"Техника-молодежи" №10-1962
Сканировал Яков Разливинский
радиолуч
космического корабля ищет землю
Космические расстояния в тысячи раз длиннее земных. Если не принимать специальных мер, то для связи с космическим кораблем потребуется передатчик в миллионы раз мощнее земного. К счастью, помимо постройки сверхмощных передатчиков, есть и другие пути увеличения дальности связи. Это увеличение площади наземных антенн, чувствительности приемников (рис. 1 и 2), а также применение на космическом корабле остронаправленной антенны, не расходующей зря энергию по всем направлениям, а концентрирующей ее в узкий луч, направленный на Землю.
Мы рассмотрим здесь только последний из перечисленных способов.
Создать остронаправленную антенну просто. И направить ее на Землю экипажу корабля не так уж трудно. Но ведь и сейчас и в будущем многие межпланетные корабли будут автоматическими, без экипажа. Сумеют ли автоматы опознать Землю, которая с орбиты Сатурна, например, выглядит слабой звездочкой, и ее легко спутать с другими светилами? Оказывается, у Земли есть много отличительный признаков, за которые может “зацепиться” автомат, наводящий антенну.
ЗЕМЛЯ — СВЕТОВОЙ МАЯК
Если на Землю посмотреть с расстояния порядка миллиона километров, то она представится ослепительно сверкающим шаром или серпом. Отражаемый Землей солнечный свет можно использовать для ориентации как свет маяка.
Представьте себе, что на оси антенны укреплены два тубуса с фотоэлементами так, что если антенна точно направлена на Землю, то освещенность обоих фотоэлементов одинакова (рис. 3). Стоит антенне чуть-чуть отклониться от Земли, как фототок в одном из фотоэлементов увеличится, а в другом уменьшится, и на выходе схемы вычитания появится разностный ток, который после усиления приведет в действие мотор. Он-то и вернет всю систему к первоначальному равновесию. Во второй плоскости антенна наводится другой парой фотоэлементов. Заметим кстати, что подобным методом земные телескопы обычно автоматически сопровождают звезду.
Этот способ пригоден для таких расстояний, с которых Земля представляется самый ярким (после Солнца) объектом, то есть для расстояний порядка 10 млн. км. Дальше Земля уже будет мало отличаться по яркости от Венеры, Марса, Юпитера, звезд, и система может “запутаться”.
ЗЕМЛЯ-РАДИОМАЯК
Радиоизлучение Земли — и собственное и отраженное солнечное — сравнительно слабо. Кроме того, по своему характеру оно почти не отличается от радиоизлучения космического фона (звезд, туманностей), на котором находятся Земля. Иными словами, радиоконтраст Земли мал. Поэтому естественное радиоизлучение Земли малопригодно для ориентировки космического корабля.
Но Земля отличается от других планет тем, что на ней есть радисты. Иными словами, в отличие от других небесных тел Земля может излучать искусственный радиосигнал с той целью, чтобы по нему наводились антенны космических кораблей. Мощность такого сигнала может быть намного меньше, чем полная мощность радиоизлучения Земли, так как излучение Земли “размазано” по всему радиодиапазону, а искусственный сигнал можно сосредоточить на одной какой-либо волне так, что он превзойдет имеющееся на этой волне собственное излучение Земли. Кроме того, искусственный радиосигнал Земли можно сконцентрировать в узкий луч, направленный на корабль, в то время как собственное излучение Земли рассеивается по всем направлениям.
Ориентировать антенну из космоса по радиосигналу можно тем же методом, что и по световому сигналу. Только, конечно, четыре фотоэлемента надо заменить четырьмя антеннами и приемниками, настроенными на волну радиомаяка. Этим методом можно наводить антенну на Землю практически с любого расстояния — ведь на Земле сравнительно просто обеспечить и большую мощность передатчика и более точную направленность антенны.
Человек может, конечно, создать на Земле и другие искусственные сигналы: световые, инфракрасные, рентгеновские. Первые обнадеживающие результаты применения световых квантовомеханических генераторов говорят о том, что у радиомаяка есть серьезные конкуренты.
Световые и радиомаяки давно и широко применяются в земных целях. Поэтому нет ничего удивительного, что они нашли применение и в космосе. Но ведь космос — новая, необычная для человека среда. Нельзя ли для наведения антенн из космоса на Землю использовать какие-либо методы, вытекающие из своеобразия космоса?
ГАНТЕЛЬ В КОСМОСЕ
Представим себе, что на экваториальную орбиту вокруг Земли выведен спутник, по своей форме напоминающий спортивную гантель. Пусть каким-то способом эту гантель удалось ориентировать так, что стержень, соединяющий обе ее шарообразные части, направлен к центру Земли. Гантель будет поворачиваться так, чтобы стержень ее был всегда направлен к центру Земли. В самом деле, центр тяжести спутника должен двигаться по такой орбите, на которой сила тяготения Земли в точности уравновешивается центробежной силой. На ближнюю к Земле часть гантели будет действовать большая сила тяжести и меньшая центробежная, на дальнюю — меньшая сила тяжести и большая центробежная. Значит, на концах гантели сила тяжести и центробежная компенсируют друг друга не полностью. Нескомпенсированные остатки сил будут растягивать гантель.
Между прочим, именно по этой причине Луна повернута к Земле всегда одной стороной: она не совсем шарообразна и этим чуть-чуть напоминает гантель. Этого “чуть-чуть” вполне достаточно, чтобы Земля заставила Луну “вытянуться” своей большой осью по направлению действия земной силы тяжести.
Совершенно очевидно, что на нашем спутнике-гантели можно установить антенну, луч которой всегда будет точно направлен на Землю.
А что будет, если стержень гантели при запуске не удалось точно направить на Землю? В этом случае на гантель действуют силы, стремящиеся повернуть ее в нужное положение. Но, дойдя до нужного положения, гантель с разгона отклонится в противоположную сторону и будет качаться, как маятник. Эти колебания практически будут длиться бесконечно долго: в космосе нет сил трения, из-за которых колебания могут затухнуть.
Как же в таком случае остановить нашу гантель? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что Луну, возможно, остановило внутреннее трение от приливов, вызванных в веществе Луны Землей. Но можно ли создать подобное трение в гантели? Оказывается, можно. Для этого надо снабдить гантель сосудом с вязкой жидкостью, в котором двигается поршень, связанный с самой гантелью. Энергия колебаний гантели израсходуется на трение и нагрев жидкости, и колебания прекратятся.
Есть и другое решение. Можно затормозить гантель, используя взаимодействие магнитного поля Земли с токами в специальной аппаратуре спутника подобно тому, как якорь электрической машины можно затормозить магнитным полем статора.
Силы, ориентирующие гантель, невелики. Чтобы они были больше, нужно увеличить массу обеих половин гантели и длину соединяющего их стержня. Уже при массе гантели порядка нескольких тонн и длине стержня около 100 м гантель будет достаточно устойчива и не будет заметно отклоняться от ударов мелких метеоритных частиц. Стержень может быть очень тонким, так как растягивающие его силы измеряются граммами.
Описанный способ можно применять только в спутнике Земли — ведь отличительным признаком Земли, используемым в этом способе ориентации, является ее “начальственное” положение по отношению к гантели. Для искусственного спутника Луны непосредственным “начальством” была бы Луна, и антенна ориентировалась бы на Луну. По этой же причине антенна искусственной планеты ориентировалась бы не на Землю, а на Солнце.
“ВАНЬКА-ВСТАНЬКА” НА ЛУНЕ
Для наведения антенны с Луны на Землю можно использовать свет Земли. Чтобы Солнце не отвлекло фотоэлементы и антенну на себя, нужно применить такую тактику: высадить станцию в период новолуния на ночную половину Луны. Тогда в небе Луны Солнца не будет, и Земля будет самым крупным источником света, тем более, что она в новолуние имеет фазу “полноземелия”. Фотоэлектрический “глаз” наводит антенну на Землю; затем это положение фиксируется намертво, и фотоэлементы отключаются навсегда. Через некоторое время на Луне восходит Солнце, но оно уже не может отвлечь систему на себя. Антенна оказывается навсегда наведенной на Землю: ведь поскольку Луна всегда обращена к Земле одной стороной, Земля в небе Луны оказывается всегда в одном месте.
Довольно просто навести антенну и по радиосигналам Земли, прибегая к той же тактике, чтобы устранить отвлекающее влияние радиоизлучения Солнца.
Но есть еще одно и, пожалуй, самое простое решение. Оно основано на том, что с какой-либо определенной точки Луны Земля видна всегда в одном и том же направлении. В частности, если высадиться в центре видимой части Луны, то мы увидим Землю точно в зените лунного неба. Но ведь в зенит навести антенну можно очень просто: достаточно снабдить ее противовесом! Ни фотоэлементов, ни моторов, ни источников питания к ним — просто и надежно! Конструктивно лунная автоматическая станция должна напоминать собой популярную игрушку “Ванька-встанька”, “головой” которой является антенна. На рис. 5 показана прилунившаяся станция в виде шара, нижняя половина которого наполнена тяжелыми блоками — передатчиком, телекамерами и др., а верхняя, полегче, — содержит антенну. Такой шар сам установится антенной в зенит, на Землю.
К сожалению, в небе Луны Земля не абсолютно неподвижна. Она совершает довольно замысловатое кажущееся движение в пределах круга диаметром в 16°. Значит, ширина радиолуча должна быть не меньше 16°. Кроме того, если станция “прилунится” не в центре видимого диска Луны, то Земля будет не точно в зените. Следовательно, нужно предусмотреть в ширине радиолуча запас на неточность высадки. Расширив радиолуч до 25°, мы даем станции право ошибиться при высадке на 100 км в любую сторону от центра. Но даже при этом получается выигрыш в энергии по сравнению с ненаправленной антенной в 75 раз.
То, что станция должна высаживаться вблизи центра, несколько ограничивает область применения “Ваньки-встаньки”. Но центр диска является самой привлекательной точкой высадки хотя бы потому, что если даже станция сядет в глубокое ущелье, то лунные горы не закроют Землю, ибо она находится в зените. А ведь если станция прилунится где-либо вдали от центра, то Земля очутится невысоко над горизонтом и может оказаться заэкранированной горами, а тогда не поможет никакая система наведения.
Ясно, что в любом случае надо высаживать станцию поближе к центру диска.
РАДИОПЕРЕДАЧА С МАРСА
Навести антенну с Марса на Землю очень трудно. Во-первых, с Марса Земля видна всего лишь как яркая звезда. Во-вторых, в отличие от Луны Марс не обращен к Земле одной стороной — он вращается вокруг своей оси независимо от Земли. Поэтому Земля в небе Марса восходит и заходит, как и все прочие светила.
В таких условиях антенну с Марса непосредственно на Землю можно нацелить только с помощью мощных радиосигналов Земли.
Однако есть косвенный способ наведения. Раз в два года с небольшим, во время так называемого противостояния, Земля оказывается в непосредственной близости от прямой Марс — Солнце (положение 1 — 1 на рисунке 4). На небе Марса Земля в это время находится рядом с Солнцем, восходит и заходит вместе с ним. Если антенна с помощью фотоэлектрической системы будет наведена на Солнце, то она попутно окажется направленной и на Землю. Антенна сопровождает Солнце и Землю в их суточном движении по небу Марса, провожая их до заката. Затем необходимо отклонить антенну на восток, где она должна ждать нового восхода Солнца.
При таком косвенном наведении Земля в конце концов выйдет из радиолуча, направленного на Солнце (положение 2 — 2 на рисунке 4). Но если ширина луча составляет 30°, то он сможет попадать на Землю примерно в течение 40 суток. Этого может оказаться вполне достаточно, чтобы автоматическая станция, высадившаяся на Марс, выполнила свои задачи.
Подобный способ можно применить почти на любом небесном теле, расположенном от Солнца дальше, чем Земля: на Марсе, Юпитере, Сатурне и их спутниках, на многих астероидах и искусственных планетах.
СОЛНЕЧНЫЙ ФЛЮГЕР
Представим себе искусственную планету где-нибудь в районе орбиты Сатурна, снабженную солнечным “флюгером” — легким конусом из тончайшей фольги или бумаги, натянутой на каркас (рис. 6). Подобно общеизвестному метеорологическому флюгеру, ориентирующемуся острием навстречу ветру, солнечный флюгер под действием давления световых лучей без каких-либо источников питания будет ориентироваться на Солнце.
С орбиты Сатурна Земля всегда видна рядом с Солнцем (как Меркурий — с орбиты Земли). Она удаляется от Солнца самое большее на 6°. Значит, если ширина радиолуча равна 12° и он направлен на Солнце, этот луч попадет и на Землю.
Несмотря на то, что на орбите Сатурна давление солнечных лучей составляет всего лишь около 0,001 миллиграмма на квадратный метр, флюгер площадью в 100 м2 и с длиной плеча в 20 м способен менее чем за сутки развернуть антенной к Солнцу компактную станцию весом в одну тонну.
Мы рассмотрели несколько способов наведения антенны из космоса на Землю. Нет нужды говорить, что все эти способы пригодны и для наведения фото-, кино- и телекамер, а также для ряда систем космической аппаратуры.