Так завершилась эта страница советской ракетной истории.
Когда в СССР рождались “Буря” и “Буран”, в США велась аналогичная разработка - проект “Навахо”. Даже характеристики этих разработок были схожими. Да и судьбы проектов тоже оказались похожими. Так же как и “Буря” “Навахо” полетела. Мы не знаем с какими проблемами столкнулись американские конструкторы, не знаем с какими организационными трудностями пришлось им бороться, но знаем, что так же как и “Буря” “Навахо” не была доведена до конца. К крылатым ракетам вернулись через двадцать лет, но это уже другая история.
Русский свет в космосе (Лазерные дальномеры)
… огромный скачек для всего человечества!
Хьюстон!
Нас облучает советский лазер!
Из радиоперехвата.
Не знаю, звучало ли что-то подобное с околоземной орбиты или с поверхности луны, но вполне могло, как и аналогичное высказывания наших космонавтов. Поскольку и СССР-Россия и США, и два десятка других стран, включая Францию, Китай, Японию, Кубу, Израиль, имеют возможность послать в космос лазерный луч и попасть им в космический аппарат (КА). Зачем им это надо?
Любителей звездных войн я сразу разочарую. Космический аппарат не распадется на мелкие кусочки, не превратиться в расплавленный комок титана и алюминия, летящий по орбите огненной кометой, его даже не разрежет пополам. Импульс лазера отразиться от обшивки или от специальных отражателей и вернется к земле. Его уловят телескопом и измерят время распространения сигнала. Каждый школьник скажет вам, что так работает лазерный светодальномер (ЛСД).
Спутниковые ЛСД являются средствами траекторных измерений и в России входят в состав НИП-ов и АГП. Есть еще пара-тройка дальномеров принадлежащих научным учреждениям, например Менделеевскому ВНИИФТРИ, где хранятся эталоны времени, пространства и частоты. За рубежом ЛСД принадлежат правительственным учреждениям, например станции MOBLAS (Мобильные Лазерные Станции) и ряд других НАСА, обсерваториям и университетам. Когда мы смотрим по телевизору репортаж из ЦУПа, то карта СССР покрыта несколькими большими кругами. Каждый круг, это зона видимости с земли КА теми радиотехническими и оптическими средствами, которые находятся в Наблюдательно-измерительном пункте (НИП), обслуживаемым военно-космическими силами данной республики, или России. Но не на всех НИПах стоят лазерные спутниковые дальномеры. Дальномеров “Большая сажень” (я мог бы назвать его официальное обозначение – что то вроде 34Т24, но он стоит на боевом дежурстве и официальное название может еще быть страшно секретным), с дальностью стрельбы до 25000 км всего четыре. Два дальномера на Украине (Евпатория и еще одно место), а третий возле оз. Балхаш. Наш только один, возле Комсомольска-на-Амуре, но остальные тоже работают на Россию. Эти ЛСД один из самых важных наземных компонентов системы глобальной спутниковой навигации ГЛОНАСС.
Есть еще асторономо-геодезические пункты (АГП), которые в ведении главного управления геодезии и картографии генштаба. На 20-22 из них стоит маленький ЛСД “Малая сажень”, с дальностью стрельбы до 5000 км. Самая громадная из всех дальномерных систем находиться в Узбекистане, на горе Майданак и зовут ее просто “Гора”. Из нее даже стреляли по луноходу для определения его координат. Как всем очень хорошо известно, в этом районе находиться одна из пяти широтных станций (две в США, одна в Японии и одна в Европе), которая наблюдает за качанием земной оси. На самой горе, на высоте около 2000 метров имеются уникальные погодные условия – 220 безоблачных суток в году. В Зеленчуке, где стоит 6- метровый телескоп, погода гораздо хуже. Кисловодск гордиться, что там до 300 безоблачных дней. Но то дней, пока солнце нагревает скалы, восходящие потоки отрезают облака. А ночью там тучи. На Майданаке ночь безоблачна, что делает ее второй или третей наблюдательной площадкой мира. Лучше всего, до 310 безоблачных суток, на одном из плато в Чили. Альенде пригласил все страны мира построить там обсерватории и ЛОМО быстро смастерил два громадных телескопа с диаметром зеркала по 1,2 м. Но пришел Пиночет, и вместо мирной обсерватории АН СССР ими оснастили уникальный объект военно-космических сил. Теперь два этих телескопа работают в составе двух светодальномеров.
Что собой представляет ЛСД? Прежде всего, это лазер, причем не простой, а благодаря модуляции добротности резонатора и ряду других технических ухищрений, дающий очень короткий импульс, измеряемый нано и пикосекундами. И хотя энергия импульса мала 0.1-0.05 джоулей, мощность излучения колоссальна порядка 250 мегаватт и более. Собственное расхождение лазерного луча очень маленькое, оно измеряется величиной 10-20 угловых минут, но на дальности 500 км. диаметр пятна будет более 2 км. Расхождение уменьшают, пропуская через коллимирующую оптическую систему. Упрощенно, эта система состоит из двух линз, фокусы которых совпадают. Фокусное расстояние первой линзы маленькое, второй большое. Соотношение этих фокусов равно уменьшению расхождения лазерного луча и равно увеличению его выходного диаметра.
Очень маленькая часть энергии импульса лазера забирается специальной призмой и направляется на фото-электронный умножитель (ФЭУ) старт сигнала. Электрический сигнал включает счетчик времени и заставляет компьютер дальномера запомнить, в какой момент времени это произошло. Время события берется из специального прибора, который называется не часы, а цезиевый (рубидиевый, водородный) эталон времени и частоты, и привязан к государственному эталону. Луч лазера летит до спутника, отражается и принимается телескопом. Обычно, приемный телескоп имеет площадь приемного зеркала 0,5 кв.м. или диаметр зеркала 0,5 м. Эти две цифры в мире наиболее популярны. Передающая оптическая система, из-за своих меньших габаритов, крепиться на приемном телескопе, зачастую вместе с лазером. Сфокусированный телескопом сигнал пропускается через оптический фильтр. Этот фильтр не просто кусочек стекла, определенного цвета или со сложным интерференционным напылением. Современный оптический фильтр называется Фильтр Фабри-Перо и состоит из двух совершенно прозрачных плоско-параллельных стеклянных пластин, которые крепятся друг к другу сегнетоэлектрическими столбиками (сегнетоэлектрик изменяет свою длину, если на него подать напряжение). Если упрощенно говорить о происходящих интерферометрических процессах, то фильтр будет пропускать свет, длина волны которого кратна расстоянию, между этими пластинами, при условии, что они стоят строго параллельно. Для того, чтобы расстояние между пластинами было кратным длине волны излучения лазера и чтобы они были строго параллельны, на скрепляющие их сегнетоэлектрические столбики подается управляющее напряжение. Естественно, что сам фильтр находится в термостате, поскольку локальный перегрев или охлаждение на десятую долю градуса сбивают его работу. После фильтра отраженный сигнал попадает на фотокатод ФЭУ стоп сигнала. Электрический сигнал с этого ФЭУ останавливает работу счетчиков, называемых Измеритель Временного Интервала (ИВИ). Вот собственно и все. Исходя из времени распространения светового сигнала, зная момент его испускания, вычисляют дальность до КА в момент времени, в который лазерный луч коснулся спутника. Остался пустяк – попасть лучом по спутнику. Эту задачу решает Опорно-поворотное устройство (ОПУ). Оно позволяет телескопу траекторных измерений следить за спутником, поворачиваясь вокруг двух, или большего количества осей. Электромоторы ОПУ управляются компьютером. Если ОПУ не смогло вывести телескоп в точку встречи с достаточной точностью, то чтобы не палить в белый свет, в приемном телескопе обычно предусматривают возможность вывода изображения на телекамеру. Тогда можно ввести определенную коррекцию в движение ОПУ.
Если КА находиться на низкой орбите, то отраженного от обшивки сигнала может быть вполне достаточно для измерения дальности. Но чем выше орбита, тем слабее сигнал, здесь зависимость в четвертой степени (дальность больше в два раза, сигнал слабее в 16 раз, больше в три, слабее в 81). Чтобы получить сигнал, на КА ставят отражающие уголки, световозвращатели. Как они делаются. Представим себе стеклянный кубик. От каждой из вершин отходят три грани. Если на этих гранях отложить одинаковые от вершины расстояния и по этим трем точкам отрезать от кубика кусок стекла, то этот кусочек в виде трехгранной пирамиды и будет уголковый отражатель. Падающий на его основание свет отразиться точно в обратном направлении. Правда, треугольное основание срезают до шестиугольного, поскольку в вершинах треугольного основания отражение почти не работает.
А теперь представим, что дальномер выстрелил по спутнику на высоте 19 000 км. Энергию выстрела мы знаем, она подогреет от 50 до 100 грамм воды на один градус. Передающая оптическая система задержит от 60 до 80% света. 70% поглотит атмосфера. При расхождении луча около 10 угловых секунд, диаметр луча на орбите будет около 800 метров, по такой площади будет размазана энергия, которая долетела до спутника. Спутник ее отражает к земле, но только ту часть, что попала на 0,1-0,3 кв м уголковых отражателей, т.е. ничтожную часть. Эта тютелька энергии ослабляется на 70% атмосферой (она опять на пути) и падает на землю пятном диаметром в 600-800 метров. 0,785 кв. м, то есть одна двухмиллионная часть этой энергии попадает в телескоп. Приемный оптический тракт сложнее передающего, он задерживает около 95% излучения. Если оставшуюся после этого энергию разделить на постоянную планка и на частоту излучения, мы получим число фотонов, которые долетели до фотокатода ФЭУ стоп сигнала. Как ни странно, но мы можем обнаружить 3000-8000 фотонов. Можно подумать, что этого гигантского количества фотонов вполне достаточно для проведения измерений. Увы. Сам фотокатод имеет одну характеристику КПД выхода, и она равна 0,1-0,05 %. Это значит, что для гарантированности выбивания хоть одного фотоэлектрона, который и превратиться в сигнал, надо от 1000 до 5000 фотонов. На таких больших дальностях измерение происходит не на каждый импульс лазера, а через один или два.
А теперь посмотрим, как это все начиналось. В этом сайте написано про спутник Зенит. Но не написано, что с этого спутника в надир смотрел лазер. Фотографии со спутника предназначались не только для разведки, что где стоит, и куда едет, но и для создания карт. Это давно отработанная технология, когда с самолета делают аэрофотосъемку с большим перекрытием снимков, более 60%. Потом два слайда закладывают в специальный аппарат – гравиметр и оператор видит стереоизображение местности. Это значит, что можно рисовать топографическую карту со всеми уровнями высот и неровностями рельефа. Более того, специальными инструментами гравиметрического комплекта можно измерить все профили высот и пр. Но для отсутствия систематической ошибки этих измерений надо точно знать высоту съемки. В аэрофотоснимок эти данные впечатывают с показаний радиовысотомера. Но спутник, летящий на высоте 150-200 км. пользоваться радиовысотомером не может. Даже при 20-ти метровой антенне и миллиметровом диапазоне излучения, пятно на поверхности будет сотни метров, если не пару-тройку километров. В него попадут и горные вершины и ущелья и долины. Сигнал будет смазан и приведет к гигантской ошибке. Единственный выход, это использовать лазер. Его пятно будет иметь диаметр на подстилающей поверхности не более 30-50 метров, а длительность зондирующего импульса в пять-семь раз короче (по тем временам) чем радиоимпульс. И для спутника был заказан лазерный дальномер.
В то время даже в США каждый лазер был наперечет, и вокруг каждого хлопотали выпускники КалТеха или Массачусетского технологического в ранге Доктор Философии. В РНИИКП (тогда просто НИИ космического приборостроения) был создан лазер, который выдерживал активный участок, космический полет, торможение в атмосфере, динамический удар при раскрытии парашюта, и приземление. Лазер, как и фотоаппарат, был многоразовым. В спутнике, параллельно пленке основного фотоаппарата протягивалась пленка меньшего формата, на которую проецировалась земная поверхность и показания спутникового дальномера. Кроме этого, в потоке зондирующего импульса стояла оптическая система, которая отводила часть излучения в объектив вспомогательного аппарата. Параллельный пучок лазерных лучей превращался в фокальной плоскости в яркую точку, и на снимке было видно, по какому участку поверхности было проведено измерение. Кстати, лазеры тогда не умели стрелять с необходимой частотой, и чтобы кристаллы и лампы успевали остыть, лазер был сделан как барабан револьвера. Несколько лазеров вращались перед передающей оптической системой. Естественно, что в этом дальномере не было ОПУ и привязки измерений к времени.
После того, как система была сдана заказчику, создатели дальномера, стал думать, как его приспособить для других целей. Выяснилось, что существует целая специальная наука - космогеодезия. Там измеряются траектории пролетающих спутников, определяются параметры их орбиты и пр. Потом, по этим данным, полученным с разных континентов, определяется дрейф материков, колебания гравитационного поля и ряд других полезных данных. Поскольку такие глобальные характеристики, как колебания гравитационного поля влияют на неуправляемый полет беспилотных объектов в безвоздушном пространстве с суборбитальными скоростями, а особенно на круг вероятного отклонения в зоне приземления, то главное топографическое управление генштаба и другие подразделения МО проявляли к этой науке интерес. А когда американцы стали проводить соответствующие опыты, то поступил ЗАКАЗ.
Раньше, измеряя орбиты спутников, использовали методы тригонометрии. Измерялись угловые координаты спутника в определенный момент времени. Но погрешности таких измерений были велики. Запускались специальные геодезические спутники, которые мигали особыми лампами в определенные периоды времени, которые привязывались к государственному эталону времени и частоты. Эти вспышки на фоне звезд фиксировались на фотопленке, но все равно, погрешность измерялась десятками угловых секунд, иногда минутами, а по дальности десятками и сотнями метров. Радиолокационные измерения были не на много точнее.
Лазерные дальномеры позволяли измерить дальность до спутника в 250 – 1000 км. с точностью до 1.5-2х метров. В поле зрения дальномерной станцией спутник делал 3-4 прохода. Дальномер обстреливал каждый проход, получая около 1000 измерений. Каждое измерение привязывалось к гос. эталону времени. Построением сглаживающих полиномов и прочими математическими чудесами добивались того, что точно определялись эфемериды спутника, его координаты, и направление вектора скорости в определенный момент времени. Дальше, если бы спутник летел как кирпич, можно было бы вычислить его положение в любой момент времени. Однако, торможение атмосферы, приливные влияния Луны и Солнца и флуктуация гравитационного поля Земли сбивают спутник с его эталонной орбиты.
Эти методы открыли широкое поле перед учеными и военными. Можно было передавать координаты на спутник, а затем, используя его как репер, снимать эти координаты в любом месте земли. Вот, как это происходит на примере ГЛОНАСС или NAVSTAR http://www.nasm.edu/gps/ . Орбитальная группировка спутников Ураган или GPS летает над землей на высоте 19 000 км. Конфигурация группировки такова, что из любой точки мира над горизонтом видно не менее 4-х спутников. Каждый спутник несет атомные часы на цезиевом или водородном стандарте частоты, систему привязки этих часов к гос. эталону и мощный компьютер. Спутник запускается и обстреливается дальномером (Большая сажень или Гора). Вычисленные эфемериды передаются компьютеру спутника. Спутник, точно зная текущее время, и отталкиваясь от начальных данных, вычисляет свое местоположение на данный момент. Эти данные, свои координаты и точное время, все спутники одновременно, в определенные моменты времени передают по радио. На земле (корабле, самолете, крылатой ракете, автомобиле) приемник принимает эти данные от четырех спутников. Поскольку расстояние до спутников разное, сигналы приходят в разное время. Приемник измеряет задержку между сигналами, и, зная координаты источника и время отправления сигнала, решает задачу вычисления своих координат.
Конечно, теперь дальность до спутника измеряют точнее, чем 2 метра. Современная погрешность измерений составляет 7-10 мм !!!, а месячный прогноз положения центра масс КА Лагеос (высота орбиты около 7000 км.) представляет собой трубку диаметром 2 см. Но тогда до этого было далеко.
Первый советский лазерный дальномер представлял собой грандиозную конструкцию, где на опорно-поворотном устройстве вокруг зондирующего лазера располагалось приемная оптическая система. Эта система состояла из четырех!!! зеркал от зенитных прожекторов!!!!!! Приемная площадь была гигантской, хотя качество изображения было отвратительным. Но была нужна не картинка, а оптический сигнал, который поступал через простейшие оптические фильтры на ФЭУ. Четыре ФЭУ были закреплены на ножках, как излучатели на спутниковой параболической антенне. Тем не менее, эта штука, которая производила пугающее впечатление, давала превосходные результаты, получая первые отклики как от кооперированных (т.е. оснащенных уголковыми отражателями), так и от некооперированных спутников, ловя отражения лазерного импульса от обшивки. Затем были созданы все вышеперечисленные комплексы и системы. Но когда создавался комплекс “Малая сажень”, от главного топогеодезического управления генштаба поступил весьма необычный заказ.
Предлагалось создать лазерный спутниковый дальномер, разбиравшийся на детали, которые можно уложить в стандартные контейнеры дипломатического багажа. Планировалось собрать его во дворе или в комнате посольства в Вашингтоне и обстрелять советский спутник. Обработка этих данных позволяла привязать геодезическую сеть США к сети СССР и решить ряд практических оборонных задач. Система должна была быть предельно проста. Решено было отказаться от компьютерного наведения на спутник и вести его вручную по визиру. Решили не брать в Америку и компьютер системы измерения дальности. Операторы должны были записать значения эталона времени и результат работы ИВИ, считав их с дисплеев приборов.
Поскольку система разбиралась на небольшие фрагменты, опорно-поворотное устройство уже не отличалось жесткостью. Поэтому пришлось использовать схему с двумя осями. Если бы использовалась трех или четырехосная схема, то монтировку телескопа траекторных измерений можно было вывести в плоскость полета спутника и жестко закрепить. Телескоп мог двигаться только вокруг одной оси, и требовалось лишь следить за скоростью его поворота. Но пришлось использовать двухосную угломестную монтировку (как у теодолита) и отслеживать спутник по двум осям. Естественно, что попасть по спутнику было гораздо труднее. Еще труднее было считать результат с цифровых дисплеев. Лазер стрелял с частотой 2,5 Гц или один раз в 0,4 секунды. На это время и показывался результат измерения. Операторы, а фактически инженеры лаборатории НИИКП, пытались приспособить к этому делу магнитофон, чтобы надиктовывать данные, но все было без толку. За три летних месяца работы на стенде в Щелково, а все работы идут ночью, было получено около 10 измерений. А надо хоть 10-15 измерений за один проход спутника. Военные уже согласились оснастить дальномер компьютерами, но тут тему прикрыли. Наверное всполошился МИД. Палить из лазера в центе Вашингтона, это слишком нахально даже для СССР. Да и на подходе была система Глонасс. За несколько часов или дней непрерывных измерений она давала координаты с точностью до метра.
Так это дело и похоронили. А систему “Малая сажень” сделали, она до сих пор стоит на вооружении в армиях стран СНГ, в подмосковном Менделеево, и в МИИГАиК на кафедре космогеодезии. Красивая штучка. Четыре зеркально-линзовых объектива диаметром 300 мм сводят сигнал на 2 ФЭУ. Между объективами стоит лазер разработки НПО Полюс, созданный для подсветки целей с самолета ТУ-16. Автоматизацию измерений берет на себя чудо-компьютер, по слухам созданный для управления пусками баллистических ракет с подводных лодок. Перед сеансом измерений этот компьютер рассчитывает данные для движения опорно-поворотного устройства, и выводит их на перфоленту. Перфолента заправляется в считыватель, который управляет шаговыми моторами ОПУ. Телескоп по лимбам направляется в вычисленную точку встречи с КА. Когда наступает расчетное время сеанса, перфоввод включается и начинает вести телескоп. Если маленько не попали, то по визиру можно ввести ручную поправку. Компьютер работает только на прием измерений и управлением системой измерения дальности. После сеанса он обрабатывает данные и по телетайпу (модема то нет) отправляет их в центр. Систему сделали по нормативам автомата Калашникова. Автомат столь технологичен, что его может выпускать любая кроватная фабрика. Подобные концепции применили и к дальномеру. Оптика в 300 мм является стандартной, хоть и максимального диаметра, все прочие детали тоже изготавливались на стандартной технологической оснастке. Создавалось впечатление, что в ядерную войну генштаб планирует мобилизовать предприятия по выпуску очков и гнать на фронт эшелоны дальномеров.
Менделеевский дальномер (среднеквадратическая погрешность измерений 0,2 метра!) решили доработать, чтобы включить его в международную сеть измерений (какие там точности я уже говорил). Советский компьютер с подводной лодки заменили на 286-й AT, телетайп на модем, но что делать с ОПУ. Для него отдельного компьютера не предусмотрено. Совместили с буржуазной персоналкой перфовывод. Теперь гордый IBM PC AT покорно выдает данные на советскую перфоленту. Смотрится, как пресловутый гибрид ужа и ежа, но ничего, работает. Кстати, если кто видел по НТВ 31.12.98 сюжет об увеличении продолжительности дня на 1секунду, мог видеть и этот дальномер.
Я уже упоминал, что дальномеры горы стрелял по луноходу для определения его координат. Видимый угловой размер Луны около 30 угловых минут. Радиотехнические комплексы могут определить положение источника сигнала с точностью 3-5 угловых минут, (их точность определяется не суперсовременной электроникой, а длиной волны и диаметром антенны) что давало погрешность в сотню км. Можно и точнее, но тогда надо задействовать астрономические радиоинтерферометры с огромной базой. Решено было использовать оптические средства. Дальномер Майданака стрелял по Луне. Часть светового потока возвращалась уголковым отражателем и системой светоделительного кубика и пентапризмой вводилась в поле зрения фотоаппарата, который смотрел на Луну. Срабатывание затвора было сопряжено с выстрелом лазера, и на фотографии Луны появлялась яркая точка. Если лазерный луч попадал по луноходу, он принимался фотоприемником и на Землю отправлялась телеметрическая квитанция. И хотя пятно лазера на луне было 30-35 км., обстрел участка Луны с луноходом и микроскопные измерения на фотопленке с положительными кадрами, позволял определить его местоположение с точностью 0,9 км. Очень сложной частью системы был приемник на луноходе. Объектив обладал большим полем зрения – 100-150 градусов и должен был быть максимально простым. В результате он состоял из минимального количества оптических деталей, но вторая поверхность входного мениска имела вид половинки шарика от пинг-понга вдавленного в стекло, что делало ее шлифовку исключительно трудной технологической задачей.
Все очень жалели, что не могут получить ответный сигнал с Луны, ведь луноход был оснащен уголковыми отражателями. Но на Майданаке не хватало мощности лазера, а измерением дальности занималась другая станция – светодальномер Академии Наук в Крыму. Там был мощнее лазер и зеркало телескопа около 2-х метров в диаметре. Зато майданакский дальномер мог передавать на спутники информацию по оптическому каналу, что исключало радиоперехват противником.
Я уже говорил, что никакого боевого применения, как пучок энергии, луч лазерного дальномера не имеет. Хотя определенное положительное воздействие на биологические структуры он оказывал, это подмечали офицеры, которые обстреливали лазером свои огороды. Однако, конечной целью всех этих усилий был точный пуск баллистических ракет, особенно морского базирования. Когда подводная лодка поднимается из глубин океана на уровень применения оружия, то над поверхностью должна всплыть антенна ГЛОНАСС. Зная свои координаты и координаты цели, лодка может выпустить свои ракеты в круг 200-300 метров или меньше. Чем точнее знаем координаты, тем меньше круг вероятного отклонения. Беда в том, что для точного получения координат нужно снимать показания с ГЛОНАСС несколько десятков минут, или часов, которые подводной лодке никто не даст, да и течение ее сносит. Несколько секунд измерений дают координаты в 30-40 метров. Американские спутники GPS служат для той же цели их Трайдентам. А недавно (текст пишется 31.12.98), заложив координаты целей в головные части Томагавков, американская военщина стреляла по Багдаду. Ракета, получив через GPS свои координаты, и сравнивая их с координатами цели и с полетным заданием, определяла величину рассогласования, которую ей надо было отработать. Так она могла попасть в бункер Садама Хусейна или соседний детский сад.
Предел точности, необходимый для получения координат военными давно пройден. Но на старт баллистической ракеты морского базирования влияет местное отклонение от нормали силы тяжести, что обуславливается перемещением магмы под тектоническими плитами. Уловить такое отклонение можно, если спутник будет следить за локальным проседанием или вспучиванием поверхности океана относительно среднего уровня моря. Звучит как каламбур, да и величина таких поднятий и опусканий измеряется несколькими сантиметрами. Такой спутник должен лететь по орбите, параметры которой поддерживается дальномерами с высокой точностью. Это достигается использованием дальномера четвертого поколения. Такой дальномер разрабатывается, как элемент наземных средств комплекса ЗВЕРОЛОВ. Борт и наземные средства являются ответом нашей страны на франко-американский спутник ТОПЕКС\ПОСЕЙДОН. Этот спутник вооружен высокоточным радиовысотомером, который работает по поверхности океана. Посмотреть, как это выглядит в псевдоцветах можно на http://podaac.jpl.nasa.gov/topex/archive или на сайте Центра им. Годдарда. В этом спутнике и в создаваемом отечественном аналоге измерения дальности светодальномером ведутся не до центра масс, а до антенны радиовысотомера. Вот для этого, спутника, а также для улучшения точности измерений по остальным объектам и создается дальномер четвертого поколения.
В этих дальномерах сокращается длительность импульса (импульс 30 пикосекунд – длина световой пули всего 3 мм!!). Используют двухчастотное излучение (1,06 и 0,53 мкм), тогда отставание импульсов разных цветов несет информацию об интегральном показателе преломления атмосферы. Вместе с приемным ФЭУ используют стрик-камеру, которая преобразует отставание разночастотных сигнал во времени в расстояние (развертка летящих фотоэлектронов) с разрешением ПЗС линейкой до 3 пикосекунд.
Поскольку одна из основных задача этого дальномера – калибровка радиовысотомера, то на спутнике уголковые отражатели установлены пояском, вокруг параболической антенны, а один, на контр-зеркале и смотрит прямо в надир. Причем поля зрения остальных отражателей в надир не смотрят. По идее, дальномер, стоящий на берегу океана, еще лучше на мысу, дожидается момента, когда спутник пройдет прямо над ним и стреляет в зенит. Радиовысотомер в этот момент делает измерения. Сигнал от поверхности земли на борту отфильтровывается от сигнала от океана и получается точная поверка высотомера. Но вот беда. У ЛСД существует 2-3 градусная мертвая зона вокруг зенита. Дальномер следит за спутником автоматически, по сигналам компьютера. Компьютер управляет моторами, которые крутят дальномер вокруг двух осей – горизонтальной, когда дальномер поворачивается на 360 градусов, и вертикальной, когда труба телескопа поднимается от 0 до 90 градусов. Если спутник проходит стороной, то моторы ведут телескоп вокруг горизонтальной оси на 130 или, положим на 150 градусов, а по вертикальной оси от 0 до 60 или 80 и обратно. При этом моторы развивают определенные скорости движения и ускорения, поскольку скорость движения по осям меняется. Но если борт проходит через зенит, то горизонтальная ось неподвижна. С определенным нарастанием скорости работает только вертикальная ось, поднимая телескоп от 0 до 90 градусов. Когда спутник оказывается над головой, двигатели привода горизонтальной оси должны дико взвыть и МГНОВЕННО крутануть дальномер на 180 градусов, т.е. развить бесконечное ускорение. После чего телескоп должен опускаться вокруг вертикальной оси от 90 до 0 (вообще, на углах места меньше 20 градусов измерения не проводятся, слишком большие потери в толстом слое атмосферы). Реально, если спутник проходит через зенит, дальномер доводит его до угла 87-88 градусов, затем бросает, поворачивается на 180 градусов и встречает по ту сторону зенита. А нужны измерения в зените, что делать?
Неподвижная часть опорно-поворотного устройства сделана из двух частей, которые соприкасаются по шаровому сектору. Теперь верхнюю часть можно повалить на бок на 5-6 градусов и мертвая зона будет смотреть не в зенит. Другое дело, что для управления таким “скособоченным” дальномером нужна программа, которая позволит ему бить в “яблочко”.
И все-таки такие миллиметровые точности для оборонных задач практически не нужны. Основная работа идет по спутникам Лагеос, Эталон, Старлет, GFZ-1 и прочим. Назвать их спутниками в обычном понимании трудно. Представляют они собой металлический шар, иногда из обедненного урана, на котором закреплены уголковые отражатели. Ничего другого на спутнике нет. Высота их полета различная, наш Эталон самый высокий 19 000 км, немецкий GFZ-1 самый низкий около 300 км. Измерения по ним и позволяют определять дрейф тектонических плит и решать другие задачи в рамках программы Crustal Dynamics Data, которая проводиться под эгидой NASA.
В тексте упоминалось, что в стране создается ЛСД четвертого поколения. Значит, были первые три. Поколения дальномеров появлялись, как только появлялись лазеры с более коротким импульсом, поскольку именно длительность импульса наибольшим образом влияет на точность. Самые первые лазеры не могли использоваться для целей дальнометрии, их импульс был слишком длительным. Лазер на итрий-алюминиевом гранате, проще говоря рубиновый, должен вобрать в себя энергию, которую ему сообщают лампы-вспышки или лампы накачки. Как только в рабочем теле лазера (рубине), находящегося между двумя зеркалами-резонаторами накопиться энергия, превышающая некоторое пороговое значение, внутри резонатора начнется генерация светового пучка. Часть энергии будет выходить наружу в виде лазерного луча. На протяжении вспышки энергия света от лампы создает в рубине условия генерации – т.н. инверсию, но стоит ее уровню подняться над пороговым, начавшаяся генерация света ее съедает. Уровень инверсии падает, интенсивность генерации света ослабевает, инверсия опять начинает расти. Так, пока длиться вспышка лампы – доли секунды, происходит несколько сотен колебаний. Энергия лазерного луча маленькая, а длительность импульса большая. Если между рубином (там не рубин, а стекло обогащенное молекулами рубина.) и одним из зеркал поставить оптический затвор, то условия генерации устойчивого пучка будут нарушены. Рубин будет поглощать энергию вспышки лампы, но инверсия не будет съедаться генерацией света. Ее уровень вырастет до очень больших значений, намного превышающих пороговое. В последний момент оптический затвор открывается и опять возникает условие генерации излучения. Тогда один единственный фотон, случайно испущенный кристаллами рубина вдоль оптической оси лазера, вызовет лавину фотонов в очень коротком импульсе. Это и называется модуляцией добротности резонатора, изобретение которой позволило создать ЛСД первого поколения.
Первое поколение были экспериментальные дальномеры, с длительностью лазерного импульса десятки наносекунд и точностью измерений 1-3 метра. Второе поколение – все вышеперечисленные советские ЛСД системы достигали точность от 0,5 до 0,2 метров при длительности импульса 2-3 наносекунды. Третье поколение измеряет дальность с точностью 5-2 см. и имеют длительность импульса не более 200 пикосекунд. Под эту категорию попадает Гора и все большие сажени. Их лазеры заменили, приемную аппаратуру доработали, поставили персональные компьютеры, кое-где даже 386-е. Создание четверного поколения идет и по пути создания нового дальномера и поиск возможности доработки имеющихся. Вся беда в том, что пикосекундный двухчастотный лазер очень громоздок и чувствителен к температурным колебаниям. Все предыдущие лазеры были достаточно компактны и легки, чтобы крепиться на качающейся части ОПУ. Этот лазер должен стоять в помещении, внутри купольного укрытия, а его излучение, зеркалами подводится к передающей оптической системе через полости в ОПУ. Но такие полости есть не во всех системах.
Остановились ли дальномеры в своем развитии? Нет, человеческая мысль идет дальше. Дальномер пятого поколения будет работать на полупроводниковом лазере, который дает достаточно короткий 5-10 пикосекундный импульс. Правда, энергия этого импульса составляет менее 0,0005 Дж и импульсы следуют с частотой 20-50 КГц. Получается, если при частоте 2,5 Гц и энергии 0,1 джоуль в секунду излучается 0,25 – 0,3 джоуля, то здесь в секунду уходит 10. Читатель, который внимательно изучал вышеприведенный текст, задаст два вопроса. Первый, в воздухе одновременно находится несколько десятков или сотен импульсов. Каждый дает сигнал пуск и стоп. Как измерять дальность? Второй, для гарантированного выбивания фотоэлектрона надо несколько тысяч фотонов. Как можно получить сигнал, если на фотокатод будет приходить 5-6 фотонов. Во первых, примерная дальность до КА известна, и система измерения дальности знает какой старт сигнал соответствует текущему стопу. Во вторых, выбивание фотоэлектрона есть процесс вероятностный. В среднем на 5000 фотонов вылетает один фотоэлектрон. И если эти 5000 фотонов придет в течении 500-1000 зондирующих импульсов, фотоэлектрон будет выбит. Получается, что за одну секунду дальномер произведет свыше 20 измерений, тогда как предыдущие поколения могут произвести 1-2 измерения в секунду. Число измерений очень важная величина. Поскольку кроме полезного сигнала ЛСД может зафиксировать тепловой фотоэлектрон, т.е. собственный шум ФЭУ, или фотоэлектрон, выбитый фоном неба, то часть измерений, иногда половину, отбрасывают. Этот процесс называется сглаживанием измерений. Он позволяет также избавиться от случайных погрешностей измерений, которые вносят аппаратура дальномера, спутник и атмосфера. И чем больше измерений будет, тем больше можно отбросить и тем точнее будет конечный результат.
А что будет за этим? Дальномер вернется туда, откуда начал свой путь, на спутник. Уголковые отражатели будут установлены в сейсмически опасных районах земли. Спутник будет их обстреливать, и если обнаружиться, что поверхность земли такого района поднялась на 1-2 см, то там скоро будет землетрясение.
Отступление первое.
Вышеприведенный текст изобилует техническими подробностями и деталями, хотя автор старался максимально доступно и популярно изложить материал. Если уважаемому читателю удалось пробраться через эти дебри, автор сможет удовлетворенно вздохнуть. Еще большей наградой автору будет понимание читателями, что создание подобной техники, это не просто сваленные вместе много денег и квалифицированных людей, которым дали достаточно времени, чтобы эти деньги потратить. Художнику или писателю, награжденных искрой таланта, не составляет труда доне<