Рассмотрим следующее гипотетическое событие: космический корабль "Вояджер" (1 или 2) довольно внезапно меняет запланированную межзвездную траекторию (я хорошо знаю законы движения и гравитации и знаю, что этого не должно происходить, но давайте просто представим, что они летят мимо). ненаблюдаемый массивный объект). Обнаружит ли его команда инженеров здесь, на Земле? Как?
Я много читал на сайте Voyager Interstellar Mission , но не смог найти подробной информации о том, как определяется положение и скорость космического корабля.
Обнаружит ли его команда инженеров здесь, на Земле? Как?
Здесь есть две проблемы.
Предположим, что "Вояджер-2" ("Вояджер-1" движется быстрее и находится дальше, так что эффект на "Вояджер-1" будет меньше, чем на "Вояджер-2") пролетел на смехотворно близком расстоянии от объекта с такими же размерами и массой, как Нептун. Такой пролет привел бы к дельта-V около 8,2 км/сек . Предположим, что эта дельта-V ортогональна лучу зрения на Землю (наихудший случай). Даже в этом случае потребуется почти 41 день , чтобы вылететь за пределы ширины луча антенн Deep Space Network. По сей день JPL ежедневно получает данные от "Вояджеров". Это дает достаточно времени, чтобы заметить изменение скорости. Похоже, что постоянный контакт с "Вояджерами" может продолжаться даже перед лицом смехотворно близкого пролета смехотворно большого объекта.
Однако такой смехотворно близкий пролет имел бы другой эффект. Мы не «видим» спутники «Вояджер». Вместо этого мы получаем их передачи. Транспортные средства невидимы, если мы не можем принимать эти передачи.
Проблема в том, что пролет не только изменяет скорость спутника, но также изменяет его ориентацию и скорость вращения благодаря силе градиента силы тяжести. Это нормально в случае запланированного облета. Это не так хорошо в случае незапланированного пролета, когда у транспортного средства мало топлива, чтобы скорректировать незапланированное вращение, и ограниченный интеллект, чтобы сориентироваться, чтобы антенна была направлена обратно на Землю.
Единственная возможность нисходящей линии связи, доступная в настоящее время для "Вояджеров", - это передача в X-диапазоне с шириной луча 0,5 градуса. Даже небольшое незапланированное изменение положения "Вояджера" означает, что мы на Земле не сможем увидеть этот "Вояджер", по крайней мере, до тех пор, пока "Вояджер" не обнаружит, куда он указывает, и не скорректирует это. Изменение в уровне отношения является еще большей проблемой. У «Вояджеров» осталось очень мало топлива для управления ориентацией. Хотя этого ограниченного количества топлива более чем достаточно, чтобы продержаться до 2025 года, предполагая, что транспортные средства летят через пустое пространство, достаточно ли этого, чтобы скорректировать неожиданный большой гравитационный крутящий момент, — это совсем другой вопрос.
Положение и скорость космического корабля определяются с Земли: мы наводим антенну на точку, где, как мы ожидаем, будет находиться космический корабль, и пытаемся принять его радиосигнал. Положение антенны, которое дает самый сильный сигнал, дает направление.
Чтобы определить расстояние, мы отправляем сигнал на космический корабль и ждем ответа.
Вы видите проблему: неожиданное изменение траектории означает, что космический корабль больше не находится в ожидаемом нами положении. Мы направляем антенну не в ту сторону и не находим космический корабль.
Поиск возможен (постепенно проведите антенной по небу), но займет много времени.
Существует несколько различных методов измерения скорости и положения космического корабля. Во-первых, расстояние от Земли можно измерить временем прохождения сигнала туда и обратно. Если время, необходимое космическому кораблю между получением сигнала и отправкой его обратно, хорошо известно, расстояние можно определить очень точно. Из двух измерений расстояния можно вычислить скорость транспортного средства. То есть скорость, с которой оно удаляется от Земли, а не общую скорость. Существует второй метод расчета этой скорости путем наблюдения за частотой принимаемого сигнала: чем быстрее космический корабль удаляется от Земли, тем ниже становится частота (см. Доплеровский сдвиг). Эти измерения могут иметь почти произвольную точность, ограниченную только продолжительностью наблюдения. Хорошим примером является наблюдение зондов, пролетающих мимо Земли, скорость которых была измерена доточность менее 1 мм/с .
С другой стороны, точное положение в пространстве трудно измерить. Как писал Гоббс, можно использовать направленную антенну и выполнить сканирование, чтобы найти наилучшее положение. Но даже 70-метровые антенны сети дальнего космоса имеют ширину луча 0,1 градуса. Можно предположить, что мы можем путем повторных измерений и интерполяции с помощью этой антенны определить направление движения космического корабля с точностью до 0,01 градуса. В случае "Вояджера-1" на расстоянии 130 а.е. от Земли это приводит к ошибке определения местоположения в 3 миллиона километров. Но этот большой угол раскрытия луча, посылаемого антенной, также имеет то преимущество, что космический корабль не может легко исчезнуть из пространства, охватываемого передачей, из-за неожиданного изменения траектории.
Таким образом, изменения скорости и расстояния от Земли могут быть определены очень точно, абсолютное положение в латеральных координатах - гораздо более сложная задача, и здесь трудно найти изменения.
Вдобавок к упомянутым данным «туда и обратно» и «прицеливания антенны», которые хороши для грубых измерений (не очень грубых, но не совсем с субметровой точностью), есть способ триангулировать положение любого вещательного объекта.
Направьте три антенны в разных точках мира с точно синхронизированными таймерами на «Вояджер». Запишите входящую волну, точно зафиксировав время какой-либо важной точки.
Длина волны Х-диапазона составляет около 3 см. Измерить скорость довольно просто, рассчитайте отклонение от этой длины волны, вызванное «красным смещением». Но, кроме того, если вы сравните фазу волны - время прихода конкретной ее точки - вы можете триангулировать положение корабля с чрезвычайной точностью, намного лучше, чем оценка «мощности сигнала».
Йоханнес Д
ооо