Радиоисследования планет с космических аппаратов - Николай Крупенио

Проведение бистатических радиолокационных измерений позволило сделать следующий вывод: морские районы более ровные, чем материковые, в масштабе десятков и сотен метров, но менее ровные в масштабе нескольких дециметров. Основные результаты бистатической радиолокации Луны приведены в табл. 2.

Таблица 2

Исследования Меркурия

Космическая история изучения этой планеты только начинается. Пока вблизи планеты в 1974 и 1975 гг. пролетел только один космический аппарат — «Маринер-10». Он произвел фотографирование поверхности этой планеты и измерение характеристик околопланетного пространства. Фотографии показали, что меркурианский рельеф сильно напоминает лунный.

При первом пролете «Маринера-10» вблизи планеты 29 марта 1974 г. были проведены радиорефракционные измерения с целью определения характеристик атмосферы и ионосферы планеты, о свойствах которых были весьма разнообразные предположения.

Измерения проводились одновременно на двух длинах волн — 3,6 и 13,1 см, при заходе и выходе АМС за видимый с Земли диск планеты.

В результате этих измерений не удалось обнаружить ионосферы, подобной марсианской или венерианской. В результате предварительного анализа был лишь оценен верхний предел максимума концентрации электронов. Он оказался равным 4000 электронов в 1 см3 на ночной стороне планеты и 1500 электронов в 1 см3 на дневной стороне.

Анализ результатов определения верхнего предела плотности электронов в ионосфере планеты позволил оценить верхний предел плотности нейтральных частиц у поверхности планеты, и в предположении, что атмосфера планеты состоит из газа с большим молекулярным весом (например, аргона), определить атмосферное давление у поверхности. Оно при этих предположениях не превышает 10–11 атм., т. е. атмосфера у планеты Меркурий весьма разреженна. Последующая обработка результатов показала, что ионосфера у Меркурия отсутствует.

По данным измерений ультрафиолетового спектрометра АМС приповерхностное давление атмосферы, содержащей гелий, не превышает 10–14 атм., т. е. примерно такое же, как и на Луне.

Исследования Венеры

В 1967 г. почти одновременно в околопланетное пространство Венеры были выведены две межпланетные автоматические станции «Венера-4» и «Маринер-5», Полетом этих автоматических станций начался этап радиофизических исследований планеты с помощью служебной радиоаппаратуры космических аппаратов. Так. анализ в Центре дальней космической связи СССР интенсивности сигнала, излучавшегося передатчиком спускаемого аппарата (СА) станции «Венера-4», подтвердил, что радиоволны этого диапазона (32 см) не ослабляются атмосферой планеты. Во время измерений были отмечены флуктуации амплитуды радиосигнала, интенсивность которых возрастала по мере спуска СА. Наличие таких флуктуаций амплитуды радиосигнала показывало, что атмосфера планеты турбулентна. Анализ характера распространения в атмосфере планеты радиоволн, которые излучались передатчиками спускаемых аппаратов, проводился и на последующих АМС серии «Венера». Записи амплитуд, принятых в Центре дальней космической связи СССР сигналов передатчиков СА «Венера-5, -6, -7, -8», показали, что быстрые флуктуации сигналов, связанные с турбулентностью венерианской атмосферы, возрастают с уменьшением высоты над поверхностью и увеличением угла между направлением на Землю и местной нормалью СА. Однако на основе проведенных измерений было показано, что при углах более 75° уменьшение амплитуды радиосигнала даже в дециметровом диапазоне может быть столь сильным, что это может привести к временным перерывам в радиосвязи со спускаемым аппаратом.

Анализ периодичности появлений флуктуаций радиосигналов при нахождении СА на высотах 20–45 км показал, что на этих высотах горизонтальная составляющая скорости ветра может достигать 20–30 м/с. Эти результаты соответствовали данным определения горизонтальной составляющей скорости ветра из анализа величины изменения частоты передатчика спускаемого аппарата за счет эффекта Доплера (частоты Доплера).

Анализ изменения частоты за счет эффекта Доплера с учетам аэродинамических характеристик спускаемых аппаратов позволил определить не только скорости спуска аппаратов, но и вычислить скорость ветра в атмосфере планеты на разных высотах. Расчеты показали, что скорость ветра возрастает с ростом высоты. Так, например, горизонтальная скорость ветра у поверхности не превышает 2 м/с, а на верхней границе облаков (~ 65 км) достигает 100 м/с. Хотя скорость ветра v поверхности и мала, но из-за огромной плотности атмосферы такой венерианский ветер по своему скоростному напору эквивалентен земному приповерхностному ураганному ветру, мчащемуся со скоростью более 100 км/ч.

На спускаемом аппарате «Венера-8» впервые был установлен радиовысотомер, с помощью которого измерялась не только высота, но и интенсивность отраженного поверхностью радиосигнала. На предыдущих спускаемых аппаратах радиовысотомеры только измеряли высоту полета. Радиовысотомер «Венеры-8» с импульсной модуляцией работал на длине волны 35 см через антенну с широкой диаграммой направленности.

В процессе спуска СА дважды была измерена интенсивность отраженного сигнала. Расчеты характеристик отражения проводились в рамках гладкой и плоской моделей поверхности. Рассчитанный по данным двух измерений коэффициент отражения поверхности оказался равным 0,07 и 0,09. Этим значениям коэффициента отражения соответствовало значение эффективной диэлектрической проницаемости ε = 3,2 и величина плотности грунта Венеры ρ = 1,4 г/см3. Значения этих величин оказались меньшими, чем это следовало из данных наземных радиолокационных наблюдений, а также из данных прямых измерений плотности грунта в месте посадки автоматической станции «Венера-10».

Измерения высоты полета в процессе сноса станции ветром (при ее спуске на парашюте в нижней атмосфере) позволили оценить рельеф поверхности на трассе длиной в 60 км, проходящей в экваториальной области Венеры. Горизонтальная составляющая скорости движения спускаемого аппарата определялась с помощью системы траекторных измерений АМС.

Согласно результатам измерений максимальный перепад высот на этой трассе составил 3,3 км, а средний угол наклона поверхности оказался равен 18°, т. е. значительно выше, чем это следовало из данных наземной радиолокации. На одном из участков трассы протяженностью 1,25 км был измерен перепад высот в 1,5 км, что соответствовало на этом участке трассы среднему углу наклона поверхности более 52°. Такие наклоны не наблюдались даже на Луне, хотя Луна является, судя по наземным радиолокационным наблюдениям, более неровным небесным телом и обладающим существенно большими перепадами высот, чем планета Венера.

С помощью радиотехнической аппаратуры «Венеры-9 и -10» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева впервые были проведены бистатические радиолокационные измерения. Эти измерения выполнялись многократно на длине волны 32 см как с помощью антенны с широкой диаграммой направленности, так и с помощью антенны с узкой диаграммой направленности (рис. 8).

Рис. 8. Перепады высот ΔН и среднеквадратичные углы наклона поверхности σα, полученные в одном из сеансов бистатической радиолокации Венеры со станции «Венера-9»

В экспериментах с антенной, имеющей узкую диаграмму направленности, в процессе измерений по программе осуществлялось ориентирование этой антенны в направлении области на поверхности, расположенной вблизи точки зеркального отражения. Полученные спектры отраженного сигнала подтвердили слабую шероховатость поверхности Венеры в районах измерения, которые располагались вдоль трасс протяженностью около 800 км. Среднеквадратичные углы наклонов поверхности вдоль этих трасс изменяются от 1 до 5°. Причем наблюдались районы с существенно различным рельефом — равнинные, с наклонами около 1,5° и гористые с наклонами 3–5°. По данным наземной радиолокации на длине волны 30 см, относящихся к экваториальному поясу планеты, среднее значение среднеквадратичных углов наклона поверхности близко к 5°, т. е. при бистатической радиолокации Венеры были обнаружены более гладкие участки поверхности, чем это получено в среднем для экваториальной области планеты при наблюдении с Земли.

Пролет «Маринера-5» вблизи Венеры позволил провести измерения рефракции радиоволн на длинах 13 и 71 см в дневной и ночной атмосферах. Радиозаход космического аппарата осуществлялся над ночной стороной планеты, а радиовыход — над дневной.