2.4 Применение лазеров

Появление лазеров сразу оказало и продолжает оказывать влияние на различные области науки и техники, где стало возможным применение лазеров для решения конкретных научных и технических задач. Проведенные исследования подтвердили возможность значительного улучшения многих оптических приборов и систем при использовании в качестве источника света лазеров и привели к созданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры, быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики. Уникальные свойства лазерного излучения обеспечили значительный прогресс или привели к совершенно новым научным и техническим решениям. Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, инициировании химических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно, выделить применение лазеров в голографии. Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и размерная обработка различных деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной технике. Направленность лазерного излучения, его малая расходимость применяются при провешивании направлений (в строительстве, геодезии, картографии), для целенаведения и целеуказания, в локации, в том числе и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в космических системах связи.

2.5 Космические системы связи

В космосе широко используются системы связи самого различного назначения: для передачи информации, для передачи сигналов команд и управления космическим аппаратом, для проведения траекторных измерений. Без систем космической связи не может обойтись ни один космический аппарат. Более широко используется радиосвязь, но в ряде случаев применяется и оптическая связь.

Системы космической связи можно разделить по направлению связи на три вида:

1) между земными пунктами связи и ИСЗ или другими КЛА;

2) между двумя или, — несколькими земными пунктами связи через какие-либо аппараты или искусственные средства, расположенные в космосе;

3) между КЛА.

Рис.3. Принцип действия спутниковой системы связи

В зависимости от назначения линии связи, типа и назначения КЛА скорости передачи информации и применяемые средства могут быть резко различны. Например, значительно различаются линии связи земной пункт — ИСЗ на низкой орбите и земной пункт — дальний межпланетный КЛА. Для связи с ИСЗ характерны: большая скорость изменения направления связи, весьма малое время взаимной видимости, относительно небольшие дальности и соответственно достаточно большие уровни сигналов; для связи с дальними КЛА — крайне малые уровни принимаемых сигналов, но значительно большее время взаимной видимости, поскольку изменение направления земной пункт -дальний КЛА определяется в основном скоростью суточного вращения Земли.

Основные особенности космических систем связи, отличающие их от наземных систем связи: непрерывное (часто весьма быстрое) изменение положения КЛА; необходимость знания текущих координат КЛА и наведения приемных и передающих антенн земного пункта связи на заданный КЛА; непрерывное изменение частоты принимаемых сигналов за счет Доплера эффекта; ограниченные и изменяющиеся во времени зоны взаимной видимости земного пункта и КЛА; ограниченная мощность бортовых передатчиков КЛА; большие дальности и вследствие этого работа с весьма малыми уровнями принимаемых сигналов. Все эти особенности вынуждают создавать спец. комплексы аппаратуры, включающие: наводящиеся антенны больших размеров; приемные устройства с малым уровнем шумов; высокоэффективные системы обнаружения, выделения и регистрации сигналов. Необходимость знания текущего положения КЛА требует периодического измерения его координат и вычисления параметров его траектории. Таким образом, система может существовать только при совместном действии измерительных средств (система траекторных измерений), вычислительного центра и комплекса управления КЛА. Для каналов в зависимости от их направления и назначения применяются различные диапазоны частот. Распределение частот и порядок их использования определяется регламентом радиосвязи.

Связь между земным пунктом и КЛА предназначается для обеспечения двухсторонней передачи всех видов необходимой информации. Линии Земля — борт КЛА (3 — Б) и борт КЛА — Земля (Б — 3) несут разную информационную нагрузку и имеют различный энергетический потенциал. Линия 3 — Б обеспечивает передачу на КЛА сигналов команд управления, сигналов траекторных измерений, при обитаемых КК — связь (телефон, телеграф, телевидение) с космонавтами. Линия Б — 3 осуществляет: контроль управления, траекторные измерения, передачу телеметрических измерений и целевой информации (например, метеорологической, научной, навигации или др., в зависимости от назначения КЛА), а также связь экипажа с Землей в обитаемых КК. Линия Б — 3, как правило, имеет значительно более низкий энергетический потенциал, т. к. мощность передатчика КЛА ниже мощности передатчика земной станции в линии 3 — Б (обычные мощности на КЛА единицы — десятки вт, на земной станции единицы — десятки кет). Однако основной поток информации идет именно но линии Б — 3. Это вынуждает применять на земных пунктах для приема информации с КЛА антенны с весьма большой эффективной площадью (десятки м), а в случае приема информации с межпланетных КЛА, поскольку мощность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату расстояния, необходимы эффективные площади в сотни и тысячи м2. Эффективные площади 2—5 тыс. м2 достигаются только В уникальных дорогостоящих антенных системах. При этом может быть обеспечена телефонная связь на расстояния до Венеры и Марса.

Связь через ИСЗ обычно на большие расстояния обеспечивается по радиорелейным линиям прямой видимости, состоящим из двух оконечных и ряда промежуточных пунктов — ретрансляторов. Расстояние между промежуточными пунктами определяется пределами прямой видимости. На Земле это обычно не более 50—70 км. При установке одного промежуточного ретранслятора на борту ИСЗ с высокой орбитой обеспечивается связь между двумя пунктами, удаленными на тысячи км. Связные ИСЗ могут применяться как в отдельных линиях связи, так и в сетях радиорелейных линий для передачи телевизионных программ, многоканальной телефонии и телеграфии и др. видов информации. Для связи могут использоваться ИСЗ, обращающиеся по различным орбитам и на разных высотах. Основные варианты орбит для связных ИСЗ: круговая стационарная, сильно вытянутая эллиптическая синхронная средневысокая круговая, низкая круговая.

ИСЗ на стационарной орбите постоянно находится над выбранной точкой экватора и обеспечивает круглосуточную связь между земными станциями на широтах меньше 75° в радиусе до 8000 км от точки, над которой расположен спутник. Три таких ИСЗ, находящихся на равном удалении вдоль экватора, осуществляют связь любых земных станций в пределах указа широт. Весьма удобны сильно вытянутые эллиптические синхронные орбиты с апогеем над центром обслуживаемой линии связи и с периодом обращения в половину или целые сутки. При надлежащем выборе угла наклонения и места расположения апогея орбиты спутник будет большую часть времени суток находиться в пределах видимости из заданного района. Для районов, расположенных на широтах выше 70° - 75°, этот вариант орбит оказывается наиболее выгодным.

Для работы с ИСЗ на стационарной или эллиптической синхронной орбите приходится использовать на земных пунктах связи антенны большого размера, т. к. расстояние ИСЗ — земной пункт превышает 30 000 км и мощность принимаемых сигналов мала. ИСЗ на средне-высоких и низких круговых орбитах обеспечивают значительно большие мощности принимаемых сигналов.

Однако уменьшение высоты полета сокращает время взаимной видимости спутника и земного пункта связи, уменьшает возможные расстояния и приводит в конечном счете к значит, увеличению количества спутников, требуемых для непрерывной связи. Кроме того, усложняется система слежения и наведения антенн земных станций. При малой высоте полета непосредственная связь между удаленными пунктами невозможна и приходится применять систему радиолиний с задержанной ретрансляцией.

Однако уровни принимаемых сигналов достаточно велики и не нужны большие и дорогостоящие антенные системы, благодаря чему связь с низкими ИСЗ может проводиться даже небольшими подвижными пунктами. ИСЗ связи для ретрансляции сигналов может быть оснащен ретранслятором активным, обеспечивающим усиление ретранслируемых сигналов, или ретранслятором пассивным, т. е. отражателем. Пассивный ретранслятор может обслуживать радиосеть, состоящую из большого числа линий с различными частотами радиосигналов, т. к. отражатель отражает или рассеивает энергию многих одновременно приходящих радиосигналов, без взаимных помех. Активный ретранслятор может обслуживать сеть связи только с ограниченным числом линий, причем для устранения взаимных помех необходимо применять частотное, временное или кодовое разделение линий, поддерживать необходимый уровень сигналов и не допускать перегрузок ретранслятора. Кроме ИСЗ с пассивным ретранслятором в виде отражателя, были предложены и испытаны линии связи с рассеянными отражателями в виде пояса иголок и ионизированных частиц облака.

При работе с пассивными ретрансляторами для обеспечения необходимого уровня принимаемого сигнала приходится резко увеличивать мощность передатчиков земных станций или сужать полосу пропускания частот линий и понижать скорость передачи сообщений. Для экономичности связи применяют многоканальные линии радиосвязи и повышают скорость передачи сообщений, что приводит к необходимости увеличения полосы пропускания частот линией. Широкая полоса требуется также для ретрансляции телевидения. С расширением полосы пропускания растет опасность искажения сообщений помехами радиоприему, поскольку принимаемые радиосигналы слабы. Поэтому прием сообщений с допустимыми искажениями — важнейшая задача, решаемая увеличением мощности радиосигналов, выбором частот связи, уменьшением уровня шумов радиоприемников, применением эффективного кодирования, выбором типа модуляции, способа приема и обработки радиосигналов при малом отношении сигнал/помеха и др. Напр., частоты радиосигналов выбирают в пределах от 1 до 10 Ггц, т. к. на меньших частотах резко растут помехи от шумов космоса, а на больших — от шумов атмосферы; в первых каскадах усилителей радиоприемников земных станций используют малошумящие квантовые усилители и параметрические усилители, охлаждаемые жидким гелием.

Мощность радиосигналов на входе радиоприемника земной станции повышается с увеличением размеров ее антенны, мощности передатчика и размеров антенны активного ретранслятора, В линии связи с пассивным ретранслятором для этой цели увеличивают мощность передатчика и размеры антенны земной станции, размеры отражателя ретранслятора или переходят к ретрансляторам с направленным рассеянием энергии на земную станцию. Перечисленные меры имеют свои пределы, т. к. увеличивают стоимость оборудования линии связи и ее эксплуатации.

Связь между КЛА может осуществляться для обмена информацией между экипажами двух или нескольких КК, одновременно находящихся в космосе. Сюда же относится и связь между экипажами КК и космонавтами, находящимися в свободном космосе. Кроме того, может осуществляться связь между двумя автоматическими КЛА с целью ретрансляции сигналов, измерения положения, навигации, управления движением и сближения.

Особенности связи между КЛА следующие. Как правило, связь обеспечивается между взаимодействующими КЛА, т. е. на сравнительно небольших расстояниях. Из-за трудности взаимной ориентации антенн КЛА предпочтительна ненаправленная связь. Нет воздействия атмосферы, а при высоких орбитах — и ионосферы, что обеспечивает более свободный выбор диапазона частот. При выборе диапазона частот и организации связи между ИСЗ необходимо учитывать возможность помех от мощных наземных станций.

Системы могут усложниться в дальнейшем при высадке космической экспедиции на Луну или др. небесные тела, так как потребуется поддерживать связь с КК, остающимся на планетоцентрической орбите, и с Землей. В недалеком будущем будут созданы системы передачи телевизионных программ через спец. ИСЗ непосредственно на бытовые телевизионные приемники; при этом открываются возможности полной телефикации и обеспечения передачи центральных программ в любое место. С изобретением квантовых оптических генераторов когерентных колебаний (лазеров) становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) одновременно тысячи, десятки тысяч сообщений узким лучом (с расхождением не более единиц секунд) при относительно малых размерах излучателей и потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и прием оптических воли требует тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем на КЛЛ, сложного вхождения в связь и поддержания ее. Наиболее выгодны оптические линии связи между КЛА, находящимися за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн.

Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, — это американская автоматическая межпланетная станция «Вояджер-1», запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов. Информация с «Вояджера» на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 Ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с — это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи КА8А, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.

Уже из этого описания видно, что космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата. Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока и антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник томно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию. Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10—30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне. Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности.

Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона — еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный — увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать — антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полмегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Не вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу.

При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счёт других чаще всего невозможно. Космические аппараты – это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: «1 кг, 1 Вт, 1литр», которая означает, что объём спутника массой в 1 тонну составит около 1кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт.

Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть несколько метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение антенны. Все чаще делают разворачиваемыми. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу – современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью.