Земля – космос – Луна

ФОТОГРАФИРОВАНИЕ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ ЛУНЫ

Известно, что с нашей планеты видно 59 процентов поверхности Луны (с учетом ее либрации), и до классических работ К. Э. Циолковского, который доказал возможность создания аппаратов, преодолевающих земное притяжение, казалось, что остальная площадь – 41 процент лунной поверхности – останется для человека вечной загадкой. Однако всего лишь через два года после запуска первого искусственного спутника Земли советским ученым и инженерам удалось создать автоматическую научную станцию «Луна-3», осуществившую впервые в истории облет нашего древнего спутника и фотографирование его обратной стороны.

Выбор траектории полета станции «Луна-3» и времени экспонирования при съемке представлял известные трудности.

Первым «естественным» желанием была, конечно, попытка сфотографировать почти всю невидимую с Земли лунную поверхность; но при этом очевидны два минуса: невозможность уверенного определения селенографических координат вновь обнаруженных образований и невысокое качество снимков при отвесном освещении лунной поверхности Солнцем (что практически получается, когда освещено все невидимое полушарие).

Поэтому программа фотографирования для станции «Луна-3» была составлена таким образом, чтобы можно было заснять половину лунной поверхности, одна треть которой располагалась бы на видимой стороне Луны, что позволяло осуществить координатную привязку новых образований к объектам, наблюдаемым с Земли, а также уточнить структуру краевой зоны видимого полушария, которая обычно наблюдается с очень большими перспективными искажениями.

Фотографирование обратной стороны Луны было выполнено автоматической станцией «Луна-3» 7 октября 1959 года на расстоянии около 65 тысяч километров от лунной поверхности; экспонирование длилось 40 минут.

Съемка производилась в двух масштабах одновременно двумя объективами фотоаппарата с фокусными расстояниями в 200 и 500 миллиметров. Использовалась фотопленка особого изготовления, а специальное малогабаритное устройство обеспечивало автоматическую обработку пленки в условиях невесомости: проявление, фиксацию, промывку и сушку.

Передача снимков лунной поверхности на Землю осуществлялась фототелевизионной системой; при этом медленно движущаяся пленка (для получения кадровой развертки) просвечивалась световым лучом постоянной интенсивности, равномерно перемещающимся поперек пленки от одного ее края до другого в одном направлении (строчная развертка) и быстро возвращающимся в противоположном направлении.

Прошедший сквозь пленку световой луч поступал на фотоэлектронный умножитель, выдающий электрический сигнал соответствующего напряжения телеметрической аппаратуре.

Была предусмотрена и успешно решена новая для космической аппаратуры проблема – защита фотопленки от длительного воздействия космического облучения при полете в межпланетном пространстве.

В наземном оборудовании принятые сигналы – кроме непосредственного фиксирования изображений – направлялись также до демодуляции и на магнитную запись; последующее использование магнитной пленки позволило при обработке полученных снимков устранить некоторые искажения изображений, вызванные радиопомехами при передаче.

Описание полета научной станции «Луна-3», ее фототелевизионной аппаратуры, полученные снимки, а также подробные материалы их обработки приведены в «Атласе обратной стороны Луны» (см. список литературы).

На рис. 36 показан один из снимков невидимой с Земли стороны Луны, переданный станцией «Луна-3». Распределение объектов, выявленных при предварительной обработке фотографий, полученных с борта станции «Луна-3», представлено на рис. 37; из рисунка видно, что «моря» видимого полушария – Краевое (III), Смита (V), и Южное (VII) – имеют продолжение на обратной стороне Луны, их конфигурация теперь установлена полностью.

Рис. 36. Один из снимков обратной стороны Луны, полученный научной станцией «Луна-3»

Неожиданной особенностью обратной стороны Луны, как это показало фотографирование научной станцией «Луна-3», оказалось преобладание материкового щита и отсутствие обширных «морских» районов, характерных для видимого полушария; кроме того, на обратной стороне обнаружена повышенная плотность кратерных образований.

Более подробное исследование обратной стороны Луны было возобновлено – по истечении более чем пятилетнего срока – аппаратами «Зонд-3», «Луна-12», «Луна-19», «Лунар Орбитер», «Зонд-5», «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8».

Рис. 37. Распределение наиболее крупных образований обратной стороны Луны, выявленных станцией «Луна-3». Сплошная линия, пересекающая диск Луны, – ее экватор, пунктирная линия – граница видимого и невидимого полушарий; наименования обнаруженных объектов обратной стороны Луны:

1 – Море Москвы; 2 – Залив Астронавтов; 3 – граница Моря Южного; 4 – кратер Циолковский; 5 – кратер Ломоносов; б – кратер Жолио Кюри; 7 – горный хребет Советский; 8 – Море Мечты; I – Море Гумбольдта; II – Море Кризисов; III – Краевое Море; IV – Море Волн; V – Море Смита; VI – Море Плодородия; VII – Южное Море

Автоматическая станция «Зонд-3» завершила – начатое станцией «Луна-3» – глобальное фотографирование обратной стороны Луны 20 июля 1965 года с расстояния около 10 тысяч километров; картографированием было охвачено свыше 95 процентов поверхности невидимого полушария Луны; не заснятыми остались небольшие районы лунных полюсов.

При этом картографирование обратной стороны Луны велось так, что обеспечивалась привязка отснятой поверхности как к снимкам станции «Луна-3», так и к данным наземных наблюдений.

На протяжении всего времени экспонирования (более часа) станция «Зонд-3» сканировала с небольшой угловой скоростью так, что ось фотоаппарата перемещалась от края через центр освещенной части лунного диска.

Усовершенствованная малогабаритная фототелевизионная система включала в себя фотоаппарат (объектив которого имеет фокусное расстояние 106,4 миллиметра), устройство для автоматической обработки фотопленки и телевизионную аппаратуру; съемки происходили при выдержках 1/100 и 1/300 секунды.

Рис. 38. Схема фототелевизионного прибора станции «Зонд-3»:

1 – отсек хранения фотопленки; 2 – столик; 3 – объектив; 4 – затвор; 5 – проявочное устройство; 6 – сушильный барабан; 7 – влагопоглотитель; 8 – ролики; 9 – кассета; 10 – фильмовое окно; 11 – ведущий вал; 12 – приемная. кассета; 13 – двигатель; 14 – блок питания; 15 – развертывающее устройство; 16 – зеркало; 17 – фотоумножитель; 18 – спектрограф

Конструктивная схема фототелевизионного прибора показана на рис. 38.

Станцией «Зонд-3» получено 25 кадров лунной поверхности – по 1100 строк в кадре и по 1100 элементов; в строке (напомним, что в обычном телевидении в кадре всего 625 строк); качество снимков не уступало лучшим телескопическим.

Условия освещения при фотографировании были подобраны существенно лучше, чем при съемках станцией «Луна-3», так как предстояло картографировать примерно» миллионов квадратных километров, а не 10, как это было при первом фотографировании обратной стороны Луны.

Некоторые снимки обратной стороны Луны, полученные автоматической станцией «Зонд-3», приведены на рис. 39 и 40; часть снимков удалось объединить в стереоскопические пары, что повысило качество дешифровки.

Яркость сфотографированных образований лунной поверхности измерялась с помощью специального фотометрического устройства (оно изображено в углу снимков), которое на каждом снимке дает ряд тарированных значений яркости для/сравнения с яркостью заснятых образований.

Обработка фотоснимков показала, что невидимое с Земли полушарие Луны покрыто материками, а количество кратеров заметно превышает их количество на видимой поверхности, однако это превышение мало, если сравнение производится лишь по «материкам».

Выявлено более 1000 кратеров, из них свыше 600 поперечником от 5 до 20 километров и около десятка с размерами, превышающими 100 километров.

Наклоны внутренних валов исследованных кратеров находятся в пределах до 22 градусов, наиболее распространенные наклоны заключены в пределах 5 – 10 градусов; глубины кратеров не превышают 6 километров.

Поверхность невидимого полушария Луны обладает фотометрической однородностью – с законом отражения, близким к закону отражения для фотометрически средней поверхности видимой стороны.

Рис. 39. Восточная часть видимой стороны Луны, снятая впервые без перспективных искажений, и прилегающая к ней обратная сторона; справа – Океан Бурь («Зонд-3», кадр № 5, высота над лунной поверхностью – 10 230 километров)

Рис. 40. Обратная сторона Луны, в центре – талассоид Кибальчич, крупный сдвоенный кратер Братья Вавиловы («Зонд-3», кадр № 22, высота над лунной поверхностью – 9140 километров)

Интересной особенностью рельефа обратной стороны Луны является наличие очень больших цепочек кратеров диаметром 15 – 30 километров, протяженностью до 770 километров и с центром в районе Моря Восточного (о новом типе лунных образований – талассоидах см. следующий раздел).

Кроме передачи изображений лунной поверхности, научная станция «Зонд-3» осуществила фотографирование спектров лунной поверхности в интервале длин волн от 2500 до 3500 ангстрем, а также спектрофотометрирование в диапазоне 1900 – 2700 ангстрем и от трех до четырех микрон.

Для привязки полученных спектров к сфотографированной местности конструкцией была предусмотрена параллельность оптических осей спектральных приборов и фотоаппарата.

Таким образом, менее чем через 10 лет с начала космической эры по материалам фотографирования нашего естественного спутника станциями «Луна-3» и «Зонд-3» впервые удалось создать полный глобус Луны (в масштабе 1: 10 000 000) и полную карту (в масштабе 1: 5 000 000).

Рис. 41. Снимок района кратера Братья Вавиловы на обратной стороне Луны, переданный станцией «Зонд-6». Отмечены четыре кратера:

1 – Братья Вавиловы; 2 – Ловелл; 3 – Этвеш; 4 – Ван Гу

Дальнейшее уточнение структуры лунной поверхности было осуществлено в результате запусков других советских и американских автоматических станций.

Завершением программы картографирования обратной стороны Луны при облетной траектории на конец 1970 года явились запуски научных автоматических станций «Зонд-6», «Зонд-7» и «Зонд-8».

Полет этих станций был необычен тем – и это составляет их особую научную ценность, – что после облета и фотографирования другого небесного тела автоматические станции возвращались на Землю и доставляли ученым уникальные пленки.

Ценность информации при этом по сравнению с телеметрической передачей снимков существенно повышается по следующим причинам: увеличение разрешающей способности по полю снимка, информативность и градация яркости. Кроме повышенной четкости снимка, использование отснятой фотопленки избавляет нас от геометрических искажений и радиопомех, связанных с телеметрической передачей.

Научная станция «Зонд-6» выполнила фотографирование Луны 14 ноября 1968 года при подлете к ней и облете нашего вечного спутника, охватив значительную часть видимого и невидимого полушарий.

Съемка производилась фотоаппаратом, имеющим фокусное расстояние 400 миллиметров, на изопанхроматическую пленку шириной 19 сантиметров; размер полученных кадров – 13X18 сантиметров.

Перед полетом были определены фотометрические и фотограмметрические характеристики фотоаппарата.

Во время фотографирования обратной стороны Луны станция «Зонд-6» находилась от ее поверхности на расстоянии примерно в 3000 километров; один из снимков, полученных при этом и охватывающий район двойного кратера Братья Вавиловы (ширина кратера – около 100 километров), приведен на рис. 41.

Следует отметить еще одну ценность фотосъемок со станций типа «Зонд-6»: они дают возможность получить профиль лунного диска в направлениях, отличающихся от направлений съемок с Земли, что помогает уточнить пространственную модель Луны и ее фигуру.

Последующее картографирование Луны (как и ряд других ее исследований) провели в августе и октябре 1970 года научные станции «Зонд-7» и «Зонд-8». Станцией «Зонд-7» было проведено два сеанса фотографирования Луны на цветную фотопленку: с расстояний 10 000 и (обратной стороны Луны) 2000 километров; станция «Зонд-8» произвела съемки лунной поверхности на цветную и черно-белую пленки с облетной траектории (минимальное расстояние – 1120 километров). Заснятые пленки были доставлены на Землю; после их обработки ученые-селенологи получили фотоснимки высокого качества, значительно обогатившие материалы картографирования Луны.