С развитием космических полётов особое значение приобрёл вопрос, как передавать радиосигналы, несущие изображения, на большие расстояния, например, с Луны на Землю. Впервые необходимость передать телевизионную картинку с Луны возникла во время съёмки обратной стороны Луны в 1959 году. Это было осуществлено автоматической межпланетной станцией (АМС) "Луна-3".
Давайте вначале составим перечень факторов, от которых зависит дальность действия систем радиосвязи.
- На первом месте стоит излучаемая мощность радиопередатчика.
- затем - направленность антенн,
- на Земле - чувствительность приёмных устройств,
- потери при излучении и приёме.
Следует учесть, что бортовая аппаратура на космической станции должна иметь минимальный объём, небольшой вес и потреблять при этом небольшое количество электрической энергии.
Передающая антенна космической межпланетной станции излучает энергию равномерно во всех направлениях. На некотором расстоянии от точки излучения вся излучаемая в пространство энергия будет проходить через поверхность воображаемой сферы, имеющей радиус R. Приёмная антенна на Земле способна уловить энергию электромагнитных колебаний, пронизывающих лишь ограниченную площадь, обозначенную на рисунке буквой S.
Чтобы определить, какая часть энергии была принята на Земле, нужно сравнить площадь приёмной антенны на Земле и площадь сферы, описанной радиусом, равным расстоянию между точками приёма и передачи. Площадь сферы определяется по известной формуле:
Среднее расстояние до лунной орбиты - 384 000 км, но максимальное удаление радиопередатчика автоматической межпланетной станции от Земли составило 470 000 км (470 миллионов метров), с этого расстояния и производилась передача.
Поэтому площадь сферы будет равна: 4 х 3,14 х (470 х 10^6)^2 =
= 2,77 х 10^18 кв.м.
Площадь приёмной антенны - 120 кв.м..
Отношение мощности, принятой на Земле к общей излучённой мощности будет равно соотношению: 120/ 2,77 х 10^18, что составляет 4,4 х 10^-17.
Полученный результат говорит о том, что при наибольшем удалении от Земли каждый ватт мощности, излучаемой передатчиком межпланетной станции, соответствует на земной поверхности потоку энергии примерно в 0,000000000000000044 Вт. В произведенном подсчёте не учтены потери энергии на поглощение в ионизированных слоях атмосферы. Таким образом действительная доля принимаемой энергии будет даже меньше расчётной. Очевидно, что уверенный приём таких слабых сигналов осуществлять очень трудно.
Что же можно предпринять для увеличения энергии принимаемых радиосигналов? Для этой цели можно было бы использовать антенны направленного действия, чтобы облучать только ту площадь Земли, где установлена приёмная антенна.
Однако добиться направленного действия антенны трудно из-за вращения станции вокруг своей оси. Для того, чтобы связь со станцией не прекращалась при её вращении, антенны станции излучают радиосигналы равномерно во всех направлениях.
Другой вариант - использование больших по площади приёмных антенн. Казалось бы, что для усиления очень слабых сигналов нужно просто увеличить число усилительных каскадов. Действительно, каким бы малым ни был входной сигнал, его можно усилить. в любое число раз, но вместе с полезным сигналом усиливаются и паразитные сигналы, шумы.
Мешают радиоприёму всевозможные промышленные и приборы, порождающие электромагнитные колебания: медицинское оборудование, электротранспорт, электросварочное оборудование. Непрерывно создаются радиопомехи атмосферными электрическими разрядами. Им трудно преградить путь в радиоприёмник.
Кроме того, источником помех является само радиоприёмное устройство. Появление помех объясняется так называемыми электрическими флуктациями в различных деталях и узлах (сопротивлениях, конденсаторах, катушках, радиолампах). Флуктации приводят к тому, что в контурах приёмника из-за беспорядочного движения свободных электронов непрерывно возникают меняющиеся электрические напряжения, даже тогда, когда на входе приёмника нет никаких сигналов.
Хотя общее напряжение шумов незначительно по величине, оно оказывается соизмеримым с уровнем сигнала автоматической межпланетной станции. Принимая различные меры, можно уменьшить уровень помех, вызываемых внешними причинами. Для получения картинки с космического корабля были предприняты беспрецедентные меры, чтобы сигнал на Земле принимался без помех.
— Видишь катер? — спросил Богуславский. — Это я потребовал. Военный катер Черноморского флота патрулирует залив. На нем стоит аппаратура поиска источников помех. Кроме того, на время сеансов связи, по нашему предупреждению, Черноморский флот «затихает» — радиопереговоры, по возможности, прекращаются. А внизу ГАИ не пускает автомашины на горную дорогу. Помехи сведены к минимуму. Честно говоря, мощность передатчиков маловата. (Б.Черток. "Ракеты и люди")
Шумы же, возникающие в передающем и приёмном устройствах, неизбежны. Их удаётся ослабить, но совсем устранить невозможно, так как невозможно остановить тепловое движение молекул.
Полосу частот, необходимую для передачи изображения, можно определить, подставляя изображение в виде конечного числа единичных (дискретных) элементов. Связь числа элементов изображения с полосой частот выражается формулой:
Разберём пример. Изображение Луны, которое нужно передать, разлагается на 1 000 строк по 1 000 элементов, всего получается 1 миллион. Если каждое изображение передавать 25 раз в секунду, как это делается в телевидении, то общее число электрических сигналов, посылаемых в секунду по телевизионному каналу, составит 25 миллионов, а полоса частоты, на пропускание которой этот канал должен быть рассчитан, оказывается (см.формулу выше) равно примерно 12,5 МГц.
Для получения хорошего качества телевизионного изображения необходимо, чтобы мощность радиопередатчика была примерно в 10 тысяч раз выше имеющейся. Но невозможно на АМС соорудить передатчик в несколько килоВатт. Какой же выход можно найти из создавшегося положения?
Известно, что при одинаковом числе элементов разложения и одинаковой мощности передатчика ширина полосы частот, необходимая для передачи сообщения, может быть уменьшена за счёт увеличения времени передачи. При этом дальность передачи повышается пропорционально квадратному корню увеличения времени передачи.
Для передачи на Землю изображения высокой чёткости советские специалисты уменьшили скорость передачи сигналов изображения Луны в десятки тысяч раз. Если скорость передачи понижена в 45 000 раз по сравнению с используемой в телевизионном вещании, то время передачи одного кадра вместо 1/25 сек составит
Только на то, чтобы прочертить одну строчку, понадобится несколько секунд.
"Луна-3" сделала большое количество фотографий обратной стороны Луны, для их передачи требовалось много времени. Для ускорения процесса передачи информации были использованы два режима передачи сигналов. Когда станция была далеко от Земли и мощность поступающих от неё сигналов была очень малой, передача осуществлялась очень медленно. Примерно через 10 дней движения по эллиптической орбите станция приближалась к Земле, и мощность поступающих поступающих в приёмные антенны сигналов со станции увеличивалась, что позволило увеличить скорость передачи.
Важно подчеркнуть, что работы по созданию телевизионных систем с пониженной скоростью передачи начали проводиться впервые в Советском Союзе. Эти работы были начаты в 30-х гг. ХХ века группой московских специалистов, руководимой профессором С.И.Катаевым.
24 сентября 1931 г. он подал заявку (по которой позже получено авторское свидетельство № 29865) на изобретение передающей телевизионной трубки с мозаичным фотокатодом и накоплением заряда, позже названной «иконоскопом» – за полтора месяца до заявки В. К. Зворыкина, называемого «отцом» современного телевидения.
Поскольку "Луна-3" отсняла примерно 70% обратной стороны Луны, были предприняты попытки доснять оставшиеся 30% площади Луны в последующих "экспедициях". Это было осуществлено в 1965 году межпланетной станцией "Зонд-3".
Повторная телевизионная съемка обратной стороны Луны при полете АМС «Зонд-3" осуществлялась принципиально такой же фототелевизионной системой. Условия фотографирования станцией «Зонд-З» (июль 1965 г.) были лучшими из-за меньшего расстояния съемки и наличия «бокового» освещения поверхности Луны солнечным светом. Это позволило получить телевизионные снимки более высокого качества.
Таким образом СССР удалось раньше американцев отснять всю обратную сторону Луны (1959, 1965 гг.). На передачу одного снимка в высоком разрешении уходило 20-30 минут.
В США тоже предпринимались попытки запустить свою станцию для фотографирования обратной стороны Луны, но вначале их ждали провалы, и только в 1966-67 гг. им удалось с помощью нескольких станций Lunar Orbiter сделать это полноценно.
Помимо обратной стороны Луны американцы стремились получить снимки Луны с близкого расстояния. Аппараты серии "Рейнджер" (1961-1965 гг.) должны были передавать изображение Луны по мере приближения к ней, до момента жёсткой посадки. Аппараты разбивались при столкновения с поверхностью Луны. Первую "мягкую" посадку на Луну совершила "Луна-9" в феврале 1966 года.
Однако и здесь удача улыбнулась американским конструкторам не сразу. Вот история запусков космических аппаратов "Рейнджер" (скрин-шот из Википедии).
"Рейнджер-1" и "Рейнджер-2", запущенные в 1961 году, не смогли достичь расчётной орбиты и аварийно упали на Землю. "Рейнджер-3" и "Рейнджер-5" пролетели вообще мимо Луны. А вот "Рейнджер-4" упал на её обратную сторону, откуда принимать сигнал было невозможно. Через два с половиной года после запуска первого "Рейнджера" аппарат "Рейнджер-6" (январь 1964 г.) достиг Луны в северо-западной части Моря Спокойствия, но его телекамеры не включились.
Только через три года неудачных запусков, в июле 1964 года "Рейнджер-7" наконец заснял поверхность Луны, врезавшись в область между морем Облаков и океаном Бурь. Масса аппарата 366 кг. Запущен с мыса Кеннеди ракетой-носителем «Атлас-Аджена». Телевизионные камеры были включены за несколько минут до падения. Относительно переданных снимков американцы сообщают просто невероятную информацию.
Первое изображение было получено с высоты 2110 км. Были переданы 4308 фотографий высокого качества на последних 17 минутах полёта.
Иногда называется чуть большее количество переданных на Землю снимков, 4316 изображений.
Всего за 17 минут падения "Рейнджер-7" успел передать более 4 тысяч фотографий! Получается, что каждую секунду аппарат передавал по 4-5 изображений на антенну Голдстоуна Лаборатории реактивного движения в Калифорнии. Невероятно!
Сообщается, что на космическом корабле были установлены шесть телевизионных видиконов – две широкоугольные телекамеры (канал F, камеры A и B) и четыре узкоугольные (канал P). Две камеры имели широкоугольную оптику (25°) с разверткой изображения на 1150 строк. Они передавали изображение поверхности Луны до момента касания. 4 камеры с малыми углами обзора (2,1°), попарно переключаясь каждые 0,2 с, передавали изображение небольших участков поверхности с развёрткой на 300 строк.
Удивительный факт. Чтобы передать с Луны на Землю одно изображение высокого качества (1000 строк) аппаратура Советского Союза работала на приём 20-30 минут. А в США телевизионная картинка с разрешением выше FullHD (1150 строк) передавалась с Луны на Землю за доли секунды. Это технологии уже XXI века! Опять США опередили на полвека мировое развитие телевидения.
К тому сообщается, что разрешение полученных изображений во многих случаях было в тысячу раз лучше, чем у фотографий, сделанных с Земли. Я посмотрел некоторые фотографии, Вот, например, два переданных снимка - первый (слева) и последний (справа), полученный перед самым столкновением. Первое изображение получено камерой типа F с расстояния около 2000 км от Луны. В кадре находится участок поверхности размером 480х640 км.
На правом снимке имеется черная вертикальная полоска с белыми вкраплениями. Это - "шумовая картина" справа возникла якобы в результате удара космического корабля во время передачи - корабль разбился, а сигналы продолжают передаваться.
На мой взгляд, качество всех этих снимков оставляет желать лучшего. Эти снимки по разрешению значительно хуже, чем изображения, полученные с земного телескопа.
Согласно данным НАСА, успешными были запуски аппаратов "Рейнджер-8", который упал в южной части Моря Спокойствия и "Рейнджер-9", совершившего жёсткую посадку в кратере Альфонс. Диаметр этого кратера - 110 км.
НАСА сообщает, что всего на землю в ходе этих миссий было передано 17 тысяч снимков.
Надо обратиться на астрофорум и попросить любительские снимки кратера Альфонс, сделанные астрономами-любителями через телескоп. Уж очень хочется сравнить качество снимков американских "Рейнджеров" с земными фотографиями астрономов.
Вот анимация падения "Рейнджера-9", составленная на основе снимков, переданных самим аппаратом. Гиф-ка состоит из 226 кадров.
По-моему, это просто наезд на глобус Луны.
А вы как считаете?
Может, неудачи первых шести "Рейнджеров" натолкнули НАСА на мысль, что нужно пойти другим путём? Для надёжности сделать приближение к Луне из фотографий, полученных через земной телескоп?
Наверное, какие-то фотографии в миссиях "Рейнджер-7,-8,-9" были получены. Но невозможно было в начале 60-х годов ХХ века передать с Луны 17 тысяч фотографий за несколько минут падения. К тому же (как минимум, половину) в высоком разрешении. И поэтому под видом "лунных снимков" в программе "Рейнджер" фигурируют обычные снимки поверхности Луны, сделанные через земной телескоп.
Вполне возможно, что использовались фотографии поверхности Луны, сделанные в обсерватории Паломар с помощью 5-метрового телескопа, который с 1949 по 1975 год был самым большим телескопом в мире.
Астроном Юрий Соломонов полагает, что, скорее всего, американцы использовали 2-метровый телескоп имени Струве. Он повыше Паломарского стоит (на высоте 2070 м над уровнем моря, в обсерватории Мак-Дональд), да и локацией Луны там занимались.
*
С вами был кинооператор Л.Коновалов. До новых встреч!
*
При написании статьи был частично использован материал книги: Г.Б.Богатов. "Как было получено изображение обратной стороны Луны".