Hadi, gidebileceğin bir ay gezisine ne dersin? Şaka yapmayı bırak, ne kadar uzakta olduğunu biliyor musun?
Yazar: güçlü dil Li (Yunnan Gözlemevi, Çin Bilimler Akademisi)
Kısa bir süre önce süper mavi kırmızı ayı hatırlıyor musunuz?
O gece ay yuvarlak ve büyüktü.İnsanlar ayın bize çok daha yakın olduğunu hissetti.Peki ay bizden ne kadar uzakta?
Şekil 1 Chang'e aya uçuyor
Ay ile dünya arasındaki ortalama mesafe yaklaşık 380.000 kilometre.Ay, dünyanın yörüngesinde eliptik bir yörüngede döndüğü için, dünya ile ay arasındaki mesafe her gün farklı oluyor. Aynı zamanda bir dolunaydır.Ay dünyaya en yakın olduğunda, ayın görünen çapı ve alanı daha büyüktür. Dünya ile ay arasındaki mesafeyi doğru bir şekilde ölçmek, ayı incelememiz için çok önemlidir.
Aydan dünyaya mesafe algılama geçmişi
Modern ay lazer menzilleme teknolojisinin doğumundan önce, öncüllerimizin bu değeri doğru bir şekilde ölçmesi kolay değildi.
Dünya ile ay arasındaki mesafeyi ölçmek için yaygın olarak kullanılan yöntemler şunlardır:
Geometrik üçgenleme
Dünya ile ay arasındaki mesafenin kaydedilen en eski ölçümü MÖ 4. yüzyılda eski Yunan gökbilimciler tarafından yapıldı.Nirengi yöntemi ile birleştirilen ay tutulmasının geometrik konumu gözlemlenerek, dünya ile ay arasındaki mesafenin dünya yarıçapının yaklaşık 59-67 katı olduğu hesaplandı.
Paralaks yöntemi
Yirminci yüzyılın başında Fransızlar, dünya ile ay arasındaki mesafeyi ölçmek için güney ve kuzey yarım kürelerde meridyenden ayın yükseklik açısını gözlemlerlerdi.Gözlem sonuçlarının sapması yaklaşık 30 kilometre idi.
Şekil 2 Paralaks yönteminin prensip diyagramı
Örtülme
1952'de Amerikalılar, dünya ile ay arasındaki mesafeyi belirlemek için bu yöntemi kullandı: 384407.6 ± 4.7km.
Radar aralığı
1958'de Birleşik Devletler Kraliyet Radar Enstitüsü bir deney yaptı ve ölçülen son mesafe 384402 ± 1,2 km idi.
Lazer menzili sahnede!
Lunar Laser Ranging (Lunar Laser Ranging) şu anda en doğru yer-ay mesafe ölçüm yöntemidir. Prensibi çok basittir, yani Yer istasyonu, hedefe bir lazer darbesi yayar, lazer darbesinin gidiş-dönüş uçuş süresini ölçer ve yer istasyonu ile hedef arasındaki mesafeyi hesaplamak için ışık hızını birleştirir. .
1962'de Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği, lazer ay ölçüm deneyleri yapmaya başladılar, ancak o zamanlar sadece ay yankısının dağınık yansımasını ölçebiliyorlardı ve ölçüm doğruluğu çok sınırlıydı.
21 Temmuz 1969'da Amerikan Apollo 11 başarılı bir şekilde aya indi.İnsanlar ilk kez ayın yüzeyine adım attı.Ay'a inen astronotlar bir lazer retroreflektör dizisi (Apollo 11, Şekil 3) getirip yerleştirdi. Ay üzerinde önceden belirlenen pozisyonda 46 cm kare olup, erimiş silikadan yapılmış 100 lazer köşe reflektör ile donatılmıştır. Bu tür bir lazer köşe reflektörü aslında lazerin olay yönünü ve yansıma yönünü paralel tutma özelliğine sahip olan ve optik sinyalin lazer menzilinde orijinal emisyon yönü boyunca geri dönmesini sağlayabilen bir optik tetrahedral prizmadır.
Şekil 3 Apollo11 reflektör dizisi
O zamandan beri ABD, Apollo14 ve Apollo15 köşe reflektör dizilerini Ay yüzeyine art arda yerleştirmek için Ay'a inmek için Apollo misyonunu kullandı. Eski Sovyetler Birliği, Lunakhod17 ve Lunakhod21 reflektör dizilerini ay yüzeyine yerleştirmek için Ay gezici Luna17 ve Luna21'i kullandı. Lazer ay ölçümü için toplam 5 adet köşe reflektör dizisi bulunmaktadır (Şekil 4). Lunar Laser Ranging (LLR), o zamandan beri en doğru Dünya-Ay mesafe ölçüm yöntemi haline gelen bu ay köşesi reflektör dizilerinin ortaya çıkmasıdır.
Şekil 4 Ay reflektör dağılımı
LLR'nin gözlemsel verileri, astronomik jeodinamik, yer-ay bilimi, ay fiziği ve ayın şeklini, boyutunu, yüzey özelliklerini ve iç yapısını belirleme, yerçekimi teorisi ve genel görelilik etkileri gibi yerçekimi teorisi gibi birçok bilimsel araştırma için önemli değere sahiptir. Muayene, eşdeğerlik ilkesinin doğrulanması, evrensel yerçekimi sabitinin değişimi ve güneş-ay sisteminin gelgiti LLR verilerinin artan doğruluğu ile (şu anda santimetre altı seviyesinde), bilimsel araştırma sonuçlarının doğruluğu da sürekli olarak gelişmekte ve LLR verilerinin araştırma için kullanılabileceği bilimsel alanlar da genişlemektedir.
Ay ile dünya arasındaki mesafeyi lazerle ölçmek ne kadar zor?
Ay ve dünya arasındaki aşırı mesafe nedeniyle, birçok teknik zorluk takip edildi.
Ay ile dünya arasındaki mesafeyi belirlemedeki ana zorluk, yankı fotonlarının sayısının son derece küçük olmasıdır, çünkü yankı fotonlarının sayısı uzaklığın dördüncü kuvveti ile ters orantılıdır. Teleskopun tam olarak işaretlenmesi ve zayıf sinyallerin tespiti gibi teknik zorluklar da vardır. Bu nedenle, yalnızca bir avuç istasyon lazerle ay ölçümünü başarıyla gerçekleştirebilir.
1 Ağustos 1969'da Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lick Gözlemevi, 3 metrelik bir teleskopla Apollo 11 reflektöründen gelen lazer aralıklı yankı sinyalini başarıyla gözlemledi.22 Ağustos'ta, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki McDonald İstasyonundaki 2,7 metrelik teleskop yankı sinyalini aldı. O zamandan beri, McDonald istasyonu geliştirildi ve mükemmelleştirildi ve dünyanın en önemli lazer ay araştırma istasyonlarından biri haline geldi. Sonraki yıllarda, Fransa, İtalya, Almanya, Avustralya, Rusya, Japonya, Güney Afrika, vb .'deki birkaç istasyon lazer ay ölçümü ile ilgili araştırmalar yürütmüştür (Şekil 5) Son yıllarda, geleneksel lazer ay ölçümü mümkün olmuştur. Amerika Birleşik Devletleri'nde yalnızca APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-range Operation) istasyonu, Fransa'daki Grasse istasyonu ve İtalya'daki Matera istasyonu mevcuttur.
Şekil 5 Lazer ay ölçüm araştırması için istasyonlar
Tam bir LLR yer istasyonu temel olarak teleskop sistemi, optik yol sistemi, foton algılama sistemi ve diğer yardımcı sistemleri içerir. Bu nedenle, bu, birden fazla disiplini içeren karmaşık ve sofistike bir teknolojidir.
Şu anda, geleneksel lazer ay ölçümünü gerçekleştirebilen üç LLR istasyonunun ortak noktası, hepsinin ortak bir optik yol sistemi kullanması, yani lazer emisyonu ve alımı için aynı optik yol sistemi seti kullanmasıdır.
1
Amerika Birleşik Devletleri
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki APOLLO istasyonu, en yeni LLR istasyonudur ve birçok gelişmiş teknoloji ve ekipman kullanır. Ana özelliği, geniş açıklıklı (3,5 m) bir teleskop ve 16 üniteli tek foton detektör dizisinin kullanılmasıdır. 20 Hz frekansa sahip dar darbe genişliğinde (200 pikosaniye) görünür bant (532 nm) lazer Ekipman ve teknolojinin avantajları APOLLO'yu en yüksek ölçüm doğruluğuna sahip LLR istasyonu yapmaktadır.
2
Fransa
Fransa'daki Grasse istasyonundaki teleskopun çapı 1.54 metredir Sistemin ana özelliği şudur: Mesafe ölçümü için aynı enerjiye sahip 532 nm bant lazerden daha yüksek olan kızılötesi bant (1064 nm) lazer daha yüksek atmosferik geçirgenliğe sahiptir. Lazerin foton sayısı.
3
İtalya
İtalya'daki Matera istasyonu, 1.5 metre açıklığa sahip bir teleskop ve 50 pikosaniye darbe genişliği, 100 milijoule enerji ve 10 Hz tekrarlama oranı olan bir lazer kullanıyor.İstasyon, bu yüzyılın başından beri LLR teknolojisini inceliyor ve 2014 yılında geleneksel lazerler kullanıyor. Ayı ölçün.
1972 ~ 2017 Çin çok çalışıyor
Çin'in uydu lazer ölçüm çalışmaları 1972'de başladı ve birinci nesilden üçüncü nesile kadar geliştirme sürecinden geçti.
Şu anda, Çinin insan uydu lazer menzil ağı, tümü en son nesil insan uydu lazer menzil sistemlerine ait olan Şangay, Wuhan, Pekin, Changchun, Kunming vb. Gözlem istasyonlarından oluşmaktadır. Ayrıca, çalışan mobil istasyonlar da vardır. Bu sistemlerin tümü Çin bilim ve teknolojisi tarafından yapılmıştır. İşçiler tarafından başarıyla geliştirildi.
Aynı zamanda, yerli gözlem ağının çalışmalarını koordine etmek için bir uydu lazer menzil koordinasyon grubu kuruldu. Mevcut uydu lazer aralığı doğruluğu 15 mm'den daha iyidir (lageos ve lares gibi özel lazer aralıklı uydular için), kilohertz yüksek tekrarlama frekansı aralığı, gündüz lazer aralığı ve dağınık yansıma aralığı sağlar Kooperatif hedefin radyal yönünde 40.000 kilometreye kadar mesafeye sahip jeosenkron yörünge uydusu.
Çin'deki Şangay Astronomik Gözlemevi, ay lazer menzilleme çalışmalarını yürütmek için uzun yıllardır uydu lazer uzatma teknolojisini deniyor; Son yıllarda, Changchun Uydu Uydu İstasyonu da ay lazer menziliyle ilgili araştırma çalışmaları yürütüyor; Mor Dağ Gözlemevi de gerçekleştirdi. Ay lazer menzilinin uzay deneyleri üzerine ön araştırma; Yunnan Gözlemevi, yıllardır ay lazerinin ilgili araştırmalarına kendini adamıştır ve bir dizi teorik çalışma ve teknolojik atılımlar yapmıştır.
Bununla birlikte, ay lazer reflektörleri ve derin uzay uyduları için, son derece uzun algılama mesafesi nedeniyle, yankı fotonlarının sayısı çok azdır.Çin'de başarılı ay lazer menzilinin emsali yoktur.
Super Plus keyfini çıkarın! Dünya ile Ay arasındaki mesafeyi de belirleyebiliriz!
22 Ocak 2018'de Yunnan Gözlemevi'nin 1,2 metrelik teleskop menzil sistemi, ay reflektörü Apollo15'in lazer yankısını ilk kez başarıyla tespit etti!
2018/1/22 tarihinde 13:05:22 (UTC) olarak ölçülen istasyon ile Apollo 15 arasındaki mesafe 385199028,5 metre ve ölçüm sonuçlarının sapması 1 metredir.
Geçen yüzyılın sonunda, Yunnan Gözlemevi'nin Uygulamalı Astronomi Araştırma Grubu, eski nesil bilimsel araştırmacıların önderliğinde, Çin'deki ay lazerinin teori ve teknik yöntemleri üzerine araştırma yürütmede başı çekti. Yunnan Gözlemevi'nin 1,2 metrelik teleskop sistemine dayanan grup, ay lazer aralığı üzerinde ayrıntılı teorik analizler ve hesaplamalar gerçekleştirdi ve bu yüzyılın başında kademeli olarak bir test platformu inşa ederek ay lazer menzilinin gerçekleştirilmesi için sağlam bir temel oluşturdu.
Şekil 6 Yüksek güçlü lazer
Tablo 1 Lazer parametreleri
2015'in sonundan 2017'nin başına kadar Uygulamalı Astronomi Araştırma Grubu, 1,2 metrelik teleskopun kapsamlı bir yükseltmesini gerçekleştirdi: teleskopun ana aynası ve optik bileşenleri yeniden kaplandı ve teleskop kontrol sistemi yükseltildi. Bu süre boyunca ekip el ele gitti ve ay lazerinin çeşitli bölümlerinin teorik bilgilerini incelemek ve öğrenmek ve yabancı ülkelerin başarılı deneyimlerinden öğrenmek için çeşitli seminerler düzenledi.
Gruptan önce ve sonra, verici ve alıcı dönen aynanın geliştirilmesi ve kontrolü, teleskopun hassas izleme ve işaretleme modeli, ay yüzeyi özelliği tanıma ve çok zayıf sinyal tanıma gibi bir dizi anahtar teknoloji kırıldı. Mayıs 2017'den Ekim 2017'ye kadar, grup, yüksek güçlü lazerlerin bakımını ve hata ayıklamasını (Şekil 6, Tablo 1), ay testi optik yol platformunun yapımını (Şekil 7) tamamladı ve değişen yazılımın güncellenmesini ve yükseltilmesini tamamladı.
Şekil 7 LLR test ışığı yolu
Test platformunun yazılımı ve donanımı hazır olduktan sonra, grup Kasım 2017'de birkaç yer hedefi aralığı deneyleri, düşük yörüngeli uydu aralığı deneyleri, orta-yüksek yörünge uydu aralığı deneyleri ve senkron uydu aralığı deneyleri gerçekleştirdi. Hedefin lazer menzil sinyal yankısı temelinde veriler, sistemin etkinliğini doğrulamak, test platformunun özelliklerini daha iyi anlamak ve testin bir sonraki adımı için deneyim biriktirmek için işlendi ve analiz edildi.
Grup, 2017 Kasım ayının ortalarında resmi olarak bir Ay lazer menzil testi yapmaya başladı. Test sırasında, deneyimleri keşfetmeye ve özetlemeye devam etti ve testte karşılaşılan gerçek sorunları çözdü.
5 Ocak 2018 akşamı, test sırasında az miktarda şüpheli Apollo 15 reflektör sinyali alındı; 22 Ocak 2018 akşamı test sırasında, Apollo 15'ten üç set net yankı sinyali, Şekil 8'deki kırmızı kutuda başarıyla elde edildi. Sinyal noktası için. 3 Apollo15 grubu, 1 grup Apollo14 ve 1 grup Apollo11'in verileri 23 Ocak'ta, 1 grup Apollo14, 24 Ocak'ta; 2 grup Apollo15, 2 grup Apollo14 ve 1 grup Apollo11 verileri 26 Ocak'ta ölçüldü. Kesin bir yankı sinyali ölçülür!
Şekil 8 Apollo15 lazer menzil diyagramı
Ölçüm verilerini işleyerek ve analiz ederek, ölçüm sonuçlarının sapması bir metredir. Bu sonuç hala yabancı gelişmiş istasyonların çok gerisinde olsa da, Çin'in ay lazerinde sıfırdan değişen bir atılım gerçekleştirdi. Daha sonra, Yunnan Gözlemevi'nin uygulama astronomi grubu ilerleme kaydetmeye ve ölçüm doğruluğunu mümkün olan en kısa sürede iyileştirmek için çaba göstermeye devam edecek.
Ay lazer menzilinin başarısı, ülkemizin yer ve ay bilimi alanındaki bilimsel araştırmalarını teşvik edecek ve ülkemizin ay anlayışını derinleştirecektir. Yüksek ölçüm doğruluğu nedeniyle, ay lazer menzil teknolojisi, Çin'in yerçekimi dalgası algılama programı için teknik doğrulama ve destek sağlayabilecek. Çin'in bilim ve teknolojisinin gelişmesi ve ilerlemesiyle, ay lazer menzil teknolojisi, gelecekteki derin uzay keşif uydularına eşlik etme fırsatına sahip olacak.
En önemlisi, yüksek hassasiyetli dünya-ay mesafesi ölçümünün Çin'in Chang'e ay keşif projesine katkıda bulunarak Çin'in Chang'e'nin aya uçuşunu bir efsaneden gerçeğe dönüştürmesidir.
