Люди на Луне [litres] - Виталий Юрьевич Егоров

диаметр зеркала космического телескопа Hubble – 2400 мм. Зная диаметр главного зеркала телескопа, можно рассчитать по известным формулам предельное угловое разрешение изображений, которые он способен создавать.

Сравнение размеров оптических инструментов космических аппаратов LRO, MRO, WorldView-3 и Hubble. NASA, ESA, Maxar

Для расчета фактического углового разрешения телескопа, с поправкой на разные длины волн и качество изготовления телескопа, астрономы разработали упрощенные формулы. Так, физик Джон Рэлей предложил формулу: r = 140/D, где r – угловое разрешение в угловых секундах, D – диаметр телескопа в миллиметрах. Астроном Уильям Доус (William Rutter Dawes) предложил другой параметр: r = 116/D.

Так, по Рэлею, разрешение NAC LRO получается 0,7 угловой секунды, а по Доусу – 0,59 угловой секунды. Фактически же в характеристиках камеры указано 2 угловые секунды – именно столько займет 0,5 м с расстояния 50 км.

Получается, мы видим более чем трехкратное несоответствие между теоретическими возможностями оптики NAC LRO и реальными кадрами. Видимо, повлиял какой-то иной фактор, и, чтобы его узнать, нам придется учесть еще одну характеристику камеры – угол обзора.

Угол обзора – важный параметр для любого фотообъектива или телескопа. Широкоугольные объективы охватывают большое поле зрения (в англоязычной терминологии – field of view), но они уже не могут различать мелких деталей в каждой точке съемки. Узкоугольные объективы фотографы обычно называют длиннофокусными, или телефото, или просто телевиками. Они обладают возможностью «приближать», т. е. позволяют рассмотреть малую область, но с высоким разрешением. Некоторые ручные фотокамеры могут менять угол обзора, приближать и отдалять изображение – так называемый зум, но на космические аппараты такие камеры стараются не ставить из-за обилия подвижных частей, которые могут выйти из строя. Чаще в космос отправляют телескопы с фиксированными характеристиками, фотографы такие объективы называют «фиксы». Привычные всем смартфоны также имеют камеры с фиксированным углом обзора, что роднит их с космическими аппаратами.

Если перед космическим аппаратом стоит задача как можно лучше увидеть малый объект исследования, то конструкторы используют узкоугольную камеру с максимально возможным разрешением. По такому принципу созданы спутники компании Maxar или камера HiRISE на марсианском космическом аппарате MRO. Если же мы захотим быстро составить полную карту исследуемого большого космического тела, то лучше поставить широкоугольную камеру. Так поступили создатели окололунных зондов SMART-1, Kaguya, Chandrayaan-1, Chang'e 1, 2. Обычно конструкторы стараются ставить на зонды и широкоугольный объектив, и узкоугольный, но такое удается не всегда, ведь грузоподъемность ограничена, а ученые всегда стремятся установить побольше разных приборов.

Но что делать конструктору, когда от него требуют создать аппарат для составления полной карты Луны в обозримые сроки, с высоким разрешением, с ограниченностью по массе полезной нагрузки и уложиться в сравнительно скромный бюджет?

Он создает LRO.

Три камеры, объединенные в один блок LROC, имеют массу 18 кг, а технологии базируются на более ранних, взятых с марсианского MRO. Широкоугольная WAC имеет марсианского предшественника MARCI. Узкоугольная NAC получила электронику от марсианской CTX, но на окололунной орбите пришлось использовать другую оптическую схему телескопа, более стойкую к температурным перепадам. Марсианский телескоп CTX обладает главным зеркалом диаметром 108 мм и снимает Марс с линейным разрешением 5 м с высоты 300 км. Если бы MRO удалось снизить до высоты LRO, то CTX показала бы поверхность с фактическим линейным разрешением около 1 м. Зато угол обзора этой марсианской камеры вдвое шире каждой отдельной лунной NAC.

Перед конструкторами NAC LRO стояла задача сделать камеру, превосходящую вдвое линейное разрешение CTX, но сохраняющую прежний угол обзора. Наиболее простым выходом стало создание двух одинаковых узкоугольных камер, которые суммарно сравнятся с одной CTX по углу обзора. Если бы в NAC использовали оптику с предельным разрешением, то угол обзора даже двух камер с высоты 50 км составил бы всего около 1,6 км.

То есть снижение разрешения снимков NAC LRO в три раза произведено именно для расширения угла обзора в те же три раза.

Чтобы убедиться в этом, сравним характеристики различных космических аппаратов с телескопами. В приведенной таблице телескопы перечислены в порядке увеличения диаметра главного зеркала. Приборы CTX и HiRISE установлены на космическом аппарате, летающем вокруг Марса. Спутники SkySat-1, «Ресурс-П», Pléiades, WorldView-3 и GeoEye-1 летают на низкой околоземной орбите и снимают поверхность Земли. Космический телескоп Hubble также находится у нашей планеты, но смотрит в космос.

Из таблицы хорошо видно, что у телескопов с угловым разрешением, близким к теоретически возможному, очень малый угол обзора – редко больше полутора градусов. Такое разрешение еще годится для полета на большой высоте, но с низкой орбиты в 50 км это слишком узкая полоса съемки. Зато увеличенный угол обзора, как у NAC LRO или CTX MRO, приводит к ухудшению разрешения. Похожее можно увидеть у российского спутника «Ресурс-П», где разработчики с целью увеличения ширины съемки до 4,6 градуса практически вдвое снизили фактическое разрешение его оптики.

Почему же для LRO был так важен угол обзора, что ради него пожертвовали высоким разрешением снимков лунной поверхности и возможностью увидеть следы людей на ней?

Причина кроется в одной научной задаче космического аппарата LRO: создание высокоточной карты Луны. Чтобы ее осуществить, пришлось обеспечить возможность камеры охватывать своими снимками достаточно широкие пространства. Даже несмотря на это, за десять лет работы LRO пока не удалось составить полную карту Луны с разрешением 0,5 м – часть снимков имеет разрешение около 1 м.

Если бы NAC LRO сделали предельно возможного линейного разрешения, то ширина кадра также сократилась бы втрое, как и площадь снимка. И только ради возможности увидеть следы Армстронга не в виде тропинки, а в виде отдельных точек? Если бы они были столь важны, то можно было бы снарядить небольшой луноход и изучить места посадки вблизи, а не с высоты 50 км. И такие проекты тоже есть, но пока не у NASA.

Почему LRO не снизился, чтобы увидеть места посадки вблизи?

КРАТКИЙ ОТВЕТ: Космический аппарат LRO снижался примерно вдвое, чтобы рассмотреть места посадок Apollo и «Лунохода-2», но из-за высокой скорости полета качество снимков повышалось только в полтора раза.

Луна не имеет плотной атмосферы, и кажется, будто ничто не мешает космическим аппаратам летать низко над ее поверхностью, над вершинами самых высоких гор. Атмосфера не мешает, это верно, но мешает другое – масконы – неоднородности гравитационного поля Луны. Масконы приводят к быстрой деградации низких орбит космических аппаратов и их падению. Из-за масконов большинство окололунных зондов летали на высоте больше 100 км, а те, которые снижались, делали это на короткий срок и расходовали топливо на коррекцию орбиты.

Космический