Lunar Laser Ranging (LLR) - это практика измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны с помощью лазерной локации. Расстояние может быть вычислено по времени обхода из лазерных световых импульсов, распространяющихся на скорости света, которые отражаются обратно на Землю по поверхности Луны или с помощью одного из пяти отражателей, установленных на Луне во время программы Apollo ( 11, 14, и 15 ), а также миссии Луноход-1 и 2.
Хотя можно отражать свет или радиоволны непосредственно от поверхности Луны (процесс, известный как EME ), гораздо более точное измерение дальности может быть выполнено с помощью ретрорефлекторов, поскольку из-за их небольшого размера временной разброс отраженного сигнала составляет значительно меньше.
Доступен обзор Lunar Laser Ranging.
Лазерные измерения дальности также можно выполнять с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, находящихся на орбите Луны, таких как LRO.
Первые успешные испытания для определения местоположения Луны были проведены в 1962 году, когда Луи Смуллину и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института удалось наблюдать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, с помощью лазера с длительностью импульса 50 Дж 0,5 миллисекунды. Аналогичные измерения были получены позже в том же году советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с использованием рубинового лазера с модуляцией добротности.
Вскоре после этого аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить на Луне оптические отражатели, чтобы повысить точность измерений. Это было достигнуто после установки световозвращающей решетки 21 июля 1969 года экипажем Аполлона-11. Еще две группы ретрорефлекторов были оставлены миссиями Аполлон-14 и Аполлон-15. Об успешных лунных лазерных измерениях дальности до ретрорефлекторов впервые было сообщено 1 августа 1969 года на 3,1-метровом телескопе в обсерватории Лик. Наблюдения Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ранжирование обсерватории в Аризоне, то Пик - дю - Миди обсерватории во Франции, Токио астрономической обсерватории и обсерватории Мак - Дональд в Техасе вскоре последовали.
Советские марсоходы « Луноход-1» и « Луноход-2» без экипажа несли группы меньшего размера. Первоначально отраженные сигналы поступали с Лунохода-1 Советским Союзом до 1974 г., но не западными обсерваториями, у которых не было точной информации о местоположении. В 2010 году НАСА «s Lunar Reconnaissance Orbiter находится на Луноход 1 ровер на изображениях и в апреле 2010 года команда из университета Калифорнии варьировались массив. Луноход 2 «s массив продолжает возвращать сигналы на Землю. Решетки Лунохода страдают от снижения производительности под прямыми солнечными лучами - фактор, который учитывается при размещении отражателя во время миссий Аполлон.
Массив Аполлона 15 в три раза больше массивов, оставленных двумя предыдущими миссиями Аполлона. Его размер сделал его целью трех четвертей выборки измерений, сделанных в первые 25 лет эксперимента. С тех пор усовершенствования технологий привели к более широкому использованию небольших массивов такими объектами, как Обсерватория Лазурного берега в Ницце, Франция; и Операция по лазерной локации Луны в обсерватории Апач-Пойнт (APOLLO) в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико.
В 2010-х было запланировано несколько новых световозвращателей. MOONLIGHT отражатель, который должен был быть размещен в частной MX-1E шлюпке, была разработана, чтобы повысить точность измерений до 100 раз по сравнению с существующими системами. MX-1E должен был быть запущен в июле 2020 года, однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX-1E был отменен.
Расстояние до Луны приблизительно рассчитывается по формуле: расстояние = (скорость света × продолжительность задержки из-за отражения) / 2. Поскольку скорость света является определенной константой, преобразование между расстоянием и временем полета может быть выполнено без двусмысленности.
Чтобы точно рассчитать расстояние до Луны, необходимо учитывать множество факторов в дополнение к времени обхода, равному примерно 2,5 секундам. Эти факторы включают расположение Луны в небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, лунную либрацию, полярное движение, погоду, скорость света в различных частях воздуха, задержку распространения в атмосфере Земли, расположение наблюдательная станция и ее движение из-за движения земной коры и приливов, а также релятивистских эффектов. Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. Орбиты Луны и планет численно интегрированы вместе с ориентацией Луны, называемой физическим освобождением.
На поверхности Луны луч имеет ширину около 6,5 километров (4,0 мили), и ученые сравнивают задачу наведения луча с использованием винтовки, чтобы поразить движущуюся монету в 3 километрах (1,9 мили). Отраженный свет слишком слаб, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом. Из 10 21 фотонов, направленных на отражатель, только один принимается обратно на Землю даже при хороших условиях. Они могут быть идентифицированы как исходящие от лазера, потому что лазер очень монохроматический.
По состоянию на 2009 год расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. В относительном смысле это одно из самых точных измерений расстояния, когда-либо сделанных, и оно эквивалентно по точности определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до человеческого волоса.
В таблице ниже представлен список активных и неактивных станций лунного лазерного дальномера на Земле.
Станция | Акроним | Продолжительность работы | Характеристики лазера | Точность | Ссылка |
---|---|---|---|---|---|
Обсерватория Макдональда, Техас, США | 2,7 м РСЗО | 1969 - 1985 гг. 1985 - 2013 гг. | Рубин, 694 нм, 7 Дж Nd: YAG, 532 нм, 200 пс, 150 мДж | ||
Крымская астрофизическая обсерватория, СССР | КрАО | 1974, 1982 - 1984 гг. | Рубин | 3,0 - 0,6 м | |
Обсерватория Лазурного берега, Грасс, Франция | ОСА MeO | 1984 - 1986 1986 - 2010 гг. 2010 - настоящее время (2021) | Рубин, 694 нм Nd: YAG, 532 нм, 70 пс, 75 мДж Nd: YAG, 532 нм и 1,064 мкм | ||
Обсерватория Халеакала, Гавайи, США | ПРИМАНКА | 1984 - 1990 гг. | Nd: YAG, 532 нм, 200 пс, 140 мДж | 2,0 см | |
Лазерная обсерватория Матера, Италия | MLRO | 2003 - настоящее время (2021) | Nd: YAG, 532 нм | ||
Обсерватория Апач-Пойнт, Нью-Мексико, США | АПОЛЛОН | 2006-2020 гг. | Nd: YAG, 532 нм, 100 пс, 115 мДж | 1,1 мм | |
Геодезическая обсерватория Ветцелль, Германия | WLRS | 2018 - настоящее время (2021) | 1.064 мкм, 10 пс, 75 мДж |
Данные лунного лазерного дальномера собираются для извлечения числовых значений для ряда параметров. Анализ данных о диапазоне включает динамику, земную геофизику и лунную геофизику. Проблема моделирования включает в себя два аспекта: точное вычисление лунной орбиты и ориентации Луны и точную модель времени полета от станции наблюдения до ретрорефлектора и обратно на станцию. Современные данные лунного лазерного дальномера могут соответствовать среднеквадратическому среднеквадратичному отклонению в 1 см.
В модельный ряд входят
Для наземной модели источником подробной информации является Конвенция IERS (2010 г.).
Данные лазерных локационных измерений Луны доступны в Центре лунного анализа Парижской обсерватории, в архивах Международной службы лазерных локаций и на активных станциях. Вот некоторые из результатов этого длительного эксперимента :
Аполлон-14 - Ретро-отражатель для определения дальности Луны ( LRRR )
Коллаборация APOLLO Время возврата фотонного импульса
Лазерная локация на фундаментальной станции Веттцелль, Бавария, Германия
Лазерная дальность в Центре космических полетов Годдарда