Лазерный ретрорефлектор ( LRRR ) — первый в истории развертываемый эксперимент по лазерной локации Луны . Он был реализован на Apollo 11 как часть раннего пакета научных экспериментов Apollo, а также на Apollo 14 и Apollo 15 как часть пакета экспериментов на поверхности Луны Apollo (ALSEP). LRRR состоит из ряда угловых отражателей, установленных на панели. Лазерные лучи, посылаемые с Земли, отражаются от ретрорефлектора , и время возврата сигнала может использоваться для измерения расстояния от источника сигнала до отражателя. Отражатель был задуман Джеймсом Э. Фаллером в 1961 году. Первоначально главным исследователем эксперимента был Кэрролл Элли из Мэрилендского университета, которого в конечном итоге сменил Фаллер.
Мотивацией для ретрорефлектора послужило желание получить более надежную экспериментальную базу для общей теории относительности и, в частности, проблемы, возникшие с теорией гравитации Бранса-Дикке . [1] Исследовательская группа в Принстонском университете изучала возможность проверки гравитационной постоянной с помощью уголковых отражателей, установленных на искусственных спутниках. В то время лазеры еще не были разработаны, и этот подход потребовал бы использования импульсных ламп . [2] С разработкой первого функционирующего лазера в 1960 году в Bell Labs этот эксперимент больше не ограничивался проведением на искусственных спутниках , и Луна , естественный спутник Земли, также могла быть использована. [3]
Концепция использования уголкового отражателя на Луне появилась в 1961 году у Джеймса Э. Фоллера , который в то время был аспирантом-докторантом. Задуманная с учетом программы посадки NASA Surveyor , его идея состояла в том, чтобы установить уголковый отражатель в резиновом шаре, который можно было бы сбросить с роботизированного посадочного модуля ; после приземления шаровой узел сам бы выпрямлялся и направлял отражатель вверх. Фоллер задокументировал эти идеи в заметке под названием «Предлагаемый лунный пакет (угловой отражатель на Луне)», но поскольку ему нужно было закончить свою диссертацию, дальнейшее развитие концепции произошло не сразу. [3]
В 1962 году были предприняты попытки точного определения дальности Луны с использованием лазеров без ретрорефлекторов, наиболее примечательной из которых была попытка Луиса Смаллина и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института в 1962 году . Поверхность Луны может рассеивать лазерный луч и производить достаточно сильный сигнал, чтобы его можно было обнаружить на Земле, что приводит к измерениям дальности с точностью до 120 метров (390 футов). Однако за пределами этого эффекта рельефа местности становилось проблематичным, и в сочетании с силой отраженного сигнала, который был слабым и временно рассеянным, поверхностное рассеивание было недостаточным для точного определения дальности. [4]
После собрания сотрудников и выпускников Принстона на заседании Физического общества в 1964 году было решено, что эксперимент, основанный на этой концепции, следует предложить НАСА. Планы эксперимента были изложены в статье, опубликованной в 1965 году, а предложение в НАСА было представлено позднее в том же году. [5] Его возглавил Кэрролл Элли , профессор Мэрилендского университета, чья близость к штаб-квартире НАСА сделала его подходящим для роли главного исследователя эксперимента. В то же время был сформирован консультативный комитет по эксперименту по лунному ранжированию (LURE), в состав которого вошли Роберт Х. Дике , Джеймс Э. Фаллер, Дэвид Тодд Уилкинсон , Уильям М. Каула и Гордон Дж. Ф. Макдональд . [6]
Эксперимент должен был быть построен так, чтобы выдержать сложные условия окружающей среды, обнаруженные на поверхности Луны. Это включает в себя большие перепады температур, космическую и солнечную радиацию и лунную пыль , поднятую как прибытием, так и отправлением лунного модуля Apollo . [4] Фаллер определил, что массив кубов-рефлекторов малого диаметра будет работать лучше с точки зрения теплопередачи, чем один или несколько кубов большего размера той же массы. Эти тепловые характеристики были важны, поскольку плавленый кварц, вероятный материал для отражателей, оптически искажается при поступлении тепла от солнечной энергии. [3] Было сильное желание, чтобы эксперимент мог работать в течение лунного дня, чтобы избежать потери возможностей сбора данных в течение дневной половины каждого лунного месяца . [5]
Инструменты Apollo 11 и 14 состояли из 100 твердых уголковых отражателей из плавленого кварца, установленных в квадратной панели размером 45 см (18 дюймов). [6] Угловые отражатели были изготовлены PerkinElmer и Boxton-Beel Inc. Проектирование и изготовление массива были завершены Arthur D. Little Inc. [ 6] Каждый отражатель имеет диаметр 3,8 см (1,5 дюйма), расположен на 1,9 см (0,75 дюйма) ниже верхней поверхности панели и установлен между тефлоновыми кольцами для лучшей тепловой защиты. [5] Панель можно было установить под небольшим наклоном, чтобы она могла представлять более оптимизированную площадь поперечного сечения. [5] Отражатель позволяет возвращать в 10–100 раз более мощный сигнал по сравнению с отражением от лунной поверхности. [5] Ожидаемый срок службы эксперимента превышал 10 лет. [6]
Apollo 11 LRRR был развернут на поверхности Луны астронавтом Apollo 11 Баззом Олдрином 21 июля 1969 года. Комплект был развернут примерно в 60 футах (18 м) от лунного модуля Eagle . [5] Первоначально Олдрин приблизительно выровнял лицевую сторону массива так, чтобы она была обращена к Земле, более точное выравнивание обеспечивалось солнечными часами. [1] Развертывание инструмента заняло около 5 минут. [1]
Обнаружение обратных сигналов с поверхности Луны было выполнено командами из Калифорнийского университета, Уэслианского университета и Центра космических полетов Годдарда в обсерватории Лик ; и из Техасского университета, Университета Мэри и Годдарда в обсерватории Макдональда . 3-метровый (9,8 футов) телескоп обсерватории Лик использовался для начального периода обнаружения сигнала сразу после посадки Аполлона 11. 2,7-метровый (8 футов 10 дюймов) телескоп обсерватории Макдональда использовался как часть долгосрочной программы наблюдений в течение ряда лет. [5]
Каждая площадка использовала свой собственный рубиновый лазер с модуляцией добротности для обеспечения лазерных импульсов, длиной в десятки наносекунд и с энергией приблизительно 7 джоулей на импульс. Каждый телескоп использовался для уменьшения расхождения лазерного луча всего до 2 угловых секунд. [5] Это привело к тому, что лазерные импульсы достигли Луны диаметром 1 милю (1,6 км), а не диаметром 300 миль (480 км). [6] Диаметр возвращенного сигнала после полного путешествия от Земли до Луны составил 10 миль (16 км), что дало всего 1,6 обнаруживаемых фотоэлектронов на один лазерный выстрел телескопа. [6]
Чтобы избежать рисков для операторов телескопа, была использована электронная система просмотра, которая снижала риски, связанные с отраженным лазерным светом для человеческого глаза. [1] Это дало дополнительные преимущества, такие как увеличение воспринимаемого контраста, что позволяет идентифицировать объекты в течение местного дневного времени на Земле. [1] Опасения по поводу возможных помех для самолетов, прибывающих в близлежащие аэропорты залива Сан-Франциско , привели к тому, что Федеральное управление гражданской авиации изменило маршрут самолетов. [1]
Как только инструмент был развернут, были предприняты попытки обнаружить возвращенные сигналы, но безуспешно из-за ограниченного времени наблюдения и неопределенности в определении точного местоположения экспериментального пакета. [5] Сильные возвращенные сигналы не были обнаружены до 1 августа командой Ликской обсерватории, достигшей измерения с точностью приблизительно 7 метров (23 фута) во время первого наблюдения. [5] Обнаружение помогло другим обсерваториям, уменьшив неопределенность местоположения инструмента. [6] Панель в конечном итоге позволила достичь точности измерения приблизительно 15 см (5,9 дюйма). [1] Ученые, работающие с Ликским телескопом, были озадачены постоянным дрейфом измеренного времени сигнала по сравнению с предсказанным. [1] Объяснением было то, что зарегистрированное местоположение Ликского телескопа на Земле было неверным примерно на 25 метров (82 фута). [1] Дополнительные обнаружения были сделаны обсерваторией Макдональда, обсерваторией Пик-дю-Миди , обсерваторией дальномерных измерений ВВС Кембриджской исследовательской лаборатории и Токийской астрономической обсерваторией. [7]