Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[pkl]

Но ведь проект Longshot, насколько мне известно, никаких ретрансляторов не предполагал? Сигнал должен был идти от звезды до звезды. Отсюда и мощность. Longshot - это одна крайность. Кубозонд - другая. Нужно искать оптимум.
До Проксимы Центавра 270 000 а.е. Так что даже если зонды будут способны обмениваться данными через 100 а.е., их надо будет 2700. Гм!:(

[tagus]

Я не предлагаю кубосатам держать связь с Проксимой. Там в описании проекта, помнится, была методика расчета оптического канала, которой можно воспользоваться для оценки лазерных кубосатов.

[Иван57]

tagus пишет:
Я не предлагаю кубосатам держать связь с Проксимой. Там в описании проекта, помнится, была методика расчета оптического канала, которой можно воспользоваться для оценки лазерных кубосатов.

Я тут поковырялся и вывел приблизительную формулу исходя из квантового ограничения чувствительности приема.

W=N*B*h*c*4*L^2*lambda/d^4
где: N - число принимаемых фотонов на 1бит информации
     B - Скорость передачи, бит/сек
     h - Постоянная Планка 6,626*10^-34 Дж*с
     c - скорость света 3*10^8 м/с
     L - Расстояние передачи, м
     lambda - длина волны связи, м
     d - диаметр объектива, м

В реальности хуже будет из-за помех от звезд.
Но лучше быть не может.

Так что передача по цепочке ретрансляторов может иметь смысл с целью вести прием сигнала вне засветки конкретных звезд.


Для примера:

длина волны передачи    мкм    0,5
диаметр объектива    м    0,5
Дальность передачи    а.е.    200
скорость передачи    бит/сек    2500
число фотонов на бит    шт.    10
мощность передатчика    Вт    142,4

[tagus]

Иван57 пишет:
d - диаметр объектива, м
...
число фотонов на бит шт. 10

По-моему там диаметр апертуры, а не объектива фигурирует и не маловато ли 10 фотонов на бит?

[Иван57]

tagus пишет:

Иван57 пишет:
d - диаметр объектива, м
...
число фотонов на бит шт. 10

По-моему там диаметр апертуры, а не объектива фигурирует и не маловато ли 10 фотонов на бит?

http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EF%E5%F0%F2%F3%F0%E0_%28%EE%EF%F2%E8%EA%E0%29
"
Апертура (лат. apertura — отверстие) в оптике — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения.
...
Если объект удаленный (как у телескопа или обычного фотообъектива) то апертуру измеряют в линейном виде — это просто диаметр светового пучка на входе в оптическую систему, который ограничивается апертурной диафрагмой и достигает изображения. В телескопах этот диаметр обычно равен диаметру первого по ходу света оптического элемента (линзы или зеркала).
...
"

Так что в данном случае можно, наверно, сказать "диаметр объектива".

----
http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2005_3_24.php
"
Канальные фотоумножители PerkinElmer Optoelectronics


Скрипников Андрей


Ранее мы уже писали о продукции компании PerkinElmer для систем охраннопожарных сигнализаций — пироэлектрических приемниках и термопарных датчиках [2]. Настоящая статья посвящена другой большой группе компонентов PerkinElmer — канальным фотоумножителям.

Фотоумножители предназначены для детектирования (улавливания) очень малых освещенностей (вплоть до отдельных фотонов).
...
"
------
Берем два фотона и по очереди передаем их на приемник.
Предположим длительность между посылкой первого и второго фотона квантована на 256 интервала.

Итого имеем, что с помощью двух фотонов мы передали 1 байт = 8 битам информации.
Т.е. 1/4 фотона на 1 бит информации.

Так что 10 фотонов на 1 бит запросто можно увеличить до 40 фотонов в сигнальной вспышке.

А фотоумножитель отдельные фотоны считает. С какой-то вероятностью, конечно.

Так что 10 фотонов на бит теоретически может хватить.

[zyxman]

Я где-то читал описание квантовой системы передачи данных (на спутанных фотонах), так там речь идет о более сотни квантов на бит.
Ну конечно можно рассчитывать что за те десятилетия, что пройдут до запуска зонда, технологии усовершенствуют, и появятся приемники, надежно фиксирующие десятки и даже единичные кванты, но пока не меньше сотни.

Плюс, не забываем, что приемник находящийся на Земле это одно, а тот что будет лететь в дальнем космосе - совсем-совсем другое - там ввиду космической специфики чувствительность будет намного хуже (минимум на порядок), в угоду надежности.

[zyxman]

Кстати, PerkinElmer это та самая фирма, что сделала кривое зеркало для Хаббла, и затем всё равно обанкротилась:D

[Иван57]

zyxman пишет:
Я где-то читал описание квантовой системы передачи данных (на спутанных фотонах), так там речь идет о более сотни квантов на бит.
Ну конечно можно рассчитывать что за те десятилетия, что пройдут до запуска зонда, технологии усовершенствуют, и появятся приемники, надежно фиксирующие десятки и даже единичные кванты, но пока не меньше сотни.

Плюс, не забываем, что приемник находящийся на Земле это одно, а тот что будет лететь в дальнем космосе - совсем-совсем другое - там ввиду космической специфики чувствительность будет намного хуже (минимум на порядок), в угоду надежности.

http://lnfm1.sai.msu.ru/lnfm/forstudents/practic.shtml
"
...
Несмотря на то, что в последние 10–15 лет основным оптическим приемником в астрономии стала ПЗС матрица, обладающая более высокой квантовой эффективностью (отношением числа рожденных фотоэлектронов к числу упавших фотонов) и свойством координатной чувствительности, ФЭУ находит широкое применение в исследованиях, где главным являетс измерение общего потока от астрономического объекта в очень широком диапазоне блеска (динамический диапазон качественного современного ФЭУ на 2 порядка превышает динамический диапазон ПЗС матрицы) либо с высоким временным разрешением (временное разрешение ФЭУ лежит в области наносекунд, тогда как для ПЗС это в лучшем случае доли секунды) либо в ультрафиолетовом диапазоне спектра (эффективность ФЭУ для диапазона короче 350 нм обычно выше чем у ПЗС матрицы).

Система электронного умножения является важной составляющей структуры ФЭУ, без которой все преимущества большой активной площади обнаружения будут потеряны. В большинстве режимов работы фотоэлектронному умножителю достаточно произвести только один фотоэлектрон, энергии которого хватит для создания заряда достаточной величины, чтобы выходной сигнал с ФЭУ был обработан электронной схемой.
...
"

50% квантовая эффективность у фотоэлектронного умножителя - т.е. каждый второй фотон фиксируется.
И ультрафиолет в нашем случае - тоже неплохо, так как чем короче длина волны, тем сильнее можно сфокусировать луч.

[zyxman]

Мечты.. Мечты..

Во первых, мы в космосе, и там у нас будет порядочный шум от радиации, причем со временем будет еще и заметная деградация параметров и электроники и покрытий того-же ФЭУ, и даже оптики..
Во вторых, ультрафиолет очень противная штука для оптики, тк поглощается всем чем ни попадя, и чем коротковолновей тем хуже, то есть там будет  целая проблема и в материале для линзы (чтоб пропустила и не поглотила и не отразила) и в материале для отражающих элементов оптики(чтоб не поглотить а отразить). Собственно, как раз ввиду его поглощения, ультрафиолет так хорош для ФЭУ;)
То есть на ровном месте ради этих десяти квантов столько геморроя, что ни в сказке сказать, ни бульдозером убрать..

[pkl]

Т.е. придётся увеличивать мощность передатчика. Чёртова физика!:evil: А если поискать какой-нибудь диапазон в видимом спектре? Допустим, фиолетовый или синий. У них и длина волны маленькая, и энергия кванта максимальна. И... это уже оптика, т.е. можно применять обычные материалы!
Про радио: а может приёмная антенна зонда-ретранслятора может быть очень большой и лёгкой? Если, допустим, сделать её из такой же плёнки, что и парус и так же стабилизировать вращением?

[Иван Моисеев]

pkl пишет:
Т.е. придётся увеличивать мощность передатчика. Чёртова физика!:evil: А если поискать какой-нибудь диапазон в видимом спектре? Допустим, фиолетовый или синий. У них и длина волны маленькая, и энергия кванта максимальна. И... это уже оптика, т.е. можно применять обычные материалы!
Про радио: а может приёмная антенна зонда-ретранслятора может быть очень большой и лёгкой? Если, допустим, сделать её из такой же плёнки, что и парус и так же стабилизировать вращением?

Давным-давно Форвард предлагал в качестве антенны использовать сам парус. А еще раньше - в проекте Дедал предлагалось в качестве антенны использовать сопло двигателя... А ретранслятор не нужен...

[Иван57]

pkl пишет:
Т.е. придётся увеличивать мощность передатчика. Чёртова физика!:evil: А если поискать какой-нибудь диапазон в видимом спектре? Допустим, фиолетовый или синий. У них и длина волны маленькая, и энергия кванта максимальна. И... это уже оптика, т.е. можно применять обычные материалы!
Про радио: а может приёмная антенна зонда-ретранслятора может быть очень большой и лёгкой? Если, допустим, сделать её из такой же плёнки, что и парус и так же стабилизировать вращением?

Синий-зеленый... Можна. А еще можно ближний ультрафиолет.
Однако сильно вы не выиграете по сравнению с зеленым светом. Ну в два, ну в четыре раза по мощности при тех же габаритах зеркала.
Да, и еще не забудьте про ту лампу-вспышку, которой вы сигналить будете. Она ведь тоже желательна с хорошим КПД.
Так что в комплексе надо смотреть. И с учетом передачи, и с учетом приема.

Радио вместо света... У меня в примере диаметр зеркала 0,5 м получился при длине волны 0,5 мкм (зеленый свет).
Если у вас длина волны 5 см, то соизмеримый размер зеркала должен быть в десять раз больше - 5 м. И при этом чувствительность приемника должна быть такой, чтобы зафиксировать десять радиофотонов с длиной волны 5 см.
Упретесь в те же шумы. Причем еще хуже будет, ибо электронные компоненты те же, а энергия фотонов в десять тысяч раз ниже.

Антенна из паруса... Кому-то тут не нравилась идея солнечного концентратора
И вот еще что. Какая должна быть толщина и материал пленки, чтобы эффективно отразить радиоволну?

[Иван57]

zyxman пишет:
Мечты.. Мечты..

Во первых, мы в космосе, и там у нас будет порядочный шум от радиации, причем со временем будет еще и заметная деградация параметров и электроники и покрытий того-же ФЭУ, и даже оптики..
Во вторых, ультрафиолет очень противная штука для оптики, тк поглощается всем чем ни попадя, и чем коротковолновей тем хуже, то есть там будет целая проблема и в материале для линзы (чтоб пропустила и не поглотила и не отразила) и в материале для отражающих элементов оптики(чтоб не поглотить а отразить). Собственно, как раз ввиду его поглощения, ультрафиолет так хорош для ФЭУ;)
То есть на ровном месте ради этих десяти квантов столько геморроя, что ни в сказке сказать, ни бульдозером убрать..

Шум от радиации... Ну сделать вокруг ФЭУ защитный счетчик. Те если счетчик сработал и в это же время прошел импульс по ФЭУ, то он не считается.

Деградация покрытий... Тут только заменять из запаса. Как патроны в барабане револьвера.
А чтобы не деградировали при хранении - наддуть инертным газом. Перед использованием - газ откачать за борт.

Да и вот еще что. Эффективность ФЭУ возрастает при охлаждении. Так что может просто держать ФЭУ при криогенной температуре - вот и замедлится деградация...  И чувствительность увеличится...

[tagus]

Иван57 пишет:

мощность передатчика Вт 142,4

Но есть нюанс:  эффективность преобразования.

[tagus]

pkl пишет:
А если поискать какой-нибудь диапазон в видимом спектре?

Диапазон придется искать, как компромисс между несколькими параметрами. Проблематику энергетики и расходимости пучка Иван57 очертил, но не рассмотрен еще фактор помех (соотношение сигнал/шум) - засветка от звезд. В "Лонгшоте", например, длину волны брали 532 нм именно из соображений минимума помех.

[zyxman]

Иван57 пишет:
Деградация покрытий... Тут только заменять из запаса. Как патроны в барабане револьвера.

А сам запас у вас где будет храниться, так чтобы на него не воздействовала космическая радиация?
- Тут же ж весь огород городится ради МИНИМИЗАЦИИ МАССОГАБАРИТА, а чтобы защититься от радиации, по представлениям нынешней физики (а другая в этой теме злостный и наказуемый оффтоп), нужно сидеть в ОГРОМНОЙ бочке с водой.
И совсем не факт, что развитие науки/технологии что-то улучшит именно в случае покрытий, то есть нужно рассчитывать ТОЛЬКО на то что доступно здесь и сейчас.

[zyxman]

Я хотел сказать, что сейчас круг материалов для космических покрытий и так очень узок, а если еще требовать работу с коротковолновым ультрафиолетом, то вообще не факт что найдем что-то реально существующее.
Поэтому правильно будет не рассчитывать на ультрафиолет.

[pkl]

Иван Моисеев пишет:
Давным-давно Форвард предлагал в качестве антенны использовать сам парус. А еще раньше - в проекте Дедал предлагалось в качестве антенны использовать сопло двигателя...

Про идею Р. Форварда я знал ещё со школы. А вот про сопло Дедала - это для меня открытие. А где они собирались облучатель антенны размещать?

 Иван Моисеев пишет:
А ретранслятор не нужен...

Если зонд размерности Дедала или хотя бы  - то конечно. Но меня зацепила идея сверхкомпактного зонда минимальной массы. Который, в случае чего, можно и электромагнитным ускорителем запускать. Или парусом.

[pkl]

Иван57 пишет:
Синий-зеленый... Можна. А еще можно ближний ультрафиолет.
Однако сильно вы не выиграете по сравнению с зеленым светом. Ну в два, ну в четыре раза по мощности при тех же габаритах зеркала.
Да, и еще не забудьте про ту лампу-вспышку, которой вы сигналить будете. Она ведь тоже желательна с хорошим КПД.
Так что в комплексе надо смотреть. И с учетом передачи, и с учетом приема.

Вот это я и имел в виду, когда чуть выше просил подобрать спектр. КПД зелёных лазерных указок - 20%.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерная_указка
Идея перспективна - зелёных звёзд не бывает, помехи легко отсекаются зелёным светофильтром. И ловится обычной оптикой!:)
Гм, у меня в голове вертится идея создать на основе, допустим, вот такого изделия:
http://www.membrana.ru/particle/3562
кубосат с опытной системой связи и проверить, насколько далеко бьёт.

Иван57 пишет:
 Радио вместо света... У меня в примере диаметр зеркала 0,5 м получился при длине волны 0,5 мкм (зеленый свет).
Если у вас длина волны 5 см, то соизмеримый размер зеркала должен быть в десять раз больше - 5 м. И при этом чувствительность приемника должна быть такой, чтобы зафиксировать десять радиофотонов с длиной волны 5 см.
Упретесь в те же шумы. Причем еще хуже будет, ибо электронные компоненты те же, а энергия фотонов в десять тысяч раз ниже.

5 м - это не страшно. У Вояджеров диаметр антенн 3,66 м. В общем, пока обе идеи кажутся перспективными.

Иван57 пишет:
 Антенна из паруса... Кому-то тут не нравилась идея солнечного концентратора
И вот еще что. Какая должна быть толщина и материал пленки, чтобы эффективно отразить радиоволну?

Ну я пока не думаю соединить антенну и движитель в одну конструкцию, а только лишь хочу применить для того и того один и тот же материал.
Всё же, Иван, антенна чуть больше вояджеровской - это одно. А солнечный концентратор размером со стадион Лужники - это совсем другое.

[pkl]

Иван57 пишет:
Да и вот еще что. Эффективность ФЭУ возрастает при охлаждении. Так что может просто держать ФЭУ при криогенной температуре - вот и замедлится деградация... И чувствительность увеличится...

Там, где будет работать зонд, с этим проблем не будет. У меня есть ещё одна идея: а нельзя ли использовать в конструкции аппарата сверхпроводники? С холодом там всё в порядке. И нам не нужно будет заботиться о подогреве аппарата. А заодно уменьшим его энергопотребление.