美国国家航空航天局为太空任务设计新的计时系统

宇航员在月球表面的艺术印象，这是阿尔忒弥斯计划的一部分。 他们将如何在月球上储存电能？ 3D打印电池可以帮上忙。 资料来源：美国国家航空航天局

美国国家航空航天局（NASA）、其他航天机构和商业航天部门正在为人类未来的地球以外的世界制定雄心勃勃的计划。 这些计划的目的是在月球上和月球周围建立永久性基础设施，使人类能够在月球上持续开展研究、科学和商业活动。 这些计划还包括首次载人飞往火星，随后建造地面栖息地以支持未来的访问。 然而，这些富有远见的计划也面临着巨大的挑战，从后勤和技术障碍到确保健康和安全不一而足。

一个关键的挑战是月球、月球轨道和地球之间的同步操作，这需要一个标准化的时间系统。 为了解决这个问题，美国国家航空航天局的研究人员最近提出了一种新的月球计时系统，适用于所有月球和顺月球活动。 该系统基于相对论时间变换，即通常所说的"时间膨胀"。 通过考虑引力和运动的差异，这种方法确保了精确可靠的计时，这对月球上和月球周围的协调运行至关重要。

这项研究由 Slava G. Turyshev、James G. Williams、Dale H. Boggs 和 Ryan S. Park 完成，他们是美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的四位研究科学家。 他们的论文"太阳系原心、地球和月球之间的相对论时间变换"的预印本最近在网上发表，目前正在接受审查，以便在Physical Review D杂志上发表。

与网关空间站对接的猎户座飞船。 在"阿特米斯IV"任务中，猎户座将首次访问盖特威空间站，宇航员将用它向盖特威空间站运送"国际栖息地"（I-Hab）舱。 在"阿特米斯"五号和六号任务中，"猎户座"将返回"盖特威"运送其他组件。 图片来源：NASA / Alberto Bertolin， Bradley Reynolds

根据洛伦兹变换和爱因斯坦的特殊相对论（SR）的预测，相对论时间变换（RTT）描述了观察者的参照系加速时，时间的流逝是如何变慢的。 当爱因斯坦用他的广义相对论（GR）理论扩展了 SR 以解释引力时，他确定了加速度和引力本质上是相同的，而时间流的变化取决于引力场的强度。 这给太空探索带来了挑战，因为在地球以外运行的航天器会受到加速度、微重力和低重力的影响。

图里舍夫通过电子邮件告诉《今日宇宙》，随着人类开始在月球上长时间工作，RTT 将成为一个重要的考虑因素：

"[RTT]解释了时间是如何根据重力势能和运动的不同而以不同的方式流动的。 例如，由于月球表面的引力较弱，月球上的时钟会比地球上的时钟走得稍快一些。 虽然这些差异很小，每天只有微秒级的差别，但在协调太空任务时却变得非常重要，因为在太空任务中，即使是微小的时间误差也会导致巨大的位置误差或通信延迟。 在太空探索中，精确计时至关重要。 根据参照系的不同，各种时间尺度发挥着不同的作用。"

在论文中，研究小组指出了三种主要的时间尺度。 它们包括：

地球时间（TT）：这一时间标度用于地球系统，代表平均海平面上的时间，并根据地球重力势能进行修正。

重心坐标时间（TCB）：重心天体参考系（BCRS）中的时间坐标，以太阳系重心为中心。 TCB 考虑了重力势能和天体相对于重心的运动所产生的相对论效应，因此对于天体力学和动力学的高精度建模至关重要。

重心动态时间（TDB）：源自 TCB，但经过调整以与地球时间（TT）相同的平均速率运行，这一调整防止了相对于 TT 的长期世俗漂移，确保星历表与地球观测长期保持一致。

美国国家航空航天局宇航员在月球南极的插图。 我们今天看到的任务构想至少有一些来自太空时代早期。 资料来源：美国国家航空航天局

"相对论校正将这些时间尺度联系起来，确保航天器导航、行星星历表和通信的时间保持一致，"图里舍夫补充说。"没有这种校正，航天器的轨迹和任务时间将很快变得不可靠，即使在相对较短的距离上也是如此。"

美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯计划包括在半月空间和南极地区周围的月球表面运行的多个要素。 其中包括Gateway轨道站、多个人类着陆系统（HLS）和阿尔忒弥斯大本营--它将由月球地形飞行器（LTV）、宜居移动平台（HMP）和地基表面栖息地（FSH）组成。 此外，欧空局还计划建立月球村，由多种运输、动力和原地资源利用（ISRU）元素组成。

中国和俄罗斯还计划在月球南极地区建造一个月球栖息地，称为国际月球研究站（ILRS）。 根据多种说法，该站可能包括一个地面部分（可能在熔岩管中）、一个轨道部分以及与阿尔忒弥斯基地营和月球村类似的其他部分。 紧随其后的将是商业太空利益，其中可能包括采摘、采矿，甚至旅游。 当然，在月球绕地球运行的过程中，这些活动必须与任务控制中心保持联系。图里舍夫说，随着月球探索的加速，确定专用的月球时间（LT）刻度和以月球为中心的坐标参考系（LCRS）变得越来越重要。 因此，他和同事们开发了一种 TL 刻度，以确保月球上和月球周围活动的精确计时。 他们的方法涉及应用地球上使用的相对论原理，并使其适应月球的环境，其中包括：月球上较弱的重力导致时间走得更快：

月球上较弱的重力导致月球时钟的滴答声比地球时钟更快。

月球围绕地球和太阳的运动会带来周期性的时间变化。

被称为"马斯克"的局部引力异常微妙地影响着月球的引力场，从而影响着时间的流动。

被称为"月球村"的月球陨石坑边缘的居住群。 资料来源：SOM

图里舍夫说："我们的研究结果表明，月球时间每天比地球时间提前约56微秒，月球轨道还会造成额外的周期性变化。这些周期性振荡的振幅约为 0.47 微秒，周期约为 27.55 天。"

为了推导出这些变换，图里舍夫和他的团队依靠了来自美国宇航局重力恢复和内部实验室（GRAIL）任务的高精度数据，这两颗卫星在2011年至2021年期间对月球进行了研究。 除了绘制月球表面地图，这对双子卫星还绘制了月球引力场的详细地图。 这与月球激光测距（LLR）实验所做的测量结合在一起，该实验以毫米级的精度测量地月距离。 图里舍夫说：

"利用这些数据，我们对月球的重力势能和轨道动力学进行了建模，确保由此产生的时间变换达到亚纳秒精度。 我们引入了一些关键常数来描述变换，这些常数类似于用于地球时间系统的常数。 其中最关键的约束条件是

• LL表示月球中心和表面之间的平均时间转换率，补偿了类硒层的引力和旋转势的总和。

• LM，类似于地球的 LB，用于补偿重心坐标时间（TCB）和月球时间（TL）之间的平均时间转换率。

• LH，代表月球绕太阳系原心运动的总轨道能量的长期平均值。 它定义了 TCB 与月球中心坐标系时间（TCL）之间的速率差，并包括与太阳和行星的引力相互作用所产生的贡献。

• LEM，表示从地心天体参照系（GCRS）观测到的月球绕地球运动的总轨道能量的长期平均值。

• PEM，考虑了月球椭圆轨道产生的周期性相对论修正以及太阳和行星的引力扰动，从而产生随时间变化的振荡。

"这些变换构成了我们高精度月球计时系统的基础，这对未来的任务规划和运行至关重要"。

ILRS的可视化，摘自《中国国家航天局合作伙伴指南》（2021年6月）。 来源：中国国家航天局

正如图里舍夫和他的同事们在论文中指出的那样，建立统一的月球时间系统对于任务的成功至关重要，原因有很多。 这些原因包括

精确导航和着陆：从轨道飞行器到着陆器和漫游车，众多任务都以月球表面为目标，同步授时将确保精确定位，降低关键任务阶段出现错误的风险。

无缝通信：协调地球、轨道飞行器和月球基地之间的活动需要一致的时间同步，以避免通信延迟，确保数据传输顺序正确。

合作科学：共同的时间标准使不同空间机构和组织执行的多个任务能够共享和准确比较数据，从而支持对月球地质、地震活动和重力异常的大规模研究。

自主运行： 随着月球任务的复杂性和持续时间的增加，专用的月球时间系统将使基地和航天器能够独立于地球运行，从而减少在地球不可见期间对地球计时的依赖。

新的计时系统是人类为成为星际物种而必须做出的众多调整之一。 随着本世纪人类在月球上的存在不断增加并成为永久性的，一个协调的月球时间系统将变得越来越重要。 一旦定期载人火星任务开始，也需要采取类似的措施，而这些工作已经认真开始了！ 查看火星协调时（MCT）和达里安日历，了解更多信息。

改编自Universe Today上最初发表的一篇文章。