Тренажер из Академгородка отправлен в Звездный

Успешные практики создания в новосибирском Академгородке узлов виртуальной реальности для подготовки космонавтов имеют долгую историю. «Еще в 1980-х годах в Институте автоматики и электрометрии СО РАН начали разрабатывать синтезирующие системы визуальной обстановки для использования в тренажёрах для подготовки космонавтов, специально созданные для этого компьютеры “Аксай”, а затем “Альбатрос”, — рассказала директор «СофтЛаба» Ирина Аманжоловна Травина. — Эти машины специализировались на отрисовке трехмерных изображений и динамических сцен  в реальном времени. Когда персональные компьютеры и графические карты по скорости выдачи “картинки” и её качеству стали сравнимы со стационарными, работы плавно перешли на них. Одновременно с этим начался период перестройки и реформ, на базе ИАиЭ СО РАН выросло несколько программистских компаний, включая нашу».

В 1992 году «СофтЛабом» был разработан первый графический «движок» (пакет программ) для создания изображений, их анимации и рендеринга. Появилась возможность отображать на экране траектории движения в пространстве множества трехмерных объектов, что сделало разработку перспективной для подготовки не только космонавтов, но и операторов другой подвижной техники: летчиков, водителей большегрузного транспорта, машинистов и диспетчеров на железной дороге. Самой первой работой «СофтЛаб-НСК» для космонавтов была система визуализации для тренажера стыковки корабля «Союз» с орбитальной станцией «Мир». Ирина Травина рассказала, что физическая имитация наблюдений из корабля в тренажерах в Центре подготовки космонавтов выполнена на сложной оптике в виде системы коллиматоров. После того, как на орбите Земли появилась Международная космическая станция (МКС), тренажёр стыковки был переработан для неё. Этот тренажёр входит в обязательную программу обучения всех космонавтов и астронавтов всех стран.

С программной точки зрения достаточно сложной задачей была графическая симуляция реального поведения множества объектов: самих космических аппаратов и их узлов, а также Земли, Луны, Солнца, созвездий. Очень важно в профессиональных тренажёрах быть максимально приближенным к тому, что происходит в реальности, что в действительности видит космонавт, находясь в космическом корабле или на орбитальной станции. Эта часть работы используется во всех тренажерах, которые разрабатывает «СофтЛаб».

Со временем для компании появилась возможность и других работ. «Несколько лет назад для Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина в Звездном городке под Москвой мы разработали тренажер ВИН (тренажер визуально-инструментальных наблюдений Земли), и сейчас у нас есть заказ на его усовершенствование, — пояснила И. Травина. — Изначально для  этого стенда-тренажёра была изготовлена часть интерьера МКС с иллюминатором, для визуализации изображения из которого вместо коллиматора мы встроили монитор. Следующим шагом стала замена монитора на видеостену из 9 ЖК-телевизоров с разрешением 4К, общим разрешением 12К. Причём телевизоры собраны под специально подобранными углами, формируя не плоскую стену, а часть цилиндра. Довольно много изменений пришлось внести и в программную часть комплекса». Эффект сферичности изображения возникает именно в точке наблюдения перед иллюминатором.

 

Именно такой космонавт видит Землю

Сегодняшний ВИН будет представлять из себя два рабочих места, инструктора и будущего космонавта. Обучаемый должен располагаться перед иллюминатором, изображение через которого будет формироваться на этой стене. Стена расположена за иллюминатором на расстоянии 2 метра, что даёт более широкий угол зрения. Ирина Травина подчеркнула, что картина, которую видят люди, полностью соответствует реальной — за исключением, разве что, текущих погодных условий на Земле: «Это не важно, поскольку никто не знает заранее, в какой день и час полетит тренирующийся космонавт. При этом вид земной поверхности воссоздан на основе множества снимков из космоса и в целом соответствует тому, что постоянно наблюдается с орбиты».

«Поскольку  этот тренажер предназначен для обучения навыкам ведения визуально-инструментального наблюдения, космонавт должен уметь позиционироваться по Земле, причем в условиях облачности, быстро распознавать цель наблюдения  на поверхности Земли, выполнить точное наведение фотокамеры  и сделать фотосьемку с плавным увеличением масштаба, — рассказала Ирина Травина. — И это всё нужно успеть до того, как наблюдаемый объект выйдет из зоны видимости, то есть ориентировочно за 75 секунд. Для работы с фотокамерой сделан специальный стенд и программное обеспечение. Камера с одной стороны тяжелая и громоздкая, в другой — находится в невесомости. Поэтому сложность представляло и обеспечение эффекта невесомости камеры, да и сама камера была сэмулирована. Запчасти для неё изготовлены в Академпарке на 3D-принтере, процесс и результат фотосъемки сэмулирован программными средствами. Движется космическая станция, по двум траекториям перемещается земная поверхность, поэтому наведение камеры на объект является непростой задачей, требующей отработки навыков до полета».

Тестирование обновлённого тренажера завершилось, и программно-аппаратный комплекс отправлен в Звездный городок.

Ученые Академгородка изготовили опытный образец установки для выращивания полупроводников в космосе

На Земле многослойные полупроводниковые структуры «выращиваются» методом молекулярно-лучевой эпитаксии: атомы разных элементов укладываются на специальную подложку послойно, в результате чего образуются многослойные наноструктуры с нужными свойствами. Чтобы в растущую структуру не попали чужеродные атомы и не испортили ее характеристики, процесс должен происходить в сверхвысоковакуумных установках. Однако, такие  приборы весьма дороги, при этом в земных условиях в них труднодостижимы высокие параметры чистоты вакуума, которые с легкостью можно получить в космосе. Для этого реализуется проект «Экран», участники которого ― ИФП СО РАН, ПАО «РКК «Энергия», ООО НПФ «Электрон» (Красноярск) и другие научные и производственные организации. Сейчас это единственный в мире проект подобной тематики.

«Мы оснастили опытный образец отечественной электроникой, в ближайшее время будут проходить контрольно-доводочные испытания. Вместе с коллегами из красноярской научно-производственной фирмы “Электрон” мы проверим слаженность работы блока управления и установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Затем весь комплекс отправим в Москву, и там уже будет проводиться опробование прибора в условиях, приближенных к тем, что есть в космосе», ― говорит главный конструктор проекта, заведующий лабораторией молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5 ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров.

«Мы сделали и гидромакет установки для предполетных испытаний в воде, которые проводятся по стандартам РКК “Энергия”. Последние нужны, чтобы космонавт мог совершить в бассейне, в костюме похожем на скафандр, все действия, которые потребуются на орбите. Сейчас обсуждается возможность заключения договора с НИИ “Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина”. К нам планируется откомандировать двоих космонавтов, а мы, в свою очередь, отправим к ним наших технологов», ― объясняет научный руководитель проекта, заведующий отделом ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков.

Вся установка спроектирована так, чтобы синтез полупроводникового материала происходил автоматически. Космонавту нужно будет провести лишь некоторые подготовительные этапы, присоединить кассету с подложками арсенида галлия (GaAs), а после завершения процессов синтеза, снять ее и отправить на Землю в спускаемом модуле.

«Эргономические характеристики установки обусловлены, в том числе и размерами скафандра: космонавт в огромных перчатках сможет с легкостью выполнить задачи связанные с обслуживанием прибора. При этом все комплектующие сделаны с учетом крайне жестких ограничений по габаритам и весу, поскольку стоимость каждого килограмма груза, доставленного на орбиту ―  около 20 тысяч долларов, а пространственные размеры определяются параметрами грузового люка», ― подчеркивает ведущий инженер лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии элементарных полупроводников и соединений А3В5 ИФП СО РАН Дмитрий Николаевич Придачин.

Установку для выращивания полупроводников планируется разместить на Международной космической станции за специальным экраном. Упрощенно его можно представить как диск из нержавеющей стали, двигающийся вместе со станцией с первой космической скоростью. В кильватере диска  образуется сверхвысокий вакуум с характеристиками, не достижимыми в земных условиях. Поэтому «космические» полупроводниковые материалы во время синтеза будут защищены от попадания чужеродных атомов, и, как следствие, практически бездефектны.  Эти материалы могут использоваться, в частности, для производства легких и радиационно-стойких солнечных батарей, которые востребованы, в том числе на самой МКС. Ученые предполагают, что КПД таких устройств будет выше, чем у аналогичных панелей полностью земного происхождения, благодаря высокому качеству полупроводникового материала.                                         

По материалам пресс-службы ИФП СО РАН, фото из открытых источников

Эксперименты с невесомостью могут начаться в 2024 году

Башня сбрасывания позволит создавать условия невесомости на несколько секунд, ее предположительная высота составит — 150−160 метров. Инициатором создания такой установки в рамках Междисциплинарного исследовательского комплекса аэрогидродниамики, механики и энергетики (МИК АМиЭ, проект Академгородка 2.0) выступает Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. «Это научная установка, объект класса Megascience, что характеризуется международными коллаборациями внутри объекта и его уникальностью в мировом масштабе, — рассказал замдиректора Института теплофизики Артур Бильский. — Башня сбрасывания — один из ключевых объектов междисциплинарного исследовательского комплекса, который будет содержать несколько экспериментальных стендов для решения перспективных задач». Также в рамках комплекса появятся аэродинамические трубы, стенды для моделирования различных условий, полигон для отработки технологий возобновляемой и нетрадиционной энергетики. Известно, что МИК расположится между Академгородком и наукоградом Кольцово, однако более подробное местоположение еще определяется.

Башни сбрасывания есть в нескольких странах и работают они по разным принципам. В башне в Китае с большой высоты сбрасывается одна капсула, которая находится внутри другой. В Германии из башни откачивается воздух, и капсула сбрасывается в вакууме. Сейчас немецкие ученые разрабатывают новый проект, в котором капсула будет сбрасываться внутри башни на прочных тросах. Скорее всего, башню в Академгородке будут проектировать по принципу немецкой. По словам Бильского, институт сотрудничает с коллегами из Германии и те готовы помочь в проектировании объекта.

«Прежде чем проводить эксперимент на МКС, нужно сделать это в более дешевых условиях, чтобы понять, что все работает, — поделился заведующий лабораторией энергоэффективных технологий для наземных и космических технологий ИТ СО РАН Вячеслав Чеверда. — Стоимость проведения экспериментов на МКС — около 5 тыс. евро за килограмм, то есть если у вас установка весит 100 килограмм, это большие деньги». Сейчас ученые СО РАН проводят эксперименты в невесомости в параболических полетах на самолете Европейского космического агентства во Франции. Переоборудованный самолет летит вверх и вниз по параболе, в верхней части которой пассажиры и экспериментальные установки около 20 секунд находятся в состоянии невесомости.

Эксперименты в невесомости необходимы для изучения испарения, кипения и теплообмена. В космических полетах используются системы жизнеобеспечения, которые зависят от этих процессов. По словам ученых, во время длительных полетов, например, на Марс, невозможно доставлять на корабль воду, поэтому она должна быть вторичной. Для этого нужны испаритель и конденсатор, работающие надежно и стабильно в условиях невесомости. Также башня сбрасывания может использоваться для экспериментов по жидкостному охлаждению электроники.

В рамках исследования один и тот же эксперимент может проводиться несколько раз с измененными параметрами. Сейчас это невозможно из-за их высокой стомости. По мнению ученых, башня сбрасывания станет востребованной не только на уровне страны, но и на международном. Они надеются на финансирование объекта по программе «Академгородок 2.0» в рамках национального проекта «Наука», а также со стороны заинтересованных инвесторов.«Сейчас мы ждем какие-то деньги на реальное проектирование. Проект сложный и собственных средств у нас на это не хватит, а Академгородок 2.0 как раз подразумевает финансирование сначала проектирования, а затем строительства», — говорит Бильский. Ученые ИВТ СО РАН считают, что при начале финансирования в 2020 году установку можно было бы построить к 2024 году.

Тайга.Инфо

Макет и фото Дарьи Руш