федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»

Свежие новости

События

Самарские ученые готовят к испытаниям прототип сверхлегкой оптики для наноспутников

Самарские ученые готовят к испытаниям прототип сверхлегкой оптики для наноспутников

Самарский университет

Для объектива оптической системы разработан инновационный корпус бионической формы

Видео Смелов Виталий Никоноров Артем Исследования разработки Наука САЕ-3 (нанофотоника ДЗЗ) нанотехнологии
09.06.2020 2020-06-26
Ученые Самарского университета им. Королёва готовят к испытаниям прототип первой в мире сверхлегкой оптической системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для наноспутников. 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 был изготовлен на днях в университетской лаборатории аддитивных технологий. Сложный по форме и внутренней структуре компонент космического аппарата создан путем 3D-печати на установке селективного лазерного сплавления SLM 280HL.
"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 100 граммов", — рассказал профессор кафедры суперкомпьютеров и общей информатики Самарского университета Артем Никоноров.
В партнерстве с экспертами в области топологической оптимизации и аддитивных технологий КАДФЕМ Си-Ай-Эс (филиал ПФО, г. Самара), с использованием программного обеспечения от лидера в области компьютерного моделирования ANSYS,Inc., ученые Самарского университета провели большой объём работ по получению новой формы конструкции, которая соответствует современным требованиям компаний космической отрасли мира.
В частности, в несколько этапов была проведена топологическая оптимизация исходной конструкции. Были получены и проанализированы несколько форм. В ходе работы были рассмотрены несколько вариантов заполнения конструкции сетчатыми структурами и в результате выбрана наиболее оптимальная для достижения требуемой прочности при минимальной массе.
По словам руководителя лаборатории, доцента кафедры технологий производства двигателей Виталия Смелова, чтобы минимизировать вес, во внутреннюю структуру детали в результате топологической оптимизации были добавлены специальные ячеистые участки. Корпус объектива выполнен из порошка сплава алюминия AlSi10Mg. Сплав отечественного производства хорошо известен как в России, так и за рубежом. Габариты детали — 70×80×100 мм.
"Корпус был изготовлен за 8 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", — отметил Смелов.
Прежде чем отправиться в космос, собранный объектив пройдет цикл различных вибрационных и прочностных испытаний в Москве на базе изготовителя космического аппарата — компании "Спутникс". По словам Никонорова, ожидается, что наноспутник будет готов к запуску в конце 2020 года. Аппарат будет работать на орбите высотой 430 км. Предполагаемый срок службы на орбите — от 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 с помощью ДЗЗ разрешение снимков земной поверхности менее ста метров. Стоимость же оптической системы, думаю, будет на порядок ниже, чем у аналогичных решений, скажем, от зарубежных компаний. Например, стоимость зарубежного объектива для кубсата Gecko Imager составляет 23 тысячи евро, у нас система на порядок дешевле", — подчеркнул Никоноров.
Как сообщалось ранее, работы по созданию сверхлегкой оптической системы для дистанционного зондирования Земли ведутся в рамках полученного учеными гранта Фонда содействия инновациям при поддержке правительства и министерства экономического развития и инвестиций Самарской области.
В основе оптической системы — созданная ранее 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 10 микрометров (для сравнения, толщина человеческого волоса 40-90 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 10 граммов.
Как отмечают ученые, такие миниатюрные оптические системы наноспутников по своей разрешающей способности, безусловно, будут уступать специализированной оптике, устанавливаемой на больших аппаратах ДЗЗ весом 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 ДЗЗ окажется над нужным местом. Получаемая информация будет важна для оперативного отслеживания, например, ситуации с распространением природных пожаров, паводков, для наблюдения за сельскохозяйственными посевами и в других целях.
Для справки
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 ДЗЗ исследуется в работе опубликованной в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.