ВЫБОР ТИПА АППАРАТУРЫ

На "Марсе-4" и "Марсе-5" использовалось два типа телевизионных систем, различающихся по принципу действия.

Первая система, аналогичная ранее установленной на спутниках "Марс-2" "Марс-3", состояла из так называемых фототелевизионных устройств (ФТУ). Съемка в этих приборах производится на фотопленку, которая обрабатывается в бортовых условиях. Полученное на ней изображение телевизионным способом передается по линии связи на Землю. В отличие от телевизионной системы космических аппаратов "Маринер" в ФТУ совмещены функции снимающего и запоминающего устройств, что обусловлено способностью фотопленки хранить изображение.

Зто дает почти двукратный выигрыш в весе для ФТУ при прочих одинаковых параметрах систем. Экономия в весе особенно важна в том случае, когда телевизионная съемка не является основной задачей космического аппарата. Имеются и другие преимущества: более высокая четкость изображения, чем у видикона (в 2-4 раза больший объем информации в одном кадре); большая величина коэффициента контраста (у фотопленки у = 1,5 -- 2, у видикона у = 0,8 -- 1). Последнее обстоятельство и большая спектральная чувствительность в красной области особенно важны для съемки такого малоконтрастного объекта, как Марс.

В то же время ФТУ значительно сложнее в разработке, и требуется: преодоление больших технических трудностей для обеспечения необходимого уровня его надежности. Это относится в основном к той части ФТУ, которая связана с бортовой химико-фотографической обработкой фотопленки, включая вопросы ее защиты от космической радиации, сохранности реактивов и др.

ФТУ ранее успешно работали на советских и американских космических аппаратах, исследовавших Луну: "Луна-3" (1959 г.) [8], "Зонд-3"-(1965 г.) [9], серия "Лунар Орбитер" (1965-1966 гг.) [10]. Опыт этих работ использовался при создании марсианских ФТУ с учетом новых требований, вытекающих из значительно большего времени пребывания аппаратуры в космосе, которое складывалось из времени перелета (около 8 месяцев) и времени активной работы на орбите по программе (до трех месяцев).

Фотопленка и видикон, которые практически возможно было применить для съемки Марса, имеют спектральную чувствительность, ограниченную видимым диапазоном световых волн. Для съемки в ближнем инфракрасном участке спектра необходимо использовать другой тип телевизионной системы. Наиболее простым в данном случае было применение оптико-механического сканирующего устройства (ОМС), или, иначе,, сканера. В ОМС с помощью собирающей оптической системы с малым мгновенным углом зрения просматривается (сканируется) путем механического перемещения оптических элементов определенный участок поверхности объекта по одной координате. Сканирование по другой координате производится за счет движения спутника, хорошо ориентированного в пространстве и относительно планеты. При этом ОМС обеспечивают передачу панорамного изображения поверхности планеты. Панорамные-ОМС в различных конструктивных вариантах использовались ранее на КА для исследования Луны [11-13]. Они отличаются малым весом, высоким качеством изображения, возможностью использовать в них свето-приемник, чувствительный к ближней инфракрасной области спектра,, в данном случае - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). ОМС, обеспечивая глобальный обзор планеты вдоль трассы движения спутника, создают непрерывное панорамное изображение, не расчлененное на отдельные кадры. Тем самым исключаются потери на яркостную и геометрическую нестыковку отдельных кадров, неизбежную для рассмотренных выше покадровых телевизионных систем. При этом особенно важным представляется возможность сохранения малоконтрастных протяженных деталей.

В ОМС, однако, трудно обеспечить высокое разрешение на поверхности, и сложность геометрической проекции панорамного изображения сильно затрудняет его топографическую обработку.

Установка ОМС на аппаратах "Марс-4" и "Марс-5" значительно упрощалась возможностью использовать для хранения информации ЗУ, предназначенные для записи сигналов, поступающих со спускаемого аппарата.

СОСТАВ АППАРАТУРЫ И ПРОГРАММА РАБОТЫ

На каждой станции было установлено по два ФТУ и два ОМС. ФТУ оснащались объективами с углами зрения и соответственно фокусными расстояниями, отличающимися в 7 раз, что давало возможность получить при съемке с номинальной высоты разрешение на поверхности около 700 и 100 м на один телевизионный элемент. Широкоугольное ФТУ имело набор сменных светофильтров. ОМС имели постоянные, но отличающиеся но характеристикам светофильтры. Они обеспечивали максимальное разрешение порядка нескольких километров. Аппаратура устанавливалась таким образом, чтобы оси визирования обоих ФТУ и одного из ОМС были параллельны и совпадали с направлением осей других научных приборов. Ось визирования второго сканера в расчете на получение дополнительной геометрической и фотометрической информации развернута на 30° (рис. 1).

Пространственное положение осей визирования в сеансах съемки, время проведения сеансов, а также ряд характеристик ФТУ выбирались, исходя из соображения обеспечения оптимальных условий съемки преимущественно зоны, смещенной в сторону вечернего терминатора. Основной режим съемки в перицентре осуществлялся при постоянной солнечно-звездной ориентации спутника. При этом оси визирования приборов, которые жестко закреплены на спутнике, смещаются параллельно в процессе его пролета вблизи планеты, оставаясь в плоскости орбиты.

Кроме съемки в режиме постоянной солнечно-звездной ориентации возможно проведение фотографирования при программном развороте спутника, когда оси визирования могут быть направлены в любую точку пространства. Этот режим был использован 21.11 1974 г. при фотографировании одного из предполагаемых районов посадки спускаемого аппарата.

В большинстве случаев съемка велась в основном режиме при высоте Солнца над местным горизонтом, равной 15-35°, максимальной высоте станции, близкой к 90°, и постоянном угле фазы 65°. В этих условиях фотографируемая поверхность имела близкий к максимальному контраст деталей при достаточной общей освещенности. Съемка могла производиться циклами по 12 кадров как синхронно обоими ФТУ, так и каждым прибором в отдельности, причем начало съемки устанавливалось либо автоматически, либо по команде с Земли. Так же по команде мог выбираться один из двух темпов съемки, различающихся в 4 раза.

В основном режиме специальный оптический "датчик планеты Марс" (ДПМ) фиксировал выход КА на освещенную сторону Марса и по прошествии 26 мин включал начало съемки. В этом случае использовался наиболее быстрый темп съемки, при котором весь цикл отрабатывался в оптимальной зоне и для широкоугольного ФТУ обеспечивалось перекрытие между кадрами до 80%, необходимое для цветной съемки при последовательной (покадровой) смене светофильтров (рис. 2, а).

Другой режим работы, при медленном темпе съемки и без переключения светофильтров, начинался по команде. При этом обеспечивалась сплошная съемка от лимба до терминатора с перекрытием между кадрами широкоугольного ФТУ около 25% (рис. 2, б). Для узкоугольного ФТУ при отоих темпах съемки кадры не перекрывались.

Панорамная съемка с помощью ОМС начиналась сразу же после срабатывания датчика ДПМ либо по команде.

В связи с тем, что время, выделенное на передачу изображения с аппаратов "Марс-4" и "Марс-5", было ограничено, возможности съемки значнтельно превышали возможности передачи. Поэтому передача с ФТУ кадров с номинальной четкостью производилась выборочно после про-гмитра всей снятой информации с четкостью, пониженной в 4 раза. Несколько кадров было передано с четкостью, в 2 раза большей, чем номинальная. Передача сигналов изображения по радиоканалу велась импульсным методом со скоростью 512 и 1024 тел. эл./с.

ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Принцип действия

ФТУ функционально разделяются на ряд блоков (рис. 3): фотосъемочная камера 1, блок химико-фотографической обработки пленки 2, устройство передачи изображения 3, кассеты для хранения пленки 4 и 5. Эти блоки конструктивно объединены общим лентопротяжным трактом и управляются одним блоком автоматики 6. Автоматика ФТУ построена на принципе комбинированного программно-командного управления. При этом работа ФТУ в таких режимах, как съемка, обработка и частично передача, осуществляется по ж есткой программе, задаваемой электронным программным устройством в соответствии с принятым режимом 12-кадрового цикла съемки. Различные варианты этих режимов устанавливаются но команде с Земли.

На рис. 4 схематично показан общий вид ФТУ со стороны лентопротяжного тракта. При включении программы "Съемка" пленка, находящаяся в подающей кассете 1, с помощью ведущего вала 2 начинает перематываться в приемную кассету 3, неэкспонированный участок пленки поступает на стол механизма прижима пленки 14 фотокамеры, где он с помощью затвора 5 экспонируется через объектив 6, выравнивающее стекло 4 и светофильтры 7.

После съемки одного цикла пленка автоматически перегоняется в такое положение, при котором первые кадры цикла устанавливаются перед капсулой обрабатывающего устройства 8 блока химико-фотографической обработки 9.

В соответствии с выбранной скоростью обработки производится ее проявление и стабилизация. В процессе обработки пленка сушится на нагретом барабане 10 и после окончания процесса автоматически устанавливается таким образом, чтобы начало первого кадра снятого цикла находилось против фильмового окна 11, через которое производится считывание изображения в устройстве передачи изображения 12. Считывание изображения может производиться в различных режимах по скорости передачи и четкости. Необходимые режимы устанавливаются по командам.

Фотографическая камера

В состав фотографической камеры (см. рис. 4) широкоугольного ФТУ входят: короткофокусный объектив 6, револьверный механизм смены светофильтров 7 и блок управления ими 13, затвор с устройством для фотометрической калибровки 5, выравнивающее стекло 4 с механизмом прижима пленки 14. ФТУ, имеющее малый угол зрения, снабжается длиннофокусным объективом с неподвижно закрепленным па нем светофильтром (габариты объектива показаны на рис. 4 штриховыми линиями).

В ФТУ используется короткофокусный объектив "Вега-ЗМСА" и длиннофокусный зеркально-линзовый объектив "Зуфар-2СА" [14]. Их параметры приведены в табл. 4. Револьверный механизм широкоугольного ФТУ снабжен четырьмя светофильтрами: красным, зеленым, синим и оранжевым. Перед длиннофокусным объективом постоянно установлен оранжевый светофильтр. Кратности фильтров выбраны с учетом спектральных характеристик используемой пленки, оптических элементов и усредненной спектральной характеристики поверхности Марса. На рис. 5 представлены суммарные спектральные характеристики ФТУ с учетом фильтров и фотопленки.

Револьверный механизм может работать в различных режимах. В первом режиме цветные фильтры автоматически последовательно меняются с каждым срабатыванием затвора. При этом ячейка с оранжевым фильтром пропускается. Во втором режиме револьверный механизм неподвижен и устанавливается в положение, когда перед объективом красный или оранжевый светофильтр. Последний целесообразно использовать главным образом в том случае, когда необходимо увеличить чувствительность ФТУ (практически такой необходимости не было).

Таблица 4
ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕКТИВОВ

Блок химико-фотографической обработки пленки

Блок химико-фотографической обработки ФТУ обеспечивает проявление и сушку экспонированных участков пленки. Этот блок, по существу, представляет собой систему, состоящую из следующих частей: собственно обрабатывающего устройства, эластичных камер для обрабатывающих растворов и осушителя, которые связаны между собой гидравлическими и пневматическими каналами и элементами автоматики.

Система основана на использовании капсулы для односторонней цикличной обработки светочувствительных материалов.

В связи с применением в данном устройстве двухстадийного процесса обработки в нем установлен модуль, состоящий из двух одинаковых капсул 1, каждая из которых (рис. 8) имеет петлевой канал, образованный пластичными перегородками, имеющими ножевидное сечение. На время обработки пленка 2 при помощи прижимного стола 3 приводится в контакт с капсулой. Между эмульсионным слоем пленки и днем капсулы образуется герметично замкнутый канал, в который нагнетается обрабатывающий раствор. Капсулы имеют свои нагревательные элементы 4 и общий терморегулятор 5. посредством которого температура поддерживается на уровне 39± 1°С

Применение капсулы позволило обеспечить достаточно эффективное использование растворов в ФТУ, их расход не превышает в основном режиме обработки 2,2 мл на погонный метр пленки. На основе этого в устройстве реализована обработка с одноразовым использованием раствора. Проходя через капсулу, свежий раствор практически полностью истощается и сбрасывается в приемную емкость, не принимая участия в последующих циклах обработки. Этим достигается стабильность параметров пленки при обработке от цикла к циклу. Возвратно-поступательное (относительно движения пленки) перемещение раствора по петлевому каналу в капсуле обеспечивает приемлемую равномерность ее обработки по ширине. В конце каждого цикла обработки перед отводом пленки производится осушение канала капсулы путем подачи в нее порции воздуха.

Для достижения малых (0,1 ± 0,01 мл/мин) скоростей подачи раствора в капсулы применены нагнетающе-отсасывающие микронасосы турникетного типа. В устройстве три таких насоса. Два насоса с целью дублирования работают одновременно и нагнетают в капсулы и отсасывают из них растворы в режиме обработки. Третий насос обеспечивает прокачку капсул воздухом.

Свежие и отработанные растворы хранятся в легкосъемном устройстве, крепящемся на корпусе ФТУ. В устройстве имеется четыре эластичные емкости, из них две для свежих растворов и две - для отработанных. С целью уменьшения габаритов блока в нем обеспечено использование для отработанных растворов объема, освобождающегося по мере расхода свежих растворов. Обработанная пленка из капсулы поступает на сушильный барабан, нагретый до температуры 67±2,5° С. Воздушный насос центробежного типа, расположенный в осушителе, обеспечивает непрерывное отсасывание увлажняющегося во время сушки воздуха.

В ФТУ применен специальный процесс обработки, в котором используется проявление и стабилизация пленки без промывок. Предусмотрены два темпа обработки пленки, обеспечиваемые разными скоростями ее перемещения: 46 и 11,5 мм/мин. Через восемь месяцев полета к началу работы ФТУ на орбите спутника Марса при обработке на первой скорости номинально обеспечивались следующие параметры пленки: чувствительность S _D0+J,85 ≈ 50 ± 10 ед. ГОСТ, контрастность γ = 1,6 ± 0,1.

Указанные парамотры несколько отличаются от исходных, замеренных во время зарядки приборов. Их изменение - результат совместного действия старения обрабатывающих реактивов и фотопленки, а также воздействия на пленку космической радиации. Эти изменения с достаточной точностью были спрогнозированы в процессе наземных испытаний [15] и учтены при экспонометрическом расчете. Оптическая разрешающая способность пленки весьма стабильна и составляет 200 линий/мм.

Устройство передачи изображения

Считывание изображения, полученного на пленке, производится путем просвечивания ее световым пучком, который отклоняется с помощью оптико-механического устройства. Это устройство производит построчную развертку изображения, строки располагаются поперек пленки. Кадровая развертка происходит за счет перемещения пленки.

Оптическая схема данного устройства (рис. 9) является дальнейшим развитием ранее использованной схемы плоскостной автоколлимационной развертки [16], которая отличается компактностью и повышенной светосилой. Лампа накаливания 1 с цилиндрической нитью при помощи многолинзового конденсора 2 создает пучок света, равномерно освещающий фильмовое окно 3, по которому движется пленка 4. Изображение освещенной части пленки проектируется при помощи объектива 5, автоколлимационного зеркала 6 и вспомогательных зеркал 7 и 8 в плоскость диафрагмы 9. Диафрагма формирует развертывающий элемент, вырезая из изображения элементарные световые пучки, которые коллективной линзой 10 совместно с зеркалом 11 направляются на фотоэлектронный умножитель 12 и далее преобразуются в электрический сигнал.

Таблица 5
ПАРАМЕТРЫ ФТУ В РАЗНЫХ РЕЖИМАХ

Конструктивные особенности фототелевизионного устройства

В данном ФТУ используется схема лентопротяжного тракта, не содержащая промежуточных накопителей. Во всех режимах работы устройства пленка перемещается при помощи единого привода, перематываясь из одной кассеты в другую. Кассеты связаны между собой пружинным механизмом, который обеспечивает практически постоянный заданный момент натяжения пленки в свободном лентопротяжном тракте, сохраняющийся также и при реверсировании ее движений.

Приемная и подающая кассеты выполнены совместно в виде легкосъемной конструкции, внутри которой находится механизм натяжения пленки, собранный на негаторных пружинах, и телеметрические датчики, определяющие положение пленки. Кассета вмещает около 20м пленки, обеспечивая с момента зарядки съемку не менее 40 циклов. Во время полета неэкспонированная часть пленки находится в подающей кассете, которая с целью защиты пленки от космической радиации окружена слоем металлического сплава с большим удельным весом. При этом суммарная радиационная защита пленки составляет по толщине не менее 5 г/см2. Эффективность такого простейшего способа защиты была проверена ранее на КА "Марс-2" и "Марс-3". Фактическое приращение плотности вуали пленки за счет действия радиации на КА "Марс-4" и "Марс-5" не превышала Δ D _Ф ≈ 0,35.

Привод лентопротяжного тракта построен на основе шагового двигатели (ШД), обеспечивающего его работу в широком диапазоне скоростей от 0,7 до 92 мм/мин, изменяющихся в соответствии с частотой запускающих импульсов, подаваемых на схему управления ШД. Малогабаритный днухфазный ШД через четырехступенчатый редуктор приводит во вращение обрезиненный ведущий вал сравнительно большого диаметра. Сцепление пленки с ведущим валом обеспечивается за счет большого угла охвата и постоянного натяжения пленки пружинным механизмом. Кроме того, дополнительно пленка прижимается к ведущему валу двумя роликами. Это необходимо в связи с тем, что привод работает в условиях неравномерной нагрузки, которая резко повышается в режиме обработки пленки.

Конструктивно ФТУ оформлено в виде жесткого корпуса прямоугольной формы, внутри которого с одной стороны расположен лентопротяжный тракт, с другой стороны - блок автоматики. С одной торцевой части крепятся сменные объективы и револьверный механизм со светофильтрами, с другой - кассетный механизм, устройство с эластичными камерами для растворов и осушитель.

Внешний вид ФТУ с длиннофокусным объективом показан на рис. 12, а ФТУ с короткофокусным объективом - на рис. 13 (лентопротяжный тракт открыт).

Масса ФТУ с короткофокусным объективом и револьверным механизмом составляет 8,5 кг, с длиннофокусным - 9,2 кг.

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНЕРЫ

На каждой станции вне герметичного контейнера было установлено по два однострочных ОМС, работающих в оранжевом (1), красном (2) и красно-инфракрасном (3) спектральных диапазонах (рис. 14). С канирование производилось перпендикулярно направлению полета, панорамная развертка осуществлялась за счет движения по орбите самой станции, жестко ориентированной в пространстве.

Принцип действия ОМС поясняется рис. 15. Поток излучения собирается объективом 1 в фокальной плоскости 2, где размещена вырезающая диафрагма 3. Сканирование осуществляется с помощью зеркала 4, приводимого в движение кулачковым механизмом 5. В качестве светоприемника 6 используются фотоэлектронные умножители, работающие в сочетании с соответствующими светофильтрами 7. Поскольку яркость наблюдаемой поверхности от лимба до терминатора изменяется в широких пределах, в камерах используется автоматическая регулировка чувствительности (АРЧ), которая обеспечивает постоянство сигнала на выходе, сужение его динамического диапазона, что существенно облегчает его регистрацию на бортовых аналоговых ЗУ и прием изображений на Земле. Работа системы АРЧ контролируется по телеметрическому каналу. Приведем основные характеристики сканеров:

Апертурная характеристика ОМС приведена на рис. 16. Видеосигнал с ОМС записывается на двухканальное ЗУ и затем с понижением скорости в 4 раза передается на Землю. На рис. 17 представлен внешний вид ОМС и ЗУ.

ПРИЕМ И ОПЕРАТИВНАЯ ОБРАБОТКА СНИМКОВ

С помощью аппарата "Марс-4" был проведен один сеанс съемки с ФТУ и переданы две панорамы с ОМС при пролете мимо планеты. Съемка велась широкоугольным ФТУ через красный светофильтр с темпом 35 с/кадр и чередующимися выдержками 1/50 и 1/150 с. Полученные в результате фотографирования 12 кадров были переданы в просмотровом режиме (четкость разложения 250x250 и в режиме с номинальной четкостью 1000x1000).

С помощью спутника "Марс-5" было передано четыре панорамы и произведено пять сеансов съемки. В четырех сеансах съемка велась обоими ФТУ. В сеансе 21.11 1974 г. включалось только широкоугольное ФТУ. Во всех сеансах, за исключением первого, использовался темп съемки 30 с/кадр. В первом сеансе использовался темп 120 с/кадр. Передача изображения с номинальной и максимальной четкостью со станции "Марс-5" производилась выборочно. Даты съемок, условия фотографирования и число кадров, отснятых и переданных со станций "Марс-4" и "Марс-5", приведены в табл. 6. Учитывая рассмотренные ранее особенности Марса как объекта съемки, для быстрой визуальной оценки качества изображения и повышения эффективности управления процессом передачи была разработана аппаратура оперативной наземной обработки снммков, построенная на основе аналоговых методов. Аппаратура позволяла улучшить равномерность фона снимков и затем повысить их контрастность. После этих операций, которые производились в электрическом канале в темпе приема, снимки с ФТУ регистрировались на фототелеграфных устройствах открытой и закрытой записи.

Сигналы изображения, поступающие с ОМС, не требовали специальной оперативной обработки и подавались прямо на регистрацию. Параллельно шла запись исходных сигналов на ленточные магнитные ЗУ, информация с которых в дальнейшем использовалась для высококачественной обработки изображений цифровыми методами на ЭВМ.

Таблица 6
СВЕДЕНИЯ О СЪЕМКЕ И ПЕРЕДАЧЕ КАДРОВ