Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов

• Название: Радиоисследования планет с космических аппаратов
• Автор: Николай Крупенио
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1978

Изучение планет с помощью радиофизической аппаратуры, устанавливаемой на автоматических межпланетных станциях, занимает важное место в космических исследованиях. В брошюре рассказывается об истории радиоисследований Луны и планет с космических аппаратов, об используемых методах исследований и полученных результатах.

Брошюра рассчитана на студентов и преподавателей вузов, учителей средних школ, а также на более широкий круг читателей, интересующихся современными достижениями в области космических исследований.

---

Для разделения на наземном пункте прямого и отраженного сигналов используют либо их частотные различия за счет эффекта Доплера, либо временные различия их поступления на вход приемного устройства, так как отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого. После разделения сигналов производится сопоставление их мощностей и затем уже анализ спектра отраженного сигнала.

Обычно бистатическая радиолокация проводится с помощью бортового передатчика, излучающего немодулированный сигнал, с последующим спектральным анализом отраженного сигнала.

Для повышения разрешения на поверхности в экспериментах по бистатической радиолокации (так же, как и в моностатической радиолокации) используется модуляция сигнала передатчика. Модуляция может быть либо импульсной, либо частотной.

В методе с импульсной модуляцией для коротких по длительности импульсов размер зоны отражения на поверхности будет зависеть от длительности импульса и угла падения радиоволн. Так, при длительности импульса в 10 мкс и угле падения Θ = 60° ширина зоны облучения поверхности составит 7,3 км. При сокращении длительности импульса в 10 раз соответственно сократится и зона облучения.

При использовании частотной модуляции (обычно с периодическим линейным изменением частоты во времени) разрешение по дальности (в направлении падения) будет зависеть от диапазона изменения частоты передатчика. Чем в большем диапазоне изменяется частота передатчика, тем больше может быть получено разрешение по дальности.

Использованием модуляции бортового передатчика с одновременным анализом на наземном пункте приема мгновенных спектров отраженных сигналов позволяет осуществить бистатическое радиолокационное картографирование поверхности, которое напоминает частотно-временное картографирование, проводимое при наземных радиолокационных исследованиях Луны и планет. Однако при прочих равных условиях проведение бистатической радиолокации с модулированным сигналом требует наличия передатчика большей мощности, чем при радиолокации с немодулированным сигналом. Поэтому эти виды бистатической радиолокации только начинают находить применение в планетных исследованиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

К настоящему времени космические аппараты побывали на поверхности Луны, Марса и Венеры, исследовали с пролетной траектории или с орбиты искусственных спутников Луну, Венеру, Меркурий, Марс и Юпитер. С помощью большинства этих космических аппаратов проводились и радиофизические эксперименты.

Рассмотрим некоторые их результаты.

Исследования Луны

Из-за своей относительной близости к Земле Луна наиболее полно была изучена как наземными, так и космическими средствами, в том числе и радиофизическими методами.

Одним из первых радиофизических методов при исследовании Луны стала применяться радиолокация. На рис. 6 представлены результаты определения характеристик отражения грунтом поверхностного слоя Луны, полученные с помощью американских станций «Сервейер-6 и -7». Их сопоставление показывает, что горный (материковый) район в окрестностях лучевой системы кратера Тихо («Сервейер-7») создает значительно более широкую диаграмму обратного рассеяния, что соответствует большей степени шероховатости рельефа по сравнению с рельефом морского района.

Рис. 6. Удельная эффективная площадь рассеяния Луны по данным: а) «Сервейера-6» и б) «Ссрвейера-7»

В табл. 1 приведены результаты обработок проведенных моностатических радиолокационных экспериментов. Данные этой таблицы, в частности, показывают, что в районах, исследованных группой ученых Института космических исследований АН СССР с помощью автоматических станций серии «Луна» (на длине волны 3 см), в слое толщиной до 50 см эффективная диэлектрическая проницаемость варьируется от 1,7 до 5,7, что соответствует плотности грунта ρ = 0,68 — 2,63 г/см3. Значения среднеквадратичных углов наклона в этих районах изменяются от 8,5 до 13,5°.

Измерения на более короткой длине волны (2,3 см), выполненные на АС серии «Сервейер» группой ученых Лаборатории реактивного движения, также подтвердили сильное изменение свойств поверхности и подповерхностного слоя в зависимости от района измерения.

Таблица 1

В табл. 1 также приведены результаты измерения характеристик отражения для двух районов лунной поверхности, выполненных с борта станции «Луна-19».

Измерения, проводившиеся на «Луне-19», отличались по методике от измерений, выполненных на других автоматических станциях серии «Луна», осуществивших посадку на поверхности Луны. На борту искусственного спутника Луны «Луна-19» был установлен радиовысотомер с антенной, которая могла поворачиваться относительно корпуса автоматической станции. Это позволило использовать «Луну-19» для измерения диаграммы обратного рассеяния локальных участков поверхности. В процессе полета антенна радиовысотомера разворачивалась в плоскости орбиты станций, что позволило для двух смежных участков трассы полета вблизи кратера Рюмкер исследовать характеристики отражения радиоволн поверхностью. Оказалось, что эти два близкорасположенных участка, лежащие по обе стороны от глубокого разлома, имеют отличающиеся характеристики — они различаются как по эффективной диэлектрической проницаемости, так и по значению среднеквадратичных углов наклон.

Подобный по методике эксперимент был затем также проведен на искусственном спутнике «Луна-22».

На большинстве автоматических станций, осуществивших посадку на лунную поверхность, были проведены измерения физико-механических параметров характеристик грунта. Среди этих параметров была определена и плотность грунта. Так как на этих же автоматических станциях на участке посадки обычно проводились и радиолокационные эксперименты, то это позволило сопоставить[4] данные измерения плотности грунта, определенной в одном районе различными методами (рис. 7).

При исследовании Луны нашли применение два контактных метода определения плотности грунта: метод измерения несущей способности и метод измерения коэффициента рассеяния γ-квантов или α-частиц. Первый основан па связи несущей способности с плотностью грунта. Второй — на связи интенсивности потока вторичного излучения грунта при его облучении γ-квантами или α-частицами с величиной плотности этого грунта. На Луне первый метод использовался на станциях «Луна-17» («Луноход-1»), «Луна-21» («Луноход-2»), «Сервейер-1, -3, -5, -6, -7», второй — на автоматических станциях «Луна-13» (γ-плотномер) и «Сервейер-7» (α-плотномер).

Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

Сопоставление данных по определению плотности грунта контактными и дистанционными методами позволило сделать ряд важных выводов. Эти методы измерений дали близкие результаты. Была определена поверхностная плотность лунного грунта (плотность первого сантиметра в глубину от поверхности), которая в среднем оказалась равной 1,2 г/см3. Эта величина соответствует плотности измельченного лунного грунта при его насыпании без уплотнения (при имитации лунных условий в земной лаборатории). В разных районах Луны величина поверхностной плотности колеблется от 0,6 до 3 г/см3.

В результате совместного анализа результатов контактных и дистанционных измерений плотности грунта было показано, что она экспоненциально возрастает с глубиной. Это позволило определить толщину переработанного метеоритной бомбардировкой верхнего покрова Луны. В разных районах величина такого слоя оказалась существенно различной, колеблясь от 40 см до 40 м (при среднем значении этой величины равной 5 м). Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

При полете почти всех космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Луны, проводилась бистатическая радиолокация. При этом на космических аппаратах использовались различные методы модуляции и различные длины волн излучаемых сигналов, а также разные методики обработки принятых сигналов. Все эксперименты проводились по схеме, в которой передатчик размещался на борту искусственного спутника Луны (ИСЛ), а прием и обработка прямого и отраженного сигналов осуществлялись на наземном измерительном пункте.

Первый эксперимент по бистатической радиолокации был проведен в 1966 г. на ИСЛ «Луна-10» группой ученых из Института космических исследований АН СССР под руководством Н. Н. Крупенио на длине волны 1,7 м с импульсной модуляцией сигнала передатчика. Последующие эксперименты на аппаратах серий «Луна» и «Аполлон», а также на ИСЛ «Лунар Орбитер-1» и «Эксплорер-35», проводились с непрерывным излучением передатчика. На ИСЛ «Луна-22» была впервые применена частотная модуляция сигнала передатчика. Использование такой модуляции позволило при обработке отраженных сигналов измерить дальность от ИСЛ до района отражений на поверхности и получить при этом разрешение по дальности, равное 1,2 км. Поэтому в эксперименте были получены данные не только о среднеквадратичных углах наклона поверхности вдоль трассы полета ИСЛ, но также были оценены к вариации высот вдоль этой трассы.