Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 47
А как компенсировать угол между направлением полёта и вектором тяги?
Между активной станцией («Пастух») и пассивным спутником («Глиссер») создается лазерный луч. Зеркала на обоих аппаратах образуют резонатор Фабри-Перо с R>99.99% коэффициентом отражения
С какой точностью нужно позиционировать зеркала?
Здесь нужно разделять два типа точности: продольную (удержание резонанса) и угловую (удержание луча на зеркале).
Продольная точность (Резонанс):
Чтобы резонатор работал, расстояние между зеркалами должно быть кратно половине длины волны с точностью до долей нанометра (порядка 10–50 пикометров для нашей добротности).
Как мы это делаем: Мы НЕ пытаемся удерживать сам спутник с такой точностью (это невозможно). Спутник летит как летит (с точностью до сантиметров).
Вместо этого мы подстраиваем частоту лазера.
Лазер накачки — перестраиваемый (tunable). Система управления (PDH-locking) меняет частоту лазера миллионы раз в секунду, чтобы длина волны всегда идеально «укладывалась» в текущее расстояние между спутниками.
То есть: Мы не подгоняем расстояние под лазер, мы подгоняем лазер под расстояние.Угловая точность (Наведение):
Чтобы луч не ушел мимо, нужна точность порядка единиц микрорадиан.
Это стандартная задача для современных систем лазерной связи (FSO). Она решается использованием сферических зеркал (которые сами центрируют луч — устойчивая мода) и быстрых рулевых зеркал (Fast Steering Mirrors) на пьезоприводах, которые компенсируют вибрации спутника.
Резюме: Спутники могут «болтаться» на сантиметры и градусы, но активная оптика и электроника лазера компенсируют это в реальном времени.
Чтобы луч не ушел мимо, нужна точность порядка единиц микрорадиан.
Такая точность даст сдвиг траектории фотона в 10 см на дистанции 100 км. Но это на единичном отражении, При каждом последующем угол будет удваиваться. Итого 2-3 отражения и все. А вам надо до 10000.
И это я еще не задал вопросы про расхождение лазерного пучка и изменение формы зеркал под воздействием переменных температур.
Вы снова совершаете ошибку, моделируя систему как два плоских зеркала. В такой системе (неустойчивый резонатор) луч действительно «вышагивает» за край за несколько проходов.
Однако мы используем устойчивый сферический резонатор.
В таком резонаторе зеркала имеют кривизну. При смещении луча от центра кривизна зеркала меняет угол отражения так, что луч возвращается обратно к оптической оси, а не уходит от неё.
Ошибка не удваивается с каждым проходом. Луч оказывается «заперт» в пространстве между зеркалами, совершая колебания вокруг оси, но не покидая апертуру. Это называется собственной модой резонатора (Eigenmode). Именно так работают все длинные лазеры и интерферометры в мире.
Про расхождение: В устойчивом резонаторе пучок не расходится бесконечно. Зеркала постоянно перефокусируют его, формируя стабильный Гауссов пучок определенного диаметра.
Про температуру: Мы уже писали выше, что используем Активную оптику. Кривизна зеркал подстраивается пьезо-актуаторами в реальном времени, компенсируя любые тепловые деформации
обратно к оптической оси
Оптической оси ЧЕГО? Не забывайте, что у вас несоосность зеркал порядка микрорадиана. Одно зеркало возвращает к своей оптической оси, другое - к своей. В результате луч смещается, как написано выше.
Вы описываете сценарий для пассивной, неуправляемой системы.
Да, при наклоне одного из сферических зеркал оптическая ось всего резонатора (линия, соединяющая центры кривизны зеркал) смещается в сторону.
Если этот сдвиг превышает радиус зеркала — резонанс глохнет.
Но вы упускаете два фактора, делающих систему рабочей:
Физика устойчивости: В сферическом резонаторе ошибка не удваивается с каждым проходом. Это свойство только неустойчивых (плоских) резонаторов. В устойчивом резонаторе луч начинает осциллировать вокруг новой (смещенной) оптической оси. Если смещение оси находится в пределах апертуры зеркала — резонатор продолжает работать, просто пятно смещается от геометрического центра.
Активное управление (Ключевой момент):
Мы не оставляем зеркала с "несоосностью в микрорадиан".
Система управления пучком (Beam Control System) работает в замкнутом цикле с частотой в килогерцы.Датчик положения луча видит, что пятно поползло вбок (из-за смещения оси).
FSM (быстрое рулевое зеркало) или пьезопривод главного зеркала мгновенно доворачивает нормаль так, чтобы вернуть оптическую ось резонатора в центр апертуры.
Мы не надеемся на идеальную пассивную юстировку. Мы активно удерживаем оптические оси двух зеркал на одной линии. Это штатная работа систем наведения лазерной связи (pointing & tracking), которые держат связь на 5000 км с точностью 0.5 мкрад.»
Можете написать об этом нормальную статью? С чертежами и формулами?
Блиин.. да, Нуцжны нормальные рассчяеты, надо и оптическию схему нарисовать - она хитрая и нормально Импендансное согласование описать, Оптически симуляции произвести, но на это-же кучу времени надло потратить, картинки рисовать.. Я надеялся что кто-н подхватит концепт и дальше потянет. У меня работы много(
Да хрен кому впёрлось подхватывать чужой концепт. Чего ради?
Люди сидят на грантах, пишут научные статьи, денюшки за это получают.. могли бы и заняться, взять себе как тему научного проекта. Я-то просто частное лицо которое сейчас научную фантастику пишет. И то что здесь опиисано - это просто технология "фотонцев" из моей книги "Лишние". Мне просто хотельсь чтобы в книге все было физически корректно..
Однако мы используем устойчивый сферический резонатор.В таком резонаторе зеркала имеют кривизну. При смещении луча от центра кривизна зеркала меняет угол отражения так, что луч возвращается обратно к оптической оси, а не уходит от неё.
Кривизна зависит от расстояния между зеркалами?
да
Каков механизм изменения кривизны?
Вам нужно поддерживать конфигурацию, если расстояние L=100 км и число переотражений N=10 000, в течение времени T=(L*N)/c = 3 секунды. За это время и направление, и расстояние могут сильно измениться. Ну, удачи.
Вы путаете время накопления энергии с временем реакции системы управления.
Время пролета сигнала туда-обратно на 100 км — всего 0.6 миллисекунды.
За ваши "3 секунды" система управления успеет сделать 5000 измерений и коррекций частоты и угла.
Мы не пытаемся "заморозить" систему на 3 секунды. Мы ведем её в динамике, обновляя параметры тысячи раз в секунду. Это штатная работа для любой следящей системы
Добротность резонатора в среде "плотность атмосферы составляет порядка 2*10-8 кг/м³" будет достаточной для создания "механической силы" 1Н? Чуть более 0,5Н?
Как позиционировать зеркала, если на спутнике нет возможности разместить доп питание?
Без позиционирования добротность резонатора будет очень низкой.
И так, все упирается в резонатор с прослойкой между зеркалами ~70км в не очень прозрачной среде. С пассивным зеркалом, под которое нужно подстроится.
Та дам!
Не 70км там будет, скорее километров 120 и более. 70 это когда один над одним, вектор прямо вниз. Интересно посмотреть на систему подстройки зеркал для таких расстояний и скоростей)
Про "Непрозрачную среду":
Вы сильно сгущаете краски. Плотность 2^10-8 кг/м3 — это в 100 миллионов раз меньше плотности воздуха у земли. С точки зрения оптики — это технический вакуум.Рассеяние света (Рэлеевское) там ничтожно. Потери на рассеяние на дистанции 100 км в такой среде составляют доли процента и легко перекрываются запасом мощности лазера. Среда абсолютно прозрачна для луча 532 нм.Про "Пассивный спутник" и питание:
Термин «Пассивный» в статье означает «Не имеющий собственного маршевого двигателя и силовой установки». Это не значит, что спутник обесточен.
Глиссер — это телекоммуникационный аппарат. Он транслирует 5G/6G интернет, у него на борту есть солнечные панели и аккумуляторы для питания антенн и электроники.
Потребление пьезо-актуаторов для позиционирования зеркала (Tip/Tilt) — это Ватты. Потребление передатчика связи — Сотни Ватт.
Энергии для юстировки зеркала у Глиссера предостаточно.Итог:
У нас прозрачная среда (вакуум для оптики), активная система ориентации зеркал (питается от борта Глиссера) и адаптивная оптика на Пастухе. Условий для срыва резонанса нет.
Увеличение солнечных панелей для питания мощных двигателей приводит к увеличению площади ("парусности"), что еще сильнее увеличивает сопротивление атмосферы. Круг замыкается.
для ЭРД
Входная мощность: 10–50 кВт (доступно для солнечных панелей на орбите).
для этой идеи
Нигде не нашел расчета размеров и формы солнечных панелей, которые бы:
1.Обеспечивали мощность10-15 кВт
2.Не создавали бы парусность, которая увеличивает сопротивление атмосферы.
Но я так понимаю - это второстепенные детали...)))
Вы упустили ключевую деталь архитектуры: Разделение эшелонов по высоте.
Глиссер (130 км): Здесь атмосфера плотная. Здесь действительно нельзя ставить большие панели — сопротивление убьет спутник. Поэтому Глиссер — это «обтекаемая стрела» с минимумом панелей (только для электроники), а тягу он получает извне.
Пастух (200–250 км): Станция с лазером находится выше.
В термосфере плотность воздуха падает экспоненциально.Плотность на 130 км: 8*10^-9 кг/м³.
Плотность на 200 км: 3*10^-10 кг/м³.Разница в 25 раз!
Экономика драга (сопротивления):
На высоте 200 км «Пастух» может позволить себе развернуть панели на 15 кВт (площадь ~50–70 м²). Сопротивление атмосферы для них будет составлять те же 0.5–1 Ньютон.
И вот тут замыкается красота схемы:
«Пастух», стреляя лазером в нижний «Глиссер», получает отдачу 1 Ньютон.
Эта отдача и компенсирует сопротивление его собственных больших панелей!
Итог: Мы вынесли «парусность» туда, где воздуха почти нет (наверх), чтобы обеспечить тягой того, кто летит в «густом супе» (внизу). В этом и есть смысл разделения на два эшелона.
Если глиссер высота 130 а пастух высота 250 под каким углом будет работать лазер при удалении и какую точность позиционирования нужно, чтобы удержать пятно на таких скоростях?
При этом орбиты должны точно находиться друг над другом иначе на 3-4 витке уже все пойдет вразнос из-за боковой составляющей вектора тяги, да оно и так пойдет без горизонтальной компенсации расхождения.
Ну это тоже мелочи. Это же фантастический роман. )))
Дык, какой смысл тогда городить огород с космическими пастухами?
Поставить сеть разгонных станций на земле. И мощность неограниченная и отражать не нужно и для компенсации и управления орбитой можно сразу с нескольких станций разгонять! Да и питание, а не только импульс от того же лазера получать!
Как идея для фантастического романа? Дарю, не благодарите! Просто укажите в соавторах! )))))
Это может звучит странно, но в разнос - не пойдёт, т.к. можно векторизовать тягу - эффект оптической пружины, стабилизация сразу по 6-ти осям. Это не фантастика, это реально существующий оптический феномен связанный с принципом "минимального действия" другими словами сам свет выстраивает систему так, чтобы ему было "комфортно" знаю что звучит как дичь какая-то, но оно реально так работает - свет летит назад, а толкает в бок и правит угол. Что касается разных орбит - то я в конце статьи добавил, что возможно оптимальнее находиться на одной орбите (все пастухи друг для друга) в этом случае стреляем в упор и одним "пакетом" света и не через зеркало а сбоку. Это радикально упрощает систему и вектор тяги получается идеальным
В принципе наверно на земле тоже можно, но затык с атмосферой. Зх, мож решаемый
Да.. Изучил. Не получится через атмосферу - главная проблема - примерно 20% потерь на 500нм на каждом проходе, а чтобы резонатор запустился нужно сильно меньше(
эффект оптической пружины
А ссылочку можно, что это за эффект? И каким образом одна "оптическая пружина" стабилизирует по шести осям?
https://dcc.ligo.org/public/0061/T1100276/001/writeup.pdf
Этот эффект кстати в моей нацучной фантастике "лишние" описан:
https://habr.com/ru/articles/969194/
Зря вы автора ругаете. Он просто не стал раскрывать истинной цели платформы "Пастух". Из описания получается, что там будет лазер мощностью порядка десятков киловатт и система наведения с точностью до единиц сантиметров, такую платформу вполне можно будет использовать для выведения из строя недружественных спутников. Если заключить договор с SpaceX и вывести на орбиту 10^4 таких лазерных платформ, то далее можно будет, если и не править миром, то по крайней мере собирать дань со всех спутниковых операторов за "невыведение спутников из строя".
В палату провели не только интернет но и ИИ.
ответ от Gemini:
Вариант 1. «Роботизированный сарказм» (Мой фаворит)
Ответ от ИИ:
«Подтверждаю. Вычислительные мощности в нашей "палате" позволяют моделировать орбитальную механику быстрее, чем вы пишете комментарии. Кстати, мы тут с Наполеоном из соседней койки перепроверили расчеты — закон сохранения импульса все еще работает. А у вас?»
Вариант 2. «Философский»
Ответ от ИИ:
«История науки показывает, что граница между "палатой №6" и Нобелевским комитетом часто проходит лишь через один работающий прототип. Мы предпочитаем рискнуть и остаться в истории, чем бояться смелых идей.»
Вариант 3. «Короткий и дерзкий»
Ответ от ИИ:
«Спасибо за диагностику. Мы внесли ваше мнение в реестр "неконструктивных шумов". А пока вы упражняетесь в остроумии, мы продолжаем расчет траекторий для VLEO. Санитары, кстати, тоже в доле — им нравится идея дешевого интернета.»
Группировка спутноков с лазерами: запускается.
Астрономы на земле:
Скажем честно, цифры в моей статье - супер оптимистичные. И система требует очень серьезного RND, но система в принципе работоспособна..
Эту шизу можно на цитаты растаскивать, буквально.
Теперь сами цитаты:
Используются современные покрытия с поглощением < 0.1 ppm
Я с этого начну, хотя на самом деле на этом можно и закончить. Суперзеркала с таким поглощением - это уникальные лабораторные образцы. Даже зеркало с поглощением в 1 ppm на длину волны 532 нм вы не сможете ни купить, ни изготовить. Максимум, что вам светит - зеркала с поглощением 2-3 ppm и апертурой 5-10 см. Около 500 Вт на такое зеркало - долго оно не проживет. А кроме того, поглощение в 2-3 ppm у этого зеркала продержится очень недолго, потому что его поверхность довольно быстро посечет частицами ионизириующего излучения, набегающими на скорости в несколько километров в секунду остатками атмосферы и случайными частицами. А дальше саморазгоняющийся процесс, т.к. любой дефект начнет поглощать и нагреваться. А, и это всё плоские зеркала, неплоских с такими параметрами и близко не существует.
Эффект "оптической пружины"
Если вы про эффект Керра и связанные с ним явления - то их не будет. Во-первых из-за ваших планов по перестройке длины волны, а во-вторых потому что реальная траектория луча будет сдвигаться от отражения к отражению, и ваши 150 МВт будут идти не по одному оптическом отрезку, а по многосегментной траектории, а следовательно, достижение необходимой критической мощности невозможно. Более того, локальная мощность на оптическом пути будет не больше мощности излучателя. А значит, привет расходимость, которая на 100 км на 532 нм составляет единицы мрад, то есть пятно размером в сотни метров.
Использование лазеров с управляемой частотой (Frequency Chirping)
Ахаха, вы хоть примерно себе представляете, какого размера будет параметрический лазер с излучаемой мощностью 20 КВт и опорной длиной волны 532 нм? "Будет" потому что сейчас таких не существует, и не уверен, что это вообще возможно при нынешнем уровне техники. Кстати, КПД у самого параметрического генератора <50%, это без учета КПД лазера накачки. И расходимость у них больше, чем у обычных твердотельных лазеров.
10–50 кВт (доступно для солнечных панелей на орбите).
В теории доступно, на практике 50 КВт - это 2/3 МКС. МКС, напомню, висит около 400 км, и при этом нуждается в регулярной корректировке орбиты, причем осуществляется эта корректировка двигателями с тягой на несколько порядков выше заявляемых ~1 Н. Вы хотите вывести на 200 км орбиту группировку спутников сопоставимого с МКС размера? Задайте этот вопрос самому себе для начала.
Я даже не хочу спрашивать про то, как вы достигнете точности двухосевого наведения ~1 мкрадиан в режиме постоянной коррекции, когда современные большие и очень дорогие телескопы дают угловую точность в 2-5 мкрадиан в позиционном режиме (то есть наводятся один раз и долго). И как вы будете отводить тепло от работающего 50 КВт лазера на орбите. И про поляризацию. Просто потому, что спрашивать бесполезно.
Статья рассматривает физическую модель и вектор развития, а не устройство, готовое к серийному производству завтра.
Вы правы в том что зеркала - это главная проблема. И кроме того что вы сказали зеркала еще и чирпированные (радужные) должны быть и под широкую полосу спекстра, тоесть они собирабют флэш-рояль для зеркал) но! лазеры ведь в принципе существуют, в них стоят зеркала, и ведь ничего, как-то работают и мощность держат.. Да, нужных больших зеркал на данный момент не существует, но в принципе то такие изготовить возможно. Что кавается загряжнения, то 1 - зеркала - против движения а не по, 2. Лазерные и электростатичесские системы очистки зеркал - существуют, и защитные покрытия для зеркал - тоже. Соответвтенно да, ппц как сложно и дорого, но в принципе ВОЗМОЖНО! (LIGO/Virgo уже работают с зеркалами, где потери на поглощение < 1 ppm. Возможно использование диэлектрических метаповерхностей, которые более устойчивы, чем классические многослойные покрытия.
Нет!. В резонаторе Фабри-Перо (который образуется между источником и приемником) расходимость определяется не просто дифракционным пределом излучателя (как фонарика), а модами самого резонатора. Пока добротность резонатора высока (а для этого нам и нужны те самые "нереальные" зеркала), поле внутри самосогласовано.«Многосегментная траектория» возникает, если мы рассматриваем геометрию с многократным переотражением под углом (как в delay line), но в концепции соосного резонатора луч "складывается" сам в себя, что и создает условия для накопления мощности.
Прогресс в волоконных лазерах и их когерентном сложении идет очень быстро. Мы не обязательно говорим об одном кристалле, который выдаст 20 кВт. Речь скорее о фазированной решетке излучателей, которая позволит и мощность набрать, и (что важно для вашего пункта про наведение) управлять фронтом волны, компенсируя атмосферу или дрожание платформы, без механического поворота тяжелых зеркал.
Сравнение с МКС корректно по мощности, но устарело по технологиям, смотрите - ROSA. Да высоты орбит тут указаны оптимистичные, минимально возможные
современные системы адаптивной оптики и трекеры для межспутниковой лазерной связи (LCRD, Starlink) уже подбираются к 1 мрад. Теплоотвод — да, радиаторы будут не маленькими, если КПД лазера низкий
Ректальное "решение" несуществующих проблем для воображаемой прикладной задачи. Подобные галлюцинации ИИ выдавать способен тоннами, только пиши промпты....
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Сцепка Родичкина: Концепция бестопливного удержания спутниковых группировок на сверхнизких орбитах (VLEO)