Радиолокация астероидов и комет

Радиолокация астероидов и комет

Журнал "Радио", номер 11, 1999г.
Автор: А. Зайцев, доктор физ.-мат. наук, г. Москва

    В последнее время в печати все чаще появляются сенсационные сообщения об угрозе столкновения Земли с астероидами и кометами, которые на огромной скорости двигаются в пределах Солнечной системы.
    Чтобы подтвердить или опровергнуть возможность падения небесных тел, подобно Тунгусскому метеориту, на поверхность Земли, необходимо знать траектории полета хотя бы крупнейших астероидов и комет. Сегодня это позволяет осуществить с достаточно большой точностью радиолокационная астрономия, о чем рассказывает ведущий научный сотрудник ИРЭ РАН - участник и организатор многих радиолокационных астрономических исследований.

    Начало радиолокационной астрономии датируется апрелем 1961 г., когда практически одновременно в СССР, США и Англии были получены первые эхосигналы от Венеры. С тех пор радиолокационные исследования Солнечной системы принесли много новых фундаментальных и прикладных научных результатов.

    К настоящему времени выкристаллизовались три главных направления исследований астероидов и комет, где радиолокация имеет бесспорные преимущества перед традиционными оптическими наблюдениями. Это - дальностно-доплеровская астрометрия, определение физических и минералогических характеристик и получение радиолокационных изображений. Все эти три направления объединены английским термином "Follow-up investigations", подчеркивающим, что они идут "вслед" за открытием оптическим путем очередного нового астероида или кометы и получением, пусть и грубого, определения их орбиты. Такая последовательность дальнейшего исследования легко объяснима. Большие радиолокационные антенны имеют узкие, порядка двух- пяти угловых минут диаграммы направленности, поэтому необходима уже предварительно рассчитанная программа углового сопровождения радиолокационной цели. Диапазон поиска эхосигналов по частоте также должен быть существенно сужен по сравнению с доплеровским сдвигом, что достигается предварительным расчетом на основе прогноза лучевой скорости.

    Дальностно-доплеровские измерения линейных координат небесного тела неоценимы при уточнении орбит и прогнозе эфемерид (Таблицы заранее вычисленных положений небесных тел или астрономических явлений). Даже единичное радиолокационное измерение приближает определение истинной орбиты настолько, что позволяет предотвратить "потерю" открытого астероида или кометы.

    С помощью радиолокации в течение последнего десятилетия удавалось снижать со 100 тыс. км до 100 км и менее неточность орбит околоземных астероидов, построенных на основе оптической астрометрии.

    Коснемся направления исследований физических и минералогических характеристик астероидов и комет, получаемых с помощью радиолокации: размера, формы, вращения, строения, а также плотности структуры, диэлектрической проницаемости и других параметров поверхностного слоя, которые отражаются в эхосигналах.

    При изучении комет радиолокация - пока единственный источник прямой информации об их ядрах, которые скрыты от наблюдений оптически непрозрачными оболочками - комой. Так, недавняя радиолокация кометы Хиакутаке позволила оценить размеры ядра (2-3 км) и обнаружить облако мелких, порядка сантиметра, частиц, окружающих ядро. При этом центры ядра и облака частиц не совпадают между собой.

    Радиолокация позволяет "увидеть" околоземные объекты. Радиолокационные изображения синтезируются на основе двумерного распределения мощности эхосигналов по времени запаздывания и доплеровскому уширению спектральной линии. В наиболее благоприятных случаях достигается пространственное разрешение 10x10 м. Для сравнения - крупнейший в мире орбитальный оптический телескоп "Хаббл" имеет угловое разрешение примерно 1,2 км, т. е. хуже, чем в 100 раз.

    Перечислим лишь некоторые из наиболее важных фундаментальных результатов, полученных с помощью трех существующих ныне систем радиолокационной астрономии, расположенных в Аресибо (Пуэрто Рико), Голдстоуне (Калифорния) и Евпатории (Крым).

    В периоды сближений астероидов 4179 Таутатис, 1620 Географ, 4769 Касталия, 6489 Голевка с Землей получены их радиолокационные изображения с разрешением по поверхности до нескольких десятков метров.

    Специалисты, определяя физические и минералогические характеристики малых тел Солнечной системы радиолокационными методами, обнаружили, по крайней мере, три астероида с высокой концентрацией металла: 16 Психея, 216 Клеопатра и 6178 1986 DA. Они доказали, что астероиды 216 Клеопатра, 4769 Касталия, 4179 Таутатис имеют сложное раздвоенное строение. Обнаружено, что, в отличие от остальных тел Солнечной системы, астероид 4179 Таутатис вращается и прецессирует с близкими периодами, равными 5,4 и 7,3 суток. При этом синтезирована трехмерная вращающаяся модель астероида 4179 Таутатис, которая затем была распространена по системе Internet в виде анимационного фильма.

    Ученым удалось для нескольких десятков астероидов и комет измерить скорости собственного вращения и определить радиолокационное поперечное сечение, альбедо (Величина, характеризующая отражательные способности любой поверхности) и поляризационное отношение, на основе которых проведена их классификация. Современная техника помогла зафиксировать ряд удивительных явлений. Например, на солнечной стороне кометы IRAS-Araki-Alcock было зафиксировано облако размером порядка 1000 км, состоящее из частиц размером в единицы сантиметров, а вокруг ядра кометы Галлея - рой частиц размерами порядка 5 см.

    На радиолокационном изображении астероида Таутатис (рис. 1) отчетливо видно необычное двойное его строение, а также кратер на большей из частей астероида (его диаметр около 600 м).

    Приведенные результаты исследований имеют не только научный, но и практический интерес. Особенно это касается радиолокационных наблюдений околоземных астероидов, периодически сближающихся с Землей. Для нескольких десятков из них на 700 лет вперед составлен надежный прогноз движения и выявлены наиболее опасные астероиды с точки зрения возможности столкновения с Землей или их прохождения в непосредственной близости от нашей планеты.

    Радиолокаторы, предназначенные для исследования тел Солнечной системы (собирательные термины "радиолокационный телескоп" и "планетный радиолокатор"), представляют собой сложные когерентные радиосистемы, основу которых составляют водородные стандарты частоты с относительной нестабильностью не хуже, чем 10-13. По сравнению с РЛС они характеризуются несравненно более высоким энергетическим потенциалом и относительной точностью измерений запаздывания и доплеровского смещения частоты эхосигналов. Так, при расстоянии до небесного тела в несколько десятков и сотен миллионов километров и его радиальной скорости в десятки километров в секунду абсолютная точность измерений достигает 10 м и 0,1 м/с, что соответствует относительной точности порядка (10-9...10-8).

    Системы планетной радиолокации используют наиболее крупные зеркальные антенны сантиметрового диапазона диаметром 300 м (Аресибо) и 70 м (Евпатория и Голдстоун). Их передатчики на пролетных клистронах обеспечивают в непрерывном режиме среднюю мощность от 200 до 1000 кВт, а высокочувствительные мазеры позволяют минимизировать суммарную шумовую температуру приемника до 14...20 К. В итоге достигается рекордный энергетический потенциал, в сотни и тысячи раз превосходящий потенциал наиболее мощных радиолокаторов систем ПРО России и США.

    Рассмотрим принцип работы на конкретном примере Евпаторийского планетного радиолокатора (ЕПР) (рис. 2). Американские системы в Голдстоуне и Аресибо построены в основном аналогично и отличаются лишь в деталях конструкции и параметрах.

    Как уже отмечалось, планетный радиолокатор является когерентной системой - все гетеродинные колебания, модулирующий и демодулирующий сигналы формируются путем смешивания, умножения, деления и других преобразований из единственного эталонного колебания, поступающего от высокостабильного водородного стандарта частоты. Главная проблема радиолокационной астрономии состоит в том, что изза колоссальных межпланетных расстояний эхосигналы очень слабы и для их надежного обнаружения и оценки параметров требуется длительное их накопление - порядка нескольких единиц и даже десятков минут. За такое время небесное тело пролетает расстояние, в сотни и тысячи раз превышающее требуемую точность измерения этого расстояния. Поэтому необходимы специальные меры, позволяющие учесть движение исследуемого объекта относительно антенн радиолокатора. Однако в нашем случае ситуация облегчается тем, что астрономические цели движутся по законам небесной механики без вмешательства пилота или системы управления, что позволяет спрогнозировать их траекторию с достаточно высокой точностью. Их эфемериды вводятся в центральный компьютер, который на их основе вычисляет текущий прогноз доплеровского смещения и запаздывания эхосигналов от исследуемого небесного тела.

    Затем доплеровский прогноз заносится в специальное устройство (доплеровский синтезатор), на выходе которого формируется несущее колебание с частотой, меняющейся во времени в соответствии с изменением лучевой скорости исследуемого небесного тела. Таким образом радиолокационную цель, летящую в космосе со скоростью в десятки километров в секунду, удается как бы "остановить" и произвести требуемое накопление энергии эхосигналов с целью их надежного обнаружения и оценки параметров.

    Прогноз по запаздыванию радиоэха поступает из компьютера в специальный таймер, который позволяет произвести начальную установку синтезатора зондирующих сигналов в циклах "Излучение" и "Прием", а также "привязать" измерения к шкале Всемирного времени (UT). В качестве зондирующих сигналов в Евпаторийском локаторе используются сигналы с периодической линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), а в американских системах - сигналы с фазокодовой модуляцией. Требуемые параметры сигналов ЛЧМ, такие, как его девиация F и период T, устанавливаются в синтезаторе перед началом очередных измерений.

    Зондирующее колебание, представляющее собой сумму несущей частоты (в ЕПР она равна 5010 МГц, или 6 см), доплеровского прогноза и модулирующего ЛЧМ сигнала, усиливается в мощном клистронном передатчике и излучается в сторону исследуемого небесного тела, координаты которого - прямое восхождение ( и склонение) используются для расчетов программы сопровождения антенной радиолокационной цели. В этих расчетах необходимо учитывать массу факторов, связанных как с движением системы Земля-Луна и других небесных тел, так и деформацией самой 70-метровой антенны и ряда других.

    Улавливаемые антенной эхосигналы поступают затем в малошумящий мазерный усилитель (его вклад в суммарную шумовую температуру приемной системы не превышает 5 градусов Кельвина), а затем происходит их демодуляция, компенсация доплеровского сдвига и многократное преобразование частоты вниз до значений, приемлемых для аналого-цифрового преобразователя.

    Для наблюдений за близкими целями разработаны так называемые бистатические радиолокационные системы, у которых передающая и приемные системы разнесены за пределы прямой видимости так, что передатчик не "заглушает" своим мощным излучением слабые эхосигналы, и поэтому возможны непрерывные измерения.

    Именно бистатическая схема была реализована нами в декабре 1992 г. для первой вне США радиолокации астероида 4179 Таутатис в период его очередного сближения с Землей до минимального расстояния 0,024 АЕ (примерно 3,6 млн км). Астероид непрерывно облучался из Евпатории мощным излучением 6-сантиметрового передатчика, а для приема эхосигналов удалось привлечь самый крупный в мире параболический радиотелескоп диаметром 100 м, расположенный в Эффельсберге (Германия). В результате этого пионерского эксперимента удалось, независимо и одновременно с американскими исследователями, обнаружить необычное раздвоенное строение этого астероида и то, что он вращается чрезвычайно медленно, с периодом около 7 земных суток. В результате совместной обработки данных радиолокации и оптических наблюдений вычислена точная орбита Таутатиса и установлено, в частности, что 29 сентября 2004 г. произойдет наиболее тесное сближение астероида с Землей, когда расстояние до него составит 0,01036 АЕ (около 1,5 млн км).

    Следующий эксперимент, который был проведен с использованием средств ЕПР - первая межконтинентальная радиолокация астероида, имевшего тогда предварительное обозначение 1991 JX. В отличие от планет и большинства астероидов он по прогнозу должен был иметь в период очередного сближения, ожидавшегося в июне 1995 г., очень большое - до 40 градусов - положительное склонение, и поэтому, подобно приполярным созвездиям, мог быть виден одновременно из Европы и Северной Америки. Мы направили свои предложения в США, и ученые Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и ИРЭ РАН заключили соглашение о программе совместного эксперимента. Впоследствии к нему подключились ученые и других стран. В результате в шести центрах дальней космической связи [в Голдстоуне, Евпатории, Кашима и Усуда (оба в Японии), в Медвежьих Озерах (под Москвой) и в Вейльхейме (Германия)] стали готовиться к обнаружению сигналов, излучаемых в сторону астероида из Голдстоуна на частоте 8510 МГц (длина волны 3,5 см). Первыми обнаружили и зарегистрировали эхосигналы в Евпатории, затем в Кашима. В честь первой межконтинентальной радиолокации небесного тела - астероида 1991 JX ему было присвоено постоянное имя Голевка, полученное из первых слогов трех центров космической связи (Голдстоун, Евпатория и Кашима).

    Наиболее интересные из полученных здесь результатов: удалось оценить максимальный (560 м) и минимальный (440 м) размеры астероида и построить его полярный силуэт (рис. 3 - 13 июня 1995г.). Большой объем радиолокационной и оптической астрометрии позволил также построить устойчивый многолетний прогноз движения Голевки, из которого следует, что в ближайшие 200 лет этот астероид не будет проходить от нас ближе, чем на 0,041 АЕ (6,2 млн км).

    Дальнейшие радиолокационные исследования астероидов и комет выдвинули на первый план проблему разработки и создания специализированного и значительно более мощного, чем сейчас, астероидно-кометного радиолокатора. С такой инициативой выступили руководители радиолокационных исследований из США, России, Японии и Германии, чей совместный доклад был представлен на 23-й Генеральной ассамблее Международного астрономического союза. Такой радиолокатор должен быть выполнен по бистатической схеме и состоять из двух - передающей и приемной - параболических антенн диаметром 100 м каждая, передатчика 3-сантиметрового диапазона с непрерывной мощностью не менее 1 МВт и высокочувствительного многоканального приемника. Ориентировочная стоимость такого локатора - 180-200 млн долл., поэтому наиболее целесообразно его разработку и создание проводить в рамках международного проекта.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.