Космический эксперимент NASA

Скачать

Программа NASA демонстрации лазерной связи со спутником на Лунной орбите LLCD. Космический аппарат LADEE, его научное оборудование. Основные компоненты линии лазерной космической связи для проведения эксперимента. Установление лазерной космической связи.

Размер: 9,0 M
Тип: реферат
Категория: Астрономия
Скачать

Другие файлы:

Cosmic Collisions: The Hubble Atlas of Merging Galaxies
Космический телескоп NASA/ESA , великолепные фотографии гигантских космических столкновений между галактиками, 60 изображений....

NASA Systems Engineering Handbook
This handbook is intended to provide general guidance and information on systems engineering that will be useful to the NASA community. It provides a...

Dark Mission The Secret History of NASA
Кен Джонстон (Ken Johnston), бывший руководитель фотоархива лунной лаборатории NASA (Data and Photo Control Department of NASA’s Lunar Receiving Labor...

Космический патруль [Космический кадет]
Героям романа «Космический патруль», новобранцам космической Академии Межпланетного Патруля, предстоит выдержать сложнейшие испытания, чтобы стать кос...

Mach 3+ - NASA-USAF YF-12 Flight Research 1969-1979
Издательство – NASA PublicationЯзык – английский Страниц - 162Формат – pdf Размер - 7.39 Мб...


Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

1. Программа NASA демонстрации лазерной связи со спутником на Лунной орбите LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration)

По проекту LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) или LCRD (Laser Communication Relay Demonstration) [1,2] в 2013 году планировался запуск на орбиту Луны терминала лазерной связи с целью передачи информацию с лунной орбиты на наземную станцию через геостационарный спутник. Скорость передачи информации должна была составить 2880 Мбит/с при использовании кодирования с помощью дифференциальной фазовой манипуляции (DPSK) и 622 Мбит/с при фазово-импульсной модуляции (PPM).

Предполагалось также передавать информацию по линии лазерной связи с лунной орбиты прямо на наземные станции. На лунной орбите оптический терминал планировалось установить на исследовательском спутнике LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), внешний вид которого приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Внешний вид спутника LADEE

Лунный лазерный терминал связи состоит из трех основных модулей: оптический модуль (ОМ), модуль модема (ММ) и модуль электроники (МЭ). Иллюстрации внешних видов модулей, разрабатываемых в рамках программы, приведен на рисунках 2-4.

Рисунок 2 - Иллюстрация внешнего вида оптического модуля

Рисунок 3 - Внешний вид модуля модема

Рисунок 4 - Внешний вид модуля электроники

МЭ осуществляет полное управление остальными модулями терминала и осуществляет связь с бортовыми системами спутника. Состав ОМ иллюстрирует рисунок 5.

Рисунок 5 - Состав ОМ (пояснения в тексте)

Оптический модуль, показанный на рисунке 5, содержит 4-дюймовый отражающий телескоп 1, который формирует излучение с расходимостью ~ 15 мкрад. Здесь же находится датчик системы наведения, который представляет собой простой квадрантный детектор с полем зрения около 2 мкрад. Он используется как для обнаружения сигнал при захвате и установлении канала связи, так и для сопровождения и удержания установленного канала. Телескоп установлен на двухосевом карданном приводе с помощью устройства с магнитной инерционной подвеской (MIRU) 2. Основные оптические элементы защищены от внешних воздействий кожухом телескопа с «солнечным» окном 3 и защитной крышкой 4. Во время запуска каждый модуль защищен одноразовой защелкой 5.

По оптическому волокну сигналы передаются в модуль модема, где они обрабатываются. Управление оптическим модулем и соответствующим модем осуществляется модулем электроники.

Настройка системы осуществляется по RF-каналу связи с помощью специальных лазерных маяков.

Главная задача данного проекта - отработка выбранных технологий построения различных модулей системы.

В дальнейшем в первую очередь программы LLCD была поставлена задача демонстрации возможности прямой связи лазерного терминала, находящегося на Лунной орбите с одной из наземных оптических станций NASA или ESA.

2. Космический аппарат LADEE и его научное оборудование

Космический аппарат NASA LADEE был запущен 6 сентября 2013 года ракетой носителем Minotaur V, вес спутника порядка 383 кг, Запас мощности около 295 Вт. Продолжительность миссии около 160 дней, включая 30 дней до выхода на окололунную орбиту, 30 дней подготовки и 100 дней на проведение научно-исследовательских работ.

Основной целью миссии является изучение лунной «атмосферы» (экзосферы) и состава лунной пыли, высота орбиты спутника варьируется от 250 до 50 км.

Космический корабль разработан в NASA Ames Research Center и построен по модульной схеме, которая позволит в будущем собирать аппараты различного назначения подобно бусам (см. рис. 6). LADEE не предназначен для посадки, но разрабатываемая модульная схема предполагает возможность создания и посадочных аппаратов. Такие исследовательские станции могут отправляться на Луну, Меркурий или близлежащие астероиды.

Рисунок 6 - Модульная конструкция аппарата LADEE

Внутри корпуса располагается ракетный двигатель, баки с топливом, и бортовые служебные системы: управления, ориентации, энергоснабжения, терморегуляции и т.п. Научные и экспериментальные приборы расположены на внешней стороне корпуса (см. рис. 7). Три из них позволяют исследовать атмосферу и пыль Луны, а четвертое устройство - LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) - является терминалом лазерной связи для отработки современного способа широкополосной связи в Солнечной системе и передачи HD видео с Луны, Марса, Юпитера или Сатурна.

Рисунок 7 - Научные приборы, установленные на LADEE

Прибор UVS - Ultraviolet-Visible Spectrometer - это небольшой телескоп для наблюдения свечения атмосферного лимба во время пересечения спутником терминатора (границы освещенной Солнцем и теневой стороны поверхности) и измерения спектров свечения для определения состава экзосферы.

NMS - Neutral Mass Spectrometer - это квадрупольный масс-спектрометр для изучения состава и массы молекул и атомов газов, находящихся в экзосфере Луны.

Прибор LDEX - Lunar Dust Experiment - это времяпролетный масс-анализатор для изучения состава лунной пыли по массе частиц.

Общий вид терминала лазерной связи LLCD показан выше на рис. 2. Связь планируется поддерживать с тремя приемными станциями на Земле, показанными на рис. 8. Станцию на Тенерифе в Испании предоставляет Европейское космическое агентство по программе сотрудничества с NASA.

Рисунок 8 - Наземные оптические станции связи с лунным аппаратом LADEE

Кроме звездных датчиков, на LADEE нет камер, которые могли бы производить съемку поверхности Луны, т.е. фактически аппарат не сможет собрать массив информации, достаточный для реальной проверки эффективности системы лазерной передачи. Поэтому, данные будут передаваться сначала с Земли на спутник, а потом обратно. Для передачи научных данных в традиционном режиме LADEE оборудован радиопередатчиком и антенной S-диапазона.

3. Основные компоненты линии лазерной космической связи для проведения эксперимента LLCD

Проект выполнялся под руководством Massachusetts Institute of Technology MIT и Lincoln Laboratory LI в кооперации с NASA's Goddard Spaceflight Center. Его основная цель - продемонстрировать двухстороннюю оптическую связь аппарата, находящегося на окололунной орбите и наземного приемного комплекса со скоростью передачи данных с Луны на Землю 620 Мбит/с и 20 Мбит/с в обратном направлении с Земли на Луну. Кроме этого аппаратура продемонстрирует возможность лазерной дальнометрии с точностью измерения времени двойного пролета света в пределах 200 пс, что обеспечивает субсантиметровую точность измерений дальности. Некоторые параметры и схема взаимодействия аппаратуры и органов управления системы космического эксперимента показана на рис. 9.

Рисунок 9 - Система демонстрации лазерной связи с лунной орбитой

Лунный лазерный космический терминал (Lunar Lasercom Space Terminal (LLST)), как уже указывалось в разделе 1, установлен на космическом аппарате LADEE (см. рис. 7) и состоит из оптического модуля, модема и модуля электроники. Во время работы система потребляет 137 Вт мощности и весит около 32 кг. Оптический модуль установлен снаружи космического аппарата, модули модема и электроники размещены внутри.

Оптический модуль (см. рис. 10 и 11, а также рис. 2 и 5) имеет 10-ти сантиметровый телескоп Кассегрена (первичное вогнутое и вторичное выпуклое зеркала, съюстированные вдоль оптической оси для фокусировки излучения на детектор). Телескоп смонтирован на двухосевом шарнирном узле, чтобы иметь возможность принимать сигнал при различной ориентации LADEE. Ансамбль имеет систему магнитогидродинамической инерциальной стабилизации для устранения влияния каких-либо высокочастотных возмущений и сохранения направления оптической оси с высокой точностью. В модуле используется детектор на основе Indium-Gallium-Arsenide c широким полем зрения, осуществляющий прием и захват направления распространения оптического сигнала с Земли.

Рисунок 10 - Конфигурация и состав оптического модуля

Рисунок 11. Конструкция оптического модуля

Оптические волокна соединяют телескоп с модулем модема, в котором смонтированы приемник и передатчик оптического сигнала. Для точной пространственной подстройки оптического сигнала оптоволокна установлены на пьезоэлектрических актюаторах. Модуль модема состоит из четырех послойных блоков (см. рис. 12, а также рис. 3): блок питания, цифровой, аналоговый и электрооптический блоки, которые перед интегрированием в единый модуль модема собираются и тестируются по отдельности. Система поддерживает скорости передачи данных вниз от 39 до 620 Мбит/с, что позволяет демонстрировать оптическую связь при различных атмосферных условиях.

Цифровая электроника модема позволяет передавать вниз данные, полученные от различных устройств, включая данные научных исследований, данные телеметрии и переадресацию данных, принятых терминалом снизу. Для кодировки данных используется эффективный half-rate code, затем данные кодировки накладываются на оптический носитель в результате фазово-импульсной модуляции (pulse-position modulation).

Модуляция данных, передаваемых вниз, осуществляетс...