Самый простой и успешный эксперимент на борту «Аполлона-11»

Как лунный лазерный ретрорефлектор, все еще работающий 50 лет спустя, попал на Луну

Когда Нил Армстронг сделал один маленький шаг на поверхность Луны 50 лет назад, это достижение стало триумфом американских технологий, дав США право похвастаться перед соперником Советским Союзом в ожесточенной холодной войне. Но космическая гонка также породила внутреннюю научную гонку, чтобы определить, какие эксперименты будут проводиться на борту первой миссии по высадке людей в другой мир.

Одним из победителей стало устройство, которое позволило ученым измерить расстояние между нашей планетой и ее спутником с беспрецедентной точностью — эксперимент, который имел решающее значение не только для проверки общей теории относительности и понимания тонких колебаний Луны, когда она вращается вокруг своей оси, но и для была также удивительно простой по сравнению с огромной сложностью всей миссии.

В 1963 году Джеймс Фаллер присоединился к Объединенному институту лабораторной астрофизики (JILA) Национального бюро стандартов и Университета Колорадо в Боулдере. Будучи аспирантом Принстонского университета в конце 1950-х годов, он написал статью под названием «Предлагаемый лунный пакет: угловой отражатель на Луне», в которой предполагал прочный и легкий отражатель весом всего два-три фунта, который можно было бы разместить на Луне. луна. Луч света с Земли будет направлен на отражатель; прибор обнаружит лазер и отразит свет обратно на Землю. Время, необходимое свету на путь туда и обратно от Земли до Луны и обратно, писал он, «позволит провести точное измерение расстояния между Землей и Луной».

Он передал свою исследовательскую работу своему профессору Роберту Генри Дике, физику, внесшему важный вклад в области астрофизики, атомной физики и гравитации. Сдавая свою работу, Фаллер написал на самом верху: «Профессор Дике, не могли бы вы проверить, имеет ли это какой-нибудь смысл?»

Менее чем через десять лет мир узнает, насколько проницательным было предложение Фаллера. Вместе с коллегами из JILA Яном Холлом и Питером Бендером он создал группу по исследованию лунной дальности для изучения возможности размещения ретрорефлектора на Луне. Не было никакой гарантии, что эксперимент действительно увенчается успехом: другие группы разрабатывали конкурирующие предложения в надежде, что их отберут для исторического путешествия Аполлона.

Но удача – наряду со строгими требованиями НАСА к размеру, весу, скорости и простоте – дала рефлектору преимущество. Представители НАСА полагали, что у Аполлона-11 был высокий риск прерывания полета после приземления, поэтому любой эксперимент нужно было организовать и развернуть в течение 10 минут. Фаллер вспоминал: «У астронавтов было ограниченное время, которое они могли провести на поверхности Луны, чтобы направить антенну обратно на Землю. Другими словами, нас спасли часы».

Угловой кубический ретрорефлектор — или, скорее, их совокупность — представлял собой идеальную конструкцию. Теоретически подошло бы обычное одиночное зеркало, но его всегда нужно было бы нацеливать точно на точку, откуда исходил падающий свет, чтобы луч света отражался непосредственно обратно к источнику для измерения времени. Однако из-за вращения Луны вокруг своей оси и вокруг Земли такое идеальное выравнивание происходило лишь в редких случаях — и даже тогда небольшая ошибка в наведении приводила к тому, что свет возвращался в другое место. Но эти отражатели будут состоять из трех зеркал, расположенных точно под прямым углом друг к другу, как внутренний угол картонной коробки. Такая конструкция заставляет падающий свет отражаться от трех поверхностей, а законы оптики гарантируют, что он всегда будет отражаться прямо обратно к источнику.

Когда эксперимент Фаллера получил одобрение НАСА, был еще один важный шаг: найти кого-то, кто предоставит набор специализированных зеркал-рефлекторов, чтобы сделать возможным определение дальности. Одним из преимуществ нашей компании Heraeus было то, что производимый нами плавленый кварц обладал высочайшей чистотой, что делало его устойчивым к любой радиационной ионизации, которая могла бы привести к потемнению обычного стекла при старении в космическом пространстве. Высокая чистота также минимизирует поглощение, а также пузырьки и включения, образующие маленькие линзы или микроотражатели, которые могут привести к неправильному отражению света.