Анализ системы радиосвязи Земля-Луна при полете "Аполлона-11"

В работе проведён анализ организации системы радиосвязи между Центром управления полётами в Хьюстоне и лунным орбитальным модулем космического аппарата «Аполлон 11» при закрытии его Луной. Показано наличие аномалий в сеансах связи, требующих объяснений.

(Дополнение вдогонку)

Внимание!

Статья, судя по всему, содержит ошибки сводящие ее выводы на нет.

см. таблицу в "комментарии автора".

УДК 621.396.946.2; ГРНТИ 49.43.31

АНАЛИЗ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ ЗЕМЛЯ-ЛУНА ПРИ ПОЛЁТЕ «АПОЛЛОНА-11»

И. Васильев

Специальное конструкторско-технологическое бюро «Гранит»,

Республика Казахстан, Алматы, iv@granit.kz

Аннотация. В работе проведён анализ организации системы радиосвязи между Центром управления полётами в Хьюстоне и лунным орбитальным модулем космического аппарата «Аполлон 11» при закрытии его Луной. Показано наличие аномалий в сеансах связи, требующих объяснений.

Ключевые слова: космическая радиосвязь, Апполон 11, аномалия

ANALYSIS OF THE RADIO COMMUNICATION SYSTEM THE EARTH - MOONDURING THE “APOLLO - 11” FLIGHT

I. Vassilyev

JSC Special Design and technology Bureau “Granite ”,

Almaty, Kazakhstan, iv@granit.kz

Abstract. This paper deals with the analysis of organization of radio communication system between Mission Control Center in Houston and the lunar orbital module of the space vehicle «Apollo - 11» at closing of the module by the moon. It is shown the presence of anomalies in the communication sessions demanding explanations.

Keywords: space radio communication, Appolo - 11, anomaly

    21 июля 1969 года произошло важное событие для всего человечества. Первый человек ступил на поверхность Луны. Этим человеком стал американский астронавт Нил Армстронг, командир космического корабля «Аполлон 11». Почти сутки спускаемый лунный модуль пробыл на поверхности Луны. С лунным и с орбитальным модулями велись сеансы радиосвязи, шла прямая телевизионная трансляция с поверхности земного спутника.

    В процессе этого полёта была испытана уникальная система радиосвязи. Её уникальность заключалась в том, что радиосвязь необходимо было поддерживать не с одним объектом, как это было, например с советским аппаратом «Луна-3», ещё в октябре 1959 года передавшим снимки обратной стороны Луны, а с двумя одновременно. Лунный посадочный модуль и лунный орбитальный модуль двигались друг относительно друга и обеспечить одновременную и устойчивую связь с ними было не просто. Подобную задачу решать российским специалистам пока не приходилось, поэтому анализ опыта использования систем связи при полётах к Луне кораблей серии «Аполлон», представляется актуальным.

    Подробное описание построения системы радиосвязи, реализованной в программе «Аполлон» для полётов на Луну приведено в документе НАСА [1]. В более популярной форме описание системы связи приводилось в журналах [2, 3]. Описание построения и развития телевизионной системы приведено в документе [4]. В соответствие с этими документами для связи с космическим кораблём, направляющимся к Луне необходимы были очень большие антенны, имеющие большое усиление. После удаления космических кораблей от Земли на расстояние более 18000 километров, связь ними обеспечивалась антенными «тарелками» диаметром 46 метров, установленных вблизи Мадрида (Испания), в Голдстоуне (Калифорния) и Канберре (Австралия).

Рис. 1. 64-хметровая антенна DSS-14 (Голдстоун)

    При таком расположении, хотя бы у одной из антенн, в поле обзора всегда должна быть Луна. Следила за полётом, по официальным данным, и советская станция, находящаяся под Симферополем, более известная как «Наземный измерительный пункт №10 (НИП-10)», предназначенный для обеспечения связи с космическими аппаратами, посылаемыми на другие планеты, на свою антенну диаметром 32 метра. При этом, участник этих событий Молотов, описавший их в своей статье [5], сетовал на то, что уровня сигнала не хватало, так как у 32-хметровой антенны коэффициент усиления в 4 раза меньше, чем у 64-тиметровой.

Рис. 2. Изображение Земли, принятое по телевизионному каналу с одного из «Аполлонов» [5]

    Другой отмечаемой им трудностью была необходимость отслеживания положения космического корабля над Луной, так как антенна, из-за узкого своего луча, могла охватить лишь половину диска Луны. Но луч 64-тиметровой антенны должен быть ещё уже! Значит радиосвязь между Землёй и обоими космическими аппаратами (лунным и орбитальным) после их разделения одновременно могла осуществляться лишь в ограниченные промежутки времени.

    Информация между Землёй и космическим кораблём (и обратно) передавалась на частотах около 2000 МГ ц в групповом канале (как на радиорелейных или спутниковых станциях) с последующим разделением на голосовые, телевизионные и цифровые сигналы. При этом с Земли передавались сигналы на одной частоте, а на Землю - на двух, так как спускаемый аппарат должен был отделиться от основного, остававшегося на орбите Луны. Эта система связи называлась «Apollo Unified S-band System». Между окололунным кораблём и спускаемым аппаратом связь осуществлялась на частотах около 260 МГ ц. Все эти радиоволны являются ультракороткими и радиосвязь возможна только при прямой видимости между антеннами радиостанций.

    При рабочей частоте системы связи 2000 МГц длина радиоволны составляет 15 сантиметров. А это легко позволяет посчитать ширину луча антенны и зону её охвата на орбите Луны. Ширина луча в радианах равна отношению длины волны к диаметру антенны. Разделив 0,15 метров на 64 метра - получим 0,0033 радиана, или 0,13 градуса, или 7,9 угловых секунд. Приняв расстояние до Луны равным 380 тысяч километров, диаметр зоны, в которую должен попасть космический корабль для обеспечения устойчивой связи с ним будет 0,0023*380000 км = 874 километра. Так как диаметр Луны 3476 км (средний угловой диаметр около 31 угловой секунды), то связь одновременная с обоими кораблями становится невозможной при разнице в их угловых координатах более 8 секунд. На практике же эта цифра должна быть вдвое меньше, ведь при наведении на один из кораблей антенны она направлена на него центром своего луча, значит нужно брать не диаметр, а только радиус зоны охвата земной антенны.

    Попробуем оценить, сколько времени должен находиться орбитальный командный отсек в зоне видимости с Земли. Пока без учёта ограничений земных антенн. Нам известно, что он был на орбите близкой к круговой на высоте около 100 километров над поверхностью Луны. Орбита лежала практически в плоскости лунного экватора, чтобы за сутки, проведённые на поверхности луны, спускаемый модуль, при своём старте, не слишком далеко отклонился от неё. Значит, скорость корабля должна быть близка к первой космической скорости. А это задачка из школьного учебника. Радиус Луны 1700 км, её масса 7*10²² кг. Зная гравитационную постоянную, получаем

    Так как орбита аппарата была на 100 км выше поверхности Луны, за один оборот он должен пролетать 2*Pi*(1700+100) км = 11304 км. На это необходимо время (период обращения) 11304/1,7 = 6649 сек = 110,8 мин = 1 час 50 мин 48 сек. Реально должно быть немного больше, так как орбита была не совсем круговая.

    А что говорит расшифровка переговоров, в которой указаны времена начала каждого витка? Обратимся к документу «APOLLO 11    - AIR-TO-GROUND VOICE

TRANSCRIPTION (Аполлон 11 - расшифровка переговоров воздух-Земля)» [6]. Для примера возьмём несколько витков пятого дня полётов:

    Период обращения - 119 минут, почти два часа. Орбитальный модуль должен находиться в зоне видимости с Земли несколько больше половины этого времени, так как радиус его орбиты больше радиуса Луны на 100 км. Это значит, что, уходя за Луну, его ещё некоторое время будет видно. Косинус угла, который пройдёт корабли по своей орбите за это время, равен 1700/(1700+100)=0,9444, а это соответствует 19 градусам. На столько же раньше он должен появляться из-за Луны. Из 360 градусов своей орбиты орбитальный корабль должен быть виден на 180+19+19=218 градусах, и не виден на 142 градусах. Это значит, что из 119 минут орбитального времени связь с Землёй будет возможна в течение 72 минут (1 час 12 минут) и 47 минут её не должно быть (перерыв).

    Точно неизвестно в каком месте орбиты начинается отсчёт времени начала витков, но это должна быть одна и та же точка. И время появления в зоне радиовидимости корабля, при выходе его из-за Луны, должно быть одинаковым. Было бы естественным, если дежурные Центра управления полётом в Хьюстоне волновались за астронавтов, которых не было на связи 47 минут и пытались услышать их голос. Особенно это должно быть характерно для первых оборотов и ответственных участков миссии. Однако этого не происходит.

Таблица 2 - Время начала связи относительно начала витка

    Проследив все витки, можно отметить, что на первом витке Хьюстон начал вызов корабля на 7 минуте от начала витка, а получил ответ на 12-ой. В дальнейшем связи начиналась в среднем на 25 минуте. На 27 витке, перед ответственной стыковкой с взлетевшей уже с Луны лунной кабиной, связь была установлена на 30 минуте. Всегда, кроме 15 витка инициатива начала связи была за Хьюстоном. Вероятно, после первого витка успокоились, но можно утверждать, что в зону радиовидимости орбитальный модуль должен попадать через 12 минут после начала витка, и должен переставать отвечать за 47-12=35 минут перед началом каждого витка. Это можно проверить...

Таблица 3 - Время окончания связи относительно начала витка

    Как видно, связь продолжалась дольше, чем должно быть. В начале первого витка её не было только 34 минуты вместо 47. Тринадцать минут - это очень большая разница. В большинстве же витков вокруг Луны перерыв связи был около 50 минут, однако, на каждом витке начало связи и её окончание относительно начала витка - разные. Ошибка расшифровки стенограммы, или аномальность прохождения радиоволн?

    И самый ответственный момент - прогулка по Луне. Она продолжалась 2 часа, шла телевизионная трансляция. В это время антенна земной станции, несомненно, должна быть строго направленной на точку посадки, в район Моря Спокойствия. Связь с орбитального модуля с Землёй возможна не более 15 минут пролёта над лунным модулем, а связь модулей между собой, ограничивающаяся лунным горизонтом - только в течение 12 минут. Шёл семнадцатый виток пребывания корабля Колумбия на лунной орбите. Он должен был закончиться в 13 часов 44 минуты пятых суток полёта Аполлона 11. Связь с лунным модулем была практически беспрерывной. А с орбитальным модулем?

    Антенна, направленная на точку посадки (23 градуса восточной долготы на лунном экваторе) могла охватывать только треть лунного диска. Она не могла обеспечивать связь в западном полушарии и на краю восточного полушария. Установление связи должно произойти по крайней мере, на 15 минут позже, чем обычно. Но связь с орбитальным модулем, как и на многих других витках, была обычной. Последняя фраза Коллинза, перед тем, как он улетел на невидимую сторону Луны, была зафиксирована в 13 часов 19 минут 46 секунд, за 24 минуты до окончания витка. Но это крайний западный край лунного диска. Связи не должно быть! Уже 12 минут как началась «прогулка» Армстронга по Луне! Невероятная аномалия.

    Коллинз вновь выходит на связь в 14 часов 8 минут 53 секунды. Через 24 минуты после начала восемнадцатого витка. Как и на многих других витках, но этого не должно быть. Связь с орбитальным модулем продолжается параллельно со связью с находящимися на Луне астронавтами с перерывами не более чем на 15 минут до 15 часов 18 минут, пока орбитальный модуль вновь не уходит за край лунного диска.

    В 14 часов 27 минут оператор из Хьюстона говорит Коллинзу: «Roger. You should have VHF AOS with the LM right about now. VHF LOS will be about 40 minutes 15 seconds. Over.» Это означает в вольном переводе: «Сейчас Вы сможете пообщаться с лунным модулем по каналу УКВ связи. Связь будет возможна до 40 минут 15 секунд». Это означает, что лунный модуль должен был пролететь над местом прилунения приблизительно в 14 часов 33 минуты и астронавты обязаны были видеть свой орбитальный модуль как очень яркую звезду. Жаль, что они об этом не рассказывали или не догадались посмотреть на небо в этот момент.

Библиографический список

1.    . Proceedings of the Apollo unified S-band technical conference// Held at Goddart Spece Flight Center, Juli 14-15, 1965.

2.    W. Kelley, The Voice of Apollo-8// «CQ», March 1969.

3.    W. Kelley, Said the Spider in the Sky// «CQ», June 1969.

4.    Paul P. Coan, Apollo experience report - television system// National Aeronautics and Space Administration, Washington DC, November 1973.

5.    Е. Молотов, Мы «видели», как американцы садились на Луну...// «Новости космонавтики», №8, 2005г.

6.    APOLLO 11 - AIR-TO-GROUND VOICE TRANSCRIPTION// Manned Spacecraft Center, Houston, Texas, July 1969.

Источник: ФГБОУ ВО "Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина"

СТНО 2017 Том 3 стр 138.