«Земля и Вселенная» 2004 №1

Институт космических исследований, ФИАН и РКК "Энергия" им. СП. Королева в 2003 г. предложили создать общедоступную космическую обсерваторию. Во главе инициативной группы астрономов стоят доктор технических наук Г.А. Аванесов, доктора физико-математических наук О.Л. Вайсберг и Л.В. Ксанфомалити, а также автор данной статьи. В ней приводится описание проекта российского космического телескопа на геостационарной орбите, предназначенного для широкого использования профессиональными астро-

номами и любителями. Обсерватория оснащена оптическим телескопом системы Риччи-Кретьена с главным зеркалом диаметром 60 см и фокусными расстояниями 6 и 30 м. Спектральный диапазон обсерватории — от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Расчетная предельная чувствительность телескопа — 21m за время экспозиции 10 мин. Ожидаемая точность стабилизации обсерватории составит около 0.2". Это первый в мире опыт разработки коммерческого орбитального телескопа.

С развитием внеатмосферной астрономии стало возможным проводить наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне (длина волны короче 300 нм), рентгеновском (от 10 нм и до 0.1 нм) и гамма-диапазоне (энергия фотонов превышает 1 МэВ). Благодаря космическим исследованиям астрономия стала всеволновой, начала развиваться и космическая радиоастрономия. Успешно работая на околоземной орбите, японский научный спутник "VSOP" (запущен на орбиту в феврале 1997 г.) реализовал рекордное угловое разрешение с помощью наземно-космического интерферометра с базой Земля — космос, равной 26 тыс. км. На длине волны 18 см такое базовое расстояние позволяет иметь угловое разрешение 0.0005", то есть е тысячу раз выше разрешения лучших наземных оптических телескопов.

Первый космический оптический и ультрафиолетовый телескоп — космическая обсерватория им. Э. Хаббла (HST, или КТХ) с главным зеркалом диаметром 2.4 м (Земля и Вселенная, 1987, № 4; 1992 № 1) — был запущен на орбиту 25 апреля 1990 г. Наконец-то астрономам удалось справиться с атмосферным дрожанием и достигнуть в оптике дифракционного углового разрешения порядка 0.01", а в ультрафиолетовой области спектра раза в три меньше. Такое угловое разрешение увеличивает проницающую силу телескопа вплоть до 27-28^m. Астрономы раньше и мечтать не могли о наблюдениях столь слабых звезд, галактик и квазаров. Естественно, это привело к большому числу замечательных работ, часть которых заслуженно может считаться открытиями.

Цветные фотографии, полученные КТХ: а) снимок Марса во время великого противостояния в августе 2003 г.; б) слабые голубые галактики фона с большими красными смещениями, видимые при предельно больших экспозициях; в) белые карлики в шаровом звездном скоплении М4; г) газопылевые туманности и молодые звезды в зоне звездообразования галактики М16. Фото NASA.

Стоит напомнить читателям, что космические обсерватории с телескопами всех диапазонов очень дороги. Цена современных инфракрасных и рентгеновских телескопов нередко превышает 1 млрд. долларов. Например, стоимость КТХ с учетом выполненных четырех экспедиций посещения, запусков КК "Спейс Шаттл", нового бортового и наземного оборудования, а также двух специальных спутников-ретрансляторов "TDRS" для обеспечения связи и передачи информации в течение 24 ч превышает 5 млрд. долларов. Российский проект оценивается примерно в 20 млн. долларов.



Схема работы космической обсерватории на геостационарной орбите и проведения наблюдений. Рисунок автора.

Наблюдательное время на космических телескопах также достаточно дорого, поэтому астрономы, участвовавшие в создании аппаратуры, делят его пропорционально вкладу. Самые современные космические инструменты создаются благодаря международной кооперации, за исключением, пожалуй, японских. Уже много лет существует сложная и большая кооперация между Европой (Европейское космическое агентство, ESA) и США (NASA).

ПРОЕКТ КОСМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ

Многие астрономы, а тем более квалифицированные любители астрономии, хотели бы участвовать в программах работы космических обсерваторий, главным образом в оптических наблюдениях. Однако по приведенным выше причинам это пока невозможно реализовать. Космические телескопы доступны сейчас лишь узкому кругу специалистов.

Чтобы сломать эту традицию, специалисты Института космических исследований РАН и Астрокосмического Центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН начали проработку общедоступного и сравнительно дешевого космического телескопа на геостационарной орбите высотой около 36 тыс. км. Орбита с периодом обращения спутника вокруг Земли 24 ч позволяет наблюдать спутник круглые сутки с одного полушария Земли. Спутник "зависает" над выбранной точкой экватора, поэтому приемные антенны не должны вращаться. Сегодня на данной орбите работают сотни спутников. С их помощью всемирная телевизионная и радиовещательная сеть дает возможность любому владельцу не очень дорогой антенны и малошумящего телевизионного приемника принимать спутниковое телевидение по десяткам и даже сотням каналов. Стоимость такого оборудования не превышает нескольких сотен долларов. Разместив на таком спутнике телескоп средних размеров, профессиональные астрономы и квалифицированные любители смогут принимать космические изображения.

Спутник связи "Ямал" на стенде перед подготовкой к запуску. 1999 г. Фото РКК "Энергия". Размещение на спутнике "Ямал" основных элементов и научной аппаратуры. Рисунок автора.

В качестве базового специалисты выбрали спутник связи "Ямал", разработанный, изготовленный и успешно запущенный на орбиту Ракетно-космической корпорацией "Энергия" им. академика С.П. Королёва (г. Королев, Московская область). Это предприятие широко известно во всем мире благодаря полетам первого искусственного спутника Земли, первых АМС к Луне, Венере и Марсу, первого пилотируемого КК "Восток", всех космонавтов и международных экипажей, первого связного спутника для трансляции телевизионных программ "Молния". В РКК "Энергия" созданы многие ракеты-носители, в том числе "Энергия", орбитальная станция "Салют-1" и пилотируемый корабль многоразового использования "Буран" (Земля и Вселенная, 1989, №2; 1999, №2 2001, № 3). Там же зарождались и наши программы исследования Луны, Марса и Венеры, переданные впоследствии в Научно производственное объединение им. С.А. Лавочкина (Земля и Вселенная, 1997 №4).

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ "ЯМАЛ"

Искусственный спутник Земли "Ямал" создан в 1999 г. по заказу предприятия "Газпром" для осуществления связи с наземными объектами этого консорциума (Земля и Вселенная, 2000, № 6). Он успешно работает свыше трех лет, обладает параметрами, необходимыми для размещения на его борту космического телескопа.

Спутник "Ямал" при массе 1400 кг, включая 400 кг научной аппаратуры, может выводиться на геостационарную круговую экваториальную орбиту сравнительно дешевым носителем — ракетой "Союз-ФГ" с дополнительным разгонным блоком "Фрегат", разработанным в НПО им. С.А. Лавочкина. Данный способ выведения значительно дешевле, чем при использовании дорогого носителя тяжелого класса "Протон".

Каковы требования, предъявляемые к спутнику для астрономических целей? Прежде всего, конечно, проблема наведения спутника и телескопа на заданную точку неба. Эту задачу решают звездные датчики, которые определяют по звездам точку наведения и управляют двигателями системы ориентации спутника. Двигатели вращают спутник до момента, когда центр поля зрения будет наведен на нужную точку неба. В качестве двигателей на спутнике "Ямал" установлены гиродины. Эти три силовых маховика, приводимые в действие электроэнергией, вращаются с высокой скоростью вокруг трех перпендикулярных осей. При работе маховика спутник, естественно, поворачивается в противоположную сторону до тех пор, пока система управления не выдаст сигнал о точном наведении всего корпуса спутника в нужное место на небесной сфере. Конечно, как и всякая система автоматического регулирования, система наведения работает с определенными ошибками, которые, в свою очередь, складываются из ошибок звездного датчика, управляющей бортовой вычислительной машины и исполнительных органов (гиродинов). Звездные датчики, установленные на ИСЗ "Ямал", позволяют определять ориентацию спутника с точностью до 1", что вполне достаточно для решения всех астрономических задач. Вычислительный комплекс и гиродины позволяют удерживать спутник в направлении заданной точки неба с точностью в доли угловой секунды продолжительное время, вплоть до десяти минут. Необходимо отметить, что звездные датчики могут работать только при низком уровне рассеянного света от Солнца и яркого, освещенного Солнцем, диска Земли. Это ограничивает возможные зоны наблюдения. Например, имеющиеся звездные датчики, установленные на ИСЗ "Ямал", нормально работают при угле более 30° в направлении от Солнца и более 30° от яркого лимба Земли. Прикидки показывают, что спутник сможет наблюдать слабые астрономические объекты около 16 ч в сутки. Остальные 8 ч будут использованы для служебных целей — на эксплуатацию спутника как ретранслятора данных, проведение солнечных исследований, например наблюдение солнечной короны на большом удалении от края Солнца. Помимо основного оптического телескопа, на ИСЗ можно установить внезатменный коронограф типа Лио, оснащенный внешней искусственной "луной".

Питание служебной аппаратуры и телескопа с приемной аппаратурой на спутнике обеспечивается совершенной системой энергоснабжения, состоящей из солнечных батарей и химических подзаряжаемых источников тока. Солнечные батареи могут вращаться вокруг одной оси, сохраняя оптимальный режим подзарядки аккумуляторов. Общая энерговооруженность спутника составляет около 2 кВт.

На спутнике установлена эффективная система терморегулирования, благодаря которой поддерживается комфортная температура для работы научной и служебной аппаратуры. Передача данных на Землю осуществляется по высокоскоростной линии связи. Она обеспечивает прием информации со спутника индивидуальными антеннами со скоростями около 40 кбит/с и до 12 Мбит/с (при использовании специальных антенн в Центре управления полетом). Есть также и высокоинформативная командная линия для управления спутником и закладки уставок (команд) в систему наведения и научную аппаратуру телескопа. Команды, конечно, может выдавать только Центр управления полетом.

ПРИБОРНОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОБСЕРВАТОРИИ

Каковы же будут телескоп и детекторы? В настоящее время принято решение установить на спутнике оптический телескоп-рефлектор системы Риччи-Кретьена, состоящий из вогнутого основного зеркала диаметром 60 см с формой гиперболоида вращения. Вторичное, выпуклое зеркало диаметром около 20 см — также гиперболоид вращения. Такая схема обеспечивает

Оптическая схема телескопа и основных детекторов (ПЗС-матриц): 1 — главное зеркало (гипербола), 2 — вторичное зеркало (гипербола), 3 — поворотное диагональное зеркало, 4 — шаговый мотор для переключения детекторов, 5 — диагональное зеркало, 6 — светофильтр, 7 — детектор (ПЗС-матрица), 8 — холодильник, 9 — солнцезащитные бленды. Рисунок автора.

максимальное поле зрения телескопа диаметром около 1°. В телескопе (как это обычно делается на больших инструментах) будут реализованы два фокусных расстояния (6 и 30 м). Это даст возможность получать изображения больших участков звездного неба (вплоть до 30') и совсем малые площадки для точной звездной фотометрии. Во втором случае поле зрения составит всего 5' или даже меньше. Переключение с одного фокуса на другой будет осуществляться поворотом диагонального зеркала с помощью линзового корректора. Телескоп оснастят высокоэффективной блендой для уменьшения рассеянного света от Солнца и Земли, а также внутренними диафрагмами. В фокальной плоскости телескопа предполагается установить три детектора: первый из них включит в себя высокочувствительную ПЗС-матрицу с малым уровнем шума размером около 20 х 20 мм с числом элементов (пикселей) 4096 х 4096. Это обеспечит угловое разрешение телескопа до десятой доли угловой секунды, то есть в десять раз лучше, чем у наземных телескопов. Перед детектором (ПЗС-матрицей) будет установлено два диска с фильтрами для получения цветных фотометрических изображений, а также линзовый корректор для увеличения поля зрения и обеспечения его плоской формы. Кроме оптической матрицы будут работать два детектора — в ближней ультрафиолетовой области спектра (400-200 нм) с тремя фильтрами и инфракрасная матрица (область спектра 1-2 мкм) с несколькими фильтрами. Все матрицы будут охлаждаться термоэлектрическими холодильниками. Поскольку работа холодильников основана на эффекте Пельтье (температура около -70°С), то не требуется никаких подвижных элементов. В таком холодильнике нет ни компрессора, ни сжатого газа (фреона или хлора). Его принцип действия основан на использовании переноса тепла от одного металла к другому (с разной проводимостью) электрическим током. На каждом переходе между двумя металлами можно получить перепад температуры в 20-30°С. Трехкаскадный холодильник сможет охладить ПЗС-матрицу телескопа на 60-90°С. Этот тип холодильника лишь потребляет электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями спутника. Срок его функционирования практически не ограничен.

Тепловое излучение от оптики телескопа и других его деталей чувствительность телескопа не снизят. Предварительные оценки показывают, что телескопу станут доступны для наблюдения в оптическом диапазоне звезды до 21^m величины при экспозиции 600 с. Точность фотометрии ПЗС-камеры видимого диапазона также оценивается на достаточно высоком уровне — до 0.001" для звезды ярче 15^m и около 0.01" для звезд 18-20" (^m?). Эти высокие параметры, конечно, будут реализованы лишь для значительных углов визирования от Солнца и яркого лимба освещенной Земли.

Зоны видимости при работе ИСЗ "Ямал", покрывающие территорию Северной Африки, Восточной Европы и Азии. Рисунок РКК "Энергия".

Специалисты из РКК "Энергия" полагают, что астрономический спутник на базе "Ямала" сможет работать на орбите не менее 10 лет. Исходя из этого срока должны рассчитываться и все узлы научной аппаратуры. Сюда входит радиационная опасность от заряженных частиц космических лучей и радиационных поясов Земли, стойкость на испарение и разрушение в космическом вакууме всех элементов телескопа и электроники. Для работы с информацией, принимаемой со спутника, будет разработано специальное математическое обеспечение (soft), предоставляемое всем желающим. Приемник информации через специальный интерфейс будет сопрягаться со стандартным персональным компьютером, что позволит работать с этой информацией огромному числу потребителей.

ДЛЯ КОГО СОЗДАЕТСЯ КОСМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ?

Кто сможет воспользоваться таким необычным, по современным меркам, инструментом? Авторы разработки полагают, что в нем будут заинтересованы все астрономические учреждения, университеты, обсерватории и научно-исследовательские институты. Активно работать смогут также педагогические и другие учебные заведения, астрономические общества разных стран и, наконец, квалифицированные любители астрономии, объединенные в кружки или в планетариях (даже отдельные любители). Как видим, круг потребителей астрономической информации достаточно широк.

Главная цель научной аппаратуры спутника — высококачественные цветные изображения протяженных объектов (планетарных туманностей, шаровых звездных скоплений, остатков сверхновых и галактик). Возможны работы по звездной фотометрии в различных, близких к стандартным, системах, например в системах UBVR или Козинса, ныне весьма популярных в среде астрономов. На этом спутнике можно будет изучать переменные звезды в нашей и в ближайших соседних галактиках, исследовать переменность внегалактических объектов и в первую очередь — квазаров. Практически все наблюдатели смогут найти для себя интересные задачи вполне современного инструментального уровня. Немало интересных задач и для исследователей объектов Солнечной системы: планет, их спутников, астероидов и комет. Специалисты в области солнечной физики смогут получать весьма полезные данные, если на спутнике установят коронограф.

Пока остается неясным вопрос о финансировании этого проекта. Предполагается, что его спонсорами станут Российская академия наук, университеты, педагогические институты и астрономические общества различных, в основном европейских, стран. Весь проект, включая разработку и изготовление телескопа, научной аппаратуры и спутника, его адаптацию к астрономическим, а не телекоммуникационным задачам, запуск и 10-летняя эксплуатация обойдутся в 30-50 раз дешевле, чем разрабатываемые в Европе и США новые космические астрофизические обсерватории XXI в.

Читатели журнала "Земля и Вселенная" могут высказать свое отношение к проекту и внести свои предложения автору статьи (vkurt@asc.rssi.ru) или в редакцию нашего журнала.