Рубрика:
ФИАН И КОСМОС. БЕСЕДЫ С ТЕМИ, КТО СМОТРИТ ВЫШЕ И ДАЛЬШЕ ВСЕХ
Н.Г.Бабакин – главный конструктор Астрокосмического центра ФИАН, кандидат технических наук, участник больших космических проектов ФИАНа, таких как «РадиоАстрон», «Миллиметрон». Его большое интервью для агентства ФИАН-Информ невозможно было вместить в формат одной публикации, поэтому планируется опубликовать с продолжениями.
Николай Георгиевич, скоро три года как в космосе летает «Спектр Р», который мы, в ФИАНовских кругах, привычно называем РадиоАстрон. Как там ему летается, что с орбитой?
Летается «Радиоастрону» вполне благополучно, не сглазить бы. Орбита у него девятисуточная, высокоэллиптическая. Земля находится в одном из фокусов этого эллипса. И получается так, что спутник перицентр орбиты проходит довольно быстро, а потом достаточно долго находится на значительном удалении. Поскольку Земля вращается, то сперва один наземный телескоп видит объект исследования, затем его место занимает второй телескоп, далее третий, четвертый и т.д. Таким образом, можно один объект можно исследовать орбитальным телескопом и несколькими наземными телескопами, организовав цепь длительных многочасовых наблюдений. Многое зависит от характеристик объекта исследований – некоторые слабые объекты надо наблюдать долго, другие объекты более мощные – можно наблюдать не столь долго, с тем, чтобы процесс обработки накопленной информации был не очень трудоёмким.
Тонкость идеи проекта заключается в организации одновременных наблюдений несколькими телескопами, разнесенными по дальности на расстояния, многократно превышающими размеры Земли. Это обстоятельство приводит к тому, что разрешение и чувствительность такого гигантского исследовательского инструмента во много раз выше, чем реализуемые только наземными средствами.
Прелесть орбиты РадиоАстрона с многотысячной высотой апогея как раз и заключается в том, что орбитальный радиотелескоп удаляется от наземных на очень большие расстояния.
Заявляли триста тысяч километров…
Больше, орбита почти до Луны. Высота апоцентра достигает 350 тысяч километров. При этом орбита все время несколько «дышит», поскольку ее постоянно возмущает Луна. Есть определённый плюс в том, что орбита «дышит», т.к. в результате этой эволюции орбиты оказываются возможными наблюдения астрономического объекта с различных направлений и, в конечном итоге, корректно определить его координаты на небесной сфере и построить его изображение.
Давайте поговорим о том, на каких частотах, на каких длинах волн идёт работа.
Ну, об этом можно сказать следующее. Всё зависит и от прозрачности атмосферы для разных длин волн, и, соответственно, от возможности наземных телескопов, которые в каком-то диапазоне видят лучше, а в каком-то хуже. Где-то атмосфера мешает больше, где-то меньше. Поэтому диапазоны наблюдений назначаются самими астрофизиками, которые изучают тот или иной объект, или, как принято говорить, источник. Это целиком их прерогатива и мы в этот вопрос не вмешиваемся. Они нам говорят: четыре диапазона – мы в них и работаем. Причём, немножко похвастаюсь, оказалось так, что поставив на Радиоастрон четыре приемника на четыре диапазона, мы тем самым обеспечили возможность работать с множеством телескопов.
Проекту Радиоастрон до момента запуска было более 25 лет. Вы с самого начала на проекте?
Я пришел на должность ведущего конструктора (сегодня эта должность называется рroject manager) в НПО имени С.А. Лавочкина, где проработал в общей сложности 30 лет. Под моим наблюдением оказалось три проекта. Все три проекта назывались «Спектрами»: «Спектр Р» – это РадиоАстрон, для исследований в радиочастотных диапазонах; «Спектр УФ» – для ультрафиолетового диапазона и «Спектр РГ» – для исследований рентгеновского и гамма-излучений.
Я на эту должность попал на этапе завершения формирования постановления Совмина СССР в 1986 году. Вышел на работу в самом начале 1986 года и буквально сразу был вынужден поехать в командировку, в связи с пролётом кометы Галлея. (Я же до назначения почти 20 лет работал в отделе динамики космических аппаратов, и мне нужно было отследить, как аппарат переживёт бомбардировку от хвоста кометы). Кстати, аппарату крепко досталось от этой бомбардировки.
А что касается «РадиоАстрона», то его техническое воплощение началось в 1986 году, и с самого начала пошло не очень резво. Девяностые годы, как вы понимаете, вообще можно выкинуть. То есть деньги, конечно, были, но только на то, чтобы научные и инженерные коллективы держались и не разбежались. Ясно, что ничего путного в таких условиях сделать было нельзя. Начиная с двухтысячных годов, работа пошла очень интенсивно. К примеру, в 2003 – 2004 годах появился полигон, который был специально сделан для радиоастрономической проверки нашего телескопа. В Пущино были построены корпус и откатной павильон, он там стоит до сих пор.
Мы отработали технологический макет космического радиотелескопа по калибровочным радиоисточникам – реальным звездам и определили диаграмму направленности антенны. Правда, делали это на одном частотном канале – нам этого было достаточно. Мы сразу поняли, что аппаратура работает, что антенна имеет ту диаграмму, на которую мы и рассчитывали, тем самым подтвердились радиотехнические параметры антенн.
При этом, правда, было много всякого. Дело в том, что для повышения чувствительности радиоприемных устройств их, как правило, охлаждают, т.к. в этом случае собственные шумы аппаратуры становятся заметно ниже и повышается чувствительность радиотелескопа. В этом случае на фоне шумов естественных и шумов аппаратуры легче выделяется сигнал исследуемого источника электромагнитного излучения. Для этого мы много поработали с фокальным узлом, где установлены малошумящие усилители принимаемых сигналов – сделали специальный радиопрозрачный кожух из пенопласта, внутри которого разместили систему охлаждения, заправляемую жидким азотом. И пока этот азот испаряется эта система терморегулирования, обеспечивала приемлемый уровень температур. По другому на Земле вне специальных камер этого достичь нельзя – слишком мощный тепловой фон.
А какая там температура требуется?
В условиях полигона нам удалось достигнуть уровня около минус 90 °С. В условиях космического пространства малошумящие усилители штатно работают при температуре минус 110...120 °С. Нам хотелось бы дойти до более низких уровней температур, но, к сожалению, не все и не всегда получается так, как хочется. И, тем не менее, результаты получились достаточно хорошими.
Что еще было? Из инновационного.
Инновационного было довольно много. В период, когда делался этот проект, было довольно трудно добиться стабильности формы антенны, – чтобы она не менялась в связи с изменениями собственной температуры. Самая короткая длина волны у неё 13,5 мм (кстати, у астрономов принято обозначать в сантиметрах, т.е. – 1,35 см). Специалисты знают, согласно теореме Котельникова, точность антенны должна быть не хуже 1/32 части длины волны. Добиться такого среднеквадратичного отклонения поверхности складного параболоида антенны 10-метрового диаметра было непросто. Поэтому мы ушли на уровень максимально допустимого отклонения. В эксплуатационных условиях это 2 мм – почти 1/8 длины волны. Но это – 2 миллиметра максимального искажения, на тот случай, когда антенна с какой-либо стороны окажется подсвеченной и подогретой Солнцем, а абсолютно идеальную теплозащиту сделать невозможно. Поэтому пойдёт какое-то температурное искажение поверхности – температурные деформации. Поэтому мы сказали: ладно, на эту эксплуатационную температурную деформацию в условиях полета мы отдаём миллиметр. На максимальное отклонение в земных условиях, например, когда мы аппаратуру предъявляем заказчику, оставили один миллиметр. А что такое один миллиметр в максимуме? Это значит, что среднеквадратичное отклонение по всей поверхности рефлектора – около 0,3 мм. Представьте, 0,3 мм на 10-метровой чаше! Нам удалось в это уложиться.
Что ещё интересного с точки зрения новизны. Например, интересна композиция слабо деформируемого материала. Лепестки складного рефлектора, которые формируют сам рефлектор, их оболочки, – всё это сделано из трехслойного углепластика – две обшивки, между которыми размещен слой алюминиевых сот. В результате получается хорошая трехслойная структура, с которой можно работать.
Лепестков всего – 27. Тоже, наверное, удивительно – почему именно 27, а не 36? Ведь делить окружность на 36 частей проще? А 27 потому, что именно при таком количестве лепестков, в сложенном состоянии, всё изделие может поместиться под обтекатель ракеты-носителя.
И антенна сохраняет свойства при любых температурах? То есть ее можно подрегулировать, и она будет сохранять свои характеристики?
Все высокоточные регулировки профиля рефлектора и установка облучателей в фокусе параболоида проводились на специально созданных стендах с применением систем обезвешивания – устройствах, минимизирующих гравитационное влияние Земли на форму каждого из элементов рефлектора.
В условиях космического полета регулировки невозможны – на такую орбиту нельзя послать космонавтов для выполнения регулировочных операций.
Поэтому мы и рассчитывали на специальную выкладку углепластиков, с тем, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузок, чтобы не было никакой доминанты в каком-то направлении, и на сохранение проведенных в наземных условиях регулировок в условиях космического пространства.
Что еще интересного было сделано. Принципиально космический радиотелескоп установлен на модуле служебных систем. Набор служебных систем в модуле – стандартный. Это системы электропитания с солнечными батареями, система управления и ориентации, система бортового радиокомплекса, через который надо команды подавать на борт, получать телеметрию с борта и т.д.
А где размещены гироскопы?
Они входят в состав системы управления и ориентации космического аппарата. Это называется «Бортовой управляющий комплекс». Там есть так называемый ГИВУС – гироскопический интегратор вектора угловой скорости – слабо дрейфующая аппаратура. Она дрейфует как и любой гироскоп. С помощью астродатчиков осуществляется наведение на опорные звезды (вовсе не те, которые исследуются космическим радиотелескопом) в результате аппарат совершенно четко по этим звездам ориентирован в пространстве. Но он иногда «закрывает глаза», оставаясь на одних гироскопах. Эти «глаза» через некоторые интервалы открываются, вносятся поправки в наведение, и они опять «закрываются». В этом – специфическая логика работы этого комплекса. Но надо понимать, что оси оптических датчиков, с помощью которых наводится аппарат на опорные звезды, – это система координат, в которой положение диаграммы направленности радиотелескопа может не соответствовать направлению на исследуемый объект. Для согласования этих положений проводятся специальные сеансы юстировки, в ходе которых определяются расхождения осей астродатчиков и диаграммы направленности бортового радиотелескопа. Введением поправок в астродатчики эти систематические расхождения осей учитываются.
Но существуют, хоть и малые, температурные случайные деформации. Для того, чтобы максимально сократить цепочку, на которой могут набегать эти температурные деформации, комплекс оптических приборов расположен не на модуле служебных систем, хотя функционально и принадлежит этому модулю, а непосредственно на конструкции радиотелескопа в месте, максимально приближенном к рефлектору. Это было настолько удачным решением, что мы сегодня можем наводиться с действительно хорошими точностями.
И вам, практически, нет надобности в специальной коррекции орбиты?
Ну, орбита – это что? Это её наклонение, это высота перицентра, долгота восходящего узла, еще что-то... А, в принципе, всё решается в системе трех тел – Земля, Луна и сам аппарат. Правда, там ещё полно других факторов, где-то Солнце, где-то Марс проходит. Пускай слабо, но они тоже будут возмущать орбиту и ее все-таки надо иногда корректировать. В составе модуля служебных систем, есть специальная корректирующая двигательная установка, для того, чтобы создать импульс тяги, который по законам механики изменит вектор скорости аппарата. Величина приращения скорости зависит от развиваемой двигателем тяги, массы аппарата, времени работы двигателя и направления действия вектора тяги. Вообще управлять такой разлапистой 10-метровой конструкцией не так-то просто. У нас только МИР был соизмерим. Сейчас – МКС. То есть на сегодня РадиоАстрон, на мой взгляд, один из крупнейших спутников Земли, работающих в интересах мирового научного сообщества в сфере фундаментальных астрофизических исследований.
На текущий момент в научных исследованиях, проводимых в рамках проекта «Радиоастрон» с использованием космического радиотелескопа, принимают участие более 30 крупнейших радиотелескопов и обсерваторий мира.
Продолжение следует...
В.Жебит, АНИ «ФИАН-информ»