Лазерный мост до Луны: как Artemis 2 впервые показал человечеству космос в прямом эфире

Весь мир следил за подвигами лунной миссии NASA Artemis 2 практически в реальном времени благодаря высокотехнологичной лазерной линии связи между астронавтами и Землёй, обеспечившей потоковое видео высокой чёткости и передачу изображений.

Оптическая передача данных — в данном случае посредством инфракрасного света — называется «лазерком» (lasercom), и именно она лежала в основе того, что сделало Artemis 2 столь успешным в глазах публики. Благодаря снимкам высокого разрешения, публиковавшимся ежедневно, казалось, что мы все вместе с командиром Ридом Уайзманом, пилотом Виктором Гловером и специалистами полёта Кристиной Кох и Джереми Хансеном проходим каждый шаг их путешествия вокруг Луны.

Всё это стало возможным благодаря устройству под названием Orion Artemis 2 Optical Communications System (O2O), разработанному исследователями из Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института. Инфракрасный лазер передавал данные на Землю со скоростью до 260 мегабайт в секунду — быстрее, чем у некоторых домашних широкополосных подключений. Инфракрасные сигналы, а не радио, были выбраны по целому ряду причин. Во-первых, ближний инфракрасный свет способен проходить сквозь тонкую облачность, поэтому затянутое небо не стало бы помехой для связи. А во-вторых, оптический свет работает на более высокой частоте, чем радио, что позволяет упаковывать в сигнал значительно больше данных.

«Наша цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать эксплуатационную пригодность O2O для пилотируемых космических полётов, распространив высокоскоростные соединения, которыми пользователи интернета наслаждаются на Земле, на астронавтов в дальнем космосе», — заявила Фарзана Хатри, ведущий системный инженер группы оптической и квантовой связи Линкольновской лаборатории. «Мы не только осуществили первое применение лазерной связи на пилотируемой миссии за пределами низкой околоземной орбиты, но и вызвали колоссальный общественный интерес, поскольку астронавты делились мультимедиа из своего путешествия практически в реальном времени».

Рождение легендарных кадров

Изображения играли в миссии Artemis 2 первостепенную роль. Фантастические фотографии вроде «Hello, World» и «Earthset» не появились случайно. Экипаж прошёл специальную подготовку в Космическом центре NASA имени Джонсона в Хьюстоне по наблюдению и съёмке Луны и Земли, а система O2O гарантировала, что их лучшие кадры попадут на Землю и разойдутся по новостным сайтам и социальным сетям в течение считанных часов после того, как были сделаны.

Система O2O берёт своё начало в родственном проекте, разработанном командой Линкольновской лаборатории, — модульном, адаптивном и масштабируемом оптическом терминале MAScOT. Он был доставлен на Международную космическую станцию и впервые испытан в 2023 году, в свою очередь основываясь на более ранних экспериментах по лазерной связи, таких как прибор NASA OPALS, передавший 165-мегабитное видео с МКС ещё в 2014 году. O2O представляет собой эволюцию MAScOT. Она состоит из трёх модулей: оптического модуля с 10-сантиметровым телескопом, фокусирующим лазер, и карданными подвесами для наведения; модуля с модемом, преобразующим электронные данные в оптические; и контроллера, взаимодействующего с космическим аппаратом для точного позиционирования телескопа.

Лазер нацеливался на одну из трёх наземных станций, главными из которых были испытательный полигон NASA Уайт-Сэндс в Нью-Мексико и станция Тэйбл-Маунтин Лаборатории реактивного движения в Калифорнии; третьей, экспериментальной, выступила обсерватория Маунт-Стромло Австралийского национального университета.

Первоначально предполагалось, что сеансы связи будут длиться не более часа в сутки, но поскольку O2O показала себя настолько эффективной в передаче данных, по ходу миссии время её использования только росло. Руководители полёта даже приняли решение временами корректировать ориентацию капсулы Orion в пространстве, чтобы продлить периоды, когда она находилась в прямой видимости наземной станции, позволяя передавать ещё больше информации. В общей сложности за 10 дней полёта O2O передала полтерабайта данных.

«O2O смогла сбросить на Землю все данные, хранившиеся на множестве бортовых камер, что позволило центру управления стереть карты памяти и заполнить их новыми фотографиями и видео», — отметила Хатри, особо подчеркнув, что передача данных через лазерный канал фактически защитила эту информацию. «В любой космической миссии учёные и инженеры опасаются, что данные, не отправленные в ходе полёта, могут повредиться или погибнуть. А когда капсула возвращается, извлечение этих данных порой занимает месяцы. Возможности лазерной связи, предоставленные O2O, гарантировали сохранность данных и их немедленную доступность для анализа».

Лазерная революция и будущее межпланетного интернета

На Земле мы уже давно используем лазеры для передачи данных по оптоволокну, и десятилетиями именно лазеры считались будущим космической связи. Радио, будучи проще, обладает куда более низкой скоростью передачи из-за малой частоты, ограничивающей пропускную способность, — именно по этой причине даже поиск внеземного разума (SETI) сегодня ориентируется не только на радиосигналы, но и на оптические. Лазеры способны передавать от 10 до 100 раз больше данных в секунду, чем радиоволны, и Хатри полагает, что O2O способна превзойти даже этот показатель, увеличив скорость нисходящего канала ещё как минимум в 10 раз по сравнению с тем, что было достигнуто на Artemis 2.

Эта возросшая пропускная способность позволит миру следить за будущими миссиями Artemis с ещё более близкого расстояния. И когда человек наконец ступит на лунную поверхность впервые после эпохи «Аполлонов», благодаря O2O и её наследникам мы будем чувствовать себя так, словно находимся там, рядом с ними. Но лунными миссиями амбиции разработчиков не ограничиваются: та же технология рассматривается как основа для марсианской программы. Если на передачу чёткого сигнала с Красной планеты по радио ушли бы десятки минут, лазерный луч, сфокусированный в сотни раз точнее, способен проложить путь для настоящего межпланетного интернета, где задержка останется физической неизбежностью, но объём переданной информации вырастет на порядки. И однажды, глядя на прямую трансляцию марсианского рассвета, мы вспомним, что всё начиналось с крошечного 10-сантиметрового телескопа, нацеленного на Землю из тёмной бездны за лунной орбитой.

Источники:
Заявления Фарзаны Хатри и материалы Линкольновской лаборатории MIT, NASA (космические центры имени Джонсона, Уайт-Сэндс и Лаборатория реактивного движения), данные программы OPALS (2014), эксперимент MAScOT на МКС (2023), прямая трансляция миссии Artemis 2.