Подробнее на сайте: http://hardcomputer.ruhttps://themes-wp.org
http://live-code.ru http://run-pc.ru
http://collect-pc.ru http://collect-computer.ru http://build-biz.ru
http://hightechcomp.ruhttp://gromder.nethttp://python-3.ruhttp://pro-java.ru
https://python-scripts.comGo to top of pagehttp://computermonster.ruhttp://pythonlearn.ru http://codingway.ru
2 1 1 1 1 1 Рейтинг 2.00 (1 Голос)

Принцип лазерной локации (ЛЛ) основан на том, что свет распространяется в вакууме прямолинейно и с постоянной скоростью. Испускается короткий лазерный импульс и засекатся время, лазерный луч отражается от лоцируемого объекта и возвращается назад, где его ловят при помощи телескопа и чувствительных фотодетекторов и определяют время между испусканием импульса и его возвращением. Зная скорость света, можно вычислить расстояние до объекта. Если импульс короткий и время между испусканием и приёмом отражённого сигнала измерено точно, то и расстояние до объекта можно вычислить с соответствующей точностью. Отдельно учитывается влияние атмосферы, которая искривляет луч (рефракция) и привносит задержку, но это уже тонкие детали.

Идеи о локации Луны высказывались давно, ещё в 20-х гг. XX века, когда ещё и лазеров-то не было. Едва только лазер был изобретён, тут же возникла идея применить уникальные свойства лазерного излучения для лазерной локации Луны (ЛЛЛ). Первые опыты по ЛЛЛ были проведены в 1962-63 гг. в США и СССР. Тогда ни о каких измерениях речи не шло, проверялась сама возможность осуществления такой локации. Опыты оказались вполне удачными, отражённый сигнал был уверенно зарегистрирован, хотя длительность импульса 1 мс не позволяла измерять расстояние точнее 150 км. В 1965-66 были проведены опыты с более короткими импульсами – была достигнута точность около 180 м. При этом точность была ограничена уже не столько длительностью импульса, сколько рельефом местности.

Потом была высказана идея – для повышения точности локации доставить на Луну уголковые отражатели (УО). Уголковые отражатели примечательны тем, что возвращают сигнал всегда строго в обратном направлении, а кроме того, сигнал не имеет размазывания по времени, обусловленного рельефом местности.

Утверждается, что на Луну были доставлены 5 уголковых отражателей – два на советских луноходах и три американскими астронавтами – «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15».

На этом занудности-банальности кончаются, а дальше начинаются волшебные сказки с невероятными чудесами и детективными тайнами!

Начнём с того, что УО, установленный на «Луноходе-1», неожиданно «потерялся»! Причём, на этот счёт есть два мнения. Ведущий научный сотрудник, зав. аспирантурой Пулковской обсерватории, к.ф.-м.н. Е.Ю.Алёшкина

в своей статье утверждает, что его УО вышел из строя.

Википедия же утверждает, что его точные координаты потерялись. «Луноход», что, пошёл в тайгу погулять и не вернулся?

Ну ладно, это «Википедия», что с неё взять, но поиск гуглем показывает, что эта чушь расползлась повсеместно!

Не менее таинственно «Луноход-1» якобы нашёлся. Якобы его сначала нашли на снимках LRO, а потом в начале 2010 г. об успешной локации УО, установленного на «Луноходе-1» сообщил Том Мерфи.

Не знаю я, чего они там нашли или не нашли, во всяком случае попытка совмещения "снимков" LRO с топографической схемой движения «Лунохода-1» меня в этом не убеждает.
(UPD от 3 мая 2013: Мне удалось расчёт для отражения от УО первого лунохода догнать до экспериментальных значений, кроме того, там рядом нет подходящих гор, отражение от которых можно было бы принять за отражение от УО. В общем, в данном случае, похоже, на самом деле нашли «Луноход-1».)

Вторая таинственная загадка связана с «Луноходом-2». Якобы все эти годы его успешно лоцировали вместе с УО «А-11», «А-14» и «А-15».

И даже якобы "обнаружили" явление постепенной деградации УО "Лунохода-2"...

А ТОЛЬКО БЫТЬ ЭТОГО НЕ МОГЛО!!!

Слово непосредственным участникам событий. Вот что говорит Олег Генрихович Ивановский, который в 1958-59 годах был ведущим конструктором по станциям серии Ев ОКБ-1, с 1965 - заместителем главного конструктора, а с 1971 по 1983 год - главным конструктором по лунной тематике НПО имени Лавочкина, ныне он директор музея НПО имени С.А.Лавочкина:

Это произошло при движении в очень сложных условиях внутри одного из кратеров. На стенке этого кратера притаился еще один, вторичный, маленький. Это самое подлое на Луне. Чтобы выбраться из этого паршивого кратера оператор-водитель принял вместе с экипажем решение луноход сдать назад. А солнечная панель была откинута. И получилось так, что крышкой солнечной панели он въехал в стенку этого невидимого, ведь камеры смотрели только вперед, кратера. Он черпнул лунного грунта на солнечную панель. А после того, как выбрались, решили эту панель закрыть. Но лунная пыль такая противная, что ее так просто не стрясешь. За счет запыления солнечной батареи упал зарядный ток. а из-за того, что пыль стряслась на радиатор, нарушился тепловой режим. В итоге в этом злополучном кратере «Луноход-2» и остался. Все попытки спасти аппарат закончились ничем.

А вот даёт показания Вячеслав Георгиевич Довгань, водитель лунохода, тогда капитан, затем майор, сейчас – академик, профессор, генерал-майор в отставке:

Со вторым история получилась глупая. Четыре месяца он уже находился на спутнике Земли. 9 мая я сел за штурвал. Мы угодили в кратер, навигационная система вышла из строя.

Как выбираться? Не раз мы уже попадали в подобные ситуации. Тогда просто закрывали солнечные батареи и выбирались. А тут - в группе управления новые люди. Они и приказали не закрывать и так выбираться. Мол, закроем, и не будет откачки тепла из лунохода, приборы перегреются.

Мы не послушались и попробовали выехать так. Зацепили лунный грунт. А лунная пыль такая липкая. А тут еще приказывают закрыть панель солнечной батареи - мол, пыль сама по себе и осыплется. Она и осыпалась - на внутреннюю панель, луноход перестал получать подзарядку солнечной энергией в необходимом объеме и постепенно обесточился. 11 мая сигнала от лунохода уже не было.

А вот ещё важная информация от него же:

"Луноход-2" тоже нашли. Причем нашли с американского орбитального спутника-разведчика, который был запущен в прошлом году, в июне. Кстати на Луне находится и наш прибор по определению воды. Спутник сфотографировал как места посадки "Апполонов", так и наших "Луны-17", и наши "Луноход-1" и "Луноход-2". Их интересует только вопрос о том, почему у "Лунохода-1" светлое пятно на фотографии, а у "Лунохода-2" - черное. Но они забыли о том, что на "Луноходе-2" мы не закрыли панель солнечной батареи. Это был день, когда мы уходили. Поэтому он стоит с открытой панелью солнечной батареи, но тоже смотрит на восток.

В деталях они оба, очевидно, путаются и противоречат даже сами себе, но по существу вопроса сообщают одинаково: «Луноход-2» не был ориентирован на Землю.

UPD от 14.03.2013. Мне удалось созвониться с самим В.Г.Довганем и мило побеседовать с ним. Мне кажется, он был искренне рад тому, что хоть кто-то ещё интересуется луноходами. Короче говоря, ни на какую Землю он УО не ориентировал, а ставил луноходы мордой строго на восток, чтобы как только Солнце взойдёт над горизонтом, просто открыть крышку с фотоэлементами на 90 градусов и тут же приступать к зарядке аккумуляторов без дополнительного маневрирования. А вот «Луноход-2», как стоял мордой на Солнце в последний свой день 10 мая 1973, так и "умер", оставшись направленным на восток с открытой крышкой.

Эту же информацию об ориентации лунохода подтверждает конструктор луноходов Владимир Павлович Долгополов.
http://www.youtube.com/watch?v=M1zOIta-GpA

Эту информацию подтверждает... LRO! Вот изображение «Лунохода-2» с открытой крышкой, направленного на восток:

В обшем, второй луноход сейчас лоцировать бесполезно.

Рабочий диапазон углов для уголкового отражателя, установленного на луноходах, составляет ±10 градусов. Для того, чтобы можно было лоцировать УО, установленный на луноходе, с учётом лунной либрации величиной примерно 7 градусов,

луноход должен быть надлежащим образом ориентирован на Землю по азимуту (на субтерральную точку) и углу места с точностью 2-3 градуса.

UPD от 03.11.2013. Я созвонился с В.П.Долгополовым и уточнил размещение уголковых отражателей на корпусе лунохода - они расположены с наклоном строго вперёд по курсу, именно так, как изображено на фотографиях музейных макетов.

А теперь вспоминаем слова Довганя о том, что «Луноход-2» смотрит на восток, и пристально вглядываемся в карту:

Зелёными стрелками показана фактическая ориентация луноходов, жёлтыми - необходимая для успешной локации УО, установленных на луноходах. Субтерральная точка, которая находится в центре изображения, и на которую по азимуту должен быть ориентирован «Луноход-2», находится на юго-запад от «Лунохода-2», а «Луноход-2» повёрнут на восток (на мой взгляд, азимут составляет примерно 100-110 градусов) - в таком положении угол падения лоцирующего луча на УО примерно 70 градусов, угол совершенно запредельный для кварцевого УО, т.е. уголковый отражатель «Лунохода-2» абсолютно нефункционален. И астрономы его успешно лоцируют вот уже почти 40 лет??? Закрываю глаза и представляю, как фотоны с лихим пируэтом заныривают в уголковый отражатель развёрнутого задом наперёд «Лунохода-2», чтобы там отразиться и проделав обратный пируэт направиться к Земле... Шехерезада нервно курит в сторонке! Ей сказок хватило только на 1001 ночь.

Возникает закономерный вопрос - а что же они (астрономы) тогда лоцировали?

Более-менее подробно детали американского эксперимента описаны в документе Apollo 11 Preliminary Science Report. Подробности советских экспериментов по лазерной локации Луны, проводившихся в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) приведены во втором томе сборника «Передвижная лаборатория на Луне ЛУНОХОД-1». Там же приведена формула вычисления величины ответного сигнала

и указан результат расчёта - 0,5 фотоэлектрона с одного импульса т.е. с двух импульсов лазера должен быть зарегистрирован примерно 1 фотоэлектрон.

Г-жа Алёшкина в своей статье ещё более пессимистична - приём одного фотона требует в среднем 10-20 «выстрелов».

А ТАК ЛИ ЭТО?

Попробуем сами вывести эту формулу, благо ничего там сложного нет, вполне достаточно уровня средней общеобразовательной школы. Заодно выведем формулу для случая отражения от лунного грунта и формулу для оценки эффективности применения уголкового отражателя.

Итак, лазерный луч испускает импульс энергией W джоулей. Чтобы подсчитать, сколько же при этом будет испущено фотонов в одном импульсе, нужно знать энергию одного фотона, которая однозначно определяется его частотой. Частота и длина волны света в вакууме однозначно связаны друг с другом и со скоростью света в вакууме м/с, откуда выводится уравнение для энергии одного фотона , где h - постоянная Планка, равная Дж с. Следовательно, количество фотонов в одном импульсе лазера равно .

Далеко не все фотончики, испущенные лазером, долетят до Луны - часть из них поглотится или рассеется в атмосфере. Часть фотонов, которая пройдёт через атмосферу, называется коэффициентом прозрачности атмосферы Кλ.

Количество фотончиков, которые долетят до Луны, равно количеству выпущенных из лазера умножить на этот коэффициент прозрачности NMλNt. Скажем, для КрАО он указывается в среднем 0,73. Для более высокогорных обсерваторий атмосфера прозрачнее. Препятствие в виде атмосферы встретится на пути фотончиков ещё раз, когда отражённые фотончики будут возвращаться на Землю - результат придётся ещё раз умножить на коэффициент прозрачности атмосферы Кλ.

Луч, выпущенный из лазера, расходится. Тому есть две принципиальные причины. Первая - дифракционное расширение пучка. Оно определяется как отношение длины волны света к диаметру пучка. Следовательно, чтобы его снизить, нужно увеличивать диаметр пучка. Для этого луч лазера расширяют и пропускают через тот же телескоп, которым потом будут ловить ответные фотоны. Переключение осуществляется перекидным зеркалом - учитывая, что ответные фотоны прилетят только через 2,5 секунды, это совсем несложно обеспечить. Для телескопа с выходным диаметром 3 метра дифракционное расширение пучка составляет всего 0,05" (угловой секунды). Гораздо сильнее вторая причина - турбулентность в атмосфере. Она обеспечивает расходимость пучка на уровне примерно 1". Эта причина принципиально неустранима. Единственный способ борьбы с нею - выносить телескоп за пределы атмосферы.

Итак, луч на выходе из атмосферы имеет расходимость θ. Для малых углов θ можно пользоваться приближением θ = tg(θ) = sin(θ). Следовательно, луч осветит пятно диаметром D = Rθ, где R - расстояние до Луны (в среднем 384 000 км, максимум 405 696 км, минимум 363 104 км). Луч с расходимостью 1" осветит на Луне пятно диаметром примерно 1,9 км. Площадь пятна, как известно из курса геометрии, равна .

Дальше у нас есть два варианта - считать отражение от грунта или считать отражение от УО. Посчитаем оба варианта.

Количество света, попавшего в телескоп в результате отражения от УО или лунного грунта, пропорционально площади телескопа. Для телескопа диаметром d площадь равна .

В случае отражения от УО далеко не все фотончики, попавшие на Луну, попадут на УО и отразятся. Количество фотончиков, отражённых от УО, пропорционально площади отражателя S0 и его коэффициенту отражения К0. (Это при условии, что вообще задели УО хотя бы краешком пятна.) Для отражателей французского изготовления общая площадь равна 640 см2 с коэффициентом отражения 0.9, но надо помнить, что для призм с треугольной лицевой гранью рабочая площадь составляет 2/3 от общей. Американские были изготовлены из неметаллизированных кварцевых призм и имели коэффициент отражения втрое меньше, зато большую площадь - УО, якобы доставленные экспедициями экспедициями «Аполлон-11» и «Аполлон-14» составляет 0.1134 м2, «Аполлон-15» - 0.34 м2 (NASA-CR-113609). В результате количество фотончиков, которые отразятся от УО, составит .

Вообще-то распределение фотончиков по площади пятна существенно неравномерное:

Однако при суммировании результатов по несколькми лазерным «выстрелам» с целью выделить полезный сигнал на фоне шумов эта неравномерность сгладится.

Далеко не все фотончики, отразившиеся от УО, попадут в телескоп. Отражённый луч имеет расходимость θ' и осветит на Земле пятно диаметром L=Rθ'. Площадь пятна на Земле, по которому распределится отражённый пучок, равна . Из этого пятна в телескоп попадёт (если попадёт, что тоже надо проверить) количество фотонов . Для французских УО, установленных на луноходах, расходимость отражённого пучка указана 6" (для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), что даёт диаметр отражённого пятна на Земле 11 км, американские были сделаны из триппель-призм меньшего размера, а поэтому имели чуть большую расходимость 8,6" (тоже для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), диаметр пятна на Земле будет около 16 км. Вообще-то расходимость отражённого пучка определяется дифракцией, т.е. отношением длины волны лазера к апертуре одного элемента УО θ' = 2.44 λ/DRR. Поэтому применение зелёного лазера с длиной волны 532 нм вполне может быть оправдано - несмотря на большее поглощение и рассеивание зелёного света в земной атмосфере по сравнению с красным и инфракрасным.

Как видим, получили практически ту же формулу, которая была указана в работе Кокурина и др., только в той были добавлены ещё и коэффициенты прохождения в передающем и приёмном тракте, эффективность квантового преобразования фотоприёмника (сколько фотонов из числа попавших в телескоп будет зафиксировано в виде электрического сигнала). Ещё не хватает зависимости эффективной площади отражения от угла падения, т.е. формулы выведены из предположения о близком к нормальному углу падения лоцирующего луча на УО. На самом деле зависимость вот такая:

В случае отражения от грунта большая часть света поглотится, а оставшаяся рассеется по закону, близкому к ламбертовскому (равномерно во все стороны), в телесном угле 2π стерадиан. На самом деле отражение от Луны несколько хитрее - у лунного грунта присутствуют ярко выраженные эффекты обратного рассеяния и оппозиционный эффект, которые приводят к тому, что строго в обратном направлении лунный грунт отражает в 2-3 раза больше, чем обычная ламбертовская (матовая) поверхность. Грубо говоря, вся поверхность Луны работает как уголковый отражатель, хотя и не очень хороший.

Альбедо Луны в среднем считается равным 0,07, хотя в разных местах видимой поверхности Луны альбедо имеет величину от 0,05 до 0,16. (UPD: По свеженьким данным, полученным лазерным альтиметром LOLA, при отражении строго назад альбедо может достигать аж 0.33, а в некоторых постоянно тёмных кратерах на южном полюсе даже 0.35!)

Проверяем, какая часть освещённого пятна попадёт в телескоп. Поле зрения телескопа определяется его максимальным увеличением, которое определяется его диаметром. Расчёт для телескопа КрАО диаметром 2.64 м даёт поле зрения 22", в работе приводится величина 15" - величины близкие. Размер освещаемого пятна обычно меньше, так что всё пятно оказывается в поле зрения телескопа.

Количество фотонов, отражённых от лунного грунта и попавших в телескоп, равно .

Отсюда выводим формулу оценки эффективности применения уголкового отражателя как отношение блеска УО к блеску лунного грунта . Беглого взгляда на эту формулу достаточно, чтобы увидеть, что для повышения уровня ответного сигнала от УО по сравнению с отражением от грунта, необходимо снижать угол расходимости лоцирующего лазерного луча - зависимость квадратичная.

Итак, берём циферки, скажем, для локации из КрАО по "Луноходу-1" и подставляем в формулу. (Для удобства я оформил расчёты в виде таблички Excel. Очень удобно подставлять данные из статей и смотреть на результат.) Что же мы видим?

(UPD: "Луноход-1" хоть и стоит неудачно, но его таки видно. Расчётный угол падения на его УО - 31,5 градус от нормали (без учёта либрации), при таком угле ЭПР уменьшается на порядок и усиливается расползание импульсного отклика из-за неперпендикулярности панели УО к лоцирующему лучу. А вот для "Лунохода-2" расчётный угол падения - примерно 70 градусов от нормали - угол совершенно запредельный даже для кварцевого УО. Отражение от его УО невозможно. Никакая либрация не поможет.)

От УО в телескоп должно попадать полторы сотни фотончиков, от грунта штук 5, а Алёшкина пишет про "1 фотон на 10-20 выстрелов". Это что же такое получается? Регистрируется фотонов даже меньше, чем должно было быть от грунта!

А так и должно быть! Вспоминаем, что при локации в стороне от субтерральной точки поверхность Луны существенно неперпендикулярна лучу, стало быть, отражённый сигнал размазывается во времени,

а временной фильтр (temporal filter) вырезает из него только те фотончики, которые соответствуют ожидаемому результату.

Если же вспомнить, что поверхность Луны не является идеально гладкой, а на ней встречаются горы, кратеры, то наличие стенки кратера или склона горы, обращённого к Земле, на который лоцирующий луч лазера падает перпендикулярно, даст точно такой же компактный по времени сигнал, как и отражённый от УО, но меньшей интенсивности.

Если мы ослабим расчётный сигнал от грунта как соотношение площади участка лунной поверхности, перпендикулярной к лоцирующему лучу, к площади сечения лоцирующего луча, мы получим полное соответствие экспериментальных результатов расчёту для гипотезы с отражением от грунта. Учитывая, что диаметр лоцирующего луча на Луне 2-7 км, то горы или стенки кратера высотой 2-3 км уже достаточно, а на Луне таких гор и кратеров хватает. Причём, даже не требуется идеально плоской поверхности. Как следует из расчёта, при альбедо 0.16 (а горы на Луне светлее морей) расчётное количество фотончиков от грунта превышает экспериментальные значения примерно в 3 раза, т.е. для совпадения с расчётом достаточно, чтобы только треть освещённого пятна попадало на поверхность, лежащую на ожидаемой плоскости. Остальные 2/3 могут иметь какой угодно рельеф.

Красной линией выделена условная поверхность, отражённый сигнал от которой пройдёт через временной фильтр. В идеале это должен быть фрагмент сферы с радиусом 380 000 км и с центром примерно в центре Земли. Такой фрагмент сферы мало отличается от плоскости.

Гипотеза с отражением сигнала от УО не подтверждается опубликованными экспериментальными данными - ошибка не на проценты, даже не в разы, а на порядки.

Об этом прямо так и пишут Кокурин, Курбасов, Лобанов, Сухановский и Черных: "нет уверенности в точной наводке телескопа на отражатель". Мало того, что у них сигнал зафиксирован в двух точках (ну не мог же луноход раздвоиться?!), так ещё и величина зафиксированного сигнала на порядок хуже даже грубо заниженного расчёта. (UPD При ориентации лунохода на восток, а не на Землю, угол падения лоцирующего луча на УО для первого лунохода получился 31,5 градуса от нормали, что объясняет ослабление отражённого сигнала на порядок, т.е. с учётом либрации 4-50 раз. Так что с учётом угла падения расчёт для отражения от УО мне удалось догнать до экспериментальных значений для первого лунохода. По второму - никаких шансов; это грунт, а не УО.)

И у американцев похожая ситуация! Вот совершенно замечательная табличка 7-IV из документа Apollo 11 Preliminary Science Report:
Apollo 11 Preliminary Science Report NASA SP-214Table 7-IV

Особый интерес вызывает 19-ая серия экспериментов. Так уж получилось, что её провели, нацелив телескоп на 16 км к югу от предполагаемого места установки УО. И чем же она отличается от других серий? Да в том-то и дело, что ничем! Т.е. из этих экспериментальных данных невозможно увидеть, что в других сериях лоцировался именно УО, а не грунт. Собственно, сами экспериментаторы прямо так и написали: "The measured range time could have three possible sources: a return from the retroreflector, a return from the lunar surface, or random noise coincidence from reflected sunlight and background. Statistically, 35 to 50 noise coincidence and approximately 30 lunar surface ranges would be expected in 1200 firings. Because the numbers agree, within acceptable limits, with the total number measured, it is not obvious that returns from retroreflectors were measured." (стр.175 по документу, стр. 165 по файлу)


В общем, мне всё ясно с нашей прикладной астрономией - всё то же самое, что и в других науках.

Источник: http://vitaly-nasennik.livejournal.com/61318.html, http://vitaly-nasennik.livejournal.com/61668.html


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить