Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

Сопоставление данных по определению плотности грунта контактными и дистанционными методами позволило сделать ряд важных выводов. Эти методы измерений дали близкие результаты. Была определена поверхностная плотность лунного грунта (плотность первого сантиметра в глубину от поверхности), которая в среднем оказалась равной 1,2 г/см³. Эта величина соответствует плотности измельченного лунного грунта при его насыпании без уплотнения (при имитации лунных условий в земной лаборатории). В разных районах Луны величина поверхностной плотности колеблется от 0,6 до 3 г/см³.

В результате совместного анализа результатов контактных и дистанционных измерений плотности грунта было показано, что она экспоненциально возрастает с глубиной. Это позволило определить толщину переработанного метеоритной бомбардировкой верхнего покрова Луны. В разных районах величина такого слоя оказалась существенно различной, колеблясь от 40 см до 40 м (при среднем значении этой величины равной 5 м). Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

При полете почти всех космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Луны, проводилась бистатическая радиолокация. При этом на космических аппаратах использовались различные методы модуляции и различные длины волн излучаемых сигналов, а также разные методики обработки принятых сигналов. Все эксперименты проводились по схеме, в которой передатчик размещался на борту искусственного спутника Луны (ИСЛ), а прием и обработка прямого и отраженного сигналов осуществлялись на наземном измерительном пункте.

Первый эксперимент по бистатической радиолокации был проведен в 1966 г. на ИСЛ «Луна-10» группой ученых из Института космических исследований АН СССР под руководством Н. Н. Крупенио на длине волны 1,7 м с импульсной модуляцией сигнала передатчика. Последующие эксперименты на аппаратах серий «Луна» и «Аполлон», а также на ИСЛ «Лунар Орбитер-1» и «Эксплорер-35», проводились с непрерывным излучением передатчика. На ИСЛ «Луна-22» была впервые применена частотная модуляция сигнала передатчика. Использование такой модуляции позволило при обработке отраженных сигналов измерить дальность от ИСЛ до района отражений на поверхности и получить при этом разрешение по дальности, равное 1,2 км. Поэтому в эксперименте были получены данные не только о среднеквадратичных углах наклона поверхности вдоль трассы полета ИСЛ, но также были оценены к вариации высот вдоль этой трассы.

Бистатические радиолокационные измерения, проведенные на ИСЛ «Луна-10» в восточной части видимого с Земли лунного диска, показали, что отраженный сигнал от горных районов имеет весьма изрезанную форму. Это свидетельствует о сильном влиянии неровностей рельефа горных областей на отраженный сигнал в метровом диапазоне длин волн (1,7 м) при облучении поверхности под большими углами падения (Θ = 60–80°).

Большая протяженность по дальности отраженного сигнала была вызвана сильной изрезанностью рельефа. Благодаря этому условия «зеркальности» для локальных отражающих площадок выполнялись для широкого диапазона углов падения, а, следовательно, и для большого диапазона дальностей.

На ИСЛ «Луна-11 и -12» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева были продолжены радиолокационные эксперименты в метровом диапазоне длин волн. В этих экспериментах разделение прямого и отраженного сигналов осуществлялось за счет различия их доплеровских частот. Эти ИСЛ не имели системы стабилизации (т. е. ИСЛ произвольно вращался относительно своего центра тяжести), а диаграммы направленности их бортовых антенн значительно отличались от круговых. Поэтому для определения энергетических соотношений между прямым и отраженным сигналами использовалось усреднение сигналов в течение отрезков времени, в которые ИСЛ занимал примерно одинаковое положение по отношению к наземному пункту, т. е. имел одинаковую высоту полета и угол падения относительно точки зеркального отражения.

Сопоставление экспериментальной зависимости отношения мощностей прямого и отраженного сигналов от утла падения при разных высотах полета ИСЛ с соответствующими теоретическими зависимостями позволило определить среднее значение эффективной диэлектрической проницаемости и среднеквадратичного угла наклона поверхности для всех районов измерения, находящихся в экваториальной зоне Луны. Данные по диэлектрической проницаемости совпали с результатами наземной радиолокации в метровом диапазоне длин волн.

Бистатическая радиолокация Луны, проведенная па ИСЛ «Лунар-Орбитер-1» учеными Станфордского университета США, была выполнена по более сложной методике. При этом анализировались не усредненные по времени амплитуда и форма спектра отраженного сигнала, как это имело место в экспериментах на ИСЛ «Луна-11 и -12», а записывался мгновенный спектр отраженного сигнала.

По зависимости изменения от времени отдельных составляющих в спектре отраженного сигнала на одном витке орбиты ИСЛ удалось отождествить отраженные сигналы с локальными районами на поверхности Луны. С учетом данных траекторных измерений были определены координаты мгновенных центров переизлученияи размеры отдельных площадок с повышенным отражением вблизи кратера Кестнер. Размеры таких площадок оказались весьма различными. Самые крупные из них имели линейные размеры 30 км, а самые мелкие около 5 км (в результате обработки была построена радиолокационная карта района кратера Кестнер).

Анализ расположения в этом эксперименте переизлучающих площадок на поверхности Луны показал, что обычно переизлучают одновременно несколько «радио-ярких» площадок, расположенных вблизи точки зеркального отражения. Однако иногда наблюдаются также и площадки, сравнительно удаленные от трассы перемещений точки зеркального отражения.

Анализ характера переизлучения поверхности Луны в данном эксперименте позволил сделать следующие выводы.

Большинство «радиоярких» участков совпало с внутренними склонами кратеров. Часть «радиоярких» участков находилась на очень неровных участках Моря Смита. «Радиояркие» участки, находившиеся внутри кратеров, обладали повышенным переизлучением не только за счет эффекта фокусировки радиолокационного сигнала стенками кратера, но также и за счет более плотного грунта внутри кратера.

Бистатическая радиолокация, проведенная на ИСЛ «Эксплорер-35», отличалась от предыдущих экспериментов тем, что была применена сложная спектральная обработка отраженного сигнала. Суть этой обработки заключалась в том, что отраженный сигнал вначале записывался на магнитофон и затем подвергался последующей обработке на ЭВМ совместно с данными траекторных измерений. В результате такой обработки определялись мгновенные спектры отраженного сигнала. Сопоставление полученных спектров с результатами теоретически рассчитанных спектров позволило определить значения среднеквадратичных углов наклона поверхности вдоль трассы измерений, а также усредненные значения ε для небольших по протяженности участков трассы перемещения точки зеркального отражения. Этот метод обработки впоследствии стал успешно применяться в большинстве бистатических радиолокационных экспериментов.

В экспериментах, проведенных на ИСЛ «Эксплорер-35», было отмечено, что интенсивность отраженных сигналов от морских районов примерно на 30 % выше интенсивности отраженных сигналов от материковых районов. Это соответствовало увеличению примерно на 15 % среднего значения эффективной диэлектрической проницаемости вещества грунта морских районов относительно материковых в слое толщиной до 10 м.

Такой результат был неожиданным, так как в то время (1967 г.) считалось, что грунт лунных морей должен быть более рыхлым, чем материковый грунт. Впоследствии факт большой плотности скальных пород в морских районах был подтвержден экспериментально как на Луне, так и в земных лабораториях.