ГЛАВА VI Связь с космонавтом

Во время запуска пилотируемого космического корабля центр управления полетами переполнен специалистами и инженерами. Находясь у пультов, они следят за показаниями сотен контрольно-измерительных приборов. Их глаза прикованы к панелям, которые сообщают информацию о состоянии многочисленных систем и подсистем пусковой установки, космического корабля, наземного оборудования и самих космонавтов. Вся эта информация посредством телеметрии передается со скоростью света сначала с космодрома, находящегося за многие километры от них, а потом, после запуска космического корабля, из космоса.
Слово «телеметрия» произошло от греческих tele — вдаль, далеко и metreo — мерю и обозначает раздел науки о передаче на расстоянии недоступных для непосредственных измерений данных к месту, где они могут быть восприняты. Если речь идет о космической телеметрии, это значит, что необходимые данные о космическом летательном аппарате поступают не только тогда, когда корабль стоит на стартовой площадке, но и на протяжении всего полета, когда корабль может находиться за миллионы километров от Земли и от места наблюдения за полетом.
Однако телеметрия не является результатом развития космических исследований. Она существовала еще до изобретения радиолампы, которая сделала возможным развитие электроники. Еще в 1885 году в США были опубликованы патенты на телеметрическую систему, основанную на передаче электрических сигналов по проводам, а в 1912 году такая система была создана в Чикаго. В середине 30-х годов успехи радиотехники позволили устанавливать на радиозондах телеметрические системы для измерения температуры, влажности и давления нижних слоев атмосферы. Биотелеметрия, с помощью которой осуществляется дистанционное измерение физиологических параметров живых организмов, тоже родилась до начала космической эры. Электрокардиология человеческого сердца была впервые введена в 1887 году А.Д. Уокером, а в 1906 году У. Эйнтховен передал электрокардиограмму из больницы в лабораторию, находящуюся от нее на расстоянии 1,5 км, по проводам. К 1910 году был изобретен стетоскоп, который передавал по проводам тоны сердца на расстоянии до 1600 км. Однако можно считать, что начало современной биотелеметрии заложили эксперименты, подобные экспериментам, проведенным ВВС Швейцарии в 1952 году. Суть этих экспериментов заключалась в том, что во время полета группы реактивных истребителей у каждого пилота снималась электрокардиограмма, которая передавалась на наземный пункт, отражая действие на сердце перегрузок и перепадов атмосферного давления.
Чтобы лучше понять и оценить сложность сбора и передачи на Землю физиологических данных о космонавтах и о работе систем их жизнеобеспечения, кратко рассмотрим основы телеметрии.

Основы телеметрии

Система телеметрии должна воспринимать изменение какого-либо физиологического параметра, преобразовывать его в электрический сигнал, накладывать этот сигнал на несущую радиочастоту и передавать на определенное расстояние радиоприемному устройству. Основные элементы такой системы показаны на приведенной ниже схеме. Воспринимающими элементами системы могут быть различного рода датчики-преобразователи. Например, динамик радиоприемника или телевизора является типичным датчиком для преобразования электрической энергии в механическую, а затем и в энергию звуковой волны. Таким образом, воспринимающий элемент представляет собой устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.
Большинство воспринимающих элементов, используемых в космической телеметрии, содержат механические элементы, которые изменяют электрическое сопротивление, емкость или индуктивность электрических цепей, хотя существуют также особые воспринимающие элементы, работа которых основана на пьезоэлектрическом или термоэлектрическом эффекте. С их помощью можно обнаружить и преобразовать в электрические сигналы вибрацию, давление, напряжение, температуру, деформацию и другие изменения физических параметров.

Рис. 69. Блок-схема системы телеметрии, обнаруживающей изменения в скорости космического корабля. Воздух, попадая через воздухозаборник [1], оказывает давление на диафрагму [4] датчика [5], что в свою очередь изменяет положение движка потенциометра [2] и, таким образом, частоту генератора поднесущей частоты [3], сигналы которого модулируют несущую частоту ЧМ-передатчика [6]. Сигналы последнего передают информацию в эфир. Расположенное на Земле радиоприемное устройство принимает эти сигналы

Рис. 69. Блок-схема системы телеметрии, обнаруживающей изменения в скорости космического корабля. Воздух, попадая через воздухозаборник [1], оказывает давление на диафрагму [4] датчика [5], что в свою очередь изменяет положение движка потенциометра [2] и, таким образом, частоту генератора поднесущей частоты [3], сигналы которого модулируют несущую частоту ЧМ-передатчика [6]. Сигналы последнего передают информацию в эфир. Расположенное на Земле радиоприемное устройство принимает эти сигналы

На рис. 70 приведена фотография типичного воспринимающего элемента, используемого для измерения давления по изменению индуктивности. При увеличении давления в трубке она поворачивается по часовой стрелке, в результате чего изменяется индуктивность находящейся ниже катушки. Это изменение индуктивности приводит к изменению частоты генератора поднесущей частоты (ГПЧ), что в свою очередь вызывает модуляцию несущей частоты радиопередатчика.
Выходные сигналы большинства воспринимающих элементов, особенно тех, которые используют в биометрии, обычно бывают недостаточно большими, чтобы они могли непосредственно управлять ГПЧ. В таких случаях необходимы промежуточные согласующие устройства. Обычно это усилители постоянного или переменного тока, фазочувствительные модуляторы и прочие преобразователи. Они модулируют сигналы ГПЧ по амплитуде (амплитудная модуляция — AM), по фазе (фазовая модуляция — ФМ) или, что чаще всего, по частоте (частотная модуляция — ЧМ). Фото используемого в современной биотелеметрии согласующего устройства приведено на рис. 72.

Рис. 70. Датчик, используемый для измерения давления по изменению индуктивности

Рис. 70. Датчик, используемый для измерения давления по изменению индуктивности

Выходные сигналы ГПЧ в свою очередь модулируют сигналы высокочастотного передатчика. В биотелеметрии обычно принята частотная модуляция. В этих генераторах чаще всего используются контуры с индуктивностями и емкостями, фазосдвигающие схемы с сопротивлениями и емкостями или схемы мультивибраторов. Часто воспринимающий элемент можно включить непосредственно в схему ГПЧ и таким образом исключить согласующее устройство. Успехи микроминиатюризации и разработка интегральных схем для космических исследований позволяют делать ГПЧ для биотелеметрии размером не больше кусочка сахара.
Частота даже самого высокочастотного канала ГПЧ недостаточно высока для эффективной непосредственной радиопередачи сигналов, поэтому для ее повышения приходится использовать высокочастотный радиопередатчик. Выходные сигналы нескольких ГПЧ можно объединять в один сигнал, чтобы не включать в телеметрическую систему по отдельному передатчику для каждого воспринимающего элемента. Высокочастотный радиопередатчик обычно построен по схеме ЧМ-передатчика, стабилизированного кварцем, либо ФМ-передатчика с управлением фазой с помощью кристалла. Перед излучением телеметрического сигнала антенной или антенной решеткой его обычно усиливают с помощью мощного усилителя.
На космическом корабле имеется значительное количество воспринимающих элементов, включая и его двигательную установку, поэтому было бы нерационально передавать сигналы каждого из них по отдельному каналу поднесущей частоты. Число каналов ограничивают путем разделения выходных сигналов ГПЧ по частоте или по времени либо используют оба способа одновременно. Если нужно передавать относительно небольшое количество данных, то достаточно разделения сигналов по частоте.

Рис. 71. Блок-схемы, иллюстрирующие преимущество телеметрической системы с разделением каналов по времени перед частотным разделением каналов. В системе с разделением по частоте [верхняя схема] сигналы одного датчика [внизу] модулируют один генератор поднесущей частоты [вверху]. В системе с разделением по времени [нижняя схема] с каждым генератором поднесущей частоты связано несколько датчиков [внизу], подключаемых к нему попеременно с помощью коммутатора.

Рис. 71. Блок-схемы, иллюстрирующие преимущество телеметрической системы с разделением каналов по времени перед частотным разделением каналов. В системе с разделением по частоте [верхняя схема] сигналы одного датчика [внизу] модулируют один генератор поднесущей частоты [вверху]. В системе с разделением по времени [нижняя схема] с каждым генератором поднесущей частоты связано несколько датчиков [внизу], подключаемых к нему попеременно с помощью коммутатора.

Если же предстоит передавать сигналы большого числа воспринимающих элементов, то более эффективно разделение во времени. При частотном разделении сигналов каждый воспринимающий элемент модулирует один ГПЧ, а выходные сигналы всех ГПЧ смешиваются и образуют один сложный полный сигнал, который излучается радиопередатчиком.

Рис. 72. Согласующее устройство, обычно используемое в системе телеметрии для усиления сигналов, получаемых от биодатчиков [электрокардиографии]

Рис. 72. Согласующее устройство, обычно используемое в системе телеметрии для усиления сигналов, получаемых от биодатчиков [электрокардиографии]

При разделении по времени с каждым ГПЧ связано несколько воспринимающих элементов и их выходные сигналы подаются к этому ГПЧ по очереди, а не одновременно. Такая выработка производится коммутатором, или роторным переключателем, установленным между воспринимающими элементами и ГПЧ. Этот переключатель может быть либо механическим и работать от электродвигателя, либо электронным на транзисторах и диодах и работать от внешних синхронизирующих импульсов. В космической телеметрии обычно используются переключатели последнего типа, быстродействие которых намного больше. Из блок-схемы, помещенной на рис. 69, ясно видно, как много информации можно передать с помощью системы телеметрии, используя разделение сигналов по времени.

Рис. 73. Успехи физики твердого тела позволяют использовать в системах биотелеметрии миниатюрные электронные схемы. Фотография позволяет сравнить размеры согласующего устройства для телеметрического канала измерения кровяного давления космонавтов кораблей «Джеминай» [на фото снизу] с согласующим устройством того же назначения более ранней разработки для космонавтов кораблей «Меркурий»

Рис. 73. Успехи физики твердого тела позволяют использовать в системах биотелеметрии миниатюрные электронные схемы. Фотография позволяет сравнить размеры согласующего устройства для телеметрического канала измерения кровяного давления космонавтов кораблей «Джеминай» [на фото снизу] с согласующим устройством того же назначения более ранней разработки для космонавтов кораблей «Меркурий»

На приемной радиостанции имеются специальные антенны с очень высоким коэффициентом направленности (с высоким усилением), необходимым, чтобы компенсировать затухание сигналов, пришедших от чрезвычайно удаленных от них телеметрических радиопередатчиков.

Рис. 74. Гигантская антенна, установленная в Джодрэлл Бэнк [Англия]. Диаметр ее приемного устройства, способного принимать очень слабые телеметрические сигналы от космического корабля, удаленного на большое расстояние, составляет 76 м

Рис. 74. Гигантская антенна, установленная в Джодрэлл Бэнк [Англия]. Диаметр ее приемного устройства, способного принимать очень слабые телеметрические сигналы от космического корабля, удаленного на большое расстояние, составляет 76 м

Одна из крупнейших антенн для слежения за космическими летательными аппаратами показана выше. Антенны, подобные этой, вращаются и могут сканировать по углу места (изменять угол наклона), чтобы следить за движущимся объектом. Слабые сигналы, полученные антенной, усиливаются «малошумящими» предусилителями, смонтированными на антенне, и далее по коаксиальному кабелю передаются к приемнику, где они дополнительно усиливаются и детектируются или демодулируются. Эти сигналы поступают далее к спектроанализатору для их визуального наблюдения и в то же время записываются на пленку. Записанные сигналы обрабатывают, пропуская их через ряд полосовых фильтров, которые разделяют полный телеметрический сигнал на его составляющие или на частоты, соответствующие ГПЧ, имеющимся в передатчике. Таким образом, получают информацию о недоступных для непосредственного наблюдения параметрах.

Далее…