Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Новое чаще всего появляется на стыке наук и технологий, поэтому синтез оптики и электроники в интегральной оптоэлектронике сулит еще немало нового и интересного.
12. КОСМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
В этой главе мы не будем обращаться к истории, поскольку космическая эра продолжается всего три десятилетия, а расскажем о том, как радиоэлектроника, которой стало тесно на огромной Земле, завоевывает просторы Солнечной системы. О том, как «электронные глаза» смотрят на другие планеты, как «электронные руки» трогают их поверхность, как «электронный мозг» обрабатывает полученные сведения и «электронная почта» передает их нам, построившим и пославшим чудесных космических разведчиков к другим мирам. Расскажем также о создании космических радиомостов, космическом телевидении и о поиске полезных ископаемых на Земле с помощью космических аппаратов.
Оборудование космических аппаратов
Какое оно? Если попытаться охарактеризовать его одним словом, то это слово наверняка будет: «электронное». Вообще, выход в космос человечеству обеспечили два направления науки и техники: ракетостроение и радиоэлектроника. Отними первое, и окажется, что нечем вывести космический корабль на орбиту, отними второе, и окажется, что незачем! Любой космический аппарат будет мертв без электроники. Вспомним, что было на первом советском искусственном спутнике Земли (ИСЗ), открывшем космическую эру 4 октября 1957 года. Всего лишь два радиопередатчика на частотах 20 и 40 МГц. Они излучали непрерывно периодические сигналы: «бип…бип…бип». Весь мир слушал, затаив дыхание, эти сигналы. Ну а какова была практическая польза? Оказывается, огромная. Впервые коротковолновый излучатель был поднят на высоту слоя F ионосферы. Представилась уникальная возможность экспериментально изучить процессы распространения и преломления радиоволн в ионосфере. На первом спутнике не было систем ориентации, терморегулирования, телеметрии (кстати, все эти системы тоже электронные), тем не менее он жил, посылал радиосигналы и приносил полезную научную информацию.
Неотъемлемую часть радиоэлектронной аппаратуры каждого космического летательного аппарата (КЛА), будь то ИСЗ или исследовательский межпланетный корабль, составляют средства связи, управления, навигации и ориентации. К средствам связи прежде всего относятся телеметрическая и командная радиолинии. Они действуют обычно в дециметровом диапазоне радиоволн, беспрепятственно проходящих сквозь ионосферу Земли. По командной радиолинии с наземных станций управляют работой аппарата. Команды передаются, как правило, цифровым двоичным кодом с использованием фазовой манипуляции. Такой вид связи наиболее помехоустойчив. На КЛА имеется приемник, постоянно настроенный на волну командного передатчика, установленного на Земле. Выходные сигналы приемника передаются в блок управления КЛЛ.
Телеметрическая информация поступает с КЛЛ в наземные пункты слежения и позволяет узнавать состояние аппарата: напряжение бортовой сети, температуру внутри корпуса, а также отдельных деталей и механизмов, выявлять неполадки в работе различных систем и т. д. Датчиков в системе телеметрии много, а передатчик один, поэтому телеметрическая информация преобразуется в цифровую и «уплотняется», т. е. объединяется для передачи по одному каналу. Например, первый байт (слово) цифровой передачи несет информацию об одном параметре, второй — о другом, и т. д.
Но нет смысла заставлять работать телеметрический передатчик КЛА постоянно. Это привело бы к большому расходу электроэнергии. Чаще всего телеметрическую информацию записывают на цифровой бортовой магнитофон (запоминающее устройство) и «сбрасывают» на Землю лишь по команде из Центра управления полетом. Этот же магнитофон может накапливать и другую информацию от различных датчиков-магнитометров, счетчиков частиц и микрометеоритов, спектрометров и др. Особо возрастает роль радиоэлектронных устройств при выполнении точных и ответственных операций в космосе, например, таких, как стыковка космических кораблей на орбите. Взаимное расположение кораблей определяют с помощью специальных бортовых радиолокаторов. ЭВМ обрабатывает полученные данные и выдаст управляющие сигналы для систем коррекции орбиты.
Если космический корабль обитаемый, то на нем обязательно есть линия телефонной связи с Землей, а на больших обитаемых орбитальных станциях — еще и система космического телевидения. Эти системы оснащаются, как правило, несколькими передатчиками и приемниками, работающими в различных диапазонах волн. Для связи в любое время с ИСЗ, находящимся на низкой орбите, необходима коротковолновая линия связи. А для высококачественной связи без помех или для передачи телевидения лучше всего подходят сантиметровые и дециметровые волны, но работать эта линия будет только в пределах «радиовидимости» ИСЗ с наземного пункта связи. По этой причине пункты космической связи в нашей стране располагают но всей ее огромной территории. Их даже не хватает, и часто используют корабли с соответствующей аппаратурой, выходящие в Тихий, Атлантический и Индийский океаны.
Принцип работы дифференциального датчика Солнца:
1 — светочувствительные пластины; 2 — область тени; 3 — экран; 4 — поток солнечных лучей; 5 — Солнце
Особые линии связи нужны спутникам, передающим на Землю научную, метеорологическую или народнохозяйственную информацию. Она накапливается бортовым магнитофоном и передается в центр обработки по команде с Земли. Сколь выгодна передача этой информации по радиоканалу, можно понять на простом примере.
Если на ИСЗ установить аэрофотокамеру с запасом пленки и снимать поверхность Земли, а затем контейнер с пленкой «отстреливать» и спускать на Землю на парашюте, то каждый снимок обойдется очень дорого. Если же передавать такую же информацию по радиоканалу (как в телевидении, с разверткой изображения), то каждый снимок будет значительно дешевле. И чем дольше проработает спутник, тем дешевле станет и передаваемая им информация. Не по «собственной» стоимости, конечно, а по затратам на ее добывание и пересылку.
Ориентация КЛА в пространстве осуществляется по сигналам датчиков направления. Они могут ориентироваться либо на горизонт Земли или планеты, вокруг которой обращается КЛА (датчики горизонта), либо на Солнце, либо на заранее выбранную звезду (датчики астроориентации). Работа датчиков горизонта основана на приеме ИК излучения планеты. Кажущаяся температура космического пространства составляет всего около 4 К (четыре градуса по шкале Кельвина), а температура диска Земли около 260 К. В фокусе ИК оптической системы, направленной на горизонт, установлен ИК приемник, например терморезистор. Его сопротивление изменяется при попадании в поле зрения края диска планеты, и соответствующий сигнал подается на механизмы поворота КЛА.
Датчик астроориентации также представляет собой типичное оптоэлектронное устройство. Изображение светила проецируется телескопической системой линз на мозаику из нескольких фотоприемников. В зависимости от положения изображения на мозаике вырабатывается сигнал на коррекцию положения КЛА. В других системах используют один фотоприемник, механически сканирующий определенную часть небосвода. Вырабатываемый сигнал ошибки заставляет систему ориентации изменять положение КЛА так, чтобы изображение светила попадало в центр поля сканирования. Все задачи управления полетом решаются системой управления КЛА. Здесь и ориентация, и стабилизация осей КЛА в пространстве, и наведение, и маневрирование при встрече с другим космическим кораблем или объектом, и включение систем и механизмов по заданной программе, и многое-многое другое. Управляющее устройство должно сравнивать сигналы датчиков, характеризующие те или иные параметры полета, с эталонными, опорными сигналами и выдавать команды на необходимую коррекцию. С этой задачей лучше всего может справиться бортовая ЭВМ, выполненная на основе микропроцессора. Теперь она есть на каждом КЛА.
Оборудование системы ориентации метеорологического спутника:
1 — солнечная бленда ИК датчика; 2 — панель с солнечными элементами; 3 — ИК датчик горизонта; 4 — датчик Солнца; 5 — контактные кольца вала солнечных панелей; 6 — инерциальный диск; 7 — солнечный датчик системы ориентации панелей; 8 — вал солнечных панелей
Автоматические межпланетные станции
Наиболее сложным и многообразным радиоэлектронным оборудованием оснащены автоматические межпланетные станции (АМС), совершающие далекие «прогулки» в пределах нашей Солнечной системы. Автоматические межпланетные станции, как правило, уже не возвращаются на Землю, поэтому вся обширнейшая информация, которую они собирают в продолжение многомесячного полета, передается только по радио.
