Проект "Радиоастрон"

Общие сведения о проекте "Радиоастрон"


Орбитальная астрофизическая обсерватория "Спектр-Р" образует совместно с земными радиотелескопами радиоинтерферометр со сверхбольшой базой и предназначена для проведения фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Цель международного проекта Радиоастрон состоит в том, чтобы создать совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов единую систему наземно-космического интерферометра для получения изображений, координат и угловых перемещений различных объектов Вселенной с исключительно высоким разрешением.
Орбита спутника Радиоастрон имеет радиус апогея до 350 тысяч километров. Интерферометр при таких базах обеспечит информацию о морфологических характеристиках и координатах галактических и внегалактических радиоисточников с шириной интерференционных лепестков до 8 микросекунд дуги для самой короткой длины волны проекта 1.35 см.



Программа Радиоастрон, разработанная Астрокосмическим центром (АКЦ) Физического института им. П.Н.Лебедева Российской академии наук совместно с другими институтами РАН и организациями Федерального космического агентства (Роскосмос), расширилась в глобальное международное сотрудничество. Ученые нескольких стран создали часть бортовых научных приборов, специальные телеметрические станции и центры обработки, составили научную программу и подготовили участие в проекте Радиоастрон крупнейших наземных радиотелескопов. При этом Россия создала спутник, антенну космического радиотелескопа и часть бортовых приборов. Космический аппарат и конструкция космического радиотелескопа разработаны в НПО им. С.А.Лавочкина.

Цель миссии "Радиоастрон"


Главная научная цель миссии - исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. Разрешение, достигнутое с помощью Радиоастрона, позволит, в принципе, изучать такие явления и проблемы как:
центральная машина активных галактических ядер (АГЯ) около сверхмассивных черных дыр, обеспечивающая механизм ускорения космических лучей - форма, размеры, скорость и ускорение излучающей области ядра, спектр и поляризация излучения деталей и их переменность;
космологическая модель, темная материя и энергия по зависимости перечисленных выше параметров АГЯ от красного смещения, а также по наблюдению их через гравитационные линзы;
строение и динамика областей звездообразования в нашей Галактике и АГЯ по мазерному и мегамазерному излучению;
нейтронные (кварковые) звезды и черные дыры в нашей Галактике - структура по РСДБ наблюдениям и по измерениям флуктуации функции видности, собственные движения и параллаксы;
структура и распределение межзвездной и межпланетной плазмы по флуктуациям функции видности пульсаров;
построение высокоточной астрономической координатной системы;
построение высокоточной модели гравитационного поля Земли.
Общий вид космического аппарата "Спектр-Р" на орбите


Основные характеристики КА "Спектр-Р"
Масса КА - 3800 кг, в т.ч. масса модуля полезной нагрузки - 2500 кг
Мощность СЭС - 2400 Вт, при этом доля полезной нагрузки - 1200Вт
Точность наведения КА - 32 угл.сек
Ориентация КА - трехосная, прецизионная. Ошибка стабилизации - 2,5 угл.сек
Срок активного существования - 5 лет
Максимальная скорость разворотов >0,1 град/с
Скорость дрейфа при стабилизации 0,36 угл.сек /с
Точность знания ориентации 0,02 градуса
Схема эксперимента


Разрешение интерферометра прямо пропорционально времени наблюдения и длине базы интерферометра. При наблюдении с Земли база интерферометра ограничена диаметром Земли, а время наблюдения измеряется часами и ограничивается вращением планеты и выходом одного из телескопов из поля зрения.



В проекте "Радиоастрон" применение радиотелескопа на высокоэллиптической орбите позволяет получить интерферометр у которого время наблюдения соизмеримо с периодом обращения, а длина базы интерферометра - с диаметром орбиты. Интерферометр при таких базах обеспечит информацию о морфологических характеристиках и координатах галактических и внегалактических радиоисточников с шириной интерференционных лепестков до 33 микросекунд и даже до 8 микросекунд дуги для самой короткой длины волны проекта 1,35 см.



В качестве наземного плеча интерферометра могут использоваться радиотелескопы Медвежьи Озёра, Калязин, Аресибо, Бонн, Евпатория, Мадрид и другие.
Для сопровождения миссии готовятся наземные станции слежения ВИРК: в России - Пущино (АКЦ ФИАН) и две станции за рубежом.

Станции слежения обеспечивают выполнение следующих функций:
приём цифрового потока научных и служебных данных;
синхронизацию работы бортовой научной аппаратуры космического аппарата от наземного водородного стандарта чистоты (путем передачи на борт КА сигнала частотой 7,2075 ГГц и приема обратного сигнала на частоте 8,400 ГГц);
для баллистической поддержки по определению положения космического аппарата на орби
Зеркальная антенна космического радиотелескопа диаметром 10 м изготовлена из композиционного материала (углепласт-алюминиевые соты-углепласт) и состоит из 27 раскрывающихся лепестков и центрального зеркала диаметром 3 м. Отношение фокусного расстояния к диаметру 0.43 и максимальные отклонения поверхности зеркала от идеальной не более 2 мм. Диапазоны приемников 0.324, 1.66, 4.83 и 18.4-25.1 ГГц.

Кольцевой 4-х диапазонный облучатель в фокусе КРТ обеспечивает возможность одновременного наблюдения на двух частотах или в двух круговых поляризациях. Все частоты комплекса КРТ синхронизованы с высокостабильными опорными сигналами, передаваемыми наземными станциями слежения, которые оборудованы водородными стандартами частоты. Спутник располагает также собственными бортовыми рубидиевым и водородным стандартами частоты для независимой синхронизации частоты и радиометрического режима.

Малошумящие усилители диапазонов L, С и К расположены вне герметичного контейнера и охлаждаются до температуры (100-150) К с помощью бортовой радиационной системы охлаждения. Малошумящий усилитель для Р-диапазона расположен внутри термоконтейнера и работает при температуре приблизительно 300 К. Приемник каждого диапазона имеет два канала: один для левой и один для правой круговой поляризации. При спектральных исследованиях центральная частота К-диапазона может настраиваться на любое значение в окнах 21160-21288 и 22136-22232 МГц (для двух поляризаций). Это делается для наблюдений спектральных линий Н20 мазеров с учетом красного смещения (разброс по скоростям от -300 до +1300 км/с и от +12700 до +14500 км/с).

Форматер КРТ обеспечивает однобитное квантование данных и четыре наблюдательных режима.

Диапазон
Р
L
С
К
Центральная частота (МГц)
327
1665
4830
18392- 25112
Ширина регистрируемой полосы (МГц) (для каждой поляризации)
4
32
32
32
Шумовая температура системы (К)
70
50
50
60
Эффективность антенны
0.3
0.5
0.5
0.3
Чувствительность КРТ (Ян)
8200
3500
3500
7000

Состав и основные характеристики космического радиотелескопа



Высокоинформативный научный радиокомплекс


Максимальная скорость формирования научных данных 128 МБит/с при общей скорости в 144 МБит/с. Передача данных обеспечивается на частоте 15,000 ГГц. Исходящий поток данных разбит на кадры в 20000 байт длиной. Система ВИРК обеспечивает также двухстороннюю когерентную связь для передачи фазы на частоте 7,207500 ГГц вверх и 8,400 ГГц вниз. Опорный сигнал для КРТ обеспечивается водородным мазером на станции слежения, куда передаются также расчетные навигационные данные.

Радиоэлектронный комплекс

Радиоэлектронный комплекс состоит из следующих составных частей:
Научный контейнер - ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина";
Фокальный контейнер - ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина";
Бортовые водородные стандарты частоты - ЗАО "Время-Ч", Нижний Новгород;

Радиоэлектронный комплекс
Фокальный модуль

Фокальный модуль состоит из фокального контейнера и фокального узла.


В состав фокального модуля входят:
малошумящий усилитель диапазона 92 см. ОАО КБ "Горизонт", Нижний Новгород;
малошумящий усилитель диапазона 1,35 см. ФГУП ОКБ ИРЭ РАН;
малошумящий усилитель диапазона 6см. ФГУП ОКБ ИРЭ РАН;
малошумящий усилитель диапазона 18см. CSIRO - Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Австралия;
конструкция контейнера, СОТР - "холодная плита", БКС - ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина"

Радиоэлектронный комплекс
Научный контейнер


Научный контейнер состоит из следующих составных частей:

- бортовые рубидиевые стандарты частоты. Обсерватории Ношатель, Швейцария
- формирователь гетеродинных и тактовых сигналов. ЗАО НПП "Салют-27", Нижний Новгород
- преобразователи сигналов. ФГУП ОКБ ИРЭ РАН
- блок управления и анализа состояния. ОАО "ОКБ AAЛAM" Бишкек, Киргызстан
- конструкция контейнера, СОТР, БКС - ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина"

Новые технические решения, применённые при разработке
космического аппарата «Спектр-Р»

При создании космического аппарата "Эпектро-Л" использован огромный опыт и преемственность научно-технических разработок, которые были успешно реализованы в других темах НПО имени С.А.Лавочкина. Все вновь разработанные решения прошли полный цикл наземной отработки.

КА построен по модульному принципу в негерметичном исполнении. В НПО имени С.А.Лавочкина разработана унифицированная космическая платформа "Навигатор", которая в настоящее время используется для космических аппаратов "Электро-Л", "Спектр-Р", "Спектр-РГ", "Спектр-УФ"и других.




Применены сотовые панели со встроенными тепловыми трубами, как несущего конструктивного элемента, используемого для размещения бортовой аппаратуры.


Конструкция космического радиотелескопа, состоящая из 27-ми лепестков поистине уникальна. Лепестки представляют собой углепластиковую трёхслойную сотовую конструкцию. Наземная отработка раскрытия КРТ потребовала применения оригинальных технических решений.
Для запуска космического аппарата использован разгонный блок "Фрегат-СБ", позволивший оптимизировать средства выведения КА на высокоапогейную орбиту.


Комплексная программа экспериментальной отработки
космического аппарата «Спектр-Р»

При создании космического аппарата был выполнен весь объём комплексной программы экспериментальной отработки, подтверждающей его работоспособность. При этом отрабатывались как отдельные агрегаты (более 100 наименований), так и стендовые изделия.


Антенный макет, на котором была подтверждена правильность размещения элементов АФС на борту космического аппарата.
Конструкторский макет, на котором была проведена увязка всех элементов конструкции и бортовой кабельной сети.


Изделие вибродинамических и статических испытаний, на котором была подтверждена прочность и стабильность конструкции космического аппарата.
Специфика конструкции КА потребовала проведения расчёта динамической схемы, подтверждённой комплексом мероприятий по определению динамических характеристик КА и его составных частей, для оценки их влияния на выполнение целевых задач.


Изделие (двигательная установка) огневых испытаний, на которой был проведён полный цикл натурных огневых испытаний.
Габаритно-эксплуатационный макет, на котором проведена проверка правильности принятых решений при работах с изделием на техническом и стартовом комплексах, при заправке.


Изделие тепловакуумных испытаний, подтвердившее правильности принятых решений и теоретические расчёты СОТР КА.
Этап электрорадиотехнических испытаний, на котором проведена полна проверка функционирования и взаимодействия всех бортовых систем, отработаны алгоритмы парирования нештатных ситуаций, проведены испытания на ЭМС и ЭСР.


Комплексные испытания и подготовка к запуску лётного образца
космического аппарата «Спектр-Р»

Отработка лётного космического аппарата "Спектр-Р " проведена в полном объёме и основана на многолетнем опыте создания космической техники.

На КА проведены комплексные испытания разобранного изделия. Этап, на котором отрабатывается полный объём испытаний бортовой аппаратуры, на котором есть возможность обеспечить доступ к любому прибору, блоку, агрегату в случае возникновения неполадок.


Космический аппарат "Спектр-Р" прошёл проверку работоспособности в вакууме - условиях максимально приближенных к натурной эксплуатации на орбите.
КА "Спектр-Р" прошёл полный комплекс электрических испытаний собранного изделия. Были проверены работоспособность и взаимодействие всех систем.


Проведены контрольно- юстировочные операции, технологические виброиспытания, испытания на герметичность двигательной установки, проверка зазоров с головным обтекателем и определение масс- центровочных характеристик.
В процессе приёмосдаточных испытаний КА были проведены проверки функционирования всех раскрывающихся элементов: антенны КРТ, панелей солнечных батарей, антенн, штанги магнитометра


Заключительные операции перед отправкой на технический комплекс включают очистку и проверку чистоты поверхности КА, окончательную установку экранно-вакуумной теплоизоляции.

Циклограмма и средства выведения
космического аппарата "Спектр-Р" на орбиту

Запуск КА произведен с космодрома Байконур ракетой-носителем «Зенит» с разгонным блоком «Фрегат-СБ» по трассе, обеспечивающей выведение ГБ (РБФ-СБ + КА) на высокоэллиптическую орбиту с наклонением ~ 51.6 град.




Схема полета при выведении КА включает в себя следующие элементы:
старт и полет ГБ в составе РН;
отделение ГБ от 2-й ступени РН;
пассивный полет ГБ по опорной орбите (-3/4 витка);
первое включение МДУ РБ для разгона на промежуточную орбиту с использованием топлива из СББ, отделение СББ;
пассивный полет ГБ по промежуточной орбите в течение одного витка;
второе включение МДУ РБ для выхода на орбиту отделения КА с использованием топлива из основных баков;
пассивный полет ГБ по орбите отделения до достижения зоны видимости станций слежения;
отделение КА, выход на квазицелевую орбиту (~3,6 часа после старта РН);
пассивный полет РБ по квазицелевой орбите с передачей на Землю ТМИ и проведением траекторных измерений для определения фактических параметров сформированной целевой орбиты;