Радиоисследования планет с космических аппаратов

ПЕРСПЕКТИВЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАНЕТ

Увеличивающиеся с каждым годом масштабы космических исследований (и, в частности, планет) приводят к появлению новых методов и более совершенной аппаратуры. Среди этих методов одно из первых мест занимают радиофизические, поскольку они позволяют получать уникальную информацию, недоступную другим методам измерения.

Перспективность использования радиофизических исследований заключается и в том, что для проведения радиофизических измерений порою достаточно одной штатной аппаратуры космических аппаратов. Так, радиопередатчики, установленные на борту космических аппаратов, в будущем позволят проводить радиорефракционные измерения ионосфер и атмосфер планет как на освещенных, так и на неосвещенных Солнцем сторонах.

Дальнейшее увеличение мощности излучения и стабильности частот бортовых радиопередатчиков, а также достижение большей точности измерений амплитуды, частоты и фазы радиосигналов на наземных пунктах приема должны со временем дать очень высокие точность и чувствительность радиорефракционных измерений окрестностей планет Солнечной системы. Эти же причины касаются и дальнейшего прогресса в области радиолокационных измерений планет, в частности, при бистатической радиолокации. Использование при проведении бистатической радиолокации модулированных сигналов и обеспечение предварительной обработки радиосигналов непосредственно на борту космических аппаратов позволят в будущем применять этот метод исследования планет в более широких вариантах. Со временем бистатическая радиолокация будет проводиться не только с использованием радиолинии «космический аппарат — Земля», но и с помощью таких радиолиний, как «космический аппарат — космический аппарат», «искусственный спутник планеты — спускаемый аппарат», «искусственный спутник планеты — космический аэростат» и т. д. Проекты подобных экспериментов сейчас усиленно разрабатываются и даже начинают претворяться в жизнь. Так, эксперименты по бистатической радиолокации Марса с использованием радиолинии «спускаемый аппарат — орбитальный отсек» уже проводились по программе «Викингов».

Намечаются перспективы и в использовании метода моностатической радиолокации. Сейчас установка на борту искусственных спутников планет радиовысотомеров, измеряющих не только высоту полета, но и характеристики отражения радиоволн поверхностью, уже не является непреодолимой задачей. Такие приборы при достаточно малых размерах, весе и энергопотреблении могут устойчиво работать до высот 2–3 тыс. км от поверхности планеты. Их проекты уже разрабатываются в СССР, Франции и США. Первый из подобных высотомеров будет установлен на борту станции «Пионер», полет которой запланирован на 1978 г.

Опыт работы высотомеров, установленных на борту искусственных спутников Земли для измерений степени волнения на море и среднего уровня воды в океанах, указывает на возможность разработки бортовых приборов, имеющих точность измерения высоты до нескольких сантиметров. Конечно, для планетных исследований такая точность не нужна, однако радиовысотомеры с большой точностью измерений (до нескольких метров) могут найти широкое применение в селенодезии (лунном аналоге геодезии).

В последние годы метод моностатической радиолокации подвергся значительному усовершенствованию, в результате чего возник принципиально новый метод — «радиолокационное» картографирование (или радиолокация с боковым обзором). В этом методе радиолокатор непрерывно перемещается над исследуемой поверхностью, что позволяет ученым получать информацию не только о профиле рельефа поверхности планеты и о характере отражения ею радиосигнала, но и представляет возможность составлять карты рельефа местности (с учетом отражательных свойств участков, лежащих в стороне от трассы обзора используемого радиолокатора).

При «радиолокационном» картографировании обычно используется радиолокатор с апертурным синтезом. Для того чтобы понять принцип его работы, рассмотрим радиолокатор, имеющий синфазную антенну больших размеров, направленную по трассе обзора. Для получения разрешения на поверхности порядка нескольких сот метров при высоте полета космического аппарата в несколько сот километров необходимо, чтобы длина такой антенны примерно равнялась 1000 используемым длинам волн, т. е. при длине волны 10 см размер антенны должен превышать 100 м, а это явно нереально для современных космических аппаратов. Однако если у синфазных радиолокаторов сложение отраженных поверхностью сигналов, принимаемых различными частями антенны, производится одновременно, то у радиолокатора с апертурным синтезом этот процесс происходит иначе — когерентное сложение отраженных сигналов осуществляется в течение времени движения космического аппарата. Практически временное накопление радиосигналов, отраженных от некоторой площадки поверхности, в радиолокаторе с апертурным синтезом эквивалентно пространственному (по поверхности антенны) накоплению сигналов в обычном радиолокаторе. Поскольку временное накопление в радиолокаторе с апертурным синтезом осуществляется преимущественно для отраженных сигналов, пришедших с выбранного направления (по трассе обзора), то рассматриваемый процесс эквивалентен сужению диаграммы направленности данной антенны (в этом направлении).

Таким образом, с помощью относительно небольшого радиолокатора с апертурным синтезом достигается очень высокое разрешение по поверхности по трассе движения космического аппарата. Для получения столь же высокого разрешения по поверхности в ортогональном (боковом) направлении при «радиолокационном» картографировании используются различные методы высотной радиодальнометрии: импульсная модуляция с помощью коротких импульсов, сложные формы радиолокационных сигналов.

Использование искусственных спутников Земли показало довольно высокую эффективность применения радиолокаторов с боковым обзором для «радиолокационного» картографирования земной поверхности и для получения ее гипсометрических карт (т. е. карт с указателями высоты). Впервые метод радиолокационного картографирования применительно к другим небесным телам использовался во время полета «Аполлона- 17». Безусловно, что в будущем метод «радиолокационного» картографирования может найти применение и в планетных исследованиях. Расчеты показывают, что с помощью радиолокатора с боковым обзором, установленного на борту искусственного спутника Венеры, можно получить «радиолокационную» карту ее поверхности с (разрешением около 1 км (причем «карта» высот может быть получена с точностью около 50 м). Подобное картографирование может быть глобальным по всей поверхности планеты, если искусственный спутник планеты будет выведен на полярную орбиту. Следует отметить, что при наземных наблюдениях Венеры, «радиолокационное» картографирование с высоким разрешением может проводиться только для приэкваториальных районов.

Большие перспективы намечаются и у пассивных методов. В частности, использование бортовых радиотелескопов, которые измеряют интенсивность и поляризацию радиоизлучения одновременно на нескольких частотах, позволит одновременно получать «радиотепловые» карты, относящиеся к разным глубинам верхнего покрова планет. Проведенные расчеты показывают целесообразность установки подобной аппаратуры на борту искусственных спутников Луны, Марса и Венеры. Эти спутники должны летать по орбитам с высокими наклонениями орбиты (близкими к полярным) и либо ориентироваться по вертикали, либо иметь подвижную платформу для разворота антенн в плоскости орбиты.

Весьма перспективным в планетных исследованиях является применение комбинированной бортовой радиолокационно-радиоастрономической системы. Такая система, называемая «радиометр-скаттерометр», уже успешно используется на борту искусственных спутников Земли. Поочередное использование радиотелескопа и радиолокатора (на одной или близкой длине волны) позволяет разрешить свойственную радиотелескопу неопределенность, связанную с воздействием особенности рельефа на ее радиоизлучение. Поэтому определение рельефа и мелкомасштабных шероховатостей поверхности с помощью «радиометра-скаттерометра» позволит ввести поправки за счет структуры поверхности на радиоизлучение, и, тем самым получить «радиотепловую» карту, дающую физическую температуру на определенной глубине.

Развитие методов радиоизмерений в области декаметрового и гектометрового диапазонов длин волн открывает большие перспективы изучения глубинного строения атмосфер планет-гигантов и для исследования больших глубин у планет с твердой оболочкой, а в области миллиметровых и субмиллиметровых длин волн — изучения подоблачных слоев атмосфер планет. Подобные измерения, как показал советский ученый Ю. М. Тимофеев, особенно актуальны для изучения температурного режима глубоких слоев атмосфер Юпитера и Сатурна. Для этого необходима установка на борту космических аппаратов серии радиотелескопов, работающих на четырех-пяти фиксированных длинах волн в диапазоне от 1–2 мм до 20 см. Подобный проект разрабатывается в настоящее время группой советских ученых.

Краткое перечисление ближайших задач радиофизических исследований планет показывает, что с помощью радиофизической аппаратуры в ближайшем будущем будет получен большой объем информации о Солнечной системе. Эта информация вместе с полученной с космических аппаратов при использовании других методов исследования, а также при помощи наземных наблюдений, должна в конечном счете раскрыть ряд проблем происхождения и эволюции Солнечной системы в целом, включая и основные ее элементы — планеты и их спутники.