Как было получено изображение обратной стороны Луны

Радиоэлектроника и освоение космоса

Как средство запуска искусственных спутников Земли и космических ракет ракетная техника играет важную роль, однако точный вывод спутников и ракет на орбиту, получение и передача результатов научных измерений и наблюдений с искусственных небесных тел на Землю, обработка полученных данных совершенно невозможны без использования достижений современной радиоэлектроники. Совершенно очевиден тот факт, что без достаточно надежной радиосвязи с космической ракетой или спутником не имело бы никакого смысла устанавливать на их борту какие бы то ни было научные приборы, ибо показания этих приборов можно передать в настоящее время на Землю только средствами радиосвязи.

Ещё до запуска искусственных спутников и космических ракет условия радиосвязи с ними, так же как и возможные причины ее нарушений были частично выяснены с помощью высотных ракет.

Рис. 1. Прозрачность земной атмосферы для электромагнитных колебаний с различными длинами волн.

При такой радиосвязи необходимо учитывать влияние атмосферы на прохождение электромагнитных волн. Не всякое электромагнитное колебание может «пробить» себе путь сквозь толщу воздушного океана, на дне которого мы живем.

На рис. 1 показан график «прозрачности» земной атмосферы для электромагнитных колебаний различных длин волн.

Особенно сильное влияние на прохождение электромагнитных колебаний оказывают верхние ионизированные слои атмосферы. Состояние этих слоев — их толщина, высота над поверхностью Земли, степень концентрации заряженных частиц — зависит от времени суток и года. Соответственно различается и воздействие этих слоев на радиосвязь в различное время суток и года.

Чем выше концентрация электронов в ионосфере и чем больше длина волн, используемых для связи, тем труднее этим колебаниям пробиться сквозь слой ионосферы.

Если электромагнитные колебания с длинами волн более 50 м посылаются с Земли, то, достигнув ионосферы, они отражаются от нее и возвращаются к поверхности Земли. Последующее отражение радиоволн от поверхности Земли вызывает многократное повторение этого процесса, в результате чего радиоволны могут достигнуть пункта, находящегося в диаметрально противоположной по отношению к передающей радиостанции точке земного шара. Но именно это свойство ионосферы, позволяющее установить радиосвязь между отдаленными пунктами земной поверхности, затрудняет радиосвязь с искусственными спутниками Земли и космическими ракетами.

Для отражения длинных волн, посылаемых с Земли, достаточно той концентрации электронов, которая обнаруживается на высоте 60–90 км, в так называемом ионосферном слое D. Средние волны отражаются слоем Е, расположенным на высоте 100–130 км, где электронная концентрация много выше. Еще более короткие волны, беспрепятственно проходящие слои D и Е, отражаются слоем F с максимальной концентрацией электронов на высоте 250–400 км. Радиоволны длиной около 40 м уже могут проходить, не отражаясь, за пределы ионосферы, однако при этом они ослабляются. Чем ближе направление радиолуча к вертикальному, тем меньше ослабление проходящих сквозь ионосферу волн. Волны короче 20 м проходят сквозь атмосферу почти беспрепятственно.

С точки зрения эффективного использования электроэнергии желательно применять направленное излучение электромагнитных волн как на искусственном небесном теле, так и на Земле. Как известно, геометрические размеры антенных систем при этом должны быть соизмеримыми с длиной волны используемого электромагнитного излучения. Поэтому с целью уменьшения размеров антенн желательно использовать ультракороткие радиоволны. Однако слишком короткие волны (длиной менее 3 см) для связи с космическими кораблями использовать нельзя, так как они поглощаются нижними слоями атмосферы, водяными парами, рассеиваются ионосферой. Особенно сильно поглощаются водяными парами и рассеиваются ионосферой радиоволны длиной менее 2 см. Однако поглощение в парах воды и кислороде воздуха, которое объясняется возникновением резонансных явлений, неодинаково в пределах диапазона миллиметровых волн. Так, в диапазоне волн 20— 1 мм имеются две полосы поглощения радиоволн в парах воды с максимумами поглощения на волнах 1,8 и 14 мм. В том же диапазоне кислород воздуха имеет две полосы поглощения с максимумами на волнах 2,6 и 5 мм. Так как полосы максимального поглощения довольно узки, то в диапазоне миллиметровых волн могут быть выделены широкие области, в которых потери из-за поглощения малы.

На советских спутниках и космических ракетах использовались радиоволны с длинами волн от 15 до 1,5 м. Недостатком космической связи с использованием волн этого диапазона является то, что они лежат в диапазоне собственного радиоизлучения небесных тел и газовых туманностей.

К числу первостепенных проблем, возникающих при конструировании бортовой радиоаппаратуры, относится проблема источников электрической энергии на спутниках и космических станциях. На межпланетной автоматической станции использовались отдельные блоки химических элементов тока, обеспечивающие питание кратковременно действующей аппаратуры, а также централизованный блок буферной химической батареи. В этих источниках тока электрическая энергия вырабатывалась непосредственно за счет химического взаимодействия веществ, входящих в состав их электродов. Пополнение израсходованной энергии буферной батареи осуществлялось за счет солнечных батарей — фотоэлектрических преобразователей энергии.

В качестве фотоэлектрических генераторов, преобразующих энергию солнечных лучей непосредственно в электрическую, в настоящее время широко применяются кремниевые элементы, обладающие значительно большей эффективностью по сравнению с фотоэлектрическими генераторами других типов. У лучших образцов кремниевых элементов в электрическую энергию преобразуется до 11 % попадающей в элемент энергии солнечных лучей. При использовании солнечной батареи для получения электрической энергии необходимо учитывать, что энергия солнечного излучения имеет относительно малую плотность; поэтому для получения достаточной мощности требуется применять батареи с соответствующей площадью поверхности. При этом необходимо иметь в виду, что в безоблачный день поток солнечного света имеет на освещаемой поверхности мощность около 1 квт/м² при условии, что солнечные лучи падают перпендикулярно освещаемой поверхности. При подсчете мощности, вырабатываемой фотоэлектрическим генератором, необходимо учитывать и то, что не вся энергия солнечных лучей поглощается элементом: часть ее отражается от поверхности кремниевого преобразователя.

Напряжение, вырабатываемое отдельными кремниевыми элементами, равно примерно 0,5 в. Соединяя соответствующим образом большое количество таких элементов, получают батарею так называемых вентильных фотоэлементов, дающую необходимые напряжение и ток: для повышения вырабатываемого напряжения элементы должны, как обычно, соединяться последовательно; чтобы повысить ток, требуется либо увеличить освещаемую поверхность элемента, либо соединить элементы параллельно.

Секции этих батарей расположены на автоматической межпланетной станции таким образом, что фотоэлектрический генератор нормально работает независимо от того, как станция ориентирована относительно Солнца: в то время, когда одна секция батареи попадает в тень, начинают работать секции противоположной стороны (рис. 2).

Бортовое оборудование космической станции включает в свой состав большое количество различных приборов, требующих для своей нормальной работы различных напряжений и потребляющих различные токи. Нужные напряжения и токи вырабатываются с помощью преобразователей. Постоянство же питающих токов и напряжений обеспечивается стабилизирующими устройствами.

Экономное расходование электрической энергии бортовой аппаратурой достигается не только рациональным режимом передачи сигналов, но и продуманным построением схем устройств, применением в них новейших материалов и узлов. Экономному расходованию электроэнергии в большой мере способствует и широкое использование усилителей, приемников, передатчиков, генераторов и других устройств, собранных на полупроводниковых приборах.

Рис. 2. Схематическое изображение общего вида автоматической межпланетной станции. 1 —иллюминатор для фотографических аппаратов; 2 — двигатель системы ориентации; 3 — солнечный датчик; 4 —секции солнечной батареи; 5 — жалюзи системы терморегулирования; 6 — тепловые экраны: 7 — антенны; 8 —приборы для научных исследований.

Четкий прием информации от многочисленных приборов космических станций осуществляется только в определенные промежутки времени, наиболее подходящие для связи космической лаборатории с наземными станциями. Но и тут есть свои трудности: ведь необходимо передать в определенной последовательности показания самых различных приборов, фиксирующих результаты измерений за время одного или даже нескольких облетов космической станцией своей орбиты.

Для обеспечения раздельной передачи и регистрации показаний самых различных приборов наземная радиотелеметрическая станция имеет коммутирующее устройство, работающее синхронно с бортовым коммутатором. Синхронизация же бортового и наземного коммутаторов осуществляется передачей специальных синхронизирующих импульсов. На рис. 3 схематически изображена система такого типа. Информация от каждого прибора выбирается в определенной последовательности коммутатором, и для каждого вида информации генерируются модулированный импульс или группа импульсов.

Рис. 3. Упрощенные олок-схемы радиотелеметрических систем бортовой (а) и наземной (б) частей аппаратуры. 1 — датчики и научные приборы; 2 и 10 — коммутаторы; 3 — блок формирования телеметрического сигнала; 4—запоминающее устройство; 5 — радиопередатчик; 6 и 7 — антенны; 8 — радиоприемник; 9 —дешифратор; 11 — блоки регистраций.

Системы радиосвязи космических лабораторий должны отличаться от обычных систем радиосвязи высокой пропускной способностью: в течение сеанса радиопередачи должно быть передано большое количество информации, накопленной соответствующими приборами. Кроме того, надо учитывать, что каждый отдельный результат измерения передается в виде короткого сигнала, и поэтому даже случайная кратковременная радиопомеха может исказить сигнал. В связи с этим предусматривается промежуточное преобразование показаний приборов в специально сформированные импульсы, устойчивые к различного вида помехам, т. е. осуществляется кодирование информации. Каждая посылка, определяющая величину показания какого-либо прибора, может состоять из нескольких импульсов, различающихся амплитудой, числом импульсов в посылке, взаимным расположением импульсов, длительностью импульсов и т. д. Для создания импульсных посылок того или иного вида используются специально разработанные схемы на электронно-лучевых трубках. Импульсы, несущие определенную информацию, подаются к бортовому радиопередающему устройству, где они модулируют несущую частоту.

На приемном конце принятые сигналы усиливаются, и из колебаний высокой частоты выделяются импульсы, несущие информацию о показаниях тех или иных приборов. Затем полученные импульсы подаются на вход дешифратора, который осуществляет восстановление электрических сигналов, пропорциональных показаниям бортовых измерительных приборов.

Третья советская космическая ракета передавала данные лишь после подачи сигнала с Земли. Сеансы передачи с борта межпланетной станции производились по 2–4 ч в соответствии с программой наблюдений. Все управление бортовой аппаратурой станции производилось с наземных пунктов по радиолинии, а также отдельными программными устройствами. Это давало возможность управлять проведением научных экспериментов и получать информацию с любых участков орбиты. Кроме того, передача информации сеансами позволяет постоянно накапливать в аккумуляторах электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями с тем, чтобы во время передачи можно было расходовать ее более интенсивно. Такой метод передачи информации был использован впервые.

Запуск искусственных спутников Земли и космических лабораторий осуществляется, как известно, с помощью многоступенчатых ракет (рис. 4). Ракета с помощью двигателей первой ступени поднимается вертикально, преодолевая наиболее плотную часть атмосферы Земли по кратчайшему расстоянию, затем поочередно вступают в действие двигатели последующих ступеней.

Рис. 4. Управление разгоном ракеты.1 — станция, контролирующая направление полета; 2 — станция, контролирующая скорость полета; 3 — многоступенчатая ракета на стартовой площадке; 4 — последняя ступень ракеты; 5 — подъем ракеты; 6 — сброс первой ступени ракеты, 7 — разворот ракеты; 8 — сброс второй ступени; 9— разгон ракеты; 10— заданная траектория последней ступени ракеты.

Так как никакой коррекции движения космических ракет в пути не производится и весь полет их определяется в конечном счете параметрами движения в конце участка разгона, то обеспечение заданных траекторий движения ракет возможно лишь при очень совершенной системе управления ракетами на участке разгона.

Так, например, расчеты показывают, что при отсутствии какой-либо коррекции движения для попадания ракеты на Луну на участке свободного полета погрешность в скорости должна быть не более нескольких метров в секунду, а отклонение угла направления полета от расчетного направления не должно превышать десятой доли градуса. Отклонение же времени старта от намеченного не должно при этом превышать нескольких секунд. Обеспечение такой точности управления представляет очень сложную задачу. Еще более жесткие требования предъявляются к точности системы управления при направлении ракеты по облетной траектории вокруг Луны, которая была выбрана для третьей советской космической ракеты.

Управление ракетами на начальном участке их пути осуществляется радиотехническими средствами. С помощью системы радиотехнических устройств ракета выводится на прямолинейный участок траектории, и после достижения последней ступенью ракеты требуемой скорости двигатели последней ступени ракеты выключаются по команде с Земли.

Кроме того, для осуществления надежной радиосвязи межпланетных станций с наземными наблюдательными пунктами нужно все время достаточно точно знать изменение характеристик движения космических станций. Это необходимо для того, чтобы производить с требуемой точностью расчет и определять моменты включения бортовых радиопередающих устройств. Именно поэтому требовались систематические измерения траектории третьей советской космической ракеты, обработка данных и уточнения характеристик движения станции как до подхода к Луне, так и после ее облета. Влияния Солнца и Луны на изменение орбиты космической станции также требовали постоянного измерения и уточнения характеристик движения станции.

Точные прогнозы движения искусственных небесных тел, расчет их траекторий были бы невозможны без создания и использования измерительной и расчетной служб, применяющих сложный комплекс различных устройств. Определение параметров движения космических ракет необходимо было производить с большой точностью, соответствующей точности астрономических расчетов. Обычные, выработанные многолетней астрономической практикой приемы определения характеристик движения космических тел в данном случае не могли быть использованы. Действительно, основа наблюдательной астрономии — оптические измерения являются непригодными вследствие небольших размеров ракеты как объекта наблюдения, малой точности угловых измерений при ограниченном времени наблюдения и, наконец, малой надежности этих измерений, зависящих в большой степени от условий видимости и состояния земной атмосферы. Поэтому в измерительной службе космических ракет применяются радиотехнические средства измерений.

Для быстрого определения элементов траекторий советских космических ракет использовалась автоматически действующая электронная аппаратура. Данные измерений кодировались счетно-решающими устройствами, привязывались к астрономическому времени и в виде определенной последовательности импульсов поступали по линиям связи в центральный координационновычислительный центр. В этом центре поступающая информация с помощью электронных устройств автоматически декодировалась и записывалась на перфорированных картах, которые в дальнейшем вводились в электронные вычислительные машины. По данным измерений, поступавшим с различных измерительных пунктов, вычислительные машины производили расчет начальных условий движения ракеты и целеуказаний измерительным пунктам. Данные, выдаваемые вычислительными машинами, получались в результате решения ими уравнений, описывающих совместное движение Солнца, Земли, Луны и автоматической межпланетной станции.

Для координации работы измерительных средств по времени и привязки результатов измерений к единому времени использовалась служба единого времени.

Все измерительные пункты были объединены системой специальной связи, обеспечивающей оперативную передачу данных измерений в вычислительный центр и целеуказаний на измерительные пункты.