Eng

Лазеры в космосе

Добрый день, дорогие читатели блога #КосмосИзДома!

С вами ведущий экскурсовод центра «Космонавтика и авиация» Александр Яровитчук.

Как только были открыты лазеры, они сразу вызвали огромный интерес во всех сферах науки и, конечно, космоса. Пока спутники не сбивают сосули, но технология создания узконаправленного потока излучения позволяет решать большой круг задач.

В этом блоге мы поговорим о том, где в космосе уже применяются лазеры.

Первый лазер, который использовался в космонавтике, на орбиту не отправлялся, а был на Земле. В 1962 году ученые начали проводить так называемую лазерную локацию Луны. В сторону спутника направлялся мощный луч рубинового лазера. Он отражался от поверхности и возвращался на Землю. По времени прохождения светового пучка к Луне и обратно определялось расстояние до спутника. В СССР эксперимент проводился с помощью лазерного дальномера «Крым» в Симеизской обсерватории на горе Кошке. Правда, точность была невысока, так как от поверхности Луны луч отражался с искажениями. В 1969 году астронавты знаменитой миссии «Аполлон-11» привезли на Луну небольшую систему зеркал. Так называемый уголковый отражатель возвращал световой луч в сторону, откуда он был направлен, вне зависимости от угла падения. Это устройство позволило значительно повысить точность измерения расстояния. В СССР уголковый отражатель установили на «Луноход-1», который обосновался на Луне в 1970 году.

Макет лунохода с уголковым отражателем

Дальномер, или лидар, «Крым» лазером создает импульсы света с энергией 225 мДж на длине волны 1064 и 532 нм длительностью 0,000 000 000 4 секунды. Это крайне короткие вспышки инфракрасного и оптического излучения зеленого цвета. Так как импульсы недолгие, то выделенная энергия кажется небольшой, но если бы лазер проработал хотя бы секунду, то выделилось бы столько энергии, что можно было бы вскипятить 100 литров воды.

Метод оказался очень точным и полезным. По данным можно было определять свойства поверхности и скорости вращения Луны, гравитационные параметры системы Земля — Луна, а также исследовать приливы и свойства земной атмосферы.

Практически сразу лазерную локацию ученые стали использовать для изучения не только естественного спутника, но и искусственных.

Спутники «Интеркосмос-17», «Интеркосмос-Болгария-1300» и «Метеор-3» имели на борту уголковые отражатели, а спутники серии Lageos, Geos и «Эталон» являются сферами, целиком сделанными из уголковых отражателей. Причем цели и задачи у всех были разные: от калибровки радаров и отработки систем контроля орбит до геодезической разведки и определения параметров вращения Земли, координат полюса и неравномерности ее вращения.

Сейчас на большинстве научных спутников имеются отражатели для лазерной локации.

Макет уголкового отражателя для лазерной локации орбитальных станций

С развитием технологии и уменьшением размеров лазеров лидары стали запускать в космос. Впервые это произошло в 1994 году в рамках программы Lidar In-Space Technology Experiment (LITE). В 1995 году Россия запустила лидар «Балкан» на борту модуля «Спектр» орбитального комплекса «Мир».

Макет станции «Мир»

Лазер «Балкан» создавал импульсы света с энергией 150 мДж на длине волны 532 нм длительностью 0,000 000 012 секунды.

Он, как и последующие орбитальные лидары, использовался для создания высокоточных топографических карт Земли, определения высотного уровня и рельефа. Затем лазеры-дальномеры полетели к Луне, Марсу, Меркурию. В XXI веке все автоматические межпланетные станции и топографические спутники имеют лидары на борту.

Космическим аппаратам требуется определять расстояние не только до планет, но и друг до друга. Сейчас разрабатываются лазерные сканирующие устройства для использования при стыковке космических аппаратов. Также планируется использовать технологию для поиска гравитационных волн в проекте LISA. Тестовый аппарат LISA Pathfinder показал свою работоспособность.

При этом лазеры помогают определить не только расстояние, но и положение в пространстве.

Это задачу выполняют так называемые лазерные гироскопы. В них лазер создает два одинаковых луча света, которые система зеркал разводит в разные стороны и закольцовывает. То есть каждый из лучей проходит одинаковый путь, похожий на кольцо, только в разных направлениях. Если лазер и систему зеркал начать вращать, то длины путей, пройденных светом по направлению вращения и против направления вращения, будут разными. Зафиксировав разницу, можно рассчитать угол поворота системы. Это крайне упрощенное описание эффекта Саньяка, на котором основана работа лазерного гироскопа. Во многих самолетах аппарат уже заменил механический аналог и потихоньку осваивает космос. На МКС, автоматической станции OSIRIS-REx, спутнике FBM и ряде ракет лазерные гироскопы проходят испытания.

Макет МКС

Кроме способов определения расстояния ученых интересуют способы передачи информации с помощью лазеров. Уже давно связь закрепилась за электромагнитными волнами радиодиапазона. Но если использовать лазеры, то скорость передачи резко вырастет. Правда, без оптоволокна между Землей и спутником реализовать идею крайне трудно, но возможно.

Первая успешная попытка лазерной связи из космоса была проведена японским спутником ETS 6 в 1995 году. Тогда скорость достигла 1 Мбит/с.

В России первая передача данных с помощью оптических систем состоялась в 2011 году с борта МКС, и скорость передачи данных составила 600 Мбит/с. Как достижение можно отметить, что межпланетная станция LRO у Луны получила с помощью лазера изображение Джоконды. Пока это пример самой далекой передачи информации с помощью лазеров. Рекорд максимальной скорости пока держат спутники Sentinel-1A и Alphasat, которые умудрились разогнать передачу данных друг между другом до значения 7,2 Гбит/с. Ясно, что это только начало, и скоро эти рекорды будут побиты.

Мощные лазеры заинтересовали не только ученых, но и военных. Особенно после фильма «Звездные войны» и оглашения Рональдом Рейганом Стратегической оборонной инициативы.

В США начались разработки ядерного лазера с кодовым названием «Экскалибур» и лазера на фториде дейтерия MIRACL. Последний в 1985 году на стендовых испытаниях показал выходную мощность 2,2 МВт и за 12 секунд разрушил закрепленную в 1 км от лазера жидкостную баллистическую ракету. Правда, до полета в космос ни один проект не дошел. В СССР, в свою очередь, проводилась разработка системы «Скиф-Д».

В ее основу лег лазер мощностью 100 кВт, работающий на газообразной окиси углерода (СО2). 15 мая 1987 года аппарат, получивший название «Полюс», с лазером на борту на ракете-носителе «Энергия» запустили в космос. Однако из-за отказа системы ориентации на околоземную орбиту он не вышел и его испытания проведены не были.

Макет ракеты-носителя «Энергия» с полезной нагрузкой типа аппарата «Полюс»

Пусть любители пострелять из-за этого не расстраиваются, ведь в космосе есть прожигающий лазер, да еще и не просто в космосе, а на Марсе. Американские роверы Perseverance и Curiosity имеют спектроскопы для исследования состава породы Красной планеты. Правда, чтобы этот прибор работал хорошо, грунт нужно испарить. С этой целью на марсоходах и установили небольшие лазеры мощностью порядка 17 Вт.

Марсоход Curiosity. Фото из центра «Космонавтика и авиация»

Лазеры открыли двери большому количеству возможностей, но весь потенциал этой технологии еще не раскрыт. Центр «Космонавтика и авиация» тоже открывает двери всем желающим, чтобы посетители смогли раскрыть свой потенциал и, конечно, узнать на наших экскурсиях про лазеры и другие интересные способы изучения космоса.

Партнеры