Теплый ламповый пиксель

Как советские космические станции делали снимки без многопиксельных ПЗС-матриц? Как 60 лет назад им удалось снять обратную сторону Луны и скрытую облаками поверхность Венеры? Для этого были разработаны устройства особого типа, совсем не похожие ни на тогдашние фотоаппараты, ни на современные цифровые камеры. Это были телефотометры, «гибриды» телекамер и сканеров, позволявшие получать круговую панораму окружающей местности. Об истории этих устройств и о результатах, полученных с их помощью, рассказывает историк космонавтики Павел Шубин.

Телевидение на Луне

Шестьдесят лет назад человечество впервые «дотянулось» до другого небесного тела. В 1959 году были запущены сразу три станции: «Луна-1», первой преодолевшая гравитацию Земли, пролетевшая мимо Луны и ставшая спутником Солнца; «Луна-2», первой в истории достигшая Луны; и «Луна-3», впервые в мире облетевшая Луну и передавшая на Землю фотографии ее обратной стороны.

Такой успех нужно было развивать, и 10 декабря 1959 года вышло постановление ЦК КПСС и Совета Министров «О развитии исследований по космическому пространству», в котором, кроме всего прочего, предписывалось разработать станцию для мягкой посадки на Луну.

Причем, конечно, целью была не мягкая посадка как таковая, а то, что она могла дать. Так что было сформировано техническое задание (ТЗ) на создание специальной телевизионной камеры для передачи изображений поверхности Луны.

Телевизионная аппаратура должна была обеспечивать круговой обзор местности, число строк в одном кадре должно было быть не менее 250, массу одного комплекта телевизионной аппаратуры ограничили 7 килограммами, а общее потребление — 60 ваттами. Впрочем, на станции планировали установить две камеры для резервирования.

К выполнению этого задания приступил ВНИИ-380 (Всесоюзный институт телевидения), где подготовили первый вариант камеры массой около 10 килограмм и потреблением 30 ватт. По описанию, она была подобна камере, которую впоследствии американские специалисты установили на лунной станции «Сурвейор» (американская модель весила 7,31 килограмма).

Устройство располагало неподвижной телевизионной камерой, направленной вверх, круговой обзор местности осуществлялся поворотом зеркала, а его наклоном выбирался район фотографирования. Панорамы потом можно было склеить из отдельных кадров.

В целом, идея логичная, со своими плюсами, и достаточно красивая. Но сотрудники ВНИИ-380 не остановились на выбранной схеме, а занялись ее модификацией для снижения массы.

Судя по финальному отчету камеры «Волга», во время ее разработки были рассмотрены несколько десятков разных схем, причем как минимум по десяти из них были проведены конструкторские проработки. В итоге инженеры сумели создать куда более легкую камеру, получившую название телефотометр, способную сразу делать круговой обзор местности с минимальными искажениями и хорошей четкостью.

В основе их идеи был тот факт, что Луна очень и очень медленно вращается вокруг своей оси — полный оборот она совершает практически за месяц. На передачу всех снимков во время кругового обзора должно было уйти порядка нескольких часов — можно считать, что нужно было обеспечить съемку неподвижного изображения с постоянным уровнем освещения. А значит, скорость углового сканирования могла быть небольшой.

Сканер вместо камеры

Вот здесь и была сформулирована основная идея устройства, делавшая его ближе к современным сканерам, чем камерам.

Что такое камера? Это система, при помощи объектива и затвора проецирующая изображение на некую матрицу. Тогда это были телевизионные трубки вроде видикона, сейчас ПЗС. Матрица обеспечивает разрешение картинки, как по вертикали, так и горизонтали.

В то же время в сканере есть только одна линейка, обеспечивающая разрешение по вертикали. Разрешение по горизонтали получается за счет движения линейки вдоль документа.

Вот и в телефотометре разрешение по горизонтали обеспечивалось поворотом его головки вокруг своей оси. При этом механически осуществлялась и вертикальная развертка за счет качания зеркала. Так что в телефотометре, по современной терминологии, был всего один приемный пиксель, на который и проецировалась окружающая местность с минимальными искажениями, причем в роли приемника излучения использовалась вакуумная лампа — очень чувствительный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Некоторые варианты фотоумножителей могут регистрировать отдельные фотоны. В 1960-е годы приводили такой пример: если бы у Земли не было атмосферы, то ФЭУ мог бы зафиксировать свет от спички, зажженной на Луне.

За счет своей чувствительности ФЭУ — один из немногих вакуумных приборов, используемых и сейчас, пусть он и требует достаточно высокого напряжения для работы.

Низкая скорость сканирования поверхности позволила синхронизировать ее со скоростью передачи данных. Другими словами, информация о выбранном участке поверхности Луны сразу отправлялась на Землю, а там печаталась на ленте. Промежуточные запоминающие устройства оказались не нужны, а это позволило сильно упростить конструкцию.

В результате телефотометр «Волга» получился массой всего 3,4 килограмма, с потреблением 12-15 ватт. Начальное техническое задание было перевыполнено.

Именно его и установили на наши первые станции для мягкой посадки на Луну. Реальная масса научной аппаратуры на них получилась 8 килограммов, но при этом второй телефотометр решили не ставить — остаток массы был выделен на другие научные приборы.

Но сфотографировать Луну «Волге» так и не удалось, потому что оснащенная этим прибором станция «Луна-4» не смогла достичь цели, а инженеры сразу же приступили к его модернизации. По воспоминаниям Арнольда Селиванова из НИИ-885, разработка альтернативной модели телефотометра была во многом инициативной работой.

Новый вариант камеры под индексом Я-198 весил всего 1,3 килограмма при потреблении 3 ватта. Но этим его достоинства не ограничивались.

«Волга» требовала расположения внутри герметичного корпуса, тогда как Я-198, рассчитанный на небольшое давление, конструктивно мог располагаться вне гермокорпуса станции. Это позволило отказаться от очень сложного в изготовлении сферического иллюминатора массой 1,1 килограмма и влагопоглотителя массой еще 1 килограмм.

В результате замена телефотометра уже давала экономию в 4,2 килограмма. При этом возникали дополнительные преимущества: сильно упрощался монтаж станции, можно было заправлять ее корпус более влажным азотом.

Новый телефотометр также обладал заметно более высоким разрешением — 500 линий против 250. Общие же параметры панорамы стали 6000 × 500 элементов. Правда, при этом возросло время передачи одной панорамы, но это было связано как раз с увеличением чувствительности нового телефотометра.

И когда 3 февраля 1966 года станция «Луна-9» впервые в мире села на поверхность Луны, именно Я-198 показал всему миру первые панорамы поверхности нашего естественного спутника.

Перехватчики

Вот только первыми их распространило вовсе не советское телеграфное агентство. В эту историю неожиданно вмешались английский астроном Бернард Ловелл (Bernard Lovell) и его коллеги, сотрудники радиотелескопа «Джодрелл Бэнк».

Ловелл занимался радиоперехватом сигналов с советских аппаратов с самого начала космической эры. Тем более что 76-метровое зеркало его радиотелескопа даже сейчас остается одной из крупнейших полноповоротных антенн, а уж тогда оно было на первом месте с очень большим отрывом.

Благодаря его помощи было получено независимое подтверждение того, что станция «Луна-2» впервые в мире осуществила жесткую посадку на Луну — разбилась о ее поверхность. Поэтому, отслеживая сигнал «Луны-9», его коллектив еще до официальных сообщений понял, что Советский Союз успешно посадил станцию на Луну.

Однако перехватить сигнал было еще полдела. Все измерения показывали, что станция успешно села на Луну. Объем трафика свидетельствовал о передаче первых изображений лунной поверхности. Но ведь никто им не сообщал, каким образом кодировалось изображение!

Нетрудно понять, что они чувствовали. Они практически держали в руках первые фотографии Луны — в виде колонки цифр с телетайпа, записи на магнитной ленте, звучащего из динамиков сигнала. Луну можно было потрогать, услышать, но нельзя было увидеть.

По воспоминаниям, в этот момент один из сотрудников радиотелескопа Рейнард Ласцелс вдруг понял, что сигнал с «Луны 9» очень напоминает ему звук работающего факса. У газеты Daily Express из Манчестера срочно был позаимствован факс, и после небольшого переоборудования на нем были получены настоящие фотографии Луны!

Именно эти фотографии первыми увидел весь мир. При помощи того же факса фотографии были переданы остальным газетам. Это было тем более эффектно, что от СССР пока поступило только официальное сообщение о посадке станции. В новостях показали интервью с ученым, сообщившим, что фотографии получены.

Но это не конец истории. Была еще одна команда, которая в те годы расшифровала панорамы с советской станции, но мир об этом узнал только в XXI веке. Речь идет про АНБ — Агентство национальной безопасности США.

Для перехвата сигналов с советских межпланетных станций АНБ построило приемный центр рядом с городом Асмэра в Эфиопии (ныне Эритрее). На базе Kagnew были сооружены две остронаправленные антенны диаметром 26 и 46 метров. Комплекс был сдан в конце 1964 года и уже в 1965 году перехватывал сигналы советских межпланетных станций. Его звездный час пришел именно после посадки «Луны-9».

Дальше хотелось бы процитировать воспоминания Джона О`Хара, опубликованные в 2003 году:

Я был тогда молодым инженером-электриком в АНБ. Через несколько дней после посадки «Луны-9» я инспектировал новых сотрудников, занятых работой на спроектированном мной оборудовании, как вдруг мне предложили прервать брифинг и пригласили на консилиум, посвященный расшифровке данных с «Луны-9».
Председательствовал там командующий ВМС Чак Стайлс. В число участников также входили представители аналитических отделов и доверенные подрядчики АНБ. Была представлена техническая спецификация сигнала станции, но сама встреча результатов не принесла.
На ней аналитические отделы так и не смогли предоставить рекомендации по расшифровке сигнала, а подрядчики предлагали идеи, связанные с закупкой только очень дорого оборудования. Это все очень огорчило Стайлса. Он прямо сказал: «Белый дом и весь Конгресс прямо сейчас ждут ответов от АНБ, а у нас их нет».
После встречи началась дискуссия, в ходе которой я сказал, что можно попробовать обойтись тем, что есть в наличии, и набросал примерную схему. Для печати можно было использовать новое устройство АНБ под названием ZURO. Оно позволяло сразу получать изображение на специальных рулонах, чувствительных к ультрафиолетовому изображению.
В тот же день нужная система была собрана, Рассел и я подали записанный сигнал в систему в полной уверенности, что сразу же получим снимки. Но получили только белый шум и были очень обескуражены.
После этого решено было провести спектральный анализ сигнала «Луны-9», и мы поняли, что он был ниже, чем полоса пропускания ZURO. Мы спешно собрали преобразователь частоты и действительно получили отличные изображения лунного пейзажа.
Возле новой панорамы сразу собралась толпа, и кто-то заметил на части панорамы надписи на кириллице. Уже через несколько минут нашлось с десяток лингвистов для расшифровки изображения. Надо сказать, все почувствовали разочарование, узнав, что это был идентификатор или серийный номер. Похоже, все ожидали найти там фразу вроде «Вот тебе, Америка!»
Как позже сказал нам Чарли Тевис, глава консультативной группы по электронной разведке (DAGER), фотографии были на столе президента Джонсона в тот же день.

Луноходы с фотометрами

Всего «Луна-9» передала панорамы поверхности Луны при разном угле освещения Солнцем. После такого успеха телефотометры прочно заняли свое место на борту советских посадочных аппаратов.

На следующей посадочной станции «Луна-13» было уже два телефотометра — для получения стереоскопических изображений. Оказалось, это была удачная идея, так как один телефотометр на станции отказал по неизвестной причине. Благодаря второму прибору Земля увидела еще несколько панорам лунной поверхности.

Дальше — больше. Станция «Луна-20» оценивала место забора грунта при помощи двух телефотометров, а на советских луноходах стояли уже четыре телефотометра, передававшие как вертикальные, так и горизонтальные панорамы. Общее число панорам с них уже исчислялось сотнями: 211 — с «Лунохода-1» и 86 — с «Лунохода-2».

Несколько секунд на Марсе

На спускаемом аппарате автоматической межпланетной станции «Марс-3», вперые совершившем посадку на Красную планету в декабре 1971 года, также стояли телефотометры, но, к сожалению, полноценной панорамы получить не удалось. По неизвестной причине, спускаемый аппарат получил повреждения сразу после посадки.

В документах его производителя, НПО имени Лавочкина, упоминается, что мощность сигнала все время падала — скорее всего, был поврежден аккумулятор. Станция села во время пылевой бури, одной из крупнейших, что до того момента наблюдали на Марсе, но, по современным представлениям, это не могло повлиять на спускаемый аппарат.

Тем не менее, вскоре после посадки аппарат начал передачу первой панорамы поверхности Марса. Увы, она продолжалась всего 14,5 секунды (по другим данным, 20 секунд), после чего спускаемый аппарат «Марса-3» замолчал навсегда.

На снимках хорошо виден момент начала передачи панорамы. Белый шум сменяется очень темной и малоконтрастной картинкой с техническими метками по краям. В технических метках передавался уровень яркости, и они тоже свидетельствовали об очень слабом освещении. К сожалению, это вся информация, которую удалось тогда получить.

Увидеть Марс люди сумели лишь в 1976 году благодаря американским специалистам — и телефотометрам. Американцам так понравилась идея советских инженеров, что для посадочных станций серии «Викинг» они разработали телефотометры собственной конструкции.

Масса каждого из них составляла 7,26 килограмма, но их конструкция была заметно сложнее и совершеннее. В частности, там была матрица 2 × 6 фотодиодов, настроенных под разный спектральный диапазон. Она позволяла получать черно-белые, цветные и инфракрасные панорамы. Общий угол зрения составил 342 градуса, а разрешение — 2500 × 512 пикселей с 32-мя градациями на канал.

Это был первый и последний случай, когда американские инженеры использовали специализированные панорамные камеры. Когда 20 лет спустя США начали посылать на красную планету марсоходы, на них стали устанавливать обычные цифровые камеры.

Контрасты Венеры

С Венерой советским ученым повезло куда больше, хотя опасений с ней было связано больше, чем с Марсом.

С одной стороны, они знали, что уровень освещенности на поверхности Венеры достаточен для получения изображения. Этот эксперимент был проведен с помощью станции «Венера-8». Но для конструкторов телефотометров этого было мало. Венера выглядела слишком сложной планетой, на многие вопросы о параметрах ее атмосферы ни у кого не было ответа.

Ожидали разного: то, что на поверхности Венеры наличествует гигантская рефракция, из-за которой наблюдатель способен охватить единым взглядом чуть ли не всю планету; что там, напротив, условия обозрения таковы, что наблюдатель едва рассмотрит место, на котором стоит; что в атмосфере там висит малопрозрачный приповерхностный слой; что поверхность Венеры совершенно гладкая, покрытая расплавленным металлом, из-за чего контрастные изображения получить будет невозможно; и тому подобное.

Эти опасения привели к тому, что на спускаемые аппараты поставили галогенные ртутные лампы — специально для увеличения контрастности (а не для освещения, как можно было подумать).

22 октября 1975 года спускаемый аппарат станции «Венера-9» коснулся планеты. По плану пиропатроны должны были отстрелить крышки с телефотометров, но, к сожалению, как надо сработал лишь один из них. На Землю поступила первая панорама с поверхности Венеры.

Оказалось, что спускаемый аппарат сел на довольно крутой склон, и сработала камера, обращенная к его вершине. Второй телефотометр, обращенный к обрыву, тоже работал, но крышка не давала получить изображение.

Через три дня на Венеру сел спускаемый аппарат следующей советской станции — «Венеры-10». И вскоре перед учеными оказалась еще одна панорама поверхности планеты.

Последнее достижение советских телефотометров также связано с Венерой. В 1982 году спускаемые аппараты станций «Венера-13» и «Венера-14» прислали цветные панорамы ее поверхности. Для получения цвета панорамы передавались через красный, зеленый и синий светофильтр. В синем уровень сигнала оказался настолько слаб, что можно было различить лишь сброшенную крышку телефотометра.

Во время полета «Венеры-14» (как и в случае с «Венерой-13») сигнал со спускаемого аппарата ретранслировался на Землю через перелетный модуль, который во время передачи сигнала удалялся от планеты. Из-за этого сигнал с поверхности становился все более и более слабым, пока окончательно не исчез.

Переданная им панорама — последний взгляд человечества на Венеру. С того дня прошло уже 37 лет, но до сих пор никто не может точно сказать, когда в следующий раз мы увидим новые фотографии с ее поверхности.

Конечно, после «Венеры-13» и «Венеры-14» на планете побывали еще и отлично зарекомендовавшие себя спускаемые аппараты миссии «Вега». Но они садились на неосвещенную сторону Венеры, и камеры с них решили снять.

Панорамные камеры, которые конструктивно похожи на телефотометры, не канули в историю, хотя в них используются ПЗС-матрицы (точнее «ПЗС-линейки») . Они входили в систему технического зрения на станции «Фобос-Грунт», есть они и в новых российских проектах, таких как «Луна-25» или «Венера-Д». Так что не исключено, что мы еще увидим отечественные панорамы других миров.

Павел Шубин