Apollo 11 sarokreflektor

a Föld felszínén lévő két pont és a Hold közötti távolság mérése a Hold felszínén elhelyezett sarokreflektoros vagy anélküli lézeres távolságmérővel. Az ilyen kísérletek tudományos jelentősége a gravitációs állandó tisztázása és a relativitáselmélet tesztelése; a Föld-Hold dinamikus rendszer mozgásának számos paraméterének tisztázása; új adatok beszerzése a Föld és a Hold fizikai tulajdonságairól, belső szerkezetéről stb.

Történet

A bal oldali nyitott „doboz” a Lunokhod-1 sarokreflektora, amelyet a Holdtól való távolság meghatározására terveztek

Az USA-ban és a Szovjetunióban az 1960-as évek eleje óta végeztek kísérleteket a Hold lézeres mérésére, még sarokreflektorok használata nélkül is. Az USA-ban 1962. május 9. és május 11. között két MIT Cassegrain teleszkópot használtak erre a célra, az első 30,5 cm átmérőjű rubinlézersugarat irányított a Holdra, a második 122 cm átmérőjű. fogadta a visszavert jelet. Az Albategnium, Tycho, Copernicus és Longomontanus kráterek találhatók. A Szovjetunióban 1963-ban egy négyzetet helyeztek el az Albategnium holdkráter belsejében, és a rubin lézersugár küldésére és fogadására a Krími Asztrofizikai Obszervatórium egy 260 cm átmérőjű teleszkópját használták, amelyben jel küldése után egy speciális tükör megváltoztatta a helyzetét, és a felszíni Holdjelről visszaverődőt a fotodetektorba irányította. Ebben az obszervatóriumban végezték el a Hold távolságának első méréseit lézeres távolságméréssel, amikor 1965-ben a Lebegyev Fizikai Intézetben gyártott új berendezéssel 200 méteres pontossággal határozták meg. Ezenkívül a pontosságot korlátozta a lézersugárnak a Hold felszíne által okozott erős torzulása.

1969. július 21-én az Apollo 11 űrhajósai felszerelték az első sarokreflektort a Holdra. Később hasonló reflektorokat szereltek fel az Apollo 14 és Apollo 15 programok űrhajósai. Az Apollo 15 reflektor a legnagyobb, egy háromszáz prizmából álló panelből áll, a másik két Apollo reflektor egyenként 100 prizmát tartalmazott. A Luna 17 küldetés részeként a Holdra szállított Lunokhod 1 és a Luna 21 küldetés keretében szállított Lunokhod 2 szovjet holdjárókat is sarokreflektorokkal látták el. Magukat a reflektorokat Franciaországban gyártották, a por elleni védelem rendszerét és a tájékozódási rendszert szovjet szakemberek fejlesztették ki. A Lunokhod sarokreflektora egy 14 üvegből álló tetraéderes piramisból álló rendszer volt, amelyeket egy hőszigetelt dobozban helyeztek el úgy, hogy ferde éleik nyitottak legyenek a lézersugár számára.

Az első jeleket a Lunokhod-1-ről 1970. december 5-én és 6-án kapta a Krími Asztrofizikai Obszervatórium fent említett 2,6 méteres teleszkópja, és ugyanebben a hónapban a Pic du Midi Obszervatórium is. A Lunokhod-1 reflektor a működés első másfél évében mintegy 20 megfigyelést adott, de aztán elveszett a pontos helyzete, és csak 2010 áprilisában sikerült megtalálni. Feltételezték, hogy a holdjáró ferde helyzetben volt, ami gyengíti a róla visszaverődő jelet, és megnehezíti a megtalálását, ha pontatlanok a Hold felszínén lévő koordináták adatai. A Lunokhod-1 reflektorát akkor lehetett volna megtalálni, ha az általa visszavert nyuszi beleesik a Hold felszínéről készült optikai fényképekre, amelyeket a Lunar Reconnaissance Orbiter műhold segítségével terveztek készíteni, vagy más holdállomások látóterébe. 2010. április 22-én a Lunokhod 1-et találta meg a Hold felszínén Tom Murphy és egy tudóscsoport, akik lézerimpulzusokat küldtek az új-mexikói Apache Point Obszervatórium távcsövéből.

Ezenkívül az elsők között találta meg a Holdat a Skol-1 teleszkóp. A "Skol-1"-et a NIP-16 területén telepítették, és a "Lunokhod-1"-en dolgoztak.

Nem volt probléma a fennmaradó négy reflektor helyének meghatározásával, beleértve a Lunokhod-2-re szerelt reflektort is, amelyek folyamatos szondázását jelenleg számos állomás végzi, köztük a NASA Jet Propulsion Laboratory, amely a lézeres távolságot figyelte; a reflektorok beszerelésük pillanatától kezdve . A Krími Asztrofizikai Obszervatórium 2,6 méteres távcsövén, ahol 1978-ban olyan berendezést szereltek fel, amely lehetővé tette a Hold távolságának 25 cm-es pontosságú mérését, összesen 1400 alkalommal határozták meg ezt az értéket, leggyakrabban a Lunokhod-2 és az Apollo 15 sarokreflektorai." 1983-ban azonban a szovjet holdprogram megnyirbálása miatt a munka ott leállt.

A Hold lézeres mérését végző fő állomások

• JPL NASA, Kalifornia, USA
• McDonald Obszervatórium, Texas, USA
• OCA, Nizza, Franciaország
• Haleakala, Hawaii, USA
• Apache Point, Új-Mexikó, USA
• Matera, Matera, Olaszország
• OCA fióktelep, Dél-Afrika

Mérési elv

A Holdat célzó lézersugár

A lézer jelet bocsát ki egy távcsőbe, amely egy reflektorra irányul, és rögzítik a jel kibocsátásának pontos idejét. Az eredeti jelből származó fotonok egy része visszakerül a detektorba, hogy rögzítse a kiindulási adatpontot. A Hold felszínén lévő jelből származó nyaláb területe 25 km?. A Holdon lévő készülékről visszaverődő fény körülbelül egy másodpercen belül visszatér a teleszkópba, majd egy szűrőrendszeren halad át, hogy a kívánt hullámhosszúságú fotonokat nyerje és kiszűrje a zajt.

A megfigyelések pontossága

Az 1970-es évek óta a távolságmérés pontossága néhány tízről több centiméterre nőtt. Az új Apache Point állomás milliméteres nagyságrendű pontosságot tud elérni.

Az időmérés pontossága a jelenben körülbelül 30 pikoszekundum.

Lézeres mérés

A lézertávolság a külföldi sajtóban az optoelektronika területére utal, amely a lézerek által kibocsátott optikai tartományú elektromágneses hullámok segítségével különféle objektumok detektálásával és elhelyezkedésének meghatározásával foglalkozik. A lézeres távolságmeghatározás tárgyai lehetnek tankok, hajók, rakéták, műholdak, ipari és katonai építmények. A lézeres távolságmérés elvileg aktív módszerrel történik.

A lézeres távolságmérés, valamint a radar az elektromágneses hullámok három fő tulajdonságán alapul:

1. A tárgyakról való tükröződés képessége. A célpont és a háttér, amelyen található, eltérően tükrözi a rájuk eső sugárzást. A lézersugárzás minden tárgyról visszaverődik: fémes és nemfémes, erdőkről, szántóföldekről és vízről. Sőt, minden olyan tárgyról visszaverődik, amelynek mérete kisebb, mint a hullámhossz, jobban, mint a rádióhullámok. Ez jól ismert a visszaverődés alapelvéből, amely szerint minél rövidebb a hullámhossz, annál jobban visszaverődik. A visszavert sugárzás teljesítménye ebben az esetben a hullámhosszal fordítottan arányos a negyedik hatványhoz. A lézeres lokátor alapvetően nagyobb érzékelési képességgel rendelkezik, mint a radar – minél rövidebb a hullám, annál magasabb. Ez az oka annak, hogy a radar fejlődésével a hosszú hullámokról a rövidebbek felé mozdult el. Az ultrarövid rádióhullámokat kibocsátó rádiófrekvenciás generátorok gyártása azonban egyre nehezebbé vált, majd teljesen zsákutcába jutott. A lézerek megalkotása új távlatokat nyitott a helytechnológia terén.

2. Egyenes vonalú terjedési képesség. A teret pásztázó szűken irányított lézersugár segítségével meghatározható az objektum iránya (cél iránya) Ezt az irányt a lézersugárzást generáló optikai rendszer tengelyének elhelyezkedése határozza meg. Minél keskenyebb a gerenda, annál pontosabban határozható meg a csapágy.

Az egyszerű számítások azt mutatják, hogy körülbelül 1,5-ös irányítottsági együttható eléréséhez, amikor rádióhullámokat használnak a centiméteres tartományban, körülbelül 10 m átmérőjű antennára van szükség. Nehéz ilyen antennát felszerelni egy tankra, még kevésbé egy repülőgépre. Terjedelmes és nem szállítható. Rövidebb hullámokat kell használni.

A szilárdtest hatóanyag felhasználásával előállított lézersugár szögszöge köztudottan csak 1,0 ... 1,5 fok és további optikai rendszerek nélkül. Következésképpen a lézeres lokátor méretei lényegesen kisebbek lehetnek, mint egy hasonló radaré. A kis méretű optikai rendszerek alkalmazása lehetővé teszi a lézersugár több ívpercesre szűkítését, ha szükséges.

3. A lézersugárzás állandó sebességgel terjedő képessége lehetővé teszi a tárgy távolságának meghatározását. Így az impulzustartomány-meghatározási módszerrel a következő összefüggést használják:

Ahol L a tárgy távolsága, c a sugárzás terjedési sebessége, t az az idő, amely alatt az impulzus eljut a célpontig és vissza.

Ennek az összefüggésnek a figyelembe vétele azt mutatja, hogy a tartománymérés potenciális pontosságát az energiaimpulzus tárgyhoz való eljutásához és visszaérkezéséhez szükséges idő mérésének pontossága határozza meg. Teljesen világos, hogy minél rövidebb az impulzus, annál jobb.

Milyen paramétereket használunk a lokátor jellemzésére? Mik az útlevél adatai? Nézzünk meg néhányat közülük.

Először is a lefedettség területe. A tér azon tartományaként értendő, amelyben a megfigyelést végzik. Határait a maximális és minimális hatótávolság, valamint a magassági és irányszögbeli látási korlátok határozzák meg. Ezeket a méreteket a katonai lézeres lokátor rendeltetése határozza meg.

Egy másik paraméter a felülvizsgálati idő. Arra az időre vonatkozik, amely alatt a lézersugár egy adott tértérfogat egyetlen felmérését végzi.

A következő lokátorparaméter a meghatározott koordináták. Ezek a lokátor céljától függenek. Ha a földi és a víz alatti objektumok helyét kívánják meghatározni, akkor elegendő két koordináta mérése: tartomány és azimut. Légi objektumok megfigyeléséhez három koordinátára van szükség. Ezeket a koordinátákat adott pontossággal kell meghatározni, ami a szisztematikus és véletlenszerű hibáktól függ. Egy ilyen fogalmat fogunk használni felbontásként. A felbontás a közeli célpontok koordinátáinak külön-külön történő meghatározásának képességét jelenti. Minden koordinátának megvan a saját felbontása. Ezenkívül olyan jellemzőt használnak, mint a zajvédelem. Ez a lézeres lokátor azon képessége, hogy természetes és mesterséges interferencia körülményei között működjön. A lokátor nagyon fontos jellemzője pedig a megbízhatóság. Ez a lokátor azon tulajdonsága, hogy adott működési feltételek mellett a meghatározott határokon belül tartsa jellemzőit.

A lézertávolság (LL) elve azon alapul, hogy a fény vákuumban egyenes vonalúan és állandó sebességgel terjed. Egy rövid lézerimpulzust bocsátanak ki és érzékelik az időt, a lézersugár visszaverődik a céltárgyról és visszatér, ahol teleszkóp és érzékeny fotodetektorok segítségével megfogják, és meghatározzák az impulzus kibocsátása és visszatérése közötti időt. A fénysebesség ismeretében kiszámíthatja az objektum távolságát. Ha az impulzus rövid, és a visszavert jel kibocsátása és vétele közötti időt pontosan mérjük, akkor a tárgy távolsága megfelelő pontossággal kiszámítható. Külön figyelembe vesszük az atmoszféra hatását, amely meggörbíti a sugarat (törés) és késleltetést okoz, de ezek finom részletek.

A Hold elhelyezkedésével kapcsolatos elképzelések már régóta megfogalmazódtak, még a 20-as években. század, amikor még nem voltak lézerek. Amint a lézert feltalálták, azonnal felmerült az ötlet, hogy a lézersugárzás egyedülálló tulajdonságait használják fel a Hold lézeres távolságméréséhez (LLR). Az első LLL-kísérleteket 1962-63-ban végezték. az USA-ban és a Szovjetunióban. Akkor még nem volt szó mérésekről, egy ilyen helyszín megvalósításának lehetőségét vizsgálták. A kísérletek meglehetősen sikeresnek bizonyultak, a visszavert jelet megbízhatóan rögzítették, bár az 1 ms-os impulzus időtartama nem tette lehetővé a 150 km-nél pontosabb távolság mérését. 1965-66-ban rövidebb impulzusokkal végeztek kísérleteket - körülbelül 180 m-es pontosságot értek el, ráadásul a pontosságot nem annyira az impulzus időtartama, mint inkább a terep korlátozta.

Aztán felmerült az ötlet, hogy sarokreflektorokat (CR) szállítsanak a Holdra, hogy javítsák a helymeghatározás pontosságát. A sarokreflektorok arról nevezetesek, hogy mindig szigorúan az ellenkező irányba adják vissza a jelet, ráadásul a terepviszonyok miatt a jelnek nincs időbeli elkenődése.

Állítólag 5 sarokreflektort szállítottak a Holdra – kettőt szovjet holdjárókon, hármat pedig amerikai űrhajósok – Apollo 11, Apollo 14 és Apollo 15.

Itt ér véget az unalmas banalitás, majd elkezdődnek a varázslatos tündérmesék hihetetlen csodákkal és detektívrejtélyekkel!

Kezdjük azzal, hogy a Lunokhod-1-re telepített vezérlőeszköz hirtelen „elveszett”! Ráadásul ebben a kérdésben két vélemény is létezik. Vezető kutató, fej. posztgraduális hallgató a Pulkovo Obszervatóriumban, Ph.D. E.Yu.Alyoshkina

cikkében azt állítja, hogy a vezérlőkészüléke nem működik.

Ez akkor történt, amikor nagyon nehéz körülmények között mozogtak az egyik kráterben. Ennek a kráternek a falán van egy másik, másodlagos, kicsi. Ez a legrosszabb dolog a Holdon. Hogy kijuthasson ebből a tetves kráterből, a gépkezelő-sofőr és a személyzet úgy döntött, hogy visszafordítják a holdjárót. A napelemet pedig visszahajtották. És kiderült, hogy a napelem fedelével ennek a láthatatlan kráternek a falába hajtott, mert a kamerák csak előre néztek. Kis holdföldet merített a napelemre. És miután kiszálltunk, úgy döntöttünk, hogy bezárjuk ezt a panelt. De a holdpor olyan csúnya, hogy nem tudod olyan könnyen lerázni. A napelemen lévő por miatt a töltőáram leesett. és amiatt, hogy por érte a radiátort, a hőszabályozás megszakadt. Ennek eredményeként a Lunokhod 2 ebben a balszerencsés kráterben maradt. Az eszköz mentésére tett kísérletek semmivel nem végződtek.

A második történet hülyeségnek bizonyult. Már négy hónapja volt a Föld műholdján. Május 9-én átvettem a kormányt. Egy kráterben landoltunk, a navigációs rendszer meghibásodott.

Hogyan lehet kijutni? Nem egyszer kerültünk hasonló helyzetbe. Aztán egyszerűen letakarták a napelemeket és kiszálltak. És itt vannak új emberek a vezetői csoportban. Megparancsolták, hogy ne zárják be, és szálljanak ki. Azt mondják, bezárjuk, és nem lesz hőszivattyúzás a holdjáróból, a műszerek túlmelegednek.

Nem hallgattunk, és megpróbáltunk így távozni. Elértük a Hold talaját. A holdpor pedig olyan ragadós. Aztán elrendelik a napelem bezárását – azt mondják, a por magától leesik. Összeomlott - a belső panelre a holdjáró abbahagyta a napenergiával való újratöltést a szükséges mennyiségben, és fokozatosan elvesztette az energiát. Május 11-én már nem érkezett jelzés a Lunokhod felől.

Ezt az információt megerősíti... LRO! Íme egy kép a Lunokhod 2-ről nyitott fedéllel, kelet felé:

Általánosságban elmondható, hogy most hiába keressük a második holdjárót.

A holdjárókra szerelt sarokreflektor működési szögtartománya ±10 fok. Annak érdekében, hogy a Lunokhodra telepített UO-t megtalálhassuk, figyelembe véve a hold körülbelül 7 fokos librációját,

A holdjárót megfelelően a Föld felé kell irányítani azimutban (a földalatti pontig) és magasságban, 2-3 fokos pontossággal.

UPD 2013.11.03-tól. Felhívtam V. P. Dolgopolovot, és tisztáztam a sarokreflektorok elhelyezését a holdjáró testén - szigorúan előre dőlve helyezkednek el a pálya mentén, pontosan úgy, ahogy a múzeumi modellek fényképei mutatják.

És most emlékszünk Dovgan szavaira, hogy a Lunokhod 2 keletre néz, és alaposan megnézzük a térképet:


A zöld nyilak a holdjárók aktuális helyzetét, a sárga nyilak a holdjárókra szerelt vezérlőeszközök sikeres elhelyezéséhez szükséges tájolást mutatják. A kép közepén található földalatti pont, amelyre a Lunokhod-2-t azimutban kell irányítani, a Lunokhod-2-től délnyugatra található, a Lunokhod-2 pedig keletre van fordítva (véleményem szerint, az azimut hozzávetőlegesen 100-110 fok) - ebben a helyzetben a helymeghatározó sugár beesési szöge a készülékre kb. 70 fok, ami egy kvarckészüléknél teljesen tiltó szög, pl. A Lunokhod-2 sarokreflektora abszolút nem működik. És a csillagászok már majdnem 40 éve sikeresen megtalálják??? Behunyom a szemem, és elképzelem, ahogy a fotonok lendületes piruetttel belemerülnek a Lunokhod-2 hátrafelé fordított sarokreflektorába, hogy ott tükröződjenek, és egy fordított piruettet követően elinduljanak a Föld felé... Scheherazade idegesen füstölög a pálya szélén. ! Csak 1001 éjszakára volt elég mese.

Felmerül egy természetes kérdés – mit találtak akkor (a csillagászok)?

Az amerikai kísérlet részleteit többé-kevésbé részletesen az Apollo 11 Preliminary Science Report című dokumentum írja le. A Krími Asztrofizikai Obszervatóriumban (CrAO) végzett szovjet kísérletek részletei a Hold lézeres mérésével kapcsolatban a „Mobil laboratórium a Holdon LUNOKHOD-1” gyűjtemény második kötetében találhatók. Van egy képlet is a válaszjel nagyságának kiszámítására

és a számítás eredményét jelzi - 0,5 fotoelektron egy impulzusból, azaz. körülbelül 1 fotoelektront kell rögzíteni két lézerimpulzusból.

A Holdat elérő fotonok száma megegyezik a lézer által kibocsátott számmal, megszorozva ezzel az átlátszósági együtthatóval N M = K λ N t . Például a KrAO esetében ez átlagosan 0,73. A nagyobb magasságú obszervatóriumok esetében a légkör átlátszóbb. A visszaverődő fotonok visszatérésekor a fotonok útján újra találkozik egy akadály a légkör formájában - az eredményt még egyszer meg kell szorozni a légkör átlátszósági együtthatójával K λ.

A lézerből kilőtt sugár szétválik. Ennek két alapvető oka van. Az első a diffrakciós nyaláb tágulása. Ez a fény hullámhosszának és a sugár átmérőjének aránya. Ezért annak csökkentése érdekében növelni kell a gerenda átmérőjét. Ehhez a lézersugarat kiterjesztik és ugyanazon a távcsövön vezetik át, amely ezután felfogja a válaszfotonokat. A kapcsolást megfordítható tükör végzi - tekintettel arra, hogy a válaszfotonok csak 2,5 másodperc múlva érkeznek meg, ezt egyáltalán nem nehéz biztosítani. Egy 3 méteres kimenő átmérőjű teleszkópnál a sugár diffrakciós tágulása mindössze 0,05" (ívmásodperc). A második ok sokkal erősebb - turbulencia a légkörben. Ez kb. 1" szinten biztosítja a nyaláb divergenciáját. Ez az ok alapvetően eltávolíthatatlan. Az egyetlen módja annak, hogy leküzdjük a távcsövet az atmoszférán kívülre.

Tehát a légkörből kilépő nyalábnak θ divergenciája van. Kis θ szögeknél használhatjuk a θ = tan(θ) = sin(θ) közelítést. Következésképpen a sugár egy D = Rθ átmérőjű foltot fog megvilágítani, ahol R a Hold távolsága (átlag 384 000 km, maximum 405 696 km, minimum 363 104 km). Egy 1"-os divergenciájú sugár megvilágítja a Hold egy körülbelül 1,9 km átmérőjű foltját. A folt területe, amint az a geometriai lefutásból ismeretes, egyenlő.

Az EO-ról vagy a holdtalajról való visszaverődés eredményeként a távcsőbe jutó fény mennyisége arányos a távcső területével. A d átmérőjű teleszkóp területe .

A CR-ről való visszaverődés esetén nem minden, a Holdat elérő foton ütközik a CR-be és tükröződik vissza. A készülékről visszaverődő fotonok száma arányos a reflektor S 0 területével és annak K 0 visszaverődési együtthatójával. (Ez feltéve, hogy legalább a folt szélével megérintette az eszközt.) A francia gyártmányú reflektorok esetében a teljes terület 640 cm 2, 0,9-es tükrözési együtthatóval, de nem szabad elfelejteni, hogy a háromszög alakú prizmáknál elülső felület, a munkaterület a teljes terület 2/3-a. Az amerikaiak nem fémezett kvarcprizmákból készültek, és háromszor kisebb a visszaverődési együtthatójuk, de nagyobb területük volt - az Apollo 11 és Apollo 14 expedíciók által szállított infravörös állítólag 0,1134 m 2, Apollo 15 - 0,34 m 2 ( NASA -CR-113609). Ennek eredményeként a CR-ről visszaverődő fotonok száma .

Valójában a fotonok eloszlása ​​a folt területén jelentősen egyenetlen:

Ha azonban az eredményeket több lézeres „lövés” során összegezzük, hogy a hasznos jelet elkülönítsük a háttérzajtól, ez az egyenetlenség kisimul.

Nem minden, az EO-ról visszaverődő foton kerül a teleszkópba. A visszavert nyaláb divergenciája θ" és egy L=Rθ" átmérőjű foltot fog megvilágítani a Földön. A Föld azon foltjának területe, amelyen a visszavert sugár eloszlik, egyenlő. Ebből a pontból a fotonok száma beleesik a távcsőbe (ha igen, akkor azt is ellenőrizni kell). A holdjárókra telepített francia IO-k esetében a visszavert sugár divergenciáját 6"-ban jelzik (a rubinlézer hullámhossza 694,3 nm), ami a visszavert folt átmérőjét adja meg a Földön 11 km; az amerikaiak kisebb hármas prizmákból készült, és ezért enyhén nagy, 8,6"-os divergenciával rendelkezett (egy 694,3 nm-es rubinlézer hullámhosszához is), a folt átmérője a Földön körülbelül 16 km lesz. Valójában a visszavert nyaláb divergenciáját a diffrakció határozza meg, azaz. a lézer hullámhosszának az egyik elem apertúrájához viszonyított aránya UO θ" = 2,44 λ/D RR. Ezért az 532 nm hullámhosszú zöld lézer alkalmazása - a zöld fény nagyobb abszorpciója és szóródása ellenére is - indokolt lehet a föld légkörében a vöröshez és az infravöröshöz képest.

Amint látjuk, gyakorlatilag ugyanazt a képletet kaptuk, amit Kokurin és társai munkájában jeleztek, csak abban a munkában hozzáadták az átviteli együtthatókat az adó- és vételi útvonalakban, valamint a fotodetektor kvantumkonverziójának hatékonyságát (hányat). a távcsövet eltaláló szám fotonjai elektromos jel formájában rögzítésre kerülnek). Ami még hiányzik, az az effektív reflexiós terület függése a beesési szögtől, pl. a képletek abból a feltevésből származnak, hogy a helymeghatározó sugár beesési szöge a célponton közel van a normálhoz. Valójában a függőség a következő:

A talajról való visszaverődés esetén a fény nagy része elnyelődik, a maradék pedig egy Lamberti-féle törvény szerint szóródik (minden irányban egyenletesen), 2π szteradián térszögben. Valójában a Holdról való visszaverődés valamivel trükkösebb – a Hold talajának kifejezett visszaszóródó és ellentétes hatásai vannak, amelyek oda vezetnek, hogy a Hold talaja 2-3-szor szigorúbban tükröződik az ellenkező irányba, mint a hagyományos Lamberti (matt) felszín. . Nagyjából a Hold teljes felülete sarokreflektorként működik, bár nem túl jó.

A Hold átlagos albedóját 0,07-nek tekintik, bár a Hold látható felületének különböző helyein az albedó 0,05 és 0,16 között mozog. (UPD: A LOLA lézeres magasságmérővel nyert legfrissebb adatok szerint szigorúan visszaverve az albedó elérheti a 0,33-at, a déli póluson néhány tartósan sötét kráterben pedig a 0,35-öt is!)

Ellenőrizzük, hogy a megvilágított pont melyik része esik a teleszkópba. A teleszkóp látóterét a maximális nagyítása határozza meg, amelyet az átmérője határoz meg. A 2,64 m átmérőjű CrAO teleszkóp számítása 22" látómezőt ad, a munka 15" értéket ad - az értékek közel állnak. A megvilágított folt mérete általában kisebb, így a teljes folt megjelenik a távcső látóterében.

A Hold talajáról visszaverődő és a teleszkópba belépő fotonok száma egyenlő.

Innen levezetünk egy képletet a sarokreflektor használatának hatékonyságának értékelésére az IR fényerejének és a holdtalaj fényességének arányában. Elegendő egy gyors pillantás erre a képletre, hogy lássa, hogy az eszközből érkező válaszjel szintjének növeléséhez a talajról való visszaverődéshez képest csökkenteni kell a helymeghatározó lézersugár divergencia szögét - a függés kvadratikus.

(UPD: „Lunokhod-1”, bár rosszul van elhelyezve, mégis látható. Az EO-nál a számított beesési szög 31,5 fok a normálhoz képest (a libráció figyelembevétele nélkül), ennél a szögnél az EPR egy nagyságrenddel csökken nagysága és az impulzusválasz terjedése -a célnyaláb nem merőlegessége miatt a helymeghatározó sugárra. De Lunokhod-2 esetében a számított beesési szög körülbelül 70 fok a normálhoz képest - a szög teljesen tiltó. még egy kvarc célsugár esetén sem segít.)

Százötven fotonnak kell a teleszkópba esnie az eszközből, körülbelül 5 a földről, és Aleshkina azt írja, hogy „1 foton 10-20 felvételenként”. Ez mit jelent? Még kevesebb fotont rögzítenek, mint kellett volna a földről!

És ennek így kell lennie! Emlékeztetünk arra, hogy a földalatti ponttól távolabb elhelyezkedő Hold felszíne jelentősen nem merőleges a nyalábra, ezért a visszavert jel időben elkenődik,

és az időbeli szűrő csak azokat a fotonokat vágja ki belőle, amelyek megfelelnek a várt eredménynek.


Ha emlékszünk arra, hogy a Hold felszíne nem ideálisan sima, és hegyek és kráterek vannak rajta, akkor a Föld felé néző kráterfal vagy hegylejtő jelenléte, amelyre a lézeres helymeghatározó sugár merőlegesen esik, pontosan megadja a ugyanaz az idő-kompakt jel, mint az USA-ból, de alacsonyabb intenzitású.

Ha a földről számított jelet gyengítjük, mint a holdfelszín helymeghatározó sugárra merőleges területének és a helymeghatározó nyaláb keresztmetszeti területének arányát, akkor teljes egyezést kapunk a kísérleti eredményekkel számítás a hipotézishez a talajról való visszaverődéssel. Tekintve, hogy a Holdon a helymeghatározó sugár átmérője 2-7 km, akkor már 2-3 km magas hegyek vagy kráterfalak is elegendőek, és rengeteg ilyen hegy, kráter van a Holdon. Sőt, nincs is szükség tökéletesen sík felületre. A számításból az következik, hogy 0,16-os albedóval (és a Hold hegyei könnyebbek, mint a tengerek) a talajból származó fotonok számított száma körülbelül 3-szor haladja meg a kísérleti értékeket, azaz. A számítással egybeeséshez elegendő, ha a megvilágított foltnak csak egyharmada esik a várt síkon fekvő felületre. A fennmaradó 2/3-nak bármilyen megkönnyebbülése lehet.


A piros vonal egy feltételes felületet jelöl, amelyről a visszavert jel áthalad az időszűrőn. Ideális esetben ez egy 380 000 km sugarú gömb töredéke lenne, amelynek középpontja megközelítőleg a Föld középpontja. Egy ilyen gömbtöredék alig különbözik a síktól.

A vezérlőkészülék jelének visszaverődésével kapcsolatos hipotézist publikált kísérleti adatok nem erősítik meg - a hiba nem százalékos, még csak nem is időkben, hanem nagyságrendekben van.

Általában minden világos számomra az alkalmazott csillagászatban -

1965 őszén szovjet tudósok egy csoportja egyedülálló kísérletet végzett: 200 m-es pontossággal határozták meg a Hold távolságát.

A tudósok egy rubinlézert használtak, amely óriási impulzusokat generált, időtartama 5 10 "8 s. Lézerimpulzusok küldésére a Holdra, majd a Hold felszínéről visszaverődő impulzusok fogadására a Krími Obszervatórium 260 cm-es főtükör átmérőjű optikai teleszkópját használták 1969-ben amerikai űrhajósok az Apollo 11-ről landoltak a Hold felszínén 1970-ben pedig a Földről irányított Lunokhod-1 szovjet űrszonda ereszkedett le a Hold felszínére. Az űrhajósok és a holdjáró különleges fényvisszaverőket szállítottak a Holdra. A reflektor, vagy egyébként sarokreflektor arra szolgál, hogy a ráeső fénysugarat a sugár eredeti irányával szigorúan párhuzamos irányban visszajuttassa. Ezzel a képességgel rendelkezik például egy sarok, amelyet három egymásra merőlegesen elhelyezett lapos tükör alkot. A Földről a Hold felszínén elhelyezett sarokreflektorokról küldött rövid lézerimpulzusok visszaverődése segítségével a tudósok meg tudták határozni a Föld és a Hold (pontosabban a földi távcső tükre és a holdreflektor) közötti távolságot. több tíz centimétert meg nem haladó hiba. Ahhoz, hogy elképzeljük, milyen nagy ez a pontosság, emlékeznünk kell arra, hogy a Hold 380 000 km-re található

A Hold felszínére szerelt lézerreflektor egy 45 cm oldalhosszúságú négyzet, amely 100 különálló sarokreflektorból áll. Lehetőség van a négyzetes sík tájolásának megváltoztatására - figyelembe véve a reflektor elhelyezkedését a hold felszínén
Föld. A 40 cm-es hatótávmérési hiba 109-szer kisebb, mint a megadott távolság!
De miért mérjük meg ilyen nagy pontossággal a Hold távolságát? Ezt tényleg csak „sportérdekből” teszik? Természetesen nem. Az ilyen méréseket nem azért végzik el, hogy pontosabban meghatározzák a földtávcső és a holdreflektor közötti távolságot, hanem azért, hogy pontosabban meghatározzák ennek a távolságnak a változásait egy bizonyos időtartam alatt, például egy hét, egy hónap, egy év. A távolság időbeli változásait leíró grafikonok tanulmányozásával a tudósok információkat szereznek számos nagy tudományos jelentőségű kérdés megválaszolásához: hogyan oszlik el a tömeg a Hold belsejében? Milyen sebességgel közelednek vagy távolodnak egymástól a Föld kontinensei? Hogyan változik a Föld mágneses pólusainak helyzete az idő múlásával?
Ezért van a világon több tucat űrcélú lézeres helymeghatározó rendszer.
olvasmányok. Megtalálják a Holdat, valamint a mesterséges földi műholdakat geodéziai célokra. Példaként megjelöljük a Szovjetunió Tudományos Akadémia P. N. Lebedev Fizikai Intézetének lézeres helymeghatározó rendszerét, amelyet a Hold helyének meghatározására terveztek. A rubinlézer óriási fényimpulzusokat hoz létre, amelyek időtartama 10"8 s, energiája körülbelül 0,1 J. Az impulzusok áthaladnak egy kvantumerősítőn, majd energiájuk 3 J-ra nő. Ezután a fényimpulzusok elérik a 260-at. cm-es távcsőtükör és a Holdra küldik . A Holdtól való távolság mérésének hibája ebben az esetben 90 cm Az impulzus időtartamának * 10“ 9 s-ra csökkentésével a hiba 25 cm-re csökken Központ az Egyesült Államokban, mesterséges földi műholdak lokalizálására tervezték. Pulzáló rubinlézert használ, amely 4 * 10 "9 s időtartamú, 0,25 J energiájú impulzusokat generál. A távolságmérés hibája 8 cm.
A Szovjetunió Tudományos Akadémia Fizikai Intézetének lézeres helymeghatározó rendszerének egyszerűsített optikai diagramja: 7 - rubinlézer, 2 - kvantumfényerősítő, 3 - 260 cm átmérőjű fő távcsőtükör

A lézeres helymeghatározókat nem csak a föld felszínére, hanem repülőgépekre is telepítik. Képzeljük el, hogy két űrhajó közeledik egymáshoz, és hamarosan automatikusan kiköt. Pontosan ellenőrizni kell a hajók egymáshoz viszonyított helyzetét, és pontosan meg kell mérni a köztük lévő távolságot. Ehhez lézeres lokátort szerelnek fel az egyik hajóra. Példaként vegyünk egy CO2 lézeren alapuló lokátort, amely szabályos fényimpulzus-sorozatot generál 50 kHz ismétlési gyakorisággal. A lézersugarat soronként letapogatják (hasonlóan a televíziócső elektronsugarajához) 5 x 5°-os térszögben; a sugár nézési ideje ebben a térszektorban 10 s. A lézeres helymeghatározó megkeresi és azonosítja a dokkoló járművet a tér meghatározott szektorában, folyamatosan méri annak szögkoordinátáit és hatótávolságát, valamint precíz manőverezést biztosít – egészen a dokkolás pillanatáig. A lokátor minden műveletét a fedélzeti számítógép vezérli.
A lézeres helymeghatározókat ma az űrhajózásban és a repülésben egyaránt használják. Különösen precíz magasságmérőként szolgálhatnak. Vegye figyelembe, hogy a lézeres magasságmérőt az Apollo űrszondán használták a Hold felszínének feltérképezésére.
A lézeres helymeghatározók fő célja ugyanaz, mint a radaroknak: a megfigyelőtől távol eső objektumok észlelése és azonosítása, ezen objektumok mozgásának követése, információk beszerzése az objektumok természetéről és mozgásukról. A radarhoz hasonlóan az optikai távolságmérés is a tárgy által visszavert sugárzási impulzusokat használja fel egy objektum észlelésére és információszerzésre. Ugyanakkor az optikai helymeghatározásnak számos előnye van a radarral szemben. A lézeres lokátor lehetővé teszi egy objektum koordinátáinak és sebességének pontosabb meghatározását. Ezenkívül lehetővé teszi egy objektum méretének, alakjának és térbeli tájolásának azonosítását. Az objektum videóképe a lézerradar képernyőjén figyelhető meg.
A lézeres távolságmeghatározás előnyei a lézersugarak éles irányultságával, az optikai sugárzás magas frekvenciájával és a fényimpulzusok kivételesen rövid időtartamával járnak. Valóban, a többi - 66
Irányított sugárral szó szerint „tapinthat” egy tárgyat, „megnézheti” felületének különböző részeit. Az optikai sugárzás nagy frekvenciája lehetővé teszi egy tárgy sebességének pontosabb mérését. Emlékezzünk vissza, hogy ha egy tárgy a megfigyelő felé (a megfigyelő felől) elmozdul, akkor az általa visszavert fényimpulzus már nem az eredeti frekvenciájú, hanem magasabb (alacsonyabb) frekvenciájú lesz. Ez az optikában és az akusztikában egyaránt jól ismert Doppler-effektus; ez a hatás a korábban tárgyalt lézeres anemométerek alapja. A visszavert impulzus frekvenciájának változása (Doppler-frekvenciaeltolódás) arányos a tárgy sebességével (pontosabban a sebesség vetületével a megfigyelőtől a tárgy irányába) és a sugárzás frekvenciájával. Minél nagyobb a sugárzási frekvencia, annál nagyobb a helymeghatározó berendezés által mért Doppler-frekvenciaeltolódás, és így annál pontosabban határozható meg az objektum sebessége. Végül megjegyezzük a kellően rövid sugárzási impulzusok helyben történő alkalmazásának fontosságát. Hiszen a lokátorral mért objektum távolsága arányos a vizsgáló impulzus elküldésétől a visszavert impulzus vételéig eltelt idővel. Minél rövidebb maga az impulzus, annál pontosabban határozható meg ez az időtartam, és így a tárgy távolsága is. Nem véletlen, hogy az űrlézeres távolságmérés körülbelül 10–8 s vagy annál rövidebb időtartamú fényimpulzusokat használ. Emlékezzünk vissza, hogy 10"8 s impulzusidő mellett 90 cm volt a hiba a Hold helymeghatározásában, 2 10_9 s impulzusidő mellett pedig 25 cm-re csökkent a hiba.
Az optikai helymeghatározó rendszereknek azonban vannak hátrányai is. Természetesen nagyon kényelmes egy tárgyat keskeny, erősen fókuszált lézersugár segítségével „megvizsgálni”. Egy ilyen sugár segítségével azonban nem olyan könnyű egy tárgyat észlelni; A tér szabályozott területének nézési ideje ebben az esetben viszonylag hosszúnak bizonyul. Ezért az optikai helymeghatározó rendszereket gyakran használják radarrendszerekkel kombinálva. Ez utóbbiak gyors áttekintést adnak a térről, gyors célérzékelést és optikai rendszereket biztosítanak, majd mérik az észlelt célpont paramétereit és követik a célpontot. Ezenkívül az optikai sugárzás terjedésekor
A természetes környezetben – légkörön vagy vízen – keresztül történő átvitel során problémák merülnek fel a környezetnek a fénysugárra gyakorolt ​​hatásával összefüggésben. Először is, a fény részben elnyelődik a közegben. Másodszor, ahogy a sugárzás az út mentén terjed, a fénysugár hullámfrontjának folyamatosan növekvő torzulása következik be a légköri turbulencia, valamint a közeg részecskéin történő fényszóródás miatt. Mindez behatárolja a földi és víz alatti optikai helymeghatározó rendszerek hatókörét, működésüket a környezet állapotától és különösen az időjárási viszonyoktól teszi függővé.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete