Радиоисследования планет с космических аппаратов

Крупенио Николай Николаевич

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 = 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).

4

Следует сказать, что толщина слоя грунта, плотность которого определялась контактно и дистанционно (радиолокационными методами), в большинстве случаев различна. Поэтому для сравнения полученных данных производился пересчет результатов определения плотности к одной толщине слоя верхнего покрова. Такой пересчет особенно необходим для лунных измерений в связи с тем,

что плотность грунта Луны существенно изменяется с глубиной.

При исследовании Луны нашли применение два контактных метода определения плотности грунта: метод измерения несущей способности и метод измерения коэффициента рассеяния -квантов или -частиц. Первый основан па связи несущей способности с плотностью грунта. Второй — на связи интенсивности потока вторичного излучения грунта при его облучении -квантами или -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» (-плотномер) и «Сервейер-7» (-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.