Орбитальные оптико-электронные системы

Поскольку тема оптико-электронных систем (ОЭС) космического базирования достаточно обширна, мы ограничимся рассмотрением только тех из них, которые позволяют получить визуализацию конечного изображения какого-либо объекта или явления, расположенного как на поверхности нашей планеты, так и в космическом пространстве. Такие ОЭС делятся на две большие группы: системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и космические телескопы (КТ). Для начала рассмотрим бортовые оптические приборы, устанавливаемые на космические аппараты (КА) ДЗЗ. 

ОЭС ДЗЗ

Современная бортовая оптико-электронная аппаратура КА ДЗЗ согласно принципу своего действия подразделяется на сканирующие (линейные) и матричные (полноформатные) фото-приёмные устройства (ФПУ). Линейные ФПУ формируют изображения путём построчного считывания подстилающей поверхности (ширина одной строки может составлять от одного до нескольких пикселей) с последующей интеграцией отсканированных строк в полноформатное изображение. Примером такого ФПУ может служить длинноволновый ИК модуль фотоприёмного устройства LW 288x4:

Матричные ФПУ, наоборот, сразу формируют полноформатное изображение с определённым разрешением, примером такого устройства является средневолновый ИК модуль фотоприёмного устройства MW 1280×1024.

Главным преимуществом линейных ФПУ является качество финального изображения (почти полное отсутствие дефектных пикселей и неэффективных элементов), однако формирование этого изображения занимает определённое время интеграции (и чем крупнее формат, тем больше это время). Изображения же, полученные матричными ФПУ, чаще всего имеют некоторые дефекты, требующие дальнейшей коррекции, но они получаются практически мгновенно, формируя полнокадровую полосу охвата.

Как правило дистанционное зондирование Земли из Космоса производится либо в панхроматическом режиме (видимый диапазон), либо в мультиспектральном режиме (тут обычно для наблюдения дополнительно используется инфракрасный спектр). Для работы в панхроматическом режиме применяются высокочувствительные КМОП и ПЗС сенсоры с высоким разрешением и термоэлектрическим охлаждением с целью повышения чувствительности, а для работы в ИК диапазоне существуют специализированные ФПУ на основе различных гетероструктур (в данном случае чаще всего применяется более глубокое охлаждение до криогенных температур). 

Первые орбитальные системы ДЗЗ были ещё оптико-механическими и состояли из фотокамер. Примером такой системы может служить фотокомплекс «Фтор-2», который был разработан на Красногорском Оптико-Механическом Заводе для проекта «Зенит-2»:

Первоначально данный комплекс состоял из двух фотокамер С-20 (позднее к ним была добавлена 3-я) с фокусным расстоянием 1м (объектив «Ленинград-9»), которые предназначались для крупномасштабной фотосъёмки, и из одной картографической фотокамеры СА-10 с фокусным расстоянием 200мм (объектив «Орион»). 

В настоящее время на околоземной орбите работает большое количество КА ДЗЗ как научно-исследовательского и коммерческого назначения, так и чисто разведывательные спутники военного применения. Следует отметить главные параметры определения эффективности ОЭС ДЗЗ:

1. Фокусное расстояние и диаметр главной линзы оптико-электронной камеры (в лучших системах они составляют 13,3м и 1,1м соответственно).
2. Ёмкость запоминающего устройства и скорость передачи данных (лучшие показатели – это 2200 Гбит и 1200 Мбит/с соответственно).
3. Ширина захвата (лучшее значение тут составляет 28км).
4. Разрешение в панхроматическом и мультиспектральном режиме (самые хорошие цифры – это 0,15м и 0,5м соответственно).

На данный момент наблюдаются следующие тенденции развития систем ДЗЗ:

1. Создание сети низкоорбитальных КА (орбита от 200 до 350 км) в количестве от 20 до 30 шт. с коротким сроком активного существования (САС от 60 до 90 дней)  для покрытия определённой территории. Данные КА будут оснащены относительно дешёвыми и простыми ОЭС, передающими информацию об узком участке местности. Такую группировку предполагается оперативно наращивать благодаря запускам с самолётных носителей. Примером тут может являтьсяамериканский проект SEE ME (Space Enabled Effects for Military Engagements). Это позволит производить детальное зондирование земной поверхности с высоким разрешением и передачей данных в режиме реального времени.
2. Вывод на геостационарную орбиту КА с диаметром мембранно-оптической линзы до 20 м, который будет передавать видеоизображения в реальном времени, с линейным разрешением на местности не более 1 м, при этом ширина полосы съёмки составит не менее 10км. При благоприятных условиях один такой спутник сможет охватить примерно 1/3 земной поверхности.

Космические телескопы

Необходимость создания орбитальных телескопов, предназначенных для астрономических наблюдений, была во многом продиктована невозможностью приёма космического УФ излучения в атмосферных пределах, т.к. даже в стратосфере большая часть волн УФ диапазона не пропускается.  По этой причине первые космические телескопы работали именно в УФ диапазоне. Примером такого прибора может служить оптическая система на основе видикона компании Westinghouse, которая была установлена на Орбитальной Астрономической Обсерватории (ОАО-2), запущенной США в 1968-м г. Сегодня существует достаточно много действующих космических телескопов (КТ), работающих в различных спектральных диапазонах, а также использующих разнообразные оптические схемы и виды сенсоров, но наиболее крупными проектами являются КТ «Хаббл» и КТ «Джеймс Уэбб».

Телескоп «Хаббл» расположен на околоземной орбите (высота 547км) и выполняет свою миссию наблюдения за различными объектами во Вселенной уже более 30 лет:

Оптический блок КТ «Хаббл» построен на основе двухзеркальной схемы Ричи – Кретьена с фокусировкой в максимальном поле зрения, главное зеркало телескопа при этом представляет собой монолитный массив кремниевого стекла с алюминиевым покрытием диаметром 2,4м. Главным ФПУ телескопа «Хаббл» является специально разработанная для данного проекта мультиспектральная ( 0,1−2,4 мкм) камера WFC3 (Wide Field Camera 3), которая в 2009г. заменила собой предыдущую модель  WFC2. Сенсоры  WFC3 представляют собой три высокочувствительные ПЗС матрицы, две из которых (разрешение 4096 × 2048 пикселей) принимают изображение в видимом и УФ диапазоне (UVIS), а одна (разрешение 1024 × 1024 пикселей) работает в ИК спектре (IR). В данном случае не было возможности применить более современные сенсоры на основе фотонно-кристаллических гетероструктур из-за устаревшей системы охлаждения на жидком азоте, которая была разработана ещё в 80-е гг. прошлого столетия и охлаждает сенсорную систему КТ «Хаббл» до температуры 60 К (−212 °C). Не смотря на все достижения по визуализации космического пространства, главной проблемой телескопа «Хаббл» является невозможность «видеть» сквозь многочисленные туманности, дабы обозреть «края» видимой Вселенной и исследовать первые звёзды и наиболее молодые галактики поскольку для этой цели необходимо задействовать дальний ИК диапазон (до 30 мкм):

С целью исследования наиболее отдалённых объектов видимой Вселенной был создан проект нового КТ «Джеймс Уэбб» (JWST), разработка которого началась ещё в 1996 г., а запуск уже готового КА состоялся в 2021 г.

В отличие от предыдущего проекта (Хаббл), в качестве рабочей орбиты для размещения JWST была выбрана точка на расстоянии 1,5млн. км от Земли (гало-орбита вокруг точки Лагранжа L2). Это связано с тем, что на данной орбите практически отсутствуют ИК помехи от теплового поля Земли, а помехи от солнечного излучения компенсируются специальным пятислойным экраном. Оптическая схема телескопа «Джеймс Уэбб» представляет собой трехзеркальный анастигмат Пола–Бейкера (телескоп Korsch), поскольку в данном случае упор был сделан на приём излучения в сверхдальнем ИК диапазоне (0,6−28 мкм). Главное зеркало JWST – это 18 шестиугольных сегментов из бериллия с золотым покрытием (диаметр - 6,5м, масса - 360 кг, для сравнения: масса главного зеркала КТ «Хаббл» в два раза больше, а диаметр почти в три раза меньше). Сенсорная система JWST состоит из двух камер: NIRCam (0,6-5мкм - 10 детекторов на КРТ 2048 × 2048) и MIRI (5-28мкм - 3 детектора на кремнии легированном мышьяком 1024 × 1024). Система охлаждения главных ФПУ телескопа «Джеймс Уэбб» построена на циркуляции жидкого гелия (250кг) по схеме Джоуля-Томпсона, она должна охлаждать камеры NIRCam и MIRI до температуры 6 К (-267,15 °C). В 2022г.  JWST достиг расчётной орбиты и начал передавать первые изображения из космоса, планируемый срок его активного существования (САС) составляет 10лет, но вполне возможно его удастся увеличить как минимум в 2 раза за счёт экономии энергоресурсов, хотя в случае возникновения каких-либо технических проблем, их устранение будет затруднительно, поскольку, в отличие от телескопа «Хаббл», «Джеймс Уэбб» находится слишком далеко.

Однако уже сейчас происходит рассмотрение новых проектов более мощного космического телескопа, который должен будет заменить JWST на орбите L2 после завершения его миссии. Наиболее перспективными проектами тут являются «LUVOIR» (Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor) и «ATLAST» (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope):

Проект КТ	LUVOIR	ATLAST
Диаметр главного зеркала, м	15 (секционное)	8 (монолитное) / 16 (секционное)
Спектральный диапазон главного ФПУ, мкм	0,1 - 30	1,1 – 2,4
Планируемый САС, лет	5 (с возможной пролонгацией от 10 до 25)	20
Обслуживание	Не предполагается	раз в 5-7лет с помощью автоматических или пилотируемых миссий
Научная миссия	Исследование экзопланет, истории Вселенной и объектов Солнечной системы	Поиск жизни во Вселенной и изучение тёмной материи

Оба проекта КТ рассчитаны на то, что в конце 30-х или в начале 40-х гг. нынешнего столетия объём и масса полезной нагрузки, которую можно будет выводить на дальние орбиты, значительно возрастёт за счёт ввода в строй сверхтяжёлых ракетоносителей. Какой из проектов окажется наиболее реализуемым – покажет будущее.

Основные источники информации

А. А. Токовинин, Орбитальные оптические телескопы. – М.: Знание, 1986. – 64 с, ил. – (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; № 11).

Занин К.А., Клименко Н.Н., Москатиньев И.В. Современные космические аппараты дистанционного зондирования Земли // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 2. С. 82 – 89. 

Макаренко С. И. Использование космического пространства в военных целях: современное состояние и перспективы развития систем информационно-космического обеспечения и средств вооружения // Системы управления, связи и безопасности . 2016. №4. С.161-213.

 Пантенков Д. Г., Гусаков Н. В., Ломакин А. А. Обзор современного состояния орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и космических ретрансляторов. Обзорная статья // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 1. С. 120–149. 

Александр Сергеев. «Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году // «Вокруг света» № 2, март 2022.

 Официальный сайт КТ «Джеймс Уэбб»: https://jwst.nasa.gov/

Официальный сайт КТ «Хаббл»: https://hubblesite.org/

Официальный сайт КТ «LUVOIR»: https://www.luvoirtelescope.org/

Официальный сайт КТ «ATLAST»: https://www.atlast.uio.no/