Лазерный спутниковый дальномер

Лунные дальномеры

Исследование Луны

Расстояние от Луны до Земли — около 384 тыс. км., это в 30 раз больше диаметра Земли и в 960 раз больше высоты орбиты Международной космической станции. Луна заняла прочное место в научно-фантастических сюжетах — как обитаемая база с космодромом для запусков ракет в Солнечную систему и как месторождение Гелия-3 для термоядерных реакторов.

В реальности ничего этого нет, а экспедиции на Луну прекратились более 40 лет назад. Тем не менее, Луна служит базой для научных экспериментов, в которых удалённость спутника от Земли скорее помогает, чем мешает. Наша планета мала; для многих физических и астрономических исследований требуется лаборатория, превосходящая её по размерам. Ниже пойдёт речь о том, как Луну сделали частью такой лаборатории.

Лазерный спутниковый дальномер

Работа лазерного спутникового дальномера основана на измерении интервала времени, в течение которого излученный дальномером импульс света достигает спутника и, отразившись от него, возвращается к дальномеру. Поскольку скорость света хорошо известна, то по измеренному таким путем интервалу времени легко вычислить и расстояние до спутника. Во время наблюдений спутник быстро перемещается, поэтому для каждого измерения расстояния с высокой точностью (до долей миллисекунды) должны быть зарегистрированы также и моменты времени, в которые наблюдения выполнены. Это проводится с помощью точных кварцевых часов. Узкий, очень короткий луч света испускается квантовым генератором (лазером) в сторону спутника. На спутнике он отражается уголковым отражателем, особенность которого состоит в том, что после отражений от трех граней призмы полного внутреннего отражения направление луча изменяется на строго противоположное. Таким образом отраженный от спутника лазерный импульс возвращается к дальномеру. Лазерный дальномер имеет счетчик интервалов времени, который включается в момент выхода импульса света из дальномера и выключается в момент возвращения отраженного света. На лазерных дальномерах применяют счетчики времени, регистрирующие интервалы времени с точностью 1:1 000 000 000 с (такая единица времени называется наносекундой) и даже точнее. Это позволяет определять расстояния, до спутника с точностью 10–15 см.

На рисунке изображен лазерный спутниковый дальномер «Интеркосмос», созданный в результате научного сотрудничества ученых СССР, Чехословакии, ГДР, Венгрии. С помощью таких дальномеров по программам, разработанным Академией наук СССР широко проводятся наблюдения искусственны спутников Земли. На таком же принципе построены лазерный дальномеры для определения расстояний до Луны. Они монтируются обычно на больших телескопах. В этом случае луч света на Луне отражается от уголковых отражателей, смонтированных на советских луноходах.

РЕТРОРЕФЛЕКТОРЫ

Уголковый отражатель (corner cube) представляет собой три плоских отражающих поверхности, пересекающиеся под прямым углом. Луч света, попавший в такую конструкцию, отразится по одному разу от каждой из трёх сторон и уйдёт в направлении, противоположном исходному. Отражатель не требует электроэнергии и обслуживания; если на Луне установить отражатель, а в обсерватории на Земле — лазер, оптический телескоп и высокоточные часы, то можно будет регулярно измерять время хода луча от обсерватории до отражателя и обратно (от 2 до 2.7 секунд).

Первая высадка людей на Луну состоялась 20 июля 1969 г. во время экспедиции «Аполлон 11». Время пребывания астронавтов на поверхности было ограничено; из всевозможных предметов и устройств, которые человечество желало установить на Луне, при планировании миссии было выбрано три наиважнейших: панель уголковых отражателей (Laser Ranging Retroreflector, LRRR), сейсмограф и американский флаг. Все три объекта были успешно установлены; сейсмограф выработал свой ресурс через 3 недели, а ретрорефлектор функционирует по сей день. Флаг, вероятно, тоже.

Космическая гонка шла полным ходом; уже 10 ноября 1970 г. произошло очередное историческое событие: посадка на Луну космического аппарата «Луна-17» с управляемым «Луноходом-1». Аппарат был сделан в СССР; единственной импортной частью была панель из 14 уголковых отражателей, сделанная французской фирмой «Aérospatiale».

Впоследствии ещё две панели были установлены участниками экспедиций «Аполлон 14» и «Аполлон 15» в 1971 г, и последняя прилунилась вместе с «Луноходом-2» на космическом аппарате «Луна-21» в 1973 г. Таким образом, на Луне есть пять ретрорефлекторов. Все они установлены в различных районах. Наибольший по площади ретрорефлектор — «Аполлон 15», содержащий 300 уголковых отражателей диаметром 3.8 см (его предшественники содержали по 100 отражателей).

Отражатели медленно деградируют; по оценкам 2010 г. они отражают в 10 раз меньше фотонов, чем в начале эксплуатации. Высказываются различные гипотезы о причинах деградации, наиболее вероятной считается лунная пыль.