Звонок на Марс. Этапы развития систем космической связи.

Звонок на Марс. Этапы развития систем космической связи.

Попов Юрий

«Онлайн-журнал Mobi»

В космических исследованиях мелочей не бывает. Каждая деталь автоматической станции, искусственного спутника Земли, орбитального телескопа или спускаемого зонда должна работать идеально. Но есть несколько систем, являющихся критически важными для функционирования космического аппарата. Прежде всего это связь. Отказы других систем часто можно обойти, пусть это приведет к потере части научных данных, снижению эффективности или другим малоприятным последствиям, но сам контроль над аппаратом будет сохранен. А вот если потеряна связь с Землей, то даже полностью исправное (не считая систем связи) и готовое к подвигам устройство фактически перестает существовать, превращаясь в бесполезный, неизвестно где болтающийся кусок металлолома.

ПРОСТЕЙШИЙ СПУТНИК

В марте 1954 года на совещании у академика Мстислава Всеволодовича Келдыша был определен перечень научных задач, который должен решать искусственный спутник Земли. Прежде всего это получение данных об ионосфере, сведений о первичном космическом излучении, наблюдение за ультрафиолетовой частью спектра звезд и Солнца, проверка некоторых следствий общей теории относительности и т. д. Кроме того, планировался ряд экспериментов над животными для выяснения последствий длительного влияния невесомости на живой организм и особенностей его поведения на орбите. Обсуждалась и проблема получения информации с орбиты. В ходе дискуссии всерьез рассматривалась возможность использования небольших спускаемых капсул и даже их конструктивные параметры.

Впрочем, к моменту непосредственного начала работ над спутником приоритеты сильно изменились. Цель эксперимента, сформулированная в постановлении Совмина, определялась так: «Выведение простейшего неориентированного спутника Земли (объект ПС) на орбиту, проверка возможности наблюдения за ПС на орбите и прием сигналов, передаваемых с объекта ПС». На первый взгляд довольно скромно. Однако в ходе эксперимента планировалось получить важнейшие данные о поведении радиосигнала, излучаемого с орбиты. Насколько он будет четок? Дойдет ли вообще до Земли? Как отреагирует на невесомость и другие «орбитальные факторы» бортовой передатчик?

Первый спутник Земли, Простейший Спутник-1,

представлял собой нехитрое устройство.

От ответов на эти и многие другие вопросы зависело направление развития космонавтики вообще и систем космической связи в частности.

Итак, 4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли, что по праву считается началом космической эры человечества. ПС-1, или Простейший Спутник-1, представлял собой нехитрое, на первый взгляд, устройство: две полусферы, соединенные крепежными болтами, с прокладкой из вакуумной резины в месте стыка. Внутри находился источник питания и два радиопередатчика, которые при помощи антенн (четыре металлических штыря, два по 2,4 метра длиной, два — по 2,9 метра), передавали сигналы на Землю. Кроме того, в ПС-1 был установлен вентилятор системы терморегулирования, контрольное термореле и реле давления. При размыкании контактов датчиков (т. е. при изменении температуры или давления внутри капсулы) изменялась частота сигналов? передаваемых спутником. Таким образом был обеспечен своеобразный контроль герметичности и температуры внутри ПС-1.

Интересно, что диапазоны передатчиков были выбраны так, чтобы сигналы спутника могли принимать радиолюбители по всему миру, чем они, собственно, и занимались, ощущая невероятный ажиотаж и чувство причастности к происходящему.

Спутник находился на орбите 92 дня, за которые успел навернуть 1440 витков вокруг Земли, после чего сгорел в плотных слоях атмосферы. Передатчики ПС-1 работали в течение двух недель после старта.

КОСМИЧЕСКИЙ ХОТ-ДОГ

После запуска первого искусственного спутника Земли, имевшего самую простую конструкцию, по плану предполагалось в 1958 году запустить в космос более сложный аппарат, напичканный разнообразной измерительной аппаратурой — так называемый объект D. Однако в работу инженеров-конструкторов вмешалось высшее партийное руководство. На волне космической эйфории генеральный секретарь партии Н. С. Хрущев потребовал от С. П. Королева следующего, не менее эффектного старта, который должен был быть приурочен к 40-летию Великой Октябрьской Социалистической Революции. Главный конструктор принял решение отправить на втором спутнике собаку, которой предстояло стать первым живым существом, попавшим на орбиту Земли. Таким образом, ОКБ-1 под руководством Королева должно было за месяц практически с нуля создать небольшую космическую лабораторию — спутник ПС-2, представлявший собой герметичный контейнер для собаки, снабженный передатчиками, отсеком с приборами и системой жизнеобеспечения. Времени прорабатывать конструкцию не было, поэтому, игнорируя все нормы и правила, установленные для производства ракетно-космической техники, различные детали, а также целые узлы и агрегаты изготавливались и собирались по эскизам, подгоняясь прямо на месте при сборке, буквально «на колене». Создать качественную систему жизнеобеспечения и терморегуляции для собаки в таких условиях было невозможно. Впрочем, все и так понимали, это камикадзе: технология возврата корабля из космического полета на Землю еще не была создана.

Но несмотря на сжатые сроки, на борту спутника был расположен внушительный комплект оборудования: два фотометра для измерения солнечной радиации, прибор для измерения интенсивности космических лучей, аппаратура контроля жизнедеятельности собаки, а также датчики, определяющие температуру, давление и влажность воздуха внутри «жилого отсека».

Оригинальным решением было сделать сам спутник неотделяемым от последней ступени ракетоносителя. Это позволило в качестве передатчика использовать бортовую телеметрическую систему «Трал». Во время старта и выхода на орбиту аппаратура передавала на Землю параметры самой ракеты. После окончания так называемого «активного участка полета» система переключалась на передачу данных со спутника, отправляя на Землю ценную информацию, полученную с бортовых приборов.

Кроме того, в ПС-2 был реализован оригинальный механизм «отсроченной пересылки». Дело в том, что сигнал со спутника невозможно было принимать непрерывно: во время каждого витка вокруг Земли у центра управления полетами было всего-навсего 15-минутное окно, во время которого сигнал «проходил». Кроме того, ряд весьма важных параметров (например, состояние собаки во время стартовых перегрузок) регистрировался во время взлета, когда передатчик системы «Трал» был банально занят трансляцией информации о состоянии самой ракеты-носителя. Конструкторы нашли простое и эффективное решение. Вся техническая информация (в том числе и во время взлета) фиксировалась на бортовом запоминающем устройстве, а во время «сеанса связи» концентрированным потоком сбрасывалась по радиоканалу на Землю. Такой принцип передачи данных используется по сей день.

Итак, 3 ноября 1957 года произошел успешный запуск ракеты-носителя, спутник ПС-2 вышел на расчетную орбиту…

По показаниям приборов, на взлете сердце Лайки сокращалось с интенсивностью более 260 тактов в минуту (в три раза выше нормы). Частота дыхания тоже выросла в четыре-пять раз. Все это объяснялось воздействием перегрузки и стресса, но в целом собака перенесла вывод на орбиту удовлетворительно.

Долгое время официальная версия гласила, что собака прожила на орбите шесть суток, а на седьмые ей была сделана автоматическая инъекция снотворного: «Четвертый... пятый... шестой день на орбите советский спутник с животным на борту. Все системы работают нормально! Самочувствие отличное!.. На седьмые сутки Лайке дали снотворное, и она спокойно умерла с чувством исполненного перед Родиной долга...»

Однако на деле эксперимент, к сожалению, продлился куда меньше, чем планировалось: в жилом отсеке скачком повысилась температура, и Лайка уже через несколько витков вокруг Земли погибла от стресса и перегрева.

Сам спутник совершил 2570 оборотов вокруг Земли, пробыв на орбите 5 месяцев, после чего торжественно сгорел в атмосфере

За это время передатчики ПС-2 успели передать массу ценной информации, проложившей дорогу в космос многим последующим проектам.

ОБРАТНАЯ СТОРОНА МЕДАЛИ

Потом был Спутник-3, набитый измерительной аппаратурой под завязку, «Луна-1» и «Луна-2» — первые в мире межпланетные автоматические станции и, наконец, «Луна-3», позволившая, в прямом смысле слова, заглянуть за границу неизвестного.

Луна — это единственный естественный спутник Земли. Весьма крупный объект на небосводе, поэтому неудивительно, что человечество многие тысячелетия его пристально изучало. Однако фокус в том, что Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной, поэтому ее тыл долгое время был окутан завесой тайны.

4 октября 1959 года была запущена ракета-носитель с автоматической межпланетной станцией на борту. Основная задача формулировалась кратко: «получить фотографическое изображение поверхности обратной стороны Луны, недоступной для земных наблюдателей».

Станция «Луна-3» была под завязку набита самым разнообразным оборудованием, но особой гордостью советских инженеров была фототелевизионная система «Енисей». Принцип ее действия основан на применении фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Это электровакуумный прибор, способный усиливать световые сигналы в миллионы раз. Честь изобретения фотоэлектронного умножителя принадлежит Леониду Александровичу Кубецкому, который еще в 1930 году получил авторское свидетельство на этот прибор. Между прочим, некоторые его конструктивные варианты активно используются до сих пор. Итак, ФЭУ способен выполнять две основные функции. Первая — многократно усиливать световой поток. Вторая (куда более интересная для конструкторов космической техники) — преобразовывать световой поток в электронный. Это свойство и применялось в фототелевизионной системе «Енисей».

Основная задача для спутника «Луна-3»

формулировалась кратко: получить фотографическое

изображение поверхности обратной стороны Луны,

недоступной для земных наблюдателей.

Итак, комплекс состоял из фотографирующего аппарата с двумя объективами с фокусным расстоянием в 200 и 500 мм, устройства автоматической обработки фотопленки с лентопротяжным механизмом и системы передачи изображения, зафиксированного на пленке.

Спустя почти трое суток полета, 7 октября 1959 года станция «Луна-3» приблизилась к спутнику Земли на расчетное расстояние. В 6:30 по московскому времени было начато фотографирование поверхности Луны. Съемка продолжалась порядка 40 минут, после чего была произведена автоматическая обработка отснятой кинопленки (проявление и фиксирование в специальном растворе). Далее полученные снимки передавались на Землю: световой поток с экрана малогабаритного кинескопа, пройдя через пленку, модулировался плотностью негатива и попадал на фотокатод ФЭУ, преобразовывался в электронный сигнал, после чего поступал в видеоусилитель и далее, через передающее устройство, отправлялся по радиоканалу на Землю. Кинескоп давал развертку по строке (метод «бегающего луча»), а лентопротяжный механизм обеспечивал кадровую развертку.

Виктор Арсеньевич Ефимов, ведущий специалист НИИ телевидения, рассказывал об этом: «…И вот начался первый сеанс связи на нашем НИПе. Фиолетовая точка на белом экране монитора прочерчивает строку за строкой. Но, увы, весь кадр заполняют лишь «шумы». Второй сеанс — снова на экран ложатся фиолетовые строчки одна за другой. Но теперь уже сквозь «шумы» проступает какое-то пятно, и наше настроение поднимается. В последующих сеансах опять строку за строкой чертит точка на экранах мониторов. По мере приближения автоматической межпланетной станции к Земле изображение становится все более контрастным, и мы видим четкие контуры лунного диска с пятнами на краю и в середине. Работают фоторегистрирующие устройства, фиксируя на кинопленку то, что пока еще никто не видел…»

Полученные снимки стали настоящей сенсацией. Несмотря на довольно скверное качество, это были первые в мире изображения обратной стороны Луны. То, чего не видел ни один человек до этого.

"СОБАЧЬЕ"  ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Параллельно с фототелевизионной системой «Енисей» разрабатывался еще один знаковый в своем роде комплекс «Селигер».

В его задачу входил прием и передача изображений подвижных объектов, в том числе и в реальном времени. Именно из этой системы впоследствии выросло «космическое телевидение», с помощью которого в прямом эфире с орбиты транслировали космонавтов. Впрочем, в процессе разработки «Селигер» получил несколько иное название. Дело в том, что система была изначально предназначена для передачи видеоизображения непосредственно из капсулы. Ученым было важно увидеть своими глазами, как ведет себя космический путешественник во время взлета и в невесомости. Все же данные телеметрии о его физическом состоянии и видеоизображение — это две очень разные вещи. В то время к запуску человека в космос только готовились, поэтому как-то само собой получилось, что система «Селигер» разрабатывалась для более ранних экипажей, за что и получила неофициальное название «Собачье телевидение».

Первый космонавт Юрий Гагарин даже как-то

в шутку сказал: «До сих пор не пойму, кто я 

— «первый человек» или «последняя собака»…

Комплекс состоял из двух камер, показывающих космонавтов в профиль и анфас, передающего устройства и приемной аппаратуры, монтирующейся в передвижном (автомобильном) или стационарном пункте связи. Как это принято говорить, «Селигер» во многом опередил свое время. Вся электронная начинка телекамер была разработана на только что появившихся полупроводниках, что позволило сильно уменьшить энергопотребление и массогабаритные характеристики. Далее, оригинальным решением было разместить блоки разверток и питания в самой камере. Это исключало лишние соединительные разъемы, провода и контакты, а также уменьшало вес и наводки. Таким образом фактически родилось модульное построение камер, которое сохранилось до настоящего времени.

Приемный комплекс состоял из двух одинаковых полукомплектов, включавших так называемое «видеоконтрольное устройство» (по сути монитор) и фоторегистрирующее устройство для записи переданного видеоизображения. В комплект оборудования также входили блоки и узлы, обеспечивающие прием и синхронизацию сигнала, и средства удаленного управления камерами. Однако для системы «Селигер», к сожалению, не успели создать достойный передатчик, поэтому пришлось применять уже проверенную временем модель, ранее использовавшуюся для передачи телеметрии. Как следствие, радиоканал получился довольно «узкий», а качество передаваемой «картинки» было ограничено 100-строчным изображением при десяти кадрах в секунду. Но несмотря на это, система работала, и 19 августа 1960 года стартовал экипаж «космических собак» — Белки и Стрелки. В компании с ними летел еще целый ворох всяческой живности: мыши, насекомые, растения с семенами. Летающий «ковчег» пробыл на орбите около суток, навернув 18 витков вокруг Земли, и благополучно вернулся в катапультируемом отсеке. Установленная в отсеке телевизионная техника позволила наблюдать поведение животных в космосе. Стрелка отнеслась к невесомости очень подозрительно, а вот Белка самозабвенно «бесилась», лаяла и вообще воспринимала происходящее позитивно.

Полет Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года снимали точно такой же камерой со 100-строчным изображением. А вот Герману Титову, отправившемуся в космос 6 августа, достался уже несколько модернизированный вариант «Селигера», поддерживающий передачу 400-строчного изображения. Возможно поэтому Гагарин как-то в шутку сказал: «До сих пор не пойму, кто я — «первый человек» или «последняя собака»…

ЗАДАЧИ НОВОГО ВРЕМЕНИ

В дальнейшем системы космической связи непрерывно совершенствовались. Создавались новые, более мощные передатчики; с развитием компьютерной техники начался процесс перехода с аналоговых приборов на цифровые; по мере накопления опыта и совершенствования технологий стало возможным отправлять межпланетные исследовательские станции к другим планетам Солнечной системы и их спутникам.

И чем дальше забирались космические корабли, тем серьезнее становилась проблема поддержания связи с этими объектами.

Скорость распространения электромагнитных волн, с помощью которых осуществляется связь, составляет 299 792 км/с. Однако этого даже в масштабах Солнечной системы недостаточно. Сигнал с Луны будет идти полторы секунды (что, кстати, доставляло немало неудобств водителям Лунохода-1 и Лунохода-2); с Марса — более шести минут. Сегодня самый удаленный космический объект, с которым все еще поддерживается связь, — американская автоматическая станция Voyager, запущенная еще в 1977 году. В настоящее время она как раз вплотную подошла к границе Солнечной системы. Voyager находится на расстоянии 15 миллиардов километров от Земли. Это расстояние радиосигнал преодолевает 14 часов.

Еще одна проблема: по мере удаления передатчика сигнал имеет обыкновение стремительно затухать. Принцип действия радиосвязи заключается в том, что колебания тока в антенне создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые и ловит антенна приемника. Далее полученный сигнал обрабатывается: отсекаются шумы, он усиливается, извлекается полезная информация…

Однако приемник не может уловить радиоволны, если они слабее его порога чувствительности. А с удалением источника сигнала его мощность падает пропорционально квадрату пройденного им расстояния. То есть сигнал с Марса, например, будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, передаваемый с Луны. Решить эту проблему в лоб можно двумя способами. Во-первых, увеличить мощность передатчика. Но, увы, сделать это легко можно только на Земле. А вот для космического объекта есть достаточно жесткие требования по массогабаритным характеристикам и по уровню потребляемой энергии. Второй путь — увеличить размер приемной антенны. Таким образом, можно принять больше энергии электромагнитной волны, а следовательно — увеличить порог чувствительности приемника. На Земле для дальней космической связи уже используются 70-метровые в диаметре параболические антенны. Это почти предел: конструкции большего размера будут просто деформироваться под собственной тяжестью.

Еще одна проблема — посторонние шумы. В космическом радиоэфире помехи вызывает реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Чем слабее сигнал, тем дольше его приходится отфильтровывать от этих шумов, из-за чего фатально понижается интенсивность передачи данных. Так, скорость обмена информацией с тем же Voyager составляет всего 160 бит/с. Это в 300 раз медленнее, чем «допотопный» телефонный модем!

КОСМИЧЕСКИЙ ИНТЕРНЕТ

Среди способов решения проблем с дальней космической связью выделяется один фантастический, но… осуществимый проект. Итак, на Земле размеры антенны являются весьма ограниченной величиной по чисто техническим причинам. Однако в космосе можно строить гигантские сооружения из легчайших элементов (невесомость все же, требования по прочности и жесткости не так суровы). Какие 70 метров? Для орбитальной станции связи и километровый диаметр антенны — не предел. «Тарелка» таких размеров без труда «добьет» до окраины Солнечной системы и примет даже самый слабый сигнал из глубин космоса.

На Земле размеры антенны являются ограниченной

величиной, но в космосе можно строить гигантские

сооружения.

Какие 70 метров? Для орбитальной станции связи

и километровый диаметр антенны — не предел.

Однако у такого решения есть ряд неудобств. Во-первых, «тарелка» — она на то и «тарелка», что создает мощный направленный радиолуч. Таким образом получается, что для приема информации с каких-нибудь отдаленных станций эту махину так или иначе, но придется как-то ориентировать, поворачивать и т. д. Не то чтобы это было очень сложно, но, согласитесь, сама мысль о том, что нужно развернуть объект диаметром в километр, да еще довольно точно сориентировать его в пространстве, несколько тревожит.

Поэтому вместо «царь-тарелки» была предложена сеть ретрансляторов. Подобная система, только в локальном масштабе, использовалась при работе советских станций «Венера». Ну, или более современный вариант — марсоходы Opportunity и Spirit. Мощности их передатчиков ни за что не хватит, чтобы добить до Земли. Поэтому связь осуществлялась через аппарат Mars Odyssey, болтающийся на орбите Красной планеты. Сначала маломощные передатчики марсоходов передают информацию на орбиту, а уже оттуда она отправляется на Землю.

Таким образом, если подвесить в разных точках Солнечной системы спутники-ретрансляторы, это уже существенно облегчило бы проблемы связи. Впрочем, техническая мысль пошла еще дальше. В настоящее время в космосе уже болтается масса самых разнообразных объектов. Ученым пришла в голову светлая мысль о том, что уже пора создать единый протокол связи между космическими аппаратами. Это позволит использовать в качестве ретранслятора любой ближайший к передатчику объект. По замыслу ученых, вся масса спутников, орбитальных станций, спускаемых зондов и прочего полезного космического будет непрерывно обмениваться информацией как между собой, так и с центрами управления на Земле. Все это существенно повысит скорость передачи информации в космическом пространстве.

Собственно, разработки такого протокола уже ведутся несколько лет. Так что «космический интернет» скоро перейдет из области фантастики в суровую реальность.

АБСОЛЮТНАЯ СВЯЗЬ

Но как бы замечательно ни работал «космический интернет», быстрее скорости света радиосигнал двигаться не сможет. Задержки во времени между отправкой информации и ее получением неизбежны.

Или нет?..

В 1998 году впервые на практике была осуществлена так называемая «квантовая телепортация». Суть явления состоит в следующем. Есть две частицы, которые некоторое время взаимодействуют, образуя единую систему. По законам квантовой механики эта система описывается некой волновой функцией. Допустим, после прекращения взаимодействия частицы разносят на приличное расстояние друг от друга. Ну, например, два-три световых года. Но несмотря на гигантское расстояние, эти две частицы по-прежнему описываются одной волновой функцией. При этом их состояние по отдельности неизвестно в принципе. Однако после измерения параметров одной из частиц, у второй появляются (именно появляются, а не становятся известными) соответствующие характеристики. Т. е. возможна мгновенная пересылка квантового состояния частицы (т. е. информации) на неограниченно большое расстояние!

Уже сегодня законы квантовой механики работают в средствах связи, в основном в области шифрования данных. Ведутся разработки и квантовых вычислительных машин, уже даже созданы пробные экземпляры. Со временем на смену этим прототипам придут настоящие квантовые компьютеры, и вот тогда возможно будет построить принципиально новую совершенную систему связи с космосом. Квантовый интернет. Для межгалактического чата.

ТАСС: «…В результате большой напряженной работы научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро создан первый в мире искусственный спутник Земли…»

Диапазоны передатчиков первого спутника Земли были выбраны так, чтобы сигналы могли принимать радиолюбители по всему миру, чем они и занимались, ощущая невероятный ажиотаж и чувство причастности к происходящему

На взлете сердце первой собаки-космонавта Лайки сокращалось с интенсивностью более 260 тактов в минуту (в три раза выше нормы), частота дыхания выросла в четыре-пять раз

7 октября 1959 года в 6:30 по московскому времени оборудование станции «Луна-3» впервые сфотографировало обратную сторону Луны — ту, которую не видел еще никто из живущих на Земле

Первый космонавт Юрий Алексеевич Гагарин даже как-то в шутку сказал: «До сих пор не пойму, кто я — «первый человек» или «последняя собака»…

Но как бы замечательно ни работал «космический интернет», быстрее скорости света радиосигнал двигаться не сможет. Задержки во времени между отправкой информации и ее получением неизбежны. Или нет?..

http://www.mobimag.ru/