Рождение уникальной космической системы

По материалам книги Седунова и Шерстюка "Драма зелёного града"

Объединение физиков

При основании НИИ Микроприборов было принято много молодых физиков с уверенностью, что для развития микроэлектроники потребуется как углубление освоенных, так и освоение новых физических принципов микроэлектроники. Часть из них ушла вслед за Валиевым Камилем Ахметовичем, назначенным директором НИИ Молекулярной Электроники. Часть ушла в НИИ Пьезотехники развивать интегральную акустоэлектронику. Но оставалось достаточно много специалистов в различных направлениях физических основ микроэлектронных приборов, работавших в своих направлениях, слабо пересекавшихся с работой коллег.

Видя, что потенциал физиков используется недостаточно эффективно, я предложил нашему директору Геннадию Яковлевичу Гуськову объединить их на разработке перспективных микроэлектронных систем. Он с готовностью согласился и предложил мне возглавить соответствующий сектор, где был создан отдел Микроэлектронных Приборов на новых физических принципах, возглавленный Мартыновым Виктором Петровичем, отдел Оптоэлектроники под руководством Репина Анатолия Вадимовича и отдел Перспективной Схемотехники под руководством Возьмилова Павла Никандровича, перешедшего к нам из сектора телеметрии.

Поиск направления

Наряду со своими традиционными задачами, ведущие специалисты нового сектора регулярно обсуждали перспективные направления для будущих разработок. Мы рассматривали оптоэлектронные вычислители и запоминающие устройства, лазерные средства измерений и передачи информации. В режиме мозгового штурма рождались и бурно обсуждались различные полуфантастические проекты, но ни один из них не выглядел достаточно привлекательным.

Я ставил задачу перед специалистами перейти от освоенной нами технологии изготовления варакторов - конденсаторов переменной ёмкости со структурой Металл-Диэлектрик-Полупроводник (МДП), к технологии создания интегральных схем на той же структуре. Можно сказать, что это было предчувствием приборов с зарядовой связью. Действительно, зарядовая связь возникает при столь близком расположении конденсаторов переменной ёмкости, при котором становится возможным идеальное перетекание зарядов между конденсаторами почти без потерь. Но мои специалисты уверяли меня, что невозможно объединить двухполюсники в интегральную схему.

Параллельно с основной работой я активно участвовал в работе общества «Знание» и входил в состав Всесоюзного научно-методического Совета по распространению физико-математических знаний. Я выступал как в Москве, так и в различных регионах страны, о чём я писал в рассказах "Кузькина мать", "Шахта Донбасса" и "Шорох слюды", с лекциями о перспективах развития электроники, подбирая для них наиболее яркие и доступные для восприятия аудитории идеи в микроэлектронике, типа идеи плоского телевизионного экрана.

Я знал об этой идее ещё до прихода в Зеленоград. Она в наиболее доступной форме выражала основные принципы будущего направления развития микроэлектроники: групповое изготовление множества однотипных элементов в одном изделии, интеграцию функций соседних элементов, замену громоздких прототипов на малогабаритные изделия.

Но от этой перспективной идеи до ее практической реализации должно было пройти более двух десятков лет. Оказалось, что развертку сигналов изображения в плоском твердотельном устройстве удалось быстрее реализовать не в плоских экранах, а в фотоприемной матрице на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Об этом успехе американских ученых и технологов я узнал из краткой заметки в газете «За рубежом». Там говорилось, что новые фотоприемные матрицы смогут в будущем помочь слабо видящим людям. Это направление выглядело, как весьма отдаленное будущее, но прекрасно вписывалось в тематику моих лекций.

Готовясь к лекции в Политехническом музее в начале 1973 года, я нашел подробную статью о приборах с зарядовой связью в журнале Electronics, вспомнил наши бурные обсуждения возможных путей создания интегральных схем на структурах МДП и посвятил новым приборам значительную часть своего выступления. Я подбирал наиболее яркие иллюстрации и рисовал собственные рисунки новых приборов, понятные неподготовленным слушателям. Я моделировал в своём сознании рост и перенос зарядов в приборах с зарядовой связью, чтобы найти наиболее доходчивые слова для этой знаменитой аудитории. Тот факт, что максимальное число вопросов аудитории было посвящено этим приборам, укрепил меня в осознании важности и востребованности нового направления в оптоэлектронике.

Предвестники нового направления

Осенью 1973 года Геннадий Яковлевич вызвал меня и сказал: «Поговори с делегацией от Челомея Владимира Николаевича. Пойми, что им надо». Я до того времени знал о Челомее только то, что это Генеральный конструктор космической техники. Делегацию возглавлял зам. Генерального конструктора Витор. Мне рассказали о проблемах создания пилотируемой станции "Алмаз" оперативного наблюдения Земли из Космоса и показали брошюру, описывающую космический фотоаппарат.

Оказалось, что этот фотоаппарат отличается от обычного кадрового аппарата тем, что пленка движется непрерывно и синхронно с движением изображения в фокальной плоскости, а для управления экспозицией используют регулируемую щель. В моём мозгу моментально после сообщения о щелевом фотоаппарате возникла идея  заменить подвижную фотоплёнку на неподвижную матрицу ПЗС с синхронизацией перемещения зарядов с бегом изображения. Моё подсознание так интенсивно работало над вариантами соединения варакторов в интегральную схему, что в мозгу легко возникали модели таких схем. 

Здесь открывалась возможность использования матриц ПЗС для решения важнейшей для страны проблемы. Я предложил гостям вместо движущейся пленки использовать матрицы ПЗС, заряды в которых будут перемещаться синхронно с движением изображения. Щелевая конструкция фотоаппарата великолепно подходила для твердотельного фотоприемника, так как заполнить щель матрицами было много легче, чем заполнять всю фокальную плоскость!  Высказав идею, я не сразу осознал, что предложил новый тип ПЗС, с синхронным накоплением энергии движущегося изображения. Только после беседы я осознал, что в литературе описывалось применение ПЗС в кадровом режиме, а я предложил совершенно новый режим формирования сигналов изображения. Позднее мы оформили авторское свидетельство на это изобретение.

Так как посетители еще не знали, что такое ПЗС, я подробно изложил им принципы работы нового прибора. Мои собеседники не всё поняли, но заинтересовались и предложили посетить их предприятие. Назавтра я прибыл в Реутов, и меня привели к огромной орбитальной пилотируемой станции «Алмаз», величиной с автобус. Мы вошли внутрь, и я увидел телескоп с фотоаппаратом высотой в рост человека. Я осознал, что речь идёт не о проекте, но о совершенствовании почти законченной системы.

Мне объяснили, что проблемы связаны с проявлением на борту фотоплёнки, со считыванием изображения с проявленной фотопленки и с передачей сигналов по радиолинии. Этот способ передачи информации требовал вовлечения космонавтов в процессы отбора наиболее информативных фрагментов изображения, так как передавать всю отснятую информацию за краткое время пролёта над наземным пунктом было невозможно. Это было слабым местом проекта станции, так как требовало огромных ресурсов на системы жизнеобеспечения космонавтов и снижало надёжность станции.

Мне показали быстроповоротную антенну, прикрепленную к корпусу станции, и я понял, насколько трудна была задача передачи по аналоговой радиолинии видеоинформации при кратковременном пролете над наземным пунктом приема видеоинформации. Этот визит показал мне актуальные проблемы развития космических электронных систем, на решение которых стоило нацелить наш молодой сектор. Но мои революционные идеи не нашли отклика у разработчиков станции "Алмаз". Им было важно сохранить многолетний задел и лишь получить более совершенную элементную базу. Так верность старым принципам в конце концов привела к закату программу "Алмаз". 

Созревание идеи

Вернувшись в Зеленоград, я рассказал Геннадию Яковлевичу об увиденном и, к своему удивлению, получил от него нагоняй за посещение предприятия Челомея. «Вы же сами поручили мне переговорить и понять, что им надо», - оправдывался я. Геннадий Яковлевич предупредил меня, что у Челомея В.Н. в руководстве страны имеются недоброжелатели, поэтому надо вести себя максимально осторожно. Он сказал, что приезд делегации произошел в результате письма Владимира Николаевича Леониду Ильичу Брежневу с просьбой помочь в оснащении пилотируемой орбитальной станции «Алмаз» современной электронной аппаратурой, и что Александр Иванович Шокин ждет нашего доклада по данному вопросу. Геннадий Яковлевич просил меня обосновать альтернативное решение проблемы космического фотографирования.

Я решил оформить научно-исследовательскую работу для теоретического и экспериментального исследования возможностей создания системы космического фотонаблюдения на базе новой идеи и подобрал для этой темы название «Сплав», имея в виду сплав усилий физиков на общем направлении. Это название оказалось очень удачным и многозначным. Так, Геннадий Яковлевич позднее увидел в создании системы «Сплав» способ объединения усилий всего коллектива НИИ Микроприборов и его опытных заводов над одной огромной задачей.

Я начал изучать информацию о чувствительности кремниевых фотоприемников и об освещенности Земли в разных областях спектра, в разное время суток и при разной погоде. Собранных данных хватило для оценки чувствительности матрицы ПЗС и требуемого числа строк матрицы для накопления заряда в зависимости от размеров элементов. Я пришел к твердому выводу, что число строк матрицы ПЗС с синхронным накоплением не превысит достигнутые в то время возможности микроэлектронной технологии. Так матрицы ПЗС с синхронным накоплением энергии движущихся изображений превращались в ключевой элемент космической системы оперативного наблюдения.

Во время празднования Нового 1974 года в только что открывшемся комплексе отдыха «Колтышево» я сказал Геннадию Яковлевичу: «Можно доложить Александру Ивановичу Шокину, что альтернативное решение найдено и работоспособно». Я был рад тому, что после многократных выездов в Колтышево на субботники в качестве чернорабочего я смог в его прекрасном новогоднем зале объявить о рождении нового направления в оперативном космическом наблюдении. Реакцию руководства на мое предложение я ждал около трех месяцев, и она пришла с неожиданной стороны.
 
Крутой поворот

Геннадий Яковлевич сказал мне, что сообщил мою идею Главному конструктору беспилотных спутников фотонаблюдения Козлову Дмитрию Ильичу, заказчику бортовых цифровых вычислительных машин «Салют 3М». Дмитрий Ильич так обрадовался, что стал обнимать Геннадия Яковлевича единственной рукой. Вторая его рука была потеряна во время войны. Он сказал, что получил задание от Дмитрия Фёдоровича Устинова срочно искать пути замены фотопленки на электронные средства приема и передачи на Землю сигналов изображений с приемлемой чувствительностью. Он просил быстрее рассказать ему о нашей идее. Геннадий Яковлевич поручил мне вылететь в Куйбышев и обсудить идею со специалистами в космической фотографии.

Мы с Павлом Никандровичем Возьмиловым встретились с группой специалистов высочайшей квалификации, руководимой Геннадием Подгорновым. Они не сразу поверили в мою идею, но и не решились ее отвергнуть, так как не видели приемлемых альтернативных решений. От них мы узнали много полезного для последующего проектирования системы. Они рассказали и о довольно наивной альтернативной идее считывания зарядов с фоточувствительной электростатической пленки с помощью гребенки из тончайших проволочек. Было очевидно, что наше решение гораздо изящнее и технологичнее и гарантирует меньший уровень шумов.

Стало ясно, что нужно срочно получить экспериментальные данные о чувствительности ПЗС. Вернувшись в Зеленоград, я начал искать предприятие, способное наладить производство матриц ПЗС, пригодных для проектируемой системы. Мой первый визит в НИИ «Пульсар» наткнулся на отказ специалистов. Они объяснили мне, что заняты разработкой полупроводниковой мишени для электронно-лучевого видикона, разрабатываемого в НПО «Электрон» в Ленинграде для пилотируемой орбитальной станции «Алмаз». Так наш проект начал наталкиваться на занятость предприятий Минэлектронпрома работами по обеспечению станции "Алмаз".
 

Позднее Александр Иванович Шокин поручил нам с Геннадием Яковлевичем убедить генерального директора НПО «Электрон» Георгия Сергеевича Вильдгрубе подключиться к нашим работам. Мы рассказали Георгию Сергеевичу и его специалистам о достоинствах ПЗС, но они отвечали, что специализируются в вакуумной технике и не намерены развивать твердотельную технологию. Они показали огромные видиконы для телевизионной космической аппаратуры станции "Алмаз". Через ряд лет и НПО «Электрон» приняло моё техническое задание на матрицу ПЗС, а сегодня является ведущим предприятием страны в этом направлении.

Специалисты нашего сектора тоже взялись за собственную разработку ПЗС, но при отсутствии научного задела трудно было ожидать быстрых результатов. Вдруг выяснилось, что рядом с нами, в НИИ Физических Проблем, в отделе Валентина Поспелова, созданы линейки ПЗС.

Подтверждение работоспособности идеи

Мы срочно заключили с НИИ ФП договор и вскоре имели образцы линеек ПЗС. Хотя нам была нужна матрица, для оценки чувствительности могла пригодиться и линейка. Было решено спроектировать на линейку бегущее изображение и обеспечить продвижение зарядов вдоль нее синхронно с движением изображения. Вот где проявилась объединенная мощь физиков! В кратчайшие сроки были разработаны генератор тактовых импульсов с регулируемой частотой, имитатор бега местности со стабильной и контролируемой скоростью бега изображения, усилители сигналов, измерители освещенности. В этой работе отличились Павел Возьмилов, Иван Петручук, Вячеслав Колотков и ряд других первоклассных специалистов.

Мы получили убедительные доказательства резкого возрастания выходного сигнала при точной синхронизации бега изображения и зарядов. Были получены значения фоточувствительности и кривые спада сигнала при рассинхронизации системы. Полученные данные легли в основу методики проектирования будущего сверхширокоформатного оптикоэлектронного преобразователя бегущих изображений.

Вскоре НИИ «Пульсар» объявил о своей готовности принять наше техническое задание на разработку матриц ПЗС. Полученный при исследовании линеек опыт помог нам правильно сформулировать требования к матрицам, но нам не удалось уговорить специалистов НИИ «Пульсар» принять наши высокие требования по однородности параметров матриц. Однако я был уверен, что прогресс технологии неизбежно приведет к росту однородности параметров ПЗС. Так было со всеми микроэлектронными элементами, с которыми я до этого времени работал: огромные разбросы параметров на начальной стадии сменялись прекрасной однородностью по мере отработки технологии.

Для экспериментальной отработки приёмника движущихся изображений наш сектор расширил подвальное помещение, заложил мощный фундамент, создал два имитатора бега местности и имитатор космического фотоаппарата на базе объектива, использованного ранее в составе космического аппарата "Зенит", а также комплекс накопления и обработки цифровой информации. Результаты проверки полученных из НИИ Пульсар матриц ПЗС в режиме синхронного накопления энергии движущихся изображений убедили нас и заказчиков в работоспособности и перспективности идей, положенных в основу системы "Сплав".

Официальное оформление разработки

Выслушав мой доклад о результатах теоретических и экспериментальных исследований ПЗС, Геннадий Яковлевич поручил разработать Техническое предложение о создании системы космического наблюдения на базе новых фотоприемников. Мы с Павлом Возьмиловым вскоре представили небольшой документ, описывающий не только принцип действия и возможную конструкцию многокристального оптикоэлектронного приёмника движущихся изображений, но и весь тракт преобразования сигналов изображения и передачи цифровой информации через спутники-ретрансляторы на Землю.

Наше Техническое предложение оказалось настолько востребованным, что его подписали три министра: Электронпрома, Оборонной промышленности и Общего машиностроения, для доклада правительству.

Для обсуждения Технического предложения Геннадий Яковлевич собрал расширенный научно-технический совет с приглашением ведущих представителей заказчика и специалистов в области космической фотографии. На этом совете впервые прозвучал термин «Сквозные характеристики», и я на долгие годы стал ответственным за сквозные характеристики создаваемой системы. Это вызывало раздражение в Миноборонпроме, традиционно ответственном за сквозные характеристики космических фотографических комплексов. Но отвечать за еще не созданные и непонятные им матрицы ПЗС они не решались. Тем более, что в сквозной тракт входила и космическая линия передачи цифровой информации, выходившая за пределы компетенции Миноборонпрома.

Парадокс: Минэлектронпром, поставлявший только элементную базу для разработчиков аппаратуры и систем, теперь выходил на роль ведущего в создании важнейшей космической системы, как создатель ключевых элементов этой системы. Геннадий Яковлевич отреагировал на это, создав НПО «ЭЛАС» (Электронной Аппаратуры и Систем), в которое вошли НИИ Микроприборов, завод «Компонент», Солнечногорский Электромеханический завод и Конаковский Полигон испытаний аппаратуры. Наше новое отделение начало стремительно разрастаться за счет талантливых молодых специалистов и сотрудников других отделений. Министр назначил меня главным конструктором спецпрограммы "Сплав", призванной обеспечить опережающее развитие элементной базы для космических электронных систем.