Сотрудники МАИ модернизируют комплексы дальней связи для миссий, использующих электроракетные установки.
Ирина Медведева
Источник фото: пресс-служба МАИ/личный архив
В рамках национального проекта "Космос"
Исследователи Московского авиационного института завершили цикл экспериментов, направленных на улучшение качества работы систем связи на больших расстояниях с космическими аппаратами, оборудованными электроракетными двигателями (ЭРД).
Как подчеркивает пресс-служба МАИ, работа была выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-19-00515 под руководством профессора кафедры «Инфокоммуникации» МАИ, доктора технических наук Андрея Плохих.
В рамках национального проекта «Космос» перед отечественными инженерами стоит задача создания аппаратов с длительным сроком работы — и решить её помогают электроракетные двигатели, которые генерируют тягу путём ускорения заряженных частиц в электрических и магнитных полях.
— Большой удельный импульс, свойственный таким двигателям, позволяет существенно уменьшить запасы топлива и увеличить продолжительность полётов. Это критически важно для долговременных экспедиций в отдалённые районы космоса.
Однако функционирование ЭРД связано со сложными электродинамическими явлениями при ионизации и разгоне рабочего вещества, что может создавать помеховое излучение. Это снижает скорость передачи данных, особенно на огромных расстояниях от Земли, — поясняет Андрей Плохих.
Суть разработок ученых МАИ
Чтобы повысить эффективность связи с межпланетными аппаратами, оснащёнными маршевыми электроракетными двигателями, учёные МАИ предложили использовать методы слепого разделения сигналов, в частности — анализ независимых компонент. Этот подход позволяет чётко отделять полезные сигналы от помех, опираясь на их статистические характеристики.
Вторая сложность, с которой столкнулись разработчики, — ослабление сигнала при увеличении дистанции. Обычно для её преодоления применяют промежуточные спутники-ретрансляторы с мощными приёмо-передающими системами. Например, при двухзвенной схеме ретранслятор принимает сигнал от основного аппарата и отправляет его на Землю.
— Это даёт выигрыш в уровне сигнала и, как следствие, в пропускной способности канала. Такие ретрансляторы могут располагаться, к примеру, на орбитах вокруг Солнца или в точках Лагранжа — местах, где гравитационные силы планеты и Солнца уравновешиваются. Использование ретрансляторов также помогает бороться с ухудшением связи при попадании Солнца на линию «Земля — аппарат», — добавляет Андрей Плохих.
Однако размещение ретрансляторов на фиксированных орбитах не учитывает конкретную траекторию целевого аппарата, которая зависит от каждой миссии. Для полного охвата всех текущих и будущих проектов в пределах Солнечной системы потребуется создать сложную группировку из тысяч ретрансляторов.
Учёные МАИ предложили новый вариант — вывести ретранслятор, также оснащённый ЭРД, на индивидуальную орбиту сопровождения, согласованную с траекторией основного аппарата на всём пути перелёта. Под согласованием подразумевается такое взаимное расположение, которое обеспечивает нужную скорость передачи данных и защиту от солнечной засветки на всех этапах полёта.
Значение исследований для космических задач
Работы, проведённые в МАИ, закладывают фундамент для принципиально нового подхода к организации межпланетной связи.
Вместо статичной сети ретрансляторов, привязанных к фиксированным точкам, предлагается динамическая система, где каждый элемент способен адаптироваться под конкретную миссию, что имеет значение для устройств с электроракетными двигателями: их длительные перелёты к астероидам, Марсу или внешним планетам требуют устойчивого канала на всём протяжении траектории, который не прерывался бы из-за вращения небесных тел или солнечных вспышек.
Слепое разделение сигналов, основанное на независимом компонентном анализе, решает ещё одну фундаментальную проблему — электромагнитную совместимость. ЭРД, создавая тягу, неизбежно генерируют широкополосный шум в радиочастотном диапазоне.
Ранее инженеры боролись с этим за счёт увеличения мощности передатчиков или сложных схем экранирования, что вело к росту массы и энергопотребления аппарата. Теперь появляется возможность «интеллектуально» очищать сигнал на приёмной стороне, не требуя дополнительных ресурсов на борту.
Практическая реализация предложенной схемы подразумевает создание ретранслятора с собственной электроракетной установкой. Такой спутник сможет маневрировать, подстраиваясь под траекторию основного зонда и обеспечивая постоянный контакт с Землёй.
При этом оба аппарата — и целевой, и ретранслятор — могут использовать двигатели одного типа, что унифицирует обслуживание и снижает стоимость запуска. В перспективе это позволит формировать «эскадры» из нескольких кораблей, способных совместно исследовать удалённые объекты, обмениваясь данными без задержек на ожидание ответа с Земли.
Таким образом, научная работа, проведенная в МАИ закладывает технологическую основу экспедиций к дальним планетам, создавая перспективы надёжной связи на дальних дистанциях. В настоящее время материалы изучаются в организациях ракетно-космической отрасли для дальнейшей практической отработки.
Вклад в "земную" науку и практику
Особо стоит отметить, что математический аппарат, разработанный в МАИ, пригоден не только для космоса. Предложенные методики слепого разделения сигналов и оптимизации ретрансляционных трасс могут быть адаптированы для наземных систем связи в условиях плотной застройки или для подводных коммуникаций, где помехи и затухание сигнала также критичны.
Таким образом, результаты фундаментальной научной работы, поддержанной грантом, имеют широкий спектр приложений, выходящих далеко за рамки ближайших космических проектов.
Передача материалов в ракетно-космическую отрасль означает, что теоретические выкладки начинают превращаться в инженерные решения. Следующий этап — создание опытных образцов ретрансляционных модулей и их испытание на наземных стендах, имитирующих условия глубокого космоса.
Если эксперименты подтвердят расчёты, уже в конце текущего десятилетия российские межпланетные станции смогут передавать на Землю не просто сигналы телеметрии, а полноценные видеопотоки и данные научных приборов с минимальными потерями, что кардинально расширит возможности изучения Солнечной системы.
Больше о достижениях ученых МАИ: исследователи Московского авиационного института (МАИ) предложили новый способ обработки титановых сплавов, придающий им повышенную динамическую прочность для применения в конструкциях автомобилей, самолетов и кораблей.
Журнал "Химагрегаты" следит за разработками, связанными обеспечением космических полетов. Так, мы писали о российской и американской системах водоочистки на Международной космической станции. Ведь стоимость доставки объема воды, необходимого одному космонавту в день, сопоставима с ценой автомобиля - пять литров обходятся в сумму, равную стоимости подержанного BMW.