Новости

22.10.2009 15:38

Вклад Российского НИИ Космического приборостроения в развитие космического телевидения ( к 50-летию первой телевизионной спутниковой трансляции Луны)

Вклад Российского НИИ Космического приборостроения в развитие космического телевидения


( к 50-летию первой телевизионной спутниковой трансляции Луны)




Арнольд Сергеевич Селиванов, доктор технических наукФГУП «РНИИ КП», Москва

(статья подготовлена специально для сайта Роскосмоса)


1. Исследования Луны

ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» был организован в 1946 г. в составе шести предприятий, заложивших основу ракетно-космической отрасли страны. Основной направленностью института было создание систем радио- и автономного управления для ракет различного радиуса действия. В институте была разработана радиоаппаратура первого спутника и системы управления ракеты Р-7, которая его вывела на орбиту в октябре 1957 г. С этого времени космическая тематика заняла значительное место в работе института. С самого начала он принимал активное участие во всех программах исследования Луны.
Ракета Р7, использовавшаяся для запуска первых спутников Земли, после установки дополнительной ступени смогла обеспечить запускаемому аппарату достижение второй космической скорости, что позволило в Советском Союзе приступить к исследованию Луны и, в дальнейшем, планет Венеры и Марса с помощью автоматических космических аппаратов (КА).
Первая в мире наземная станция слежения за лунными КА была разработана институтом для контроля за полетом КА «Луна-1» и «Луна-2», направленных к Луне при запусках в январе и сентябре 1959 г. Станция, работающая в метровом диапазоне, была установлена в Крыму, вблизи поселка Симеиз. Она определила время и место «жесткой» посадки на поверхность Луны КА «Луна-2».
В дальнейшем станция в Крыму была усовершенствована, с ее помощью проводилось управление КА, осуществившим впервые в мире фотографирование обратной стороны Луны (КА «Луна-3», октябрь 1959 г.).
Первая съемка обратной стороны Луны – выдающееся событие в истории космонавтики, имевшее большое научное, политическое и мировоззренческое значение. Были заложены основы нового научно-технического направления – космического телевидения, без которого в дальнейшем не обошлись многие крупные космические проекты.
Как известно, в силу ряда причин, первая съемка охватила примерно 60% площади обратной стороны, что, однако, было вполне приемлемо для первого эксперимента. Завершить съемку обратной стороны Луны удалось в 1965 г., на основе других технических средств, разработанных во ФГУП «РНИИ КП» (КА «Зонд-3»).
На всех этапах реализации программы институт активно взаимодействовал с ФГУП НИИТ – разработчиком фототелевизионного устройства (ФТУ) «Луны-3», обеспечивая стыковку с бортовым радиокомплексом, а также прием, регистрацию и последующую совместную обработку фототелевизионной информации на земле.
Разработка ФТУ для космических условий – незаурядная инженерная задача. Она была успешно решена сотрудниками ФГУП НИИТ и обеспечила съемку обратной стороны Луны с первого раза. Трудности, стоявшие на пути разработчиков ФТУ, могут быть по-настоящему оценены лишь теми, кто создавал подобную аппаратуру для космоса.
Затем, в 1966 г. на орбиту вокруг Луны были выведены три первых ее спутника «Луна-10», «Луна-11» и «Луна-12», проводивших исследование Луны и фотографирование ее поверхности с низкой орбиты. «Луна-11» и «Луна-12» имели в своем составе ФТУ такого же типа, как и на КА «Зонд-3» («Луна-11» была неправильно сориентирована, и съемка поверхности не удалась).
Для управления КА, которые должны были выполнить мягкую посадку на поверхность Луны, были разработаны другие станции слежения, установленные вблизи г. Симферополя и на Камчатке, вблизи пос. Елизово.
Во ФГУП « РНИИ КП» были также разработаны телевизионная и радиотехническая, бортовая и наземная аппаратура для передачи панорам поверхности Луны с посадочных КА. После ряда неудач, впервые в мире мягкая посадка была осуществлена в феврале 1966 г. («Луна-9») и передана на Землю панорама поверхности, окружающей автоматическую лунную станцию (АЛС). Мягкая посадка на Луну была повторена в декабре 1966 г. («Луна-13»).
Отличительной чертой панорамных камер, разработанных для этой программы в институте, была их весьма малая масса – 1,4 кг, малое энергопотребление – 2,5 Вт, а также способность работать вне герметичного корпуса АЛС, благодаря реализации идеи так называемого «вакуумного экранирования», что исключало необходимость устанавливать стеклянный иллюминатор – элемент потенциальной ненадежности в условиях, когда посадка могла быть и не вполне мягкой. Конструкция панорамной камеры оказалась весьма удачной, и ее в различных модификациях использовали на других КА.
На следующем этапе на Луну была доставлена платформа, оборудованная механизмом для бурения поверхности и забора лунного грунта, упаковки его в герметичный контейнер и стартовым устройством с ракетой для автоматической доставки – впервые в мире – лунного грунта на Землю (12 сентября 1970 г., «Луна-16»). Лунный грунт доставлялся на Землю еще дважды: 1972 г. – «Луна-20» и 1976 г. – «Луна-24». На КА «Луна-20» были установлены панорамные камеры для передачи контрольного изображения поверхности до и после операции взятия лунного грунта.
Далее была успешно выполнена программа, по которой на поверхность Луны были доставлены два подвижных управляемых с Земли робота: «Луноход-1» (1970 г.) и «Луноход-2» (1973 г.).
Управление первыми роботами на поверхности другого небесного тела – Луны – велось по телевизионному каналу из размещенного в г. Симферополе пункте управления. Рабочее место водителя лунохода было оборудовано экраном системы малокадрового телевидения (МКТВ), разработанной в институте, на котором отображалась поверхность Луны перед луноходом. На предусмотренных программой работы периодических остановках лунохода бортовыми панорамными камерами, которые использовались для топографической съемки и прокладки маршрута, передавались изображения местности вокруг лунохода.
Структурной основой сигнала МКТВ был телевизионный вещательный стандарт, который использовался как исходный в передающей камере лунохода, подвергаясь преобразованию в малокадровый для передачи по узкополосному радиоканалу «Луна-Земля», и затем, на Земле, снова преобразовывался в стандартный для предъявления на видеоконтрольном устройстве водителю, управляющему движением лунохода. Скорость передачи узкополосного сигнала могла изменяться по командам с Земли в зависимости от условий движения лунохода. Такое построение МКТВ было удобным и экономичным и стало возможным благодаря использованию в ее передающих камерах специальной передающей трубки – видикона с регулируемой памятью (пермахона), разработанной во ВНИИ электронно-лучевых приборов (г. Ленинград).
В рамках этой же программы были запущены исследовательские низкоорбитальные лунные спутники: «Луна-19» (1971), «Луна-22» (1974), работа которых сопровождалась передачей весьма качественных изображений поверхности Луны, с помощью однострочных сканирующих оптико-механических устройств. Успех этих работ стимулировал создание подобных устройств для метеорологических спутников.

2. Исследование Марса и Венеры

В развитии космического телевидения в первые годы большую роль сыграло СКБ-567, организация, отделившаяся в 1952 г. от ФГУП «РНИИ КП» и специализированная на разработке ракетных, а позднее космических телеметрических систем. СКБ-567 имело относительно небольшое производство, но квалифицированные конструкторские силы, а также подразделения разработчиков, занимающихся бортовой и наземной радиоэлектроникой, точной электромеханикой и даже оптико-фотографическиой техникой.
СКБ-567 в инициативном порядке, но не без одобрения руководства, начало разрабатывать ФТУ для съемки обратной стороны Луны, но не сумело завершить работу к заданному сроку. Однако задел, полученный в ходе этой работы, был в дальнейшем использован при создании аппаратуры для съемки Марса и разработки нового поколения телевизионных устройств для лунных программ.
В 1963 г. СКБ-567 вновь вошло в состав ФГУП «РНИИ КП», и работы в области космического телевидения были там активно продолжены.
ФТУ, разработанные в СКБ-567 для съемки Марса и Венеры, было относительно большим по размерам, поскольку рассчитывалось на получение больших объемов высококачественных картографических материалов. Оно было оснащено двумя объективами – длиннофокусным и короткофокусным. Ширина пленки была 70 мм, и размеры кадров были сравнительно велики, электронные блоки были дублированы. Основные характеристики ФТУ явно превышали возможности проведения съемки и передачи изображений на том этапе развития космической техники исследования планет. Однако в процессе создания таких ФТУ были решены важные для дальнейшей работы инженерные проблемы:
– разработка метода так называемой «химической» защиты фотопленки от космической радиации, в течение многомесячного межпланетного полета не требующая значительных затрат массы;
– усовершенствование процесса бортовой химико-фотографической обработки пленки для работы в условиях невесомости;
– прецизионных оптико-механических развертывающих устройств;
– многорежимного управления движением пленки и осуществление развертки с помощью шаговых двигателей.
Отмеченные наработки были использованы при создании ФТУ новых поколений, более компактных и в большей мере оптимизированных в отношении решаемых задач.
КА «Марс-1» (1962) не выполнил своей миссии. Но важным шагом следует признать установление радиосвязи на расстоянии около 100 млн. км, что было тогда мировым достижением. Прием сигналов осуществлялся в Центре дальней космической связи вблизи г. Евпатория. Впервые в мировой практике решались проблемы по передаче научной информации и управления КА, находящихся на расстоянии до сотен миллионов километров от Земли.
Аппаратура Центра, включая большие антенны, была спроектирована и частично изготовлена в СКБ-567 в кооперации со многими предприятиями. Центр сыграл значительную роль в последующих программах исследований планет и дооснащался в дальнейшем новыми антенными сооружениями, например, антенной диаметром 70 м, разработанной во ФГУП «РНИИ КП».
Интересно отметить, что завершение съемки обратной стороны Луны было осуществлено с помощью ФТУ, предназначенного для съемки Марса с пролетной траектории и установленного на КА «Зонд-3» (1965). «Зонд-3» – это марсианский КА, который использовался для имитации полета к Марсу с целью исследования в условиях реального космического полета ряда вопросов, связанных с неудачными предыдущими запусками КА в сторону Марса. Программа полета КА «Зонд-3» была успешно выполнена, что позволило создать полноценный глобус Луны.
Для КА «Марс-3, -4» (1971) было разработано ФТУ нового типа, что было связано с необходимостью обеспечить не одноразовую съемку при пролете планеты, а съемку в течение ряда сеансов, поскольку предполагалось, что будет выведен спутник Марса. ФТУ отличалось новой конструкцией лентопротяжного механизма, и новой технологией химико-фотографической обработки пленки с устройством так называемого фильерного типа.
С КА «Марс-3» на поверхность Марса был сброшен СА с панорамными камерами, подобными АЛС «Луна-9», но СА проработал на поверхности всего 20 с.
Первая съемка поверхности Марса была неудачной из-за установленного очень низкого коэффициента контрастности пленки, который, однако, точно соответствовал техническому заданию на ФТУ. В следующем полете («Марс-4, -5», 1973) эта ошибка была исправлена, были получены достаточно качественные, в том числе первые цветные снимки. Но на «Марсе-4, -5» дополнительно устанавливались и панорамные камеры, работающие в однострочном режиме (панорамная развертка отключалась, изображения получались в видимом и ближнем ИК-диапазонах и записывались на небольшие ленточные ЗУ).
В 1967 году впервые в атмосферу Венеры был доставлен спускаемый аппарат (СА) «Венера-4», который работал до высоты 20 км от поверхности и передавал информацию со скоростью 1 бит/с. СА станции «Венера-7», запущенной в 1970 году, дал полный температурный разрез атмосферы Венеры, впервые совершил мягкую посадку на ее поверхность и передал уникальную научную информацию: температура у поверхности – 460°С, давление – 90 ат, состав атмосферы – углекислый газ, состав облаков – капли серной кислоты.
Для управления КА нового поколения, запускаемыми тяжелым носителем «Протон» и имеющими гораздо больший объем научного оборудования, потребовалось создание новых бортовых и наземных радиотехнических комплексов. На базе комплекса, введенного в Уссурийске в 1971 году, был создан Восточный центр дальней космической связи, работающий в дециметровом и сантиметровом диапазонах на прием и в дециметровом – на передачу. В комплексе работала новейшая для того времени приемная антенна с диаметром зеркала 32 м.
Использование на борту венерианских станций режима ретрансляции научной информации с СА через бортовой радиокомплекс пролетного аппарата позволило увеличить скорость передачи на Землю научной информации до 3 кбит/с при приеме телеметрии и до 6 кбит/с – при приеме изображений.
В 1975 году с КА «Венера-9» и «Венера-10» были переданы на Землю не только данные о физических параметрах планеты, но и первые изображения поверхности Венеры вблизи места посадки СА (в черно-белом виде).
В 1981 году на КА «Венера-13» и «Венера-14» скорость принимаемой с СА научной информации, так же за счет использования режима ретрансляции сигналов СА через КА, находившийся на орбите спутника Венеры, была доведена до 64 кбит/с, что позволило передать на Землю цветные панорамы поверхности Венеры.
Необходимо отметить особенности конструкции панорамных камер спускаемых аппаратов КА «Венера-9, -10, -13, -14». В связи с исключительно тяжелыми условиями работы камеры устанавливались внутри герметичного и теплоизолированного отсека СА. «Работа» камер производилась через цилиндрический иллюминатор с помощью перископической системы, отдельные элементы которой, включая сканирующее зеркало, к концу сеанса работы (около часа) нагревались до температуры около 400°С. Основная часть камеры (электроника, привод и др. узлы) была окружена карманами, заполненными теплопоглощающим веществом – солями лития, камеры для передачи цветных панорам содержали револьверный механизм с переключающимися светофильтрами, т.е. была организована последовательная передача цветного изображения.
В 1988 году на КА «Фобос-2» был поставлен научный эксперимент «Термоскан», обеспечивший тепловую съемку экваториальной области Марса. В результате были впервые получены карты тепловой инерции поверхности с высоким пространственным разрешением. Двухканальный тепловизор был разработан во ФГУП «РНИИ КП».


3. Системы дистанционного зондирования Земли.

Системы наблюдений Земли из космоса, называемые системами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), сегодня широко востребованы для использования в хозяйственных и научных целях для исследования природных ресурсов, экологического мониторинга, картографии и океанографии. Такие системы строятся на основе комплексного подхода, включающего все элементы получения, передачи, регистрации и обработки больших потоков видеоинформации.
Наиболее труднореализуемую с инженерной точки зрения часть этой технологической цепочки составляют устройства наблюдения: оптико-электронные системы, работающие в нескольких диапазонах от видимого до теплового оптического спектра. Разработка устройств оптического диапазона во ФГУП «РНИИ КП» производилась на основании успешного опыта создания приборов для исследования Луны, и дало толчок развитию направления ДЗЗ в институте. Другие элементы системы ДЗЗ, кроме радиолокационных, разрабатывались в институте в соответствии с основным направлением работ, хотя это и потребовало значительных новых разработок, например, специализированных бортовых запоминающих устройств на магнитной ленте, отличающихся повышенным объемом памяти и скоростью записи/воспроизведения информации.
Первый советский КА для ДЗЗ, у которого передача многоспектральных изображений осуществлялась оперативно по радиоканалам, получил название «Метеор-Природа» (запущен в 1974 году). КА разрабатывался в тесном творческом сотрудничестве со Всесоюзным научно-исследовательским институтом электромеханики (ВНИИЭМ, г. Москва). Наземная аппаратура станции – также разработки института – в городах Обнинске, Новосибирске и Хабаровске обеспечивали прием, обработку и распространение информации многочисленным потребителям. Эксплуатацию системы осуществляло НПО «Планета» Госгидромета. Бортовой радиотелевизионный комплекс КА «Метеор-Природа» состоял из двух типов многоспектральных сканирующих устройств, приборов запоминания и передачи информации. Всего было запущено семь КА «Метеор-Природа».
В дальнейшем направление ДЗЗ в институте активно развивалось, росла его актуальность.
В 1977 году постановлением Правительства ФГУП «РНИИ КП» был назначен головной организацией по общегосударственной космической системе ДЗЗ «РЕСУРС» в целом и по наземно-бортовым информационным комплексам входящих в нее двух оперативных подсистем: «РЕСУРС-О» (для наблюдения суши) и «ОКЕАН-О» (для наблюдения акваторий). В состав системы входила также фотографическая подсистема «РЕСУРС-Ф».
Задачей института была разработка унифицированной радиоэлектронной аппаратуры для передачи, приема и регистрации информации со скоростью до 128 Мбит/с, обеспечение работы в международном сантиметровом диапазоне радиоволн и создание наземного комплекса приема и обработки информации. Были разработаны новые оригинальные многоспектральные оптико-электронные устройства наблюдения. В результате была создана БИСУ-П – бортовая информационная система, унифицированная и перепрограммируемая, которая впоследствии использовалась неоднократно. Спутники подсистемы первого этапа «РЕСУРС-О1» (разработки ВНИИЭМ) запускались четыре раза до 1998 года. Подсистема для наблюдения океана и ледовой обстановки «ОКЕАН-О» (КБ «Южное», г. Днепропетровск) также создавалась поэтапно. Ее спутники запускались 10 раз с 1983 по 1989 годы. Первый этап был сдан в эксплуатацию в 1985 году.
В 1996 году был запущен разработанный ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» модуль «Природа» пилотируемой станции «Мир», предназначенный для решения экспериментальных задач ДЗЗ и международного сотрудничества. Для него институтом был создан пункт приема информации в Германии (г. Нойстрелиц). До этого, в 1995 году, в Швеции (г. Кируна) также был создан приемный пункт. Эти работы были выполнены на основании разработок больших пунктов приема и обработки данных для системы «РЕСУРС», построенных в Обнинске и Новосибирске, работающих после ряда модернизаций и в настоящее время.
В годы перестройки общегосударственная система «РЕСУРС» перестала существовать, но аппаратурный задел еще длительное время использовался для запуска КА и эксплуатации наземной инфраструктуры.
Более поздние разработки в области ДЗЗ включали бортовые комплексы нового поколения для КА «Метеор-3М» (2001 г.), «Сич-1М» (2004 г.), «Монитор-Э» (2005 г.) и других. Они отличаются, в частности, более скоростным каналом передачи информации (до 300 Мбит/с) и новыми бортовыми запоминающими устройствами. Перспективные работы охватывают метеорологические системы для низкоорбитальных КА типа «Метеор-3М» и геостационарные типа «Электро-Л».
В последние годы было создано несколько новых наземных пунктов приема, более совершенных по аппаратурному исполнению, в Ханты-Мансийске, Минске и Москве (два комплекса). Всего же институтом было создано 15 наземных пунктов приема информации ДЗЗ.
Многоспектральные изображения, передаваемые с КА, проходят общую для всех потребителей обработку, так называемую «нормализацию», технология которой разрабатывалась в институте.
Принципиальной особенностью всех телевизионных устройств (многозональных сканеров) для систем ДЗЗ, отличающей их от других средств наблюдения Земли в оптическом диапазоне, является высокая фотометрическая точность измерений световых потоков в спектральных каналах, доходящая до единиц процентов. Помимо высокого отношения сигнал/шум, необходимого для реализации этих требований, должна быть обеспечена наземная и бортовая калибровка приборов и разработана система эталонированных средств и методов измерений. В институте в течение многих лет для этих целей создавалась и поддерживалась необходимая метрологическая база.
Для наземной отработки приборов и методик наблюдений Луны и планет, и в особенности для систем ДЗЗ, были созданы экспериментальные самолетные комплексы. На базе самолета АН-2 – комплексы «Фотосканер-1, -2, -3 , -4» (1973 – 1974 годы) для работы с геологическими и лесными службами, и 24-канальный комплекс «АГРОС» для самолета-лаборатории ТУ-134СХ.


Литература

1. Б.Е. Черток. Ракеты и люди. Москва, изд. «Машиностроение», книга 2, 1996, книга 3, 1997 г.
2. П.Ф. Брацлавец, И.А. Росселевич, Л.И. Хромов. Космическое телевидение. Изд. «Связь», 1967 г.
3. А.С. Селиванов. Космос – миру. Телевизионные системы для исследования планет. Москва, изд. «Знание», 1990 г., 64 с.
4. Атлас обратной стороны Луны. Под ред. Н.П. Барбашова, А.В. Михайлова, Ю.Н. Липского. Москва, изд. АН СССР, 1960 г., 147 с.
5. Атлас обратной стороны Луны, часть II. Под ред. Ю.Н. Липского. Москва, изд. «Наука», 1967 г., 236 с.
6. Первые панорамы лунной поверхности. Под ред. Ю.И. Ефремова. Москва, изд. «Наука», 1966 г., 99 с.
7. Передвижная лаборатория на Луне «Луноход-1. Под ред. А.П. Виноградова. Москва, изд. «Наука», 1971 г., 128 с.
8. Поверхность Марса. Под ред. А.В. Сидоренко. Москва, изд. «Наука», 1980 г., 238 с.
9. Первые панорамы поверхности Венеры. Под ред. М.В. Келдыша. Москва, изд. «Наука», 1979 г., 181 с.
10. А.С. Селиванов. Космические исследования на службе науки и народного хозяйства. «Техника кино и телевидения», 1977 г., №10, стр. 61-67
11. А.С. Селиванов. Космические фототелевизионные устройства. Воспоминания разработчиков. «История телевидения», 1(2), 1998 г., стр. 12-32.
12. А.С. Селиванов, Ю.М. Тучин, М.К. Нараева, Б.И. Носов. Экспериментальный бортовой информационный комплекс для наблюдения Земли. «Исследования Земли из космоса», №5, 1981 г., стр. 35-39.
13. Л.К. Цыцулин. Телевидение и космос. С.-П., изд. «ЛЭТИ», 2003 г., 227 с.
14. Атлас Марса по данным радиометра «Термоскан». Москва, изд. «АСКОНТ», 1998 г., 48 с