Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов

Во время пролета космических аппаратов «Пионер-10 и -11» вблизи Юпитера были проведены сеансы радиорефракционных измерений на длине волны 13,1 см. Причем была исследована ионосфера и нижняя атмосфера планеты.

Были получены высотные профили концентрации электронов. При этом была отмечена многослойность до 5–7 слоев ионосферы, т. е. концентрация электронов имела поочередно несколько максимумов и минимумов в пределах высот ~ 3000 км. По данным радиопросвечивания было получено, что в области высот, где давление изменяется от 10 до 1 мбар, температура с высотой возрастает от 80 — 120 до 130–170 К. Эти данные оказались в хорошем согласии с результатами измерений инфракрасного радиометра АМС «Пионер-10».

Во время полета «Пионера-10» был осуществлен радиозаход спутника Юпитера Ио. По данным радиорефракционных измерений ионосфера Ио прослеживается днем до высоты 800 км, а ночью — до 250 км. Днем максимум концентрации составляет 6 · 10 4см –3и находится на высоте 100 км, а ночью — 9 · 10 3см –3(на высоте ~ 50 км).

Проведенные по этим данным расчеты показали, что плотность нейтрального газа на поверхности Ио составляет 10 11— 10 12см –3, что соответствует давлению у поверхности 10 –5— 10 –6мбар. Во время радиозахода был определен средний радиус Ио, который оказался равен 1875 км.

Проведение траекторных измерений при пролете «Пионеров» вблизи Юпитера позволили уточнить массы и радиусы планеты и ее галилеевых спутников, а следовательно, и определить их среднюю плотность. По данным этих измерений средняя плотность Юпитера равна 1,33, а средняя плотность спутников Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто соответственно равны 3,52, 3,28, 1,95 и 1,63 г/см 3. Средние диаметры этих спутников соответственно равны 3640, 3050, 5270 и 5000 км.

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).