Лазерный дальномерный ретрорефлектор
 Эксперимент с ретрорефлектором лазерной локации Аполлона-11 на Луне | |
| Продолжительность миссии | Аполлон-11: 55 лет, 29 дней Аполлон-14: 53 года, 6 месяцев, 19 дней Аполлон-15: 53 года, 19 дней (в ходе выполнения) |
|---|---|
| Свойства космического корабля | |
| Производитель | Артур Д. Литтл, Inc. ПеркинЭлмер |
Ретрорефлектор лазерной локации ( LRRR ) – это первый в истории эксперимент по лазерной локации на Луне . Он проводился на Аполлоне-11 в рамках пакета ранних научных экспериментов Аполлона, а также на Аполлоне-14 и Аполлоне-15 в рамках пакета экспериментов на лунной поверхности Аполлона (ALSEP). LRRR состоит из серии угловых отражателей, установленных внутри панели. Лазерные лучи, посланные с Земли, отражаются от ретрорефлектора , и время отраженного сигнала можно использовать для измерения расстояния от источника сигнала до отражателя. Рефлектор был задуман Джеймсом Э. Фаллером эксперимента в 1961 году. Главным исследователем первоначально был Кэрролл Элли из Университета Мэриленда, которого в конечном итоге сменил Фаллер.
Фон
[ редактировать ]Мотивацией к созданию ретрорефлектора послужило желание получить более широкую экспериментальную основу для общей теории относительности и, в частности, проблем, возникших с Брана-Дикке . теорией гравитации [ 1 ] Исследовательская группа Принстонского университета изучала возможность проверки гравитационной постоянной с помощью угловых отражателей, установленных на искусственных спутниках. В то время лазеры еще не были разработаны, и этот подход потребовал бы использования ламп-вспышек . [ 2 ] С разработкой первого работающего лазера в 1960 году в Bell Labs этот эксперимент больше не ограничивался проведением на искусственных спутниках , но можно было также использовать Луну , естественный спутник Земли. [ 3 ]
Идея использования углового отражателя на Луне пришла в 1961 году от Джеймса Э. Фаллера , который в то время был аспирантом. НАСА Его идея, задуманная с учетом программы посадки Surveyor , состояла в том, чтобы угловой отражатель был установлен внутри резинового шара, который можно было сбрасывать с роботизированного спускаемого аппарата ; при приземлении шар в сборе выровняется и направит отражатель вверх. Фаллер задокументировал эти идеи в заметке под названием «Предлагаемый лунный пакет (угловой отражатель на Луне)», но, поскольку ему нужно было завершить свою диссертацию, дальнейшее развитие концепции не произошло сразу. [ 3 ]
В 1962 году были попытки точного определения местоположения Луны с использованием лазеров без ретрорефлекторов, в первую очередь попытка 1962 года Луи Смуллина и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института . Поверхность Луны может рассеивать лазерный луч и производить достаточно сильный сигнал, чтобы его можно было обнаружить на Земле, в результате чего измерения дальности были с точностью до 120 метров (390 футов). Помимо этого, влияние рельефа стало проблематичным, и в сочетании с силой возвращаемого сигнала, который был одновременно слабым и рассредоточенным во времени, рассеяния от поверхности было недостаточно для целей точного определения дальности. [ 4 ]
После собрания сотрудников и выпускников Принстона на собрании Физического общества в 1964 году было решено, что НАСА следует предложить эксперимент, основанный на этой концепции. Планы эксперимента были изложены в статье, опубликованной в 1965 году, а предложение в НАСА было представлено позже в том же году. [ 5 ] Его возглавил Кэрролл Элли , профессор Университета Мэриленда, чья близость к штаб-квартире НАСА сделала его подходящим для роли главного исследователя эксперимента. В то же время был сформирован консультативный комитет Лунного эксперимента по определению дальности (LURE), в число известных членов которого входили Роберт Х. Дике , Джеймс Э. Фаллер, Дэвид Тодд Уилкинсон , Уильям М. Каула и Гордон Дж. Ф. Макдональд . [ 6 ]
Инструмент
[ редактировать ]
Эксперимент должен был быть построен так, чтобы выжить в сложных условиях окружающей среды на поверхности Луны. Сюда входят большие колебания температуры, космическое и солнечное излучение , а также лунная пыль , поднятая как при прибытии, так и при отлете лунного модуля Аполлона . [ 4 ] Фаллер определил, что массив кубов ретрорефлектора малого диаметра будет работать лучше в термических условиях, чем один или несколько кубов большего размера той же массы. Эти тепловые характеристики были важны, поскольку плавленый кварц, вероятный материал для отражателей, оптически искажается под воздействием тепла солнечной энергии. [ 3 ] Было сильное желание, чтобы эксперимент мог проводиться в течение лунного дня, чтобы избежать потери возможностей сбора данных в течение светлой половины каждого лунного месяца . [ 5 ]
Приборы «Аполлон-11» и «Аполлон-14» состояли из 100 угловых отражателей из твердого плавленого кварца, установленных на квадратной панели размером 45 см (18 дюймов). [ 6 ] Угловые отражатели были произведены компаниями PerkinElmer и Boxton-Beel Inc. Проектирование и изготовление комплекта антенны было выполнено компанией Arthur D. Little Inc. [ 6 ] Каждый отражатель имеет диаметр 3,8 см (1,5 дюйма), расположен на 1,9 см (0,75 дюйма) ниже верхней поверхности панели и установлен между тефлоновыми кольцами для большей тепловой защиты. [ 5 ] Панель можно было установить под небольшим наклоном, чтобы обеспечить более оптимизированную площадь поперечного сечения. [ 5 ] Рефлектор позволяет вернуть в 10–100 раз более мощный сигнал по сравнению с отражением от лунной поверхности. [ 5 ] Ожидаемая продолжительность эксперимента превышала 10 лет. [ 6 ]
Миссии
[ редактировать ]Аполлон-11
[ редактировать ]LRRR «Аполлона-11» был развернут на поверхности Луны астронавтом «Аполлона-11» Баззом Олдрином 21 июля 1969 года. Пакет был развернут примерно в 60 футах (18 м) от лунного модуля «Орел» . [ 5 ] Первоначально Олдрин приблизительно выровнял поверхность массива так, чтобы она была обращена к Земле, а более точное выравнивание обеспечивалось солнечными часами. [ 1 ] Развертывание инструмента заняло около 5 минут. [ 1 ]
Обнаружением обратных сигналов с лунной поверхности занимались команды из Калифорнийского университета, Уэслианского университета и Центра космических полетов Годдарда в Ликской обсерватории ; и из Техасского университета, Университета Мэри и Годдарда в обсерватории Макдональда . 3-метровый (9,8 футов) телескоп Ликской обсерватории использовался для начального периода обнаружения сигнала сразу после приземления Аполлона-11. 2,7-метровый (8 футов 10 дюймов) телескоп Макдональдской обсерватории использовался в рамках долгосрочных наблюдений. программа на несколько лет. [ 5 ]
На каждом объекте использовался собственный с модуляцией добротности рубиновый лазер для создания лазерных импульсов длительностью в десятки наносекунд и с энергией примерно 7 джоулей на импульс. Каждый телескоп использовался для уменьшения расходимости лазерного луча всего до 2 угловых секунд. [ 5 ] В результате лазерные импульсы достигли Луны диаметром 1 милю (1,6 км), а не диаметром 300 миль (480 км). [ 6 ] Диаметр возвращенного сигнала после полного путешествия от Земли до Луны составлял 10 миль (16 км) в ширину, в результате чего можно было обнаружить только 1,6 фотоэлектрона . на один лазерный выстрел телескопа [ 6 ]
Чтобы избежать рисков для операторов телескопа, была использована электронная система наблюдения, снижающая риски, связанные с обратным рассеянным лазерным светом для человеческого глаза. [ 1 ] Это принесло дополнительные преимущества, такие как увеличение воспринимаемого контраста, что позволяет идентифицировать особенности в дневное время на Земле. [ 1 ] Опасения по поводу возможных сбоев в работе самолетов, прибывающих в близлежащие района залива Сан-Франциско, аэропорты привели к тому, что Федеральное управление гражданской авиации перенаправило самолеты. [ 1 ]
Как только инструмент был развернут, были предприняты попытки обнаружить отраженные сигналы, но безуспешно из-за ограниченного времени наблюдения и неопределенности в определении точного местоположения экспериментального пакета. [ 5 ] Сильные обратные сигналы не будут обнаружены до 1 августа командой Ликской обсерватории, которая осуществит измерение с точностью примерно 7 метров (23 фута) во время первого наблюдения. [ 5 ] Это обнаружение помогло другим обсерваториям, уменьшив неопределенность местоположения инструмента. [ 6 ] В конечном итоге панель обеспечила точность измерений примерно 15 см (5,9 дюйма). [ 1 ] Ученые, работающие на телескопе Лика, были озадачены постоянным отклонением измеренного времени сигнала от предсказанного. [ 1 ] Объяснение заключалось в том, что зарегистрированное местоположение телескопа Лика на Земле было неверным примерно на 25 метров (82 фута). [ 1 ] Дополнительные обнаружения были сделаны обсерваторией Макдональда, обсерваторией Пик-дю-Миди , обсерваторией лунной дальности Кембриджских исследовательских лабораторий ВВС и Токийской астрономической обсерваторией. [ 7 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Фаллер, Джеймс Э.; Вамплер, Э. Джозеф (1970). «Лунный лазерный отражатель» . Научный американец . 222 (3): 38–49. Бибкод : 1970SciAm.222c..38F . doi : 10.1038/scientificamerican0370-38 . ISSN 0036-8733 . JSTOR 24925752 . Архивировано из оригинала 10 июля 2023 года . Проверено 10 июля 2023 г.
- ^ Хоффманн, ВФ; Кротков Р.; Дике, Р.Х. (1960). «Прецизионное оптическое слежение за искусственными спутниками Земли» . Сделки ИРЭ по военной электронике . МИЛ-4 (1): 28–37. doi : 10.1109/IRET-MIL.1960.5008190 . ISSN 0096-2511 . S2CID 51632472 . Архивировано из оригинала 23 июня 2018 года . Проверено 12 июля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Фаллер, Дж. Э. (октябрь 2014 г.). «Лунная лазерная локация» (PDF) . 19-й международный семинар по лазерной локации, Аннаполис, Мэриленд, 27-31 октября 2014 г. Архивировано (PDF) из оригинала 12 июня 2023 г. Проверено 12 июня 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Элли, Колорадо; Бендеры, Польша; Дике, Р.Х.; Фаллер, Дж. Э.; Франкен, Пенсильвания; Плоткин, Х.Х.; Уилкинсон, Д.Т. (1 мая 1965 г.). «Оптический радар с использованием углового отражателя на Луне» . Журнал геофизических исследований . 70 (9): 2267–2269. Бибкод : 1965JGR....70.2267A . дои : 10.1029/JZ070i009p02267 . Архивировано из оригинала 21 июля 2023 года . Проверено 8 июня 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Бендеры, Польша; Карри, генеральный директор; Дике, Р.Х.; Экхардт, Д.Х.; Фаллер, Дж. Э.; Каула, ВМ; Малхолланд, доктор юридических наук; Плоткин, Х.Х.; Пултни, СК; Сильверберг, ЕС; Уилкинсон, Д.Т.; Уильямс, Дж.Г.; Элли, Колорадо (1973). «Эксперимент по лунной лазерной локации» . Наука . 182 (4109): 229–238. Бибкод : 1973Sci...182..229B . дои : 10.1126/science.182.4109.229 . ISSN 0036-8075 . JSTOR 1737100 . ПМИД 17749298 . S2CID 32027563 . Архивировано из оригинала 13 июня 2023 года . Проверено 13 июня 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Фаллер, Джеймс; Винер, Ирвин; Каррион, Уолтер; Джонсон, Томас С.; Спадин, Пол; Робинсон, Ллойд; Уэмплер, Э. Джозеф; Вибер, Дональд (3 октября 1969 г.). «Лазерный луч, направленный на лунную решетку ретро-рефлекторов: наблюдения первых возвращений» . Наука . 166 (3901): 99–102. Бибкод : 1969Sci...166...99F . дои : 10.1126/science.166.3901.99 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17769756 . S2CID 29071972 . Архивировано из оригинала 24 апреля 2023 года . Проверено 10 июля 2023 г.
- ^ Шабе, Жюльен; Курд, Клеман; Торре, Жан-Мари; Букийон, Себастьен; Бургуэн, Адриан; Аймар, Мурад; Альбанезе, Доминика; Шовино, Бертран; Мари, Эрве; Мартино-Лагард, Грегуар; Морис, Николя; Пхунг, Дуй-Ха; Самейн, Этьен; Вио, Эрве (2020). «Последние достижения в области лунной лазерной локации на станции лазерной локации в Грассе» . Наука о Земле и космосе . 7 (3). Бибкод : 2020E&SS....700785C . дои : 10.1029/2019EA000785 . S2CID 212785296 .