Размещено на http://www.allbest.ru/

9

Дослідження космічного простору. Радіолокація

Радіолокація - область науки і техніки, предмет якої - спостереження різних об'єктів (цілей) радіотехнічними методами: їхнє виявлення, розпізнавання, визначення їхніх координат і швидкості й ін.

Розрізняють активну і пасивну радіолокації. При активній радіолокації об'єкт опромінюється радіохвилями, що посилаються радіолокаційними системами (РЛС), у результаті чого виникають сигнали від об'єкта. Активна радіолокація, у свою чергу, підрозділяється на радіолокацію з пасивною й активною відповідями.

При радіолокації з пасивною відповіддю виявлення роблять по сигналі, відбитій від об'єкта після опромінення його електромагнітними хвилями. У цьому випадку сигнал, випромінюваний РЛС, називають зондувальним, а сигнал, що приходить від мети, - відбитим чи луною-сигналом. Значення відбитого сигналу залежить від властивостей об'єкта, що відбивають.

При радіолокації з активною відповіддю виявлення роблять по сигналу, ретрансльованому об'єктом. При цьому прямий сигнал називають запитальним, а сигнал прихожий від мети, - відповідаючим. Ретрансляційну апаратуру, що знаходиться на об'єкті, іменують відповідачем. Інтенсивність відповідного сигналу залежить від потужності встановленого на об'єкті ретрансляційного передавача. Дальність дії цих РЛС набагато більше дальності дії РЛС із пасивною відповіддю. Однак такі РЛС можуть працювати тільки з «своїми» об'єктами. Їх в основному використовують для супроводу ракет і інших об'єктів, що володіють слабкими властивостями, що відбивають, а також для впізнання «своїх» об'єктів.

Пасивна радіолокація заснована на прийомі власного радіовипромінювання об'єктів. РЛС із пасивною радіолокацією не має передавача. Вона має лише спрямовану прийомну антену, що уловлює випромінювання об'єкта, приймач, що підсилює прийняті радіосигнали, і пристрою, за допомогою яких відбуваються реєстрація й аналіз цих сигналів. Такі РЛС використовують для дослідження явищ, що відбуваються в космічному просторі (радіотелескопи), а також для визначення місця розташування кораблів і літаків по радіомаяках (радіопеленгація).

Основний є активна радіолокація, що надалі іменується просто радіолокацією. У радіолокації застосовують РЛС із безупинним і імпульсним випромінюванням енергії.

Ще А.С. Попов помітив, що радіохвилі мають здатність відбиватися. На цьому і заснований принцип дії радіолокаційної станції. Могутній промінь радіолокаційного передавачам фокусується великою антеною в напрямку досліджуваного об'єкта, фіксується і вивчається відбитий радіосигнал, на основі чого робляться висновки про ті чи інші характеристики об'єкта. Перші роботи зі створення радіолокаційних систем почалися в нашій країні в середині 30-х років. Вперше ідею радіолокації висловив науковий співробітник Ленінградського електрофізичного інституту (ЛЕФІ) П.К. Ощепков ще в 1932 році. Пізніше він же запропонував ідею імпульсного випромінювання.

16 січня 1934 року в Ленінградському фізико-технічному інституті (ЛФТІ) під головуванням академіка А. Ф. Іоффе відбулася нарада, на якому представники ПВО РККА поставили задачу виявлення літаків на висотах до 10 і дальності до 50 км у будь-який час доби й у будь-яких погодних умовах. За роботу взялися кілька груп винахідників і вчених. Уже влітку 1934 року група ентузіастів, серед яких були Б. К. Шембель, В.В. Цимбалин і П. К. Ощепков, представила членам уряду досвідчену установку. Проект одержав необхідне фінансування й у 1938 році був випробуваний макет імпульсного радіолокатора, що мав дальність дії до 50 км при висоті мети 1,5 км. Творці макета Ю. Б. Кобзарев, П. А. Погорелко і Н. Я. Ченців у 1941 році за розробку радіолокаційної техніки були визнані гідними Державної премії СРСР. Подальші розробки були спрямовані в основному на збільшення дальності дії і підвищення точності визначення координат. Станція РУСЯВА- 2 прийнята влітку 1940 роки на озброєння військ ПВО не мала аналогів у світі по своїх технічних характеристиках, вона послужила гарну службу під час Великої Вітчизняної війни при обороні Москви від нальотів ворожої авіації. Після війни перед радіолокаційною технікою відкрилися нові сфери застосування в багатьох галузях народного господарства. Без радарів тепер немислимі авіація і судоводіння. Радіолокаційні станції досліджують планети Сонячної системи і поверхня нашої Землі, визначають параметри орбіт супутників і виявляють скупчення грозових хмар.

Визначення координат цілі радаром виробляється з урахуванням обраної системи координат. Вибір тієї чи іншої системи координат зв'язаний зі сферою застосування радіолокаційної установки. Наприклад, наземна радіолокаційна станція (РЛС) спостереження за повітряною обстановкою вимірює три координати цілі: азимут, кут місця і похилу дальність (полярна система координат).

Рис.1. Система координат оглядової РЛС.

радіолокація станція відповідний сигнал

- кут місця, - кут азимута, R - похила дальність

Розрізняють два основних режими роботи РЛС: режим огляду (сканування) простору і режим спостереження за метою. У режимі огляду промінь РЛС по строго визначеній системі переглядає весь чи простір заданий сектор. Антена, наприклад, може повільно повертатися по азимуті й у той же час швидко нахилятися нагору і вниз, скануючи по куті місця. У режимі спостереження антена увесь час спрямована на обрану мету, і спеціальні системи, що стежать, повертають її слідом за рухомою ціллю.

Використання американських планетних радіолокаторів для дослідження космічного сміття дозволило вимірити на низьких орбітах ІСЗ концентрацію і розподіл часток з розмірами від 2 мм. До цих досліджень експериментальні дані про міліметрове космічне сміття практично були відсутні.

Радіолокаційні дослідження навколоземних астероїдів дозволили різко збільшити надійність багаторічних (на інтервалі до 700 років) прогнозів їхнього руху, що найбільше актуально для так званих потенційно небезпечних астероїдів, яких на 15 вересня 1999 року відкрито 187 штук. Радіолокаторам удалося з Землі "розглянути" астероїди, вилучені на мільйони кілометрів, синтезувати їхні зображення і тривимірні моделі з дозволом, що дозволяє аналізувати геологічні особливості цих об'єктів. Так, при недавній радіолокації астероїда 1999 JG був досягнутий рекордний дозвіл, рівне 7,5 метрам по поверхні, що при дальності до нього більш 8 млн. км еквівалентно кутовому дозволу в 0,2 мілісекунди дуги (це приблизно в 500 разів вище дозволу кращого оптичного телескопа).

За допомогою радіолокації вперше експериментально доведений (1980 рік) наявність у комети компактного ядра. Природне космічне сміття, що оточує ядро комети і представляє собою рій сантиметрових часток, також уперше був виявлений і досліджений за допомогою радіолокації. Крім того, саме радіолокація дозволяє визначити точну траєкторію небезпечної комети, оскільки, на відміну від оптики, тут виміряються координати центра мас ядра, а не фотоцентра коми.

Можливості тієї чи іншої радіолокаційної системи визначаються в першу чергу її енергетичним потенціалом SF. Крім того, немаловажні також місце розташування (широта) РЛС і кути огляду передавальної і приймальні антен. Якщо широти високі, то ряд об'єктів виявляється недоступний. Наприклад, у вересні 2004 року астероїд 4179 Таутатіс пройде від Землі на відстані всього 0,0104 АЕ, однак через велике негативне відмінювання в період максимального зближення (-60°), він не буде видний з Євпаторії (широта + 45°), а тим більше з Калязіна і Ведмежих Озер (широта + 54°). Аналогічно і для кутів огляду - нерухома антена в Аресібо може супроводжувати мету в межах ± 20 градусів щодо зеніту, що відповідає щоденної тривалості радіолокації визначеного об'єкта менш 2,4 години.

Найбільшими можливостями тут володіє радар у Голдстоуні, що через більш короткий, чим у локаторів в Аресібо і Євпаторії, довжини хвилі, забезпечує виявлення більш дрібних часток. Для локатора ОКБ МЕІ при розрахунках використана прийомна антена діаметром порядку 25 м, що повинна знаходиться недалеко від передавальної, оскільки при великому рознесенні (база Мео - Калязін дорівнює 150 км) засвічуваний обсяг, а отже і частота реєстрації часток, занадто малі.

Пропонований комплексний підхід до досліджень світу ближнього космосу "у цілому", що радіолокаційні методи дозволяють реалізувати за допомогою могутніх наземних систем, виправданий і в методичному, і в економічному аспектах. Підготовка і проведення радіолокаційних експериментів вимагають досить значних часу і засобів. У той же час, коло вітчизняних вчених і фахівців, приваблюваних для радіолокації навколоземних астероїдів, практично мало відрізняється від того колективу, що міг би знадобитися для організації аналогічних експериментів по радіолокації космічного сміття. Тому раціонально в майбутньому планувати комплексні радіолокаційні дослідження ближнього космосу, орієнтуючись при цьому на створення найбільш чуттєвої, російсько-української системи, що складає з 70 м антени і передавача 6-см діапазону із середньою потужністю 150 квт у Євпаторії і двох 64 м антен ОКБ МЕІ, що буде потрібно дооснастить двухканальними мало шумливими приймальними системами, що необхідно для радіолокаційної поляриметрії. Конструкція Євпаторійської антени дозволяє встановлювати на ній могутні передавачі з водяним охолодженням, тому згодом можлива модернізація з метою значного збільшення радіолокаційного потенціалу за рахунок переходу на хвилю 3,5 см (чи 4,2 см) і установки в Євпаторії передавача потужністю до 0,5 мегават.

У 1995 році під єдиним науковим і організаційним керівництвом був успішно виконаний перший міжнародний експеримент по міжконтинентальній радіолокації небесного тіла - навколоземного астероїда 6489 Голевка. В експерименті брали участь вчені і фахівці п'яти країн трьох континентів - США, Росії, України, Японії і Німеччині, і були задіяні шість найбільш великих параболічних антен. Тому, на нашу думку, що спирається на придбаний досвід, труднощів російсько-української взаємодії при радіолокаційних дослідженнях космосу носять найчастіше надуманий вузьковідомчий характер і можуть бути переборені при наявності погодженої програми досліджень і цільового адресного фінансування.

У якості найбільш ефективних можна було б привести наступні напрямки радіолокаційних досліджень ближнього космосу [13]:

1) Космічне сміття. Як уже було сказано вище, розрізняють дві основні області підвищеної концентрації космічного сміття (КС) - низькі, з висотою до 1000 км, орбіти і геостаціонарне кільце. Доцільність повторення "beam-park" експериментів, запропонованих і вперше здійснених Р. Голдстейном у США , полягає в тім, що всі попередні виміри потоку, розподіли й еволюції низкоорбітального КС виконані тільки в західній півкулі і украй важливо зрозуміти, наскільки обгрунтовані припущення про його просторову однорідність.

Виміру в області геостаціонарного кільця практично відсутні, тому тут необхідні планомірні дослідження. Ми могли б зайняти в цьому напрямку лідируюче положення, оскільки на американських локаторах такі дослідження поки не плануються через їхній дуже щільне завантаження іншими космічними і радіоастрономічними дослідженнями, а в інших країнах такі могутні інструменти, як Євпаторійський локатор, відсутні.

2) Навколоземні астероїди і комети. Перші радіолокаційні дослідження ОЗО були початі в США в 1968 році і до дійсного часу (середина 1999 року) усього досліджене 56 навколоземних астероїдів і 6 комет. У числі цих досліджень і проведені нами в 1992 році перша поза США радіолокація навколоземного астероїда 4179 Таутатис і в 1995 році перша міжконтинентальна радіолокація навколоземного астероїда 6489 Голевка. Крім США і Росії поки немає країн, здатних здійснювати самостійні радіолокаційні дослідження навколоземних астероїдів і комет.

У випадку ОЗО найбільшу цінність могли б представляти виміри допплерівських зміщень і запізнювання ехосигналів, що дозволяє радикально уточнити орбіти цих об'єктів і оперативно оцінити ступінь астероїдної небезпеки. Як уже відзначалося, на основі Євпаторійськой антени діаметром 70 м і встановленого там могутнього передавача 6-см діапазону і з залученням інших найбільших параболічних антен Європи й Азії (у першу чергу це дві 64 м антени ОКБ МЕІ, 70 м антена і передавач в Уссурійську, 32 м антена ІПА РАНЕЙ) можна було б регулярно, з частотою 2-3 нових навколоземних об'єктів у рік, проводити радіолокаційні дослідження їх динаміки, фізичних і геолого-мінералогічних властивостей.

Література

1. Зайцев А. Л., А. Г. Сокольский, О. Н. Ржига, А. С. Вишлов, А. П. Кривцов. Радіолокаційні дослідження астероїда // Радіотехніка й електроніка, 38, № 10, 1993.

2. Зайцев А. Л. Радіолокаційні дослідження комет. Радіотехніка й електроніка, 43, № 9, 1076-1080, 1998.

3. Зайцев А. Л. Програма радіолокаційних досліджень навколоземного космічного простору. У сб. "Проблеми сучасної радіоастрономії", Санкт-Петербург, ИПА РАНЕЙ, тім 2, стор. 184-185, 1997.

4. Основи радіолокації і телебачення. А.А.Німець, В.И.Федотов, Москва, Вища школа, 1984р.

5. Победоносцев К. А. Пропозиції ОКБ МЕИ по створенню радіолокатора для моніторингу навколоземного космічного сміття. Факс з ОКБ МЕИ, отриманий у ИРЕ РАНЕЙ 22.09.1999.

6. Ржига О. Н. і Зайцев А. Л. Можливості радіолокаційного комплексу Центра далекого космічного зв'язку під Євпаторією по дослідженню забруднення навколоземного простору. У сб. "Навколоземна астрономія", ИНАСАН, Москва, 116-127, 1998.

7. Радіолокація без формул. М.К.Размахнин, Москва, Радянське радіо,1971р.

Размещено на Allbest.ru