Кубсат, который выжил

    Прохладным вечером 28 октября 2014 года ракета-носитель Antares плавно оторвалась от стартового стола. По плану она должна была доставить на МКС частный транспортный корабль Cygnus и пару десятков исследовательских кубсатов. К сожалению, этот осенний вечер выдался на редкость жарким: через пятнадцать секунд после старта в районе маршевых двигателей ракеты произошел взрыв.



    Позже комиссия установит, что причиной аварии стало разрушение турбонасосного агрегата первого двигателя, что привело к взрыву и повреждению второго двигателя. Потерявшая тягу ракета с полными баками топлива рухнула на стартовый стол. Обломки того, что еще минуту назад было перспективным транспортным кораблем, теперь разлетались по атлантическому побережью.



    Пожар на земле продолжался более часа и надолго вывел из строя стартовый комплекс. Тяжелыми были последствия и для компании Orbital ATK: следующий Cygnus удалось запустить лишь через год, причем в качестве носителя пришлось использовать Атлас-5. Ракете Antares повезло еще меньше: многострадальные двигатели AJ-26 (а проблем с ними хватало еще на испытаниях) было решено заменить на более современные РД-181, из-за чего полеты пришлось отложить почти на два года.



    Но нет худа без добра. Среди обломков, найденных на побережье, удалось обнаружить практически неповрежденным один из кубсатов – GomX-2. Несмотря на маленькие размеры, одна из задач этого спутника была весьма авантюрной: проложить дорогу в космос для квантовой криптографии. Разработчики (научная группа из Сингапура) хотели проверить, реальна ли работа источника запутанных фотонов в космосе. Эксперимент должен был стать пионерским, поэтому отправлять запутанные фотоны на Землю или на другие спутники не предполагалось. Тем не менее, устройство получилось не из простых: на спутнике были установлены:


    • источник запутанных фотонов;
    • схема для измерения степени запутанности (при помощи лавинных фотодиодов);
    • источник высокого напряжения для фотодиодов;
    • система термостабилизации всей оптики;
    • наконец, не самая простая электроника, управляющую всем этим.

    И все это – на плате размером 10 на 10 сантиметров и массой всего лишь 250 грамм!



    То, что такому нафаршированному спутнику удалось выжить при взрыве ракеты, похоже на чудо. Судя по всему, свою роль в этом сыграли три фактора. Прежде всего, ракета упала на стартовый стол почти вертикально, поэтому полезной нагрузке удалось избежать очага пожара – ее подбросило и раскидало в стороны взрывной волной. Это подтверждает и то, что на найденном спутнике остались целыми хомуты, которые должны были расплавиться уже при 144°С.


    Вторая причина в том, что все кубсаты планировалось запускать с борта МКС. Делается это при помощи вот такой пусковой установки:



    Пусковую установку заряжают вручную внутри МКС, и по этой причине все кубсаты находились внутри грузового корабля. По-видимому, корпус Cygnus сыграл для спутников спасительную роль – в точности как холодильник для Индианы Джонса, пытающегося убежать от ядерного взрыва.



    Наконец, разработчики спутника ответственно подошли к креплению оптики. Каждый элемент располагался в небольшом углублении, выточенном в цельном куске алюминия, и заливался эпоксидной смолой.



    Некоторые оптические элементы были очень чувствительны к поворотам, и их пришлось устанавливать чуть хитрее. Сначала их закрепляли на микрометрическом столике и юстировали, после этого заливали эпоксидкой. Когда она полностью застывала, юстировочный столик убирали.



    Оптика


    Основное применение источника запутанных фотонов – квантовое распределение ключа по протоколу Экерта (детали — под спойлером). Давайте разберемся, как же он устроен на спутнике.


    Ekert'91

    Суть протокола Экерта в следующем: источник генерирует пары фотонов, один из которых отсылается Алисе, второй – Бобу. Фотоны в паре поляризационно запутаны: их поляризации совпадают, но какие они именно, нам неизвестно.



    У Алисы и Боба есть по поляризатору, который пропускает фотоны, поляризованные вертикально, и отражает поляризованные горизонтально (в своей системе отсчета). Его можно устанавливать в одну из трех заранее выбранных позиций. Собственно, Алиса и Боб именно этим весь фильм и занимаются: для каждого пришедшего фотона они случайно устанавливают поляризатор в одну из трех позиций. А после множества фотонов созваниваются и говорят друг другу, как был установлен поляризатор для каждого из фотонов.


    Если поляризаторы были установлены одинаково, то и запутанные фотоны поведут себя на них одинаковым образом (либо пройдут через поляризатор, либо отразятся). Как повели себя фотоны, известно и Алисе, и Бобу – и больше никому. Поэтому эти результаты можно использовать в качестве битов секретного ключа.


    Зачем же тогда вращать поляризаторы? Дело в том, что их несовпадающие положения позволяют Алисе и Бобу проверить неравенства Белла (они, как известно, нарушаются в нашем квантовом мире). Но если в канале связи появится Ева и начнет читать или подменять фотоны, то от запутанности не останется и следа, а неравенства Белла будут выполнены. Это будет признаком того, что канал связи скомпрометирован.


    Пары запутанных фотонов обычно получают в спонтанном параметрическом процессе, где один фотон расщепляется на два со вдвое меньшей энергией (и, соответственно, вдвое большей длиной волны) и запутанностью по одному из параметров (например, по поляризации). Происходит это в хитрых нелинейных кристаллах и выглядит примерно так (пары фотонов показаны зеленым):



    На картинке пара фотонов разлетается в разные стороны, но она может распространяться и вдоль основного луча. Вообще говоря, вероятность генерации пары мала. Но это не баг, а фича: пары фотонов генерируются не очень часто и не перемешиваются друг с другом; не возникает проблем в духе «из какой же пары этот фотон?». Теперь давайте посмотрим, как выглядит оптика на GomX-2:



    Здесь лазерный диод LD с длиной волны излучения 405 нм (фиолетовый) генерирует пары фотонов в кристалле BBO (β-борат бария). Фотоны в паре получаются с разными длинами волн – 760 и 867 нм, но на запутанность это не влияет. Сразу после этого цветные фильтры LP 1&2 убирают засветку от фиолетового лазера, а зеркало GM поворачивает пару фотонов вниз, в сторону детекторов.


    Следующая часть – измерение запутанности. По сути, проверка того, совпадают ли поляризации фотонов при разных ориентациях поляризаторов. На оптической схеме это нижняя часть: зеркало DM отражает один фотон и пропускает другой; после этого каждый из фотонов попадает на вращающийся поляризатор LC-PBS, а затем – на лавинный фотодиод APD.


    Суть эксперимента состоит в том, что для разных ориентаций поляризаторов считается количество совпадений – то есть событий, когда два фотодиода одновременно детектируют по фотону. Оно должно быть максимальным, когда поляризаторы повернуты на один и тот же угол, и минимальным, когда они перпендикулярны друг другу. В микроконтроллер кубсата было записано несколько программ экспериментов, каждая длительностью по полчаса. Дольше не получалось: на Солнце спутник нагревается до +26; эксперимент же планировалось проводить при +18.


    Пара слов про поляризатор. На самом деле он не вращается: его поляризация изменяется подачей напряжения на ЖК-пластинку LC. Вот эта пластинка и пострадала при взрыве больше всех: мало того, что она хрупкая, так еще и необратимые повреждения в ней происходят уже при 90°С. На графике видно, что точность изменения поляризации ушла в сторону после взрыва (синяя кривая):



    При этом сам источник пережил аварию весьма бодро – корреляции остались на высоком уровне. Вместо первого в мире космического источника запутанных фотонов получился первый в мире источник, способный составить конкуренцию Индиане Джонсу.



    Эпилог


    Жаль, что GomX-2 так и не смог выполнить свою миссию. С другой стороны, тогда конструкторам не удалось бы получить ценнейший опыт, убедиться в высочайшей надежности их детища и добиться еще одной попытки запуска. Второй летный экземпляр отправился в космос в декабре 2015 года на первом сингапурском кубсате GALASSIA.



    Эксперимент начался в конце января. Все это время температурный режим кубсата оставался в норме, а фотодиоды, лазер и ЖК-поляризаторы не потеряли своих свойств. Наконец, самое главное: источник действительно генерировал запутанные фотоны. Первый космический эксперимент по квантовой оптике закончился феноменальным успехом.



    А еще за это время на космодроме MARS отремонтировали стартовую площадку. Сейчас заканчиваются испытания ракеты Antares с новыми двигателями. Ее следующий пуск планируется совсем скоро – в этом сентябре. Пожелаем ей счастливого полета.

    Поделиться публикацией
    Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

    Зачем оно вам?
    Реклама
    Комментарии 15
    • +4
      Кстати, вчера китайцы успешно запустили первый спутник квантовой связи: Long March 2D launches world’s first quantum communications satellite.
      • +2
        Это здорово, посмотрим, что получится.
        • 0
          Ага, второй день жду на GT статью об этом
        • 0
          Интересно, а вторую ступень можно использовать для эвакуации оборудования? Вроде все компоненты есть, нужно только программно модифицировать. Если первая ступень теряет тягу, вторая ступень отделяется и спасает оборудование. Достаточно метров на 500 отлететь.
          • +1
            Насколько помню, ЖРД, используемый там, нельзя просто так вот взять и очень быстро запустить. Емнип, там еще и тяга маловата для этого.
            • +2
              Тяга — меньше, но тут важна не она, а создаваемое двигателем ускорение: если у ступени оно будет больше — то её можно отвести от предыдущей, если меньше — то «не взлетит». Поэтому все САС на пилотируемых кораблях создают ускорение в районе 6g (с запасом), когда максимальное штатное ускорение ракеты не больше 4-5g — так как надо гарантированно превысить этот показатель на всех участках полёта ракеты (даже если ускорение превысит штатное, если скажем двигатель отказался выключаться по циклограмме, когда первая ступень сильно полегчала в конце своей работы, или при взрыве двигателя/ступени когда ускорение тоже может оказаться большим).

              На старте обычно ускорение — минимально, так как ракета имеет максимальный вес (а ускорение — это масса делённая на тягу), поэтому вторая ступень скорее всего могла бы отвезти груз в сторону — но только это бесполезно, так как средств мягкой посадки, вроде парашютов — там всё равно нет (эти системы надо делать/дорабатывать под каждый обтекатель, а то и отдельный груз — что не рентабельно).

              Да технической возможности такой, обычно нет: весь полёт проходит по циклограмме, даже если что-то идёт нештатно — ракета по заданной программе держит включенными / отключает раньше двигатели, пытаясь привести курс/скорость/положение в пространстве к необходимым параметрам (начиная от преждевременного отключения предыдущей ступени, и кончая неточностями в моменте старта). С земли обычно можно только подорвать ракету, если поломка серьёзна, или передать команду на включение двигателей САС (для пилотируемых кораблей), и всё.
              • +1
                ЖРД, используемый там, нельзя просто так вот взять и очень быстро запустить

                На второй ступени Антареса стоит твердотопливный Castor производства OATK. Тяга в связке с Cygnus всё ещё с TWR > 1, так что улететь сможет. Запускается быстро, но вот с выключением, кхм, проблемы :)

              • 0
                Нет.
                Двигатель не тот.
                Модификация не выгодна ни разу, как и отдельная система.
                • +2
                  Проще было бы систему спасения, как в пилотируемых кораблях.
                  Видимо — экономят на весе, т.к. убитые спутники покрывает страховка, а вот космонавты — не столь расходный материал.
                  Хотя птичку (спутники) всё-равно жалко :-(
                  • 0
                    Ну спутники есть по 6 миллиардов, их тоже жалко. Система эвакуации пусть будет 0.01 миллиарда, все равно окупится.
                    • +6
                      Большие спутники, которые по 6 миллиардов, часто даже на бок класть нельзя, ибо рассчитанный исключительно на продольные нагрузки. Так что система спасения скорее всего их просто угробит при срабатывании.
                      • +1
                        Плюс масса парашюта (и рывок при его срабатывании), плюс удар при приземлении.

                        Если не ошибаюсь, иногда САС на беспилотные запуски ставили, и как-то раз она вроде даже что-то спасла. Но исходя из здравого смысла это реально только на полетах пилотируемых кораблей в автоматическом режиме, без людей.
                • +1
                  Назвали бы лучше «Кубсат, который смог»
                  • 0
                    Почему этот источник должен работать именно в космосе? Разве нельзя получать пары на Земле и отправлять фотоны на спутник?
                    • +2

                      Тоже можно (на гиктаймсе я про это как-то упоминал). Пока что это совсем новая область, поэтому пробуют разные способы.


                      Вообще, мотивация выводить это все в космос простая — там затухание гораздо меньше, чем в оптоволокнах. И дальности несоизмеримо выше.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.