05/09/2016 ИФП СО РАН
Информация со спутников питает разные отрасли
498 СО РАН ИФП СО РАН ИСИ СО РАН РАН Аналитика Физика Информационные технологии Красноярск В 1959 году в Красноярске-26 (сегодня это — город Железногорск Красноярского края) был открыт восточный филиал ОКБ-1 С.П.Королева. Его руководителем был назначен Михаил Решетнев — ученик и соратник Сергея Королева.
Уже в середине января 1962 года первая баллистическая ракета Р-14, сконструированная в Сибири, стартовала с полигона Капустин Яр. А первым самостоятельным космическим проектом ОКБ-10 (именно так стало называться предприятие после реорганизации в 1961 году) стало создание ракеты-носителя легкого класса типа "Космос". В августе 1964 года с космодрома Байконур стартовала первая ракета-носитель 11К65 ("Космос-3") с тремя экспериментальными спутниками "Космос-38","Космос-39","Космос-40". А вскоре с полигона Капустин Яр были выведены на орбиту разработанные решетневцами космические аппараты связи ("Космос-42" и "Космос-43"). Так Сибирь стала местом рождения не только ракет, но и спутников, а компания "Информационные спутниковые системы" первой в стране начала разработку низкоорбитальных спутников связи, навигационных и геодезических космических аппаратов, спутников телевещания и ретрансляции…
На одном из недавних своих заседаний Президиум Российской академии наук заслушал обширный доклад генерального директора АО "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф.Решетнева" члена-корреспондента РАН Николая Тестоедова "Информационные спутниковые системы в науке и технике".
Сделав небольшой экскурс в историю, Н.Тестоедов отметил, что начиная с 1957 года космические информационные системы в нашей стране и за рубежом развивались практически параллельно. В этой области у капитализма и социализма был очевидный паритет. Сегодня мы не поспеваем за западными коллегами в решении некоторых задач, но "это не отставание в идеях, а лишь отсутствие ряда технологий и определенной части электронно-компонентной базы". В целом же уровень отечественной космической науки соответствует мировому.
На орбите
Как рассказал докладчик, российская орбитальная группировка сегодня насчитывает 138 спутников военного, гражданского и двойного назначения. Семьдесят процентов космических аппаратов (КА) получили путевку в космос в АО "ИСС" — головном предприятии госкорпорации "Роскосмос".
По словам Н.Тестоедова, рост эффективности информационных спутников не уступает темпу роста быстродействия ПК. Так, за последние 15 лет пропускная способность информационного потока КА увеличилась более чем в 10 раз. Но при этом более чем на два порядка увеличился и поток информации, проходящей через один транспондер. Все это стало возможным за счет перехода на "цифру" и разработки новых систем сжатия информации.
Например, пропускная способность одного транспондера при использовании разных типов сигналов составляет: по количеству ТВ-программ при аналоговом вещании — 4, при цифровом — 10, а при сжатом — 700. Количество телефонных каналов 150, 800 и 4800 соответственно. Новые технологии позволяют также на порядок снизить стоимость земных станций.
Эффективность информационных спутниковых систем для российского народного хозяйства очень высока с учетом размеров страны и плотности населения. При средней плотности населения РФ 10 человек на квадратный километр спутниковые системы имеют приоритет перед другими: оптоволоконной связью, проводной системой, Wi-Fi и др.
Вклад науки в развитие космических систем очень многогранен и, по словам Николая Тестоедова, может быть проиллюстрирован историей развития антенн: от простых параболических — к контурным и, наконец, к многолучевым антеннам.
Контурные антенны сегодня наиболее востребованы. Они позволяют направить сигнал непосредственно на территорию зоны связи (соответственно, поднять его мощность и увеличить количество целеувязок и связей на поверхности Земли). Многолучевые способны гибко перераспределять сигналы внутри узких зон. Важным фактором при разработке антенн (особенно для оборонной отрасли) является их помехозащищенность.
Рост эффективности информационных спутниковых систем происходит экспоненциально, в области информационных систем возникли новые вызовы, отметил докладчик. Речь идет о западных системах широкополосной связи на базе средневысотных и низкоорбитальных группировок космических аппаратов: 3b (Google, HSBC Holdings, Liberty Global), ее зона обслуживания — экваториальный пояс Земли; One Web (Virgin Groop и Qualcomm) — группировка из 900 малых КА на низкой круговой орбите, обеспечивающая глобальный интернет-сервис для индивидуальных потребителей. "Без всякого сомнения, такие системы представляют интерес и для России", — считает Николай Алексеевич.
В АО "ИСС" разработана система широкополосного доступа в Интернет с космических аппаратов на средних круговых орбитах (высота орбиты 8070 километров, наклонение 88,2 градуса — за счет такого наклонения система является глобальной, и в этом ее большое преимущество). Подобные КА строятся на унифицированной платформе "НТ-500", созданной на базе приборов отечественной разработки. Аппараты будут выводиться с космодрома Плесецк ракетоносителями "Союз-2".
Стабильность и эффективность
— Космическая система ГЛОНАСС развивается в соответствии с утвержденной федеральной целевой программой, — сообщил Николай Алексеевич. — На орбите работают спутники "Глонасс-М", "Глонасс-К1", "Глонасс-К2". Одна из ключевых научно-технических проблем — увеличение стабильности бортовых и наземных стандартов частоты.
— В этой ситуации наиболее перспективными становятся работы, проводимые под руководством академика Сергея Багаева (Институт лазерной физики СО РАН), — они направлены на обеспечение стабильности частот в суточном интервале. Планируется получить точность частот до 10 в минус 18-й степени секунды. Сегодня приборы дают точность до 10 в минус 14-15-й степени секунды. Важно также уточнение фундаментальных астрономических и геодезических параметров — этим занимается Институт прикладной астрономии РАН.
Для увеличения частоты измерений показаний спутника над территорией РФ нужно, чтобы измерительные средства были размещены в разных точках земного шара. Для этого планируется и создается специальная архитектура наземного сегмента системы ГЛОНАСС. Станции сетей БИС-Н, БИС-НП, БИС-ЦС располагаются на территории РФ, сеть БИС-Э действует в экваториальной зоне, а сеть БИС-А — в районе Антарктиды. Размещением в Антарктиде занимается Красноярский научный центр СО РАН, сообщил Н.Тестоедов.
При создании информационных спутниковых систем важно учитывать научные результаты, достигнутые вместе с учреждениями Российской академии наук, отметил Н.Тестоедов, и привел в пример высокоэффективные фотопреобразователи из трехкаскадного арсенида галлия, которые были разработаны на базе идей академика Жореса Алферова.
Сегодня в КА используются фотопреобразователи с КПД, равным 27-29%, что недостаточно для спутников высокой мощности, ведь, например, для получения 12 киловатт мощности в конце 15-17-летнего активного существования спутника необходимы солнечные батареи площадью 88 метров. Для спутников же большой мощности необходимо иметь на борту источники до 25 киловатт.
— Мы же не можем бесконечно увеличивать размер солнечных батарей, — заметил докладчик. — Нужно повышать эффективность сложных каскадных гетероструктур и фотопреобразователей на их основе, снижать их удельный вес.
И такая работа ведется. В Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе и в Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН создаются гетероструктуры методами МОС-гибридной и молекулярно-лучевой эпитаксии (процесс наращивания монокристаллических слоев вещества на подложку/кристалл). АО "ИСС" и ИФП СО РАН разработали проект программы по созданию опытно-промышленной технологии производства фотоэлектрических преобразователей методом молекулярно-лучевой эпитаксии с последующим отделением выращенных слоев от технологической подложки и перенесением на рабочую подложку.
Новые компетенции
Большое прикладное значение имеет разработка схемы довыведения спутников на целевую орбиту с помощью электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), которой АО "ИСС" занимается вместе с НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института.
Например, масса КА, выводимого на геостационарную орбиту ракетой "Протон" по "прямой схеме", ограничена 3250 кг, а с довыведением с помощью ЭРДУ — 4300 кг. Разница ощутимая.
Три четверти веса в конструкциях КА составляют детали из высокомодульных композиционных материалов. По мнению Н.Тестоедова, насущная задача, стоящая перед организациями РАН и промышленностью, — создание композиционных материалов на основе мезофазных ПЕК-волокон.
— В год нам нужно 50 кг высокоугольного волокна. Однако РОСНАНО отказалось решать для нас эту задачу, — посетовал Николай Алексеевич. — Они хотят заниматься массовым производством низкомодульного волокна. Сейчас решаем эту проблему вместе с МГУ — создаем композиционные материалы на основе безопасных ПЕК-волокон.
Еще одной важнейшей научно-технической проблемой докладчик назвал создание отечественной радиационно стойкой электронно-компонентной базы (ЭКБ). Он отметил, что до введения санкций около 40 процентов в ней составляли импортные компоненты. Именно высокорадиационностойкая ЭКБ попала под запрет. Отечественные идеи и разработки в этой области есть. Минпромторг и ГК "Роскосмос" даже готовили план создания типономиналов радиационно стойкой ЭКБ, но… этот проект не получил развития.
— Надеемся, что институты РАН найдут новые решения, которые позволят сократить сроки обеспечения российской космической отрасли необходимыми комплектующими, — сказал Н.Тестоедов.
Завершил свое научное сообщение Николай Алексеевич рассказом об участии АО "ИСС" в создании космической обсерватории "Спектр-М" ("Миллиметрон"). Масса обсерватории составит 6 тонн, полезная нагрузка — 4500 кг. Работы ведутся по заказу ИКИ РАН.
Николай Тестоедов подчеркнул, что для таких проектов нужны новые композиционные материалы, новая электроника, криогеника, орбитальная юстировка сегментов раскрываемой антенны, вообще — новые технологии. Эти задачи можно решить только в учреждениях РАН, а для этого уже "требуется развитие новых компетенций".
Разработки и перспективы
Директор Института физики им. Л.В.Киренского СО РАН доктор физико-математических наук Никита Волков представил президиуму перспективные фундаментальные и прикладные исследования в области физики конденсированных сред, которые ведутся для создания функциональных космических материалов и информационных технологий. Рассказал он также о разработках Красноярского научного центра и Института вычислительного моделирования СО РАН.
Технологии многослойных наноструктурированных покрытий элементов систем КА, покрытия для систем терморегулирования и радиоотражающие покрытия для информационных спутниковых систем, разработка устройств СВЧ-электроники — сибирякам есть чем похвастать!
Никита Волков представил коллегам опытные образцы полосно-пропускающих фильтров на миниатюризированных коаксильных резонаторах и на резонаторах на подвешенной подложке. — Резонаторы ИФ СО РАН по добротности превосходят американские более чем в два раза, — сказал он.
Сибиряки разработали высокочувствительный магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей, преобразователем в котором служит резонансная микрополосковая структура, содержащая в качестве активной среды тонкие многослойные магнитные пленки. Разрабатываются гипертеплопроводящие изделия, предназначенные для отвода тепла от радиоэлектронной аппаратуры КА. Они устанавливаются на спутниковых бортовых системах для выравнивания температурного поля с 2013 года. Это обеспечивает оптимальный тепловой режим для бортовой радиоэлектронной аппаратуры, позволяет снизить массу и габариты приборов, увеличивает их мощность и повышает надежность.
Ученый секретарь Института биофизики СО РАН Егор Задереев посвятил свое выступление текущему состоянию и перспективам использования космической информации дистанционного зондирования Земли для решения наземных задач. Работы в этой области проводят Красноярский научный центр СО РАН, Институт биофизики СО РАН, Институт леса СО РАН, Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН.
Направлений работы здесь несколько. Система спутникового мониторинга и новых информационных технологий, существующая в Институте биофизики, предназначена для решения задач сельского хозяйства. Это — оценка урожайности и изменений в землепользовании, почвоведение, гидрология, предотвращение сельскохозяйственных катастроф, прогнозирование урожаев и анализ сельхозпотенциала. Другими словами, "умное сельское хозяйство завтрашнего дня".
Институт леса СО РАН ведет мониторинг состояний природной среды для оценки рисков возникновения чрезвычайных ситуаций. Выявляет ледовую обстановку, следит за лесными вырубками, вместе с Федеральным центром МЧС составляет ежедневную карту пожарной опасности лесов. Главная задача института — разработка новых алгоритмов.
Прерогатива Института физики СО РАН — методы и алгоритмы дистанционного зондирования почвенного покрова с применением радиометров, радаров и импульсных рефлектометров. Созданная в ИФ модель диэлектрической проницаемости почв включена в 2012 году в состав алгоритма Европейского космического аппарата SMOS, похвастал Егор Сергеевич, и обеспечивает глобальный мониторинг влажности почвенного покрова на основе измерений радиотеплового излучения поверхности Земли.
— Сегодня все думают о системе глобального мониторинга земной поверхности для оперативного управления, — продолжил ученый. — Мы считаем, что нужно вести речь об общей системе мониторинга, включающей в себя и спутниковый сегмент, и беспилотный сегмент (беспилотники + мобильный пункт приема информации), и наземный сегмент (транспортное средство высокой проходимости + аппаратура приема и передачи + малогабаритный переносимый спектрофотометр).
Один спутник может контролировать территорию Красноярского края, 30 спутников охватят весь мир. Начинать следует с региональных подходов, и РАН не должна отставать в этом вопросе, сделал вывод Егор Задереев.
По мнению Егора Сергеевича, "пришло время дешевых спутников". В АО "ИСС", например, уже разработан прототип малого спутникового аппарата — ИСС-55, являющегося аналогом сети спутников GPS или ГЛОНАСС.
Академик Валерий Бондур обратил внимание коллег на еще одну возможность для фундаментальной науки использовать действующие навигационные спутниковые системы, а именно: оперативный мониторинг состояния ионосферы Земли, проведение замеров общего электронного содержания, его максимумов и т.д. и т.п.
— Есть предпосылки также исследовать сейсмоопасные территории по вариациям ионосферы в период подготовки и протекания значительных сейсмических событий, — отметил он. — В этой области можно не создавать системы, а использовать уже готовые, проверенные в работе.
Результаты и уроки…
Председатель Сибирского отделения РАН академик Александр Асеев рассказал о направлениях сотрудничества институтов СО РАН с ОА "ИСС" и среди прочего представил телескопическую спицу для крупномасштабных рефлекторов КА:
— В НТИ научного приборостроения СО РАН разработана не имеющая мировых аналогов телескопическая спица, используемая в качестве несущего и формообразующего элемента в конструкции крупногабаритного трансформируемого рефлектора диаметром 48 метров. Он предназначен для работы на космических аппаратах в условиях геостационарной орбиты.
Основой разработки является оригинальный, высоконадежный и универсальный механизм выдвижения промежуточного и концевых звеньев спицы, который может использоваться не только для любых телескопических систем, но и как средство перемещения различных устройств в сверхдлинных трубопроводах. Создан опытный образец такой спицы, который успешно прошел производственные испытания в АО "ИСС".
Александр Асеев поведал и о других разработках для космоса. Например, в Институте систем информатики СО РАН создана информационная система "Архив сопровождения программных проектов и документов" (АСПИД), предназначенная для разработки и долговременного сопровождения бортового программного обеспечения спутников.
А лазерный технологический комплекс для измерения геометрии и обработки изделий с произвольной формой 3D-поверхности (абляция, сварка, резка) по совокупности параметров превосходит известные аналоги российского и зарубежного производства. На базе комплекса разработана уникальная измерительная машина с разрешением 0,1 микрометра и неопределенностью измерений менее 5 микрометров.
В Институте лазерной физики СО РАН создан лазерный источник на длине волны 457 нанометров с шириной линии излучения около 1 килогерца, с помощью которого были выполнены спектроскопические исследования ультрахолодных атомов магния, локализованных в магнитооптической ловушке.
Полученные результаты — важный шаг на пути создания нового поколения оптических стандартов частоты со стабильностью на уровне 10 в минус 17-й степени для совершенствования системы ГЛОНАСС, подчеркнул академик Асеев.
— А теперь несколько слов об уроках, — сказал в заключение Александр Леонидович. — С электронными компонентами для космических спутников у нас и во времена СССР были проблемы, а за 25 лет перестройки и реформ проблемы только усугубились, несмотря на некоторые успехи… Более того, существующая система решения проблем не предлагает. Те условия, в которых идет реформа РАН, лишают нас возможности эффективно работать в направлениях, о которых сегодня шла речь: обеспечение безопасности и уровня исследований, фотоприемные устройства, электронная составляющая КА… Нужны совершенно новые подходы.
Академик Лев Зеленый, председатель Бюро Совета РАН по космосу, подвел итоги дискуссии:
— Получение информации из космоса стало, по сути, новым направлением науки. Несмотря на все трудности, в РФ создана национальная система дистанционного навигационного обеспечения — ГЛОНАСС — с большими возможностями. Мы должны это направление работы поддержать.
Лев Зеленый также посетовал на то, что Минкомсвязь не нацелена на поддержку отечественного производителя: многие КА закупаются за границей. "Этому есть причины, — сказал Лев Матвеевич. — Но мне кажется, что космические аппараты АО "ИСС" вполне конкурентоспособны".
Лев Зеленый предложил также отметить шестидесятилетие запуска первого спутника Земли с не меньшим размахом, чем пятидесятилетний юбилей.
Андрей СУББОТИН