Картографирование Луны

Один из составных элементов космических исследований — фотографирование. В США за время космической эры с космических кораблей и аппаратов получено большое количество различных фотографий. Они несомненно являются историческими, и большинство из них исключительно красивы.

Содержание материала

Один из составных элементов космических исследований — фотографирование. В США за время космической эры с космических кораблей и аппаратов получено большое количество различных фотографий. Они несомненно являются историческими, и большинство из них исключительно красивы.

Первоначально сделанные фотографии поверхности Земли показали, что получение снимков с орбиты даже с учетом ослабления, вызванного земной атмосферой, не является такой трудной проблемой, как ожидалось ранее. Они также продемонстрировали огромные преимущества подобных обзоров с орбиты для классификации земель и нужд региональной геологии и географии. Однако отсутствие систематичности, недостаточный контроль за положением и высотой фотокамеры, а также сложность расшифровки геометрических конфигураций почти сводят на нет ценность этих фотографий д,ля серьезного научного использования. Это особенно справедливо для составления топографических и геологических карт Луны, которые являются фундаментальной основой для понимания ее происхождения и истории.

После первой пилотируемой посадки на Луну, осуществленной «Аполлоном-11» в июле 1969 г., НАСА (НАСА — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США.— Ред.) выразило пожелание, чтобы дальнейшее научное исследование было оснащено новыми фотографическими системами для их использования на космическом корабле, вращающемся вокруг Луны. Для научного руководства разработкой этой проблемы была организована группа ученых по проекту орбитального научного фотографирования на космических кораблях «Аполлон» с целью фотографирования и картографирования Луны. Группа состояла из 14 человек. В ее задачи входили: выбор систем фотокамер; контроль за их изготовлением; наблюдение за калибровкой фотоаппаратуры; определение местоположения фотокамер в космическом корабле (в частности, с точки зрения удобства управления ими); обучение летных экипажей обращению с фотоаппаратурой ; выбор программ фотографических экспериментов; определение их продолжительности в общей программе полета; разработка методики обработки данных и составления карт на основе полученных фотографий.

Во время организации группы полеты «Аполлонов» планировались с интервалом в 6 месяцев и их общее число предполагалось равным 20. Ожидалось, что в результате 20 полетов можно будет получить полное фотографическое покрытие Луны. Программа «Аполлон» была разделена на две серии. В Н-серии (все полеты до «Аполлона-14» включительно) все орбитальные научные эксперименты должны были производиться из экипажного отделения командного отсека. В J-серии («Аполлон-15» и последующие полеты) в служебном отсеке была выделена секция научной аппаратуры (названная SIM-bay), с тем чтобы разместить там ряд орбитальных научных приборов, включая систему фотокамер. Необходимо было выбрать такую аппаратуру, которая могла бы быть построена, испытана и отработана в течение имеющегося в распоряжении ограниченного времени, а также подходила для космического корабля по весу и объему. Впоследствии программа существенно была сокращена до 17 полетов, а после аварии на «Аполлоне-13» интервал между полетами удлинился до 9 месяцев. Эти изменения, конечно, сузили общую площадь фотографирования Луны, но не повлияли на выбор фотографической системы.

Ниже будет рассказано о научной фотоаппаратуре «Аполлонов» и об основных результатах, полученных с ее помощью. Некоторая детальность изложения поможет читателю представить все те трудности, которые возникают при использовании в космосе, казалось бы, старых и хорошо разработанных методов фотографирования.


Лунная топографическая фотокамера

Первой из новых фотографических систем была видоизмененная рекогносцировочная камера (КА-74) фирмы «Хайкон Мэнуфэктуринг Компани». Фотокамера (Лунная топографическая фотокамера имела фокусное расстояние, равное 460 мм, относительное отверстие объектива — 1:4, формат снимка — 115´115 мм на 127-миллиметровой (5-дюймовой) катушечной пленке, размещенной в сменных кассетах емкостью 430 кадров.) не предназначалась для целей картографирования: ее функцией было получение подробной информации о поверхностных условиях в местах предполагаемых посадок для будущих полетов.

Как показано на рис. 1, фотокамера помещалась на иллюминаторе люка командного отсека «Аполлона». Для того чтобы получить фотоснимки, весь космический корабль совершал маневр, приводивший ось фотокамеры к вертикальному положению.

ris 1

Рис. 1. Лунная топографическая фотокамера, установленная на иллюминаторе командного отсека на «Аполлоне-13»

Астронавт-фотограф имел контрольный прибор, который, кроме подсчета кадров, позволял регулировать количество кадров в минуту, с тем чтобы получить непрерывный маршрут фотографирования и определять величину экспозиции при различных условиях освещенности лунной поверхности.

Впервые эта фотокамера была установлена на «Апполлоне-13» в апреле 1970 г. Однако, как хорошо известно, взрыв кислородных баллонов в служебном отсеке заставил космический корабль вернуться на Землю до того, как были проведены какие-либо эксперименты около Луны,

Фотокамера была установлена снова на «Аполлоне-14» в феврале 1971 г. Главной целью экспериментов с ней было получение фотографий с высоким разрешением в районе кратера Декарт, который был предварительно выбран для места посадки «Аполлона-16». Со средней высоты 110 км над поверхностью Луны каждый кадр покрывал 27,5´27,5 км с основным разрешением около 2 м. К сожалению, фотокамера была наполовину неисправна во время работы первой   кассеты,   и   было   получено только около 200 пригодных фотографий. С естественным упрямством неодушевленных предметов эта авария произошла как раз тогда, когда космический корабль достиг своей главной цели. На последних витках обращения вокруг Луны в качестве замены была использована камера модели Хасселблад с пятисотмиллиметровым объективом и выбор места посадки «Аполлона-16» был сделан на основе этих фотоснимков.

Та же самая фотокамера, слегка модифицированная для работы на земной орбите, теперь используется на «Скайлэбе», на котором она дала отличные снимки.


Фотокамеры SIM-bay

Фотографические системы, размещенные в секции SIM-bay на «Аполлоне-15», «Аполло-не-16» и «Аполлоне-17», были первыми и пока единственными правильными фотографическими системами картографирования, запущенными НАСА. Рис. 2 показывает секцию SIM-bay космического корабля «Аполлон-17», а рис. 3 — различные приборы этой секции, использованные для орбитальных научных фотоисследований во время полета. Здесь были размещены две отдельные системы фотокамер.

ris 2

Рис. 2. Командный и служебный отсеки « Аполлона-17» перед стыковкой с лунным отсеком. Открытая часть — секция научной аппаратуры (SIM—bay), в которой установлены фотокамеры и другая орбитальная научная аппаратура

ris 3

Рис. 3. Расположение фотоаппаратуры в секции  SIM—bay на «Аполлоне-17»

Картографическая система фотокамер состояла из трех компонентов, показанных на рис. 4 и 5. Главная (картографическая) камера производила фотографирование лунной поверхности, когда космический корабль вращался вокруг Луны. Вторая камера (звездная) была направлена вбок от космического корабля и фотографировала поле звезд каждый раз, когда работала картографическая камера. Третий компонент системы представлял собой лазерный высотомер, который определял расстояние от космического корабля до поверхности Луны.

ris 4

Рис. 4. Картографическая  система «Аполлона»

ris 5

Рис. 5. Расположение трех основных компонентов картографической системы «Аполлона» : картографической фотокамеры, звездной фотокамеры и лазерного высотомера

Для освобождения поля зрения звездной камеры от посторонних предметов вся картографическая система была установлена на рельсах и, когда делалось фотографирование, выдвигалась наружу из космического корабля.

Панорамная камера «Итек» (от названия фирмы-изготовителя), показанная на рис. 6, является одним из необычнейших приборов.

ris 6

Рис. 6. Панорамная фотокамера «Апполона» (в футляре и без него) равный удвоенному расстоянию от высотомера до поверхности Луны.

В обычной панорамной фотокамере (рис. 7) объектив вращается вокруг оси, перпендикулярной продольной оси камеры, а пленка размещается на цилиндрической поверхности (пленочном цилиндре) с радиусом, равным фокусному расстоянию объектива.

ris 7

Рис. 7. Принцип действия обычной панорамной  фотокамеры

Длина же пленки для одного кадра равна фокусному расстоянию объектива, помноженному на угол сканирования (Угол сканирования — угол поворота панорамной камеры около ее оси вращения для получения одного панорамного снимка. — Ред.) в радианах. Фотокамера «Аполлона» имеет фокусное расстояние 610 мм и угол сканирования 108° (—1,884 радианы), т. е. каждый кадр пленки имеет длину 1150 мм. В результате фотокамера с обычной конструкцией была бы слишком большой для того, чтобы поместиться в секции SIM-bay. Эта проблема была решена (рис. 8) путем искривления оптического луча с помощью зеркал и замены оси вращения: оно производится вокруг продольной оси камеры, а не вокруг оси, перпендикулярной к ней, как в обычном варианте. Это позволило снизить радиус пленочного ролика до 122 мм. Однако все равно 1150 мм пленки должно было пройти экспозиционную щель в процессе вращения объектива на 108°.

ris 8

Рис. 8. Принцип действия панорамной фотокамеры «Аполлона». Здесь используется оптическая система с ломаным лучом, вращающаяся около своей продольной оси

Так как весь кадр не мог уместиться на пленочном цилиндре, пленку пришлось привести в движение. Когда объектив вращается в одном направлении, пленка должна двигаться в другом. Для сохранения высокого разрешения свойственного данному объективу, эти относительные движения должны быть очень тщательно прокалиброваны.

Пленка для обеих систем фотокамер помещалась в специальных быстросменных кассетах.

Рис. 9 показывает астронавта Рон Эванса, извлекающего кассету фотокамеры из секции SIM-bay «Аполлона-17». Кассеты затем были перенесены в командный отсек и возвращены на Землю для обработки пленки.

ris 9

Рис. 9. Астронавт Рон Эванс в открытом космосе вынимает кассету с пленкой картографической фотокамеры на обратном пути «Аполлона-17» к Земле


Картографическая система фотокамер

В этих камерах пленка из подающей катушки проходит мимо фокальной плоскости к принимающей катушке. Различные валики и запорные устройства способствуют тому, чтобы определенное количество пленки подавалось в течение каждой экспозиции и чтобы пленка всегда находилась в определенном натянутом положении. Эти качества камеры определяют точность снимков. Когда работает фотокамера, необходимо поддерживать непрерывное вращение подающей и принимающей катушек для того, чтобы избежать опасных вибраций, которые могут быть вызваны их пуском и остановкой. Каждая камера снабжена двумя механизмами петлеобразующих валиков. Когда пленка находится в стационарном положении в фокальной плоскости в течение экспозиции, непрерывное вращение подающей катушки образует петлю из пленки на стороне подачи. После того как экспозиция оканчивается, пленка перемещается, петля на стороне подачи исчезает, а на приемной стороне образуется новая петля. Эта петля поглощается принимающей катушкой в следующий раз, когда пленка находится в стационарном состоянии в фокальной плоскости.

В течение экспозиции пленка заключена между стеклянной пластиной фокальной плоскости и прижимной плитой, которая способствует тому, чтобы пленка была плоской. На пластины фокальной плоскости гравировкой наносится сетка — ряды очень тонких перекрещивающихся линий (а вернее сказать, только крестики).

Положения этой сетки точно определяются перед сборкой фотокамеры. Во время обработки данных измеряются положения сетки, зарегистрированные на пленке. Это делается для того, чтобы определить величину деформаций пленки, полученных при фотографировании или ее обработке, и внести, если это возможно, соответствующие поправки.

После окончания экспозиции прижимная плита отодвигается от поверхности пленки, позволяя ей передвигаться по фотокамере. Корпус камеры наполнен газом, препятствующим созданию статического электрического заряда, который вызывается движением пленки, и не позволяющим пленке становиться излишне хрупкой из-за трудных условий в окрестностях Луны.

Все перечисленные особенности присущи обеим камерам: и картографической, и звездной.

В конусе объектива картографической фотокамеры и в фокальной плоскости звездной камеры размещены координатные метки. Это лампочки, которые зажигаются в нужные моменты. Их изображения на пленке позволяют определять пересечение оси объектива с фокальной плоскостью, а также задают прямоугольную систему координат для обработки фотографий. Угловое соотношение между координатными системами картографической и звездной фотокамер необходимо для обработки данных и определяется до полета тщательной процедурой калибровки. Так как сама картографическая камера движется в космическом пространстве, то при расшифровке снимков мы должны знать, откуда и под каким углом производилось фотографирование, а это можно установить, только зная угловое соотношение и сравнивая снимки звездной камеры со снимками звезд, полученных в те же моменты на наземных обсерваториях. Звездная камера, по сути дела, служит только для определения направления картографической.

Картографическая камера имеет два затвора: дисковый и шторный. Освещенность лунной поверхности определяется прибором автоматической регулировки величины экспозиции. Сервомеханизм позволяет получить время экспозиции от 1/15 до 1/250 сек при помощи регулирования скорости вращения дискового затвора. Так как этот диск вращается непрерывно (от 80 до 1280 оборотов в минуту), шторный затвор открывается только на определенное время.

Для получения изображения достаточного числа звезд звездной фотокамере необходимо фиксированное время экспозиции, равное 1,5 сек. Оно задается шторным затвором. Средние точки временных интервалов экспозиций звездной фотокамеры и картографической фотокамеры синхронизированы с точностью до 1 миллисекунды.

Космический корабль «Аполлон» передвигается около лунной поверхности со скоростью приблизительно 1500 м/сек. При средней выдержке, равной 1/100 сек, это вызвало бы нежелательное смазывание изображения в фотографиях поверхности в пределах 15 м. Для предотвращения этого смазывания определяется величина V/H (скорость космического корабля V, деленная на высоту корабля над поверхностью Луны Н). Переключатель регулировки в командном  отсеке   устанавливается астронавтом на одно из пяти дискретных положений, соответствующих интервалу высот 95—125 км. Рама картографической камеры, содержащая стеклянную пластину с сеткой, пленку и прижимную плиту, передвигается в течение экспозиции с тем, чтобы создать компенсацию нежелательному сдвигу изображения. Скорость рамы зависит от величины V/H. Свет лампочек, изображение которых создает координатные метки, включается в средний момент передвижения фокальной плоскости.

Несмотря на большое время экспозиции, для звездной фотокамеры не требуется компенсация сдвига, так как звезды находятся на бесконечном расстоянии (Н – ¥).

Временной интервал между последовательными экспозициями также является простой функцией от V/H и от желаемой величины перекрытия последовательных снимков. Для всех полетов «Аполлона»   продольное   перекрытие (т. е. совпадение двух последовательных снимков) составляло 78% (в дополетных условиях эта величина могла быть задана в интервале 55—78%). Когда астронавт фиксирует V/H, автоматически устанавливается и временной интервал между экспозициями. Он меняется от 20,4 сек для высоты 95 км до 27,4 сек для высоты 125 км.

В то время как пленка находится в стационарном положении в течение каждой экспозиции, блок данных фиксирует момент времени, отсчитываемый на космическом корабле, время экспозиции и расстояние до поверхности, определенное лазерным высотомером. Блок данных звездной фотокамеры фиксирует только момент времени. Это позволяет после обработки пленки каждый снимок звездной камеры связать с соответствующим снимком картографической камеры.

На последней установлен ряд датчиков. Они регистрируют температуру объективов и кассет с фотопленкой, оставшееся количество пленки, время экспозиции, положение переключателя V/H, а также положение камер в отсеке (выдвинуты они из корабля или нет). Эти данные телеметрически передаются на Землю и фиксируются на телевизионном пульте в Центре управления полетом для того, чтобы техники и ученые могли контролировать исправность фотокамеры и выполнимость фотографических экспериментов.

При помощи этой фотографической системы, размещенной на кораблях «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17» были получены три типа фотографий. Основной тип — это непрерывные маршруты фотографирования, простирающиеся от терминатора (граница, разделяющая поверхность Луны на освещенную и теневую области) к терминатору при вертикальном положении оси объектива фотокамеры. Траектория фотографирования планировалась так, чтобы получить 55-процентное поперечное перекрытие между соседними маршрутами фотографирования. На рис. 10 представлен этот тип фотографий: на их основе составляются карты.

ris 10

Рис. 10. Вертикальная фотография кратера Птолемей, полученная картографической фотокамерой «Аполлона-16». Этот кратер имеет около 150 км в поперечнике. Дно кратера из материала светлой окраски с относительно плоской структурой. Объект, попавший в поле зрения справа, представляет собой выдвигающийся стержень, к которому прикрепляется спектрометр гамма-излучения для измерения радиоактивности лунных пород. Из-за ограниченного времени нахождения на орбите некоторые фотографии делались с выдвинутым стержнем

Периодически в течение полета менялась высота космического корабля и были получены непрерывные маршруты перспективных фотографий, простирающихся за лунный горизонт. Этот тип фотографий, представленный на рис. 11, является наиболее живописным: он искусственно раздвигает пределы обозреваемой области, непосредственно видимой с борта космического корабля.

ris 11

Рис. 11. Перспективный вид, полученный в направлении к югу от космического корабля «Аполлон-16». Огромный кратер имеет около 75 км в поперечнике. Среди его интересных особенностей — необычная форма центрального пика. Тщательное рассмотрение фотографии (может быть, с увеличительным стеклом) позволит обнаружить черные крестики в фокальной плоскости картографической фотокамеры

Третий тип фотографий, представленный на рис. 12, был получен при удалении космического корабля от Луны. Вся пленка, оставшаяся после завершения фотографирования с лунной орбиты, была израсходована для этой цели. Хотя эти фотографии сходны с видом Луны в телескоп, они запечатлели районы Луны, никогда не видимые с Земли, и оказались полезными при соединении вместе различных типов фотографий, полученных в течение всех лунных экспедиций.

ris 12

Рис. 12. Полный диск Луны, сфотографированный из «Аполлона-16» после того, как он покинул лунную орбиту. Север находится в направлении  верхнего правого угла снимка. Темная область вверху слева — Море Кризисов, ниже правее — Море Краевое,   еще ниже,  левее — Море Смита

Общая площадь покрытия лунной поверхности фотографиями картографической камеры, полученными на «Аполлоне-15», «Аполлоне-16» и «Аполлоне-17», показана на рис. 13.

ris 13

Рис. 13. Диаграмма общей поверхности Луны, сфотографированной картографическими камерами « Аполлона-15», «Аполлона-16» и «Аполлона-17». Форма покрытия определялась местами посадок космических кораблей и условиями освещенности


Лазерный высотомер

Лазерный высотомер, хотя и смонтированный как часть картографической системы фотокамер, в действительности — самостоятельный прибор. Он работает в двух   различных режимах. Когда работает картографическая фотокамера, высотомер включается синхронно относительно среднего момента времени каждой экспозиции фотокамеры. Для этой цели при достартовой калибровке оптическая ось высотомера была сделана параллельной оси объектива фотокамеры. Высотомер может также работать независимо. В этом случае он включается каждые 20 сек.

Высотомер определяет расстояние от космического корабля до поверхности при помощи измерения промежутка времени, необходимого для того, чтобы лазерный импульс, посланный к поверхности Луны, отразился от нее и был зарегистрирован прибором. Умножив этот промежуток времени на скорость света, мы получим полный путь луча лазера,

При получении сигнала от картографической камеры (для   одновременной  работы с ней) или от системы отсчета времени космического корабля (для самостоятельной  работы) включается луч лазера и индикатор дальности определяет искомое расстояние. Измеренная величина затем посылается в  картографическую камеру для занесения на фотопленку и в систему сбора данных космического корабля для регистрации на магнитофонную ленту.

Данные, включающие температуры, измеряемые высоты и другие параметры, передаются также в Центр управления полетом.

На  «Аполлоне-15»   высотомер   был   неисправен в течение одной трети  полета   около Луны вследствие загрязнения оптической системы. Для «Аполлона-16» были сделаны изменения в аппаратуре и принята более скромная программа экспериментов. Лазер функционировал в течение всего полета, но процент качественных данных в течение полета непрерывно уменьшался до приблизительного значения 10% при последних экспериментах. Были сделаны дальнейшие модификации высотомера для «Аполлона-17». В этом полете   аппаратура   работала   так   хорошо,   что в расписание полета были включены  дополнительные эксперименты с высотомером.


Панорамная камера

Верхние и нижние футляры панорамной фотокамеры полностью ее закрывают, за исключением отверстия объектива, и предохраняют ее от светового, теплового и радиационного влияния. Подвижная панель в крышке фотокамеры позволяет астронавту вынимать кассету с пленкой после окончания фотографирования.

Кроме названных выше оптической системы с ломаным лучом (рис. 8) и пленочного цилиндра с обоймой валиков, поддерживающих фотопленку, панорамная камера имеет механизм переменной щели для регулирования времени экспозиции, шторный затвор, который открывается, когда объектив описывает дугу в 108° под космическим кораблем, и очень сложную механическую часть.

ris 8

Рис. 8. Принцип действия панорамной фотокамеры «Аполлона». Здесь используется оптическая система с ломаным лучом, вращающаяся около своей продольной оси

Важной особенностью этой камеры является ее способность работать в двух режимах: стереоскопическом и моноскопическом. При работе в моноскопическом режиме камера выполняет панорамную съемку лунной поверхности, находящейся непосредственно под космическим кораблем. В этом случае механическая часть (включающая устройство типа карданового подвеса) обеспечивает два рода движений в фотокамере во время экспозиции : первое — вращение вокруг продольной оси (сканирование), второе — компенсационный сдвиг (аналогичный тому, который осуществляется в картографической камере)   для предотвращения смазывания изображения за счет перемещения космического корабля. Продольная ось камеры всегда направлена по движению корабля и камера получает панорамное изображение, грубо говоря, полосы, перпендикулярной этому движению. В этом режиме скорость работы камеры значительно меньше, чем в стереоскопическом, вследствие чего время экспозиции увеличивается. Следовательно, моноскопический режим важен при съемке областей с низкой освещенностью (близ терминатора).

При работе в стереорежиме камера должна получать так называемые стереопары. Для того чтобы получить пространственный эффект при фотографировании, необходимо иметь снимки одного и того же участка поверхности, выполненные под двумя разными углами. Эти снимки и называются стереопарой.

На рис. 14 изображен принцип получения стереопар на космическом корабле «Аполлон». Стереопара с углом между   направлениями съемки в 25° образуется в результате фотографирования из положения 1 с осью камеры, направленной вперед по движению корабля, и из положения 6, когда ось камеры направлена назад. Следующая стереопара получается при фотографировании из положений  3 и 8.

ris 14

Рис. 14. Принцип получения стереопары. Стереопара панорамных фотографий создается фотосъемкой из положения 1 в направлении движения корабля и из положения 6 в обратном направлении

Таким образом, в стереорежиме механическая часть должна обеспечить (помимо уже названных двух видов движения в камере) изменение положения самой камеры в перерывах между экспозициями, с тем чтобы снимки производились поочередно в разных направлениях. Именно в этом процессе основную роль играет устройство типа карданово-го подвеса. Здесь сканирование позволяет получить снимки полос лунной поверхности, которые уже находятся не непосредственно под кораблем, а впереди или сзади него (полосы также перпендикулярны направлению движения корабля). Скорость работы фотокамеры устанавливается такой, чтобы достигнуть 100%-ного перекрытия в стереопаре.

Главный каркас, к которому прикреплена установка карданового подвеса, жестко смонтирован с секцией SIM-bay «Аполлона». В нем размещены подающая и принимающая пленочные катушки и вся электронная система фотокамеры. Как в картографической фотокамере, существенно, чтобы тяжелые катушки непрерывно вращались во время работы камеры, поэтому здесь также образуются пленочные петли в подающей и принимающей частях прибора.

Крайне необходимой компонентой главного каркаса является датчик Скорость/Высота (V/H), который измеряет скорость кажущегося движения поверхности. Выходное напряжение с датчика V/H регулирует последовательность всех операций фотокамеры. Датчик V/H вместе с датчиком величины экспозиции также регулирует ширину относительного отверстия щели, с тем чтобы обеспечить определенную величину экспозиции в заданном диапазоне скорости работы камеры. Если по каким-либо причинам датчик V/H не дает необходимого сигнала, то фотокамера автоматически настраивается на работу при номинальной высоте 110 км. Это неоднократно происходило на «Аполлоне-15»; на «Аполлоне-16» и «Аполлоне-17» регулировка производилась астронавтами из командного отсека. Это достигалось установкой регулятора на фиксированные высоты в интервале 102—111 км.

Перед фотоснимком на пленке отпечатывается совокупность различных данных. Она содержит отсчет времени, последовательный номер кадра, указатель положения карданного подвеса (вперед, вертикально или назад), сигнальную метку V/H, стрелку, указывающую направление полета и ориентацию снимка, а также совокупность выходных данных, содержащую порядковый номер полета «Аполлона», серийный номер фотокамеры и т. д. По краю фотопленки также отпечатываются координатные метки через каждый 2,5° угла вращения объектива, специальная метка, указывающая на центр кадра, и соответствующий этому центру момент времени.

По команде астронавта фотокамера может быть переведена на работу в моноскопиче-ском режиме. Устраняется покачивание на 25° взад и вперед между отдельными кадрами.

Критические температуры, сигнал V/H, положение опорных механических частей, характеристики вращения объектива и другие необходимые данные для каждого кадра телеметрически посылаются в Центр управления полетом.

Невозможно показать на печатном листе как размер, так и качество фотографий, полученных панорамной  фотокамерой   «Аполлона». Рис. 15 представляет собой увеличенное изображение фрагмента одной из фотографий. Общее покрытие лунной поверхности панорамной фотокамерой приблизительно то же, что и покрытие, показанное на рис. 13.

ris 15

Рис. 15. Увеличенное изображение фрагмента панорамной фотографии показывает 6500-метровый центральный пик кратера Циолковский. Кратер был впервые сфотографирован советской автоматической станцией «Луна-3» в 1959 г. и был назван в честь К. Э. Циолковского (1857—1935), пионера ракетной теории и энтузиаста межпланетных перелетов


Фототрансформатор «Аполлона»

Динамическое перемещение панорамной фотокамеры в течение экспозиции дает фотографию с непрерывно изменяющимся искривлением изображения. Если бы на поверхности Луны существовала квадратная сетка, то она отобразилась бы на фотопленке в искаженном виде, как показано на рис. 16. Стереоскопический обзор, интерпретация и составление карт на основе такого искаженного изображения очень затруднительны и требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры.

ris 16

Рис. 16. Сканирование панорамной фотокамеры дает фотографию с непрерывно изменяющимся искривлением изображения. Пятикилометровая квадратная сетка на лунной поверхности была бы деформирована,   как   показано на диаграмме.

Для того чтобы устранить эти искажения и преобразовать панорамные фотографии в эквивалентные, но отвечающие квадратной сетке фотоснимки, разработан фототрансформатор «Аполлона». Этот прибор, осуществляющий первоначальную обработку снимков, в большой степени дублирует действие панорамной фотокамеры путем проекции изображения с фотопленки на экран. Фототрансформатор воспринимает искаженную сетку, изображенную на рис. 16, и преобразует ее обратно в квадратную.

Оптические характеристики проектирующего объектива ограничивают предел действия фототрансформатора интервалом сканирования ±35° относительного центра (всего 70°), хотя панорамная фотокамера имеет область сканирования ±54° (всего 108°). Это означает, что вся область панорамного фотографирования не может быть трансформирована. Однако величина ±35° соответствует величине покрытия картографической фотокамеры и, кроме того, траектория фотографирования панорамной камеры планируется так, чтобы получалось непрерывное покрытие трансформированных панорамных фотографий.

ris 17

Рис. 17. Диаграмма трансформирования снимка, полученного панорамной камерой, в эквивалентное изображение в прямоугольной системе координат с помощью фототрансформатора «Аполлона». Заштрихованная область — уже трансформированный снимок. В него переходит часть искривленного снимка (незаигтрихованная область),  ограниченная 35°

Рис. 17 показывает покрытие трансформированного снимка по сравнению с действительной общей площадью фотографирования панорамной фотокамеры. Трансформированные снимки были получены для всех панорамных фотографий «Аполлона».


Картографирование на основе фотографий «Аполлона»

Фотографическая система «Аполлона» дает уникальный ряд соотнесенных данных, на основе которых может быть проведено исследование Луны и сделано ее картографирование. Эти данные включают в себя параметры траектории космического корабля, фотографии картографической камеры, измерения лазерного высотомера и фотографии панорамной фотокамеры (рис. 18).

ris 18

Рис. 18. Сводная схема полной совокупности картографических данных «Аполлона», состоящей из данных о траектории космического корабля, полученных с Земли; фотографий картографической фотокамеры; фотографий звездной фотокамеры; фотографий панорамной камеры; данных измерений лазерного высотомера

Все эти данные наблюдений объединяются путем введения шкалы универсального времени, по ко-торой они все регистрируются. На основе этих наблюдений можно получить следующую информацию:

  1. 1)единую геометрическую систему для Луны;
  2. 2)топографические фотокарты среднего масштаба для всех областей, которые покрывает картографическая фотокамера;
  3. 3)топографические карты крупного масштаба на основе панорамных фотографий наиболее интересных с научной точки зрения областей;
  4. 4)точную  информацию  об ориентации  и движении Луны;
  5. 5)точную информацию о гравитационном поле Луны;
  6. 6)подробную информацию о геологической структуре и истории Луны.

Математическая формулировка этой информации чрезвычайно сложна, но основные геометрические принципы относительно просты.

1. Данные о траектории и измерения высоты используются для определения положения    космического корабля относительно центра масс Луны в момент каждого снимка, сделанного картографической камерой.

2. Обработка изображения отождествленных звезд на звездных фотографиях используется для определения положения звездной фотокамеры относительно системы небесных координат. Информация об этом положении преобразуется для картографической фотокамеры при помощи дополетной калибровки углового соотношения между обеими камерами.

3. Информация о положениях камеры преобразуется из  системы  небесных  координат в систему координат, связанную с Луной, при помощи существующих математических моделей движений Луны.

4. Метод   фотограмметрической    триангуляции (Фотограмметрическая триангуляция — метод определения координат точек поверхности с помощью фотографий, полученных при аэрофотосъемке или съемке с искусственных космических объектов. — Ред.), применяемый к фотографиям картографической камеры, позволяет   определить широту, долготу и абсолютную высоту большого числа точек лунной поверхности (около 30 точек на каждую фотографию).

Эта сеть отобранных опорных точек составляет основную, как мы говорим для Земли, геодезическую сеть Луны. С помощью фотографий, полученных при удалении космического корабля «Аполлон» от Луны, а также от других космических станций (типа «Лунар-Орбитер», «Зонд» и «Луна»), и при помощи телескопов на Земле эта сеть в конце концов может быть распространена (с меньшей точностью) на всю Луну.

После того как будет установлена опорная сеть, можно будет получить опорные фотокарты с масштабом 1:250 000. Рис. 19 показывает образец одной из таких карт, вы полненных   отделением   картографирования Топографического центра.

ris 19

Рис. 19. Часть опорной фотокарты с масштабом 1:250 000 центрального пика и северного края кратера Циолковский, полученной на основе фотографий картографической фотокамеры

Благодаря своей особой геометрии фотографии панорамной камеры должны быть обработаны   специальной   сложной    аппаратурой. На основе опорных точек, определенных с помощью картографической фотокамеры, уже получены опорные карты с масштабом крупнее 1:10 000 для районов посадки и других областей, представляющих главный научный интерес.

Фотограмметрическая триангуляция для «Аполлона-15» и «Аполлона-17» была проделана отделением картографирования Аэрокосмического центра в Сент-Луисе (шт. Миссури), а для «Аполлона-16» — отделением картографирования Топографического центра в Вашингтоне. Обе эти организации достигли точности фотограмметрии в локализации лунных опорных точек и положений картографической фотокамеры (т. е. и самого космического корабля) во время экспозиции около 20 м. Для космического корабля она в 10—100 раз больше точности его локализации, выведенной на основе траекторных данных. Поэтому такие методы используются для составления эфемерид (Эфемерида — таблица положений движущегося небесного объекта (в частности, космического корабля) в зависимости от времени. — Ред.) космического корабля. Так как орбита космического корабля зависит в основном от гравитационного поля Луны, то можно получить информацию о его пространственных вариациях. Эта работа производится Центром пилотируемых полетов им. Джонсона в Хьюстоне (шт. Техас).

Другая научно-исследовательская работа, проводится совместно Национальной геодезической службой и Американской геологической службой. Ее смысл заключается в том, чтобы получить информацию о небесной ориентации Луны и о ее вращении как дополнительную информацию из фотограмметрического решения. После полетов «Аполлона-15» (июль 1971 г.), «Аполлона-16» (апрель 1972 г.) и Аполлона-17» (декабрь 1972 г.) потребуется значительное время, чтобы получить точную информацию об этих движениях.

Кроме геометрической информации, фотографии панорамной и картографической фотокамер дают подробную и гораздо более исчерпывающую информацию об особенностях лунной поверхности, чем когда-либо до этого.

Геологическая интерпретация и составление карт на основе этих фотографий дают значительный вклад в наши знания о происхождении и истории Луны. Эта работа проводится многими учеными ряда институтов как в Соединенных Штатах, так и в других странах.

Копии фотографий передаются НАСА всем заинтересованным исследовательским группам.


Заключение

Фотографические системы «Аполлона» внесли огромный вклад в наши научные знания о Луне. Например, в рамках теории информации каждый снимок панорамной фотографии может нести до 6´1010 бит (Бит — единица измерения количества информации. — Ред.) информации (очень большая информация). Потребуются многие годы, прежде чем вся информация, содержащаяся в фотографиях, будет выявлена и обработана.

Подобно всей программе «Аполлон», полученные научные достижения сделаны благодаря вкладу, большему или меньшему, многих отдельных ученых и целых  исследовательских групп. Следует отметить Группу по фотографированию с  «Аполлона», которая разработала основные идеи; директоров программы «Аполлон» в   главном управлении НАСА, которые поддержали разработанные идеи;  Управление по научным и прикладным исследованиям и  Управление технологии и разработки исследований в Космическом центре им. Джонсона, которые следили за выполнением контрактов по изготовлению аппаратуры; технический персонал фирм Фейрчилд, РКА и Итек, который сконструировал фотографические системы; персонал фирмы  Норс Америкэн Рокуэлл, который вмонтировал их  в  космический корабль; Управление летных экипажей, которое разработало программу  полета; астронавтов «Аполлона», которые совершили полеты; Отделение фотографической техники в Космическом центре им. Джонсона, которое обрабатывало  фотопленки; ученых Аэрокосмического центра. Топографического центра, национальных Геодезической и Геологической служб, которые  осуществляют обработку и анализ фотографий; и в последнюю очередь, но не умаляя их значения, налогоплательщиков, которые платили государственные налоги.

ris 20

Рис. 20. Графическая интерпретация малого безыменного кратера вблизи кратера Гагарин, расположенного на обратной стороне Луны, никогда не видимой с Земли. Она создана художником Леном Джиттлеменом, который опирался на фотографию, полученную панорамной фотокамерой

Луна всегда была источником вдохновения для влюбленных, поэтов и художников. Рис. 20. представляет собой один из серии великолепных графических рисунков, которые создал художник Лен Джиттлемен и которые представляют собой его интерпретацию лунного ландшафта, сфотографированного панорамной фотокамерой Итек. В наши дни заси-лия науки и техники приятно знать, что люди могут еще понимать и выражать великолепие и красоту Вселенной.

Фредерик Джозеф Дойл
специалист по картографическим системам.

Фотографические системы «Аполлонов» и картографирование Луны // Наука и человечество. 1975. Сборник - М.: Знание, 1974. С. 229–247.