Если космический корабль направлен на одну из планет, то при вхождении корабля в атмосферу планеты условия радиосвязи изменяются в зависимости от радиофизических свойств атмосферы и поверхности планеты. Для обеспечения работы радиолинии Земля—космический корабль при вхождении его в атмосферу планет и спуска на поверхность планет необходимо знать радиофизические характеристики поверхностей и атмосфер планет.
Первые сведения о Вселенной были получены в результате наблюдений и измерений попадающего на Землю электромагнитного излучения. Сначала при этих наблюдениях ограничивались длинами волн, лежащими в области видимых и близких к ним лучей, т. е. использовались методы оптической астрономии. Применение волн другой длины увеличило возможности экспериментального познания Вселенной. Отмечалось, что волны длиннее 10—15 м отражаются от ионосферы и не проникают за пределы земной атмосферы (или из-за ее пределов на Землю). Волны короче 1 см поглощаются в тропосфере. Таким образом, для «связи» со Вселенной могут служить УКВ длиной 10 м — 1 см, но в последнее время применяются и миллиметровые волны.
Идея изучения Вселенной при помощи радиоволн зародилась тогда, когда было обнаружено, что Солнце и Галактика являются мощными излучателями радиоволн. В настоящее время уже широко развилась наука, занимающаяся изучением космических тел по их радиоизлучению, получившая название радиоастрономии.
Первое доказательство существования радиоизлучения из космоса было получено в 1932 г., когда на волне 15 м наблюдались хаотические сигналы — шумы, интенсивность которых менялась в течение дня и имела период, равный звездным суткам. Это указывало на то, что источник излучения должен находиться за пределами солнечной системы. Дальнейшие наблюдения показали, что интенсивность излучения была максимальной, когда антенны направлялись
в центр Галактики, т. е. что источники излучения находятся в центре Галактики. Главным очагом радиоизлучения является район созвездий Скорпиона и Тельца.
Последующие измерения проводились на волнах длиной 50 см — 15 м. Было обнаружено, что интенсивность излучения пропорциональна кубу длины волны. Источником излучения могут служить межзвездный газ и звезды. Такие же измерения проводились с целью обнаружения аналогичного излучения Солнца. На волне 4 м это излучение оказалось весьма интенсивным.
В 1946 г. было получено распределение интенсивности по спектру солнечного радиоизлучения. Оказалось, что максимум принятого излучения имеет место на волне 4,7 м и что это излучение имеет значительный уровень во всем диапазоне метровых волн. В этом диапазоне радиоизлучение Солнца связано со вспышками солнечной деятельности. Установлена связь между солнечными пятнами и изменением солнечного радиоизлучения. С увеличением площади солнечных пятен увеличивается интенсивность излучения. Интенсивность излучения меняется гак же, как и площадь солнечных пятен.
Радиоизлучение Солнца зависит от фазы солнечной деятельности. Наблюдение за солнечной деятельностью дает много данных для прогноза радиосвязей, так как от нее зависят состояние ионосферных слоев и, следовательно, значения рабочих частот.
По радиоизлучению можно более точно судить о солнечной деятельности, чем по площади солнечных пятен. Наблюдение за солнечными пятнами возможно только в ясную погоду, измерению же интенсивности солнечного радиоизлучения облака не мешают. Помехой при измерении радиошумов являются только местные грозы.
Обнаружено, что существует связь между увеличением интенсивности радиоизлучения Солнца и ионосферно-магнитными бурями, приводящими к ухудшению или нарушению связи на КВ. Увеличение интенсивности радиоизлучения наблюдается несколько раньше начала ионосферной бури, что дает возможность предвидеть ее появление и принять соответствующие меры.
При первых наблюдениях за радиоизлучением Галактики и Солнца выяснилось, что принятый антенной сигнал, поданный на громкоговоритель или осциллограф, подобен хаотическому шуму, генерируемому нагретым сопротивлением. Поэтому радиоизлучение часто называют радиошумом.
Радиоастрономы исследуют также радиоизлучение Луны и ближайших к Земле планет: Меркурия, Марса и Венеры. Успешно исследуются и большие удаленные от Земли планеты: Сатурн, Уран, Нептун. Конечно, излучение планет во много раз меньше, чем излучение Солнца. Наиболее полные сведения получены о Луне, поскольку ее видимый размер значительно превышает видимые размеры планет. Оказалось возможным принимать излучение от отдельных участков поверхности Луны и исследовать структуру поверхности. Для других планет возможно измерение только общего радиоизлучения со всей поверхности. Измерения позволили узнать температуру и электрические свойства поверхностей планет.
Радиоастрономические наблюдения ведутся при помощи радиотелескопов, представляющих собой весьма сложные сооружения. Основным элементом радиотелескопа является антенна с управляющим устройством, позволяющим изменять направление излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис. 67). Такая антенна имеет большие размеры и узкую диаграмму направленности. Радиотелескоп с параболической антенной диаметром 64 м сооружен в пос. Медвежьи озера вблизи Москвы. Эта антенна-телескоп, разработанная под руководством чл.-корр. АН СССР А. Ф. Богомолова, эффективно работает на волнах длиннее 2 см. Для работы на сантиметровых волнах поверхность зеркала должна быть выполнена очень тщательно, с большой точностью, что, конечно, трудно сделать при больших размерах антенны.
Другим методом исследования планет является получение радиолокационных отражений от их поверхностей.
Применение методов радиолокации к изучению строения планет требует мощных передатчиков, больших антенн и встречает ряд других трудностей.
Прежде всего начали проводить радиолокацию поверхности Луны. Расстояние Земля—Луна—Земля составляет 750 000 км, и затухание сигнала на этом пути 200 дБ, т. е. сигнал ослабляется в 1010 раз.
Первые отражения радиоволн от Луны были получены учеными Венгрии и США, работавшими независимо, еще в 1946. Использовались передатчики мощностью около 200 кВт, работавшие на волне длиной около 2 м. Применялись остронаправленные антенны с коэффициентом усиления 400.
Прием на Земле сигналов, отраженных от Луны, встречает большие принципиальные трудности. Луна движется относительно Земли с большой скоростью. При больших скоростях существенную роль играет эффект Доплера,
заключающийся в том, что волна, отраженная от движущегося тела, имеет частоту колебаний, отличную от частоты посланной волны.
Расчет, подтвержденный опытом, показывает, что при работе передатчика на волне частотой 145 МГц разница в частотах переданного и принятого сигналов достигает 200 Гц. Следовательно, для того чтобы сигнал был принят, приемник должен иметь полосу пропускания не менее 200 Гц. Однако в этом случае уровень шумов приемника превышает слабый сигнал, пришедший от Луны. С целью уменьшения влияния шумов полоса пропускания приемника не должна превышать нескольких герц. Это в свою очередь приводит к чрезвычайно высоким требованиям к стабильности частоты передатчика. При рабочей частоте сотни мегагерц он должен иметь стабильность порядка нескольких герц, что весьма трудно обеспечить. Вторая трудность заключается в том, что размеры остронаправленной антенны, предназначенной для работы на метровых волнах, получаются большими, и поэтому ее трудно поворачивать в соответствии с передвижением Луны.
Меньшие размеры антенн требуются при осуществлении радиолокации Луны волнами сантиметрового диапазона. Кроме того, на этих волнах исключается влияние ионосферы. В 1954—1957 гг. в Горьковском университете были поставлены опыты, при которых использовались волны длиной 10 и 3 см. Для осуществления радиолокации применялись передатчики мощностью 1—2 кВт и остронаправленные антенны. Коэффициент направленного действия антенны, предназначенной для работы на волне 3 см, достигал 120 000, и вся излучаемая энергия концентрировалась в угле 0,5°. В результате этих опытов был измерен коэффициент отражения радиоволн от Луны, который составил примерно 0,25, и было установлено, что отражение происходит от центральной части видимого диска Луны.
Радиолокационные исследования Луны продолжались и в 60 годах. Для подготовки к посадке космических аппаратов на лунную поверхность и для проектирования радиотехнических систем, осуществляющих посадку и связь космического аппарата с Землей, необходимо было получить сведения о структуре, характере и электрических свойствах поверхности Луны.
Одновременно начались интенсивные исследования планет Солнечной системы, но для этого пришлось построить радиолокационные установки значительно большей мощности, поскольку наименьшее расстояние от Земли до ближайшей к ней планеты — Меркурия составляет 92·106 км.
Планетный радиолокатор Центра дальней космической связи СССР был создан под руководством академика В. А. Котельникова. С помощью этого радиолокатора осуществлена радиолокация Венеры, Марса, Меркурия.
Радиолокационные исследования Луны и планет ведутся в США, Англии и других странах. На разных установках применяются волны различной длины от 2—3 до 70 см. В результате исследований получен обширный материал.
Опыты радиолокации Луны дали реальную почву для осуществления идеи использования Луны в качестве ретранслятора. Действительно, во время своего наибольшего удаления от Земли Луна становится видимой почти со всех пунктов полусферы Земли, обращенной к Луне, и, следовательно, путем отражения от Луны возможна радиосвязь между всеми пунктами, находящимися на этом полушарии. Но такая радиосвязь не может вестись круглосуточно, неизбежны перерывы связи во время захода Луны.
Проводились отдельные опыты установления связей с использованием Луны в качестве ретранслятора. Для этого применялись передатчики мощностью 100 кВт, работающие на частоте около 200 МГц, причем ширина передаваемой полосы частот составляла 3 кГц, т. е. можно было передавать телеграфные и телефонные сообщения. Измерения показали, что радиоволны проходят путь до Луны и обратно за 2,5 с. Односторонняя радиотелеграфная и радиотелефонная связь с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора осуществлялась между Англией и США. Для передачи сигналов использовалась громадная антенна радиотелескопа Манчестерского университета.
В Боннском университете осуществлялся прием отраженных Луной сигналов на волнах 108 и 151 МГц, передаваемых из Бельмара (США). Для радиосвязи использовались передатчик мощностью 50 кВт и передающая антенна в виде параболического зеркала диаметром 15 м. Связь оказывалась возможной в течение 6 ч в сутки. После захода Луны за линию горизонта прием сигнала был возможен еще в течение 10 мин.
Выдвигались проекты использования Луны для ретрансляции передач телевидения. Действительно, телевизионные сигналы, отраженные от Луны, могли бы быть приняты на больших расстояниях, и один передатчик мог бы обслуживать большую территорию. Однако описанные опыты показали, что в настоящее время это неосуществимо.
Исследователи не считают линии связи, использующие отражения радиоволн от Луны, особенно перспективными.
Публикуются сообщения о том, что отражения радиоволн от Луны использовались радиолюбителями для установления дальних связей. Такую работу провел радиолюбитель из штата Нью-Джерси, США, который получал отражения от Луны в течение четырех лет с 1973 по 1976 гг. Он использовал параболическую антенну диаметром 8,5 м, имеющую коэффициент усиления 28 дБ и узкую диаграмму направленности шириной 6° по половинной мощности. Работа велась на волне с частотой колебаний 430 МГц. За эти годы исследователю-радиолюбителю удалось установить двусторонние радиосвязи с радиолюбителями всех континентов. Это еще один пример того, как радиолюбители осваивают новые пути распространения радиоволн.
С запуском 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли открылась новая страница в исследовании планет Солнечной системы. Стало возможным исследовать поверхности и атмосферы планет с близких расстояний. Автоматическая станция «Луна-2» впервые доставила научную аппаратуру к космическому телу и как бы проложила дорогу многочисленным последующим станциям.
Космические аппараты направлялись к Луне, Марсу, Венере, Меркурию, Юпитеру и с близкого расстояния сообщали сведения о Луне и планетах. На поверхностях Луны, Венеры и Марса работали приборы, доставленные сюда космическими аппаратами. Запускались искусственные спутники Луны, Венеры, Марса, которые позволили обследовать эти небесные тела со всех сторон и получить изображение невидимой для нас обратной стороны Луны.
На космических кораблях и станциях устанавливается различная аппаратура. Ведется радиоастрономическое наблюдение за излучением планет и устанавливается радиолокационная аппаратура, позволяющая со сравнительно небольших расстояний проводить более детальные исследования поверхностей и атмосфер планет.
Оказалось, что наиболее полные данные можно получить в том случае, когда исследования при помощи аппаратуры, установленной на космических кораблях, сочетаются с наземными радиоастрономическими и радиолокационными наблюдениями.
Подробные данные о строении атмосфер планет дает их радиопросвечивание. Для проведения радиопросвечивания передатчик, установленный на борту
космического аппарата, посылает сигналы, принимаемые на Земле. По мере захода аппарата за планету радиоволны все больший путь проходят в атмосфере планеты, и траектория волны проходит все ближе к поверхности планеты.
Атмосфера планет неоднородна, и в ней происходит рефракция радиоволн аналогично тому, как это имеет место в атмосфере Земли. По мере движения аппарата меняется траектория и скорость распространения волны в атмосфере планеты. Наблюдая за направлением прихода сигнала и изменением его фазы, получают данные об изменении коэффициента преломления атмосферы планеты с высотой. Все эти измерения проводятся на волнах УКВ диапазона.