В Космическом центре Кеннеди сотрудники лаборатории Линкольна Джастин Данбек (слева) и Стивен Константин распаковывают и исследуют полезную нагрузку системы оптической связи для миссии НАСА «Артемида II» на Луну. Фото предоставлено: Гленн Бенсон/НАСА.
В 1969 году астронавт «Аполлона-11» Нил Армстронг ступил на поверхность Луны. Это важнейшее инженерное и научное достижение, отмеченное его знаковыми словами: «Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для человечества». Три года спустя «Аполлон-17» стал последним для НАСА. Миссия «Аполлон», предназначенная для высадки людей на самый яркий и большой объект в нашем ночном небе. С тех пор ни один человек не посетил Луну и не вылетел за пределы низкой околоземной орбиты (НОО), во многом из-за изменения политики, финансирования и приоритетов.
Но это скоро изменится. В рамках миссии НАСА «Артемида II», старт которой запланирован не ранее сентября 2025 года, четыре астронавта станут первыми людьми, отправившимися на Луну за более чем 50 лет. В 2022 году беспилотная миссия «Артемида I» продемонстрировала способность нового космического корабля НАСА «Орион», запущенного с помощью новой тяжелой ракеты Space Launch System, летать дальше в космос, чем когда-либо прежде, и благополучно возвращаться на Землю.
Основываясь на этом успехе, 10-дневная миссия «Артемида II» проложит путь для «Артемиды III», целью которой является высадка астронавтов на поверхность Луны с целью установления будущего постоянного присутствия человека на Луне, а также подготовка пилотируемых миссий к Марсу.
Большой шаг для lasercom
Артемида II станет исторической не только благодаря возобновлению исследований человечества за пределами Земли, но и благодаря первому пилотируемому полету на Луну, демонстрирующему технологии лазерной связи (Lasercom), которые произведут революцию в способах связи космических кораблей. Исследователи из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института разрабатывают такие технологии уже более двух десятилетий, и НАСА включает их в свои миссии для удовлетворения растущих потребностей дальних космических исследований с интенсивным использованием данных.
Поскольку космические корабли летят дальше в космос, а передовые научные инструменты собирают данные высокого разрешения (HD), такие как видео и изображения 4K, миссиям нужны более эффективные способы передачи данных обратно на Землю. Системы связи, которые кодируют данные в инфракрасном лазерном свете, а не в радиоволнах, могут передавать больше информации одновременно и быть более компактными, работая при меньшем энергопотреблении.
Большие объемы данных приводят к большему количеству открытий, а размер и энергоэффективность приводят к большему пространству для научных инструментов или экипажа, более дешевым запускам и более долговечным батареям космических кораблей.
Для «Артемиды II» система оптической связи Orion Artemis II (O2O) будет отправлять на Землю видео высокого разрешения и изображения лунной поверхности, что резко контрастирует с размытыми, зернистыми изображениями программы «Аполлон». Кроме того, O2O будет отправлять и получать процедуры, файлы данных, планы полета, голосовые вызовы и другие сообщения и служить высокоскоростным конвейером данных между астронавтами на Орионе и центром управления полетами на Земле.
O2O будет отправлять информацию через лазеры со скоростью до 260 мегабит в секунду (Мбит/с) на оптические наземные станции на одном из двух объектов НАСА: испытательном полигоне Уайт-Сэндс в Лас-Крусес, штат Нью-Мексико, или на объекте Столовой горы Лаборатории реактивного движения в Райтвуде. Калифорния. Оба места идеальны из-за минимальной облачности, которая может препятствовать лазерным сигналам при их входе в атмосферу Земли.
Сердцем O2O является модульный, гибкий, масштабируемый оптический терминал (MAScOT), разработанный лабораторией Линкольна. MAScOT размером примерно с домашнюю кошку оснащен 4-дюймовым телескопом, установленным на двухосном поворотном креплении (карданном подвесе), и фиксированной оптикой на заднем конце.
Подвес точно выравнивает телескоп и отслеживает лазерный луч, посредством которого сигналы связи отправляются и принимаются к нужному приемнику или передатчику данных. Под подвесом в отдельном блоке размещена задняя оптика, содержащая светофокусирующие линзы, датчики слежения, быстро управляемые зеркала и другие компоненты для точной настройки лазерного луча.
Серия новинок
MAScOT дебютировал в космосе в рамках лабораторного лабораторного интегрированного демонстрационного лазерного реле связи (LCRD) LEO User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T), который был запущен на Международную космическую станцию (МКС) в ноябре 2023 года.
После нескольких недель предварительных испытаний ILLUMA-T направил свой первый луч лазерного света на спутник НАСА LCRD на геостационарной (GEO) орбите на высоте 22 000 миль над поверхностью Земли. Достижение этого решающего шага, известного как «первый свет», потребовало точного выравнивания, обнаружения и отслеживания лазерных лучей между движущимися космическими кораблями.
В течение следующих шести месяцев команда лаборатории проводила эксперименты, чтобы проверить и охарактеризовать базовую функциональность, производительность и полезность системы для экипажей и пользовательских приложений. Во-первых, команда проверила, что оптическое соединение ILLUMA-T с LCRD работает с заданной скоростью передачи данных в обоих направлениях: 622 Мбит/с вниз и 51 Мбит/с вверх. Фактически были достигнуты еще более высокие скорости передачи данных: 1,2 гигабита в секунду в нисходящем направлении и 155 Мбит/с в восходящем направлении.
«Эта первая демонстрация системы сквозной двунаправленной лазерной связи, в которой ILLUMA-T была первым пользователем LCRD на околоземной орбите, является важной вехой для НАСА и других космических организаций», — говорит Брайан Робинсон, руководитель группы оптических и квантовая связь лаборатории. «Он служит предшественником оптических реле на Луне и Марсе».
Как только реле заработало, команда оценила, как такие параметры, как мощность передачи лазера, длина волны оптического излучения и относительные углы солнца, повлияли на производительность терминала. Наконец, они внесли свой вклад в несколько сетевых экспериментов с несколькими узлами на МКС и обратно, используя сетевые протоколы НАСА, устойчивые к задержкам и помехам.
В ходе новаторского эксперимента видео 4K транслировалось во время полета туда и обратно с самолета над озером Эри в Огайо в Исследовательский центр НАСА Гленн в соседнем Кливленде, испытательный полигон НАСА в Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, LCRD в GEO и ILLUMA. — На МКС и обратно. В июне 2024 года «ИЛЛЮМА-Т» в последний раз связалась с LCRD и отключилась.
«Наш успех с ILLUMA-T закладывает основу для потоковой передачи HD-видео на Луну и обратно», — сказала соруководитель исследования Джейд Ванг, заместитель руководителя группы оптических и квантовых коммуникаций. «Вы можете себе представить, как астронавты «Артемиды» используют видеоконференции для связи с врачами, координации деятельности миссии и прямой трансляции своих лунных путешествий».
Луна готова
Миссия Artemis II O2O будет использовать ту же общую конструкцию MAScOT, проверенную на ILLUMA-T. Лаборатория Линкольна доставила полезную нагрузку в Космический центр НАСА Кеннеди в июле 2023 года для установки и испытаний на космическом корабле «Орион».
«Передача технологий правительству — это то, чем занимается Лаборатория Линкольна как центр исследований и разработок, финансируемый из федерального бюджета», — объясняет старший системный инженер Фарзана Хатри, старший научный сотрудник группы оптических и квантовых коммуникаций.
«Мы не только передаем технологии, но и работаем с нашими партнерами по передаче, чтобы обеспечить успех. Чтобы подготовиться к O2O, мы используем информацию, полученную во время эксплуатации ILLUMA-T. Недавно мы провели пробные испытания перед миссией, чтобы улучшить координацию между различными участвующими командами».
В августе 2024 года лаборатория завершила важную веху для оптического терминала O2O: испытание на готовность к миссии. Испытание состояло из трех этапов.
На первом этапе они проверили функции управления терминалом и телеметрии. В то время как наземное программное обеспечение, разработанное в лаборатории, использовалось непосредственно для управления и контроля ILLUMA-T, для O2O оно работает в фоновом режиме, и все команды и данные телеметрии подключаются через программное обеспечение, разработанное Центром управления полетами Космического центра имени Джонсона НАСА.
На втором этапе команда протестировала различные пользовательские приложения, включая активацию некоторых HD-камер «Ориона» и отправку видео с мыса Канаверал в Космический центр Джонсона в качестве модели реальной космической связи. Они также осуществляли передачу файлов, видеоконференции и другие операции на персональных компьютерах астронавтов.
На третьем этапе они смоделировали действия по вводу в эксплуатацию полезной нагрузки, такие как открытие защелки оптического оборудования и перемещение подвеса, а также выполнение операций наземного терминала.
«Для O2O мы хотим показать, что это оптическое соединение работает и полезно для астронавтов и миссии», — говорит Хатри. «Космический корабль «Орион» собирает огромное количество данных в первый день миссии, и обычно эти данные остаются на космическом корабле до тех пор, пока он не приземлится, и на разгрузку уходят месяцы».
«Благодаря высокоскоростной оптической линии связи мы сможем передавать данные на Землю для немедленного анализа в течение нескольких часов. Кроме того, астронавты могут оставаться на связи с Землей на протяжении всего своего путешествия, вдохновляя общественность и следующее поколение исследователей космоса, подобно астронавтам Аполлона-11, которые впервые высадились на Луне 55 лет назад.
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
