Почему LRO не снизился, чтобы увидеть места посадки вблизи?

Краткий ответ: Космический аппарат LRO снижался примерно вдвое, чтобы рассмотреть места посадок Apollo и «Лунохода-2», но из-за высокой скорости полета качество снимков повышалось только в полтора раза.

Луна не имеет плотной атмосферы, и кажется, будто ничто не мешает космическим аппаратам летать низко над ее поверхностью, над вершинами самых высоких гор. Атмосфера не мешает, это верно, но мешает другое — масконы — неоднородности гравитационного поля Луны. Масконы приводят к быстрой деградации низких орбит космических аппаратов и их падению. Из-за масконов большинство окололунных зондов летали на высоте больше 100 км, а те, которые снижались, делали это на короткий срок и расходовали топливо на коррекцию орбиты.

Космический аппарат LRO летает по полярной эллиптической орбите высотой от 20 до 160 км и регулярно включает двигатели, чтобы корректировать ее. Нижняя точка орбиты проходит над южным полюсом Луны. Средняя высота полета составляет 50 км, с нее узкоугольная «дальнобойная» камера NAC LRO снимает поверхность с линейным разрешением 0,5 м.

Хотя 0,5 м — это довольно высокое качество, сравнимое с лучшими снимками Земли в картах Google и «Яндекса», все равно хотелось бы увидеть места посадок отчетливее. Особенно эффектно смотрелись бы отдельные следы астронавтов как лучшее свидетельство пребывания человека на другом космическом теле.

Космический аппарат LRO обладает необходимым запасом топлива и мог бы кратковременно снизиться, чтобы еще повысить разрешение снимков. Если сократить вдвое высоту, оптика камеры также удвоит разрешение до 0,25 м — его уже достаточно, чтобы рассмотреть отдельные следы людей в виде точек. Однако на камеру космического аппарата действуют другие ограничения, физические и технологические, которые делают бесполезным слишком низкий спуск.

Проблемы создает скорость летящего зонда. Чтобы получить достаточно резкие кадры, надо постараться, чтобы за время получения снимка (длительность выдержки или экспозиции) смещение камеры не превышало ее разрешающую способность. Проще говоря, если снимать поверхность Луны с разрешением 50 см, то за время съемки смещение космического аппарата не должно превышать 50 см. С похожей проблемой сталкивался практически каждый, кто пытался фотографировать пейзажи из окна быстро едущей машины или поезда: близкие объекты оказываются на снимках размазанными, хотя дальние остаются резкими. По этой же причине космический телескоп Hubble не снимает Землю: все его кадры окажутся размытыми из-за слишком быстрого движения телескопа над поверхностью Земли, на съемку которой он не рассчитан.

Каждая из двух камер NAC LRO оборудована сканирующей линейкой, состоящей из 5064 светочувствительных элементов (пикселей) в ширину и 42 элементов в длину. С высоты 50 км на каждый светочувствительный пиксель проецируется изображение поверхности площадью 0,5×0,5 м. Камеры снимают с экспозицией (выдержкой) от 35 до 0,34 миллисекунды, т.е. за это время каждый сканирующий фотоэлемент матрицы должен накопить достаточное количество фотонов, чтобы записать изображение и перейти к регистрации потока света со следующего квадрата местности.

Тут-то и сказывается скорость космического аппарата. На высоте 50 км скорость окололунного аппарата составляет 1656 м/с. Съемка с длинной выдержкой (35 миллисекунд) приведет к тому, что поверхность под спутником сместится на 58 м, на каждый пиксель запишется изображение тех же самых 58 м вместо 0,5 м и кадр будет «сжат» в направлении полета. Только самая короткая выдержка в 0,35 миллисекунды позволяет NAC LRO снимать достаточно резкие кадры с высоты 50 км.

На некоторых этапах полета LRO высота орбиты оказывается ниже 50 км. Даже в штатном режиме полета над экватором нижняя точка орбиты колеблется от 75 до 35 км. В нескольких случаях космический аппарат снижался еще ниже — почти до 21 км. Отсюда ему удалось сфотографировать место посадки Apollo 17 и советский «Луноход-2». Другие места пилотируемых прилунений удавалось снять с высоты 24–25 км, но удвоить разрешение снимков Луны не удалось из-за орбитальной скорости и ограниченной длительности экспозиции.

На самой короткой выдержке камера NAC LRO может нормально снимать не ниже 50 км. Снижение высоты полета вдвое приводит к сокращению вдвое и площади наблюдаемой поверхности, но выдержку вдвое укоротить уже невозможно, поэтому на каждый пиксель сканирующей линейки записываются те же 0,5 м, которые пролетают под космическим аппаратом за 0,35 миллисекунды.

Подобный эффект фотографы называют «роллинг шаттер»; он возникает, когда ПЗС-матрица не успевает записывать движение быстрого объекта. На современных фотокамерах такой дефект редко встречается, но не будем забывать, что LRO летает больше десяти лет, а электроника его камеры создавалась вообще в начале 2000-х.

К счастью, этот эффект действует на лунную камеру только по длинной части кадра — в направлении полета, по ширине же разрешение удается повысить примерно до 0,25 м, т.е. вдвое. Так что снижением вдвое высоты полета LRO можно повысить качество снимка, но не в два раза, а примерно в полтора.

В съемке с высоты 50 км на каждый квадратный пиксель сканирующей линейки камеры NAC LRO попадает свет с поверхности Луны размером 0,5×0,5 м. Если же приблизиться к поверхности до 25 км, но не снизить вдвое скорость, то в каждый квадратный пиксель сканирующей линейки NAC LRO попадет свет с прямоугольника поверхности Луны размером 0,25×0,5 м, т.е. в направлении полета итоговое изображение будет сжато. Восстановить полученное изображение до нормального несложно — достаточно растянуть кадр вдвое. В результате фотография получается выше качеством, чем с высоты 50 км, но, поскольку простое «растяжение» не добавляет новой информации, итоговое разрешение снимка оказывается где-то между 0,25 и 0,5 м. NASA осторожно указывает линейное разрешение в 0,4 м снимков с высоты ниже 25 км.

Хотя результат не соответствует всем ожиданиям, но на кадрах можно рассмотреть немало подробностей, которые не видны в других случаях.

Так, на снимке Apollo 17 с высоты 22 км можно рассмотреть ранцы системы жизнеобеспечения скафандров астронавтов. Ранцы выбросили на поверхности Луны, после того как подключили скафандры к системе жизнеобеспечения лунного модуля. Это сделали для того, чтобы избавиться от лишнего груза при взлете.

На этом же снимке можно рассмотреть лунный автомобиль LRV, который остановили в отдалении от лунного модуля. На ровере устанавливалась камера, управляемая с Земли. Ее использовали, чтобы наблюдать старт корабля .

Съемка Apollo 14 с высоты 25 км позволяет рассмотреть установленную параболическую радиоантенну для телетрансляции. Рядом видна тележка, которую астронавты использовали для доставки научного оборудования. Тень установленного флага не видна из-за того, что его полотнище развернуто точно на запад, что делает тень тонкой и малозаметной при высоком солнце.