Помоги проекту - поделись книгой:
Сравнение снимка LRO (слева) и кадра из иллюминатора лунного модуля Apollo 15 (справа). NASA
Перед LRO ставилась задача разведки всех обстоятельств и условий для подготовки возвращения человека на длительный срок. Наблюдение мест посадок прошлого, как успешных, так и не очень, проходит в рамках последнего пункта программы исследований. Отдельной задачи сфотографировать следы, оставленные астронавтами Apollo, перед LRO не ставилось, хотя об этом иногда сообщает пресса.
Для осуществления всех научных задач LRO несет на борту 97 кг полезной нагрузки. В числе приборов, например, российский детектор нейтронов LEND (The Lunar Exploration Neutron Detector), который способен определять содержание воды в грунте на глубину до 1 м. Минералы в грунте определяют несколько спектрометров ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов: Diviner Lunar Radiometer и Lyman Alpha Mapping Project, а также микроволновый радар Mini-RF.
Съемкой лунной поверхности занимаются три камеры, объединенные в один блок LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera), общей массой 18 кг. Одна камера – широкоугольная WAC (Wide Angle Camera) – снимает лунные панорамы шириной 100 км с линейным разрешением 100 м с высоты 50 км. Фотографированием Луны в высоком разрешении занимается узкоугольная камера NAC (Narrow Angle Camera). Это две практически одинаковые камеры, обзор которых немного накладывается друг на друга, и вместе они охватывают поле видимости шириной 5 градусов, или 5 км, с высоты 50 км.
Именно NAC смогла снять места посадок Apollo и многих автоматических станций других стран. Благодаря снимкам этой камеры удается сравнить фотопанорамы, сделанные астронавтами, и лунную местность. Можно найти большие валуны, посещенные астронавтами, убедиться, что тропинки и следы роверов, видимые на фотографиях астронавтов 1970-х годов, сохранились через полвека и доступны для изучения.
Несмотря на достаточно различимые подробности на снимках NAC, можно встретить и претензии к качеству их изображений – ведь всегда хочется большего. Одна из претензий, которую часто можно услышать в отношении лунных снимков, – отсутствие цвета. Об этом мы уже говорили, и, чтобы не повторяться, напомню, что цветной кадр всегда имеет меньшее разрешение, чем панхроматический. Черно- белый, или панхроматический, снимок использует свет всего доступного диапазона, а цветной вынужден распределять фотоны на три канала, чтобы сложить из них каждый отдельный цвет. Например, широкоугольная камера WAC имеет несколько фильтров и способна снимать в цвете.
Более серьезный повод для недовольства результатами NAC – разрешение снимков. Линейное разрешение 0,5 м, аналогичное лунному, получают, например, околоземные спутники, которые поставляют снимки для карт Google или по заказу Пентагона. Некоторые коммерческие спутники способны снимать Землю с разрешением 0,3 м, а самые большие спутники-шпионы – предположительно до 0,1 м. И это с высоты в 10 раз выше, чем летает LRO и сквозь земную атмосферу! Кажется, что лунные технологии NASA серьезно уступают возможностям коммерческих компаний. Трудно поверить, но это действительно так.
Достаточно сравнить стоимость лунной камеры LROC и самых «мощных» околоземных спутников, чтобы понять причины слабости лунной оптики. Так, вся программа окололунного зонда LRO обошлась в $504 млн за космический аппарат и его запуск. Создавался аппарат более десяти лет назад, а электроника NAC, с целью экономии, была повторением камеры CTX (Context Camera) марсианского зонда MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), который полетел к Красной планете в 2005 году. Стоимость же современного космического аппарата дистанционного зондирования Земли WorldView-3 компании Maxar (ранее DigitalGlobe) – $650 млн, и он практически наполовину состоит из телескопа и камеры. Телескоп WorldView-3 имеет диаметр главного зеркала 1,1 м, что в пять раз больше, чем у LRO, летает на высоте 620 км над Землей и снимает ее с линейным разрешением 0,3 м. Преимущество WorldView-3 в бюджете и технологиях определяется его большей востребованностью для государственных и коммерческих нужд – фактически это коммерческий спутник-шпион, работающий на Пентагон, но и продающий снимки «на сторону».
Сравнение аэрофотоснимка макета лунного модуля на Земле (слева), спутникового снимка с околоземной орбиты того же макета (в центре) и снимка LROC места посадки Apollo 12 (справа). Google, Maxar, NASA
Большинство спутниковых снимков Земли, которые использует Google, имеют линейное разрешение 0,5 м. Более высокое разрешение картографических снимков этого сервиса достигается уже аэрофотосъемкой. Поэтому, сравнивая качество фотографий Луны и Google-карт Земли, следует сначала убедиться, что мы сравниваем именно космические снимки.
Сравнение возможностей околоземных спутников и LROC удобно проводить благодаря полноразмерному макету лунного модуля Apollo, который установлен во дворе Института Франклина в Филадельфии. Используя сервис Map Google Pro, мы можем посмотреть несколько снимков, сделанных за последние годы. Чтобы отличить спутниковый снимок от аэрофото, нужно обратить внимание на поставщика фотографии. Спутниковые данные Google закупает у американской компании DigitalGlobe, которая в прошлом году вошла в холдинг Maxar Technologies, – их спутниковые снимки Земли лучшие на мировом рынке спутниковой съемки.
Нижняя ступень лунного модуля, следы и оставленное оборудование в съемке кинокамеры из иллюминатора стартовой ступени лунного модуля Apollo 15. NASA
До 2015 года спутниковые компании США не имели прав на то, чтобы выкладывать в открытый доступ снимки Земли с разрешением выше 0,5 м. Это ограничение накладывал Пентагон, который в единоличном порядке закупал снимки более высокого разрешения. Затем ограничение сдвинули до 0,3 м. Таким образом, снимки DigitalGlobe до 2015 года имеют разрешение 0,5 м или хуже. Теперь мы можем сравнить спутниковое фото макета лунного модуля в Филадельфии со снимками первой ступени лунных модулей Apollo, которые остались на Луне.
Контраст лунных снимков заметно выше из-за того, что сама Луна довольно темная: она отражает от 6 до 12 % солнечного света. Лунный модуль же покрыт светоотражающей теплозащитой, что делает его значительно ярче того уровня освещения, на который настроена лунная камера. В остальном видимость деталей модуля вполне сравнима с аэрофотосъемкой и превосходит околоземный коммерческий спутник.
Убедившись, что разрешение снимков лунной камеры вполне сопоставимо с кадрами самых «дальнобойных» околоземных спутников, зададимся следующим вопросом: почему лунные снимки не лучше земных?
Про стоимость и сроки изготовления мы уже говорили, но если сопоставить потенциальные возможности оптики камеры NAC с фактическим разрешением ее снимков, то окажется, что угловое разрешение могло бы быть в три раза лучше! Что же заставило NASA сознательно отказаться от возможности увидеть поверхность Луны с большей детализацией?
Угловое разрешение объектива фотоаппарата или телескопа зависит от диаметра. Для сравнения: диаметр главного зеркала телескопа NAC LRO – 195 мм, диаметр зеркала WorldView-3 – 1100 мм, а диаметр зеркала космического телескопа Hubble – 2400 мм. Зная диаметр главного зеркала телескопа, можно рассчитать по известным формулам предельное угловое разрешение изображений, которые он способен создавать.
Сравнение размеров оптических инструментов космических аппаратов LRO, MRO, WorldView-3 и Hubble. NASA, ESA, Maxar
Для расчета фактического углового разрешения телескопа, с поправкой на разные длины волн и качество изготовления телескопа, астрономы разработали упрощенные формулы. Так, физик Джон Рэлей предложил формулу:
Так, по Рэлею, разрешение NAC LRO получается 0,7 угловой секунды, а по Доусу – 0,59 угловой секунды. Фактически же в характеристиках камеры указано 2 угловые секунды – именно столько займет 0,5 м с расстояния 50 км.
Получается, мы видим более чем трехкратное несоответствие между теоретическими возможностями оптики NAC LRO и реальными кадрами. Видимо, повлиял какой-то иной фактор, и, чтобы его узнать, нам придется учесть еще одну характеристику камеры – угол обзора.
Если перед космическим аппаратом стоит задача как можно лучше увидеть малый объект исследования, то конструкторы используют узкоугольную камеру с максимально возможным разрешением. По такому принципу созданы спутники компании Maxar или камера HiRISE на марсианском космическом аппарате MRO. Если же мы захотим быстро составить полную карту исследуемого большого космического тела, то лучше поставить широкоугольную камеру. Так поступили создатели окололунных зондов SMART-1, Kaguya, Chandrayaan-1, Chang'e 1, 2. Обычно конструкторы стараются ставить на зонды и широкоугольный объектив, и узкоугольный, но такое удается не всегда, ведь грузоподъемность ограничена, а ученые всегда стремятся установить побольше разных приборов.
Но что делать конструктору, когда от него требуют создать аппарат для составления полной карты Луны в обозримые сроки, с высоким разрешением, с ограниченностью по массе полезной нагрузки и уложиться в сравнительно скромный бюджет?
Он создает LRO.
Три камеры, объединенные в один блок LROC, имеют массу 18 кг, а технологии базируются на более ранних, взятых с марсианского MRO. Широкоугольная WAC имеет марсианского предшественника MARCI. Узкоугольная NAC получила электронику от марсианской CTX, но на окололунной орбите пришлось использовать другую оптическую схему телескопа, более стойкую к температурным перепадам. Марсианский телескоп CTX обладает главным зеркалом диаметром 108 мм и снимает Марс с линейным разрешением 5 м с высоты 300 км. Если бы MRO удалось снизить до высоты LRO, то CTX показала бы поверхность с фактическим линейным разрешением около 1 м. Зато угол обзора этой марсианской камеры вдвое шире каждой отдельной лунной NAC.
Перед конструкторами NAC LRO стояла задача сделать камеру, превосходящую вдвое линейное разрешение CTX, но сохраняющую прежний угол обзора. Наиболее простым выходом стало создание двух одинаковых узкоугольных камер, которые суммарно сравнятся с одной CTX по углу обзора. Если бы в NAC использовали оптику с предельным разрешением, то угол обзора даже двух камер с высоты 50 км составил бы всего около 1,6 км.
То есть снижение разрешения снимков NAC LRO в три раза произведено именно для расширения угла обзора в те же три раза.
Чтобы убедиться в этом, сравним характеристики различных космических аппаратов с телескопами. В приведенной таблице телескопы перечислены в порядке увеличения диаметра главного зеркала. Приборы CTX и HiRISE установлены на космическом аппарате, летающем вокруг Марса. Спутники SkySat-1, «Ресурс-П», Pléiades, WorldView-3 и GeoEye-1 летают на низкой околоземной орбите и снимают поверхность Земли. Космический телескоп Hubble также находится у нашей планеты, но смотрит в космос.
Из таблицы хорошо видно, что у телескопов с угловым разрешением, близким к теоретически возможному, очень малый угол обзора – редко больше полутора градусов. Такое разрешение еще годится для полета на большой высоте, но с низкой орбиты в 50 км это слишком узкая полоса съемки. Зато увеличенный угол обзора, как у NAC LRO или CTX MRO, приводит к ухудшению разрешения. Похожее можно увидеть у российского спутника «Ресурс-П», где разработчики с целью увеличения ширины съемки до 4,6 градуса практически вдвое снизили фактическое разрешение его оптики.
Почему же для LRO был так важен угол обзора, что ради него пожертвовали высоким разрешением снимков лунной поверхности и возможностью увидеть следы людей на ней?
Причина кроется в одной научной задаче космического аппарата LRO: создание высокоточной карты Луны. Чтобы ее осуществить, пришлось обеспечить возможность камеры охватывать своими снимками достаточно широкие пространства. Даже несмотря на это, за десять лет работы LRO пока не удалось составить полную карту Луны с разрешением 0,5 м – часть снимков имеет разрешение около 1 м.
Если бы NAC LRO сделали предельно возможного линейного разрешения, то ширина кадра также сократилась бы втрое, как и площадь снимка. И только ради возможности увидеть следы Армстронга не в виде тропинки, а в виде отдельных точек? Если бы они были столь важны, то можно было бы снарядить небольшой луноход и изучить места посадки вблизи, а не с высоты 50 км. И такие проекты тоже есть, но пока не у NASA.
Почему LRO не снизился, чтобы увидеть места посадки вблизи?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Космический аппарат LRO снижался примерно вдвое, чтобы рассмотреть места посадок Apollo и «Лунохода-2», но из-за высокой скорости полета качество снимков повышалось только в полтора раза.
Луна не имеет плотной атмосферы, и кажется, будто ничто не мешает космическим аппаратам летать низко над ее поверхностью, над вершинами самых высоких гор. Атмосфера не мешает, это верно, но мешает другое – масконы – неоднородности гравитационного поля Луны. Масконы приводят к быстрой деградации низких орбит космических аппаратов и их падению. Из-за масконов большинство окололунных зондов летали на высоте больше 100 км, а те, которые снижались, делали это на короткий срок и расходовали топливо на коррекцию орбиты.
Космический аппарат LRO летает по полярной эллиптической орбите высотой от 20 до 160 км и регулярно включает двигатели, чтобы корректировать ее. Нижняя точка орбиты проходит над южным полюсом Луны. Средняя высота полета составляет 50 км, с нее узкоугольная «дальнобойная» камера NAC LRO снимает поверхность с линейным разрешением 0,5 м.
Хотя 0,5 м – это довольно высокое качество, сравнимое с лучшими снимками Земли в картах Google и «Яндекса», все равно хотелось бы увидеть места посадок отчетливее. Особенно эффектно смотрелись бы отдельные следы астронавтов как лучшее свидетельство пребывания человека на другом космическом теле.
Космический аппарат LRO обладает необходимым запасом топлива и мог бы кратковременно снизиться, чтобы еще повысить разрешение снимков. Если сократить вдвое высоту, оптика камеры также удвоит разрешение до 0,25 м – его уже достаточно, чтобы рассмотреть отдельные следы людей в виде точек. Однако на камеру космического аппарата действуют другие ограничения, физические и технологические, которые делают бесполезным слишком низкий спуск.
Проблемы создает скорость летящего зонда. Чтобы получить достаточно резкие кадры, надо постараться, чтобы за время получения снимка (длительность выдержки или экспозиции) смещение камеры не превышало ее разрешающую способность. Проще говоря, если снимать поверхность Луны с разрешением 50 см, то за время съемки смещение космического аппарата не должно превышать 50 см. С похожей проблемой сталкивался практически каждый, кто пытался фотографировать пейзажи из окна быстро едущей машины или поезда: близкие объекты оказываются на снимках размазанными, хотя дальние остаются резкими. По этой же причине космический телескоп Hubble не снимает Землю: все его кадры окажутся размытыми из-за слишком быстрого движения телескопа над поверхностью Земли, на съемку которой он не рассчитан.
Каждая из двух камер NAC LRO оборудована сканирующей линейкой, состоящей из 5064 светочувствительных элементов (пикселей) в ширину и 42 элементов в длину. С высоты 50 км на каждый светочувствительный пиксель проецируется изображение поверхности площадью 0,5×0,5 м. Камеры снимают с экспозицией (выдержкой) от 35 до 0,34 миллисекунды, т. е. за это время каждый сканирующий фотоэлемент матрицы должен накопить достаточное количество фотонов, чтобы записать изображение и перейти к регистрации потока света со следующего квадрата местности.
Тут-то и сказывается скорость космического аппарата. На высоте 50 км скорость окололунного аппарата составляет 1656 м/с. Съемка с длинной выдержкой (35 миллисекунд) приведет к тому, что поверхность под спутником сместится на 58 м, на каждый пиксель запишется изображение тех же самых 58 м вместо 0,5 м и кадр будет «сжат» в направлении полета. Только самая короткая выдержка в 0,35 миллисекунды позволяет NAC LRO снимать достаточно резкие кадры с высоты 50 км.
На некоторых этапах полета LRO высота орбиты оказывается ниже 50 км. Даже в штатном режиме полета над экватором нижняя точка орбиты колеблется от 75 до 35 км. В нескольких случаях космический аппарат снижался еще ниже – почти до 21 км. Отсюда ему удалось сфотографировать место посадки Apollo 17 и советский «Луноход-2». Другие места пилотируемых прилунений удавалось снять с высоты 24–25 км, но удвоить разрешение снимков Луны не удалось из-за орбитальной скорости и ограниченной длительности экспозиции.
Луномобиль LRV Apollo 17 (слева) и последняя стоянка «Лунохода-2» (справа) – самые близкие к Луне кадры, снятые LRO с высоты 22 км. NASA
На самой короткой выдержке камера NAC LRO может нормально снимать не ниже 50 км. Снижение высоты полета вдвое приводит к сокращению вдвое и площади наблюдаемой поверхности, но выдержку вдвое укоротить уже невозможно, поэтому на каждый пиксель сканирующей линейки записываются те же 0,5 м, которые пролетают под космическим аппаратом за 0,35 миллисекунды.
Подобный эффект фотографы называют «роллинг шаттер»; он возникает, когда ПЗС-матрица не успевает записывать движение быстрого объекта. На современных фотокамерах такой дефект редко встречается, но не будем забывать, что LRO летает больше десяти лет, а электроника его камеры создавалась вообще в начале 2000-х.
Место посадки Apollo 17, снятое LRO с высоты 138 км, 44 км и 22 км (слева направо). NASA
Самая лучшая на сегодня фотография места прилунения по программе Apollo (Apollo 17), снятая LRO с высоты 22 км. NASA
К счастью, этот эффект действует на лунную камеру только по длинной части кадра – в направлении полета, по ширине же разрешение удается повысить примерно до 0,25 м, т. е. вдвое. Так что снижением вдвое высоты полета LRO можно повысить качество снимка, но не в два раза, а примерно в полтора.
В съемке с высоты 50 км на каждый квадратный пиксель сканирующей линейки камеры NAC LRO попадает свет с поверхности Луны размером 0,5×0,5 м. Если же приблизиться к поверхности до 25 км, но не снизить вдвое скорость, то в каждый квадратный пиксель сканирующей линейки NAC LRO попадет свет с прямоугольника поверхности Луны размером 0,25×0,5 м, т. е. в направлении полета итоговое изображение будет сжато. Восстановить полученное изображение до нормального несложно – достаточно растянуть кадр вдвое. В результате фотография получается выше качеством, чем с высоты 50 км, но, поскольку простое «растяжение» не добавляет новой информации, итоговое разрешение снимка оказывается где-то между 0,25 и 0,5 м. NASA осторожно указывает линейное разрешение в 0,4 м снимков с высоты ниже 25 км.
Хотя результат не соответствует всем ожиданиям, но на кадрах можно рассмотреть немало подробностей, которые не видны в других случаях.
Так, на снимке Apollo 17 с высоты 22 км можно рассмотреть ранцы системы жизнеобеспечения скафандров астронавтов. Ранцы выбросили на поверхности Луны, после того как подключили скафандры к системе жизнеобеспечения лунного модуля. Это сделали для того, чтобы избавиться от лишнего груза при взлете.
Лунная поверхность в месте посадки Apollo 14 с зонда LRO (вверху) и панорама из иллюминатора лунного модуля (внизу). NASA
На этом же снимке можно рассмотреть лунный автомобиль LRV, который остановили в отдалении от лунного модуля. На ровере устанавливалась камера, управляемая с Земли. Ее использовали, чтобы наблюдать старт корабля.
Съемка Apollo 14 с высоты 25 км позволяет рассмотреть установленную параболическую радиоантенну для телетрансляции. Рядом видна тележка, которую астронавты использовали для доставки научного оборудования. Тень установленного флага не видна из-за того, что его полотнище развернуто точно на запад, что делает тень тонкой и малозаметной при высоком солнце.
Как заработать на Луне и «Аполлоне»?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Сегодня существует несколько частных компаний, которые планируют запуски на Луну, и одна из них собирается посетить место посадки Apollo 17.
Интервью с Робертом Бёме – основателем немецкой частной космической компании PTScientist, которая строит и готовит к запуску луноход к месту посадки Apollo 17. Текст интервью был ранее опубликован в кн.: Егоров В. Делай космос! – М.: АСТ, 2018.
За содействие в организации интервью выражаю признательность основателю сервиса для запуска спутников на орбиту Precious Рayload Андрею Максимову
В 2007 году американский фонд XPrize совместно с Google объявил конкурс Google Lunar XPrize. Согласно условиям конкурса, необходимо создать транспортное средство и доставить его на Луну, где оно должно преодолеть 500 м и передать на Землю 500 мегабайт данных. Победителю был обещан основной приз в $25 млн и до $5 млн дополнительных. В числе дополнительных призов стоимостью $1 млн была задача фотосъемки мест исторических посадок на Луну. Более 20 команд со всего мира решили принять участие в конкурсе, в том числе и немецкая PTScientist.
Команда из Германии занялась разработкой и подготовкой к запуску сразу двух луноходов и задалась целью посетить места посадки Apollo 17. И это лишь начало; в их дальнейших планах – бизнес по доставке на Луну полезной нагрузки от заказчиков со всего мира. Пока их луноход Audi Lunar Quattro снимается в рекламе и кино, но ракета-носитель Falcon 9 уже арендована и пуск ожидается в течение двух-трех лет. Мне удалось встретиться с основателем компании Робертом Бёме (Robert Boehme) и узнать, как развивался их проект и что движет его стремлением в межпланетный бизнес.
– Для начала несколько слов, кто мы такие. Частная космическая компания PTScientists (Part-Time Scientists, «Ученые по совместительству») существует уже 9 лет. Мы начали развивать нашу технологию и построили несколько космических аппаратов и несколько роверов. На сегодня уже разработано четвертое поколение лунохода PTScientists.
– Вы работаете с DLR [Немецкое космическое агентство]?
– Да, мы работаем с DLR и с Европейским космическим агентством с 2010 года.
– И четыре поколения космических аппаратов разработали вместе с ними?
– Нет, мы работаем с ними, но разрабатываем самостоятельно.
– Кем оплачивалась эта работа?
– Начали мы на частных инвестициях, эту технологию разрабатывали для себя и, по сути, сами выступали заказчиками. Как, например, SpaceX разрабатывали технологию для себя [вероятно, имеется в виду технология многоразовости]. Первые три года работали исключительно на деньги частных инвесторов. Деньги вложены были мои личные, моих хороших друзей. Они позволили прожить компании до 2010 года, до появления первых контрактов.
Затем были спонсорские взносы, небольшие и более крупные, затем промежуточные призовые от Google Lunar XPrize. Проблема с конкурсом была в том, что ранее заявленные условия соревнования не работали. Обещанный в далекой перспективе крупный приз оказался недостаточно привлекательным, нужно было стимулировать постоянную работу и оплачивать прохождение отдельных отрезков пути участниками соревнования. Google выделил два приза общей суммой $750 000 [$250 000 за разработку камеры, и $500 000 за разработку ровера]. Это очень сильно помогло. Они не давали нам наличные, но обеспечили нашу платежеспособность.
Очень важное достижение для нас – это начало работы с Европейским космическим агентством (ESA). Google не мог напрямую оплачивать наши услуги из-за ограничений ITAR [International Traffic in Arms Regulations – американские ограничения распространения военных технологий], поэтому он оплатил услуги Европейского космического агентства, чтобы оно испытало наши технологии. ESA потребовалось 18 месяцев на все проверки. Специалисты ESA провели весь спектр испытаний и электроники, и механики, и компьютерных систем. Термовакуумные, радиационные, вибродинамические…
– Тестировали уже готовые изделия или элементы?
– Когда как, иногда тестировались отдельные подсистемы, иногда проходили испытания завершенных систем. Полному испытанию подвергся ровер – это было еще предыдущее поколение. Вместе со специалистами ESA мы выехали на вулканический кратер на острове Тира [вулкан Санторин]. Очень сложно провести полный тест для перелетного модуля, поэтому его тестировали по подсистемам.
Стоит сказать о целях миссии. Главная цель, и это важно, не менялась на протяжении всех девяти лет – реализовать первую частную миссию к месту посадки Apollo.
В нашей команде я единственный, кто не является космическим инженером. Я специалист в информационной безопасности. Благодаря этому мой взгляд на космонавтику немного отличается от остальной команды. Я очарован космосом, но девять лет назад меня разочаровывал низкий прогресс в его освоении. Тогда еще не было заметных успехов SpaceX. И тогда я сам занялся космонавтикой, хотя понимал, что для этого потребуется немало времени. У нас была цель, но не было даже названия. Когда присоединились Audi и Vodafone, было выбрано название – Mission to the Moon.
Поделиться книгой: