Самарский университет готовит к испытаниям сверхлегкую оптику для наноспутников

Ученые Самарского национального исследовательского университет имени академика С. П. Королева готовят к испытаниям прототип первой в мире сверхлегкой оптической системы дистанционного зондирования Земли для наноспутников. Сложный по форме и внутренней структуре компонент космического аппарата изготовлен методом 3D-печати по технологии селективного лазерного наплавления металлопорошковых композиций (SLM).

Как сообщает пресс-служба вуза, в основе оптической системы — разработанная в университете плоская дифракционная линза, обладающая уникальными характеристиками. Объектив системы будет устанавливаться на борту наноспутника в специальном корпусе. Первый тестовый образец такого корпуса на днях изготовили в университетской лаборатории аддитивных технологий. В производстве компонента использовался промышленный 3D-принтер SLM 280HL производства SLM Solutions Group AG. 

«Это первый в мире объектив с дифракционной оптикой, который отправится в космос. Для объектива разработан инновационный корпус бионической формы, рассчитанный по оптимальной технологии, чтобы минимизировать вес при сохранении прочностных характеристик. Это будет достаточно легкая система: вместе с оптической частью общий вес составит менее ста граммов», — поясняет профессор кафедры суперкомпьютеров и общей информатики Самарского университета Артем Никоноров. 

По словам руководителя лаборатории, доцента кафедры технологий производства двигателей Виталия Смелова, чтобы минимизировать вес во внутреннюю структуру детали в результате топологической оптимизации добавлены специальные ячеистые участки. Корпус объектива выполнен из порошка сплава алюминия AlSi10Mg, габариты детали составляют 70х80х100 мм. 

«Корпус был изготовлен за восемь часов. Благодаря применению аддитивных технологий удалось снизить вес детали примерно на 40% по сравнению с подобной деталью, изготовленной традиционными способами. Как известно, в космической и авиационной сфере вес — это основная характеристика, над уменьшением показателя которой всегда ведется работа», — прокомментировал Виталий Смелов. 

Перед отправкой в космос собранный объектив пройдет цикл вибрационных и прочностных испытаний в Москве на базе изготовителя космического аппарата, компании «Спутникс». Ожидается, что наноспутник будет готов к запуску в конце текущего года. Аппарат будет работать на орбите высотой 430 км с расчетным сроком эксплуатации от одного года до трех лет.  

«Летные испытания в космосе должны будут показать возможности этой системы, насколько нам нужно дорабатывать технологию. Характеристики объектива достаточно хорошие, мы планируем получать разрешение снимков земной поверхности менее ста метров. Стоимость же оптической системы, думаю, будет на порядок ниже, чем у аналогичных решений от зарубежных компаний. Например, стоимость зарубежного объектива для «кубсата» Gecko Imager составляет 23 тысячи евро, у нас система на порядок дешевле», — рассказывает Артем Никоноров. 

В основе оптической системы — созданная в Самарском университете плоская дифракционная линза, заменяющая систему линз и зеркал современных телеобъективов. При производстве такой линзы на поверхность кварцевого стекла наносится резист — фоточувствительное вещество толщиной десять микрометров. На резисте с помощью лазерного луча создается 256-уровневый микрорельеф. С его помощью происходит «приближение» объекта, а компенсацию искажений обеспечивает компьютерная обработка получаемых изображений на основе нейронных сетей глубокого обучения. По словам ученых, на основе дифракционной линзы можно изготовить аналог телеобъектива с фокусным расстоянием 300 мм, который будет весить около десяти граммов. 

Такие миниатюрные оптические системы наноспутников по своей разрешающей способности будут уступать специализированной оптике, устанавливаемой на больших аппаратах дистанционного зондирования Земли массой от 500 кг до нескольких тонн, однако на основе низкобюджетных наноспутников с компактной оптикой можно будет создавать масштабные орбитальные группировки из сотен подобных космических аппаратов, что позволит вести мониторинг Земли в режиме практически реального времени, оперативно получая изображение необходимого участка земной поверхности и не дожидаясь, когда тот или иной большой спутник окажется над нужным местом. Получаемая информация будет важна для оперативного отслеживания, например, распространения природных пожаров, паводков, для наблюдения за сельскохозяйственными посевами и в других целях. 

Самарский университет — один из мировых лидеров в области исследований дифракционных оптических элементов и обработки изображений. Разработанная в университете дифракционная линза — один из результатов 40-летней работы школы дифракционной оптики и нанофотоники под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. 

Первая статья ученых Самарского университета, подтверждавшая возможность использования дифракционной оптики в изображающих системах, опубликована в мае 2015 года по итогам крупнейшей мировой конференции по обработке изображений — IEEE Computer Vision and Pattern Recognition. В ноябре 2015 года вышла в свет совместная работа университета Торонто и университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, посвященная подобной разработке, со ссылкой на работу Самарского университета. Ранее никто в мире не использовал дифракционную оптику для получения цветных изображений высокого разрешения. Применение плоской дифракционной оптики в системах дистанционного зондирования Земли исследуется в работе, опубликованной в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru