Электромагнитные волны в космическом пространстве

Для систем обычной наземной ра­диопередачи оценку воздействия сигнала на приемную установку выражают напряженностью электрического поля ра­диоволн в пункте приема. Но такая оценка, удобная для радиовещания, где прием ведется на случайные антенны, непригодна для спе­циальных радиолиний. Дело в том, что сигналы на таких линиях могут иметь форму раздельных (дискретных) радио­импульсов; их воздействие на приемник определяется не только амплитудой на­пряженности поля, но и длительностью, и частотой повторения импульсов. В та­ком случае более полное воздействие сигналов на приемник характеризуется той мощностью Р2, которую сможет из­влечь из радиоволн приемная антенна. Вместо абсолютного значения мощ­ности Р2 вводят отношение мощности излучения Р1 передатчика к мощности Р2, доставляемой приемнику. Это отно­шение можно назвать затуханием на радиолинии.

Обращаясь к распространению ра­диоволн в к о с м и ч е с к о м про­странстве и считая, что потери на соударения электронов с молекулами газа полностью отсутствуют, получаем формулу

P₁ /P₂ = ( 4πrr / λ )² *( 1 /D₁ D₂ )

λ— длина вол­ны в метрах, a D₁ и D₂ — коэффициен­ты направленности передающей и при­емной антенн, безразмерные величины.

Казалось бы, что выгоднее более длинные волны, так как с увеличением к затухание уменьшается; это означает, что некоторую заданную мощность Р2 можно обеспечить при меньшей Р1. Однако мы знаем, что с уменьшением длины волны достигается возможность увеличения коэффициентов направленности антенн D₁ и D₂, и это оказывается в большинстве случаев ре­шающим соображением для выбора длины волны.

Радиотехника в настоящее время решает три основные задачи, требую­щие распространения радиоволн в кос­мическом пространстве. Первая — об­служивание наземных абонентов, ретрансляцией через искусственный спут­ник Земли. Вторая — управление с Зем­ли космическими объектами и связь космонавтов с Землей. Наконец, третья задача — связь и взаимное управление между космическими кораблями без участия Земли и вне земной атмосфе­ры.

Если спутник-ретранслятор служит для передачи программ телевидения и радиовещания, то на борту работают лишь один приемник и один передатчик. Разумеется, связь и радиовещание че­рез спутник-ретранслятор возможны лишь в те часы суток, в которые имеет­ся прямая видимость спутника из обоих наземных пунктов, т. е. оба пункта находятся в зоне освещенности. Для того чтобы зона освещенности ос­тавалась на поверхности Земли «непо­движной», спутник-ретранслятор должен быть запущен над экватором в сторону вращения Земли на высоту около 36 000 км. Тогда его угловая ско­рость окажется равной угловой скоро­сти вращения Земли, и он будет пред­ставляться для наземного наблюдателя неподвижным «стационарным». Учитывая, что радиоволны дважды проходят через всю толщу ат­мосферы и испытывают поглощение в ней, приходится отказываться от волн короче 2—3 см. Вместе с тем, имея на­земные приемные антенны направленны­ми вверх, нужно считаться с воздейст­вием на них мешающих излучений Солн­ца, космических тел и межзвездного га­за. Это воздействие особенно сильно в диапазоне метровых волн, поэтому они редко применяются для связи че­рез спутники. Применяются в основном дециметровые волны и главным образом нижняя часть сантиметровых (3—1О см).

Вторая задача, решаемая радиотех­никой в космическом пространстве, — связь Земли с космонавтами и управ­ление с Земли полетом космических ко­раблей. Присутствие человека на кораб­ле выдвигает новые, более сложные и ответственные требования к радиоли­ниям по сравнению с требованиями беспилотных полетов. Радиолиния долж­на обеспечить речевую (радиотелефон­ную) связь космонавтов с наземными центрами, так как именно речевая связь позволяет изложить любую, в том числе и неожиданную, ситуацию. Вместе с тем радиолиния служит для передачи сигналов телеуправления и телеметрии. Наконец, учитывается возможность при­земления корабля в любой точке зем­ного шара и необходимость его поиска с помощью 'радиопеленгования.

Все эти обстоятельства требуют ус­тановки на космическом корабле радио­средств разных диапазонов — KB и УКВ. Передача с корабля на KB может быть принята земными центрами на больших расстояниях. Но качество этого приема зависит от состояния ионосфе­ры и ухудшается замираниями. Обратимся к третьей космической задаче радиотехники — взаимодействию космических аппаратов без участия Земли. В этом случае отпадают все те ограничения в выборе длин волн, кото­рые диктовались свойствами земной ат­мосферы. Миллиметровые, субмиллимет­ровые и даже оптические волны в прин­ципе могут использоваться для связи и управления по линиям Космос — Кос­мос. Особенно интересны световые вол­ны, создаваемые лазерами с огромными коэффициентами направленности. Выбор диапазона зависит от сложности разра­ботки аппаратуры и (методов ориенти­ровки лучей на цель