Лазерный передатчик

[ил-74]

Если такая напряженка с энергией - почему бы не использовать энергию лазера с Земли? Который одновременно можно использовать для передачи и и туда и обратно? Лазер на Земле, конечно, должен быть мощным - не менее 100 Вт, и с минимальным расхождением. IPG Photonics - ведущий производитель таких лазеров, с наилучшим соотношением цена-качества, да и по отдельности и цена и качество у них наилучшее.
На спутнике будет стоять зеркало и оптика для сведения полученного света опять в пучок и отправки обратно на Землю.

Если даже удастся найти лазер с расхождением 3", то пятно на Луне будет 6 км и метровое зеркало отразит всего 3 микроватта от направленных с Земли 100 Вт. Понятно, что такой слабый сигнал на Земле не поймать.
Повторюсь, что Вы, при всём уважении, не владеете масштабами.

Вероятно, вы имеете в виду компактный и мобильный лазер, для размещения на КА. Стационарный лазер без проблем может иметь расходимость меньше указанной.

[ил-74]

Как говорит Максим, посчитайте, пожалуйста, сколько времени займёт сканирование 1 Вт лазером с расхождением 10" с расстояния 10 км так, чтобы на фотографии не получился чёрный квадрат Малевича. Разрешение фотографии 4 секунды на пиксель (то есть меньше размера лазерного пятна на поверхности примерно в 2.5 раза). Размер кадра, который надо отсканировать 2000х3000 пикселей.
Если не устраивают приведённые числа, приведите свои и обоснуйте их реализуемость.

С указанными условиями конечно не получится. Расхождение должно быть меньше. Но для связи расхождение должно быть именно таким, так ведь? Тогда есть смысл делать оптику с возможностью изменения расхождения.

[ил-74]

Переменное расхождение может оказаться полезной фичей. Мне для начала надо знать - как будет расположена плоскость целевой орбиты КА по отношению к Земле? Где об этом можно почитать?

[gionov]

Расхождение ограничено дифракционным пределом. Оптикой его можно только увеличить.
Пока не было особых ограничений относительно плоскости орбиты. Но лучше её сделать околополярной. С наклонением градусов 80. Это относительно Луны.
Что Вы имеете в виду, говоря "относительно Земли"? В экваториальных координатах?

[ил-74]

Расхождение ограничено дифракционным пределом. Оптикой его можно только увеличить.
Пока не было особых ограничений относительно плоскости орбиты. Но лучше её сделать околополярной. С наклонением градусов 80. Это относительно Луны.
Что Вы имеете в виду, говоря "относительно Земли"? В экваториальных координатах?

наклонение относительно Земли. Если околополярная орбита - то плоскость орбиты не будет пересекать Землю, так ведь? Т.е. аппарат будет все время находится в видимости, залетать на невидимую сторону не будет. Но я читал тут на форуме, что какие-то маневры он будет выполнять на невидимой стороне Луны. Или он потом после перехода на окололунную орбиту изменит ее наклонение?

Про дифракционный предел я в курсе. Но если сделать расхождение минимальным насколько это возможно - тогда пятно будет все ж таки не километрового размера после прихода к цели, не правда ли?

[gionov]

1) Наклонение относительно Земли не имеет смысла. Будем считать, что Вы спрашиваете о наклонении в экваториальных координатах, то есть о угле между экватором Земли и плоскостью орбиты. Не очень важно, какой это угол будет.
2) Если орбита околополярная, то Земля дважды в месяц будет проходить через эту плоскость.
3) Постоянная видимость не обеспечивается ненахождением Земли в плоскости орбиты. Так как высота над Луной небольшая, то практически из любого направления часть траектории будет загорожена Луной. Только если плоскость практически совпадает с картинной плоскостью, то для наблюдателя аппарат будет всё время виден и будет летать рядом с кромкой Луны не попадая на диск.
4) Да, тормозить он будет преимущественно над невидимой стороной Луны.
5) Сильно наклонение менять не получится, для существенного изменения наклонения надо сильно изменять скорость.
6) Не правда. Угол расхождения = длина волны/выходное отверстие. Размер пятна= угол расхождения*расстояние. То есть размер пятна = расстояние*длина волны/выходное отверстие. 384000 км * 550 нм / 1 см = 21 км. Если взять лазер толщиной 10 см (здоровенный такой во весь спутник), то 2 км.
Сфотографировал пятно от лазерной указки на расстоянии 7 м, выходное отверстие 0.4 мм (просверлил сверлом дырочку в пластинке такого диаметра). Размер пятна совпадает с формулой 7 м*550 нм/0.4 мм = 9.6 мм.

DifractionLimit.jpg (534.36 KiB) 3918 просмотра

[ил-74]

ок, иметь компактный мобильный лазер с малым расхождением невозможно - я так и думал. Но стационарный то лазер вполне можно сделать с малым расхождением? Я знаю, что еще в 70-е годы проводили эксперименты - ту же Луну лазером подсвечивали, проверяли работу отражателей на Аполлонах, и т.д. Не думаю, что если бы на тех лазерах с ничтожной по современным меркам мощностью было бы большое расхождение - это было бы возможно.

[ил-74]

Все же мощный лазер на Земле хотя бы для наведения, или еще лучше - для связи Земля-КА был бы очень полезен. Он бы позволил резко повысить шансы на успех миссии. Проблема в том, что киловаттные лазеры Гапонцева не очень подходят для связи - их и модулировать на высокой скорости сложновато из-за высокой мощности, и еще есть пара проблем. А для наведения, конечно, подойдут. Да и для связи тоже - только скорость передачи будет небольшой. Ну для передачи команд управления много и не надо. Для приема же передачи вполне можно использовать оптику фотокамеры. Поставить переключающее зеркало - в режиме "фото" матрица работает, в режиме "связь" - сенсор.

[ил-74]

И что касается фотографирования "областей вечной тьмы" - если будет в наличии мощный киловаттный лазер - реально ли будет подсветить им прямо с Земли эти самые области? Они вообще повернуты бывают в сторону Земли? Насколько я помню, они находятся в околополярных районах на Южном полюсе. Микроспутник же будет как раз над полюсами летать, можно было бы и попробовать.

[gionov]

Абсолютно нереально.

[maxrez]

Все же мощный лазер на Земле хотя бы для наведения, или еще лучше - для связи Земля-КА был бы очень полезен. Он бы позволил резко повысить шансы на успех миссии. Проблема в том, что киловаттные лазеры Гапонцева не очень подходят для связи - их и модулировать на высокой скорости сложновато из-за высокой мощности, и еще есть пара проблем. А для наведения, конечно, подойдут. Да и для связи тоже - только скорость передачи будет небольшой. Ну для передачи команд управления много и не надо. Для приема же передачи вполне можно использовать оптику фотокамеры. Поставить переключающее зеркало - в режиме "фото" матрица работает, в режиме "связь" - сенсор.

Хорошом что у вас есть идеи. Но их надо проверять. Показываю как.
Имеем:
Лазер с длинной волны λ(nm) 550нм
Мощностью 1000Вт.
Углом расхождения луча в 10" (0,0027o)

Получаем:
Лазер каждую секунду испускает 2,7∙10^21 фотонов. P=E∙t=e∙t∙n, E=h∙c/λ => n=P/(e∙t)=(P∙λ)/(h∙c∙t)
где P- мощность лазера в Ватт, Е - суммарная енергия фотонов в Джоулях, е - енергия одного фотона в Джоулях, n-количество фотонов,
λ - длинна волны в нанометрах, h - константа Планка, c - скорость света, t - время в секундах.

С расстояния 384 000 км, лазер освещает зону с радиусом 18095 м. То есть 1028713847 м^2. Значит мы имеем плотность света 2,7∙10^12 фотонов/(м^2 ∙ 1с)

Пусть объектив камеры имеет в диаметре 0.2м. То есть мы имеем активную площадь 0,0314 м^2. Итого 8,5∙10^10 фотонов/(м^2 ∙ 1с).
Плюс если мы хотим переносить информацию то надо переносить хотя бы со скоростью 1кbaud. Имеем 8,5∙10^7 фотонов/1baud. На сколько я знаю камеры не умеют складывать сигнал от одиночных пикселей. Поэтому чувствительность камеры равна чувствительности одного пикселя. Если камера состоит из 1920х1080 пикселей то это всего 2,07∙10^6 пикселей. И того мы имеем 41 фотонов/ пиксель 1baud. Вопрос: это вообще камерой можно уловить?

[gionov]

И даже если можно уловить, то каким макаром снимать 2000 показаний матрицы в секунду? Мы же не имеем доступа к каждому пикселю. Сначала заряды столбцов должны по очереди стечь в крайнюю линейку, а потом из линейки - в АЦП. Это процесс не быстрый.

[ил-74]

И даже если можно уловить, то каким макаром снимать 2000 показаний матрицы в секунду? Мы же не имеем доступа к каждому пикселю. Сначала заряды столбцов должны по очереди стечь в крайнюю линейку, а потом из линейки - в АЦП. Это процесс не быстрый.

так то я вроде четко и ясно сказал, что для связи следует сделать переключение зеркалом с матрицы на нормальный специализированный сенсор. Неужели не видно было?

[ил-74]

Все же мощный лазер на Земле хотя бы для наведения, или еще лучше - для связи Земля-КА был бы очень полезен. Он бы позволил резко повысить шансы на успех миссии. Проблема в том, что киловаттные лазеры Гапонцева не очень подходят для связи - их и модулировать на высокой скорости сложновато из-за высокой мощности, и еще есть пара проблем. А для наведения, конечно, подойдут. Да и для связи тоже - только скорость передачи будет небольшой. Ну для передачи команд управления много и не надо. Для приема же передачи вполне можно использовать оптику фотокамеры. Поставить переключающее зеркало - в режиме "фото" матрица работает, в режиме "связь" - сенсор.

Хорошом что у вас есть идеи. Но их надо проверять. Показываю как.
Имеем:
Лазер с длинной волны λ(nm) 550нм
Мощностью 1000Вт.
Углом расхождения луча в 10" (0,0027o)

Получаем:
Лазер каждую секунду испускает 2,7∙10^21 фотонов. P=E∙t=e∙t∙n, E=h∙c/λ => n=P/(e∙t)=(P∙λ)/(h∙c∙t)
где P- мощность лазера в Ватт, Е - суммарная енергия фотонов в Джоулях, е - енергия одного фотона в Джоулях, n-количество фотонов,
λ - длинна волны в нанометрах, h - константа Планка, c - скорость света, t - время в секундах.

С расстояния 384 000 км, лазер освещает зону с радиусом 18095 м. То есть 1028713847 м^2. Значит мы имеем плотность света 2,7∙10^12 фотонов/(м^2 ∙ 1с)

Пусть объектив камеры имеет в диаметре 0.2м. То есть мы имеем активную площадь 0,0314 м^2. Итого 8,5∙10^10 фотонов/(м^2 ∙ 1с).
Плюс если мы хотим переносить информацию то надо переносить хотя бы со скоростью 1кbaud. Имеем 8,5∙10^7 фотонов/1baud. На сколько я знаю камеры не умеют складывать сигнал от одиночных пикселей. Поэтому чувствительность камеры равна чувствительности одного пикселя. Если камера состоит из 1920х1080 пикселей то это всего 2,07∙10^6 пикселей. И того мы имеем 41 фотонов/ пиксель 1baud. Вопрос: это вообще камерой можно уловить?

Изначально неправильная вводная. Угол расхождения будет 4 минуты, а не 10.
Про матрицу уже написал. Никакой матрицы, специализированный сенсор, на который сигнал будет подаваться подвижным зеркалом, служащим для переключения режимов работы.

[ил-74]

Есть проблема - дневная Земля будет засвечивать сигнал. Связь будет возможно только когда Луна будет находится с полностью ночной стороны Земли, а это всего несколько дней из 28-дневного лунного месяца. Это же будет и мешать наведению по лучу лазера. Еще при прохождении лазера через атмосферу будет его мощность сильно теряться. Зависит от длины волны лазера, но ослабляться он будет в любом случае минимум в несколько раз. Так что лазерная связь по линии Земля-КА - дохлый номер, как и наведение. Радиосвязь лучше.

[ил-74]

Скорее всего, при передаче с КА на Землю Луна также будет засвечивать сигнал. Скорее всего, именно из-за этого американцы не спустили ЛРО на низкую орбиту - с высокой можно вести лазерную передачу, с низкой - нет. Если надеетесь передавать данные лазером - только высокая орбита. Ну и заодно долгожительство аппарата. Если низкая орбита - забудьте про лазерную связь. Только радио.

[maxrez]

Изначально неправильная вводная. Угол расхождения будет 4 минуты, а не 10.
Про матрицу уже написал. Никакой матрицы, специализированный сенсор, на который сигнал будет подаваться подвижным зеркалом, служащим для переключения режимов работы.

Каюсь, действительно не заметил. Писал ночью. Тогда это вполне реально. Но есть одно но. КА должен быть повернут телескопом к Луне а не Земле. То есть для приёма команды с Земли надо будет верететь целым КА на 180 градусов. Слишком сложно. Гораздо проще поставить на сторону которая повёрнута к Земле простейшую оптику. Да и мощность лазера можно уменьшить.

[maxrez]

Есть проблема - дневная Земля будет засвечивать сигнал. Связь будет возможно только когда Луна будет находится с полностью ночной стороны Земли, а это всего несколько дней из 28-дневного лунного месяца. Это же будет и мешать наведению по лучу лазера. Еще при прохождении лазера через атмосферу будет его мощность сильно теряться. Зависит от длины волны лазера, но ослабляться он будет в любом случае минимум в несколько раз. Так что лазерная связь по линии Земля-КА - дохлый номер, как и наведение. Радиосвязь лучше.

В несколько раз это во сколько? Откуда информация?

Вы и про фильтры забыли.

Вы бросаетесь из одной крайности в другую. То предлагаете очень смелые решения то всё считаете не решаемым. И как мне кажется ваши оценки основаны на каких-то личных ощущениях. Пока мы от вас не видели ни диаграммы ни расчёты. Так спроектировать ничего нельзя.

[Ejj]

То есть для приёма команды с Земли надо будет верететь целым КА на 180 градусов. Слишком сложно.

А в чем сложность? У нас в любом случае аппарату потребуется достаточно шустро вертеться.

[ил-74]

Есть проблема - дневная Земля будет засвечивать сигнал. Связь будет возможно только когда Луна будет находится с полностью ночной стороны Земли, а это всего несколько дней из 28-дневного лунного месяца. Это же будет и мешать наведению по лучу лазера. Еще при прохождении лазера через атмосферу будет его мощность сильно теряться. Зависит от длины волны лазера, но ослабляться он будет в любом случае минимум в несколько раз. Так что лазерная связь по линии Земля-КА - дохлый номер, как и наведение. Радиосвязь лучше.

В несколько раз это во сколько? Откуда информация?

Вы и про фильтры забыли.

Вы бросаетесь из одной крайности в другую. То предлагаете очень смелые решения то всё считаете не решаемым. И как мне кажется ваши оценки основаны на каких-то личных ощущениях. Пока мы от вас не видели ни диаграммы ни расчёты. Так спроектировать ничего нельзя.

Мои "смелые решения" в т.ч. были рассчитаны на решение проблемы засветки от Луны. Но постоянный троллинг мешал сосредоточиться и изложить свои соображения. Если принимать сигнал косвенным путем, например методом "искуственная звезда", проблема засветки от Луны решается однозначно.
Что тут считать? Достаточно вспомнить, что полностью темная луна (т.е. полнолуние) длится всего 2-3 дня в течении лунного месяца (28 дней). Только в это время, и то только ночью на Земле - возможна будет принять данные с аппарата, и то не факт, если учесть, насколько слабой будет мощность лазера. Не слишком ли узкое окно? А есть еще проблема погоды, возможных сбоев и поломок аппаратуры и т.д.