Основные направления развития наземных оптоэлектронных средств контроля космического пространства США ч2

Подполковник В. Дятлов

В первой части статьи, опубликованной в предыдущем, январском, номере журнала "Зарубежное военное обозрение", была дана общая характеристика системы контроля космического пространства ВВС США, указаны ее предназначение и оптоэлектронные средства, входящие в ее структуру, подробно рассмотрены основные из них.

Оптический полигон "Старфайр" предназначен для исследования оптических свойств атмосферы, ее влияния на распространение световой энергии и разработки технологий компенсации атмосферной турбулентности, а также для выполнения задач по контролю космического пространства.

Полигон расположен на высоте 1 900 м в юго-восточной части авиабазы Киртленд (г. Альбукерке, штат Нью-Мексико). Здесь установлены 3,5-м телескоп кассегреновской схемы (рабочий диапазон спектра видимый, ИК, проницающая способность не хуже 20,т0), 1,5-м телескоп (рабочий диапазон спектра видимый, ИК, проницающая способность не хуже 19,т0) и 1,0-м лазерная передающая установка (ЖГУ). Оба телескопа оснащены активной оптикой и адаптивной оптической системой (АОС).

1,5-м телескоп является первым в США прибором такого типа, для которого была разработана АОС с использованием опорной "искусственной звезды". Работа телескопа с АОС была продемонстрирована в 1983 году. Для генерации маяка использовался квантово-оптический генератор (КОГ) мощностью 75 Вт, область спектра видимая, рабочее тело - пары меди, длительность импульса 0,05 мкс.

В настоящее время основные научно-исследовательские работы по программе АОС, а также по передаче лазерной энергии в атмосфере и с земной поверхности в космос проводятся с использованием 3,5-м телескопа и ЛПУ. В частности, в ходе экспериментов по получению изображения низкоорбитального космического аппарата (КА) в ИК-области (длина волны около 800 нм) было продемонстрировано, что спроектированное устройство сопровождения цели и АОС, оборудованная деформируемым зеркалом (341 пьезокристаллический привод с частотой коррекции 1000 Гц), компенсируют более чем 96 % искажений фронта волны, вызванных атмосферной турбулентностью. Длина волны лазерного излучения 850 нм. Наименьший разрешаемый элемент имеет длину примерно 25 см.

На полигоне проводятся эксперименты по передаче предыскаженного лазерного луча с 3,5-м телескопа на КА с использованием отраженного от этого же аппарата солнечного света как маяка для АОС. С помощью анализатора волнового фронта измеряется профиль фронта волны отраженного лазерного луча с записью сигнала на вспомогательном телескопе. Предварительные результаты показывают, что интенсивность лазерного луча приблизительно в 10 раз больше, чем без компенсации, даже с ожидаемыми ошибками при использовании цели в качестве маяка.

В 3,5-м телескопе в системе активной оптики используется 54 осевых и радиальных привода. В целях облегчения главное зеркало выполнено двухслойным (верхний монолитный отражающий, толщиной 2,54 см, и опорный, имеющий сотовую структуру). Общая масса конструкции 1 800 кг.

В настоящее время на данном полигоне проводятся НИР по следующим направлениям: разработка гибридных лазерных маяков (комбинация мезосферного натриевого и рэлеевского); модернизация программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего обрабатывать данные анализатора фронта волны с сильными искажениями, возникающими при больших зенитных углах; разработка и производство различных конструкций деформируемых зеркал, теоретически полностью восстанавливающих яркость и компенсирующих искажения фазы светового сигнала.
Отдельный класс оптоэлектронных станций (ОЭС) составляют перебазируемые средства, применение которых обеспечивает: повышенную живучесть; большую оперативность при решении задач различного уровня; отсутствие или значительное снижение затрат на капитальное строительство; возможность разработки модульных систем высокой заводской готовности и тиражирования таких систем и, как следствие, создания недорогой СККП; относительно небольшие эксплуатационные расходы.

Изображение низкоорбитального КА, полученного входе испытаний АОС: А - без применения АОС, Б - с применением АОС и коррекцией в режиме реального времени, В - после компьютерной обработки

Оптический полигон "Старфайр"

Перебазируемые ОЭС могут выполняться как в транспортируемом, так и в мобильном варианте.

К данному классу ОЭС принадлежит опытный мобильный оптоэлектронный комплекс SHOTS (Stabilized High-Accuracy Optical Tracking System). В настоящее время он проходит испытания на тихоокеанском полигоне ПРО ВМС Кауаи. Работы по проекту SHOTS ведутся фирмой "Текстрон системз" в рамках контракта с центром космических и морских систем вооружений SPAWAR - Navy's Space and Naval Warfare Systems Center в Сан-Диего (штат Калифорния). Данный комплекс предполагается задействовать как при проведении испытаний вооружений и военной техники в рамках программы ПРО США, так и для контроля космического пространства.

Комплекс состоит из двух модулей, смонтированных на автомобильных полуприцепах. Один модуль включает в себя два телескопа: главный STS (SHOTS Telescope System) и поисковый SAT (SHOTS Acquisition Telescope), которые установлены на двухосном альт-азимутальном основании, систем наведения SPS (SHOTS Pointing System), а также внешний блок приборов инерциальной системы навигации, контроллер гироскопа и информационные порты приемных устройств и сервосистем.

Другой модуль представляет собой кабину управления с двумя рабочими местами операторов, которая содержит комплекс контрольно-измерительной аппаратуры - системы сопровождения и наведения TPS (Tracking and Pointing System), управления, отображения и записи, радио- и телефонной связи, вентиляции и кондиционирования, осушки и подачи воздуха для STS, а также метеорологическое оборудование. Модули могут буксироваться грузовым автомобилем по дорогам с обычным покрытием (со скоростью до 80 км/ч). Они оборудованы такелажной оснасткой для поднятия краном и установки на борту судна.

Главный телескоп STS мерсен-кассегреновской афокальной схемы (диаметр апертуры 0,75 м, угол поля зрения 0,20°) сконструирован в научно-исследовательской лаборатории космической оптики в г. Челмсфорд (штат Массачусетс). Первичное и вторичное зеркала покрыты противокоррозионным составом Pilkington-747 для эксплуатации телескопа в морских условиях. Первичное зеркало обдувается осушенным термостабилизированным воздухом в целях компенсации турбулентных вихрей над отражающей поверхностью, возникающих из-за разницы в температуре между самим зеркалом и окружающей средой.

Телескоп находится в теплозащитной оболочке, куда также подается осушенный воздух для создания термостатичной микросреды с повышенным давлением относительно атмосферного. В конструкции предусмотрен съемный противосолнечный экран, который совместно с апертурными диафрагмами первичного и вторичного зеркал позволяет системе функционировать в дневное время суток во всей зоне обзора, исключая участок в пределах ±15° от направления на Солнце. Вторичное зеркало оснащено управляемым компьютером сервоприводом для обеспечения автофокусировки в процессе работы. Сверху, снизу и на тыльной части подвеса телескопа предусмотрены плоскошлифованные поверхности для монтажа навесного оборудования. При этом на верхнюю поверхность установлен поисковый телескоп SAT. STS может работать как активное средство после установки съемного третичного зеркала, которое совместно с системой зеркал, смонтированной в ярме, образует перископический канал передачи лазерного луча к главной оптической системе.

Поисковый телескоп SAT (трехзеркальный афокальный анастигмат, диаметр апертуры 0,3 м, угол поля зрения 0,6°) разработан канадской фирмой Applied Physics Specialties. Все зеркала выполнены из алюминия и покрыты противокоррозионным составом Pilkington-747. Телескоп и приемные устройства размещены в одном корпусе, в который, как и в СТС, подается осушенный воздух.

Телескопы STS и SAT имеют идентичные комплекты приемных устройств, которые включают в себя коммерческие видеокамеры видимой (380-780 нм) и средней ИК-областей (2,5-5 мкм) оптической части спектра, а также устройства записи видеоинформации на априорном, апостериорном временных интервалах и непосредственно перехвата баллистической цели при выполнении задач ПРО на ТВД. Алгоритм обработки видеоинформации основан на теории массового обслуживания с применением фильтра Калмана, что позволяет получать положительные результаты при синтезе изображений как КО, так и объектов, находящихся в пределах атмосферы.

Система наведения SPS разработана фирмой "Малтитек" (Клируотер, штат Флорида). Она позволяет удерживать положение STS с точностью до 100 мкрад в каждой оси при волнении моря до 5 баллов.

Зарубежные специалисты отмечают, что в настоящее время наземные оптоэлектронные средства контроля космического пространства США, объединенные в многофункциональные системы, позволяют осуществлять наблюдение в пределах приземного космического пространства, получая как координатную и фотометрическую информацию, так и изображения интересующих КО, находящихся на орбитах вплоть до геосинхронных. Многие проблемы, связанные, например, с астро-климатическими условиями в месте стояния определенной станции, с искажающим воздействием турбулентных вихрей атмосферы, со временем суток наблюдения или нахождением изучаемого объекта в тени Земли, достаточно успешно решаются тем или иным путем. Основными направлениями повышения обнаружительной и разрешающей способностей ОЭС являются следующие:
- увеличение диаметра входного зрачка телескопа ОЭС и
сокращение потерь в оптической системе;
- уменьшение размера аберрационного пятна рассеяния и линейного и углового размера пикселя ПрУ;
- повышение чувствительности фотопреобразователей путем увеличения квантового выхода и времени накопления в пределах линейности фотоприемника;
- уменьшение шума фотоприемника;
- выбор мест расположения ОЭС с наилучшими астроклиматическими условиями (большое число ясных ночей, высокий коэффициент экстинкции атмосферы, слабый фон, минимальное влияние атмосферной турбулентности);
- разработка аппаратных и программных методов компенсации искажений, вносимых атмосферой в видимой и ИК-областях оптической части спектра.

По мере отработки технологий адаптивной оптики в США намереваются создать наземные крупноапертурные телескопы (до 8-10 м), оснащенные АОС. Однако разработке и использованию ОЭС с большими телескопами препятствуют проблемы, связанные с высокоточным изготовлением оптических поверхностей заданной формы и ее поддержанием в процессе эксплуатации. В настоящее время проблемы создания ОЭС, включающих комплекс аппаратурных и программно-алгоритмических средств для коррекции динамических аберраций, вызванных деформациями зеркал, дрожанием телескопа при перемещении, искажением падающего волнового фронта и т.п., являются основными в адаптивной оптике.

Наряду с методами аппаратурной адаптации развиваются также математические методы совместной обработки изображений в целях повышения качества получаемой информации. Среди известных методов алгоритмической компенсации фазовых искажений можно выделить группу таких, в которых оценка и компенсация фазовых искажений осуществляются по информации, содержащейся в самих искаженных изображениях. С точки зрения теории статистического синтеза все методы этой группы представляют собой различные варианты решения задачи адаптивной обработки входных первичных искаженных изображений в условиях параметрической априорной неопределенности, различия которых коренятся в используемых моделях параметрического описания искаженных изображений.

В перспективе планируется полная замена приемной аппаратуры телескопов на базе ПТТ ПЗС-телекамерами, что даст возможность значительно уменьшить значение шума. Существенное снижение энергопотребления и массогабаритных параметров ПрУ позволяет разрабатывать недорогие перебазируемые оптико-электронные средства, размещать которые будет возможно в различных районах Земли в зависимости от обстановки, причем на базе данных образцов намечается создание целой сети.

Таким образом, в США ведется последовательная работа по улучшению характеристик существующих и созданию перспективных оптоэлектронных средств ККП, которые могут использоваться как в военных целях, так и в области астрономии.

Окончание. Начало см.: Зарубежное военное обозрение. № 1. С. 50-55.

Зарубежное военное обозрение. 2006, №2, С. 30-35

• Основные направления развития наземных оптоэлектронных средств контроля космического пространства США (2006)
• Основные американские полигоны и другие ракетно-испытательные объекты атлантической зоны (2012)
• Геоинформационное обеспечение ВС США (2005)
• Американская программа "Телепорт" (2004)
• Реформирование системы организации и управления программами космической деятельности и ПРО МО США (2002)
• Применение космической группировки США в ходе операции в Афганистане (2002)
• Использование США космической группировки в войне против Ирака (2003)
• Национальная политика США в области использования космического пространства (2007)
• Совершенствование системы учебных полигонов для обеспечения боевой подготовки кораблей и авиации ВМС США
• Исследования в США перспективных направлений развития авиационно-космической техники