В NASA доказали, что устойчивая скорость связи с Марсом по лазерному лучу может достигать 6,25 Мбит/с, даже когда он расходится с Землёй на максимальное расстояние. Это показал опыт с зондом NASA «Психея» (Psyche), с которым сеанс лазерной связи состоялся на удалении 490 млн км. Это была первая лазерная связь в глубоком космосе, что подтверждает возможность перехода на таких расстояниях от радио к оптике и в 100 раз повышает скорость передачи.

Источник изображений: NASA

«Ключевой целью системы было доказать, что снижение скорости передачи данных пропорционально обратному квадрату расстояния, — сказал Аби Бисвас (Abi Biswas), технолог проекта в JPL. — Мы достигли этой цели и передали огромное количество тестовых данных на космический аппарат Psyche и с него с помощью лазера». На первом этапе демонстрации было передано почти 1,4 Тбайт данных.

Вся информация для проверки лазерной связи в глубоком космосе была загружена в память системы заранее. Никакие научные приборы зонда к модулю лазерной связи не подключены. Миссия «Психеи» и связь по лазеру — это разные эксперименты на общей платформе. Сегодня можно констатировать, что опыт полностью удался. Оборудованию с Земли удалось нащупать оптический приёмник зонда на невообразимом расстоянии, как и передатчик «Психеи» смог нацелиться на приёмник на Земле. С радио в этом плане проще — даже направленное излучение имеет большой конус рассеивания. Оптика — это совсем другое дело. Точность попадания должна быть снайперская.

Даже в космосе не обойтись без видео с котиками

Восходящий канал связи с Земли заканчивался лазером мощностью 7 кВт на базе Лаборатории JPL в Тейбл-Маунтин близ Райтвуда, Калифорния. Нисходящий сигнал принимал 5-м оптический телескоп в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния. Когда зонд отошёл от Земли на 53 млн км (расстояние ближайшего сближения Земли и Марса), скорость связи по лазеру достигала 267 Мбит/с, что соответствует скорости интернета по широкополосной связи на Земле. Связь не прервалась и оставалась устойчивой и после того, как «Марс разошёлся с Землёй на самое далёкое расстояние» — когда зонд отлетел от Земли на 490 млн км, что произошло к концу июня этого года. Пиковая скорость достигла тогда 8,3 Мбит/с, а устойчивая — 6,25 Мбит/с.

Лазерная связь работала в диапазоне ближнего инфракрасного диапазона. Это примерно в 100 раз быстрее, чем в случае передачи по радио. Для приёма из космоса научных данных от будущих научных станций и обсерваторий это крайне важно. Отправленное в пространство оборудование становится всё более сложным и требовательным к каналам связи. Эксперимент с лазерным оборудованием на борту «Психеи» показал технологическую осуществимость нового подхода. На этом NASA завершило первый этап эксперимента. Лазерное оборудование на зонде будет ещё раз включено и проведёт сеанс связи 4 ноября этого года, чтобы команда миссии убедилась в его способности повторно включаться и оставаться работоспособным как минимум один год.

В NASA сообщили, что зонд Psyche («Психея») впервые на очень длительное время запустил свои «научно-фантастические» двигатели и начал движение в режиме крейсерского полёта. Зонд оборудован электроракетными двигателями на эффекте Холла. В космосе за зондом должен тянуться едва уловимый шлейф синего «пламени» — вылетающих из дюз заряжённых частиц рабочего тела. Это настоящая картинка из будущего, когда химические ракетные двигатели станут архаикой.

Художественное представление зонда «Психея». Источник изображений: NASA

В настоящий момент зонд «Психея» удалился от Солнца дальше орбиты Марса. Последние шесть месяцев команда миссии проверяла техническое состояние бортового оборудования зонда и нашла его в отличной форме. Это дало зелёный свет на переход в крейсерский режим полёта, в ходе которого зонд разгонится с нынешних 135 тыс. км/ч до 200 тыс. км/ч. Плазменные двигатели аппарата будут непрерывно работать до мая 2026 года. Затем двигатели на короткое время будут выключены, за которое «Психея» совершит гравитационный манёвр у Красной планеты.

Плазменный двигатель «Психеи» создаёт давление всего как «три 25-центовика в руке»

Своей цели — богатого металлами астероида «Психея» — зонд достигнет в августе 2029 года. Рядом с астероидом зонд NASA пробудет около двух лет. Считается, что целевой астероид представляет собой зародыш каменистой планеты, подобной Земле. Это лучший способ изучить глубинное строение землеподобных планет без вскрытия собственной.

Траектория полёта зонда «Психея»

В первые 100 дней после запуска 13 октября 2023 года с площадки Космического центра NASA имени Кеннеди во Флориде на ракете Falcon Heavy компании SpaceX зонд «Психея» прошёл комплексную дистанционную проверку, включая передачу на Землю первых изображений с бортовых камер и установление оптического канала связи по лазерному лучу. Позже зонд связался с Землёй по лазеру с расстояния 31 млн км и передал данные на скорости 267 Мбит/с — как по широкополосной сети интернет, только из глубокого космоса. Это будущее дальней космической связи, которое на борту «Психеи» проходит тестирование возможностей.

NASA сообщило, что впервые из глубокого космоса по лазерному лучу передано видео в высоком разрешении. Дальность передачи в 80 раз превысила расстояние между Землёй и Луной и составила 31 млн км. Скорость передачи оказалась заметно выше пропускных интернет-каналов на Земле. Видео по лучу загрузилось быстрее, чем его смогли получить в центре управления за несколько сот километров от приёмника.

Источник изображения: NASA

Короткая 15-секундная трансляция была заготовлена заранее. Экспериментальная лазерная установка связи не будет передавать на Землю какие-либо данные с научных приборов станции «Психея» (Psyche). Видео высокого разрешения с котом одного из инженеров проекта было стилизовано под «космический» интерфейс с имитацией жизненных показателей кота по кличке Тейтерс, орбитальных траекторий станции и планет и другими фишками.

Максимальная скорость передачи данных по нисходящему каналу достигала 267 Мбит/с, а минимальная — 62,5 Мбит/с. Закодированный в лазерном луче сигнал принимался установкой, смонтированной на телескопе Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния. До Земли сигнал путешествовал в космосе 101 секунду. На передачу видео в центр NASA в Южной Калифорнии потребовалось больше времени, чем сигнал шёл в открытом пространстве.

Первый раз станция «Психея» установила лазерную связь с Землёй 14 ноября. Тогда она и центр управления обменялись техническими сигналами на расстоянии 16 млн км. А 11 декабря со станции на Землю впервые по лазерному каналу передали потоковое видео с максимальной скоростью передачи. Это было в 10–100 раз быстрее, чем если бы работать по радиоканалам. Возможность передавать данные с большей скоростью будет востребована во время путешествий к Марсу и дальше. Станция «Психея» как раз во время выполнения своей основной миссии в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером испытает лазерную связь на самом дальнем удалении Земли от Марса.

Во время тестовой передачи команда NASA смогла загрузить по лазерному каналу в общей сложности 1,3 Тбит данных. Для сравнения, миссия NASA «Магеллан» к Венере в течение всей своей программы с 1990 по 1994 год передала 1,2 Тбит информации.

Межпланетная станция NASA Psyche («Психея») передала на Землю первые изображения с камер. Калибровка и тестирование показали, что мультиспектральные камеры (их у аппарата две одинаковые) работают в пределах нормы и готовы к выполнению миссии. Проверка других систем также не вызвала вопросов. Аппарат начнёт научную работу в 2029 году во всеоружии.

Источник изображения: NASA

Станция «Психея» отправилась в космос 13 октября 2023 года. Цель миссии — достичь одноимённого астероида между орбитами Марса и Юпитера. Произойдёт это в 2029 году. Предполагается, что астероид «Психея» — это ядро несформировавшейся планеты, которое не изменилось со времён зарождения Солнечной системы. Изучение такого объекта может дать представление о строении земного ядра, до которого мы просто не в состоянии добраться, хотя оно лежит у нас под ногами.

Станция «Психея» находится в пути около восьми недель. Первый свет — первые изображения с пары камер — получен 4 декабря. Камеры сделали снимки звёздного поля в созвездии Рыб. Поскольку камеры-близнецы станции многоспектральные, что поможет в дальнейшем идентифицировать минералы и металлы на поверхности астероида, снимки делаются через ряд светофильтров. Вся система требовала тестирования и калибровки, с чем команда инженеров NASA успешно справилась. Всего было сделано 68 снимков. Благодаря паре одинаковых камер получится создать точнейшую 3D-карту поверхности астероида.

Камеры будут включены ещё раз при пролёте Марса. Произойдёт это в 2026 году. Кроме получения снимков научные приборы станции будут собирать другую информацию. Например, только в космосе удалось полноценно протестировать сверхчувствительный магнитометр. На Земле он давал погрешность из-за магнитного поля планеты, но в открытом космосе на удалении свыше 10 млн км удалось в полной мере его протестировать. Сама станция и её электронные приборы, кстати, как убедились инженеры, не оказывают существенного влияния на показания магнитометра, что важно для будущих измерений параметров очевидно металлического астероида.

Магнитометр на борту станции всю дорогу будет следить за космической погодой. Он способен улавливать выбросы коронарной массы Солнца и делал это неоднократно с момента включения. Это обогатит наши знания о солнечной плазме далеко за орбитой Земли.

Из других достижений станции можно отметить запуск 8 ноября двух из четырёх основных ионных двигателей. Это первое в истории использование ракетных двигателей на эффекте Холла в дальнем космосе. До сих пор они использовались только на космических аппаратах, выходящих на лунную орбиту. Выбрасывая ионы газа ксенона, сверхэффективные двигатели будут нести космический аппарат к астероиду (путь в 3,6 млрд км) и помогут ему маневрировать на его орбите.

14 ноября станция провела первый сеанс связи по лазерному каналу из относительно дальнего космоса — с расстояния около 16 млн км. Работала установка Deep Space Optical Communications (DSOC), которая передала на Землю пакет данных и приняла обратную передачу. Это была самая дальняя демонстрация оптической связи в истории. Наконец, команда Psyche также успешно включила датчик гамма-излучения в третьем научном приборе — гамма- и нейтронном спектрометре. Затем, в районе 11 декабря, будут включены нейтронные датчики прибора. Все эти возможности помогут команде определить химические элементы, из которых состоит материал поверхности астероида.

Сегодня в 17:19 по московскому времени из Космического центра Кеннеди во Флориде стартовала ракета SpaceX Falcon Heavy с исследовательским зондом NASA Psyche («Психея»). Космический аппарат был успешно выведен на целевую орбиту примерно через 62,5 минуты после запуска. Успешный старт дал начало межпланетному космическому путешествию длиной в 3,5 млрд км к главному поясу астероидов между Марсом и Юпитером. Миссия должна изучить астероид Психея-16, который считается одним из девяти самых богатых металлами астероидов в Солнечной системе.

Источник изображения: Josh Dinner

Ракета успешно стартовала, запустив все 27 двигателей Merlin первой ступени, менее чем через 2,5 минуты после запуска боковые ускорители Falcon Heavy отсоединились от центральной ступени и направились обратно на космическое побережье Флориды для одновременной посадки. Через четыре минуты после старта, основной ускоритель Falcon Heavy выключил двигатели первой ступени и отделился от второй ступени ракеты, которая разогнала «Психею» до второй космической скорости, позволяющей преодолеть силу притяжения Земли. Через восемь с половиной минут после старта боковые ускорители Falcon Heavy совершили мягкую посадку в нескольких милях от площадки 39А Космического центра Кеннеди. Это был уже четвёртый их запуск, теперь они будут отремонтированы для обеспечения будущих полётов Falcon Heavy.

Примерно через час после пуска зонд «Психея» отделился от второй ступени и продолжил самостоятельный полёт. Аппарату потребуется около часа на развёртывание солнечных батарей площадью около 75 м². Это первый межпланетный космический аппарат NASA, оснащённый двигателями на эффекте Холла, электрическая двигательная установка которых полностью зависит от способности зонда использовать солнечную энергию.

Источник изображений: NASA

Запуск Psyche планировался 12 октября, но был отложен из-за плохой погоды. До этого старт миссии, изначально запланированный на октябрь 2022 года, неоднократно сдвигался из-за проблем с полётным программным обеспечением, а затем из-за несоответствия в системах терморегулирования. Команда миссии до последнего вносила корректировки в полётное задание, связанные, по словам одного из инженеров, с «параметрами наведения, навигации, контроля и защиты от неисправностей, чтобы гарантировать, что мы не перегружаем и не перегреваем двигатели».

Миссия направляется к своему тёзке, астероиду, носящему имя Психея-16. Из девяти самых богатых металлами астероидов в Солнечной системе, известных учёным, Психея-16 является самым крупным, отметила на брифинге в среду Никола Фокс (Nicola Fox), заместитель администратора управления научных миссий NASA. В самом широком месте размер астероида составляет 280 км в поперечнике и 232 км в длину. Учёные пока не знают точно, как выглядит Психея-16, но уверены, что поверхность астероида состоит в основном из никеля и железа.

Считается, что этот астероид является древним протопланетным ядром, вокруг которого почему-то так и не образовалась планета. Исследователи надеются, что тщательное изучение металлической космической породы поможет учёным узнать больше о формировании планет. «Мы надеемся, что, изучая астероид, мы узнаем больше о железном ядре других планет нашей Солнечной системы, — сказала Фокс. — В число этих планет входит самая важная для нас планета — та, на которой мы живём».

По расчётам, «Психея» достигнет «Психеи-16» в июле 2029 года. По пути космический корабль в мае 2026 года использует гравитацию Марса, совершив облёт Красной планеты для увеличения скорости. Пролетев 3,5 млрд км Psyche выйдет на орбиту вокруг цели своей миссии, где потратит около месяца на проверку и калибровку всех систем. Начиная с августа 2029 года, Psyche в течение 21 месяца будет заниматься картографированием и анализом поверхности астероида с нескольких орбит.

«Это начало серии удивительных научных миссий, которые мы готовим на Falcon Heavy», — сказала Джулианна Шейман (Julianna Scheiman), директор гражданских спутниковых миссий SpaceX. В частности, она упомянула экологический спутник GOES и миссию Europa Clipper, запуск которых запланирован на следующий год, а также силовой и двигательный элемент (СИЗ) для орбитальной космической станции Gateway в рамках программы Artemis и космического телескопа NASA Nancy Grace.

Не считая Tesla Roadster генерального директора SpaceX Илона Маска (Elon Musk), запущенной за орбиту Марса во время дебютного испытательного полёта Falcon Heavy в феврале 2018 года, «Психея» является первой официальной межпланетной миссией этой ракеты. Это также первая миссия NASA, использовавшая Falcon Heavy.

Вместе с зондом «Психея» стартовал и проект NASA «Оптическая связь в глубоком космосе» (Deep Space Optical Communications или DSOC), который позволит проверить, как лазеры могут ускорить передачу данных из дальнего космоса по сравнению с традиционной радиопередачей. Проект DSOC может проложить путь к широкополосным коммуникациям, которые помогут человечеству совершить следующий гигантский скачок — на Марс.

Лазерный приемопередатчик ближнего инфракрасного диапазона DSOC установлен на зонде Psyche. Приемопередатчик будет запущен в течение ближайших недель и в течение следующих двух лет будет поддерживать связь с двумя наземными станциями в Южной Калифорнии, тестируя высокочувствительные детекторы, мощные лазерные передатчики и новые методы декодирования сигналов, посылаемых приемопередатчиком из дальнего космоса. Аппарат сможет передавать данные со скоростью до 264 Мбит/с. Ожидается, что связь будет поддерживаться на расстоянии до 390 млн км — это более чем вдвое превышает расстояние от Земли до Солнца. Чем дальше «Психея» будет удаляться от нашей планеты, тем слабее будет становиться лазерный сигнал, что сделает расшифровку данных более сложной. Кроме того, фотоны будут дольше добираться до места назначения, и на самом дальнем расстоянии задержка составит более 20 минут.

NASA уделяет особое внимание лазерной (оптической) связи, поскольку она способна на один или даже на два порядка превзойти по пропускной способности радиоволны, на которые NASA полагается уже более полувека. И радиосвязь, и лазерная связь в ближнем инфракрасном диапазоне используют электромагнитные волны для передачи данных, но при этом свет ближнего инфракрасного диапазона упаковывает данные в значительно более плотные волны, что позволяет наземным станциям принимать больше данных одновременно.

В NASA сообщили, что запланированный на 5 октября запуск космической автоматической станции Psyche к одноимённому астероиду отложен до 12 октября. Окно для старта будет открыто до 25 октября. Перенос связан с неправильной регулировкой двигателей для коррекции положения станции в пространстве. В систему управления двигателями будут внесены изменения.

Автоматическая станция Psyche в представлении художника. Источник изображения: NASA

Двигатели коррекции положения станции в пространстве особенно важны на первом этапе запуска, как, впрочем, и на последующих. Они работают на охлаждённом азоте под давлением. Недавно выяснилось, что двигатели будут работать при более высокой температуре, чем прогнозировалось.

«Поддержка эксплуатации двигателей в рамках температурных ограничений необходима для обеспечения их долговременной работоспособности», — сказано в заявлении NASA по поводу задержки. В агентстве добавили, что работа по проверке параметров двигателей включает в себя проведение имитационного моделирования и внесение изменений в параметры и процедуры полёта.

Двигатели коррекции не являются основной двигательной установкой, но их значение нельзя умалять — они также важны для миссии, как и остальные узлы станции.

Первоначально «Психея» (Psyche) должна была улететь к одноимённому астероиду в главном поясе астероидов в августе прошлого года. Но этого не произошло. В программном обеспечении станции обнаружились недоработки, которые не позволяли провести её полноценное тестирование на стенде. Также были выявлены проблемы с руководящими кадрами проекта, что вызвало волну перестановок и увольнений.

За прошедший год подготовка к миссии была завершена с отличием, как сообщил надзорный совет, что, впрочем, не помешало обнаружиться новым недочётам. Дополнительная неделя должна помочь инженерам учесть недоработки и подготовить станцию к запуску. Риск отложить запуск вследствие недофинансирования NASA также не коснётся запуска станции. В США финансовый год для бюджетных организаций заканчивается 1 октября, и к моменту запуска «Психеи» новое финансирование ещё не будет получено. Поэтому эту миссию вывели за рамки установленного порядка финансирования и реализуют вне его.

Источник изображений: NASA/Kim Shiflett

Старт состоится в любой день, начиная с 12 октября. В космос станцию выведет ракета-носитель SpaceX Falcon Heavy со стартового комплекса 39A Космического центра имени Кеннеди.

Астероид «Психея» интересен тем, что это может быть металлическое ядро несформировавшейся планеты. По техническим причинам мы не может добраться до ядра Земли, чтобы изучить его вблизи, но это можно сделать на обнажённой «модели» ядра в лице астероида. Задержка с отправкой станции на один год привела к тому, что станция прибудет к цели не в 2026 году, а только в 2029. Но это не снизит ценность добытых там научных данных. Главное, чтобы «Психея» стартовала с 12 по 25 октября этого года.

Американское аэрокосмическое агентство NASA отправит в космос лазерный приёмопередатчик ближнего инфракрасного диапазона для тестирования системы, которую однажды можно будет использовать для связи с астронавтами на Марсе.

Зонд Psyche в сборочном цехе. Источник изображений: NASA/JPL-Caltech

Необходимое оборудование системы Deep Space Optical Communications (DSOC) планируется отправить вместе с автоматической межпланетной станцией Psyche, предназначенной для изучения астероида «Психея». Запуск космического аппарата запланирован на 5 октября. Полёт к астероиду диаметром 225 км, находящемуся в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера и состоящему в основном из железа и никеля, займёт около двух лет. В это время оборудование DSOC будет тестироваться для связи с двумя наземными станциями, расположенными в Южной Калифорнии.

В NASA считают, что лазеры DSOC ближнего инфракрасного диапазона могут от 10 до 100 раз превзойти эффективность передачи данных по сравнению с самыми передовыми радиосистемами, использующимися сегодня в космосе. Возможность обеспечения широкополосной лазерной связи в космосе была доказана для околоземной орбиты и в рамках коммуникации со спутниками на орбите Луны, но дальний космос ставит новые задачи в этом вопросе.

Марсоход Perseverance, находящийся на поверхности Красной планеты, может связываться с орбитальными аппаратами со скоростью 2 Мбит/с. Орбитальный марсианский зонд Reconnaissance Orbiter в свою очередь может передавать данные на Землю со скоростью от 0,5 до 4 Мбит/с. Повышение этих скоростей с помощью лазеров в 10–100 раз имеет очевидное преимущество, даже с учётом того факта, что предел скорости света не позволяет организовать синхронную связь между Землёй и Марсом.

Система DSOC использует свет ближнего инфракрасного диапазона, способный нести больше информации по сравнению с радиоволнами, что позволяет наземным станциям одновременно получать больше данных. Аппараты, находящиеся в дальнем космосе, с помощью такой системы коммуникации смогут отправлять на Землю более подробные изображения или даже видео, снятые с их камер.

Телескоп Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния

Для получения команд приёмопередатчик DSOC будет использовать камеру зонда, прикреплённую к телескопу с апертурой 22 см, для автоматического сканирования и захвата восходящей линии связи лазера ближнего инфракрасного диапазона, передаваемого из лаборатории NASA Optical Communication Telescope Laboratory в Райтвуде, Калифорния. Он также будет передавать данные на 5,1-метровый телескоп Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния, расположенного примерно в 130 километрах от OCTL.

Лаборатории NASA Optical Communication Telescope Laboratory в Райтвуде, Калифорния

Для погашения любых шумов в сигнале детектор фотонов, использующийся в телескопе Хейла, охлаждается криогенно. Благодаря этому он сможет эффективнее обнаруживать лазерные передачи от DSOC. По мере удаления аппарата Psyche от Земли и его приближения к астероиду «Психея» время, необходимое для отправки и получения сигналов от DSOC, будет постепенно увеличиваться. Ожидается, что максимальное расстояние, на котором будет проводиться передача данных с помощью системы DSOC, составит более 300 млн км.

Чтобы гарантировать улавливание лазерным приёмопередатчиком DSOC восходящего сигнала связи с Земли инженеры оснастили космический аппарат Psyche специальными распорками, которые надёжно удерживают его телескоп на месте, предотвращая воздействие на него вибраций.

«Каждый компонент DSOC представляет собой новую технологию — от мощных лазеров восходящей линии связи до системы наведения приёмопередатчика телескопа и чрезвычайно чувствительных сенсоров, которые могут улавливать отдельные фотоны. Команде проекта даже пришлось разработать новые методы обработки сигналов, чтобы иметь возможность максимально повысить эффективность получения информации из таких слабых сигналов, передаваемых на огромные расстояния», — прокомментировал руководитель проекта DSOC Билл Клипштейн (Bill Klipstein) из Лаборатории реактивного движения.