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». Вниманию читателей представляется окончание его большого эксклюзивного интервью для ФИАН-Информ.
Начало интервью см. здесь и здесь
Мы знаем, что Астрокосмический центр ФИАНа ведёт большие работы по проекту орбитального радиотелескопа миллиметрового диапазона, известного как «Проект Миллиметрон» или «Спектр-М». Каково состояние дел в этом проекте?
Проект идет, и мы над ним активно работаем. Проект «Миллиметрон» у нас уже на стадии ОКР, он оговорен в Федеральной космической программе (в этой программе он называется «Спектр-М»), деньги на него выделяются, хотя часто с заметными задержками.
Когда мы делали «РадиоАстрон», у нас был прямой контракт с Роскосмосом на создание бортового комплекса научной аппаратуры. А ныне у Роскосмоса прямой контракт с НПО им. С.А. Лавочкина (как с головной организацией по всему комплексу), у которого кроме научного комплекса (полезной нагрузки) и модуль, и носитель, и обтекатель, и наземные стартовые средства, и средства радиоконтроля орбиты… То есть, они – головники по всему комплексу, и теперь деньги из бюджета наш АКЦ получает через НПО им. С.А. Лавочкина. Таким образом, получается довольно длинная цепочка прохождения финансовых средств и дополнительная задержка работ.
Проект космического радиотелескопа «Миллиметрон». Источник: technosci.net
Часто именно финансирование является самым проблемным фактором. Учитывая масштаб участия НПО им. С.А. Лавочкина в проекте «Миллиметрон», можно ли говорить, что АКЦ ФИАН финансируется по справедливости?
Ну, иначе нельзя, потому что всё распределение финансов (кому, где и сколько) регламентировано договорными документами. Хотя и бывают накладки организационного свойства. Что касается нас, то мы всегда со своими смежниками расплачиваемся мгновенно. В этом плане к нам никаких нареканий не бывает.
Насколько можно догадываться, «Миллиметрон» по сложности решаемых задач существенно превосходит «РадиоАстрон». Есть ли уже сегодня что-то, чем могут похвастать разработчики «Миллиметрона»?
Проект «Миллиметрон» сегодня, как бы вам сказать… Чем-то хвастать, – я бы не стал. Есть, конечно, множество интереснейших вариантов технических решений, требующих тщательнейшего анализа и подробной проработки.
Основные проблемы проекта – точность поверхности и охлаждение высокочувствительных спектрометров и поверхности антенны до температур уровня 4-5 градусов по шкале Кельвина.
Точность поверхности – это краеугольный камень проекта. Цена вопроса – конечный результат проекта. И если у РадиоАстрона речь шла о точности в 300 мкм, то для «Миллиметрона», при том же калибре антенны (а это параболоид диаметром 10 м), нужна точность не хуже 10 мкм. Как говорится, почувствуйте разницу.
С нами сейчас активно работает специалист из Голландии доктор Тайс де Грау. В прошлом он астроном, потом был одним из ведущих менеджеров Европейского космического агентства, затем был директором международной обсерватории ALMA, в Чили. Я его называю «голландский чилиец» или «чилийский голландец» – в зависимости от контекста. Умнейший, кстати, и опытнейший! Пользуется огромным авторитетом в астрономическом мире. По возрасту, правда, – не мальчик (у них так: 65 стукнуло, и будь здоров, на пенсию, отдыхай). Сегодня он является сотрудником ФИАН и очень активно помогает нам привлечь в проект зарубежных партнеров.
Тут уж он над нами поизмывался! Он ведь очень опытный спец, – проходил через спутники «Планк», «Гершель», поэтому все моменты чувствует не только как астроном, но и как инженер. Он говорит нам: ребята, у вас проблемы. Вот вы заказали себе точность 10 мкм, а это по среднеквадратичному отклонению – плоховато. Современных ученых интересует, чтобы у вас поверхность была не хуже, допустим, 3 - 5 мкм…
И это – на десяти метрах диаметра раскладного радиотелескопа! Это как сделать!? Короче, тут нам всем вместе со смежниками придется изрядно попотеть.
Кроме того, мы живем в условиях земной гравитации. Есть тяготение, есть вес. Из-за веса любой элемент конструкции хоть как-то, но деформируется. А дальше - вопрос его жесткости. А как поймать эти микроны?! Их же надо измерить, и не просто измерить. Ведь при задаваемой точности изделия на уровне нескольких микрон его надо измерять с точностью не хуже долей микрона. Известно же, что измерительный инструмент должен обладать точностью как минимум на порядок большей, чем точность измеряемого объекта. Нельзя же микроны измерять метровой линейкой! Это – то, что касается измерений в наземных условиях.
Получается, что из-за этих пяти микрон под угрозой вся затея?
Нет, конечно. Это, разумеется, весьма серьезная проблема, но ее следует корректно исследовать и понять, действительно ли существует реальная и настоятельная необходимость в точностях такого уровня. На то, чтобы доводить поверхности элементов антенны (а их, в общей сложности, 96 штук разных размеров) до таких точностей, потребуется очень много времени. Например, на сверхточную шлифовку оптических зеркал для телескопов зачастую требуются годы. (!) Сейчас мы работаем над этой проблемой, и я уверен, что тем или иным путем она будет разрешена.
Далее, эти точности должны сохраняться в условиях полета, характерных крайне низкими температурами, и подтверждаться расчётами, ориентированными на эти низкие температуры. Сегодня в научно-технической литературе опубликованы данные о свойствах некоторых материалов при различных температурах. Однако, как правило, эти данные приведены для температур диапазона 80–100 К. Поэтому приходится различными способами проводить исследования свойств материалов, применяемых в конструкции телескопа на эксплуатационном уровне температур.
Конструкцию в чертежах, в металле, в углепластике, в чем угодно, мы заказываем в Красноярске. И это – по целому ряду соображений.
«Миллиметрон» – машина очень большая и сложная, еще больше и сложнее, чем РадиоАстрон. Если у РадиоАстрона имеется «чашка» антенны, и этим дело заканчивается, то у «Миллиметрона», помимо «чашки», есть еще и экраны, чтобы защитить её от тепла, идущего от Земли и Солнца. При окончательном раскрытии «Миллиметрона» диаметр самого большого его экрана 20 метров! (Следует учесть, что, несмотря на то, что с «Миллиметроном» мы уходим от Земли дальше, чем на полтора миллиона километров, Земля все равно добавляет тепловой фон).
Разумеется, чтобы собирать машину таких размеров как «Миллиметрон», необходимо иметь соответствующие помещения, в которых производят отработку крупноразмерных элементов конструкции и сборку всей системы в целом, и в которых, помимо собственно машины, должно размещаться различное технологическое оборудование.
Важно также учитывать, что в сложенном состоянии высота всей машины достигает 20 метров, плюс под ней еще располагается целый ряд структурных элементов.
У красноярцев и здание, и мостовые краны позволяют производить монтажные работы при таких габаритах. Кроме того, красноярцы уже много лет работают с раскладными антенными системами. Правда, системы эти не такие, как у нас. Они не твердотельные, а с использованием сетчатых конструкций. И чтобы эти конструкции раскрыть, нужны специальные так называемые системы обезвешивания. Причём, твердотельные конструкции нельзя раскрывать и закрывать просто так. Это должен обеспечивать соответствующий привод, который в наземных условиях, без весовой разгрузки, должен обладать колоссальной мощностью.
После нашей поездки в Красноярск стало ясно, что эта организация не только имеет огромные помещения с оборудованием, обеспечивающим довольно высокий класс их чистоты, но и обладает высококвалифицированными специалистами как в части создания космических аппаратов, так и в части создания различного технологического оборудования.
Красноярцы показали нам свои системы обезвешивания. На потолке у них установлена специальная структура, которая обеспечивает движение и разгрузку подвижного элемента. Система не только сопровождает раскрываемый элемент по высоте и обезвешивает, она еще и компенсирует погрешности при его движении.
Я думаю, что в части создания таких систем (компенсации весового воздействия) красноярцы на очень высоком уровне. Именно это обстоятельство и заставило нас двигаться к ним, хотя, если посмотреть с позиции оборудования для миллиметрового диапазона радиоволн, у них таких задач ранее не было. Важно, что по конструктиву они очень опытные, и, что немаловажно, у них имеются технические возможности. А это – высокогабаритные здания и сооружения, где можно даже на потолке монтировать что угодно.
Есть еще одно обстоятельство, которое нас также в значительной степени обнадёживает – один из корпусов стоит прямо на скале. А это крайне важно. Ведь, представьте, мы пытаемся проконтролировать поверхность с точностью до микрона, а рядом автомобиль проехал и всё, никакого микрона нам не видать. А если здание стоит на скальной породе, то ему подобные возмутители спокойствия не страшны, разве что по соседству кто-нибудь начнёт забивать сваи…
Такое здание, пожалуй, можно сравнить с огромным прецизионным станком на гранитном постаменте…
Да, только это не прецизионный станок, а сборочный цех для проведения прецизионных работ. Вы не представляете, какие факторы могут неожиданно проявляться. К примеру, мы когда-то замеряли поверхности у «РадиоАстрона» и оказалось, что учли не всё. Как выяснилось, для подобных измерений, изделие надо устанавливать обязательно в помещении без окон, т.к. при попадании солнечного света от пола начинают идти… Вы наверняка видели, как от горячего асфальта поднимается марево? Да, так вот, в нашем случае, от пола пошло такое же марево. А бестолковый робот – лазерный дальномер – тут же зажмурился и сказал: у меня все дрожит в глазах, и работать я больше не буду. И отказал…
Я в свое время здорово намучился с этой сейсмикой. Когда Николай Семенович Кардашёв хотел создать в Троицке, на ФИАНовской территории, цех, где можно было бы проводить наши измерения, я тамошних сотрудников спросил: как здесь с сейсмообстановкой? Выяснилось, что жизнь их к подобного рода проблемам не подготовила, поскольку просто раньше таких задач не возникало.
Но там же лазерщики, они эти задачи решают с лёгкостью. У них там установлены такие массивные оптические столы…
Лазерщик - он хитрый. Он ставит оптический стол, и все элементы выстраивает на одном столе. И если они и будут гулять, то все вместе. А если я поставлю свою систему на обычный фундамент, и у меня опора задрожит, то отклик пойдет по всем элементам, дрожать будет всё! И что я там намеряю?! Кстати, есть под Питером такое место – Сосновый Бор. Там идут отработки оптических систем. Возможно, они работают даже не с микронными точностями, а с долями микрон… Так они все сидят на скалах и, если не ошибаюсь, ближайшая железная дорога у них – в 35 километрах. Они специально ушли от цивилизации, потому что сейсмика в их условиях слишком критична.
Вы в самом начале упоминали, в качестве наиболее важной, проблему глубокого охлаждения приемных устройств и самой антенны телескопа. Как эта проблема выглядит на сегодняшний день?
Нужны криомашины, чтобы захолаживать значительную часть бортового оборудования. Нужно охладить, прямо скажем, немаленькую поверхность. И, хотя остывать она будет и сама, но сама она не остынет до того уровня, который нужен. Она остынет, примерно, до температур 30-400 К. Это плохо, так как будет работать фактор теплового фона самого телескопа. А, значит, мы уже не увидим фон реликтовых излучений, - в шумах всё потонет. Поэтому охлаждать надо до температуры 4 - 50 К. А попробуйте-ка такую антенну захолодить до 40 К! Тут уже пассивными экранами не обойдёшься. Нужны активные устройства рефрижераторного типа. А кто их умеет хорошо делать? Конечно корпорация «Сумитомо», которая в Японии и живет и работает….
Что-нибудь уже определилось в этом направлении? Ведь это – одна из наиболее больших статей расходов, если не ошибаюсь.
Специалисты нашего Астрокосмического центра уже ездили в Японию и вели переговоры с руководством корпорации, в ходе которых обсуждались технические характеристики криомашин, которые производит «Сумитомо». В результате, руководство корпорации проявило большую заинтересованность в участии в проекте «Миллиметрон». Следующий шаг - организация переговоров на уровне космических агентств России и Японии.
Кто готовит основную техдокументацию, АКЦ ФИАН, «Лавочкин» или Красноярск?
Как я уже сказал, основную конструкцию «Миллиметрона» мы будем делать в Красноярске. Мы поручаем красноярцам разработку документации, изготовление всех элементов конструкции и сборку всего комплекса бортовой научной аппаратуры, а готовое изделие и ответственность – за нами и, как говорится, - по всей строгости закона. При этом, все основные предварительные расчеты и анализ вариантов конструкций элементов телескопа уже выполнены сотрудниками АКЦ.
Вот, собственно, в таких условиях приходится существовать и работать, чтобы летать выше и дальше всех и обеспечивать мировую науку достойными инструментами для изучения Вселенной.
В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»
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». Вниманию читателей представляется продолжение его большого эксклюзивного интервью для ФИАН-Информ.
Начало интервью см. здесь
А по топливу у Радиоастрона ресурс на сколько рассчитан?
На пять лет. Но это - ресурс по топливу, который рассчитан не только на задачи коррекции. Вы с релейными системами управления как-то знакомы?
Ну, примерно представляю.
Ну, в двух словах. Вот ваше заданное положение в пространстве, а это ваша скорость. Ваше идеальное положение – стоять, как гвоздями к небу прибитым, вот в этой точке. Но ведь так не бывает. Тем более в линейной системе, может быть, вы в это состояние и загоните, но вы обязательно все время будете там как-то «дрожать». И это будет требовать больших энергетических затрат. Но есть простой выход. У вас по углу организуется некая зона нечувствительности, и вы разрешаете аппарату по этой оси немножко гулять. Вот если это – объект наблюдения, то я ему разрешу уходить, грубо говоря, на одну-на две угловых секунды сюда и на две угловых секунды в эту сторону. Таким образом, у меня здесь есть свобода движения, - я ему разрешаю. И задаю ему какую-то маленькую допустимую скорость. Таким образом, я могу сказать, что в этой зоне аппарат у меня не управляется. Он тут дрейфует, как хочет, как ему нравится.
У вас всегда будет существовать некий возмущающий момент. В качестве примера - солнечное давление. Оно всегда будет утаскивать вас куда-то на край. В этот момент должно что-то сработать и толкнуть его в обратную сторону. Всё это в теории управления называется предельным циклом.
В старые времена, это движение - толкнуть в обратную сторону - выполняли газовые активные «сопелочки». Они работали на азоте. То есть система дошла до края, чихнула, толкнулась в обратную сторону и поплыла. До другого края дошла, чихнула и пошла в обратную сторону. Это, так называемые, автоколебания, колебания в предельном цикле. И это - штука довольно расходная. Почему азот использовался? Он использовался только потому, что не люминесцирует под солнечными лучами. В противном случае оптические датчики могут за облачко выброшенного газа как за собственным хвостом гоняться. Датчики спутают его со звездой, и вся система пойдёт гулять за облачком.
Азот закачивают под очень высоким давлением, а там начинается: редуктор понижающий, трубки проводящие, клапан один, клапан другой…. Итого - на 7,5 кг азота набирается 12,5 кг металла. А на долгую жизнь станции этого азота надо много. Это какой же дополнительный вес получается! И при всём этом очень хочется иметь, как бы выразиться, - нежное управление. Потому что, при управлении газовыми органами, чихнул – и все начинает гулять, звенеть и колебаться. Пока эти колебания продолжаются, происходит переход энергии в тепло, которое рассеивается на упругих элементах конструкции.
Поэтому сейчас используются электромаховичные исполнительные механизмы. Не следует путать с гироскопом. Это - просто хорошо раскрученная масса.
|
|
Ну, гироскопический эффект все равно там обязательно будет…
Да, некоторый эффект там есть. Маховик может считаться аналогом гироскопа, потому что тоже стремится сохранить свое положение в пространстве. Но цель управления вот какова. Почему на велосипеде люди всегда боялись пользоваться передним тормозом? Потому что если на высокой скорости с его помощью затормозить, то, мало того, что существует инерция поступательного движения велосипеда, есть ещё и инерция относительно точки, вокруг которой он может кувыркнуться, и… раскрученная масса переднего колеса. Если её тормозом зажать, то её кинетический момент перейдёт на всю структуру велосипеда. Это даст дополнительный опрокидывающий момент велосипеду. Дальнейшая картина известна.
Вот этот принцип и заложен в наши маховики. Именно - маховики. Можно вспомнить маховики, используемые на заводских электрокарах. Маховик раскрутили, потом начинают фрикционом притормаживать. Куда он отдаст свою энергию? В движение электрокара. Вот так и в нашем случае. Если маховик начать притормаживать, то доля его кинетического момента перейдет на аппарат. А поскольку возмущающий момент действует постоянно, то вы постоянно будете маховик притормаживать.
Но вот, наконец, он потерял всю энергию и остановился. Тогда его непременно надо опять раскрутить. И для того, чтобы эту процедуру провести, надо опять включать эти газореактивные исполнительные органы. Они позволяют, хоть и с худшей точностью, но сохранить ориентацию аппарата в пространстве, не теряя звезды, не теряя Солнца.
И применение ваших маховиков можно квалифицировать как достижение?
Это давно известный принцип управления, который массово применяется в системах управления, - достижение не нашего радиоастрономического прибора, а скорее атрибут системы управления космическими аппаратами.
Вы собирались ещё что-то рассказать о каркасе лепестков, формирующих рабочую поверхность рефлектора космического радиотелескопа…
У нас были очень жесткие требования к кручению этого каркаса. Каркас состоит из трех углепластиковых труб, которые друг с другом соединены титановыми фитингами. Мы их подбирали так, чтобы, если одна труба при повышении температуры закручивается по часовой стрелке, то другая труба закручивалась бы против, компенсируя первую. Допустимые пределы кручения были очень жестко регламентированы. А поскольку это не серийное производство, то всё, естественно, идет на уровне ручной выкладки. Общеизвестно, что в подобных случаях на станке идеально этого добиться невозможно, а уж вручную…. После того, как нам эту трубу сделали, мы её испытывали то на нагрев, то в холодильной камере. И тогда выяснилось, что часто эта крутка превышает допуски. Но у нас работает В.Н.Пышнов - талантливый специалист, кандидат наук, специалист как раз вот по таким углепластиковым вещам. Он рассчитал, что если на эту трубу с внешней стороны наложить под определённым углом углеродную ткань, то с помощью перетяжки этой ткани можно эту скрутку скомпенсировать. Трубу по этому расчёту проверили экспериментально и попали, практически, в ноль. Шесть труб, «вылеченных» таким способом, проверили и убедились в корректности расчетов. После этого, остальные, подвергнутые «лечению», даже проверять не стали. В результате, сейчас в космосе, все углепласитковые элементы ведут себя замечательно.
Получается, что вы нашли решение одной из ключевых проблем практически бесплатно? Уместно вспомнить известную притчу, когда американцы, кажется в НАСА, запросили много миллионов долларов на разработку пишущего узла для космонавтов, в то время как наши, не заморачиваясь, использовали …
Карандаш. Конечно. Это известно. Но принятое решение по «лечению» углепластиковых элементов оказалось не простым и не бесплатным.
Вот цветастенькие картинки – графические представления корреляционной обработки информации, полученной как от космического радиотелескопа, так и от наземных радиотелескопов. На этом изображении карта с размещенными на Земле радиообсерваториями на разных континентах. Мы проектировали и строили нашу станцию очень-очень долго. Слишком долго. Международная кооперация, которая была создана под этот проект, постепенно развалилась. Однако, вопреки ожиданиям, за год – за два до запуска, у нас в проекте определилось штук пять или шесть крупных наземных обсерваторий, которые готовы были участвовать в наблюдениях. Они нам ничем не помогали – ни деньгами, ни аппаратурой. Они просто пошли вместе с нами, начали исследования, после чего свои записи передали нам, а наш корреляционный центр их обрабатывает. После чего и появляются картинки этих замечательных «эйфелевых башен», как я их называю, - диаграмм корреляционных откликов. Кстати, если на момент запуска аппарата 5 или 6 наземных обсерваторий выразили готовность к участию в научных исследованиях, то сейчас более 20 радиотелескопов активно подключились к исследованиям. Дело дошло до того, что коррелятор…
Да, мы их давали в своих публикациях о проекте. Вот, кстати, у вас гиннесовский сертификат висит на стене, и его мы тоже недавно давали.
Ну, это такой, я вам скажу, сертификат… Кто-то проглотил самую толстую сосиску не прямо, а поперёк, кто-то вырастил ногти длиной три метра… В этом смысле к Гиннесу я отношусь с определённой долей юмора. Хотя речь, действительно, идёт о самом крупном внеатмосферном телескопе, не имеющем аналогов. Другое дело, - Гиннес все рекорды сваливает в одну кучу… возможно, в алфавитном порядке...
Хотелось бы спросить вас, что ещё можно раскрыть для широкой аудитории из ваших передовых разработок? Ну, которыми можно было бы блеснуть…
Ну, блеснуть можно, пожалуй, вот чем. Мне это кажется существенным. Радиоастрон - это штука очень недешёвая. Её жизнь на орбите спутника Земли и обслуживание этой жизни - тоже недешёвое. Учитывая размер параболической антенны, через которую сбрасывается на Землю научная информация, высоту орбиты, на которой работает космический радиотелескоп, мощность и частоту бортового передатчика, нужно было создать систему, которая с гарантией обеспечивает наведение этой параболической остронаправленной антенны на наземный пункт приема информации – на наземную станцию слежения. При этом должно учитываться постоянное изменение положения космического аппарата на орбите и угловое положение аппарата в пространстве, соответствующее наведение радиотелескопа на исследуемый в текущий момент источник. Такая система наведения параболической остронаправленной антенны на наземный пункт приема информации (а их два, - один в Пущино, недалеко от Москвы, второй - в США) создана и надежно функционирует.
Когда были опубликовали параметры антенны космического радиотелескопа, китайцы, решив, что это делали на одном из красноярских предприятий, занимающемся спутниками связи, захотели заказать у них такую же антенну. Те им ответили, что не имеют к этому никакого отношения и перекинули их к нам. Мы тоже сказали, что да, – это мы, но платило за эту разработку государство, и мы не можем вам ее продать просто так. Обращайтесь в Роскосмос, пускай они решат, так как это их собственность. И интеллектуальная, и материальная. Вот какой международный резонанс проявился. Оказывается, кому-то могут понадобиться такие антенны для связи, для ретрансляции или ещё для чего-то. Задачек можно придумать достаточно много. Но я хочу подчеркнуть вот что. Тот резонанс, который мы получили после публикации первых интерференционных откликов, привел к тому, что вместо пяти – шести крупных обсерваторий, на которые мы изначально рассчитывали, к нам пришли тридцать. В результате, нам сейчас приходится катастрофически расширять объем архива. Сеансы идут ежедневно. Точнее, - по нескольку сеансов в день. Согласно отчётности, за первую половину 2013-го года, средствами только одной станции слежения, в Пущино, в общей сложности, проведено 260 сеансов. А полгода – это, примерно, 175 дней. Кроме того, 210 сеансов провели американцы. Значит, всего - 470, вот вам и полтысячи сеансов за полгода. Понимаете, это же колоссальные объемы информации! Поэтому, не успевая всё обрабатывать, мы вынуждены её накапливать для последующей обработки. К сожалению, подключение большого числа обсерваторий произошло уже на довольно солидном сроке жизни аппарата, а гарантийный ресурс для него - три года.
Это вы заявляли три, а в реальности на сколько можно рассчитывать?
С доведением до пяти лет. Но по паспорту у нас три. А, значит, согласно техзаданию, Радиоастрон, в августе этого года, грубо говоря, имеет право на отказ. Очень надеемся, что этого не будет, поскольку сегодня никаких тревожных событий на борту не происходит.
То есть, de facto, если он до августа дорабатывает, то вы можете ходить в лавровом венке, а всё остальное – уже довесок?
Вряд ли я надену лавровый венок. Но, всё остальное - это плюс. Я могу сказать, что, например, первый Луноход был рассчитан, вообще на одну лунную ночь. А он превысил свой ресурс в разы. Правда, второй, более поздний аппарат, прожил меньше, но дело не в этом. Главное - это то, что стало участвовать много телескопов. Более того, как я уже говорил, у нас появилась вторая станция слежения. За счет этого мы увеличиваем продолжительность сеансов наблюдения. Потому что, когда наша подмосковная станция слежения, в Пущино, не видит аппарат, то ее видят американцы. Нам бы еще третью станцию где-нибудь в Австралии, в южном полушарии, привлечь. Ну, да ладно, в конце-концов американцы предоставили нам свои антенные средства.
Крым участвует?
Крым активно участвует, в Евпатории - большая антенна под названием П2500. Это параболическая чашка 70 метров диаметром - целый стадион. Но она у нас не работает как станция слежения. Она ведь изначально была построена как центр дальней космической связи. Она работала всегда с аппаратами классов «Марс», «Венера». Она туда дает команды, оттуда приходит телеметрия. Но это просто потому, что дальность сумасшедшая. Кстати говоря, из-за дальности, и скорость передачи информации, и потенциал у нее очень слабый. Когда у нас в Советском Союзе всё рухнуло, ее, по каким-то там соглашениям, стали использовать только «на подгляд». То есть она могла только принимать. Сейчас эта антенна используется как наземный телескоп с хорошим качеством.
У нас, неподалеку от Москвы, в Калязине, работает наземный телескоп, он несколько меньше крымского. Это П1500, у него диаметр 64 метра. Система пассивная, никаких команд не выдает, работает только на прием, смотрит на один и тот же объект совместно с космическим телескопом.
Что характерно, ваш аппарат на всех снимках, всегда смотрелся очень эффектно…
Наверное, да. Вы знаете, когда инженеры смотрят на что-то, то иногда говорят: слушай, а красивая штука получилась…
Так вот, я считаю, что когда штука красивая, то, скорее всего, она правильная.
Кстати, и Туполев так говорил. Сразу предсказывал: полетит – не полетит.
Да, он тоже так говорил. Потому что, если штука выглядит коряво, – ей не летать.
Очевидно, есть какие-то законы гармонии, которые должны учитываться и в инженерных решениях.
Наверняка есть. Я в этом даже не сомневаюсь. Это просматривается даже в математических формулах. Иногда смотришь, как формула выглядит с позиции красоты. Бином Ньютона, например. Он - очарователен, он простой, он прекрасно воспринимается в любом виде – в квадратном, в кубическом. И он понятный. Формула вся симметрична, даже когда вы его в пятую степень возводите. Это и есть – гармония!
Продолжение следует...
В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»
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»