|
Четвертого октября 1957 г в нашей
стране был запущен первый в мире искусственный
спутник Земли. Вскоре была начата программа полетов
первых в мире космических аппаратов на Луну. Ракеты,
пригодные для этой цели, уже были, а средства
измерения и контроля траектории их полета на расстояниях
десятки и сотни тысяч километров еще не были созданы.
Оптические наблюдения не обеспечивали надежности,
в первую очередь, из-за погодных условий. Соответствующие
поставленной задаче радиотехнические средства
еще не были созданы. ФИАНу была поручена важная
и необычайно сложная задача оперативного измерения
траекторий полета космических аппаратов, направляемых
на Луну.
В контейнере с научной аппаратурой был установлен
радиопередатчик, что давало возможность проводить
эти измерения радиометодами.
Создание измерительного комплекса
должно было быть завершено в очень сжатые сроки.
Работу, получившую шифр "ВСР" (весьма
срочная работа), выполнял большой коллектив радиоастрономов
ПРАО ФИАН под руководством В.В. Виткевича. Р.Л.
Сороченко обеспечивал подготовку антенн, В.А.
Удальцов - создание радиоприемной аппаратуры,
Л.И.Матвеенко - создание радиоинтерферометра.
А.Д.Кузьмин занимался идеологией функционирования
системы и обработки результатов измерений.
Работа контролировалась непосредственно "Главным
теоретиком" - руководителем программы космических
исследований, Президентом АН СССР М.В. Келдышем
и "Главным конструктором" космической
техники С.П.Королевым.
Измерительный комплекс создавался
на основе радиоинтерферометров, используемых в
радиоастрономии, дающих возможность получить необходимую
точность измерений. Были использованы две имеющиеся
в Крымской экспедиции ФИАН большие антенны 22
11 м2, разнесенные для повышения углового разрешения
на расстояние 176 м в направлении восток-запад.
Измерения производились на частоте бортового передатчика
космического аппарата 183.6 МГц, соответствующей
длине волны 1.63 м. Для разделения изменений интенсивности
сигнала, обусловленных изменением направления
на комический аппарат и изменением интенсивности
излучения самого космического аппарата, был специально
разработан и создан радиоинтерферометр с фазовой
модуляцией.
 |
Рис.1. Восточная
антенна измерительного комплекса |
Принципиально сложным элементом
создания измерительного комплекса оказалась юстировка
антенных систем. В технике антенных измерений
юстировка производится по эталонному источнику
радиоизлучения, в качестве которого используется
калиброванный генератор радиоволн, При этом эталонный
генератор должны быть удален от антенны на расстояние
не меньше 2D2 / , где D - размер антенны и - рабочая
длина волны, а координаты его местоположения точно
известны. Для антенной системы с расстоянием между
составляющими ее антеннами 176 м, работающей на
волне 1.63 м, калибровочные генераторы должны
быть удалены от антенны на расстояние не менее
40 км. Для того, чтобы этот генератор был виден
из-за горизонта, его необходимо поднять на высоту
нескольких сотен метров.
Полет на Луну имел большое научно-техническое
и политическое значение и обеспечивался всем необходимым
для его выполнения. Для подъема калибровочного
генератора на требуемую высоту работе был придан
вертолет. Для определения местоположения вертолета
прибыло специальное подразделение геодезистов,
оснащенных кинотеодолитами, измеряющих и фиксирующих
на кинопленку местоположения вертолета. Однако,
практическая реализация такой работы, при которой
траектория полета вертолета оказывалась известной
лишь после проявки и обработки кинопленки, с необходимостью
временной привязки местонахождения вертолета и
калибруемой системы, не смогла обеспечить выполнение
поставленной задачи.
А.Д.Кузьмин предложил и реализовал
использование для юстировки в качестве измерительных
генераторов природных космических источников радиоизлучения
- Крабовидной туманности и радиогалактик Лебедь-А
и Дева-А. Местоположение и траектории движения
этих объектов на небесной сфере известны с высокой
точностью. Хорошо известна также интенсивность
их радиоизлучения. Таким образом, эта задача была
решена, что, в свою очередь положило начало новому
методу юстировки и измерения параметров антенн
радиоастрономическим методом (см. следующий раздел
данного очерка).
Система координатного обеспечения космических
полетов на Луну успешно сработала на всех трех
полетах первых в мире космических аппаратов к
Луне "Луна-1" (2-4 января), "Луна-2"
(12-14 сентября) и "Луна-3" (4-6 октября
1959). В режиме реального времени были измерены
траекторные координаты полета. Для аппарата "Луна-2",
попавшего на Луну, определены время и область
прилунения. Селенографические координаты центра
этой области: широта +30о и долгота -3о соответствуют
району кратера Архимед [1,2]. Небезынтересно отметить,
что область попадания этого аппарата в Луну пересеклась
с кругом, определенным английскими радиоастрономами
в обсерватории Джодрелл Бэнк по доплеровским измерениям
и с данными двух чилийских монахов о наблюдавшемся
ими в телескоп облаке пыли, поднявшейся в месте
падения космического аппарата.
Это был первый опыт использования
радиоастрономических методов наблюдений для решения
навигационных задач в космосе.
Радиоастрономический метод антенных
измерений.
Антенна является важнейшим элементом
любой радиотехнической системы. Качество ее изготовления,
настройки и эксплуатации, наряду с радиоприемной
аппаратурой, определяет качество работы системы.
Поэтому измерения и контроль параметров антенны
весьма важен для ее эффективного использования.
Такими параметрами являются, в первую очередь,
эффективная площадь антенны, определяющая интенсивность
сигнала принимаемого радиоизлучения, диаграмма
направленности, определяющая местоположения источника
радиоизлучения и поле "зрения" антенны.
Классический метод измерений этих параметров основан
на использовании эталонных источников радиоизлучения
известной мощности, удаленных от антенны на расстояние
не менее R = 2D2 /
, где D - размер антенны и - рабочая длина волны.
Должны быть также точно известны координаты места
их установки. В качестве эталонных источников
использовались выносные измерительные генераторы
радиоизлучения.
Ограничения обычных методов антенных
измерений возникли вследствие двух основных причин:
1. Развитие космических
систем радиосвязи, радиолокации и радиоастрономии
потребовало создания больших антенн и антенных
систем, размеры которых в сотни и тысячи раз превосходят
длину рабочей волны. Следовательно значительно
увеличились расстояния, на которое измерительный
генератор должен быть удален от антенны. Так,
например, для антенны дальней космической связи
диаметром 70 м, работающей на волне 5 см, измерительный
генератор должен быть удален от антенны на расстояние
200 км ! Радиоизлучение сантиметрового диапазона
распространяется только в пределах прямой видимости.
Поэтому, для того, чтобы излучение генератора
было принято антенной, его надо поднять на высоту
не менее 3-х километров! Строить для этого башню
в 6 раз выше останкинской? Нереально. Поднимать
на летательном аппарате? Это требует практически
нереализуемой точности определения и постоянства
координат такого аппарата.
2. Повышенные требования
к шумовым характеристикам антенн, связанные с
применением малошумящих приемных устройств, потребовало
измерения новых параметров антенн: - шумовой температуры
и коэффициента рассеяния. Известным ранее методом
использования выносного измерительного генератора
это сделать невозможно.
А.Д. Кузьмин разработал и реализовал
примененный им в работах по координатному обеспечению
первых космических полетов на Луну (см. раздел
"Координатное обеспечение космических полетов
на Луну") новый радиоастрономический метод
антенных измерений.
В природе существуют естественные источники радиоизлучения
известной мощности, удаленные от антенны на расстояния
заведомо больше R = 2D2 / , координаты которых
точно известны и, более того, их движение также
может быть вычислено с большой точностью. Многие
небесные тела, в том числе Солнце, Луна, планеты,
туманности и галактики, наряду с видимым светом,
излучают и радиоволны. Таким образом, радиоастрономия
дает систему естественных источников радиоизлучения,
находящихся заведомо в дальней зоне антенн, интенсивность
излучения которых хорошо известна. Знание местоположения
и траектории их движения на небесной сфере позволяет
решить также задачу определение ориентации электрической
оси антенны.
Радиоастрономический метод измерения
параметров антенн был успешно применен при создания
радиотелескопа РТ-22 ПРАО АКЦ ФИАН (см. в этом
сборнике очерк "Радиотелескоп РТ-22 - первая
научная установка города науки Пущино") и
антенной системы координатного сопровождения первых
полетов космических аппаратов на Луну (см. предыдущий
раздел).
Опыт этих работ изложен в книге А.Д.Кузьмина
и А.Е.Саломоновича "Радиоастрономические
методы измерения параметров антенн"[3], а
разработанный новый радиоастрономический метод
получил широкое распространение для юстировки
и измерения параметров крупных антенн, создаваемых
для радиоастрономии, радиолокации и космической
радиосвязи. Упомянутая книга вскоре была переведена
на английский язык, издана в США [4] и стоит на
полках библиотек многих зарубежных обсерваторий
в числе книг первой необходимости.
Участие в программах космических
исследований
В начале 60-х годов в СССР и в США
были начаты программы полетов космических аппаратов
на планету Венера. В 1961 г в СССР осуществлен
полет к Венере первого космического аппарата "Венера
-1". Готовился запуск спускаемых аппаратов
с посадкой на поверхность планеты.
Проблема спуска аппарата в атмосфере
Венеры представляла большие трудности. Для конструкторов
этих аппаратов были необходимы данные о температуре
атмосферы и поверхности планеты. По заданию руководителя
советской программы космических исследований Президента
АН СССР М.В. Келдыша, ФИАН'у было поручено проведение
радиоастрономических исследований Венеры для определения
температуры поверхности. О том, как выполнялась
эта работа, рассказано в очерке "Венера -
горячая планета" (см. настоящий сборник).
Здесь же мы напомним только, что в результате
выполненных измерений было установлено, что температура
поверхности планеты Венера равна 700 50 градусов
Кельвина, т.е. выше 400 градусов Цельсия [5,6].
Полученные данные были использованы КБ им. Лавочкина
при разработке космических аппаратов "Венера-4,5,6,7,8",
в конструкции спускаемых аппаратов которых, с
учетом полученных данных о планете, были заложены
теплозащита и парашют из термостойкой ткани.
Создание
антенны центра дальней космической связи
Крупнейшая антенна Евпаторийского
Центра дальней космической связи диаметром 70
м (Рис.2) разработана и создана с использованием
предложенного П.Д.Калачевым нового конструктивного
решения.
Конструкция зеркала основана на принципе согласованных
деформаций, так что при наклонах зеркала его форма
остается близкой к параболоиду. Смещение фокуса
деформированного зеркала компенсируется программным
перемещением вторичного зеркала [7]. Антенна успешно
использовалась для проведения работ по обеспечению
управления и передачи информации с дальних космических
аппаратов и радиолокации планет Венера и Марс.
Участие П.Д.Калачева в создании антенны
центра дальней космической связи отмечено Госпремией
СССР 1982 г.
 |
Рис.2. Антенна
центра дальней космической связи |
Теория мерцаний
Государственной премии удостоен
также сотрудник ПРАО АКЦ ФИАН В.И.Шишов, чьи работы
по теории сильных мерцаний органично вошли в цикл
работ по прикладной оптике, отмеченный этой наградой
в 1990 г. Теория сильных мерцаний, развитая В.И.Шишовым
для анализа радиоастрономических наблюдений межпланетных
и межзвездных мерцаний радиоисточников, получили
широкое применение в прикладных областях физики.
Оптики используют ее при анализе данных по распространению
лазерных пучков в турбулентной атмосфере, радиофизики
- при анализе данных по распространению радиоволн
в ионосфере. Находит она применение в акустике
океана, в сейсмологии и ряде других приложений
[8].
Прогноз космической
погоды
и земных проявлений солнечной активности
Проблема предсказания времени прихода
возмущения в околоземное космическое пространство
и влияния, которое возмущение окажет на Землю,
- одна из самых актуальных проблем, нерешенных
в настоящее время. Поскольку радиоастрономические
данные межпланетных мерцаний радиоисточников дают
информацию о состоянии межпланетной плазмы на
более близких к Солнцу расстояниях, чем Земля,
(см. очерк "Турбулентная космическая плазма"
в настоящем сборнике), возникает возможность использования
этих данных для прогнозирования геофизических
проявлений солнечной активности.
В.И. Власов провел сопоставление средних значений
индексов межпланетных мерцаний, усредненных по
всем источникам, и индексов геомагнитной активности
и показал, что между этими двумя рядами данных
имеется хорошая корреляция [9]. Опережение данных
мерцаний составляло примерно 1 сутки. На этом
основана возможность использования наблюдений
мерцаний для краткосрочного прогноза геомагнитных
возмущений.
В настоящее время в ПРАО АКЦ ФИАН
отрабатывается технология мониторинга параметров
турбулентной межпланетной плазмы по наблюдениям
межпланетных мерцаний большого числа радиоисточников
на радиотелескопе БСА ФИАН, который позволяет
проводить быстрый обзор неба для такого мониторинга
и контроль за быстропеременными процессами в космической
плазме и ионосфере. Полученные данные будут использованы
для прогноза состояния околоземной космической
плазмы, магнитосферы и ионосферы Земли.
Пульсарное время
Радиоастрономами ПРАО АКЦ ФИАН в
соавторстве с сотрудниками ВНИИФТРИ в самом конце
1970-х г.г. предложена пульсарная шкала времени,
которая на больших отрезках времени обладает точностью,
сопоставимой с атомными часами. О том, как выполнялась
эта работа и об основных свойствах и достоинствах
пульсарной шкалы времени подробно рассказано в
очерке Ю.П.Илясова "Пульсарное время"
(см. этот сборник).
Возможность ее воспроизводимости
в различных, в том числе и очень удаленных точках
пространства может обеспечить широкие перспективы
для этой шкалы и ее востребованность в будущем,
например, при будущих космических полетах и организации
"колоний" на Луне и планетах Солнечной
системы.
Литература
1. В.В.Виткевич, А.Д.Кузьмин, Р.Л.Сороченко,
В.А.Удальцов, 1960, Доклады АН, т.132, с.85
2. В.В.Виткевич, А.Д.Кузьмин, Л.И.Матвеенко, Р.Л.Сороченко,
В.А.Удальцов, 1961, Радиотехника и электроника,
№9, с1420/
3. А.Д.Кузьмин, А.Е. Саломонович, "Радиоастрономические
методы измерения параметров антенн", Изд.
Советское радио, Москва, 1964/
4. A.D.Kuzmin, A.E.Salomonovich, "Radioastronomical
Methods of Antenna Measurements", Academic
Press, New York and London, 1966.
5. А.Д.Кузьмин, Б.Кларк, 1965, АЖ, т.42, с.595.
6. А.Д.Кузьмин, Ю.Н.Ветухновская, 1970, Астрономический
вестник, т.4, с.8.
7. П.Д.Калачев, А.Н.Козлов, В.Б.Тарасов и др.,
1974, Труды ФИАН, т.77, с.128.
8. Прохоров А.М., Бункин Ф.В., Гочелашвили К.С.,
Шишов В.И.
Распространение лазерного излучения в случайно-
неоднородных средах. // Успехи физических наук.
1974, Т.
114, С. 415 - 456.
9. Власов В.И. О возможности прогнозирования геофизической
активности по межпланетным мерцаниям // Геомагнетизм
и аэрономия. 1981, Т. 21, С.441-444.
|
