Як радянські космічні станції робили знімки без багатопіксельних ПЗС-матриць? Як 60 років тому їм вдалося зняти зворотний бік Місяця і приховану хмарами поверхню Венери? Для цього були розроблені пристрої особливого типу, зовсім не схожі ні на тодішні фотоапарати, ні на сучасні цифрові камери. Це були телефотометри, «гібриди» телекамер і сканерів, що дозволяли отримувати кругову панораму навколишньої місцевості. Про історію цих пристроїв і про результати, отримані з їх допомогою, розповідає історик космонавтики Павло Шубін.
Телебачення на Місяці
Шістдесят років тому людство вперше «дотягнулося» до іншого небесного тіла. У 1959 році були запущені відразу три станції: «Місяць-1», що першою подолав гравітацію Землі, пролетів повз Місяць і став супутником Сонця; «Місяць-2», перший в історії досяг Місяця; і «Місяць-3», що вперше в світі облетів Місяць і передав на Землю фотографії її зворотного боку.
Такий успіх потрібно було розвивати, і 10 грудня 1959 року вийшла постанова ЦК КПРС і Ради Міністрів «Про розвиток досліджень з космічного простору», в якій, крім усього іншого, пропонувалося розробити станцію для м'якої посадки на Місяць.
Причому, звичайно, метою була не м'яка посадка як така, а те, що вона могла дати. Так що було сформовано технічне завдання (ТЗ) на створення спеціальної телевізійної камери для передачі зображень поверхні Місяця.
Телевізійна апаратура повинна була забезпечувати круговий огляд місцевості, число рядків в одному кадрі повинно було бути не менше 250, масу одного комплекту телевізійної апаратури обмежили 7 кілограмами, а загальне споживання - 60 ваттами. Втім, на станції планували встановити дві камери для резервування.
До виконання цього завдання приступив ВНИИ-380 (Всесоюзний інститут телебачення), де підготували перший варіант камери масою близько 10 кілограм і споживанням 30 ватт. За описом, вона була подібна камері, яку згодом американські фахівці встановили на місячній станції «Сурвейор» (американська модель важила 7,31 кілограма).
Пристрій мав нерухому телевізійну камеру, спрямовану вгору, круговий огляд місцевості здійснювався поворотом дзеркала, а його нахилом вибирався район фотографування. Панорами потім можна було склеїти з окремих кадрів.
В цілому, ідея логічна, зі своїми плюсами, і досить красива. Але співробітники ВНИИ-380 не зупинилися на обраній схемі, а зайнялися її модифікацією для зниження маси.
Судячи з фінального звіту камери «Волга», під час її розробки були розглянуті кілька десятків різних схем, причому як мінімум по десяти з них були проведені конструкторські опрацювання. У підсумку інженери зуміли створити куди легшу камеру, що отримала назву телефотометр, здатну відразу робити круговий огляд місцевості з мінімальними спотвореннями і хорошою чіткістю.
В основі їхньої ідеї був той факт, що Місяць дуже і дуже повільно обертається навколо своєї осі - повний оборот він здійснює практично за місяць. На передачу всіх знімків під час кругового огляду повинно було піти близько декількох годин - можна вважати, що потрібно було забезпечити зйомку нерухомого зображення з постійним рівнем освітлення. А значить, швидкість кутового сканування могла бути невеликою.
Сканер замість камери
Ось тут і була сформульована основна ідея пристрою, що робила його ближче до сучасних сканерів, ніж камер.
Що таке камера? Це система, за допомогою об'єктива і затвора проектує зображення на якусь матрицю. Тоді це були телевізійні трубки на кшталт відікону, зараз ПЗС. Матриця забезпечує роздільну здатність картинки, як по вертикалі, так і горизонталі.
Водночас у сканері є тільки одна лінійка, що забезпечує роздільну здатність по вертикалі. Роздільна здатність по горизонталі виходить за рахунок руху лінійки вздовж документа.
Ось і в телефотометрі роздільна здатність по горизонталі забезпечувалася поворотом його головки навколо своєї осі. При цьому механічно здійснювалася і вертикальна розгортка за рахунок качання дзеркала. Так що в телефотометрі, за сучасною термінологією, був всього один приймальний піксель, на який і проектувалася навколишня місцевість з мінімальними спотвореннями, причому в ролі приймача випромінювання використовувалася вакуумна лампа - дуже чутливий фотоелектронний множувач (ФЕУ).
Деякі варіанти фотоумножителів можуть реєструвати окремі фотони. У 1960-ті роки наводили такий приклад: якби у Землі не було атмосфери, то ФЕУ могло б зафіксувати світло від сірника, запаленого на Місяці.
За рахунок своєї чутливості ФЕУ - один з небагатьох вакуумних приладів, що використовуються і зараз, нехай він і вимагає досить високої напруги для роботи.
Низька швидкість сканування поверхні дозволила синхронізувати її зі швидкістю передачі даних. Іншими словами, інформація про обрану ділянку поверхні Місяця відразу відправлялася на Землю, а там друкувалася на стрічці. Проміжні запам'ятовувальні пристрої виявилися не потрібні, а це дозволило сильно спростити конструкцію.
В результаті телефотометр «Волга» вийшов масою всього 3,4 кілограма, зі споживанням 12-15 ват. Початкове технічне завдання було перевиконано.
Саме його і встановили на наші перші станції для м'якої посадки на Місяць. Реальна маса наукової апаратури на них вийшла 8 кілограмів, але при цьому другий телефотометр вирішили не ставити - залишок маси був виділений на інші наукові прилади.
Але сфотографувати Місяць «Волзі» так і не вдалося, тому що оснащена цим приладом станція «Місяць-4» не змогла досягти мети, а інженери відразу ж приступили до його модернізації. За спогадами Арнольда Селіванова з НИИ-885, розробка альтернативної моделі телефотометра була багато в чому ініціативною роботою.
Новий варіант камери під індексом Я-198 важив всього 1,3 кілограма при споживанні 3 вати. Але цим його гідності не обмежувалися.
«Волга» вимагала розташування всередині герметичного корпусу, тоді як Я-198, розрахований на невеликий тиск, конструктивно міг розташовуватися поза гермокорпусом станції. Це дозволило відмовитися від дуже складного у виготовленні сферичного ілюмінатора масою 1,1 кілограма і вологопоглотителя масою ще 1 кілограм.
В результаті заміна телефотометра вже давала економію в 4,2 кілограма. При цьому виникали додаткові переваги: сильно спрощувався монтаж станції, можна було заправляти її корпус більш вологим азотом.
Новий телефотометр також мав помітно вищу роздільну здатність - 500 ліній проти 250. Загальні ж параметри панорами стали 6000 500 елементів. Правда, при цьому зріс час передачі однієї панорами, але це було пов'язано якраз зі збільшенням чутливості нового телефотометра.
І коли 3 лютого 1966 року станція «Місяць-9» вперше у світі сіла на поверхню Місяця, саме Я-198 показав усьому світу перші панорами поверхні нашого природного супутника.
Перехоплювачі
Ось тільки першими їх розповсюдило зовсім не радянське телеграфне агентство. У цю історію несподівано втрутилися англійський астроном Бернард Ловелл (Bernard Lovell) і його колеги, співробітники радіотелескопа «Джодрелл Бенк».
Ловелл займався радіоперехопленням сигналів з радянських апаратів з самого початку космічної ери. Тим більше що 76-метрове дзеркало його радіотелескопу навіть зараз залишається однією з найбільших повноповоротних антен, а вже тоді воно було на першому місці з дуже великим відривом.
Завдяки його допомозі було отримано незалежне підтвердження того, що станція «Місяць-2» вперше в світі здійснила жорстку посадку на Місяць - розбилася об її поверхню. Тому, відстежуючи сигнал «Місяця-9», його колектив ще до офіційних повідомлень зрозумів, що Радянський Союз успішно посадив станцію на Місяць.
Однак перехопити сигнал було ще півсправи. Усі вимірювання показували, що станція успішно сіла на Місяць. Обсяг трафіку свідчив про передачу перших зображень місячної поверхні. Але ж ніхто їм не повідомляв, яким чином кодувалося зображення!
Неважко зрозуміти, що вони відчували. Вони практично тримали в руках перші фотографії Місяця - у вигляді колонки цифр з телетайпу, запису на магнітній стрічці, що звучить з динаміків сигналу. Місяць можна було помацати, почути, але не можна було побачити.
За спогадами, в цей момент один зі співробітників радіотелескопа Рейнард Ласцелс раптом зрозумів, що сигнал з «Місяця 9» дуже нагадує йому звук працюючого факсу. У газети з Манчестера терміново був запозичений факс, і після невеликого переобладнання на ньому були отримані справжні фотографії Місяця!
Саме ці фотографії першими побачив весь світ. За допомогою того ж факсу фотографії були передані іншим газетам. Це було тим більше ефектно, що від СРСР поки надійшло тільки офіційне повідомлення про посадку станції. У новинах показали інтерв'ю з ученим, які повідомили, що фотографії отримані.
Але це не кінець історії. Була ще одна команда, яка в ті роки розшифрувала панорами з радянської станції, але світ про це дізнався тільки в XXI столітті. Мова йде про АНБ - Агентство національної безпеки США.
Для перехоплення сигналів з радянських міжпланетних станцій АНБ побудувало приймальний центр поруч з містом Асмера в Ефіопії (нині Еритреї). На базі Kagnew були споруджені дві гостроспрямовані антени діаметром 26 і 46 метрів. Комплекс був зданий в кінці 1964 року і вже в 1965 році перехоплював сигнали радянських міжпланетних станцій. Його зірковий час прийшов саме після посадки «Місяця-9».
Далі хотілося б процитувати спогади Джона О'Хара, опубліковані в 2003 році:
Я був тоді молодим інженером-електриком в АНБ. Через кілька днів після посадки «Місяця-9» я інспектував нових співробітників, зайнятих роботою на спроектованому мною обладнанні, як раптом мені запропонували перервати брифінг і запросили на консиліум, присвячений розшифровці даних з «Місяця-9». Головував там командувач ВМС Чак Стайлс. У число учасників також входили представники аналітичних відділів і довірені підрядники АНБ. Була представлена технічна специфікація сигналу станції, але сама зустріч результатів не принесла. На ній аналітичні відділи так і не змогли надати рекомендації з розшифровки сигналу, а підрядники пропонували ідеї, пов'язані із закупівлею тільки дуже дорого обладнання. Це все дуже засмутило Стайлса. Він прямо сказав: «Білий дім і весь Конгрес прямо зараз чекають відповідей від АНБ, а у нас їх немає». Після зустрічі почалася дискусія, в ході якої я сказав, що можна спробувати обійтися тим, що є в наявності, і накидав приблизну схему. Для друку можна було використовувати новий пристрій АНБ під назвою ZURO. Воно дозволяло відразу отримувати зображення на спеціальних рулонах, чутливих до ультрафіолетового зображення. Того ж дня потрібна система була зібрана, Рассел і я подали записаний сигнал в систему в повній впевненості, що відразу ж отримаємо знімки. Але отримали тільки білий шум і були дуже збентежені. Після цього вирішено було провести спектральний аналіз сигналу «Місяця-9», і ми зрозуміли, що він був нижче, ніж смуга пропускання ZURO. Ми спішно зібрали перетворювач частоти і дійсно отримали відмінні зображення місячного пейзажу. Біля нової панорами відразу зібрався натовп, і хтось помітив на частині панорами написи на кирилиці. Вже через кілька хвилин знайшлося з десяток лінгвістів для розшифровки зображення. Треба сказати, всі відчули розчарування, дізнавшись, що це був ідентифікатор або серійний номер. Схоже, всі очікували знайти там фразу на кшталт «Ось тобі, Америка!» Як пізніше сказав нам Чарлі Тевіс, голова консультативної групи з електронної розвідки (DAGER), фотографії були на столі президента Джонсона того ж дня.
Луноходи з фотометрами
Всього «Місяць-9» передала панорами поверхні Місяця при різному вугіллі освітлення Сонцем. Після такого успіху телефотометри міцно зайняли своє місце на борту радянських посадкових апаратів.
На наступній посадковій станції «Місяць-13» було вже два телефотометри - для отримання стереоскопічних зображень. Виявилося, це була вдала ідея, оскільки один телефотометр на станції відмовив з невідомої причини. Завдяки другому приладу Земля побачила ще кілька панорам місячної поверхні.
Далі - більше. Станція «Місяць-20» оцінювала місце забору ґрунту за допомогою двох телефотометрів, а на радянських луноходах стояли вже чотири телефотометри, що передавали як вертикальні, так і горизонтальні панорами. Загальна кількість панорам з них вже обчислювалася сотнями: 211 - з «Лунохода-1» і 86 - з «Лунохода-2».
Кілька секунд на Марсі
На апараті автоматичної міжпланетної станції «Марс-3», що впері здійснив посадку на Червону планету в грудні 1971 року, також стояли телефотометри, але, на жаль, повноцінної панорами отримати не вдалося. З невідомої причини, апарат отримав пошкодження відразу після посадки.
У документах його виробника, НВО імені Лавочкіна, згадується, що потужність сигналу весь час падала - швидше за все, був пошкоджений акумулятор. Станція сіла під час пилової бурі, однієї з найбільших, що до того моменту спостерігали на Марсі, але, за сучасними уявленнями, це не могло вплинути на апарат, що спускається.
Тим не менш, незабаром після посадки апарат почав передачу першої панорами поверхні Марса. На жаль, вона тривала всього 14,5 секунди (за іншими даними, 20 секунд), після чого апарат «Марса-3» замовк назавжди.
Поділитися