ВВЕДЕНИЕ

Россией в космос 27 июня 2023 года в спутнике Земли "Нанозонд-1 был запущен первый в мире космический сканирующий зондовый микроскоп "СММ-2000С", который успешно работает в открытом космосе уже больше полутора лет. Этот микроскоп был создан для двух важных задач, которые стали решаться впервые в мире: для изучения стойкости материа­лов космических кораблей к воздействию ионов солнечного ветра непосредственно в космосе, а также для выяснения, на каких орбитах еще нет облаков быстрой пыли, возникающей от столк­новения старых неуправляемых спутников и их частей между собой. Проблема в том, что солнечный ветер обдирает, а пыль чеканит и облепляет корпуса, иллюминаторы, антенны и солнечные батареи кораблей.

Используя имеющийся в соответствии с патентом приоритет, начато строительство новых аналогичных космических микроскопов. Следующий запуск в спутнике НИУ МИЭТ планируется в 2025 году. А с первого в мире космического микроскопа "СММ-2000С" получено уже достаточно кадров, чтобы начать их анализировать.

МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ КАДРОВ

Анализируемые в данной публикации кадры получены в режиме сканирующей туннельной микроскопии. Заостренная платиновая игла при включении микроскопа или в автоматическом режиме один раз в сутки может приближаться к полированной поверхности из золота и втечении примерно 5 мин сканировать на ней один и тот же участок 4 × 4 мкм. В остальное время суток игла отведена вверх и в сторону на расстоя­ние около 0,5 мм. Поверхность золота при этом открыта для воздействий из открытого космоса. Золото выбрано как химически инертный материал, который не окисляется в условиях естественной земной атмосферы за время подготовки ракеты с микроскопом к старту, так и по механическим свойствам, близким к мягкой меди, которая используется в космосе для изучения кратеров от попадания быстрых частиц пыли или микрометеоритов.

Микроскоп имеет процессор, который по цифровому интерфейсу передает при сканировании весь кадр в процессор спутника, а тот через УКВ-приемопередатчик на частоте 437 МГц транслирует этот кадр на Землю. К сожалению, длина одного пакета УКВ-передачи при используемых в спутниках типа Sputnix CubeSat OrbiCraft-Pro протоколах AX.25 (USP) не может быть более 204 (184) байт, так что в одном пакете нельзя передать даже одну строчку кадра. Каждая точка строчки кадра представляет собой 16-разрядную высоту рельефа, это 2 байта. В 204 байтах помещается только 102 точки, но для строчки микроскопного кадра этого мало. Поэтому мы приняли решение делить строчки кадра на части. Дополнительная трудность при этом возникла из-за того, что спутник пролетает поле видимости одной антенны на Земле примерно за 15 мин, и за это время принять все части всех строчек кадра трудно. Поэтому в начале каждой части строчки мы записываем номер кадра, номер строчки и положение этой части в строчке, чтобы можно было ловить части строчек по-отдельности на разные антенны и далее пересылать их по сети Интернет в единый центр, где кадры сшиваются. Каждая часть строчки по алгоритму "CRC16 X-modem" вычисления контрольной суммы предварительно проверяется на безошибочность приема-передачи.

Далее кадры проходят подготовку для анализа. Спутник при вращении вокруг Земли то нагревается на Солнце, то охлаждается, когда "прячется" от нее за Землю. В начале каждой части строчки передается также температура микроскопа перед снятием этой строчки, на основе чего с учетом заранее проградуированного термодрейфа микроскопа делается поправка. Перед сканированием для испарения с поверхности золота осаждающихся на ней инородных атомов, мешающих качественному сканированию, для экономии энергии спутника прогрев делается не только за счет электричества, но и Солнца. Для этого сканирование начинается после прогрева на Солнце при начале захода спутника в тень от Земли и охлаждении при этом до 20 оС. Микроскоп обложен металлическими листами для защиты процессора от радиации, это дает также и запас тепла, так что с добавлением маломощного прогрева электричеством температура микроскопа за время сканирования снижается не более чем на один градус. Это несущественно искажает картинку микроскопа. Следует отметить, что если процессор немного запаздывает включать сканирование и оно стартует при температуре немного ниже 20 оС, то и снижение температуры за время сканирования больше. Для исключения сбоев процессор микроскопа контролируется независимой системой, которая его оперативно перезагружает в случае зависания, например, из-за космической радиации.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.