Подобный по методике эксперимент был затем также проведен на искусственном спутнике «Луна-22».
На большинстве автоматических станций, осуществивших посадку на лунную поверхность, были проведены измерения физико-механических параметров характеристик грунта. Среди этих параметров была определена и плотность грунта. Так как на этих же автоматических станциях на участке посадки обычно проводились и радиолокационные эксперименты, то это позволило сопоставить[4] данные измерения плотности грунта, определенной в одном районе различными методами (рис. 7).
При исследовании Луны нашли применение два контактных метода определения плотности грунта: метод измерения несущей способности и метод измерения коэффициента рассеяния γ-квантов или α-частиц. Первый основан па связи несущей способности с плотностью грунта. Второй — на связи интенсивности потока вторичного излучения грунта при его облучении γ-квантами или α-частицами с величиной плотности этого грунта. На Луне первый метод использовался на станциях «Луна-17» («Луноход-1»), «Луна-21» («Луноход-2»), «Сервейер-1, -3, -5, -6, -7», второй — на автоматических станциях «Луна-13» (γ-плотномер) и «Сервейер-7» (α-плотномер).
Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)
Сопоставление данных по определению плотности грунта контактными и дистанционными методами позволило сделать ряд важных выводов. Эти методы измерений дали близкие результаты. Была определена поверхностная плотность лунного грунта (плотность первого сантиметра в глубину от поверхности), которая в среднем оказалась равной 1,2 г/см3. Эта величина соответствует плотности измельченного лунного грунта при его насыпании без уплотнения (при имитации лунных условий в земной лаборатории). В разных районах Луны величина поверхностной плотности колеблется от 0,6 до 3 г/см3.
В результате совместного анализа результатов контактных и дистанционных измерений плотности грунта было показано, что она экспоненциально возрастает с глубиной. Это позволило определить толщину переработанного метеоритной бомбардировкой верхнего покрова Луны. В разных районах величина такого слоя оказалась существенно различной, колеблясь от 40 см до 40 м (при среднем значении этой величины равной 5 м). Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)
При полете почти всех космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Луны, проводилась бистатическая радиолокация. При этом на космических аппаратах использовались различные методы модуляции и различные длины волн излучаемых сигналов, а также разные методики обработки принятых сигналов. Все эксперименты проводились по схеме, в которой передатчик размещался на борту искусственного спутника Луны (ИСЛ), а прием и обработка прямого и отраженного сигналов осуществлялись на наземном измерительном пункте.
Первый эксперимент по бистатической радиолокации был проведен в 1966 г. на ИСЛ «Луна-10» группой ученых из Института космических исследований АН СССР под руководством Н. Н. Крупенио на длине волны 1,7 м с импульсной модуляцией сигнала передатчика. Последующие эксперименты на аппаратах серий «Луна» и «Аполлон», а также на ИСЛ «Лунар Орбитер-1» и «Эксплорер-35», проводились с непрерывным излучением передатчика. На ИСЛ «Луна-22» была впервые применена частотная модуляция сигнала передатчика. Использование такой модуляции позволило при обработке отраженных сигналов измерить дальность от ИСЛ до района отражений на поверхности и получить при этом разрешение по дальности, равное 1,2 км. Поэтому в эксперименте были получены данные не только о среднеквадратичных углах наклона поверхности вдоль трассы полета ИСЛ, но также были оценены к вариации высот вдоль этой трассы.
Бистатические радиолокационные измерения, проведенные на ИСЛ «Луна-10» в восточной части видимого с Земли лунного диска, показали, что отраженный сигнал от горных районов имеет весьма изрезанную форму. Это свидетельствует о сильном влиянии неровностей рельефа горных областей на отраженный сигнал в метровом диапазоне длин волн (1,7 м) при облучении поверхности под большими углами падения (Θ = 60–80°).
Большая протяженность по дальности отраженного сигнала была вызвана сильной изрезанностью рельефа. Благодаря этому условия «зеркальности» для локальных отражающих площадок выполнялись для широкого диапазона углов падения, а, следовательно, и для большого диапазона дальностей.
На ИСЛ «Луна-11 и -12» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева были продолжены радиолокационные эксперименты в метровом диапазоне длин волн. В этих экспериментах разделение прямого и отраженного сигналов осуществлялось за счет различия их доплеровских частот. Эти ИСЛ не имели системы стабилизации (т. е. ИСЛ произвольно вращался относительно своего центра тяжести), а диаграммы направленности их бортовых антенн значительно отличались от круговых. Поэтому для определения энергетических соотношений между прямым и отраженным сигналами использовалось усреднение сигналов в течение отрезков времени, в которые ИСЛ занимал примерно одинаковое положение по отношению к наземному пункту, т. е. имел одинаковую высоту полета и угол падения относительно точки зеркального отражения.
Сопоставление экспериментальной зависимости отношения мощностей прямого и отраженного сигналов от утла падения при разных высотах полета ИСЛ с соответствующими теоретическими зависимостями позволило определить среднее значение эффективной диэлектрической проницаемости и среднеквадратичного угла наклона поверхности для всех районов измерения, находящихся в экваториальной зоне Луны. Данные по диэлектрической проницаемости совпали с результатами наземной радиолокации в метровом диапазоне длин волн.
Бистатическая радиолокация Луны, проведенная па ИСЛ «Лунар-Орбитер-1» учеными Станфордского университета США, была выполнена по более сложной методике. При этом анализировались не усредненные по времени амплитуда и форма спектра отраженного сигнала, как это имело место в экспериментах на ИСЛ «Луна-11 и -12», а записывался мгновенный спектр отраженного сигнала.
По зависимости изменения от времени отдельных составляющих в спектре отраженного сигнала на одном витке орбиты ИСЛ удалось отождествить отраженные сигналы с локальными районами на поверхности Луны. С учетом данных траекторных измерений были определены координаты мгновенных центров переизлученияи размеры отдельных площадок с повышенным отражением вблизи кратера Кестнер. Размеры таких площадок оказались весьма различными. Самые крупные из них имели линейные размеры 30 км, а самые мелкие около 5 км (в результате обработки была построена радиолокационная карта района кратера Кестнер).
Анализ расположения в этом эксперименте переизлучающих площадок на поверхности Луны показал, что обычно переизлучают одновременно несколько «радио-ярких» площадок, расположенных вблизи точки зеркального отражения. Однако иногда наблюдаются также и площадки, сравнительно удаленные от трассы перемещений точки зеркального отражения.
4
Следует сказать, что толщина слоя грунта, плотность которого определялась контактно и дистанционно (радиолокационными методами), в большинстве случаев различна. Поэтому для сравнения полученных данных производился пересчет результатов определения плотности к одной толщине слоя верхнего покрова. Такой пересчет особенно необходим для лунных измерений в связи с тем, что плотность грунта Луны существенно изменяется с глубиной.