Comments
"Phone home" — отсылка к фильму "E.T.", обычно переводится как "звонить домой".
Доля для непосвящённых ассоциируется не столько с частью (любого размера, например, половинного), сколько со сравнительно небольшим куском (долька арбуза), кмк.
4 миллиарда миль
20 миль
32 000 миль в час приблизившись к объекту на расстояние 2200 миль
Сколько это?
Наверное обычно в космосе берут англы сухопутную милю.
:)
Несколько миллиардов километров. Очень Далеко.
Несколько десятков километров. Не очень много для космического тела.
Несколько десятков тысяч километров в час. Очень быстро для объектов такого размера, но очень медленно для таких расстояний.
Я к тому, что в космосе эти коэффициенты перестают иметь значение. Миля — это сравнимо с километром, чуть побольше. Несколько миллиардов от этого в 1000 раз не увеличатся и не сократятся.
2 200 миль = 3 540 км. На таком ближайшем расстоянии от Ултима Тулле пролетел аппарат.
32 000 миль в час = 51 500 км в час = 14,3 км в секунду. Скорость New horizons.
А не мог ли он подлететь поближе, чтоб различить больше деталей, а то 2200 км достаточно далеко. Над Плутоном пролетел на 4700 — но Плутон большой. А тут он крошечный.
А вот перевод вызывает некоторую боль.
Если вкратце: раньше применяли коды Рида-Соломона (сейчас тоже никто не запрещает), в последнее время всё популярнее турбо-код.
Есть данные по Voyager, Deep Space 1, Cassini/Huygens и т.д.
Облучатель на 2 круговых поляризации LHCP + RHCP. 2 независимых радиотракта.
Мощность передатчика на зонде 2x12W, выходной каскад на лампе бегущей волны (traveling-wave tube amplifier = TWTA). На Земле мощность передатчика до 20 кВт.
Шумовая температура приемника на Земле 10 кельвинов. Шумовая температура бортового приемника 200 кельвинов. Чувствительность бортового приемника по захвату несущей -157 dBm (70 пикоВольт)
Во входном каскаде на Земле до 1999 года применялись мазеры, потом перешли на твердотельные, когда изобрели HEMT-транзисторы с фактором шума 0.5 дБ и меньше.
Кроме главной антенны (High-Gain) есть ещё 2 антенны Medium Gain (парабола 368 мм) и Low Gain (голый облучатель).
LGA имеет медленную связь с землёй всегда. MGA/LGA только когда аппарат нацеливается на Землю. При неточном нацеливании работает MGA, а при точности до 0.3 градуса включается в работу LGA.
Скорость модуляции варьируется от 6,3578 bps до 104167 bps, в зависимости от удаленности от Земли и текущей антенны. По ТЗ на расстоянии 36 а.е. (5.4 млрд. км) скорость на LGA антенну должна составлять не менее 300 бит/сек на канал (суммарно не менее 600 бит/сек).
Про модуляции, задачи, архитектуру можно почитать в книге Винницкого:
drive.google.com/file/d/1i6YFxWBEc-IehYlD_HfDfoJoXlkb-wEc/view?usp=sharing
Про тонкую фольгу понятно, т.к. (ИМХО) совсем тонкий металл (может 5 постоянных решетки) из плохих проводников перестает быть металлом (возникает очень узкая ЗЗ, правда это актуально скажем при температуре 2.9 К будет). А так как основная телопроводность металла именно связана с электронами проводимости, то могут возникнуть проблемы.
Кстати, какая максимальная температура холодильника паровой турбины, так чтобы КПД был приемлемый?
Ещё можно придумать экзотическую систему охлаждения — если у нас где-то тепло, а где-то есть холодный радиатор — соединяем эти 2 участка термопарой. Термопара создает лишний ток, пробуем провести его через конденсатор колебательного контура (чтобы ЭМ излучение получить).
Тут уже радиаторы понадобились бы очень внушительной площади, минимум где-то 1000 м2 — такое выводить в космос уже очень сложно, если вообще возможно (а тогда сборка на орбите по частям?).
Поэтому и думали об альтернативных, теоретически более эффективных методах охлаждения. Насколько знаю ничего не получилось и идею пока забросили.
Насчет КПД — никакой конкретной границы нет, очень широкий предел для компромисса между КПД и площадью и массой радиаторов.
Теоретический максимальный КПД как обычно ограничен (Тнагревателя — Тхолодильника) / Тнагревателя. Предел к которому можно стремиться.
Если сделать высотемпературный реактор, то можно и температуру холодильника поднять относительно безболезненно.
Скажем 1000К теплоноситель на выходе из реактора, 600К на выходе из холодильника, 500К средняя по всей площади температура радиаторов.
КПД в теории (на практике поменьше) может доходить до (1000-600)/1000 = 40%
При этом имея 500К на радиаторах можно больше 3 кВт тепла с м2 рассеивать. При высоких температурах радиаторов правда уже не само излучение узким местом становится, а уже как раз теплопроводность материала — тепло должно успевать растекаться по радиатору. К высокотемпературным радиаторам может потребоваться что-то вроде тепловых трубок городить для более эффективного переноса тепла.
мощностью порядка 1000 кВт электрических и соответственно
А зачем эти радикадьные меры? Все равно таких плазменных двигателей нет. На 100 кВт делали б, заодно не надо тратить редкий плутоний — 238.
Тут уже радиаторы понадобились бы очень внушительной площади, минимум где-то 1000 м2Разве это много? Да, собирать придётся на орбите, но такая мощность все равно нужна только для пилотируемых пусков. Допустим, радиатор делается из аллюминия, плоский (тонкий паралелепипед толщиной 8 см), сборный из «листов» в 10 м длиной, шириной 3 м (чтобы в Фалконе 9 поместились). Один модуль — 30 м кв, надо таких 34 шт. Если их сложить один на один получим стопку высотой 272 см, опять же в обтекатель Фалкона влазит. Для расчёта веса примем что 4/5 обьёма — полости, 1/5 — алюминий. Обьём всего радиатора 30*2,72=82,5 м куб, алюминия — 16,5 м куб, масса 44,5 тонн. Чуть облегчить конструкцию и за два запуска Фалкона можно выводить (ну или всё вместе — на Хеви). А ведь такой проект будет огромным скачком для человечества в освоении космоса т.к. позволит добираться других планет за адекватное (для пилотируемых полётов) время.
Если сделать высотемпературный реактор, то можно и температуру холодильника поднять относительно безболезненноЭто дело ясное, я имел в виду на какие температуры возможно сделать паровую турбину чтобы это все добро пар не порвал и не весило как чугунный мост. Считать лень, но давление пара при 1000К будет уже совсем заоблачным.
К тому же можно (и даже желательно) ставить не один единственный мощный двигатель, а несколько штук отдельных.
Такие тонкие и длинные радиаторы, тем более из алюминия нормально работать не будут — им уже не хватит теплопроводности металла, чтобы переносить тепло от горячего края к холодному. Уже где-то в метре от источника тепла температура будет падать больше чем на 100 градусов при таких рассеиваемых мощностях и соотношении площадь/толщина, соответственно дальние участки будут излучать уже намного меньше, от того что 2м и дальше уже совсем мало пользы будет. Нужно либо делать широкие, но короткие (но тогда места близко к источнику тепла становится мало — при плотном размещении радиаторы начинают излучением друг друга существенно греть), либо делать что-то для активного переноса тепла — например выставлять длинные «штанги» с тепловыми трубками внутри, на которые уже нанизаны относительно короткие пластины радиаторов.
Насчет турбины — высокотемпературые турбины на воду и водяной пар никто и не рассчитывает. Там обычно какой-то газ, например сверхкритический углекислый (давление где-то 70 атм) или как в данном случае с нашим проектом-прожектом смесь гелия с ксеноном на рабочее давление 40 атм планировалась.
Но все-равно получаются довольно сложные и дорогие монстры. Если еще не читали, обзор этого проекта в тему: habr.com/post/381701
P.S.
А вот в НАСА подобным гигантизмом не страдали, потихоньку разрабатывают относительно скромный космический реактор мощностью порядка 10 кВт — kilopower
Чуть облегчить конструкцию и за два запуска Фалкона можно выводить
Для запуска аналога «Новых горизонтов» пока не планируют «орбитальную сборку». Я предполагаю, что такое придется городить для пилотируемого полета на Марс, но любой аналог «Вояджера» пока запускали тяжелыми ракетами («Titan IIIE»).
Конечно Falcon Heavy обещает вывести на Марс массу большую, чем эта ракета выводила на низкую орбиту. Смогут у «Space-X» купить создатели следующего зонда 1 запуск ракеты?
Тут ведь в этом холодильнике между форсунками и приемной чашей — ничего нет. Но вот это самое «ничего» (которое достается нам бесплатно и при этом ничего не весит) при этом работает как пластина очень хорошего радиатора (= с очень высокой теплопроводностью) с эффективной эквивалентной площадью приближающейся к «ширина ряда форсунок х длина пролета капель».
Т.е. вместо сотен м2 металлических пластин пронизанных теплораспределяющими трубками — «лента» из летящих капель.
— на твердое, быстродвижущееся тело потом очень проблематично тепло из 1го контура тепловой машины (там газ-жидкость) передавать, а вот между 2мя даже сильно разными жидкостями или жидкость-газ достаточно просто — банальный теплообменник
А так это по сути и есть аналог тонкой быстропротягиваемой через открытый космос ленты. Только без дополнительной механики (роликов, подшипников, катушек) и при этом не изнашивающейся от трения и не рвущейся. Даже если словит микрометеорит или какой-то мусор — только потеря нескольких капель выбитой с траектории полета рабочей жидкости, а не дырка и возможный обрыв. А это вполне вероятные события — по площади это самые крупные элементы всего подобного корабля получаются.
Я ведь правильно понимаю, что это замкнутая система? Тогда предлагаю для полета далеко брать смесь аргона (30% молярная доля) с криптоном (70% доля). Кипящий при меньшей температуре аргон будет взлетать вверх, а криптон должен конденсироваться где-то. То есть радиаторы должны отводить достаточно тепла при температуре кипения криптона (это T^4 в 25 раз меньше, чем при морозе -4 по Цельсию).
Для сравнения представьте себе, что Вы радиоизотопный генератор в вакууме охлаждаете радиатором температуры -4 по Цельсию и площадью n кв. метров, а тут Вам нужно такой же генератор охлаждать такой «криогенкой» с радиатором 25n кв. метров. Ещё можете повысить/понизить давление, чтобы криптон конденсировался только при 120.35 К.
Ничего легкокипящего соответственно использовать нельзя в принципе — все что закипит, испарится, улетит в космос и назад уже не вернется. Даже близко к температуре кипения подходить нельзя, т.к. испарение и без кипения идет, а значит при Т близких к закипанию будут большие потери/расход рабочего тела. Совсем нулевыми они вообще конечно не могут быть, но чем дальше, тем они меньше, причем нелинейно.
Там какие-то жидкости с низкой Т замерзация, но очень высокой Т кипения предполагалось использовать.
Там какие-то жидкости с низкой Т замерзация, но очень высокой Т кипения предполагалось использовать.
Короче, лепим 2 контура. Во внешнем кипит вода. А во внутренний нужно запихнуть натрий — плавится при 97.81 по Цельсию, а вот кипит уже при 882.95. То есть это метод для охлаждения горячих реакторов, вплоть до 880 градусов в месте контакта «первого контура» со стержнями.
Ретрансляторы сейчас используются в таких местах как обратная сторона Луны (т.е. когда иначе — никак) или на Марсе (MarCO — когда это было дешево, MRO — как запасной вариант связи).
Если развернем аналог сети радиотелескопов на Марсе — часть марсианского года её можно будет использовать. Только нужно будет как-то согласовать с зондом календарь вида «в эти часы я шлю сигналы на Марс и жду команды со стороны Марса (все же там отклонение до 1 градус 55' по углу наблюдения скажем Земли с Плутона).
Вы легко доставите 1 кг плутония на расстояние 1 млрд км от Земли
Многие удивятся, но проблемы энергетики на РИТЭГах (таких, как в Curiosity, к примеру) лежат даже не столько в плоскости «как доставить плутоний в такую даль», сколько в плоскости «где вообще взять нужный плутоний».
У NASA в наличии крайне мало Pu-238. Запасов хватит ещё на три генератора, аналогичных РИТЭГу Curiosity.
Один такой условный генератор забронирован для ровера, проектируемого в рамках будущей миссии «Mars 2020». Два других пока вакантны, но, думаю, на тупую железку вроде ретранслятора такой ограниченный ресурс расходовать нецелесообразно.
Собственная программа наработки плутония-238, которая сейчас есть у США не шибко впечатляет объемами производства: с 2013 по 2018 год в Оук Ридж наработано 50 граммов Pu-238. В 2019 планируют наработать целый фунт (менее килограмма) с последующим постепенным выходом на производство до полутора килограммов в год к 2025 году.
Ещё можно покупать у России (если она вообще продаст). NASA ранее так делало, купив больше 16 кг, но есть основания полагать, что у РФ 238-го изотопа тоже не очень много осталось.
Радиоизотопные генераторы сегодня здорово подходят для питания космических аппаратов ввиду своей простоты и надежности. Но работают не особенно долго (лет 15-20, так как у Pu-238 период полураспада около 90 лет) и требуют очень дефицитного в сегодняшних реалиях ключевого компонента — собственно плутония.
У NASA в наличии крайне мало Pu-238. Запасов хватит ещё на три генератора, аналогичных РИТЭГу Curiosity.Нет ли здесь некоторой подмены понятий? Вполне возможно, что у NASA и не должно быть больших запасов плутония, а при необходимости он просто приобретается у соответствующего ведомства. Я ранее видел вот такую табличку, и из неё следовало, что запасы плутония весьма приличные (и уж точно измеряются не килограммами).
Если вкратце — то он получается как побочный эффект реакции, которая весьма редка (собственно она потому и редка что весьма «плоха» энергетически и ведёт к «плохому» изотопу), так что в результате на тонну плутония 239 в реакторах образуется пара килограмм нептуния 237 (а его потому ещё выделить и облучить нужно).
Потому как раз ваша табличка (где речь идёт о десятках тонн оружейного плутония) автоматически даёт оценку и для плутония-238: речь идёт о десятках килограмм…
возможно, что у NASA и не должно быть больших запасов плутония, а при необходимости он просто приобретается у соответствующего ведомства
В сущности, всеми делами, связанными с производством, хранением, распределением изотопа Pu-238 в США занимается Министерство энергетики. Оно же контроллирует потом производство РИТЭГов. То есть специальное ведомство — это Department of Energy (DOE).
Беда в том, что у DOE нет крупных запасов плутония-238 и квоты расписаны уже на 20+ лет вперед. Россия тоже, по слухам, не производит этот изотоп с 2009 года и продавать его с некоторых пор не хочет и/или не может (мало того, на купленный у России плутоний распространяется куча ограничений по возможным сферам использования).
Ваша же табличка про оружейный плутоний и прочие его изотопы. Это совсем не то.
Словом, можно с уверенностью говорить о Pu-238, как о крайне дефицитном, очень дорогом и медленно восполняемом скоропортящемся ресурсе. И да, у человечества его действительно лишь килограммы.
с 2013 по 2018 год в Оук Ридж наработано 50 граммов Pu-238Вы знаете, вот в этой статье 2015 года (да, две тысячи пятнадцатого) о уже наработанных пресловутых пятидесяти граммах говорится скорее как о некоей тестовой партии (но я не особо силён в английском, так что поправьте, если неправильно понял):
The new sample, which is in the same oxide powder form used to manufacture heat sources for power systems, represents the first end-to-end demonstration of a plutonium-238 production capability in the United States since the Savannah River Plant in South Carolina ceased production of the material in the late 1980s
и далее:
With this initial production of plutonium-238 oxide, we have demonstrated that our process works and we are ready to move on to the next phase of the mission,” Wham said
Ну а в конце автор отмечает (или даже скорее гарантирует, не уверен в смысле слова ensure), что при привлечении необходимого финансирования процесс может быть масштабирован до полутора килограмм в год:
With continued NASA funding, DOE’s Oak Ridge and Idaho national laboratories can ensure that NASA’s needs are met, initially by producing 300 to 400 grams of the material per year and then, through automation and scale-up processes, by producing an average of 1.5 kilograms per year.
И вы знаете, после прочтения оригинала у меня не сложилось ощущения, что с плутонием-238 у НАСА есть какие-либо проблемы.
Примеры расхода
— в марсоход Кьюриосити — ушло ~6 кг
— межпланетный зонд «Новые горизонты» потребовалось 11 кг.
— зонд «Кассини» — 33 кг
При этом доступная энергия один из самых важных факторов ограничивающих возможности аппаратов в дальнем космосе — от этого зависит сколько и какого научного оборудования можно будет поставить, на какой дальности и с какой скоростью аппарат сможет поддерживать связь с Землей. А было бы достаточно энергии — можно было бы кроме питания научного оборудования использовать ионные двигатели и летать намного быстрее и дальше.
Т.е. при производстве в 1.5 кг/год (которого еще нужно достичь сначала! пока не больше сотни другой грамм в год) хватает только на запуск всего одного более-менее серьезного аппарата раз в 5-10 лет. А про ионные движки в дальнем космосе — можно сразу забыть.
хватает только на запуск всего одного более-менее серьезного аппарата раз в 5-10 летДак их в принципе так и запускают) Например «Кассини» запустили 22 года назад, «Новые горизонты» — 13 лет назад.
В ближнем космосе, где можно обойтись солнечными батареями без ядерных источников запускают намного чаще. Даже к поясу астероидов и к спутникам Юпитера уже запускают на СБ — например аппараты "Рассвет" и "Юнона" хотя там уже явно РИТЭГи напрашивались.
Но имеющегося плутония для РИТЭГов недостаточно. И вместо них ставили огромные СБ + аккумуляторы, с расчетом на то что их мощность упадет в 10-25 раз на таких расстояниях от Солнца. Чтобы дефицитный плутоний экономить для еще более дальних миссий, когда без него ну уже вообще никак не обойтись.
Во первых, в космосе ничего нельзя разместить стационарно — оно упадет на Солнце. Что бы не упало, объект должен двигатся по орбите вокруг Солнца, причем для круговой орбиты скорость будет равна скорости планеты, вращающейся вокруг Солнца на таком же расстоянии. То есть, если разместить ретранслятор на расстоянии орбиты Юпитера, то за 11 лет ретранслятор будет делать оборот. А поскольку чем скорость движения и продолжительность года разная (скажем, для Юпитера это 11 лет, а для Сатурна 30), то цепочка практически сразу разломается, и собиратся будет раз в десятилетия, а то и столетия. Космос не тоннель, и даже в рамках плоскости эклиптики нельзя расставить одну «цепочку» которая покроет все просранство. Либо придется пускать ретрансляторы тысячами.
Во вторых, типичная «станция» которая работает с дальними аппаратами, это тарелка 70 метров диаметром, с мощностью передатчика в 20 киловатт. Типичный дальний зонд имеет источник энергии 0.25-0.5 киловатта и тарелку диаметром несколько метров. При этом 60 квадратных метров солнечных батарей на орбите Юпитера вырабатывают ~435 ватт, а у Сатурна будут вырабатывать около сотни. А топливо для ритегов производилось в лучшие годы на сотни ватт в год (в США только планируют к 2025 году выйти на уровень 1,5 кг в год. Для сравнения в Curiosity ритег с 4,8 кг плутония вырабатывает 110 ватт).
В третьих, типичный «тяжелый» зонд имеет сухую массу от силы 2,5 тонны, запускается тяжелой ракетой, при этом требует пачки гравитационных маневров для прилета к цели, то есть запустить его можно далеко не в любую точку не в любое время.
И в четвертых, самое главное — такие станции пока используют всего несколько аппаратов (до Юпитера и дальше пока долетело всего 9, из них 5 уже не работают), причем большие объемы данных передают очень не часто. И запускаются такие зонды далеко не каждый год. И нет никаких признаков, что в ближайшее время что-то радикально поменяется. Разработка, изготовление и отправка кучи ретрансляторов обойдется гораздо дороже, чем тратят на сами зонды.
Если общее направление полета будет неизменно — придется корректировать углы антенн в процессе полета. Но можно и распустить каждый из них на собственное направление, чтобы общая ось оставалась нормалью к Земле. Но считать траектории придётся неслабо.
Проблема энергии никуда не девается — если за зондом на расстоянии в 45 а.е (примерно на таком сейчас Новые Горизонты) следует 3 ретранслятора, то между ретрансляторами расстояние больше, чем между Землей и Сатурном. Если ретрансляторов 8, то расстояние сравнимо с расстоянием до Юпитера. А на ретрансляторах не семидесятиметровые тарелки, и у них нет передатчиков мощностью в десятки киловатт.
Во вторых, не факт что это возможно в таком виде. Траектории в космосе не прямые, и очень зависят от скорости аппарата. Просто прямая растягивающаяся цепочка не получится точно.
В третьих, это полностью одноразовое решение. И очень дорогое. Те же Новые Горизонты (массой всего 478 кг) запускались самым тяжелым вариантом Атласа 5 с грузоподъемностью в 18,8 тонн на НОО и водородным разгонным блоком. Если пускать вместе с зондом пачку ретрансляторов потребуется либо сверхтяж с переусложненным разгонником или многопуск. Ну и сами ретрансляторы бесплатными не будут.
И можно найти таким ретрансляторам лучшее применение. Такие аппараты, способные 10-15 и более лет работать в дальнем космосе и обладающие настолько мощной системой связи, что смогут передавать друг-другу данные на десяток а.е., гораздо лучше будет использовать в качестве самостоятельных зондов. Снижаем размер антенны (что бы передавал данные не тарелку хоть в 3-4 раза дальше, но зато в десятки раз больше и с в разы меньшей скоростью передачи, не критично), ставим взамен научное оборудование и отправляем в пролетные миссии к разным целям. Это принесет больше пользы, чем снижение времени передачи данных. Тем более если учесть, что задержка передачи данных сейчас все равно на порядки меньше, чем время перелета до цели. Если уж дождались, пока аппарат 12 лет летел, не проблема подожать месяц, пока он данные передаст.
Понятно что всё это добавляет оверхеда и требует резервирования, но это уже не выглядит как одноразовый проект, типа «запустили зонд и с концами», а появляется более менее стабильная цепь ретрансляторов и возможность вешать на неё и другие зонды, которые теперь могут сильно снизить массогабарит приемопередающей аппаратуры и увеличить научной.
По поводу траектории согласен, тут надо играть между точностью направленности антенн, их углом раскрыва, мощностью передатчиков и возможностью корректировать траекторию. Можно пойти дальше и сделать каждый ретранслятор не как один объект, а несколько на небольшом расстоянии.
Насчет одноразовости я уже писал выше, но есть еще один аспект — это зонд имеет максимальный импульс и выход на максимальное расстояние, а ретрансляторы имеют меньший импульс и более быстро тормозятся и как бы зависают в точке нулевой скорости. А ведь, на минуточку — проект уже длится 12 лет и еще неизвестно сколько продолжится.
Также на каждом конкретном зонде и ретрансляторе пропорционально уменьшаются требования к размерам антенн и оборудования — расстояния становятся на порядок меньше и можно играть вокруг стоимости бит/Вт*сек.
Но есть и обратная проблема. Сейчас есть маленький передатчик и приёмник на аппарате и огромаааадный передатчик и приёмник на Земле.
А так на каждом аппарате придётся ставить передатчик побольше и приёмник больше — мы уже связываемся не с безумно мощной Землей, а с маленьким и экономным ретранслятором.
как бы зависают в точке нулевой скоростиКак вы себе это представляете?
Проблема энергии есть, только вы забываете, что она теперь требуется не концентрированно в двух точках — на зонде и Земле
Расстояния между ретрансляторами все равно будут огромны, но энергетических возможностей и размеров антенн, достижимых на Земле у ретрансляторов не будет. А если мы рассматриваем вариант с огромной тарелкой и реактором на десятки киловатт, то проблему можно решить намного проще — ставим их на сам зонд и получаем в сотни раз большую пропускную способнось, чем доступна сейчас.
но это уже не выглядит как одноразовый проект, типа «запустили зонд и с концами», а появляется более менее стабильная цепь ретрансляторов и возможность вешать на неё и другие зонды
Не выйдет такого. Либо цепочка улетит из Солнечной Системы вслед за зондом, либо попадает обратно, причем в процессе «размажется» по системе, из-за разницы в орбитальных периодах. Чем ближе самая дальняя точки орбиты к Солнцу, тем короче орбитальный период. Например, вот примерные периоды для орбит, самая дальняя точка которых лежит на расстоянии до определенной планеты, а ближняя на уровне Земной орбиты в годах: Ю — 5,2; С — 13; У — 31,6, Н — 58. Даже если подобрать кратные периоды, что бы цепочка собиралась каждый раз, когда ретранслятор у Нептуна в афелии, все равно она будет работать от силы несколько месяцев из почти шестидесяти лет. При этом прохождение половины эллипса между перигелием и афелием будет занимать половину времени, для Юпитера скажем, ретранслятор будет 2,6 года лететь к дельней точке, и 2,6 года падать обратно. Скорость в дальней точке будет достаточно медленная, что бы хотя бы несколько лет считать что ретранслятор «примерно там где нужно» только для Нептуна и дальше, но в таком случае от ретранслятора мало толку — расстояние до ретранслятора становится сравнимым с расстояниями до Зондов.
Можно пойти дальше и сделать каждый ретранслятор не как один объект, а несколько на небольшом расстоянии.
Вы понимаете, что «небольшие расстояния» это сотни миллионов километров? Если даже взять сейчас цепочку из 8 ретрансляторов между Горизонтами и Землей, то между каждой парой будет расстояние в 5 а.е., как между Землей и Юпитером. Например, Juno с такого расстояния передает на 34-метровую наземную тарелку данные со скоростью в ~22 килобит/с. А на такой-же ретранслятор передача будет идти гораздо медленнее.
а ретрансляторы имеют меньший импульс и более быстро тормозятся и как бы зависают в точке нулевой скорости
И начинают падать обратно. Причем время падения будет равно времени прилета. И лететь они будут не по прямой а по эллипсу.
И повторюсь, принципиальной проблемы со связью нет. Проблема невозможности отправки множества аппаратов во внешнюю солнечную систему стоит гораздо острее. Пока в NASA решают, могут они отправить аппарат к Урану или Нептуну (похоже уже решили, Нептун отпадает) в обозримом будущем, Вы предлагаете отправить целую пачку без особой необходимости.
Добавлю, что ретрансляторы будут иметь смысл в близком будущем при более активном изучении планет. К примеру, запустить очень мощный ретранслятор на орбиту вокруг Юпитера при условии, что мы будем запускать множество более мелких аппаратов на саму планету и его спутники.
Проблема энергии есть, только вы забываете, что она теперь требуется не концентрированно в двух точках — на зонде и Земле, а размазывается по цепочке ретрансляторов. Также на каждом конкретном зонде и ретрансляторе пропорционально уменьшаются требования к размерам антенн и оборудования — расстояния становятся на порядок меньше и можно играть вокруг стоимости бит/Вт*сек.
В то-то и дело, что расстояния меньше не на порядок, а всего лишь в несколько раз. И гораздо проще использовать наземную антенну действительно на порядок бОльшего размера и передатчик в мегаватты мощности (по слухам, мегаваттные мощности передатчиков на наземных станциях дальней космической связи реально есть), чем наскребать лишний десяток ватт и лишний метр антенны на промежуточном ретрансляторе.
Я к тому, что на Земле уже есть огромные антенны и жутко мощные передатчики.
Допустим, на земле антенна 70 метров. Какого размера антенну ставим на ретранслятор? Ну метра 3. Ну пусть будет огромная на 5 метров. Значит дальность, с которой примет нормально сигнал эта антенна будет в 14 раз меньше. То есть использование одного ретранслятора дает увеличение дальности связи на 7%. Это при идеальном расположении, когда ретранслятор точно между зондом и Землей. При этом стоимость миссии, фактически, удваивается. Надо делать не один, а два аппарата, два запуска и т.п. Можно сделать два ретранслятора. Тогда увеличим дальность на 14%. Но цена миссии утроится.
будет в 14 раз меньше
Не специалист, но предположу, что в 196 раз.
Площадь тарелки — это количество собранной энергиию. И площадь тарелки пропорциональна квадрату диаметра.
Рассеивание энергии передатчика пропорционально квадрату расстояния.
То есть передвигаем передатчик в 2 раза дальше — уменьшаем плотность энергии в 4 раза. Увеличиваем в 2 раза диаметр тарелки — собираем в 4 раза больше энергии.
Правда если для передачи сигнала нам кажется нужно число энергии на поверхности равной фазы, а эта поверхность ещё немного загибается назад.
Но энергии мы действительно соберем больше, даже если у нас какой-о источник волны со сферической симметрией.
Потому что в космосе все крутится (этом случае вокруг солнца) и скорость зависит от расстояния до солнца. Просто так повесить ретранслятор на половине пути между землей и Плутоном невозможно он будет крутиться вокруг солнца сильно медленнее, чем Земля и сильно быстре, чем Плутон, и в нужнлм месте пролетать будет очень редко. Таких ретрансляторов необходимо повесть на орбиту несколько. И изучать этим ретрансляторам в свободное время будет абсолютно нечего. Если (условно) представить, ретранслятор должен быть где-то рядом с Сатурном, то один будет изучать Сатурн, а остальные будут болтаться в скучной пустоте. Сама по себе отправка аппарата к Сатурну довольно сложная и затратная, а уж вывести на круговую орбиту — это еще в сотни раз дороже. Много проще и дешевле сделать прямую передачу.
Смысл в ретрасляторе есть только для усиления очень слабого сигнала с близкого расстояния. Т.е. когда ретранслятор находится близко к источнику. Пример Philae + Rosetta.
Ожидается, что для загрузки всех данных потребуется 20 месяцев. «Эта миссия всегда заключалась в откладываемом удовольствии», — сказал Стерн.Насколько я понял из комментариев к пресс-конференции, кроме большого объема информации им еще будет мешать Солнце — оно скоро будет между аппаратом и Землей, так что на некоторе время связь с ним прервется.
Кстати какие еще инструменты были задействованы для этого астероида кроме камеры?
данные так и будут передаваться медленно. Физика с ней трудно что-то сделать ((.
Интересно для Марса можно GPS сделать?
Правда нужны базовые станции и спутники. Думаю к эпохе баз на 100-200 человек какой нибудь GPS у них будет. )
Чисто технически GPS на Марсе сделать, разумеется, можно. Только вот цена вопроса будет не "космическая", а "космическая в космической степени". Копайте лучше в сторону систем радионавигации, используемых в гражданской авиации и морском флоте. В отсутствие ионосферы все это выродится в сеть стационарных УКВ-радиомаяков с той или иной ориентацией на них — то ли аналог VOR, чтобы по одному единственному маяку определить многое, то ли триангуляция по маякам как в GPS, то ли комбинация разных методов.
New Horizons использует MIMO 2x2, два радиотракта по 12W каждый. Это автоматом и дублирование (откажет один, в работе останется второй), и возможность передавать данные в 2 потока (по соотношению скорость/энергия это чуть выгоднее чем 1 передатчик на 24W).
Антенна диаметром 2.1 метра на частоте в районе 8.4 ГГц дает направленность 42 dBi. Благодаря инновационным изменениям в конструкции обоих зеркал, удалось превзойти ТЗ и достичь около 44 dBi (точное значение колеблется между 41.5-44.5 dBi в пределах сектора 0.3 градуса).
По ТЗ такая система должна с расстояния 36 а.е. (5.4 млрд. км) давать не менее 600 бит/сек (по 300 бит/сек на канал)
Чтобы увеличить скорость с 0.6 до 1.2 кбит/сек достаточно или увеличить мощу с 2х12W до 2x24W, или увеличить диаметр зеркала в sqrt(2) раз (до 3 метров).
У Вояджера антенна имела диаметр 3.7 метра и передатчик 23W (без MIMO)
Промежуточные ретрансляторы только сильно ухудшают картину. Ретрансляторы полезны на поверхности Земли, потому что УКВ не может преодолевать кривизну Земли. Но вредны в космосе. Диаметр антенны которые можно установить на таком ретрансляторе на порядок меньше чем на Земле, поэтому скорость через ретранслятор на порядок ниже чем напрямую с Землёй.
Рекомендую очень увлекательную книгу — «Виницкий А.С. Радиосистемы межпланетных космических аппаратов [1993]»
На практике мы имеем такое условие, что для передачи k бит требуется выполнить условие типа:
k = log2(1+S/N), то есть условно говоря, мы должны уметь различать уровни сигнала S равные 0, 1, ..., 2^k-1 уровней шума.
А также, нам нужно суметь их закодировать (применив понятие модуляции), передать сигнал (у нас дисперсия межпланетной среды на 8 млрд. км несущественна в радиодиапазоне?) и на точке приёма его демодулировать.
P.S. Вспомнил, что всегда можно попробовать передать и принять 2 ортогональные поляризации — например горизонтальную и вертикальную. Правда требует 2 излучающих «вибраторов» на головку антенны. По идее на стороне КА скромные мощности не должны в верхнем слое параболы создавать какие-то перекрытия 2 «перпендикулярных» токов?
Конечно проблем технических есть много, в комментариях это не описать. Например так как используется очень узкая полоса пропускания — 4, 1 и 0.25 Герц (не килогерц, а единицы и доли герца) то крайне жесткие ограничения на стабильность частоты, а любой дребезг и уход частоты резко снижает С/Ш и резко растут потери.
Детали реализации TRX у горизонтов есть тут:
citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.472.8206&rep=rep1&type=pdf
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/comment_images/e05/85c/33f/e0585c33f1b9c47bd1b9296e34e6961f.png)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/comment_images/ba5/343/b7f/ba5343b7fade75415f33e7a56ca30ca4.png)
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/comment_images/821/98e/dd1/82198edd17d4f58df1e604693dfd6ed0.png)
а аккумуляторы как химические элементы на такой длительной дистанции рискованны и бесполезны.
РИТЭГ выдаёт постоянную мощность, которая в начале миссии в 2-3 раза превышает необходимую, за 10 лет мощность падает в два раз, лишняя мощность сбрасывается через радиатор (излучается), по мере истощения РИТЭГ приборы отключают и минимизируют их потребление, включают по циклограмме…
Оборудование наоборот, за счёт накопленной дозы начинает потреблять больше — это то же нужно учитывать…
В НАСА давали оценки для «Новых горизонтов» — примерно 20% потери мощности за 10 лет (с момента запуска и до прибытия к Плутону).
Вояджеры, которые уже больше 40 лет летят тоже все еще имеют больше половины от изначальной электрической мощности и около 70% по тепловой.
Вояджер на расстояние 14 часов передает 160 бит/с
А если отправить звездолет к ближайшей звезде (4,24 св/лет), что с какой скоростью будут передаваться данные? Или вообще не дойдут?
(Расстояние указывал в световый часах, потому что огромное количество нулей трудно воспринимать)
(обратно квадратичная зависимость...)
ps: дойдёт, если приём будет синхронный, ну или если потом многократно коррелировать принятый шум с целью поиска бит… но уже точность хуже, так же нужно учитывать изменение фазы из-за вращения Земли и её движения по орбите (а так же скорость спутника)
Вояджер имеет антенну 3.7 метра (48.1 dBi @ 8415 MHz) и мощность 12.7W в low-power (основной режим работы) и 23W в hi-power (редкий режим непродолжительной работы)
На приемную антенну диаметром 70 метров (73.8 dBi @ 8415 MHz) сигнал от Вояджера равен -171 dBW (с расстояния 4.4 млрд. км). Это ~10 нановольт (на 50 Ом).
При шумовой температуре наземной антенны и криогенного входного каскада 10 кельвинов получался Eb/N0= 4.38 dB
Для увеличения радиуса в 2 раза для сохранения той же скорости надо увеличить или мощность в 2 раза, или диаметр антенны в sqrt(2) раза.
Расстояние до ближайшей звезды 40 100 млрд. км (в 9200 раз дальше чем расчетная дистанция для Вояджера). Это значит что или надо в 9200^2 = 83 миллиона раз поднять мощность. Или в 83 миллиона раз упадет скорость.
Даже если бы у альфа-Центавры была твердая планета с комнатной температурой, на которой можно построить 70 метровое зеркало (на Земле его строительство стоит ~$2 млрд.) и вдуть туда 20 кВт мощи (в 1500 раз больше чем у Вояджера), то получится линк с такими параметрами:
TX = +73 dBm
Gain = 73.8 dBi
EIRP = 146.8 dBm (480 Гигаватт !!)
Убывание сигнала на трасе 4.24 св.лет = 383 дБ
Сигнал на приёмной антенне = 146.8 — 383 + 73.8 = -162.4 dBm
Здесь не учтены никакие затухания в атмосфере, ионосфере, межзвездном газе и т.д. (на практике их тоже надо учитывать и сигнал получится ещё в несколько раз слабее)
Вояджер давал скорость 160 бит/сек при уровне сигнала -141 dBm, здесь сигнал получился на 21.4 дБ слабее (в 138 раз). Это при хороших раскладах даст скорость 1 бит/сек.
Иными словами: на пределе техники (более 70 метров антенну соорудить очень сложно, более 20 кВт вдуть на частоте 8.4 ГГц тоже очень сложно) даже между самыми ближними звездами (если бы там была планета пригодная для сооружения такой мощной антенны с 480 Гигаватт EIRP) энергетика линка настолько слабая, что связь есть только формально — 1 бит/сек достаточно для передачи только коротких телеграмм, а за сутки можно передать 10 кбайт фотку (при условии если бы сеанс связи был 24 часа, что из-за вращения планет невозможно)
Но и даже такой линк невозможен. Это расчеты для условия, что шумовая температура источника 10 кельвинов. Т.е. зонд типа Вояджера находится в глубоком космосе, и на его фоне нет никаких мощных источников шума. Наземная антенна направленная на Вояджер или Горизонты — собирает шума всего на 10 кельвинов.
Но потенциальная планета на которой можно строить такую антенну не расположена в глубоком космосе. Она расположена возле материнской звезды с шумовой температурой 5200К и более. Чтобы мы смогли услышать сигнал от такой планеты, её уровень EIRP должен «перекричать» излучение материнской звезды. Умопомрачительные 480 ГВт EIRP меркнут против тераватт звезды. Даже если разделить всё радиоизлучение звезды на узкую полосу спектра (единицы Герц в которых мы будем держать связь) всё равно там будет значительно больше чем 480 ГВт.
Поэтому когда земные зонды пролетают на линии Земля-Солнце, связь с ними теряется, хотя расстояния мизерные. Шумовая температура наземной антенны сопровождающей такой зонд растет с 10К до 5000К когда её навести на Солнце.
В феврале 1942 года военные локаторы на юге Англии внезапно вышли из строя из-за очень сильной помехи. У военных возникло опасение, что немцы применили новую систему подавления локаторов. Однако после изучения сообщения о помехах Хей пришел к выводу, что нарушение связи произошло в результате влияния сильного солнечного радиоизлучения, связанного с наличием большого пятна на диске Солнца.
Понимаю, что цена в апертру линейно не конвертируется, но все же. GBT стоил чуть менее 100 миллионов долларов, если будет необходимость организовывать линию связи с Альфой Центавра, то вполне можно ожидать бюджета на два порядка больше.
Более крупные существуют, но для более низких частот. Получить более 74 dBi очень сложно, потому что есть требования не только к площади зеркала, а и его точности. Пожертвовав точностью можно увеличить апертуру, но dBi там будет меньше чем у 70 метровой Deep Space Network (на частотах ниже 8 ГГц будет меньше навправленность потому что длина волны больше, а на 8 ГГц и выше будет меньше 74 dBi из-за плохой точности зеркала).
Пукалку на Аресибо и на 10 мегаватт можно накачать, для целей передачи информации не годится.
Неподвижные создать крупные проще, но опять же для линка связи не годятся.
480 ГВт EIRP конечно не предел, но близко.
Тут нужно решать такую задачку, что при «антенне» диаметром 140000 км нужно взять источник излучения с шириной 10 ГГц и мощностью на порядок большей, чем выдает Солнце в этом диапазоне и в этом направлении.
Причем выход на пиковую мощность желательно проводить в темпе «1 светимость Солнца (в этом диапазоне) в год», а направление дать на близкую потенциально обитаемую планету.
Мешает услышать нас в основном «шум» от звезды (Солнца), т.к. с точки зрения межзвездных расстояний мы очень близко к нему находимся и приходящие сигналы накладываются друг на друга. Оно конечно излучает в основном в видимом диапазоне и прилегающим к нему (ультрафиолет и ифракрасном), в радиодиапазоне излучается совсем небольшая доля энергии. Но в абсолютных масштабах это все-равно очень много.
Насчет «никто не слышит» — ну исходя из предположения, что тот кто «слушает», располагает техническими возможностями не выше наших собственных — то да, услышать практически нереально даже с самых ближайших звезд.
Но собственно откуда такое ограничение для потенциальной другой цивилизации, о которой мы вообще ничего не знаем, включая сколько времени они занимались развитием своих технологий и техники?
Мощность подобной системы навскидку составит около 7 ПВт (если мы сможем передать в антенну треть падающей от Солнца энергии). Это еще +150db по мощности.
Таким образом, межзвездная связь становится вполне реальна, даже при использовании доступных нам технологий. Не требуется ничего астроинженерного, лишь чуть более развитая робототехника для работы автономных заводов на поврехности Меркурия и немного (по астрономическим меркам) времени. Всяко быстрее, чем межзвездный полет. Наращивание мощности системы может происходить прямо во время полета (как собственно сейчас и происходит с Вояджерами).
Жаль, что связи не будет, без нее отправлять звездолет смысла нету.
Из за проблем с дефицитом вычислительной мощи, для поиска различных астрономических явлений на длине волны 21 см (1420 Мгц, линия водорода — важнейшая линия в радиострономии) ученые не могли вполную использовать потенциал стационарного (неповоротного) телескопа Аресибо.
Но если сказать людям, что на их ПК будут искать квазары, пульсары, межзвёздный газ — никто не установит научное ПО для этого. Поэтому маркетологи придумали басню про поиск инопланетян. Хотя мы сами не используем эти частоты для связи по 2 причинах:
* это самая шумная часть спектра (собственно так её и открыли, из-за всплеска шума на этой частоте), в которой везде что-то излучает (водород есть везде), поэтому самая непригодная для связи
* это сравнительно низкие частоты, увеличив частоту в 5 раз, можно с помощью зеркала такого же диаметра получить в 25 раз более узкий луч (и выиграть 25 раз в мощи). Поэтому для дальней связи мы используем частоты в районе 8 ГГц
С 1952 года человечество создает карту излучения на 1420 МГц и проект SETI@home этому тоже помог.
Потенциально искуственное происхождение излучения на 1420 МГц не исключено — какая-то цивилизация для связи может создавать мощные источники, взрывая водородные бомбы или как-то модулируя водородное излучение звезды.
Про разницу между разными частотами для нужд связи — почитайте мою публикацию здесь на Хабр
Свершилось! Космический корабль NASA New Horizons вышел на связь с расстояния в 4 миллиарда миль