"Радиоисследования планет с космических аппаратов" - читать интересную книгу автора (Крупенио Николай Николаевич)

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.

Бистатические радиолокационные измерения, проведенные на ИСЛ «Луна-10» в восточной части видимого с Земли лунного диска, показали, что отраженный сигнал от горных районов имеет весьма изрезанную форму. Это свидетельствует о сильном влиянии неровностей рельефа горных областей на отраженный сигнал в метровом диапазоне длин волн (1,7 м) при облучении поверхности под большими углами падения (Θ = 60–80°).

Большая протяженность по дальности отраженного сигнала была вызвана сильной изрезанностью рельефа. Благодаря этому условия «зеркальности» для локальных отражающих площадок выполнялись для широкого диапазона углов падения, а, следовательно, и для большого диапазона дальностей.

На ИСЛ «Луна-11 и -12» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева были продолжены радиолокационные эксперименты в метровом диапазоне длин волн. В этих экспериментах разделение прямого и отраженного сигналов осуществлялось за счет различия их доплеровских частот. Эти ИСЛ не имели системы стабилизации (т. е. ИСЛ произвольно вращался относительно своего центра тяжести), а диаграммы направленности их бортовых антенн значительно отличались от круговых. Поэтому для определения энергетических соотношений между прямым и отраженным сигналами использовалось усреднение сигналов в течение отрезков времени, в которые ИСЛ занимал примерно одинаковое положение по отношению к наземному пункту, т. е. имел одинаковую высоту полета и угол падения относительно точки зеркального отражения.

Сопоставление экспериментальной зависимости отношения мощностей прямого и отраженного сигналов от утла падения при разных высотах полета ИСЛ с соответствующими теоретическими зависимостями позволило определить среднее значение эффективной диэлектрической проницаемости и среднеквадратичного угла наклона поверхности для всех районов измерения, находящихся в экваториальной зоне Луны. Данные по диэлектрической проницаемости совпали с результатами наземной радиолокации в метровом диапазоне длин волн.

Бистатическая радиолокация Луны, проведенная па ИСЛ «Лунар-Орбитер-1» учеными Станфордского университета США, была выполнена по более сложной методике. При этом анализировались не усредненные по времени амплитуда и форма спектра отраженного сигнала, как это имело место в экспериментах на ИСЛ «Луна-11 и -12», а записывался мгновенный спектр отраженного сигнала.

По зависимости изменения от времени отдельных составляющих в спектре отраженного сигнала на одном витке орбиты ИСЛ удалось отождествить отраженные сигналы с локальными районами на поверхности Луны. С учетом данных траекторных измерений были определены координаты мгновенных центров переизлученияи размеры отдельных площадок с повышенным отражением вблизи кратера Кестнер. Размеры таких площадок оказались весьма различными. Самые крупные из них имели линейные размеры 30 км, а самые мелкие около 5 км (в результате обработки была построена радиолокационная карта района кратера Кестнер).

Анализ расположения в этом эксперименте переизлучающих площадок на поверхности Луны показал, что обычно переизлучают одновременно несколько «радио-ярких» площадок, расположенных вблизи точки зеркального отражения. Однако иногда наблюдаются также и площадки, сравнительно удаленные от трассы перемещений точки зеркального отражения.

Анализ характера переизлучения поверхности Луны в данном эксперименте позволил сделать следующие выводы.

Большинство «радиоярких» участков совпало с внутренними склонами кратеров. Часть «радиоярких» участков находилась на очень неровных участках Моря Смита. «Радиояркие» участки, находившиеся внутри кратеров, обладали повышенным переизлучением не только за счет эффекта фокусировки радиолокационного сигнала стенками кратера, но также и за счет более плотного грунта внутри кратера.

Бистатическая радиолокация, проведенная на ИСЛ «Эксплорер-35», отличалась от предыдущих экспериментов тем, что была применена сложная спектральная обработка отраженного сигнала. Суть этой обработки заключалась в том, что отраженный сигнал вначале записывался на магнитофон и затем подвергался последующей обработке на ЭВМ совместно с данными траекторных измерений. В результате такой обработки определялись мгновенные спектры отраженного сигнала. Сопоставление полученных спектров с результатами теоретически рассчитанных спектров позволило определить значения среднеквадратичных углов наклона поверхности вдоль трассы измерений, а также усредненные значения ε для небольших по протяженности участков трассы перемещения точки зеркального отражения. Этот метод обработки впоследствии стал успешно применяться в большинстве бистатических радиолокационных экспериментов.

В экспериментах, проведенных на ИСЛ «Эксплорер-35», было отмечено, что интенсивность отраженных сигналов от морских районов примерно на 30 % выше интенсивности отраженных сигналов от материковых районов. Это соответствовало увеличению примерно на 15 % среднего значения эффективной диэлектрической проницаемости вещества грунта морских районов относительно материковых в слое толщиной до 10 м.

Такой результат был неожиданным, так как в то время (1967 г.) считалось, что грунт лунных морей должен быть более рыхлым, чем материковый грунт. Впоследствии факт большой плотности скальных пород в морских районах был подтвержден экспериментально как на Луне, так и в земных лабораториях.

По данным радиолокационных измерений вблизи кратера Флемстид был отмечен выход на поверхность скальных пород в этом районе. Такой вывод был сделан по сильному увеличению амплитуды отраженного сигнала в этой области. Следует сказать, что результаты этого эксперимента хорошо коррелировались с данными наземных радиолокационных и инфракрасных измерений этого района, которые также свидетельствовали о более высокой средней плотности грунта в этой области Луны.

На ИСЛ «Луна-14» были проведены бистатические радиолокационные эксперименты, подобные экспериментам, ранее выполненным на ИСЛ «Эксплорер-35». Было подтверждено, что форма спектра отраженного сигнала является хорошим индикатором степени неровности поверхности. В спектре иногда появлялись несколько максимумов (наличие нескольких максимумов объясняется отражением радиоволн от различных горных склонов и резких изломов). Рассчитанные по спектру значения среднеквадратичных углов наклона для морских районов (длина волны 1,7 м) составили ~ 3°, а для материковых районов эта величина достигла 14°.

Спектры отраженных сигналов, полученные в экспериментах на ИСЛ «Луна-19» в дециметровом диапазоне радиоволн (32 см), по своему характеру обычно соответствовали спектрам, которые ранее были измерены на ИСЛ «Луна-14» в метровом диапазоне радиоволн. Однако появление спектров отраженного сигнала с несколькими максимумами в дециметровом диапазоне было значительно реже по сравнению с измерениями в метровом диапазоне. Это свидетельствовало о том, что в дециметровом диапазоне спектр отраженного сигнала формируется за счет более мелких неоднородностей, которые более равномерно распределены по поверхности, чем более крупные неоднородности, определяющие спектр в метровом диапазоне. Эффект сильной изрезанности спектра на дециметровых волнах обычно возникал, когда точка зеркального отражения попадала в район с группой кратеров, размеры которых составляли несколько километров, т. е. были сравнимы с размерами зоны наибольшего отражения.

Для районов с примерно одинаковой структурой поверхности полученные значения среднеквадратичных углов наклона в дециметровом диапазоне оказались, примерно, на 40 % выше, чем в метровом диапазоне. Это соответствует относительно большему числу неоднородностей с меньшими линейными размерами. Такой же вывод был получен и при проведении радиолокационных исследований Луны с Земли методом моностатической радиолокации. Измерения, проведенные с Земли для центрального района диска Луны, показали, что спектр отраженного сигнала расширяется с уменьшением длины волны. Это хорошо коррелируется с зависимостью количества неоднородностей на лунной поверхности от их размеров. Так, число кратеров на Луне сильно возрастает с уменьшением их диаметра. Сильно возрастает также и количество камней в зависимости от уменьшения их линейного размера и т. д.

Проведение бистатических радиолокационных измерений позволило сделать следующий вывод: морские районы более ровные, чем материковые, в масштабе десятков и сотен метров, но менее ровные в масштабе нескольких дециметров. Основные результаты бистатической радиолокации Луны приведены в табл. 2.

Таблица 2