde SEXTANT System Architect Luke Winternitz, der arbejder på Goddard. "Vi havde indikationer på, at vores system ville fungere, men weekendeksperimentet viste endelig systemets evne til at arbejde selvstændigt. "

Selvom det allestedsnærværende anvendte GPS-system er præcist til inden for få fod for jordbundne brugere, dette nøjagtighedsniveau er ikke nødvendigt, når man navigerer til solsystemets fjernområder, hvor afstande mellem objekter måler i millioner af miles. "I dybt rum, vi håber at nå nøjagtigheder i hundredevis af fødder, "Sagde Mitchell.

Næste trin og fremtiden

Nu hvor teamet har demonstreret systemet, Winternitz sagde, at teamet vil fokusere på at opdatere og finjustere både flyve- og jordsoftware som forberedelse til et andet forsøg senere i 2018. Det ultimative mål, som kan tage år at indse, ville være at udvikle detektorer og anden hardware til at gøre pulsarbaseret navigation let tilgængelig på fremtidige rumfartøjer. For at fremme teknologien til operationel brug, hold vil fokusere på at reducere størrelsen, vægt, og effektbehov og forbedring af instrumenternes følsomhed. SEXTANT-teamet diskuterer nu også den mulige anvendelse af røntgennavigation for at understøtte menneskelig rumfart, Tilføjede Mitchell.

Hvis en interplanetarisk mission til Jupiters eller Saturnis måner var udstyret med en sådan navigationsanordning, for eksempel, det ville være i stand til at beregne sin placering autonomt, i lange perioder uden at kommunikere med Jorden.

Mitchell sagde, at GPS ikke er en mulighed for disse fjerntliggende missioner, fordi signalet svækkes hurtigt, når man rejser ud over GPS-satellitnetværket rundt om Jorden.

"Denne vellykkede demonstration fastslår fuldt ud levedygtigheden af ​​røntgenpulsarnavigation som en ny autonom navigeringsevne. Vi har vist, at en moden version af denne teknologi kunne forbedre udforskning af dybe rum overalt i solsystemet og videre, "Mitchell sagde." Det er en fantastisk teknologi først. "

NICER er en Astrophysics Mission of Opportunity inden for NASA's Explorers -program, som giver hyppige flymuligheder for videnskabelige undersøgelser i verdensklasse fra rummet ved hjælp af innovative, strømlinede og effektive ledelsesmetoder inden for heliofysik og astrofysik videnskabelige områder. NASA's Space Technology Mission Directorate finansierer den SEXTANT -komponent i missionen gennem sit Game Changing Development Program.