Համոզված եմ, որ ձեզանից շատերը լսել կամ կարդացել են վերջին մեկի մասին Համառ վայրէջք Մարսի վրա, իսկ շուտով Կարմիր մոլորակն արդեն սպասում է Արաբական Հույսին ու չինական Tianwen-1-ին։ Հետաքրքիր է, ինչպե՞ս են այս բոլոր զոնդերը Երկիր փոխանցում իրենց հետազոտության տվյալները։ Այսօր կքննարկվի տիեզերական հաղորդակցությունը։
Թռիչքները դեպի այլ մոլորակներ միշտ եղել են մարդկության երազանքը: Այս թեմայով նկարահանվել են բազմաթիվ գեղարվեստական ու վավերագրական ֆիլմեր, որոնք գրեթե մանրամասն պատմում են, թե ինչպես է ընթանում թռիչքի ընթացքը, ինչպես են զգում կամ կզգան անձնակազմի անդամները, ինչ է պետք անել նման միջավայրում։
Վերջերս ողջ աշխարհը հիացած դիտում էր, թե ինչպես է Perseverance ռովերը վայրէջք կատարել Կարմիր մոլորակի մակերեսին և վայրէջքից հետո առաջին նկարներն արել։ Մենք արդեն ունենք առաջին լուսանկարները ռովերից, որը, հիշեցնեմ, Մարսի վրա վայրէջք է կատարել 18 թվականի փետրվարի 2021-ին, ինչպես նաև բուն սարքի առաջին լուսանկարը։
Սրանք տեխնիկական լուսանկարներ են, որոնք արվել են վայրէջքից անմիջապես հետո, անիվների լուսանկարները, ինչպես նաև վայրէջքի ժամանակ բուն ռովերի լուսանկարը, որն արվել է հրթիռային մոդուլի վրա տեղադրված տեսախցիկների միջոցով։
Բայց ես ինձ միշտ բռնել էի այն մտքի վրա, թե ինչպե՞ս են նրանց հաջողվում այդքան արագ միանալ Երկրին և փոխանցել կադրերը: Հետաքրքրվեցի՝ սա ճի՞շտ էր, թե՞ գիտաֆանտաստիկա։ Այսօր ես կփորձեմ կիսվել իմ մտքերով այս թեմայի շուրջ:
Կարդացեք նաև. Ի՞նչ կանեն համառությունն ու հնարամտությունը Մարսի վրա:
Որքա՞ն հեռու է Մարսը, և ի՞նչ է դա նշանակում:
Հիշեցնեմ, որ Մարսը, կախված սեզոնից, գտնվում է Երկրից մոտավորապես 55-ից 401 միլիոն կիլոմետր հեռավորության վրա: Այստեղ ամեն ինչ կախված է պտտվող ուղեծրերի համընկնումից, ներառյալ Արեգակի շուրջը։ Եվ քանի որ հաղորդակցության ամենաարագ ձևը էլեկտրամագնիսական ալիքներն են, ապա Կարմիր մոլորակ տեղեկատվություն ուղարկելու համար անհրաժեշտ ժամանակը որոշվելու է լույսի արագությամբ: Այսինքն, եթե մենք ցանկանում ենք հրաման ուղարկել նման ռովերին կամ զոնդին, կամ ստանալ տվյալներ, ապա պետք է մի փոքր սպասենք։
Մեքենաները չեն կարող ազդել ազդանշանի հետաձգման վրա այնպես, ինչպես կարող են մարդիկ, այնպես որ ուշացումը կարող է լինել մինչև 60 մվ: Եվ այս ընթացքում ռադիոազդանշանը կանցնի մոտ 18 կիլոմետր։ Տիեզերական մեքենաների դեպքում այս երեւույթի բացասական կողմը դրանք իրական ժամանակում կառավարելու անհնարինությունն է։ Մնում է միայն ինքնավար գործողության անցումը, և դա վերաբերում է հենց Perseverance-ին և, հավանաբար, նույնիսկ ավելի շատ Ingenuity ուղղաթիռին, որը պետք է սկսի իր 000-օրյա առաքելությունը առաջիկա մի քանի տասնյակ օրվա ընթացքում: Այսինքն՝ Մարսի մակերևույթից մենք ազդանշան ենք ստանում զգալի ուշացումով, սակայն ժամանակակից սարքերը գրեթե նվազագույնի են հասցրել այն։ Այո, դա մեզ զրկեց Երկրից սարքերը կառավարելու հնարավորությունից, սակայն այն խթան հաղորդեց նման սարքերի էլ ավելի մեծ ավտոմատացման զարգացմանը։
Կարդացեք նաև. 10 թվականին հայտնաբերված զանգվածային սև խոռոչների մասին 2020 փաստեր
Ինչպե՞ս է ուղիղ հաղորդակցությունը Երկրի և Մարսի վրա գործող առաքելությունների միջև
Վստահ եմ, որ այս հարցը հետաքրքրում է գրեթե բոլորին, ովքեր հետևում են նմանատիպ առաքելություններին։ Այսպիսով, դրա համար ստեղծվեց ռադիոաստղադիտակների ցանց, որը կոչվում է Deep Space Network (DSN), որը նույնիսկ ավելի մեծ կառուցվածքի մի մասն է, որը կոչվում է SCaN (Տիեզերական հաղորդակցություն և նավարկություն):
Այս կենտրոնը միացնում է Երկրի վրա գտնվող բոլոր հաղորդիչները և ընդունիչները, որոնք օգտագործվում են տիեզերանավի և տիեզերագնացների հետ հաղորդակցվելու համար: DSN-ը վերահսկվում է ՆԱՍԱ-ի Ռեակտիվ Շարժման Լաբորատորիայի կողմից:
Ռադիոաստղադիտակները, որոնցից ամենամեծը՝ մինչև 70 մետր տրամագծով, գտնվում են Իսպանիայի Մադրիդի, Ավստրալիայի Կանբերայի և ԱՄՆ-ի Մոհավե անապատի Գոլդսթոունի մոտակայքում։ Երկրի մակերևույթի տարբեր կետերում այս դասավորությունը նվազագույնի է հասցնում հաղորդակցության ընդհատումների ռիսկը և հնարավորություն է տալիս մեծացնել ազդանշանների ընդունման և փոխանցման արագությունը:
Հետաքրքիր է, որ Չինաստանը, այլ ցանցերից անկախանալու համար, կառուցել է իր սեփական ռադիոաստղադիտակը՝ նույնպես մոտ 70 մ մեծությամբ, որով շփվում է Tianwen-1-ի հետ։ Ի թիվս այլոց, այս ուղեծրից արվել են մոլորակի առաջին նկարները։
Կարդացեք նաև. Ի՞նչը կարող է խանգարել մեզ գաղութացնել Մարսը:
Հսկայական տարբերություն կա ելքային և ստացված ազդանշանի հզորության միջև
Այժմ անցնենք այս հաղորդիչների տեխնիկական հնարավորություններին։ Այստեղ նույնպես շատ հետաքրքիր բաներ կան։ Այսպիսով, մենք գիտենք, որ հաղորդիչները, որոնք տեղադրված են այս ալեհավաքների վրա և ուղղված են տիեզերական օբյեկտներին, ունեն 20 կՎտ հզորություն X-տիրույթում (հաճախականություններ 8-ից մոտ 12 ԳՀց) մինչև 400 կՎտ (բայց պետք է հիշել, որ 100-ից ավելի հզորության օգտագործումը): կՎտ-ը պահանջում է ճշգրտումներ՝ կախված օդի կազմից և երթևեկության կառավարումից) S-ի տիրույթում (հաճախականություններ մոտ 2-ից 4 ԳՀց, այսինքն՝ տնային Wi-Fi-ի կամ որոշ բջջային ցանցերի նման): Համեմատության համար նշենք, որ 5G բազային կայանի ամենաուժեղ հաղորդիչների հզորությունը 120 վտ է, բայց սովորաբար այն շատ ավելի ցածր է, և ճառագայթը ձևավորվում է այլ կերպ, քան տիեզերանավերի փոխանցման դեպքում:
Ազդանշան ստանալիս DSN ցանցի ամենամեծ ալեհավաքները կարողանում են որսալ 10-18 Վտ կարգի հզորությամբ ճառագայթ։ Այդպիսի հզորություն, օրինակ, ունի ազդանշանը Վոյաջեր 2-ից: Մարսից եկող ազդանշանները նույնպես մոտավորապես նման են՝ հաշվի առնելով զոնդերի հեռավորությունը և էներգիայի սահմանափակ ռեսուրսները:
Mars Reconnaissance Orbiter-ը (MRO) ունի երկու 100 վտ հզորությամբ ազդանշանային ուժեղացուցիչներ յուրաքանչյուր X-ի համար, մեկ կրկնօրինակով, եթե հիմնականներից մեկը ձախողվի: Այն նաև ունի փորձարարական հաղորդիչ, որն աշխատում է Ka տիրույթում (հաճախականություններ 26-40 ԳՀց միջակայքում), որը փոխանցում է 35 Վտ հզորությամբ, բայց միայն թեստավորման նպատակով:
DSN էջ հստակ ցույց է տալիս, թե ում կամ ումից են տվյալ պահին ուղարկվում կամ ստացվում տվյալներ: Ի թիվս այլ բաների, առաքելությունը ցույց տվող դյուրանցման վրա սեղմելուց հետո մենք կարող ենք տեսնել լրացուցիչ տվյալներ: Perseverance ռովերը կարճ անվանում են M20, իսկ տվյալները հիմնականում ստացվում են MRO-ից:
Կարդացեք նաև. Տիեզերք ձեր համակարգչում. 5 լավագույն ծրագրեր աստղագիտության համար
Որքան հեռու է տիեզերք, այնքան ավելի դանդաղ է ազդանշանը
DSN-ը նաև շփվում է այլ զոնդերի հետ, բայց դուք գիտեք, թե որքան հեռու են դրանք Երկրից, այնքան դանդաղ է տվյալների փոխանցման արագությունը: Շատ բան կախված է նաև տվյալ տիեզերանավի վրա հաղորդիչի հզորությունից: Վոյաջեր 1-ը՝ Երկրից ամենահեռավորը, տվյալներ է փոխանցում 160 բ/վ արագությամբ, ինչը միայն մի փոքր ավելի արագ է, քան 1950-ականների առաջին մոդեմները: Կայք բացելու համար root-nation.com Այսքան հեռվից այս տեքստով դուք ստիպված կլինեք սպասել մեկ օրից ավելի։
Իր հերթին, Երկրից զոնդին հասնող ազդանշանը շատ ավելի ուժեղ է, սակայն Voyager 1-ի ալեհավաքն ունի ընդամենը 3,7 մետր տրամագիծ, ինչը, իհարկե, ազդանշանի ընդունումը շատ ավելի թույլ է դարձնում, քան եթե դա լիներ 70 մետրանոց ալեհավաք:
Կարդացեք նաև. Parker Solar Probe-ը ցույց է տվել Վեներայի գիշերային կողմը
Որքա՞ն տվյալներ է փոխանցում Մարսի զոնդը կամ մարսագնացն իր առաքելության ընթացքում:
Մարսի առաքելությունները սովորաբար տևում են երկու բազային տարի՝ գումարած երկարաձգված առաքելության տևողությունը և կարող են տևել ավելի քան մեկ տասնամյակ: Զոնդերը և գործիքները, որոնք կատարում են տեսողական դիտարկումներ, պահանջում են առավելագույն թողունակություն, քանի որ լուսանկարները առնվազն մեգաբայթ տվյալներ են: Ազդանշանը կարող է պարունակել շատ ավելի թվային տվյալներ, որոնք բնութագրում են այլ չափումներ, մթնոլորտի պարամետրեր, մագնիսական դաշտ, ջերմաստիճան և այլն: Ուստի ճիշտ ժամանակն է տիեզերական զոնդերի օգտին։ Նրանք շատ արագ չեն հեռարձակում, բայց դա անում են համառորեն տարիներ շարունակ։
Mars Reconnaissance Orbiter-ը (MRO), որը լուսանկարում է Մարսը 2005 թվականից, արդեն կատարել է ավելի քան 50 պտույտ մոլորակի շուրջ և ավելի քան 000 լուսանկար, որոնք ընդգրկում են մոլորակի մակերեսի 90%-ը (000 թվականի դրությամբ): Բացի այդ, այն փոխանցում է հեռարձակումներ և պատկերներ մարսագնացներից: Օրինակ, Curiosity-ն արդեն գրեթե մեկ միլիոն հում լուսանկար է արել (դրանցից ոչ բոլորն են վերածվել նկարների, որոնցով մենք հիանում ենք): MRO-ից Երկրի վրա հավաքված տվյալների քանակը մոտենում է 99 պետաբայթին (2017 թվականի սկզբի գնահատված տվյալները):
Այնուամենայնիվ, MRO-ն լուսանկարչական և տվյալների վրա հիմնված առաքելություն է: Համեմատության համար նշենք, որ Cassini զոնդը, որը մի քանի տարի ուսումնասիրում էր Սատուրնը և նրա արբանյակները, Երկիր ուղարկեց ընդամենը 635 ԳԲ տվյալ, որը ներառում էր 453 լուսանկար: Իր հերթին՝ ռովերը Opportunity-ն, որը 15 տարի շրջել է Մարսի շուրջը, մինչև 2018 թվականը Երկիր է ուղարկել ավելի քան 225 լուսանկար (կարճ ժամանակ անց, երբ մենք ընդմիշտ կորցրինք կապը նրա հետ):
Մարս ուղարկված տվյալների քանակը շատ ավելի փոքր է: Քանի որ դրանք հիմնականում հրամաններ են և դրանց կատարման հաստատումներ կամ ծրագրային ապահովման ուղղումներ (որոնք ամենակարևորն են), դրանք փոխանցելու համար նույնիսկ շատ հզոր հաղորդիչներ չեն պահանջում:
Կարդացեք նաև. Հայտնի է դարձել, թե երբ կսպառվի Երկրի մթնոլորտի թթվածինը
Ինչպե՞ս է զոնդը կամ ռովերը «խոսում» Երկրի հետ:
Մենք արդեն գիտենք, թե ինչպես են Մարսից ստացված տվյալները ստացվում Երկրի վրա, բայց ինչպե՞ս է հաղորդակցությունը սկսվում Կարմիր մոլորակի սարքերից: Ուղեծրում գտնվող զոնդերն ավելի բարենպաստ պայմաններ ունեն Երկրի հետ հաղորդակցվելու և մեծ քանակությամբ տվյալներ ուղարկելու համար։ Նման հաղորդակցության համար օգտագործվում է ամենահաճախ հիշատակվող X-band-ը: Perseverance ռովերը, ինչպես Curiosity-ն, օգտագործում է երկու հաղորդիչ (ցածր և բարձր հզորություն), որոնք աշխատում են այս գոտու վրա հաղորդակցության համար:
Նրանց օգնությամբ ռովերը կարող է ինքնուրույն «կանչել» տուն, սակայն հզոր հաղորդիչից տվյալների փոխանցման արագությունը առավելագույնը 800 բ/վ է, երբ ազդանշանն ընդունվում է 70 մետրանոց ալեհավաքով, կամ 160 բ/վ, երբ այն 34 մետրանոց է։ ալեհավաք. Ցածր էներգիայի հաղորդիչը միայն վերջին միջոցն է, քանի որ այն ունի միայն 10-բիթանոց ալիք փոխանցելու համար և 30-բիթանոց ալիք՝ տվյալներ ստանալու համար:
Հետևաբար, այսօր Curiosity և Perserance ռովերները սովորաբար առաջինը միանում են UHF միջակայքում Մարսի ուղեծրի իրենց «բազային կայանին»՝ զոնդերին, որոնք ունեն շատ ավելի մեծ հաղորդող ալեհավաքներ: Դրա համար օգտագործվում են MRO, MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN), Mars Odyssey և European Mars Express և TGO (Trace Gas Orbiter): Նրանք կազմում են ցանց, որը կոչվում է MRN (Mars Relay Network):
Մինչ այդպիսի ռելեային ցանցի ստեղծումը, տիեզերանավերը, ինչպիսիք են Viking 1-ը և 2-ը, պետք է ապավինեն ուղեկից ուղեծրերին: Երկրի հետ անմիջական կապի համար օգտագործվել են 20 Վտ հզորությամբ հաղորդիչներ և S-տիրույթ, կապն իրականացվել է 381 ՄՀց հաճախականությամբ (UHF տիրույթ), ինչպես այսօրվա ռովերները։
Կարդացեք նաև. Crew Dragon-ը միակը չէ, թե որ նավերը տիեզերք կմեկնեն առաջիկա տարիներին
Որքա՞ն է Մարս-Երկիր հաղորդակցության առավելագույն արագությունը:
Այստեղ շատ նրբերանգներ կան։ Այսպիսով, Perserance-ը նախ պատկերներ և այլ տվյալներ է ուղարկում ուղեծրային զոնդերին 400 ՄՀց հաճախականությամբ՝ օգտագործելով ալեհավաք, որը գտնվում է ռովերի հետևի մասում՝ ռադիոիզոտոպային ջերմաէլեկտրական գեներատորի էկրանի կողքին: Կապի գծի թողունակությունը մակերեսից մինչև Կարմիր մոլորակի ուղեծիր կազմում է մինչև 2 Մբիթ/վրկ։ Մարսի ուղեծրի հետ կապի արդյունավետությունը կախված է Երկրից նրա հեռավորությունից, և դա, ինչպես գիտեք, շատ տարբեր է:
Միացման առավելագույն արագությունը տատանվում է 500 կբիթ/վրկ-ից, երբ Մարսը Երկրից ամենահեռու է մինչև 3 Մբիթ/վրկ, երբ Մարսը մեր մոլորակին ամենամոտ է: Սովորաբար օգտագործվում են 34 մ DSN ալեհավաքներ, օրական մոտ 8 ժամ: Սա, սակայն, չի նշանակում, որ փոխանցումը միշտ գտնվում է առավելագույն արագությամբ, որը կարելի է տեսնել DSN ալեհավաքների տվյալներից։
Հնարավորություն կա նաև ուղիղ կապ հաստատել Երկրի և այն սարքերի միջև, որոնք գտնվում են Մարսի մակերեսին՝ շրջանցելով մոլորակի ուղեծրում գտնվող զոնդերը։ Բայց նման միացումները կարող են իրականացվել միայն արտակարգ իրավիճակներում կամ ուղարկել միայն պարզ կառավարման հրամաններ: Նման սահմանափակումները պայմանավորված են նրանով, որ մոլորակի ուղեծրից դեպի Մարս ազդանշանի թողունակությունը 3-4 անգամ ավելի մեծ է, քան Երկրից Մարսի մակերես ուղիղ փոխանցման դեպքում: Նման հաղորդակցության համար օգտագործվում են X տիրույթում գործող ալեհավաքները ինչպես Երկրի վրա, այնպես էլ ռովերի վրա։
Բայց կան նաեւ հաղորդակցության ընդհատումներ, որոնց վրա այսօր չենք կարող ազդել։ Նրանց պատճառը Արևն է: Արեգակն ինքնին կարող է խանգարել իր մոտով անցնող զոնդերի տվյալների փոխանցմանը, քանի որ Կարմիր մոլորակը պարզապես ժամանակ առ ժամանակ թաքնվում է մեզանից։ Եվ քանի որ մենք դեռ չունենք լավ զարգացած կապի ցանց Արեգակնային համակարգում, Մարսը մոտ 10 օր է պահանջում, որպեսզի երկու տարին մեկ սահի արեգակնային սկավառակի կողքով: Հենց այս ժամանակահատվածում իսպառ բացակայում է կապը ռովերի և զոնդերի հետ։
Երբեմն այլ ելք չկա, պետք է շատ աշխատել ու սպասել տվյալներին օրերով կամ նույնիսկ ամիսներով
Բարեբախտաբար, Մարսի առաքելությունների դեպքում գիտնականները մինչ այժմ նման խնդիրներ չեն ունեցել։ Բայց եթե ձեզանից որևէ մեկը հիշում է 1990-ականների Galileo զոնդը, ապա գիտեք, որ այն ժամանակ մեծ խնդիրներ կային ցամաքային հսկողության հետ: Զոնդի փոխանցման ալեհավաքը միայն մասամբ էր գործարկվել, ուստի այն չկարողացավ հասնել 134 կբիթ/վրկ թողունակության նախատեսված թողունակությանը: Գիտնականները ստիպված են եղել տվյալների սեղմման նոր մեթոդներ մշակել՝ զոնդի հետ կապը չկորցնելու համար։ Նրանք կարողացան երկրորդ ցածր շահույթով ալեհավաքի աշխատանքը 8-16 բիթ/վրկ-ից (այո, բիթ/վրկ) բարձրացնել մինչև 160 բիթ/վրկ, իսկ հետո՝ մոտ 1 կբիտ/վ: Դա դեռ շատ քիչ էր, բայց պարզվեց, որ դա բավարար էր առաքելությունը փրկելու համար:
Մյուս կողմից, շատ հեռավոր տիեզերանավերը պետք է հագեցած լինեն շատ հզոր հաղորդող ալեհավաքներով և էներգիայի աղբյուրներով, քանի որ փոխանցումը երկար ժամանակ է պահանջում: New Horizons զոնդից, որի հաղորդիչ ալեհավաքն ունի 12 Վտ հզորություն, Պլուտոնի մոտ թռիչքից հետո գիտնականները ամիսներ շարունակ սպասել են փոխանցվող տվյալների ամբողջական փաթեթին:
Կարո՞ղ է այս խնդիրը լուծել: Այո, հնարավոր է, բայց դրա համար մենք պետք է կապի ցանցեր կառուցենք Արեգակնային համակարգով մեկ, բայց դա պահանջում է շատ ժամանակ և, իհարկե, հսկայական ֆինանսական ներարկումներ։
Ի՞նչ կարող ենք սպասել հաջորդիվ:
Վստահ եմ, որ մեզ շատ հետաքրքիր տեղեկություններ են սպասում Մարսի մակերևույթից և դրանից դուրս։ Մարդկությունը ցանկանում է դուրս գալ Երկրից և ուսումնասիրել հեռավոր մոլորակները և արևային այլ համակարգեր: Թերևս մի քանի տասնամյակից իմ այս հոդվածը միայն կժպտա Մարսի կամ Ալֆա Կենտավրիի որևէ տեղ դպրոցականներին: Միգուցե այդ դեպքում մարդկությունը թռչի այլ մոլորակներ նույնքան հեշտ և պարզ, ինչպես մենք հիմա Կիևից Նյու Յորք ենք: Ես վստահ եմ մի բանում, անհնար է կասեցնել մարդկության ցանկությունը ուսումնասիրելու տիեզերքը:
Հետաքրքիր է նաև.