Спешу поблагодарить Надежду Ивановну Шаховскую, ученого секретаря НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория", и заместителя директора НИИ КрАО по научной работе Кирилла Анатольевича Антонюка за помощь в работе над темой номера, полезное общение и предоставленные материалы.
Антенное поле чудес
Автор: Юрий Романов
Воспользовавшись любезным приглашением заместителя директора Радиоастрономического института академика НАН Украины А. А. Коноваленко [За что хочу выразить ему благодарность, а также за доброжелательную помощь в подготовке этого материала], я нахожусь на территории крупнейшего в Мире радиотелескопа УТР-2. Игорь Савельевич Фалькович, главный научный сотрудник Радиоастрономического института НАН Украины, доктор ф.-м.н. любезно согласился ответить на ряд вопросов об истории создания и перспективах этого уникального научного инструмента.
Игорь Савельевич, УТР-2 - действительно самый большой в мире радиотелескоп? И что он собой представляет с инженерной точки зрения?
- Это действительно так. Площадь, занимаемая радиотелескопом на местности - 2 кв. км (!), а эффективная площадь антенны - 150 тысяч кв. м. Можно привести и такую характеристику - суммарная площадь антенн всех остальных радиотелескопов в мире меньше площади антенны УТР-2. Поскольку работа любого радиотелескопа основана на приеме энергии падающего на Землю космического радиоизлучения, то понятно, что величина эффективной площади антенны во многом характеризует возможности инструмента.
С инженерной точки зрения УТР-2 - это антенная решетка, имеющая в плане Т-образную форму. (См. также "толковый словарик" во врезках на с. 24 и 26.) Высокочастотные кабели от приемных диполей сходятся в подземных галереях, протянувшихся вдоль "плеч" решетки, где подключаются к управляемым линиям задержек, при помощи которых вносятся фазовые сдвиги сигнала, требуемые для управления диаграммой направленности телескопа, ширина которой порядка 0,5°. Система управления антенной способна одновременно формировать до пяти "лучей" по обеим координатам, гибко перестраивать конфигурацию антенной решетки.
Кстати говоря, "многолучевость" позволяет эффективно бороться с влиянием атмосферы - когда из-за ионосферных флуктуаций видимое положение наблюдаемого объекта уходит с оси одного из лучей, оно может быть поймано соседним лучом и т. д.
Расскажите немного о том, как практически осуществляется наведение телескопа на объект исследования. Как прицелить обычный телескоп - более или менее понятно, движущиеся чаши радиотелескопов наверняка все видели в телепередачах, но ведь УТР всегда неподвижен…
- Ну, строго говоря, он не неподвижен. Земля вращается, а вместе с ней - и антенна телескопа. Тем самым, можно естественным путем осуществлять непрерывное сканирование некоторой области. Это удобно, поскольку система управления нашего телескопа реализует дискретное изменение положения лучей диаграммы направленности (так уж она сконструирована).
Управление пространственным положением центрального луча диаграммы направленности антенной решетки осуществляется путем введения предварительно рассчитанных фазовых сдвигов (задержек) в сигнальные линии элементов решетки - вибраторов. В результате суммирования сигналов с разными фазами возникает ситуация, при которой на выход поступает с наибольшей амплитудой сигнал, пришедший с направления главного лепестка сформированной диаграммы направленности. Сигналы, приходящие с других направлений, в большей или меньшей степени ослабляются. Надо сказать, что любая антенная решетка всегда имеет кроме главного еще и так называемые боковые лепестки диаграммы направленности, вдоль векторов которых антенна принимает приходящие сигналы и которые в данном случае являются помеховыми. Борьба с боковыми лепестками - задача чрезвычайно сложная и далеко не тривиальная.
Практически наведение телескопа - отработанная и вполне рутинная процедура. Наблюдателю-астрофизику, разумеется, известны небесные координаты того объекта, который он собирается отнаблюдать в отведенное ему по графику время. По этим координатам персональный компьютер в обсерватории вычисляет управляющие слова-сигналы, которые в коде Грея выдаются в блоки коммутации линий задержек. Совокупность задержек (матрица сдвигов фаз), как я уже говорил, определяет текущее положение в пространстве центрального "луча" диаграммы. Наблюдательный эксперимент часто планируется таким образом, чтобы дискретная перестройка диаграммы направленности сочеталась с непрерывным сканированием луча за счет вращения Земли.
Что происходит, когда объект наблюдения пойман? Как происходит процесс наблюдения?
ЭВРИКА!..
Многолетние,
многочисленные и всесторонние
исследования антенных решеток (АР)
долгое время не давали возможности
удовлетворить всем противоречивым
требованиям, предъявляемым к ним.
Необходимое решение было получено
Боэрлингером (Boerlinger). Он предложил
размещать элементы АР на многозаходной
спирали, координаты элементов которой
описываются следующими простыми
соотношениями: