W wyniku dziesiątków niezwykle skomplikowanych eksperymentów otrzymano stosunkowo dokładne mapy najbliższych ciał niebieskich: Księżyca, Wenus i Marsa. Każda kolejna wyprawa przynosi garść szczegółów o fizycznych właściwościach tych obiektów. Takie badania są przedsięwzięciami o gigantycznej skali, angażującymi tysiące specjalistów z różnych dziedzin.
Spośród obiektów niezbyt odległych szczególnie trudna do badania jest Wenus. Już przeszło dwadzieścia razy amerykańskie i rosyjskie aparaty kosmiczne przybywały w pobliże planety. Niektóre krążyły wokół niej całymi miesiącami, inne lądowały na jej powierzchni. Otrzymano kilkaset zdjęć krajobrazu w okolicach lądowania. Ale obejrzenie planety z pewnej odległości i sporządzenie mapy większego rejonu stanowi niezwykle trudny do rozwiązania problem. Tak z Ziemi, jak z orbity sztucznego satelity Wenus, lub z przelatującego aparatu widzimy tylko oświetlony Słońcem gęsty atmosferyczny pokrowiec. Biała Planeta nigdy nie odkrywa swojej twarzy. Z powodu bardzo wysokiej temperatury i ogromnego ciśnienia żaden aparat lądujący nie był w stanie pracować dłużej niż kilka minut.
A jednak już w 1983 r. udało się otrzymać względnie dokładną mapę powierzchni polarnych rejonów Wenus. Zastosowano przy tym metodę radiolokacji. Fala radiowa wysyłana z nadajnika bez przeszkód przechodzi przez warstwę chmur, odbija się od powierzchni planety i wraca do anteny pokładowego odbiornika. Rejestrując czas opóźnienia sygnału i znając prędkość rozchodzenia się fal radiowych, można określić odległość anteny od odbijającego fragmentu powierzchni planety. W ten sposób od lokatora-wysokościomierza można otrzymać dane do konstrukcji tzw. mapy hipsometrycznej, czyli mapy wysokości.
Trzeba tylko - bagatela! - umieścić lokator na orbicie wenusjańskiej, określić bardzo precyzyjnie tę orbitę, czyli ustalić, w jakiej odległości od planety znajduje się on w każdej chwili, i już można obliczać wysokość wzniesień ponad powierzchnię uznaną za zerową. Trzeba jeszcze tylko rozwiązać problem dokładności, a ściśle biorąc rozdzielczości takiego systemu.
Wiązka promieniowania radiowego omiata jednorazowo, zależnie od wielkości anteny nadawczej, większą lub mniejszą część powierzchni planety. Im mniejsza ta powierzchnia, tym więcej szczegółów można zarejestrować. Powierzchnia Wenus wynosi ok. 500 mln km2. Jeśli wiązka fal obejmuje jednorazowo powierzchnię 1 km2, to w celu otrzymania mapy trzeba wykonać 500 mln pomiarów. A przecież i tak nie jest to zbyt duża dokładność.
Radiolokator zainstalowany na pokładzie amerykańskiego aparatu „Pioneer-Venus" podczas dwóch lat pracy wykonał pierwszą mapę części planety, ale była ona bardzo przybliżona - określała średnią wysokość rejonów o średnicy 60 - 80 km z dokładnością do 200 m. Nie ma na tej mapie grzbietów górskich, kraterów, skalnych dolin, a tylko detale o skali kontynentalnej.
Później zastosowano tzw. radiolokator przeglądu bocznego, który rozróżnia szczegóły o rozmiarach 1 - 2 km. Urządzenia takie zainstalowano na dwóch stacjach kosmicznych serii „Wenus", które zostały wprowadzone na orbitę wokół wenusjańską.{mospagebreak}
Przez wiele miesięcy, regularnie, dwa razy dziennie wielkie anteny (60- i 70-metrowej średnicy) w Centrum Dalekiej Łączności Kosmicznej w Eupatorii odbierały miliony sygnałów radiowych, które zamienione w impulsy elektryczne wprowadzano do pamięci wielkiego komputera. Dopiero po zgromadzeniu ogromnej liczby informacji komputer nakreślił na monitorach mapy poszczególnych fragmentów Wenus.
Parę lat później podobną pracę wykonali naukowcy i specjaliści amerykańscy. Kosmiczna sonda „Magellan" umieszczona została na orbicie oddalonej o 250 - 8000 km od powierzchni Wenus. Zawierała skomplikowaną aparaturę radarową, która umożliwia rozróżnianie obiektów o wielkości powyżej 150 metrów. Przez wiele miesięcy penetrowała ona powierzchnię planety sporządzając dokładną mapę 90% wenusjańskiego globu.
Oglądając na ekranie telewizyjnym lub monitorze komputera wspaniałe obrazy powierzchni wenusjańskiej nie zawsze uświadamiamy sobie jak gigantycznej pracy przygotowawczej wymagają badania tego rodzaju. Aby chociaż w przybliżeniu wyobrazić sobie skalę takiego przedsięwzięcia, spróbujmy wymienić niektóre elementy systemu zbudowanego do badania planet Układu Słonecznego:
A więc najpierw wielostopniowa rakieta nośna, kompleks startowy, system wprowadzania na orbitę, urządzenia telemetryczne (określające położenie obiektu i parametry jego ruchu) i sterownicze (korygujące parametry lotu). Sam aparat kosmiczny zawiera systemy termoregulacji, energetyczne, astronawigacyjne i orientacji, silniki korekcji orbity, silnik orientacji przestrzennej, odbiornik i nadajnik do łączności z Ziemią, anteny nadawcze i odbiorcze, radiolokatory z ich nadajnikami i odbiornikami, anteny radiolokatora oraz urządzenia elektroniczne składające się z pamięci i komputera do operatywnej obróbki sygnałów.
Aby ta cała aparatura była użyteczna, niezbędny jest naziemny kompleks łączności, a więc ultraczuły odbiornik z układami redukcji szumów, pracujący w superniskich temperaturach. Z pokładu stacji do anteny odbiorczej dociera sygnał o mocy mniejszej niż strumień świetlny, który dotarłby do Moskwy od świeczki zapalonej w rejonie Tomska. Gdyby nie specjalne urządzenia, utonąłby on w ziemskich i kosmicznych szumach radiowych.
Kolejnym elementem jest radiotechniczny i obliczeniowy system pomiarów trajektorii lotu. Wreszcie elektroniczne systemy obróbki informacji... Spis ten jest dalece niepełny, nie wspominając już o tym, że za każdą jego pozycją stoją nierzadko dziesiątki przyrządów i aparatów, tysiące węzłów połączeniowych, elementów i detali.
Eksperyment tego rodzaju jest więc efektem pracy wielkiego zespołu ludzi - z przemysłu, instytutów, biur konstrukcyjnych, specjalistów różnych branż i dziedzin. Są wśród nich znani uczeni i skromni inżynierowie, twórcy postępu technicznego i robotnicy. Dla wielu z nich kilkuletnie przygotowania do takiego eksperymentu są głównym celem życia, który powoduje, że nie myślą oni o urlopach i zapominają o posiłkach.
Postępy wiedzy i techniki, a przede wszystkim wynalazki takie, jak antybiotyki, loty kosmiczne, telewizja, wideo, twory inżynierii genetycznej kojarzą się nam z różnymi dziedzinami wiedzy - fizyką, astronomią, radiotechniką, elektroniką, biochemią... Często zapominamy włączyć w ten rejestr główną bohaterkę: matematykę.
A przecież to właśnie matematycy budują technologie, tworzą procedury do rozwiązywania zadań, których zwykłym myśleniem rozwiązać się nie da. Krótkie i precyzyjne wzory matematyczne pozwalają przewidzieć z dokładnością do kilometra położenie planet i sond kosmicznych uwzględniając ich wzajemne przyciąganie się i efekty relatywistyczne.
Szczególną rolę odgrywa matematyka w takich dziedzinach jak badanie planet. Do odtworzenia rzeźby terenu (również na Ziemi) stosuje się tzw. przekształcenie Fouriera. Z pokładu stacji orbitalnej przekazywana jest dokładna kopia odbitego od planety sygnału, zaszyfrowana w serii impulsów. Przekształcenie Fouriera wymaga wielkiej ilości operacji wyliczeniowych. Lokator bocznego przeglądu otrzymuje sygnał co 0,3 sekundy.
Po każdym 15-minutowym seansie pomiarów obrabia się 3 tysiące odbitych sygnałów. W tym celu trzeba wykonać 20 miliardów arytmetycznych operacji na liczbach 16-cyfrowych. Nawet wielka maszyna matematyczna potrzebuje na wykonanie tej pracy ponad dwie doby. Aby skrócić ten czas, zbudowano specjalny komputer wykonujący tylko jednego rodzaju zadanie, ale za to szybciej. W ten sposób udało się uzyskać pełną analizę jednego seansu pomiarowego w ciągu jednej godziny.
I tak wieloletni wysiłek wielkiego zespołu ludzi przyniósł znakomity rezultat - specjaliści zgromadzeni w centrum odbiorczym zobaczyli krainę, której nikt przedtem nie oglądał. A wkrótce szczegółowe mapy niektórych rejonów Wenus stały się własnością świata, wzbogacając skarbnicę ludzkiej wiedzy.
Andrzej Klimek
oem software