Fizika | Csillagászat, űrkutatás » Ferencz Csaba - Űrkutatás és gyakorlati alkalmazásai

Űrkutatás és gyakorlati alkalmazásai Előadás vázlat (Fakultatív tárgy. Egy féléves, összesen 56 óra; 2*2 óra/hét, 14 hét.) Előadó: Ferencz Csaba Budapesti Műszaki Egyetem 1996. 2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 2. Az űrkutatás története 2.1 Történeti visszatekintés a Kozmosz vizsgálatára és a rakétahajtásra; anomáliák. 2.2 Az űrkutatás értelme 3. Rakéták 3.1 A rakéta meghatározása és mozgása 3.2 A rakéta hajtómű működésének alapjai 3.3 A különféle rakétahajtóművek 3.4 Különféle rakéták és felépítésük 4. Űrrendszerek 4.1 Kutató rendszerek 4.2 Szolgáltató rendszerek 4.3 Felmerülő problémák 5. Űreszközök 5.1 Alapelvek 5.2 Mérés és adatátvitel 6. Fedélzeti műszerek közvetlen (in situ) mérésekhez 6.1 A kozmikus környezet vizsgálata 6.2 Az űreszköz helye tulajdonságainak kihasználása 7. Átmeneti méréstípusok 7.1 Gravitációs tér mérések 7.2 Magnetométerek 8. Az elektromágneses

hullámok terjedésén alapuló mérések és alkalmazásaik áttekintése 8.1 A terjedő elektromágneses hullám 8.2 Az elektromágneses teljes spektrum 8.3 Mérésfelosztás hullámjellemző szerint 8.4 Faraday rotáció 9. Űrtávközlés 9.1 Az űrhírközlés fajtái 9.2 A műholdas távközlési út tervezése alapjai 10. Helymeghatározás 10.1 A kozmikus helymeghatározás módjai 10.2 A Doppler-effektus és helymeghatározási alkalmazása 10.3 Globális műholdas navigációs rendszerek 11. Távérzékelés 11.1 Távérzékelési tipusok és módszerek 11.2 Távérzékelési alapösszefüggések 11.3 Távérzékelési modell példák 12. Globális változások 12.1 A globális válság természete 12.2 Kitekintés 3 4 4 6 8 8 11 13 13 15 15 16 18 19 19 21 23 23 27 29 29 29 32 32 34 34 35 37 37 39 41 41 42 45 49 49 51 54 55 55 55 3 1. Bevezetés Az űrkutatás meghatározása: A világűr jelenségei közvetlen hatással vannak a földi életre, amit ősidők óta

tudunk. Ezért a világűr jelenségeinek vizsgálata − úgymond kutatása − egyidős az emberiséggel. (Részletei a 2 témakörben) Nem ezt nevezzük űrkutatásnak, bár a határ nagyon elmosódott. A világűr kutatását a XX. század közepétől számítjuk, s a kezdetnek megjelölt események mgukban hordozzák a definíciót: Hold-radar kísérlet, 1946; Szputnyik-1 műhold, 1957. Világűr-kutatásról (space research) illetve űrbéli tevékenységről (space activity, the use of space) beszélünk akkor, ha valamilyen tömeget (anyagot, azaz műszert, műszerek és berendezések kombinációját illetve műszerek, berendezések és élőlények, emberek kombinációját) vagy energia-csomagot juttatunk ki a világűrbe, ezekről illetve ezektől származó információkkal dolgozunk a Földön, illetve az ember-gép kombináció aktívan tevékenykedik a világűrben. A világűr definíciója: Űrjogi viták az ENSz-ben. A stabil műhold-pálya: minimum 1 fordulat a

Föld körül. Világűr = stabil műhold-pálya magassága illetve >80 km a Föld felszíne felett. Példák értelmezési problémákra. Nekünk, mérnököknek elég a szellemét érteni, az úgyis pontosabb, mint a jogászkodás. A jelen tárgy célja és tartalma: Cél: Általános, de érdemi és nem pusztán ismeretterjesztési tájékoztatást adni az űrkutatás fő területeiről a XX. sz végi állapot alapján Tartalma: Lásd a kiadott tárgyismertetést. Vizsgakövetelmények: A vizsga tárgya = az előadással. Az alapismeretek és az alapvető összefüggések a megfelelés kritériuma. Ezeket az előadás során mindig megjelölöm. A jeles kritériuma az előadáson elhangzott tárgy kérdezett részeinek vizsgán hibátlan prezentálása az előadáson elhangzott mélységig. A vizsga szóbeli, egy témát a vizsgázó maga választ, s egyet a v izsgáztató a választott téma ismeretében a teljes anyagból megad. 4 2. Az űrkutatás története Az

űrkutatás jelenkori történetét a súlyos viták jellemzik, hogy egyáltalán van-e létjogosultsága, sőt, hogy egyáltalán lehetséges-e. Az utóbbi mindenkori tartalma a már megvalósított űrkísérletek következtében gyorsan változik. A "józan ész csődje" a jelenség A.C Clarke (A jövő körvonalai, Gondolat, 1968) szóhasználata szerint. Példák: • S. Newcomb amerikai csillagász, a repülés csak antigravitációval lehetséges, Wright-ék szárnyas benzinmotorja és a madarak; • A.W Bickerton (1926) szerint "bolondos ötlet, hogy a Holdra lőjünk", képteleség ⇒ a nitroglicerin hevessége, tévedése: az üzemanyag nem kerül műholdpályára; • R.vdR Woolley királyi csillagász (1956!): "Az űrutazás merő humbug." • A rakéta-fejlesztés leállítása 1945. nyarán az USA-ban, mert 200 tonnás rakéta fantazmagória, míg az oroszok nekiláttak és megépítették. (A történelem alakulása.) A közvélemény, F.

Baade (Versenyfutás a 2000-ik évig, Gondolat, 1961) álláspontja: "Feladatunk nem az, hogy más bolygókat hódítsunk meg, hanem az, hogy a saját bolygónkon teremtsünk rendet. Igaz, hogy ez a legnagyobb feladat, amely valaha is két vagy három emberi generáció osztályrésze lett. Ha ezt megoldottunk − de csak ebben az esetben − lesz meg többé-kevésbé a szükséges erkölcsi bizonyítványunk, hogy valamilyen Földön kívüli égitesthez és esetleg Holdunkhoz közeledjünk." ⇔ Az eddig megvalósultak közvetlen hatása bolygónk problémáinak rendezésére, az ÚJ szüksége. Intelem mérnököknek: A DONGÓ − "Ez a s zerkezet felületi terhelése és alakja következtében repülésre alkalmatlan. A dongó ezt nem tudja, és repül" − A szentjánosbogár. − Az elektrodimanika születése Az észlelés korlátai, amit nem veszünk észre: "lehetetlennek" hisszük, pedig nem az; bagatelizáljuk a kockázatot, pedig nem az. 2.1

Történeti visszatekintés a Kozmosz vizsgálatára és a rakétahajtásra; anomáliák A "kezdet" előtt, azaz a történelmi idők határán és az előtt: kőkori Hold-naptár, Stonehenge, a M ahabharata és más furcsaságok. (Vigyázat, a történelem vizsgálata nagyon alulmintavételezett adatokkal dolgozik! Görög analóg számítógép, Simonyi K.: A fizika kultúrtörténete, Gondolat, 1986.) R. Bacon (kb1214-1292) angol szerzetes és a XX század szerkezetei R.J Boskovics (1711-1787) horvát szerzetes és a magerők, s a tudós világ ostobasága. Másik példa: JJ Waterston (1811-1883) és a kinetikus gázelmélet első felfedezése. A késlekedés hatása civilizációnk lehetőségeire, − lásd majd a 12 témánál A sarokpontok: a Föld kozmikus környezetének vizsgálata, a környezetfüggetlen hajtás és működés, a hír illetve az adatok átvitele. 5 Kezdet: • A rakétahajtás története: Ókor=?, Kína, Congreve; − klasszikus dinamika és

kémia, kinetikus gázelmélet a fejlesztéshez. • Az űr figyelése és a pályaszámítás: klaszikus észlelés (ókoriak és Korea, Mongólia, Kína; Sumer, Egyiptom stb.; az európai csillagászat), égimechanika és a földi mechanika egysége. • Heliocentrikus világkép első fennmaradt leírása, Arisztarkhosz, Kr.e 280 körül; a geocentrikus világkép, Ptolemaiosz, Kr.u 140 körül; a heliocentrikus világkép (újra és pontosított) leírása, Kopernikusz, 1543. • A hírközlés lehetősége ≡ villamosságtan; Galvani (1737-1798), Volta és Ampere, Faraday ("Mire jó egy újszülött?"), Maxwell (1831-1879), Hertz és a jelenkor. • Ciolkovszkij (1857-1935) álmai. • Pelterie (1905). Goddard (1910), Fonó A (1915), Oberth (Erdély, 19251930); nagyrakéta építési terv űrutazáshoz • Oberth és Braun − a V2 (A4) nagyrakéta, az A10 és sorsa, őrizet alatt. • Kármán T., a lépcsőzés elve és a WAC Corporal (Bumper-8, 1950, Cape Canaveral).

Az űrkutatás története: • A Hold megradarozása, Bay Z. és csoportja, 1946 II 6; Dicke- és Beringercsoport, USA • A Nemzetközi Geofizikai Év, Szputnyik-1, 1957. X 4 − A szpunyikok • Az Explorer-1 (1958. II 1) története, a Van Allen övezetek és a tényleges kutatás kezdete. Pioneer-1, 1958 X 11, a Hold és a bolygóközi tér felé Luna-1, 1959 I 2., a Hold kutatása Pioneer-4, 1959 III 3, a bolygóközi tér vizsgálata • Az alkalmazások megindulása: Vanguard-1, 1958. III 17, helymeghatározás; SCORE, 1958. XII 18, távközlés és műsorszórás; Discoverer-1, 1959. II 28, felderítés; TIROS-1, 1960. IV 1, meteorológia (távérzékelés = RS); Transit 1B, 1960. IV 13 és Courier 1B, 1960 X 4, navigáció; Discoverer-13, 1960. VIII 10, az első visszatérő műhold; Telstar-1, 1962. VII 10, az első pont-pont összeköttetés; Syncom-1, 1963. II 14, az első geoszinkron távközlési műhold; Intelsat 1A, 1965. IV 6, az első kereskedelmi távközlési

műhold; Szojuz-4, 1969. X 11-16, gyártási kísérlet (hegesztés) az űrben; ERTS-1 (Landsat-1), 1972. VII 23, a földfelszín vizsgálata (RS) • Az ember űrbeli lépései: J. Gagarin, Vosztok-1, 1961 IV 12, első ember az űrben; Voszhod-1, 1964. X 12, Feoktyisztov, Komarov, Jegorov; Voszhod-2, 1965. III 18, Leonov űrsétája; Gemini-6 (1965. XII 15, Schirra, Stafford) és Gemini-7 (1965 XII 416, Borman, Lovell), az első űrrandevú; Apollo-1, 1967. I 27, Grissom, White és Chafee halála; 6 Szojuz-1, 1967. IV 23, Komarov, leszálláskor meghal; Apollo-8, 1968. XII 21-27, Borman, Lovell és Anders tízszer megkerüli a Holdat; Apollo-11, 1969. VII 16-24, Armstrong, Collins és Aldrin Holdra repülése, Armstrong és Aldrin 1969. VII 21-én 2 ó 56 perckor (UT) kiszállt a Holdra; (az Apollo program sorsa); az első űrállomás-kísérletek, 1971-73., Szaljut és Skylab; 1975. július közepe, Szojuz-Apollo kísérlet • Távol a Földtől: Luna-1, 1959. I 2, a Hold

mellett a bolygóközi térbe, működése rövid; Pioneer-4, 1959. III 3, a Hold mellett a bolygóközi térbe, kapcsolat 655000 km távolságig; Venyera-1, 1961. II 12, az első Vénusz-rakéta; Marsz-1, 1962. XI 1, az első Mars-rakéta; Venyera-3, 1965. XI 16, az első Vénuszra leszállási kísérlet; Luna-9 és Surveyor-1, 1966, az első Holdra leszálló automaták; Marsz-3, 1971. V 28, 1971 XII 2-án leszállt a Marsra; Pioneer-10, 1972. III 3, az első Jupiter-szonda, kirepül a Naprendszerből; Pioneer-11, 1973. IV 6, az első Jupiter-Szaturnusz szonda, kirepül a Naprendszerből; Mariner-10, 1973. XI 3, az első Vénusz-Merkur szonda; Heliosz-1, 1974. XII 10, az első speciális Nap-szonda; Voyager-1 és -2, 1977., a Grand Tour és úton a Galaxisba A kezdeti lendület és annak megtörése. • A magyar űrkutatás: A régi idők emlékei. Fonó Albert, Herman Oberth, Kármán Tódor. A Hold megradarozása, Bay Zoltán, Simonyi Károly. Műholdmegfigyelés optikai és

rádiós eszközökkel, a "hősi" korszak, 195768. Magyari Endre, rádiós észlelés, 1957 Csillagászok, Almár Iván, optikai műholdkövetés, 1957-től; a magaslégkör sűsűségváltozásai. BME RTDK ill Űrkutató Csoport, 1961-69, rádiós műholdmegfigyelés, távközlés, távérzékelés, fedélzeti elektronika, szilárd üzemanyagú rakéta fejlesztése. Az Interkozmosz program, az első magyar műszer az űrben (Interkozmosz-12, 1974. X 31), Farkas B repülése (1980) A dilettantizmus veszélye és a keletkezett elmaradás hatása. Az újraszervezett űrkutatás (MŰI). Remények és mai valóság A jelen: Műholdas szolgálatok, világűri eszközök és szolgáltatások mindennapjainkban. A jelen technikája és lehetőségei, STS és SDI, az ALFA űrállomás. Vissza a Holdra és elmenni a Marsra. 7 Az űrkutatás kockázatai (szennyezés, energia stb.), lehetőségei (gyártás a világűrben stb.) Az ismeretlen határán valóban új dolgokra

bukkanunk. A befele fordulás kockázata, az új programok bizonytalansága (a CESAR példája). 2.2 Az űrkutatás értelme A Föld véges bolygó, anyagforgalmát tekintve lényegében zárt rendszer, energiaforgalmát tekintve nyitott, a Nap energia kiáramlása "mossa át". Az entrópia-tétel hatása az adott rendszerben. Ennek hosszabb távú kihatása (részletesebben a 12 témánál) Az űrkutatás várt szerepe az 1950-1970-es időszakban a Föld jövőjére. Mai bizonytalanságaink az emberiség vállalkozási kedvét és a lehetőségek realitását illetően; Madách, a Föld szelleme, mai ismereteink a szervezetünk adaptációjáról és GAIA-ról. A globális változások, azok kifejlődése; az űrkutatás, mint az észlelés egyetlen "eszköze". Ki a téridőbe!? − Lehetséges-e? − Ha igen, mivel. Rakétával? (Lásd a 3 témánál) − Ma elég lenne csak a N ap-rendszerbe kivándorolni. Lehet-e? Megmaradnánk-e embernek? Az űrkutatás,

űrtevékenység jelenlegi szerepe a civilizáció működtetésében. Helymeghatározás: geodézia, navigáció, GPS. Hírközlés: távközlés (pont-pont átvitel, regionális távközlés, mobil telefon stb.), műsorszórás, forgalomirányítás, mentés, katonai hírközlés Katonai felderítés, globális és helyi meteorológia, a sokcélú távérzékelés. A közeli jövő: gyártás a világűrben. Az űrkutatás eszközei: Általában: környezetfüggetlen hajtás, környezetfüggetlen működés, a környezet kihasználásának korlátozott lehetősége (pl. a napelemek és a Voyager-program, a napelemek és a Föld árnyéka). A ma rendelkezésre álló eszközök. Mit hozhat a jövő? − Itt fenyeget a józan ész és a képzelet csődje. Mi történne, ha civilizációnk megállna és nem foglalkozna az űrkutatással? 8 3. Rakéták A jelen rész célja nem a rakéta hajtóművek részletes bemutatása és tervezésére felkészítés, hanem csak a működés

alapelveinek megismertetése úgymond a mérnöki általános műveltség szintjén. Ennek oka: a tárgy a villamosmérnöki oktatás része, míg a hajtóművek tervezése, ami szintén gyönyörű terület, a gépészek szakterülete. Viszont minden ma élő mérnöknek kell tudnia, hogy hogyan is működik a rakéta, mintahogy azt is tudja, hogy amikor a gépkocsi morog, akkor nem haragszik, mint a kutya, hanem "jár" a motorja. 3.1 A rakéta meghatározása és mozgása Rakétahajtásról beszélünk akkor, ha a rendszer két követelménynek együttesen eleget tesz. Egyrészt a r akéta minden esetben az impulzus-megmaradási tétel gyakorlati hasznosításával kell működjön, másrészt a környezetétől függetlenül működnie kell. Vagyis saját tömege egy részét (elvben) a k ívánt mozgási irányával ellentétes irányba ellöki, elveti és így a rakéta maradék tömege a kívánt irányba mozdul. Ezt a műveletet a rakétában tárolt belső energia

felszabadításával keletkező belső erők hajtják végre. 3.1 ábra A rakéta-mozgás lényege (m1+m2) áll, illetve ⇐(m1) ⇐belső erő⇒ (m2)⇒ A belső energia forrása különböző lehet. Ez definiálja a különféle rakéta-hajtóműveket, úgymint kémiai, nukleáris, elektromos, ív, plazma, "atombomba" stb. A környezetfüggetlen működés követelményének indoklása. Ugyanakkor nem minden (elképzelt) űrbeli hajtás környezetfüggetlen, azaz nem is rakéta, pl. a napvitorlás A rakéta mozgása: Jellemzők: hasznos tömeg M0 üzemanyag mb szerkezeti tömeg mc teljes tömeg M = M0+mb+mc végső tömeg attól függ. pl. M-mb Tömegviszonyok: M0-ra p = M/M0 mc-re s = (mb+mc)/mc az ún. egyszerű tömegviszony r = M/(M-mb) jelentősége, pl. STS (elemelkedés a sűsű légkörben, gyorsulás magasabban és pályára állás lényegében vákuumban − manipuláció "r"-rel). 3.2 ábra Rakéta elvi vázlata 9 Alappélda rakétamozgásra: m

- a rakéta pillanatnyi tömege, v - a rakéta mozgási sebessége, c - a hátravetett (üzem-)anyag kiáramlási sebessége, t - az idő, F - erő Mechanika (mozgásegyenlet, közegellenállás mellett gravitációs térben; newtoni mechanika vagy speciális relativitás elmélet) illetve (ma csak elképzelt esetben) az általános relativitás elmélete. Legyen példánkban c º v , azaz ne legyen szükséges vektoriális tárgyalás. A kirepülő üzemanyag mozgása: FKI = A rakétatest mozgása: FR = d( mc) dm  , ha c = állandó. = c× = c×m dt dt dv dm dv d( mv) = m +v @m , dt dt dt dt ahol példánkban feltételeztük az egyszerűség és szemléletesség kedvéért, hogy  áám×a , ahol a a rakétatest gyorsulása. v×m A tett egyszerűsítő feltételek mellett, amik persze a valóságban sosem teljesülnek, a rakéta mozgásegyenlete m ahonnan dv dm , @- c dt dt dv = - c és dm m (1) v = - c×ln m+ K Ha t = 0, v = v0 és m = M, akkor K = v0 + c×ln M Itt a

v0-ban elrejtve már látható a lépcsőzés elve (Oberth, Braun Û A10; Kármán stb.) Innen v = c ln M + v0 m (2) Meghatározható a rakéta végsebessége: vmax = c×ln M + v0 = c×ln r + v0 M - mb Kezdeti rakéták, valamint az Atlas, STS, SSTO és a jövő. c - a hajtóművek tipusa, meg a mérnöki ügyesség (Laval és Prandtl); r - a szerkezeti technológia; c nagyságának kiemelt fontossága. Határok: rmax reális és cmax reális értékei. Így egy lépcsőben az elérhető végsebesség: v0 = 0, azaz vmax = c×ln r r = exp(vmax / c) (3) Ugyanakkor (2)-ből adódik a többlépcsős rakéta elvi végsebessége: n vmax = å i= 1 ci ×ln ri ñci max . (4) 10 A lépcsőzés elve az, hogy egy rakéta hasznos terhe egy újabb rakéta, amelyik a szóbanforgó rakétáról annak végsebessége elérésekor startol, s így a lépcsőzött rakéta esetében csak az első rakéta-fokozatnál nulla a kezdeti (v0) sebesség, míg a többi fokozatnál v0 egyre

nagyobb érték, amihez (3) szerinti sebesség adódik hozzá a fokozat működése során, lásd a (4) egyenletet. Természetesen a rakéta "valódi" végsebessége (4)-től eltér, hiszen ò g[ s( t ) ] dt - ò flégell .dt- vvég = vmax - s( t ) s( t ) A tolóerő: A hajtómű működése biztosítja a szükséges tömeg (felhasznált üzemanyag) kiáramlását "hátrafele". Ennek következtében a r akétáról nézve a hajtóműben tolóerő keletkezik és gyorsítja a rakétát. Ez a tolóerő az (1) egyenletből (ill annak pontosabb változataiból) számítható. Tételezzük fel, hogy az üzemanyag kiáramlása egyenletes, ami erős megszorítás, csak a szemléletesség miatt tesszük. Így  b = állandó , legyen és T = a hajtómű teljes működési ideje; m ekkor m dm =- b, dt T  b ×c = tolóerő. FT = m×a = m = m b= m azaz legyen: (5) A hajtóművet jobban jellemezhetjük fajlagos paraméterrel. A fajlagos impulzus FT = c. b

m If = Alapvetően fontos a hatásfok, azaz h= ctényl celvi A teljes működést a teljes impulzus jellemzi, ami t I= ò FT dt 0 Így már meghatározható a gyorsulás, ami pl. élettanilag, de berendezés-tervezési szempontból is igen fontos. Tételezzük fel, hogy FT = állandó példánkban Ekkor amin = FT c r - 1 , = × M T r mivel Továbbá M= amax = FT c = (r - 1) . M - mb T r ×m . r- 1 b 11 amax = r. amin Innen A 60-as évek és a j elen technológiájának különbsége így már magyarázza a jelenlegi könnyített repülési feltételeket, azt, hogy kutatók űrrepülnek ma már állandóan. A valódi gyorsulás bonyolultabb, géppel számoljuk, hiszen egyszerűsítve is a(t ) @F(t ) m(t ) , stb. 3.2 A rakétahajtómű működésének alapjai A legegyszerűbb hajtómű a kémiai hajtómű, amelyikben égéssel felszabadítjuk a kémiai kötésben lévő energiát, az hő formájában felszabadul ésa hőenergiát alakítjuk át az üzemanyag

égéstermékek áramlási sebességévé. Ezt nézzük meg szintén túlegyszerűsítve példának. Az egyéb lehetőségek ma sci-fi-szerű jövőt jelentenek (lásd később). A kulcs az üzemanyag kiáramlási sebessége. Amint azt a 31 pontban láttuk, minél nagyobb tömegű üzemanyag áramlik ki minél nagyobb sebességgel, annál nagyobb tolóerővel (gyorsulással) vagy teljes impulzussal annál nagyobb végsebességet érhetünk el. A folyamat: hőenergia (ill. belső energia) Þ hatásfok Þ mozgási energia. Tételezzünk fel a példánkban tökéletes (100%-os hatásfokú) energia-átalakulást. Ekkor E E= 1 2 c 2 ki cki << c fény Például a kezdetben (V2 stb.) használt alkohol - oxigén ü zemanyag - oxidáló szer keveréket vizsgálva a következő adatokhoz jutunk: innen C2H5OH + 3O2 142 g Þ 1g cki id = továbbá Û 2CO2 + 3H2O + 328 kcal 2310 cal = 9,67×1010 erg , 2E = 4,4 km / s ; cki = h×cki id , . stb A korszerű kémiai

hajtóművekben (űrrepülőgép stb.) hidrogén - oxigénes hajtóműveket használnak, ahol a hasznos kémiai folyamat 2H2 + O2 Þ 2H2O + Q kcal . A mérnöki lehetőségek: a) a hatásfok javítása, pl. a hajtómű kialakításával (Lavalfúvóka, Prandtl-fúvóka, korszerű fúvókák); b) trükkök (pl a "flox") Kémiai rakéta típusok: folyékony üzemanyagú rakéták, szilárd üzemanyagú rakéták; továbbá oxidálószer - üzemanyag keverékkel működő "kétkomponensű" rakéták, "egykomponensű" (katalizátoros) rakéták. 12 A hőenergiát mozgási energiává alakító hajtóművek működési elve: A példa a legegyszerűbb Laval fúvóka lesz. 3.3 ábra A Laval-fúvókás rakétahajtómű működése levezetéséhez a hajtómű vázlata A konfúzor és a diffúzor: · konfúzorban a gáz összenyomhatatlan, · a hangsebesség elérése, · diffúzorban a gáz összenyomható, adiabatikus folyamat játszódik le. A kiáramlási

sebesség meghatározása a legegyszerűbb elvi modellben: Mint ismeretes, egységnyi térfogat belső energiaváltozása a hőmennyiség-változás csökkentve a térfogati munkával, vagyis dU = dQ- dWA , ahol dWA = p×dV . Használjuk még az általános gáztörvényt, azaz (6) pV = RT , valamint az ismert összefüggéseket: cp = cv + R , ahol R az univerzális gázállandó és g= cp cv . Innen dQ = dU + dWA = cvdT + RT dV . V (7) A fúvókában igen jó közelítéssel adiabatikus folyamat játszódik le, azaz dQ= 0 . Így (7)-ből cv ln T + Rln V = C1 , illetve (6)-ból általában RdT - pdV - Vdp = 0 , amelybe (6)-ot visszahelyettesítve és az eredményt (7)-ben a cp = cv + R összefüggéssel együtt felhasználva adódik, hogy Tehát (8)-ból végül cv ln p + cp ln V = C3 . (8) pV g = C ; (9) amely összefüggésből értelemszerűen az azonos tömegű gáz V térfogata átszámítható az egységnyi térfogatú gáz sűrűségévé is. Ezek alapján megadhatjuk

az "izentrópikus" (hőátadás mentes) áramlás két (pl. x és y) helye állapotjellemzőinek viszonyát (6) és (9) felhasználásával, azaz g- 1 Tx æ p ö = çç x ÷ Ty è py ÷ ø g g- 1 æVy ö =ç ÷ è Vx ø (10) Továbbra is a 3.3 á brát használva meghatározhatjuk a hajtómű tolóerejét, amelyik kézenfekvően (11) F = A×dp , s ha r a sűrűség, akkor célszerű jellemzőként a reciprokát vezethetjük be, azaz legyen u = 1 r (m3/kg). Az áramló gáz elemi idő alatt ds = c×dt utat tesz meg és eközben gyorsul, azaz 13 a= dc . dt A 3.3 ábrán (lásd az előadáson) az áramló gáz vizsgált A×ds térfogatában m= A×ds u (12) tömegű gáz áramlik, s ez végzi a munkát az égéstértől a szabad térig terjedő úton átáramolva, így alakul ki ez a hőerőgép. Az m tömegű gáz a gyorsulással mozog, azaz a fellépő erő F = ma . Ide (11)-et és (12)-t behelyettesítve adódik a g ázáramlási sebesség, ami pedig (5)-be

helyettesítve megadja a hajtómű tolóerejét. A×ds dc Acdt dc × = × . u dt u dt cdc és így végül dp = u A×dp = Innen udp = cdc . (13) A gáz égéskamra és külső tér között végzett mechanikai munkája innen már adódik: égéskamra Wm = ò külsô tér c22 - c02 , ahol c0 << c2 . udp =×××= 2 Ugyanakkor (9)-ből 1 æp ö u = u0ç 0 ÷ è pø g , azaz a 2-es, kiáramlási ponton, a fúvóka végénél 1 égéskamra æp ö g c22 @ ò u0ç 0 ÷ dp . 2 kilépési pont è p ø Elvégezve a számításokat adódik, hogy T - T2 2g 2g ( V0 p0 - V2 p2 ) = RT0 0 (14) T0 g- 1 g- 1 Ebben az összefüggésben p2 méretezési paraméter, ami általában a pálya mentén c2 = változik. (14) ezután (5) segítségével meghatározza a tolóerőt 3.3 A különféle rakétahajtóművek értékelése: · kémiai hajtóművek és jövőbeli lehetőségeik; · elektrodinamikus hajtóművek és értékelésük c2 és FT = mb ×c2 alapján, elektroszatikus, ív

fűtésű, MHD hajtóművek; · nukleáris hajtóművek: reaktor-fűtésű és ún. atombomba hajtómű, startolási kockázatok, alkalmazhatóságuk; · a mai fizikai tudásunk szerinti elvi határ: anyag-antianyag vagy "foton" hajtómű és a mérnöki problémák. 14 · "autó" a Naprendszerben (fúziós hajtómű) és a sci-fi . Van-e út a csillagokhoz? Rakéta-hajtás, Nap-vitorlás, csillagközi "turbósugár" hajtómű. Mai tudásunk szerint repülhet-e ember a csillagok között oda-vissza (Marx Gy. elemzése)? 3.4 Különféle rakéták és felépítésük (Az ábrák az előadáson láthatók.) Magaslégkör kutató rakéta felépítése. Fő részei: rakéta (hajtómű, üzemanyag és tartálya, vezérlés, hasznos teher csatlakozó és védőburkolat, biztonsági egység.), kutatófej, starthely és követés Katonai rakéták: a katonai és űrkutatási rakéták, valamint az űrvédelem (SDI stb.) eltérő követelményei. Katonai

rakéták felépítése (rakéta, biztonsági rendszer, robbanófej és esetleg megtévesztő fejek .) Űrkutatási hordozórakéták, szilárd és folyékony üzemanyagúak, hagyományos, Atlas, STS, SSTO, űrbeli közlekedés (pl. Apollo holdkomp és más társai) Speciális eszközök hajtása, pl. járművek más égitestekre, űrbeli mozgás (űrhajósok mozgása a szabad térben, mozgás űrállomások között, .) és elképzelt változataik (a napszél és a Nap-vitorlás .) 15 4. Űrrendszerek A következőkben a ma ismert űrrendszerek felépítésével és szerepével foglakozunk csak. Alapvető megbízhatósági, működési folyamatossági, adatforgalmi és üzemszervezési különbségek vannak a kutató rendszerek és a szolgáltató rendszerek között. A különbségek: · Az űrkutató rendszerekben a pillanatnyi teljesítmény határokat (megbízhatóság, sugárzásállóság, fedélzeti adóteljesítmény, vevőérzékenység, üzemidő és élettertam,

miniatürizálás stb.) a maximális mértékben ki szabad és ki kell használni Lásd pl. a bolygóközi kísérleteket Automaták esetére ez pontosan így igaz, emberes repüléseknél viszont az életfenntartó rendszerek szolgáltatást jelentenek definíciószerűen. A kutató-műszerek stb. a lehető legkevésbé specializáltak kell legyenek, mert ismeretlent keresünk. - Csúcs- és határteljesítményen üzemelés Példák: Van Allen övek, napszél, . Nyers adat lehozatalának problémái; feldolgozott adat előnyei és alapvető problémája, a "békaszem"-effektus (pl. Viking kísérlet, automata whistler detektor és a szeizmikus VLF jelenségek, .) · A szolgáltató űrrendszerekben a szolgáltatás folyamatos és nagymegbízhatóságú biztosítása a feladat. Nem működhet még ki nem próbált csúcstechnológiával. (Ellenpélda: Ariane-5 rakéta és a műholdakat bérért pályáraállító szolgáltatás.) Ekkor világméretekben ráállnak a

szolgálat használatára, s garantálni kell a kiépített csatlakozó rendszerek üzemét. (Példa: meteorológiai és távérzékelő szolgáltató űrrendszer, ill. a katonai felderítő űrrendszerek, ill a távközlési űrrendszerek, ill mentő űrrendszer; adatfolyam vagy szolgáltatás kimaradás hatásai, meteorológia műholdak ill. távérzékelő polgári holdak pótlása, műszereinek esetleges változása .) A mai helyzet nemzetközi jogi rendezettségének hiányai és hatásai. · Az űreszköz és az űrrendszer különbsége: Űreszköz általános felépítése Þ pl. bolygóközi szonda 4.1 ábra Űreszköz szerkezeti vázlata (fedélzeti célberendezések a feladattól függően; energiaellátás; üzembiztosító automata; fedélzeti adatgyűjtő és adattovábbító, telemetria rendszer; földi kapcsolattartó rendszer; szerkezet) Űrrendszer általános felépítéseÞ pl. távérzékelő űrrendszer 4.2 ábra Űrrendszer általános vázlata (űreszközök, a

szolgáltató űreszközök és a földi szolgáltató központ közötti információáramlást biztosító rendszer, földi szolgáltató központ, felhasználók) 4.1 Kutató rendszerek 16 · Kutató-rakéták (meteorológia rakéták, magaslégkört kutató rakéták, sulytalansági pályán viselkedést kutató rakéták). Kutató-rakéta felépítése (vázlata a 4.3 ábrán) Alkalmazási területek a múltban (pl. Redstone és a két "űrugrás") és ma Kizárólagos alkalmazhatósága a magaslégkör stabil műholdpályát már lehetővé nem tevő, alsó tartományaiban (10-20 km-től 80-150 km-ig pl. a Föld esetében) · Műholdak és a csatlakozó univerzális kutató űrrendszer. Műholdak általános felépítése alkalmazási területtől függetlenül (vázlata a 4.4 ábrán): szerkezet, hőszabályozás, elektrosztatikai stabilitás (a "földelés" értelmezési gondjai és következményei), fedélzeti e.m kompatibilitás és zavarmentesség,

érzékelők és antennák elhelyezése a szerkezetben start alatt és utánna, érzékelők és műszerek, adatkezelés-gyűjtés-telemetria, vezérlő és parancsvevő rendszer, fedélzeti energiaellátó rendszer (változatai: napelemek és puffertár szüksége, izotópos generátorok, akkumulátorok és telepek, üzemanyag-cellák, perspektíva: fedélzeti nap-erőmű, fedélzeti atomerőmű) és megválasztásának szempontjai, pozicionálás (grav-grad, mágneses gradiens, pörgettyűs tehetetlenségi szabályozás, referencia műhorizont és teljes tájolás a Földre és a csillagokra {a Canopus a hajósok csillaga}, GPS a fedélzeten manapság {űrrendszer az űrrendszerben} stb.), navigáció és követés-pályameghatározás, fedélzeti idő és frekvencia referenciák, a műhold fedélzeti üzemeltető rendszere és mérőműszerei. A műholdas kutató űrrendszer részei és működése: műholdak, követő és vezérlő rendszer, adatvevő és elosztó rendszer,

adatfeldolgozás és értékelés; a r endszer egyes részeinek univerzalitása. Földi állomás felépítése (blokkvázlattal): antennarendszerek (követés, vétel, pályameghatározás stb.), kiszajú és korrelációs vevők, jelszinkronizátorok, frameazonosítók, gyors adattárak, számítógépek és feladataik, adatttárolás és továbbítás, kiszolgáló rendszerek; sajátos kutatási feladatok sajátos földi egységei. · Űrszondák és a csatlakozó űrrendszer. Az űrszondák felépítésének sajátos szempontjai (élettartam, adatátviteli távolság, energiaellátás, sugárzásállóság, a j el futási ideje + au tonómia és fedélzeti intelligencia igény {pl. a főnyaláb Földön tartása, sérülés hatása, elrepülés távoli bolygó mellett}, navigációs pontosság, pozicionálási pontosság). Sajátos kérdés: üzenet más intelligenciáknak és a nyitott kérdések. A Deep Space Network. · Űrhajók és űrállomások. Az ember jelenlétéből

fakadó sajátos követelmények. Az ember jelenlétének előnyei és szükségessége. Orvosi hasznosítás Űrbeli gyártás és egyéb szolgáltatás kifejlesztése, s ezek remélt előnyei. · Űrtelepek más égitesteken. Egy űrtelep elképzelt felépítése Hold-Mars-szerű égitesten. A Vénusztípusú égitestek problémája (Visszautalás az előzőekben elmondottakra) Űrtelep értelme: kutató-bázis, ipari hasznosítás, Földről megoldhatatlan feladatok (csillagászat, nukleáris hajtóművel indítás stb.), "újszülött" (lásd a műholdak hasznosításának korai elképzeléseit és a valóságot). 4.2 Szolgáltató rendszerek 17 Csak a k utató-rendszerektől eltéréseket emeljük ki. Ma a szolgáltató rendszerek természetszerűleg és kivétel nélkül műholdas rendszerek, amelyek közül egyedül a meteorológiai rendszer használ kis kiegészítő adatszolgáltatóként rakéta-szondákat is. · Űrhírközlési rendszerek. Az űrhírközlés

gazdaságilag nyereséges üzlet, s mert a nyereség közvetlenül és nem társadalmi áttételeken keresztül jelentkezik. Az űrhírközlési ipar felépítése: műhold-gyárak, szolgáltatók (az INTELSAT és társai), pályáraállítók, biztosítás, bekapcsolódás az általános távközlési és hírközlési rendszerekbe. Versenyképesség (kb. 600 km-től pont-pont összeköttetés esetén) és annak várható alakulása a k ülönféle alkalmazásokban. Kapacitás-kihasználtság tervezés és ennek oka (£60%). - A "globális falu" megszületése, információáramlási forradalom Az űrhírközlés legfontosabb területei: * pont-pont távközlés; kialakulása (kis adóteljesítmény és érzéketlen vevő a fedélzeten) és a jelenlegi helyzete (nagy adóteljesítmény és érzékeny vevő a fedélzeten), a rendszer felépítése és szervezettsége (Intelsat, Comsat, az Interszputnyik tündöklése és bukása, .), beépülése a teljes földfelszíni

távközlési hálózatba; a regionális fedésű és a véletlen hozzáférésű rendszerek kialakítása; távközlés a sarkvidékeken (pl. Molnyija); * katonai távközlés; mobil, nehezen zavarható, üzem nukleáris háború esetén, nem kell külön telepíteni, az űrbeli pont nehezen támadható stb.; * ún. belső távközlési hálózat-szolgáltatás (pl nemzetközi konszernek belső, transznacionális hírrendszerei); * mobil távközlés, a közeli jövő; kapcsolóközpontok az űrben, nagy adóteljesítmény és érzékeny vevők; a kapcsolóközpontok űrbe kerülése példa az eredetileg földi egységek űrbe átkerülésére; * műsorelosztás műholdakkal; műsorszórás műholdakkal; "a józan ész csődje"; * TDRSS és társai; egyben példák az eredetileg földi adatgyűjtő és továbbító állomásrendszer űrbe átkerülésére. Betört minden alkalmazási területre. · Mentő és riasztó rendszerek. Az általános mentőrendszer USA-SzU

kialakítása. Nemzeti katonai figyelő-riasztó rendszerek (nukleáris riasztás és a leszerelési egyezmények). · Helymeghatározó rendszerek. A helymeghatározás célja ill. változatai: geodézia és térképészet, navigáció. Geodéziai célú műholdas rendszerek jellemzői, a szükséges frissítési idő, a pontosság dinamikus geodézia esetén. Térképészeti alkalmazás és kombinálása a távérzékeléssel. Navigáció: pontosság és a helymeghatározási időciklus. A GPS és jövőképe. · Forgalomirányítás. 18 A Marisat tengeri forgalomirányító rendszer felépítése: műholdak, parti irányító állomások, tengeri mentőszolgálatok, a hajókon lévő egységek. (Kalózok a XX sz. végén: vannak, ha hagyjuk) A szárazföldi és légi forgalomirányítás: GPS pontosságú navigáció és a kiegészítő szolgálatok. Bűnüldözés segítése · Föld-megfigyelő rendszerek. Meteorológiai rendszer, követelmények (felbontás, időbeli minta

sűrűsége, területi fedés és áttekintés, olcsóság), elemei (műhold készítés, felbocsájtás és üzemeltetés "kiemelt" helyeken, ún. űrhagyhatalmaknál; adatvétel és felhasználás általános hozzáférhetőség alapján; felhasználást segítő előértékelő központok "kicsiket" támogatandó). - Gazdaságossága Nagyfelbontású távérzékelő rendszerek (felbontási skála és határértékek, a műholdas rendszer felépítése, a távérzékelési szolgáltatás hozzáférhetősége), a civil és a katonai rendszerek fenntartása, mint manipulációs eszköz. - Gazdaságossága, megtérülés társadalmi szinten, de nem magán a szolgáltatáson belül. Katonai felderítő rendszerek (optikai, infravörös és mikrohullámú rendszerek, folyamatosan figyelő és a részletesen vizsgáló rendszerek, radioaktívitást figyelő rendszerek). "Nyitott égbolt" 4.3 Felmerülő problémák Általános civilizációs jellemző az

információ-éhség és -szerzés, valamint a hírközlés (lásd a Bibliától az űrkutatásig). Így minden űrrendszer lényege és minden feladat visszavezethető az információ megszerzésére és átvitelére. (Ehhez kapcsolódik a szabályozás is kikerülhetetlenül. Az információ erőforrás) A probléma szintjei: A-szint: Átviteli pontosság, átvitt információ mennyiség, átviteli idő (példa: a mezőgazdasági alkalmazás). Technikai feladategyüttes Þ teljes űrrendszer ( f és t stb.), mintavételi pontosság általában B-szint: Az átvitt jelek és a közölni kívánt információ korrelációja. Ez az interpretációs feladat. C-szint: A jelentés a kívánt hatást váltja-e ki? - Az ember-környezet modell. Kiemelten szerepel az űrkutatásban, s egyre inkább máshol is, az információ mozgatása és működtetése. 19 5. Űreszközök Az űreszközök felépítési és konstrukciós alapelvei meglepően stabilak annak ellenére, hogy az

50-es évek második fele óta az űrkutatás és a haditechnikai fejlesztés produkálta és produkálja a technológiai újdonságok elsöprő többségét, amik aztán igen rövid idő alatt meghonosodnak civilizációnk minden területén. Ebből persze az is nyilvánvaló, hogy az alapelvek nem konkrét megoldásokat határoznak meg, hanem konstrukciós követelmény-rendszert alkotnak. 5.1 Alapelvek A követelményeket a környezeti körülmények szabják meg, amelyek három fő csoportba sorolhatók: a külső környezet hatásai, a pályára állítás és a saját működés hatásai, a küldetésből fakadó követelmények és következmények. A külső környezet hatásai: A nagy illetve extrém vákuum, anyagok és alkatrészek viselkedése vákuumban. Vákuum-heggedés, párolgás, védekezési lehetőségek. A vákuum és az alkatrészek hőterhelhetősége. Külső mágneses tér, indukció - veszélyei, helyzetszabályozás, energiatermelés. A Nap illetve más égi

források sugárzása. Öregedés az e.m sugárzás hatására Energiatermelési hasznosítás, árnyék hatása, a forrástól távolodás hatása. Az űreszköz teljes sugárzási energiamérlege és a hőmérsékletszabályozó rendszerrel szemben támasztott követelmény. Az e.m spektrum felső vége: röntgen és g sugárzás Részecske-sugárzások: forrása - Nap, csillag, köd s tb. illetve sugárzási övek a bolygók körül. A Föld sugárzási környezete és hatása a konstrukcióra: Van Allen övek, az ún. délamerikai anomália Konténer vagy szabadtéri szerelés. Sugárzásálló alkatrészek illetve élettartamara tervezés és árnyékolás. (Pl a CESAR.) A félvezetők regenerálódása, napkitörések ill. erősen sugárzó területek átrepülése. Ennek hatása pl szolgáltató holdak esetében (időszaki üzemkiesés stb) illetve egyszeri rárepüléses (általában kutatási vagy katonai) feladat végrehajtása során. Különleges anyagok, pl. a Vénuszra

leszálló egységek félvezető alapanyaga a gyémánt lehet (pl. Venyera-k) A különféle e.m sugárforrások hatása a rádió-rendszer tervezésére általában A bolygók (pl. a Föld) infravörös hősugárzása és hatása általában és az infraérzékelők esetén Mikrometeoritok: előfordulási sűrűség, hatása a kopás (pl. napelemek, optikák) Védekezés igen hosszú élettartam illetve különleges elemek (pl. Hubbleteleszkóp) esetén 20 Meteoritok: előfordulási sűrűség. Hatása A védekezés korlátozottsága A pályára állítás és a saját működés hatásai: A működés során az eszköz teljesen vagy nagyrészben magárahagyottan működik a földi (a jövőben esetleg űrbeli) irányító központtal meglévő vezérlési kapcsolatot figyelembe véve is. Az űreszköz a rakétába szereléstől illetve a szállító eszközből (pl. űrrepülőgép) kihelyezéstől kezdve nem javítható. Általában egyáltalán nem (pl bolygóközi szonda)

vagy csak különleges módon (pl. műholdak befogása ill javítás a pályán - a Hubbleteleszkóp esete) Megbízhatóság, rendszer-tartalékolás, élettartam; példák A pályára állítás eszköze korlátozza az űreszköznek mind a méreteit, mind a tömegét. A különleges anyagok és technológiák gyors fejlődése A szerkezeti rész, a saját szabályozó és üzemeltető rendszerek (akkumulátorok, hőszabályozás stb.), az érzékelők és az elektronika arányai és hatása a tudományos és alkalmazási lehetőségekre. Miniatürizálás. A korlátozott energia-ellátás: oka, hatása (kisfogyasztású eszközök), a hatásfok energia átalakítási, termelési, belső szállítási és felhasználási szakaszon. Mechanikai (és hő-) igénybevétel a s tart idején illetve a f edélzeti rakéták működése során; széles frekvenciatartományban erős rázás, ennek hatása. Belső rezonanciák, a külső rázás átterjedése a belső rendszerekre. (Spektrum:

<1 Hz-től >10 kHz-ig.) Amplitúdó automaták és embert hordozó űreszközök esetében A hordozó és az űreszköz szétválasztása. Az automatikus illetve emberi segédlettel történő bekapcsolás. A start és a p ályán rázkódás elvi különbségének oka: start alatti csomagoltság és a pályán meglévő üzemi állapot - antennák, egyes mechanikai elemek arretáltsága stb. Elektromos feltöltődés, a "nulla" és a "föld" értelmezhetősége egy űreszköz fedélzetén, vákuum-kisülés romboló hatása, védekezés. (Miért különösen jó az arany?) Az űreszköz készítése: fejlesztés és ún. földi modell, a technológia és a rendszerkialakítás "befagyasztása", a repülő példány(ok) készítése és vizsgálata, repülésre bocsájtás, start és pályára állás, üzemkezdet, a k üldetés végrehajtása, üzem a k üldetés végrehajtása után. A meghibásodások valószínűségének alakulása a teljes

folyamatban: Általában egy "egység" meghibásodása: korai hibák, véletleszerű hibák, végső elöregedés. Þ Technológiai konzervativizmus, az ún befagyasztás (freeze) A hibavalószínűségi görbe alakulása az űreszköz teljes üzeme során: gyártás és ellenőrzés, startra előkészítés és start, bekapcsolás és működés. Súlytalanság és támaszték-mentesség: Mozgatási és áramoltatási problémák. Momentum-kompenzáció Hőtermelés, hőfelvétel és hőleadás űreszközön. Az űreszköz általános hőenergia-mérlege és annak szabályozása. Hőszabályozási megoldások. Az űreszköz egyes részeinek és alkatrészeinek (pl. mP) hőegyensúlya A hatásfok fontossága. Hővezető elektromos szigetelők 21 A küldetésből fakadó követelmények és következmények: A fedélzeti redszer (műszerek, telemetria, önirányítás, teljes működés) intelligenciájának foka: távol-téri küldetések (pl. Pioneer-10 és -11); más

bolygók felszínére leszállás, ott mérés ill. mozgás; intelligens műszerek előnyei és gondjai (lásd korábban is); az embert védő és segítő egységek űrhajókon (pl. aludni kell) Különleges megbízhatóság nagyon hosszú repülési idejű és teljesen ismeretlen területre indított űrszondák esetén. Önjavítás, adaptivitás, paraméter-stabilitás és a hitelesítés problémája és lehetősége repülés közben, . Különleges tehetetlenségi stabilizálási követelmények távoli repülések esetén. Zajos, meleg, erősen sugárzó környezetbe repülés; pl. Nap közeli űrszondák A nagyon hosszú idejű repülések, kísérletek mérnöki oldala; kapcsolata a civilizációnk érdeklődésének változásával. A civilizáció jellemzőinek változása "Előjelzések" a jelenlegi egy-két évtizedig tartó programok esetén. Þ ? 5.2 Mérés és adatátvitel A mintavételezés kikerülhetetlensége (ennek filozófiai következménye, az

észlelő mérete véges és a jel sebessége max. c , t > 0 ) és fajtái: a küldetés, mint mintavétel; értékelési problémák; ismételt átrepülések, mint általános mintavételi pontok (pl. felhő-képek); térbeli és időbeli mintavétel az érzékelés során; a szokásos mintavétel, adatkezelés és átvitel; hatása a földi adatvételre és feldolgozásra, több évtizedes ill. "állandó" programok adatbázisának belső koherencia és hitelesítési problémái. Az információ továbbítása és továbbíthatósága kulcskérdés: mérendő (gyűjtendő) teljes információ mennyiség Û átvitel, folyamatos illetve időszakos Föld Û űr kapcsolat, az átviteli korlátok visszahatása a kutatás illetve szolgáltatás céljaira, minőségére, egyszerű és "intelligens" adatátvitel (pl. SAS), az Ismeretlen jellemzői (pl szeizmikus kutatás a SAS-sal). Emlékeztető: a) Az információ mennyiség (H) - negentrópia: n számú

készlet (jel, üzenet); pn választási valószínűség, ekkor n H= - å i= 1 n pi log pi ; å pi = 1 , (15) i= 1 ahol ha pi = 1 n , akkor H max , míg ha pk = 1 , akkor H º 0 , azaz nincs információ. A valóságos viszonyok mellett óvatos értelmezés és értékelés szükséges; pl. napszél, ahol pk = 1 és mégis H = H max , vagyis pi értelmezésekor kell körültekintően eljárni. 22 b) Csatorna-kapacitás º átviteli sebbesség, ami az adatok rendelkezére állása megítélésekor ill. a k ísérlet megvalósíthatósága értékelésekor (pl CESAR) kulcskérdés minden űrrendszerben: telemetria Û átviteli sebesség Û adó 2 æ P ö C = f ×l og dç 1+ S ÷ , PN ø è (16) ahol PS a jel, PN a zaj teljesítménye (zaj alatti vétel és Bay Zoltán stb.), d a zaj jellemzője, amelynek értéke fehér zaj esetén 1, egyébként tipus-függő ill. mérendő ~2 ×f = 4kTR×f , ahol R az Ellenállás-zaj esetén ismeretes, hogy u

ellenállás. Visszaírva (16)-ba ismert módon adódik, hogy 2 uS ö 1 ù 2 é æ C = f ×l o gê 1+ ç ÷ ú. ë è k1 ø f û (17) (17)-ből optimális sávszélesség és maximális csatornakapacitás határozható meg. Az átviteli hatásosság a rendszerünkben hátv = Cprimer jel Cátvitel . (18) Ennek különös jelentősége van, amikor a fedélzeten mérhető vagy mért "nyers" adatot előre megbecsülve tervezzük a kísérlet vagy szolgálat átviteli jellemzőit. Fontos lehetőség a fedélzeti adatfeldolgozással tehermentesíteni az átvitelt, de óriási buktató a "békaszem" effektus. Az információ átviteli idő szerepe: A jel futási ideje és szerepe: Föld Û űrszonda Rendszer időállandó, veszélyhelyzet, rövid adatgyűjtési idő (pl. elrepülés bolygó mellett), . A probléma a 43 pont szerint úgymond A-szintű Az egész űrrendszer futási ideje: A probléma a 4.3 pont szerint úgymond C-szintű, pl a

távérzékelés (mezőgazdasági alkalmazás, árvízi riasztás, katonai csapatmozgás figyelés,.) Kézbentartás információ jelfolyam-gráf és hálótervezés alkalmazásával. Utóbbira illusztráció: tartalék műhold optimális indításának tervezése Alapvető az elérni kívánt cél. Mi a kardinális érték? Alkalmazása Az átvitel általános blokkvázlata: Észlelendő jelenségek Þ A teljes űrrendszer Þ A felhasználóhoz jutott adatok Az átvitel minden szinten jellemezhető átviteli függvénnyel, operátorral, alkalmazhatók az ismert módszerek. Mérési tipusok: Három alapvető mérési tipus létezik. · In situ mérések. - Az in situ mérés definíciója Olyan esetek, amikor csak ez létezik: elemi kölcsönhatások szintje. Az in situ mérésekben szükségképpen meglévő közelkörnyezeti kölcsönhatás, mint zavarforrás (pl. magaslégkör kutató rakéta mérőfeje). - Részletesen lásd a 6 témánál 23 · Távérzékelés. - A

távérzékelés definíciója röviden (a kölcsönhatás energiamérlege a vizsgált jelenség szempontjából). Lehetőségei, közelkörnyezeti köcsönhatások és terjedési zavarok. - Részletesen lásd a 11 témánál · Vegyes jellegű mérések. - Általános jellemzése Utalás a 7 témára Szabályozó és szabályozott rendszek (ismeretes). 24 6. Fedélzeti műszerek közvetlen (in situ) mérésekhez In situ, azaz "ott helyt" végzett mérésről beszélünk akkor, ha a megismerni, megmérni kívánt jelenség tényleges előfordulási helyén - in situ, ott helyt - végezzük a mérést. Ekkor a megismerni kívánt jelenséggel KÖZVETLEN KÖLCSÖNHATÁSBA lépünk a mérés során, a műszerrel, pontosabban a műszer egy részével. A mérés során nem valamilyen elvont jelenséget vizsgál a műszer, hanem magát a kölcsönhatást ismerjük meg. Ennek mikrofizikai és makrofizikai változatai A mérés lényegéből adódóan ideális esetben is

"beavatkozik" a mérendő jelenségbe magába, pl. részecske-csapda Mikrofizikai vizsgálatban a mikrofizikai jelenség, amit megismerünk, maga a kölcsönhatás. Makrofizikai vizsgálatban, pl részecske összetétel, részecske sebesség-eloszlás, részecske sűrűség mérésekor a közvetlen kölcsönhatásban résztvevő részecskék, jelenség-rész jellemző az egész makrofizikai jelenségre (pl. Van Allen övezetek, ionoszféra, napszél) és ugyanakkor a kölcsönhatásban részvevő rész elhanyagolhatóan kicsiny az egész jelenséghez képest. A mérés során jelentkező zavaró tényezők: - Felvitt szennyezés illetve zaj: adhézióval felvitt anyagok, saját emisszió (anyag-párolgás, e.m sugárzás ill fedélzeti zaj), biológiai szennyezők, - a STERILITÁS problémája mind a vizsgált terület, mind a Föld szempontjából. - Az egész űreszköz által kiváltott zavarok: a folyamatos mozgás, lökéshullám, feltöltődés és a

"földelés" problémája, a többi műszer kölcsönhatása és az űreszközÛFöld kapcsolat. Előnye: Általában relatíve egyszerű és könnyebben hitelesíthető (kalibrálható), az értelmezés is egyértelműbb, mint más esetekben (pl. biztosan és ismert pontossággal adott a mérés helye és ideje.) Fő kategóriái: Az űreszköz (r , t ) helyzetében a közvetlen környezetet tanulmányozzuk. Az űreszköz (r , t ) helyének valamilyen jellemzőjét kihasználva (pl. g@0 környezetben élettani vagy technológiai kísérleteket lehet végezni; extrém nagy vákuum jelenléte, .) az űreszköz fedélzetén vagy külső környezetében fellelhető jelenség, hatás vagy tárgy ill. személy tanulmányozása 6.1 A kozmikus környezet vizsgálata Ez a mérési terület minden jó mérnöki vagy fizikusi ötlettel bővül. Így a kezdetek óta a felsorolás már nagyon megnyúlt, s a jövőben is bővülni fog. Lényegében minden ún földi in situ mérésnek

megvan már a fedélzeti párja. A legfontosabb mérőműszer tipusok összefoglalása: 25 A semleges gázt vizsgáló műszerek. - Pl Bayard-Alpert manométer, mágneses manométer, izotópos manométer, ionizációs részecske-csapdák. A semleges és ionozált gáz (közeg) összetételét vizsgáló műszerek. Különféle tömegspektrográfok Ionizált közeget vizsgáló műszerek. - Elektron- és ion-sűrűség mérő műszerek (pl. retardáló potenciálos csapdák - modulációs ioncsapda és vázlata); energia~ (ill. v, ~ v, T ) mérés illetve eloszlás mérés (pl. fazék-, gömb- vagy irányérzékeny fékező-csapda). Tömegspektrográfok Sugárzás és részecske-detektorok. - Nagyenergiájú részecske-sugárzás (kozmikus sugárzás, napkitörések, .) és g -sugárzás mérése - GM-cső és kiemelt szerepe. Kalandos ötletek: ködkamra és emulziós blokk műholdpályán Korszerű félvezető detektorok: energia és sugárzás-összetétel mérése. Meteorit és

mikrometeorit kutatás. - Meteorok és meteoritok észlelése optikai eszközökkel. Mikormeteorit detektorok: befogó csapdák, lumineszcens, piezoelektromos, kondenzátoros stb. detektorok és kombinációik (Pegazus és IK-12) Rádiófrekvenciás plazma-detektorok. - A plazma definíciója: kívülről semleges, ionozált gáz. Hideg és meleg plazma, s vizsgálatának jelentősége A mért adat érzékenysége a r epülési irányra, azaz a t ájolási ada fontosságat és a repülési irányhoz képest az űreszközön elhelyezés alapvető adatbefolyásoló szerepe: Manométer ill. manométerek együttesének stb elhelyezése kutatórakétán Műszer elhelyezése műholdon, űrszondán, üstökös-szondán stb.: Tájolás: a Földre, a Napra, csillagra vagy csillagokra; bukdácsolás. A v irányú elhelyezés szinte megoldhatatlan már műholdon is. Űrszonda és "platform" együttese. 6.11 Bayard-Alpert manométer: Méréshatár általában 10-2 ~ 10-8 Hgmm, elért

csúcsérzékenység kb. 10-10 Hgmm Felépítése: 6.1 ábra A mérőcső szerkezeti vázlata A működés leírása: Az ionizált komponensek kiszűrése (vagy benthagyása). Az izzó katód szerepe. A gyorsítórács és kollektor együttes működése, a semleges gázt az emittált elektronok ionozálják, a keletkezett ionok száma arányos a semleges gáz sűrűségével, az ionokat a kollektor gyűjti össze, az ionizációs tér a rács és a kollektor közötti térfogat. A kollektor áram arányos a gáz nyomásával illetve sűrűségével. A cső méretei kisebbek az elektron átlagos szabad úthosszánál (úgymond az elektron szabadon mozog a csőben), s így minden további nélkül miniatürizálható volt. A cső hitelesítése (és tervezése is) elmélet és empíria együttese. A katódhoz (annak "földelt" végéhez) képest a gyorsító rács feszültsége U R > 0 , a kollektor feszültsége U c < 0 , a h engerszimmetrikus cső belső sugarai

értelemszerűen rR, rc , míg a rács és a kollektor közötti tartomány valamely helyét r jellemzi. A gáz ionizációs potenciálja Ui legyen. Ekkor az r helyen a potenciál ln(r rc ) , U (r ) = U c + (U R - U c ) ln(rR rc ) 26 ahonnan az U (r0 ) = Ui hely egyszerűen adódik meghatározva a cső ún. érzékeny térfogatát. r0 ismeretében számítható, azaz kellően pontosan becsülhető a cső kollektor árama figyelembe véve mostmár adott gáznyomás ( p ) ill. sűrűség esetén az elektronok átlagos pályahosszát ( l e ) az érzékeny tartományban, az I R rácsáramból az ionozációban részvevő hányadot ( a ), az ionozációs hatásfokot ( ei ) és a keletkezett ionokból a kollektorra jutó hányadot ( b ). A kollektor árama így (19) I c = I R ×K ( p)× pn , ahol törekszenek az n= 1 érték megközelítésére. Ugyanis könnyű mérés értékelést (kalibrációt) tesz lehetővé, ha p egyszerűen adódik I c -ből. Ekkor a műszer érzékenysége

definíciószerűen S= I c( A) I R( A) × p( Hgmm) és az ún. dekádérzékenység ¶ log( I c I R ) , (20) ¶ log p s kényelmes adatkezelést biztosít, ha Sd munkapontonként ( U c ) állandó, azaz nem függ Sd = a nyomástól. 6.12 Kombinált mikrometeorit detektor felépítése: A műszer felépítése: 6.2 ábra Egy kombinált mikrometeorit detektor felépítése A működés leírása, ha egy kondenzátoros érzékelő egy lumineszcens érzékelőre ráépítve működik. A lényeg a fedélzeti és kozmikus zajokból keletkező hamis impulzusok kiszűrése koincidencia-vizsgálattal. 6.13 Rádiófrekvenciás plazmasűrűség-mérő: A műszer ("teniszütő") felépítése: 6.3 ábra Plazma-sűrűség RF detektor vázlata Az adott oszcillátor működése: j wL + 1 = 0 , ahol L - műszerállandó. j wC Innen ismert módon f@ 1 2p LC , (21) s azért közelítően, mert a műszer geometriája kissé bonyolult; de igen jó egyenlőség érhető el. A

változónk C , ami a "teniszütő" A felületétől és l távolságától, valamint a kitöltő közeg (plazma) dielektromos tényezőjétől ( e= e0 ×er ) függ, azaz 27 C= Q Q @ = U lE A sA = e0 er = er ×C0 , ahol C0 is műszerállandó. D l l e0 er A plazma permittivitása, mivel a műszerünk érzékelő része igen kicsiny, homogén és izotróp plazma jellemzőjeként kereshető, s a jelünk (lásd oszcillátor) bizo-nyosan monokromatikus (azaz egy adott w körfrekvenciájú, tisztán szinuszos) jel. Ez a gerjesztő jel a plazmában áramot hoz létre, mert megmozgatja az elektronokat, vagyis F = q( E + v ´ B ) , ami átírható, hiszen é 0 - B3 B2 ù ê ú 0 - B1 ú, és így v ´ B = Bv , ahol B = ê B3 ê ë- B2 B1 û 0 ú 1 dv q + ( Bv - E ) + FA = 0 , a hol FA a különféle ún. külső erő, pl ütközéses dt m m energiavesztés. Ha figyelembe vesszük a k özeg homogenitását, veszteségmentességét a kis mérőtérben a mérés igen rövid

ideje alatt, a mérőfej kis méretei miatt B elhanyagolhatóságát és a jel monokromatikusságát, azaz azt, hogy E = E0ej wt , ahol w@állandó , hiszen csak C mérés közbeni kis változásai miatt ingadozik egy kicsit a frekvencia, akkor dv q = E0ej wt , dt m (22) ahol a térerősség alakját előre felvettük, s utólag azt vissza kell kapjuk - S.CF módszer Innen q2 N q v= - j E és J = qNv = - j E, mw mw (23) Így már felírhatjuk az első Maxwell-egyenletet: Ñ´ H = J + e0 Innen ¶E ¶D ¶E . = = e0 er ¶t ¶t ¶t é æ w2p öù q2 N ¶D =- j E + j we0 E = j wê e0çç 1- 2 ÷ ú×E , ¶t mw w ÷ ë è øû (24) ahol D = e0 er E , és az ún. plazmafrekvencia 2 p w = q2 N e0 m . (24a) (24) segítségével már felírható C , s így meghatározható a műszer alapegyenlete. A műszer a műholddal együtt mozog a közegben. Így a közeg változik a műszer belsejében. Azonban legyen a műszer mérőfrekvenciája elegendően nagy - RF szonda -, a

mérést elég gyorsan végezzük el és így egy-egy mérési adat (pont) felvétele idején 28 tekintsük a közeget változatlannak, vagyis időinvariánsnak. (Modellek szerepe az űrkutatási és egyéb mérésekben!) Ekkor (24)-ből ¶N Þ f ( t ) - f ( t 0 ) = f ( t ) - f ( t 0 ) << f0 illetve f , és így ¶t æ w2p ö . C = C0çç 1- 2 ÷ w ÷ è ø (25) Ekkor (25)-öt (21)-be visszaírva adódik, hogy 1 f @ f0 w2p 1- , ahol f0 = 1 . 2p LC0 (26) w2 Látható, hogy a plazmafrekvencia függ a plazma sűrűségétől, s rezgőkörünk frekvenciája pedig függ a plazmafrekvenciától. A műszer tehát alkalmas a plazma-sűrűség mérésére A mérés menete ezután: Megmérjük az oszcillátor f = f - f0 frekvenciaváltozását, s ezt a Földre továbbítjuk hasznos adatként a TM-án keresztül. Mivel kvázimonokromatikus jelet tételeztünk fel az elején, ezért úgy állítjuk be műszerünket, hogy f f0 << 1 legyen, azaz w >>

w p . A Föld körüli térben w p néhány MHz, ezért műszerünk nagyfrekvenciás RF szonda lesz. A kapott adat értékelését pedig a következők szerint végezhetjük el: æ w2p ö ÷ f @ f0ç ç 1+ 2w2 ÷, è ø figyelembe véve azt, hogy beállításunk szerint a frekvenciaváltozás értéke kicsi. Innen æf w2p = 8p 2 f 2ç è f0 ö f 1÷= 8p 2 ( f0 + f )2 × . f0 ø Vegyük ezek után figyelembe, hogy i æf ö ç ÷ » 0 , ha i ³ 2 . è f0 ø Vagyis N = 8p 2 e0 m N @8p 2 e0 1 f ( f0 + f ) 2 , illetve 2 f0 q mf0 f = N0 ×f , q2 (27) ahol N0 kalibrációs műszerállandó az értékelés során. Igen kellemes, hogy tett megkötéseink teljesülése esetén - ami mérnöki feladat - műszerünk a plazma sűrűségével lineárisan arányos adatot ad. 6.2 Az űreszköz helye tulajdonságainak kihasználása 29 A súlytalanság és a rendkívüli vákuum biztosította nagy tisztaságnak a kihasználása: űrbeli lebegtetett stb. gyártási

kísérletek és a jövő Paraméterek: nagy vákuum tisztasága, pontosan kézbentartható hőátadási viszonyok, azaz különleges kemencék készítése, g@0 , ahol zavaró g -t az űreszköz mozgásai, kis gyorsulásai, az űrhajósók mozgásai stb. okoznak; előnyei homogén egykristály félvezetőből és fémből egyaránt átolvasztással illetve újraolvasztással együtt (sokzónás kemence az ALFÁ-ra.), irányított kristályosítás (pl. turbinalapát), stb nagytisztaságú és fal-hatás nélkül gyártott anyagok. Eredmények félvezetőkkel, Si és teljesen új anyagok, implantációs sűrűség. Szerves egykristályok létrehozása és várható hatása az elektronikára. Eredmények fémekkel, "öntőforma" a súlytalanságban. A technológiai fejlesztés földi hasznosítása illetve gyártás a világűrben. Különleges eljárások és anyagok: pl. gömb-etalon gyártása Orvosi kísérletek súlytalanságban: keringési rendszer, egyensúlyi szerv,

gyógyszerfejlesztés stb. - és hatása a földi gyógyításra, pl a korszerű szívgyógyászat megszületése. A nagy kérdés: Elhagyhatjuk-e úgymond véglegesen a F öldet?! A mai hosszú időtartamú repülések tapasztalatai és bizonytalanságaink. Ami tilos: Pl. energiatermelés az űrben Földre juttatási céllal - halálsugár Stb 30 7. Átmeneti méréstípusok Ezekben az esetekben a mérés vonatkozik ugyan a mérés helyére magára is, azaz van in situ jellege, de a mérésből közvetlenül nagykiterjedésű térrészekre vagy számottevően távolabb lévő térrészekre is lehet következtetéseket levonni. A legfontosabb ide sorolható mérések a következők: - gravitációs mérések, amelyek adatai mindenkor a téridőt deformáló vonzó tömegeloszlást is jellemzik, a g helyi értékén túlmenően; - mágneses tér mérések, amelyek adatai mindenkor jellemzik a mágneses tér forrását (Nap, bolygó, galaxis-mag stb.), azaz a "mágneses

ható"-t is; - e.m tér mérések, amelyek a jelforrásra és az átjárt közegre is jellemző adatokat hordoznak, s amelyeket külön tárgyalunk a 8. témánál; - határesetet jelentenek pl. a meteor-mérések és hasonlók is A következőkben e pontban csak az első kettővel foglalkozunk. 7.1 Gravitációs tér mérések Az űrbeli pályán repülő test gyorsulásait megszabja egyrészt a saját hajtóműve működése, amit jó esetben teljesen kézben tarthatunk. Másrészt hat rá az összes égitest illetve űrbeli teljes anyageloszlás vonzása, azaz az eredő gravitációs tér. Ebben az esetek többségében megadható domináns hatás, a legközelebbi égitest vagy néhány égitest gravitációs tere. Pl földközeli pályán a Föld, Nap körüli pályán a Nap, bolygóközi pályán a néhány legközelebbi nagytömegű égitest. Harmadrészt hat még a mozgásra az átrepült közeg közegellenállása, a napsugárzás fénnyomása stb. Ez esetben a

legfontosabb mérési adat az űreszköz egyébként is rendkívüli pontossággal meghatározott pályájának alakulása. Egy érdekes eredmény: a Holdon felfedezett ún. mascon-ok és a belőlük levonható következtetések (úszási egyensúly hiánya). Mikrogyorsulásmérők és teljes műhorizonttal kombinált mikrogyorsulásmérők alkalmazása a pályamérésben. Jövőbeni feladat az elméletileg (lásd általános relativitás elmélete) várt gravitációs hullámok kimutatása, majd folyamatos figyelése (monitorozás). A hogyan ma még nyitott kérdés. 7.2 Magnetométerek A magnetométerek két legfontosabb tipusa: fluxus-kapu magnetométerek, nukleáris (proton-precessziós) magnetométerek. A nukleáris magnetométerek mérési alapelve: az elemi részecske (pl. proton) mágneses momentummal bír, s így külső (megmérendő) mágneses térben precesszálni fog a külső mágneses tér körül, ha saját dipólusa nem párhuzamos a külső térrel. Ezt a feltételt a

mérés kezdő lépéseként rövid idejű, de erős belső mégneses térrel állítjuk elő. 31 A precesszió frekvenciája arányos a külső mágneses térrel. Ezzel arányos jel előállítható Igen pontos, érzékeny és drága is. Elég nagy az energia-igénye a f luxus-kapu magnetométerrel összevetve, s nehezebb a k alibrációja is. Ha szükséges, akkor használjuk. A fuxus-kapu (flux gate) magnetométerek olcsóbbak, kevésbé érzékenyek, de kevésbé kényesek is. Alapműszernek számítanak, majdnem minden kísérletben rutinszerűen ott vannak. A magnetométerek mért adatát meghamisítja: A műhold teljes szerkezetének valamekkora saját mágneses térelrendezése, a f edélzeti elektronika által gerjesztett mágneses tér, az űreszköz egyes mozgásai (pl. bukfencezés) miatt fellépő változások 7.21 Fluxus-kapu magnetométer: A műszer működési vázlata: 7.1 ábra Fluxus-kapu magnetométer és működése A műszerben nagy amplitúdójú szinuszos,

w körfrekvenciájú jelet állítunk elő, amellyel a nagy permeabilitású, B valamelyik komponensét érzékelő, vasmagos tekercset a hiszterézis görbe telítési tartományába kivezéreljük. (Lásd a 71 ábra hiszterézis görbéjét, mint kívánatosat, amit megfelelő anyagválasztással biztosítani lehet.) Ugyanezt a vasmagot a megmérni kívánt, időben állandó vagy csak lassan változó (azaz a mérés ideje alatt állandó), külső mágneses tér is előmágnesezi. Így a teljes mégnesező tér a m érni kívánt H 0 és a helyi oszcillátor H m jele eredője. Figyelembe véve a mérőtekercsek elrendezését a teljes jel a helyi oszcillátor által a gerjesztő tekercsben előállított H m jel és a mérendő jel ugyanilyen irányú H 0i komponensének összege H = H 0i + H m . (28) Ha  = B× A , ahol A a mérőtekercs keresztmetszeti felülete, akkor az n menetű tekercsben keletkező feszültség d . dt Vasmagos tekercsben pedig B = mk H , ahol mk a

mag permeabilitása, míg H = H (t ) a u= - n hosszirányú, (28) szerinti mágneses tér. Ennek felhasználásával megadható a tekercsben indukált feszültség, ami u = - nA dB dB dH dH . = - nA = - nmk A dt dH dt dt (29) Tételezzük fel, hogy a hiszterézis hurok szimmetrikus, mert ilyent csinálunk. Ekkor B(- H ) = - B(+ H ) , és B időbeli lefolyása H-tól függ. A gerjesztő áram I = I 0 coswt , azaz H@ Ebből adódóan pedig n nI , illetve pontosabban H @H 0 + I 0 coswt . l l æ n ö¶H u @- nmk Aç H 0 + I 0 coswt ÷ . è ø ¶t l (30) 32 H 0 külső tér hiányában legyen H az időtengelyre tükörszimmetrikus, vagyis H ( wt ) = - H ( wt + p ) , s ebből adódóan B( wt ) = - B( wt + p ) és dB dB (- t ) = (+ t ) . dt dt (31) Ennek a jelnek a Fourier-sora egyenáramú tagot nem tartalmaz, a s zinuszos tagok is kiesnek, s (30) és (31) következtében az összes páros harmonikus is! Ha viszont H 0 ¹ 0 , azaz van jelen mérendő tér, a tett

szimmetria-feltevés már nem teljesül és így azonnal megjelennek a páros harmonikusok is a kimenő jelben. Ha a mérőtekercs utáni jelből kiszűrjük a 2 f -nél alacsonyabb és magasabb frekvenciákat, akkor a kimenő jel közvetlenül a mérni kívánt H 0i -vel lesz arányos. Ún. dupla-magú elrendezésben a két, párhuzamos magot egyszerre, de ellentétes irányú árammal gerjesztve a páratlan harmonikusok kiejtését közvetlenül a mérőfejben már el lehet végezni. Ez kétségtelen előnye, míg hátránya az elrendezés térelméleti kezelésének rendkívüli bonyolultásága, ami a kalibráció kézbentarthatóságát megnehezíti. 33 8. Az elektromágneses hullámok terjedésén alapuló mérések és alkalmazásaik áttekintése Az e.m jel ill az em hullám maga a szabadon járkáló energia 8nincs nyugalmi tömege). A leggyorsabb valami az Univerzumban Így kiválóan alkalmas mind információ átvitelére, mind mérésre. Utóbbira, ha tudjuk, hogyan

változnak meg a jellemzői különféle közegeken áthaladva, onnan eredve mi jellemzi őket, ill. visszaverődve mi változik meg stb. Ehhez meg kell ismerni a terjedő jel jellemzőit 8.1 A terjedő elektromágneses hullám Az e.m jelet mindenkor a Maxwell egyenletek írják le, legfeljebb időnként célszerűen átalakított formákat használunk (lásd áramköri egyenletek, digitális rendszerek leírása, távíró egyenletek stb.) jw t Az alapmegoldás származtatása: S.CF módszer Û e 0 megoldás, ahol w0 = állandó. Más megoldások lehetősége: egzisztencia és unicitás problémája, tetszőleges alakú jelek (pl. radarok, villámok), soliton (pl. SDI), és amiről még nem tudunk. A monokromatikus síkhullám megoldás: Keressük a megoldást E = E0ej w0t tisztán szinuszos alakban, ahol az egyszerűség kedvéért most E0 is legyen állandó. Megoldandó egyenleteink: ¶D ¶D = ¶t ¶t ¶B Ñ´ E = ¶t Ñ×B = 0 Ñ´ H = J + Ñ×D = r illetve (32) Ñ×D = 0

. Jól látható, hogy a megoldás egyidejűleg és kikerülhetetlenül változik mind térben, mind időben. Keressük ezért a megoldást a térben az időhöz hasonlóan változó alakban: (33) G = G0ej ( wt- kr ) , ahol G = E, H , D illetve B (Röviden a különféle közegjellemzőkről és az egyes modellek fontosságáról, pontosságáról és buktatóiról. - Megoldhatók az egyenletek (33) közvetlen feltételezése nélkül is. - Valójában NINCS euklidesi tér, nincs síkhullám, nincs örökkévaló jel stb, azaz a modell mindig csal. Az egyetlen fontos kérdés a modell adott esetben elfogadható közelítés-e, gyakorlati cél elérésére használható-e.) Legyen a közeg lineáris, izotróp stb.: 34 D = eE (34) B = m0 H e= const.= e0 er = e0n2 stb, ahol a közeg most legyen homogén, időben állandó, azaz a legegyszerűbb. Ekkor a (32)ben szereplő deriváltak egyszerű alakúak: Ñ´ G = - jk ´ G é s Ezt felhasználva (32) új alakja k ´

H = - weE k ´ E = wm0 H ¶G = j wG . ¶t , (35) mert (35) következtében a harmadik és a negyedik egyenlet automatikusan kielégül, tekintve, hogy k ×( k ´ u ) º 0 és az említett két egyenlet kiadódó alakja: k ×eE = 0 és k × m0 H = 0 . Legyen a továbbiakban k ´ u º ku . Ezt felhasználva k k H = - we0 er k E é s k E = wm0 H . (36) (36) második egyenletét az elsőbe helyettesítve és átrendezve ( k k+ w e m e 1) H = 0 2 0 0 r lineáris egyenletrendszerhez jutunk, amelynek triviálistól eltérő megoldása akkor van, ha ( ) det k k + w2 e0 m0 er 1 º k k + w2 e0 m0 er 1 = 0 . (37) (37) az ún. diszperziós egyenlet Ezt esetünkben kifejtve k 2 = w2 e0 m0 er = w2 2 e = k02 er = ( k0n) , 2 r c (38) ahol c a vákuumbeli fénysebesség, míg n a közeg törésmutatója. (Utalás a bonyolultabb esetekre ill. arra, hogy a tényleges jel mindig vákuumban terjed) Iránymegkötésünk nincs, azaz k bármilyen irányú lehet. Tehát és (35)-ből k = k0

er ek ek ´ E0 = m0 1 H 0 º Z00 H 0 º Z0 H 0 . n e0 er Tehát két (!!) univerzális állandót tartalmaznak egyenleteink, s a megoldás alakja: ö æ k jç wt- 0 ekr ÷ ø è n æ k ö ek ´ E0 jçè wt- n0 ekr ÷ø E = E0e és H = e . (39) Z0 A jelalak elemzése, jellemző paraméterei és w perturbálhatatlan jellege, továbbá a mérhető, a Fourier-féle és a P lanck-féle frekvenciák összevetése. - (39) alapján már definiálhatók hullámjellemző mérések, vizsgálható alkalmazhatóságuk. Ehhez még a sugárzó energiát kell meghatározni: Poynting vektor és arányossága E2 -tel stb. S= E ´ H K , 35 de fizikai tartalommal csak a valós része bír. Pár szó a közel- és a távol-terekről 8.2 Az elektromágneses teljes spektrum A teljes 0< f < tartomány felosztása a F öld viszonyai és a jelenkori technológia adottságai között: 8.1 ábra A frekvenciasávok és az "ablakok" Hullámhossz (m) 105 103 10 1 10-3 10-6 10-7 10-9

10-11 . Sávok ELF MF UHF MW IR Opt. UV X g VLF SF VHF látható LF Ablakok kb.20m - kb 0,1mm kb.2×10-6 - kb3×10-7 "rádiós" "optikai" Látható fény kb.0,75 - kb0,40 mm Ezen belül a szokásos sávmegnevezések (lásd kézikönyvekben) legfontosabbjai: S-sáv 2-4 GHz, X-sáv 8-12,5 GHz, Ku-sáv 12,5-18 GHz, K-sáv 18-26,5 GHz, . Ma a már kisérletileg használt felső frekvencia határ kb. 600 GHz (pl ESSCO nagy antennák) 8.3 Mérésfelosztás hullámjellemző szerint Amlitúdó mérése jelnagyság detektorok Intenzitás mérése Terjedési irány mérése műhold forgása, terjedési anomáliák stb. teljesítmény detektor, távérzékelési képek, radar fényintenzitás detektorok képek stb. (pl 11téma) szcintilláció, iránymérés és k = k×ek irányérzékeny vevő: jel max. követés, a sugárzó interferométer (8.2 ábra) kiterjedése mérése . = l cosa j = kl cosa » Polarizáció mérése wl cosa c stb. fix és követő

rendszerű interferométerek, . Faraday-rotáció stb. eE , eH Polariméterek: ^ amplitúdó arány, (plazma diagnosztika) kapcsolt üzemű, depolarizáció mérése, . forgatott, . d ¶j ¶ + w0 = ill. dt ¶t ¶t Frenkvencia mérése w = 2p f = Doppler-effektus; Futási idő mérése mérése: összeüttetés, számláló, . rad. sebesség, "range etalonok helyzete és szerepe, and range rate", GPS "beacon" ill modulált vivő stb. (lásd. 10 téma) Probléma: vg értelmezése és számítása. Lásd előbb + radarok mérése: visszajátszó, marker-jel, impulzus futás, . 36 Fázishelyzet mérése  = - 0 etalonok, finom változások, fázis-differencia f -től függően, ELF a földfelszín mentén . N Interferencia-kép mérése å Ei i= 1 Egyszerű esete az interferométer. Pontos jelalak mérések E(r , t ), H (r , t ) VLBI, hologram, . (pl. jelforrás mérete) whistlerek, szeizmika, . Mindezeket a méréseket használjuk

úgymond gyakorlati célra, lásd a felsorolásban megadott témára utalásokat. De ezen túlmenően használjuk általános Föld-kutatásra, a távérzékelés mellett a felső légkör (ionoszféra, magnetoszféra, azaz a plazmoszféra) szondázására, a földkéreg mozgásvizsgálatára stb. Használjuk a Naprendszer kutatására, csillagászati mérésekben, de földi mérések világűrbe telepítésével (pl. felső oldali szondázás) is. 8.4 Faraday rotáció Fogadjuk el, hogy az előmágnesezett plazmában a terjedő jel két módusra bomlik, amelyek terjedési tényezője különböző. (Lásd: a diszperziós egyenlet másodfokú) k k+ w2 em0 = 0 Þ kE @k0 e^ + ex , kH @k0 e^ - ex , ha  @00 , azaz a terjedés közelítően a mágneses térrel párhuzamos; továbbá a2 a2 . , ex = b e^ = 11- b2 1- b2 Itt a 2 = w2p w2 , b = wb w, ahol w p a már ismert plazmafrekvencia, míg wb az ún. cikotron-frekvencia, vagy girofrekvencia, ami wb = qeBF me A lényeg, hogy a

két terjedési tényező eltérő nagyságú, s a két jel körpolarizált és egymással szemben forog! (Utalás "sima" távközlési alkalmazásra is.) A plazmába belépő jel legyen síkpolarizált síkhullám, amely mindig felírható két szembenforgó jel eredőjeként: E = 2E0e1 = E0 (e1 + je2 )ej wt + E0 (e1 - je2 )ej wt . Ezért valamely z út megtétele után a két módus fázishelyzete eltérő lesz, s ha ekkor kilép a jel a plazmából, az eredő: 37 E = E0 (e1 + je2 )ej ( wt- kEz) + E0 (e1 - je2 )ej ( wt- kH z) = æ j kE- kH z éæ j kE- kH z - j kE- kH z ö 2 2 2 ÷ ç - e = E0êç e +e ÷e1 - jçç e ëè è ø k + kH öù éæ ×expê jç wt - E z÷ú, ëè øû 2 j kE- kH z 2 ö ù ÷ ÷e2 ú× ø û vagyis rövidítő jelöléseket bevezetve j j ~ æ jj 0 éæ j j 0 - j 0ö - j 0ö ù j ( wt- kz) 2 2 ÷ 2 2 ÷ ç ç = E = E0êç e + e ÷e2 ú×e ÷e1 - jç e - e ëè ø û è ø . (40) ~ æ j 0 ö j ( wt- kz j 0 ) = 2E0ç cos ×e1 + sin ×e2

÷×e è ø 2 2 Innen látható, hogy az eredetileg e1 irányú polarizáció elfordult, s az elfordulás szöge: æsin j 0 2 ö j 0 ÷= . (41) a p = arctgç è cosj 0 2ø 2 Ez a szög a felírt permittivitási kompononsekből számítható. Legyen a jel nagyfrekvenciás, azaz a jel frekvenciája legyen jóval nagyobb a g iro- és a plazmafrekvenciánál. Ekkor w2 mellett e két jellemző frekvencia additív esetben elhanyagolható. Így k a p = 0 ( e^ + ex 2 e^ - ex ) z @ w2p wb e0 m0 2( w2 - wb2 ) z» w2p wb 2cw2 z (42) Inhomogén közegben (42)-vel a dz elemi úthoz tartozó da p -t adjuk meg és ezután integrálunk a teljes terjedési útra. a plazmafrekvencia (42)-ben ugyanúgy alkalmas az elektronsűrűség meghatározására, ha a polarizáció elfordulását megmértük, mint ahogyan a fedélzeti RF plazmasűrűség mérő esetében volt. Ugyanez természetesen széles körben alkalmazott földi mérésekben is, és igen fontos hatás a hírközlésben. (Pl ezért

használunk sok esetben körpolarizált antennákat) 9. Űrtávközlés Az űrtávközlés elvileg a világűrbeli, azaz a Föld-űr, az űr-Föld és az űr-űr kapcsolatok minden részét magába foglalja. Ez azonban - bár elvileg helytálló - nem praktikus. Ezért űrtávközlésen vagy űrhírközlésen a különféle távközlési és műsorszórási tevékenységet értjük csak, amennyiben űreszköz vagy űrrendszer is résztvesz benne. Nem tekintjük ebben az értelemben űrtávközlésnek az egyéb űrbeli ill. űrtevékenységgel kapcsolatos hírközlést, adatátvitelt stb. 38 Az így definiált űrtávközlés ill. űrhírközlés ma már önálló üzletág, amelyik nyereséges tevékenység, önfenntartó és kiküszöbölhetetlenül szervesen integrálódott a teljes hírközlési, távközlési iparba és szolgáltatásba. Az űrtávközlés első fejlesztési szakasza alapvető kozmológiai előrelépést hozott: a Telstar-kísélet földi antennáinak

fejlesztése és a 3°K-os háttérsugárzás. A műholdak belépése az addigi távközlési módok közé: (9.1 ábra) földi relék, tropo-scatter, ionoszféra szórás és meteor-nyomon szórás, műholdak. 9.1 Az űrhírközlés fajtái Ezt a tevékenységet többféle szempont szerint osztályozhatjuk. Először az általonos osztályozást tekintjük át. - Aktív és passzív távközlési műholdak ill. űreszközök: Aktív visszajátszók különféle besugárzási karakterisztikával és hozzásférhetőséggel. Passzív visszaszórók: gömb, sarokreflektorok, irányított tükrök, tűfelhő stb. - Pályatipusok szerinti osztályozás. (Feladatfüggő a használható pálya Ellátási stratégiák és kényszerek.): Geoszinkorn pályák Elliptikus (pontosabban nemgeoszinkron) pályák - A műholdpályák kötöttsége következtében fellépő t és visszhang problémák. A nagy versenytárs az optikai szál; gazdaságosság dönt, ma ez a határ valahol 600 km táján

húzódik. 3 geoszinkron műhold esetén a fedettség: (9.2 ábra) Átfedés 0° eleváció mellett kb. 42,5 ° az egyenlítőn; nincs ellátás ugyanígy a 81,25° szélesség felett 10°-os eleváció esetén nincs ellátás a 71,25° szélesség felett. Ellátás nagy szélességeken, az ún. Molnyíja-pálya kényszere Oroszország esetében. Globális műholdas távközlési rendszer: (9.3 ábra) A Föld-Föld átvitel a műholdakon át egy fedési zónán belül; műhold-műhold átvitel szükségessége a zónán kívüli átvitelnél. Pályajellemzés: - Ha GM = 517 , ×1012 km2 óra2 = grav. konst ´ a Föld tömege , akkor T@ GM 2p . r 3 illetve v @ r GM (43) Ebből már meghatározhatók a starthoz szükséges rakétatechnikai előírások stb. (Különféle start-lehetőségek előnyei és hátrányai: rakéta-start és az Ariane 5; űrrepülőgépes start és az ára, műholdak javítása pályán és hazahozva stb.) - A használt frekvenciasávok szerinti

osztályozás: dm-es, cm-es és mm-es sávok; a mai technológiai lehetőségek, a terjedési jellemzők ("ablakok", molekuláris rezonanciák, esőszórás és az aerosolok hatása, .) Első lépcső az 1-8 GHz volt, majd a 812 GHz és a 12-26 GHz, most a 30£100 GHz soros és a kísérletek a 300£600 GHz-es sávokban folynak. Az alapkutatás pedig a teljes IR-ig terjedő területet vizsgálja (1 mm 10mm), amely felett a Föld és a N ap sugárzása miatt már csak pseciális megoldásokkal dolgozhatunk; de nincs elvi felső határ. 39 - A távközlés és a helymeghatározás kombinációi: forgalomirányító rendszerek (tengeri, légi és szárazföldi változatok), mentő és riasztó rendszerek, katonai és egyéb biztonsági rendszerek. (Időszolgálat, gyors helymeghatározás, azonnali távközlési kapcsolat.) A hírközlési feladat szerinti osztályozás: - Pont-pont összeköttetések, azaz reléállomás a világűrben. (Intelsat stb) Taljándörögd

tegnap és ma. - Területi fedést biztosító, sok távközlési gyűjtőállomással kapcsolatba lépő rendszerek. Már szükséges a v életelen hozzáférés biztosítása stb, amiben nincs különbség földi és űrbeli feladat között. (Intelsat, az Interszputnyik kiesése, Eutelsat, Comsat, Telecom France, International Relay stb.) A fejlődés dinamikája: a 60%-os telítettségi szint értékelése (+ analógiák a mentés és ellátás más területeiről). Másképpen megoldhatatlan célok elérése: pl. India távközlési hálózatának kiépítése, szibériai belső távközlés stb. (Ár és kivitelezhetőség!) - Az első lépés a globális hírközlés felé: területi fedést adó holdak használata szétszórt telephelyű cégek belső (!) hírközlésében, pl. raktár-központ kapcsolat, VPOP adatrendszere. A zajos és kellemetlen domborzatú (pl város belső) helyekről a garantált biztonságú és hibaarányú hírközlés. Ásvány (kőolaj stb) kutatás:

terminál a fúrásnál, feldolgozás a központban, közben a helyet is pontosan meg kell határozni (sivatag, tenger stb.) - Műsorelosztás és közvetlen műsorszórás: a "lábnyom" (footprint) kívánatos alakja, biztosítása antenna és teljesítmény kérdése, egy ún. magyar példa (Magyarsat) A mai műsorszóró műholdak és a geoszinkron pálya telítődése. A nagyfelbontású digitális TV elterjedése. A kábel-TV társaságok igényei Ma még a közeli jövő: stúdió-lakásvevő kétoldalú, aktív kapcsolat stb. (Veszélye a totális kontroll + "az orchideák bolygója".) Alapvető előnyök: távoktatás, társadalmi fejlesztés. Pl földművelés vagy népesedési oktatás Indiában; a nagyon aktív indiai űrkutatás oka ez, a távérzékelés és az egyéb előnyök. Afrika gondjai és az ottani aktivitás - Magyar példa: a szétszakított nemzetrészek nyelvi, kultúrális, oktatási és informáltsági-gazdasági összetartása; Duna TV

és a többiek. - A BISDN teljes kiépítése - A totális globális hírközlés: Az első katonai feladatok és rendszerek. Mobil távközlés műholdakra támaszkodva. A kapcsoló-központok szerepe a távközlésben. Kapcsolóközpontok műholdpályán, kisteljesítményű földi mobil állomásokkal a kapcsolat tartása. (Az ATS 3 kísérlet és mi.) A teljes földfelszínre kiterjedő mobil távközlés kiépülése (GSM kontra USA-japán közös fejlesztés.) A műszaki megoldás fő részei: a műhold, a földi rendszer és földi állomásai, a hold-hold kapcsolat (kapcsolat távközlési műholdak között; a speciális hold-hold kapcsolat rendszere, pl. a TDRSS és holdjai; a világűrben használatos sávok, pl látható fény is) 40 9.2 A műholdas távközlési út tervezése alapjai A körülmények áttekintése: Az üzemelési körülmények számbavétele a feladat függvényében (távközlési nagyállomás, ún. I vagy II osztályú végpont vagy bárhova

tehető helyi kisállomás kiszolgálása Þ hatása a várható zajszintre és a műhold láthatóságára, valamint a l egjobb esetben garantálható kapcsolati és átviteli biztonság megbecslése). A földi állomás körülményei és a k övetelmények: eleváció, az állomás földi és légi környezete, a jellegzetes időjárás (esőszórás, hó és jég stb.) A hazai helyzet A számbaveendő e.m zavarok: általános útcsillapítás, Faraday-forgás (lásd a 8 témánál), Doppler-csúszás (lásd a 10. témánál), a terjedési út felsőlégköri szakaszának időbeli változásai, a terejedési út troposzferikus szakaszának időbeli változásai, a terjedési úton megjelenő mozgó inhomogenitások hatása stb. A tervezés általános menete (a példa egyetlen Föld-műhold vagy műhold-Föld "ugrás"). A feladat ismeretében a hírközlési-távközlési rendszer elrendezése. A relatív teljesítmény viszonyok meghatározása, az elektronika

igénybevételének áttekintése (pl. határteljesítményen járatva egy eszközt a megbízhatósága lecsökken és a környezeti hatásokra érzékenysége megnő). A szükséges és lehetséges csatornakapacitás vizsgálata. A használandó csatornakapacitás kijelölése. Innen az adóteljesítmény és a vevőérzékenység, valamint a rendszer sávszélessége meghatározása, általában többlépéses közelítés. A zaj előre számítható: kozmikus és földi természetes zajok, az emberi eredetű zajok, a rendszer zajhőmérsékleti jellemzői. Utóbbiak a kívánatos ár stb ismeretében a technikai lehetőségek határain belül választható értékek. (A továbbiakban a dB mellett a dBw-ot használjuk, ahol a ref. az 1W teljesítmény) Az "útveszteség" vagy a lényegi pontsugárzó jellegből adódó csillapodás: 2 vagyis æ4p D ö ÷ Lp = ç è l ø L p (dB) = 32,5+ 20 log f + 20 log D . (44) (44a) Ez nem tartalmaz semmiféle ún. speciális

terjedési hatást, pl általános légkörszórás, várható esőszórás stb. A teljes átviteli úton az adóból kilépő jel teljesítmény sűrűségét megnöveli az adóantenna, majd a vevőantenna nyeresége ( G ), csillapítja az útveszteség, a rendszer egyéb veszteségei (adott technológiai szinten előre becsülhetőek, pl. a primerekhez vezető tápvonalak csillapítása, a primerek hatásfoka, követési pontosság stb.), továbbá a (44) kapcsán említett ún. speciális terjedési veszteségek Így Pv (dBw ) = PA (dBw ) + GA (dB) + GV (dB) - Lr (dB) - L p (dB) - L p spec (dB) (45) Ugyanakkor a várható zajteljesítmény is számítható, ahol a szokott módon összegezzük a zajokat és eredő zajhőmérsékletet határozunk meg. Azaz (46) Pzaj (W ) = kT×f ( Hz) , ahol k = 138 , ×10- 23 Ws K 0 . 41 A zaj számításánál a s zokott módon a r eferencia-zajhőmérséklet 290 K°, amiből adódik, hogy kT0 = - 204 dBw . Ha FV a vevő zajtényezője

(technológiai és ár-kérdés), akkor Te effektív vevőzajhőmérséklet esetén T = Te + 290K 0 , és æ T ö T . FV (dB) = 10 logç 1+ e ÷= 10 log è 290ø 290 A teljes zajteljesítmény innen 10 log Pzaj (W ) = - 204 + 10 log f + FV . (47) Ezek alapján felírhatjuk az egyetlen űr-Föld vagy Föld-űr útszakasz jel-zaj viszonyát, ami a használhatóság alapjellemzője. A felírásnál térjünk át a szokásos és a mai zajhőmérsékeletek miatt indokolt 0 K°-os referencua zajhőmérsékletre, ami csak a (47)-ben szereplő konstans értékét változtatja meg egy kicsit. Így tehát: S (dB) = 228,6+ 10 log PA + GA + GV N - L p - L p spec - Lr - 10 log f - 10 log T (48) Ebből már látható pl. a fix telepítésű földi nagyállomásokkal dolgozó pont-pont átviteli rendszerek és pl. a globális mobil távközlési rendszer érdemi különbsége Ezután a szokásos optimalizálás végzendő a (gyorsan változó) technológiai lehetőségek és a cél

függvényében. Végül: kódolás, védelem, tömörítés stb, a szükséges és fontos lépés, mert az igények oly nagyok, hogy a technikailag éppen lehetségest is azonnal ki akarják használni. 42 10. Helymeghatározás A helymeghatározás alapfeladata, és ennek nagyobb léptékű megoldhatósága űreszközökkel. (101 ábra Kozmikus háromszögelés) Visszautalás a távközlési feladatokkal összefonódásra, előreutalás a távérzékelési feladatokkal összefonódásra. A geodéziai és navigációs holdak pályamagassága >300 km ~ néhány ezer km, és ennek következményei; VLBI és űr-VLBI. 10.1 A kozmikus helymeghatározás módjai A geodéziai, a földi navigációs és a kozmikus (jövő Þ űrrepülési) navigációs feladatok eltérő követelményei. (A tudomány egyik húzóágazata eddig mindig az ismeretlenbe hajózás tájékozódási-naivgációs technikájának fejlesztése volt: térképészet, csillagok képe és mozgása, időmérés,

csillagászati navigáció, ill. világító torony {Pharos} és rádió-irányadók, rádiónavigáció, kozmikus helymeghatározás, ill. Þ az ismeretelen jövő.) Geodéziai eljárások: mérés és kiegyenlítő számítások. · Iránymérés és metszéspont meghatározás. - Fotografikus és távcsöves műhold-irány mérés. - Rádió-interferométeres iránymérés és pontos műholdkövetés. (Rádiós mérésnél luxus, ha csak egy jellemzőt mérünk!) · Távolság-mérés és gömbfelületek metszéspontjának meghatározása. A mérés alapvetően futási-idő mérés, ahol a kívánatos pontosságnál elengedhetetlen a t erjedési hatások korrekciója, ami t mért - t vákuum elegendően pontos meghatározása, valamint az időalap problémája. (Az einsteini óraszinkronizálási gondolati kísérlet mára nyers mérnöki feladat.) - Marker futási ideje a műhold és a földi állomások között. - Nagyteljesítményű MW radarok; a NORAD, az SDI-terv stb. -

Lézer-radarok: műhold-Föld radarok, a Hold-Föld lézer-radaros mérések lehetőségei, a Föld és a Hold vizsgálata, a Hold jövőbeni navigációs támpont. Az "ágyúgolyó"-hold (Canon ball). Műholdas lézer-radar felépítése és működése: A radar felépítési vázlata: 10.2 ábra - Atomi időszolgálat cézium-oszcillátorral, ahol t t @10- 13 ~ 10- 14 (hidrogén-maser esetében még kisebb). Az impulzus hossza 1~100 ps, a jelteljesítmény az impulzusban 0,1~1 GW. Az értékelés alapja az ún. impulzus-sebesség Az e.m jel terjedési sebessége értelmezési-definíciós problémái és használhatósága valódi mérés esetén: a) Jelmaximum- vagy impulzus-sebesség és mérhetősége. b) az ún energia-sebesség: egységnyi felületen áthaladó teljesítmény (időegység!) ò( E ´ H ) dA Aegys. vagyis ò SdA Aegys. -ból közvetlenül adódik egy energia-sebesség. Mérhetetlen, elméleti 43 fikció, ahol a Poynting-vektor ill. a térbeli

energia-sűrűség számítása is kérdéses c) A jelsebesség (hullámfornt) és a monokromatikus síkhullám sebessége (perturbációsebesség). - Itt az ún impulzus-sebességet kell használni! A lézer-radar működése: a visszaérkező jel zajos és diszpergált (az alakja elkent). Ezért a várható visszaérkezés körül nyitjuk csak ki a vételi kaput. A futási idő mérése: egyszerű szintátlépés, derivált-jel nullátmenete, három-pontos jelalak definiálás és abból a futási idő számítása. Értékelés: ds = S( 0® R) vg ( s) òk * (s) ds= ò t s = S( 0® R) òk * (s) ds , (49) S( 0® R) ahol ebben az esetben k * @n c . Innen pedig az ún. látszólagos távolság Rl @c×t s = òn(s) ds , (50) S míg a tényleges távolság R0 = òds (51) S lenne. A terjedési hibaforrás mellett az időmérési hiba is terheli mérésünket, ami egyrészt a mérésben definiált beérkezési idő inherens hibája, másrészt a jel berendezésen

belüli futási idejéből stb. adódik Þ Légkör-modellek és terjedési leírások, nem-monokromatikus jelek terjedésének pontos megoldása diszperzív, az induló szakaszon esetleg nemlineáris közegben. · Az ún. r ádiós eljárások, helymeghatározás a Doppler-effektus segítségével (lásd a navigációs eljárásoknál). Helymeghatározás a radiális sebességből. A radiális sebesség-mérés és az interferometria kombinálása. A "range and range-rate" eljárás; mai utódja a GPS és társai. Navigációs eljárások: az egyszeri mérés peremfeltétele, gyors és pontos eljárás. Ezért csak ún. rádiós eljárások jöhettek szóba, sem fotoeljárásra nincs idő, sem nagyteljesítményű radarok nem telepíthetők a felhasználóhoz (hajó, repülő, kém, katona, bajbajutott civil, személykocsi stb.) - Doppler-navigáció. - Doppler-mérés és futási idő mérés kombinálása. - Globális műholdas navigációs rendszerek (GSNS Þ GPS,

GLONASS, GNSS). - Doppler-Faraday kombinált mérés (lényege, előreutalás 10.2-re) 10.2 A Doppler-effektus és helymeghatározási alkalmazása A Doppler-effektus definíciója: mozgás okozta frekvencia-változás. 44 A frekvencia lehetséges definíciói és problémái: a F ourier-féle frekvencia, - < w < + ; a P lanck-féle frekvencia, 0< w < + ; az ún. mért (vagy mérnöki) frekvencia, 0£ w < . A Doppler-effektus a speciális ill. általános relativitás elvének következménye: A Lorentz-transzformáció és a M axwell-egyenletek invarianciája, a f ázis-invariancia és következménye. (A jelölési konvenció) ja ù 1 é 0 0 ú ê 2 1- a2 ú ê 1- a 0 1 0 0 ú ê , (52) x¢= aik ×xk ; xk = aik ×x¢ i i ; a = aik = ê 0 0 1 0 ú ê ja 1 ú 0 0 ú ê ë 1- a2 1- a2 û ahol a = v c és v e1 . A négyes térben (négyes Û hatos térbeli leírás lehetősége) a téridő koordináták: x1 = x, x2 = y, x3 = z, x4 º t = jct. A térerősség:

(53) Fik = Fik 0e- jki xi = Fik 0ej . Koordináta-rendszer forgatása esetén (lásd (52)-t) a s kalárszorzat - a mérték - a transzformációra invariáns, azaz a speciális relativitás elve érvényesülése esetén az egyes inercia-rendszerekben (54)  = ki xi = ki¢x¢ i . Így a diszperziós egyenlet 4 å ki2 º ki2 = 0. (55) i= 1 (54)-et (52) segítségével kifejtve jutunk a Doppler-effektushoz, hiszen ha az észlelő Kban nyugszik és K-ban mérve K sebessége v, akkor vagy ki vagy ki¢ ismeretlen és számítható, s pl. vákuumban kx = 1 1- v w¢ö æ ¢ç k j × j ÷; ky = k¢ x y; 2è ø c c v c2 w kz = k¢ = z; j c ahol k¢= x 1 1- æ w¢ v ö ç j + j k¢ ÷; c xø v2 è c (56) c2 w¢ w¢ w¢ w¢ j . cosa¢; k¢= cos b¢; k¢= cos g¢; k¢= y z 4 c c c c (56a) Értelemszerűen határozható meg ki¢ is ki segítségével. Ezután kx és k4 illetve k¢ x és k¢ 4 ¢ értelemszerű átrendezésével meghatározható az w Û w kapcsolat vagy a vagy

a¢ függvényében. Mivel az elhajlás (aberráció) mértéke kicsi, ezért a legtöbb esetben jónak tekinthető az a @a¢ közelítés. A műveletek elvégzése után 45 v 1+ cosa¢ 1w = w¢ c 2 ; w¢= w v 1- 2 c æ v ö æ ç 1+ cosa¢÷; f ¢@ fç 1f @f¢ è ø è c f v @ cosa. f c v cosa c ; v2 1- 2 c v ö cosa ÷; ø c (57) Közegen át terjedésnél hasonló módon határozható meg a frekvencia változása, ami pl. v 1+ n cosa¢ 2ö æ v çç 1+ n cosa¢+ 1 v2 ÷ ¢ ; w = w¢ c w » w ÷; c 2c ø è v2 1- 2 c æf ö f væ f v 1 vö ÷; ~ n cosa = nç ÷ . » ç n cosa¢+ è f øvákuum f ¢ cè f¢ c 2 cø (58) Mindezek alapján felírható közelítően illetve a mindenkor szükséges pontossággal (kis sebességű közelítés, spec. relativisztikus közelítés másodfokig vagy pontosabban, általános relativisztikus leírás - utalás) a mérhető frekvencia-változás. A jel teljes fázisa homogén illetve inhomogén közeg-modell esetén:  =

- ki¢×x¢= tw¢¢ i w¢ n( x¢cosa¢+ y¢sin a¢) ; c w¢  = w¢¢ tòn( s¢) ds¢. c S¢ (59) A mért frekvencia ekkor ¶ = ¶t ìï é fm @ f ¢í ê 1ïî ë wm = ¶ ¶t¢ ; ¶t¢ ¶t ù 1 v2 ü ï 1d ( ) ¢ ¢ n s ds ý. ú+ ò 2 c dt S¢( rm= áll ;t ) û 2 c ïþ (60) Innen e legegyszerűbb esetben 2 é1 d 1æv ö ù ( ) ¢ ¢ ç ÷ n s ds ú. ò 2è c ø û ë c dt S¢( rm= áll ;t ) fD = fm - f0 @- f0ê (61) Megjegyzés: az ún. közeltéri pontos leírás és a teljesen általános, mozgó közegeket stb is fugyelembe vevő modellek. Pályaméréshez és helymeghatározáshoz (61)-et kicsit átalakítjuk a spec.rel tagot elhagyva: é f0 dR f0 ù f dR n( s) dsú- 0 = fT + fGeo . ò ë c dt c S û c dt fD @ê (62) 46 Ezután már a geometriai és a terjedési tag külön is elemezhető, a terjedési tag ionoszférikus, troposzférikus stb. részekre bontható Például n fD = fGeo + fIon = A0 f0 + å i= 1 Ai , f0i (63) és

így már érthető a Faraday-forgással analóg tag előfordulása a Doppler-egyenletben; persze a forrás ugyanaz, az anizotróp ionoszféra. Két- és több-frekvenciás Doppler-mérések (63) alapján: koherens frekvenciák és az ionoszférikus hatás korrekciója ill. ionoszféra vizsgálatok Például: fD1 = a01 + a11 ; fD 2 = f02 f a01 + 01 a11. f01 f02 Innen A0 = a01 f02fD 2 - f01fD1 fGeo 1 dR @ == ; 2 2 f01 f01 c dt f02 - f01 f f A1 = f01a11 = 201 02 2 ( f02fD1 - f01fD 2 ) » f01fion . f02 - f01 (64) vagyis mind a műhold-földi állomás távolság, mind az ionoszféra állapota meghatározható. Ez az ún differenciális Doppler-mérés A helymeghatározáshoz vezető egyenlet ezután (64)-ből c t R(t ) = R(t 0 ) òfGeo (t ) dt . f0 t 0 (65) Az ún. négy-állomásos módszer: Ekkor feltételezzük, hogy 4 á llomás (földi észlelő vagy műhold) koordinátáit (időben változnak vagy állandóak) ismerjük és egy

ötödiket keresünk. Legyen k = 1, 2, 3, 4 , az ötödik állomást jelölje A index, míg a műholdat s index. Ekkor Rk (ti ) ismert mennyiségek pl (65)-ből számíthatóan, vagyis ( xs - x1 ) 2 + ( ys - y1 ) 2 + ( zs - z1 ) 2 = R12 , ( xs - x2 ) 2 + ( ys - y2 ) 2 + ( zs - z2 ) 2 = R22 , ( xs - x3 ) 2 + ( ys - y3 ) 2 + ( zs - z3 ) 2 = R32 , (66) ( xs - x4 ) 2 + ( ys - y4 ) 2 + ( zs - z4 ) 2 = R42 , és a referencia pont (most a műhold) (pillanatnyi vagy állandó) koordinátái ismeretében a keresett hely koordinátái meghatározhatók: [ xs ( ti ) - xA ( ti ) ] 2 + [ ys ( ti ) - yA ( ti ) ] 2 + [ zs ( ti ) - zA ( ti ) ] 2 = RA2 ( ti ) . (67) Ez a módszer jelentette a kiindulást a legkorszerűbb globális helymeghatározó rendszerek kialakításához is. 10.3 Globális műholdas navigációs rendszerek Ma három globális rendszer van, kettő teljes üzemben, a harmadik a teljes kiépítés alatt. Ezek: az USA Global Positioning System (GPS) - katonai és civil, az orosz

47 Ukj,fkyfz Yfdbufwbjyyfz Cgenybrjdfz Cbcntv (GLONASS) - katonai (és már civil is), valamint a Civil Aviation Organisation (ICAO) rendszere, a Global Navigation Satellite System (GNSS) - civil. A mai pontosság (csaka helyet nézve és a hasonlóan nagy időpontosságot majd később) gyors egyszeri mérés esetén egyszerűbb (földi) vevőegységet használva ± néhány méter, kicsit hosszabb idő alatt egy (földi) jobb vevőegységgel (többszöri mérés kiegyenlítésével) ± néhány dm, míg két jobb vevőegység relatív távolsága meghatározható ± néhány mm, < 5 mm hibával. A rendszer lényege az, hogy a műhold - vevőegység távolságot igen pontos időetelonokra támaszkodva futási idő méréssel határozzuk meg, míg a szükséges terjedési korrekcióhoz a légköri (elsősorban ionoszférikus) paramétereket Doppler-mérésből illetve differenciális Doppler-mérésből határozzuk meg. A rendkívüli pontosság azonban korábban szokatlan

módon mind a mérnöki-tervezési, mind az adatértékelési, helymeghatározási eljárásban (hardware-ben és software-ben egyaránt) különösen igényes kell legyen, s a korábban mindig az elméleti villamosmérnöki ill. elméleti fizikai kutatások területére száműzött hatásokat (pontos terjedési modellek, speciális és általános relativitás elmélete) a napi gyakorlat részévé tett. A mérési cél Rk ( ti ) meghatározása egyidejűleg 4 műhold és a navigáló "pont", azaz egy földi háromszögelési pont, jármű vagy személy között. Ehhez egyidejűleg legalább 4 műholdnak a Föld bármely pontjáról és bármely pillanatban láthatónak kell lenni; azaz ehhez kell pályarendszert tervezni a használatos frekvenciák egyidejű láthatóság miatt a kölcsönös zavarást elkerülő kiosztásával együtt. Ez pl a GPS esetében 24 műhold egyidejű pályán működését kívánja meg úgy, hogy a műholdak nem lehetnek azonos pályasíkban.

A mért távolság a korábbiakból adódóan: Rmk ( ti ) = Rk ( ti ) + c( t Ai - t ki + tTki ) és (68) dR¢ mk ( t i ) = v¢Rmk ( ti ) . dt Az ionoszférikus korrekció miatt Rmk ( ti ) és R¢ mk ( t i ) eltérő értékű. Ezen egyenletek 4 műholdra vonatkozóan állnak rendelkezésünkre, s megoldásukkal kiadódik a mérőhely pontos geometriai koordinátái, s párhuzamosan pontos időadatunk is lesz. Vagyis a vizsgált mérőhely téridő-koordinátái ismeretesek nagy pontossággal. Az eljárás általános vázlata tehát [ r ( ti ) , ti ] Ü Rmk ( ti ) Ü t Û n( r ) Ü f ( ti ) (69) ahol a pontosság miatt a f énysebesség értékét is a m ai ismert pontos értékével kell figyelembe venni: c = 299.792,458 km s A műholdak helyének eltérései a futási idő sugarú gömböket definiál a mérőpont helyeként, amelyek metszése a keresett hely. Ugyanakkor időhiba is terheli a mérést, ami újabb ismeretlent jelent. A szükséges

többlet-egyenleteket a műholdakról jövő jelek futási-idő differenciái adják, amelyek műhold-páronként egy-egy hiperbola felületén definiálják a mérő helyét. A megoldás eredménye a (relativisztikus) 4-dimenziós téridő adat. A térkoordinátákat valamilyen referencia-rendszerben lehet és kell megadni; ami a GPS esetében a W GS-84 referencia geoid, a G LONASS esetében az SGS-85 referencia geoid. Ekkor már értelmezhető a vízszintes ( x, y) és a függőleges tengerszint feletti z koordináta. Az időadat referenciája a GPS-nél az UTC(USNO), a GLONASS esetében az 48 UTC(SU) időrendszer, amelyek a csillagászati időhöz is egyértelműen kötöttek. Az egyenletek nagy pontosságú megoldásához ismerni kell a műholdak pályaadatait is a vett jel kisugárzása pillanatában. Ezt a GPS esetében a pálya szokásos Kepler-féle paraméterei (inklináció, ellipticitás stb.) óránként felfrissített értékeinek a vevőhoz sugárzásával oldják

meg, míg a GLONASS esetében Descartes-féle koordinátákat és sebesség-adatokat sugároznak ki, amiket félóránként frissítenek fel. Az adatfrissítést a szolgálatot üzemeltető földi követő és irányító rendszer végzi, értelemszerűen a megkívánt pontossággal követve az összes műholdat. A futási időt is és a frekvencia-csúszást is nagyon pontosan kell mérni. A futási időt nagyon rövid impulzus terjedési ideje, azaz egy nagyon széles sávú jel kisugárzása adja meg pontosan; míg a frekvencia-változást a nagyon pontos, igen keskeny sávú és fázisában is koherensen fogott egy vagy több jel kisugárzása teszi mérhetővé. Ez alapvető ellentmondásnak látszik. (Dongó!) Ha azonban elfelejtjük, hogy rövid impulzust és egyidejűleg folyamatos (CW) jelet kellene sugározni, akkor a valódi mérnöki előírás az, hogy a terjedési időt egy széles spektrum segítségével, míg a pontos frekvencia mérést egy keskenysávú jel

segítségével lehet megmérni. A feladat tehát olyan jel-spektrum, azaz olyan moduláció kidolgozása, amelyik a vevőben megfelelő előfeldolgozás után mind a kétféle spektrumot biztosítja. Így már moduláció-elméleti feladattal és nem lehetetlenséggel állunk szemben. Van megoldás, a Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) moduláció, amelyben teljesen előrejelezhető és a vevőben ismert pszeudóvéletlen bit folyammal moduláljuk a vivőt. Ennek az alapötlete az, hogy egy oszcillátor f0 tisztán szinuszos kimenő jelét fázisfordítással (±1-gyel szorozva) moduláljuk úgy, hogy a moduláló egészek (integer) alapideje T az ún. csipogási idő (chip time) {Lásd a BPSK, azaz Binary Phase Shift Keyed modulációt.} A GPS és a G LONASS esetében a p seudo-véletlen kód ismétlődési ideje az ún. civil vagy egyszerűbb üzemű részen 1 ms, míg a pontos, katonai üzemi részen a GPS-nél 1 hét (azaz 604800 s ), a GLONASS-nál 1 s. A csipogási

frekvencia a GPS-nél civil változatban 1,023 MHz, a katonaiban 10,23 MHz; a GLONASS-nál értelemszerűen 0,511 MHz és 5,11 MHz. (Vagyis T 1~2 ms illetve 100~200 ns nagyságú) Az így kialakuló spektrum 2 é sin( pwT ) ù , W( w) = ê ë pwT ú û (70) ami szélessávú spektrum és tökéletesen megfelel a futási idő mérési követelményeknek. Ugyanakkor a vett jelet az ismert pszeudo-véletlen jellel demodulálva (a fázisugratásokat visszaugratva) a frekvencia méréséhez szükséges CW jelet kapjuk meg. Megfelelő késleltetési szinkronizáló hurokkal nemcsak a folyamatos, keskenysávú szinuszos vivő állítható helyre - természetesen a mozgás miatt előállott f0 + f megváltozott frekvenciával - szükségszerűen végül egy keskenysávú sávszűrőn áteresztve a jelet, hanem egyidejűleg a késleltetési idő (futási idő) is nagyon pontosan mérhető. A pszeudovéletlen kód elért időbeli szinkronizálási hibája £ ± T 10 , azaz a pontosabb

üzemmódban a GPS-nél £ ± 10 ns, ami egyetlen mérési hibaként kb. 30 cm-t jelent A hasznos információ (műhold-azonosító, pályaadatok, időadat stb.) a mérés megzavarása nélkül még ráültethető a jelre 50 bps-mal. 49 Amint korábban láttuk, az ionoszferikus terjedési hatások korrekciójához (legalább) két koherens frekvencián kell Doppler-csúszást mérni. A rendszerek ezt biztosítják a fent elmondottak szerint. Az ionoszféra t -t f - 2 -vel arányosan befolyásolja, s a megadott pontosság mellett ennek tényleges, aktuális mérési adatra támaszkodó korrekciója elengedhetetlen. Ezért szükséges a kétfrekvenciás, differenciális Doppler-mérés használata e korrekcióhoz. Relativisztikus hatások: A relativisztikus hatásokat e mérési pontosság mellett figyelembe kell venni. Tudjuk, hogy a műholdak sebessége néhány km/s, ez esetben mintegy 4 km/s Vagyis a relativisztikus hatások {lásd az (57) és (58) összefüggéseket} igen

nagyok, hiszen v2 c2 -tel arányosak, illetve hasonló nagyságrendűek vagy kicsit kisebbek a Föld gravitációs terében, továbbá időszinkronizálásnál 10 ns szinkronizáláshoz 0,1~1 ns időalap szinkronizáltsági pontosság szükséges. Ez pedig 10- 10 -es illetve azt meghaladó nagyságrendet jelent, ami a végső mérési pontosság 1%~100% értéktartományába esik. Ezért mérnöki feladat a relativisztikus hatások figyelembe vétele. Időszinkronizálás: - Az Einstein-féle óraszinkornizálás: kétutas jelterjedés c sebességgel. Ha t1 -ben indul egy jel A -ból és t 2 -ben ér vissza A -ba B -ből, akkor B ben éppen t 0 = t1 + ( t 2 - t1 ) / 2 időpontban volt Illetve ismerve az órák távolságát, a futási idő a fénysebesség állandóságából következik. Ez a műholdak órái szinkronizálásának alapja. - Azonban sem a műhold, sem a Föld nem inercia-rendszer, mert a Föld forog és gravitáló tömege van, a műhold pedig ellipszis pályán mozog,

amit a fékeződés stb. még meg is zavar Példa: Ha Brüsszelben és Londonban Páriszhoz szinkronizálunk egy-egy órát, azok egymás közötti eltérése ~ 50 ps lesz! Ez c -vel szorozva kb. 15 mm, ami többszöröse a nagypontosságú helymeghatározásunk hibájának - Ezért referenciának egy olyan Koordináta-Időt vezettünk be, ami nemforgó Föld-Központú inerciarendszerre vonatkozik, s mindent ehhez referenciához szinkronizálunk!!! - Ezért a speciális relativitási idődilatációt korrekcióként figyelembe kell venni. Továbbá a Föld tömegvonzása miatt a felszínen lassabban járnak az órák, mint a műholdakon, amelyek pályája mentén már a tömegvonzás kisebb. Ez a frekvenciát nézve kék-eltolódás esetünkben ~ 4´ 10- 10 , s természetesen függ a műhold pontos pályájától, annak változásaitól és attól, hogy a hold éppen hol tartózkodik a pályán. Ugyanis ez a h atás a f edélzeti órafrekvencia névleges értékét változtatja meg

Például a G PS-nél a 10,23 M Hz valójában 10,2999999545 M Hz (~4,45´10-10), a GLONASS-nál az 5,0 MHz pedig 4,99999999782 MHz (~4,36´10-10). Ugyanezért az ún Koordináta-Időhöz képest a GPS Colorado Springs-ben lévő központi irányító állomása órája 1830 m-rel a referencia felület fölött (régen ez a "tenger-szint" volt) naponta 16 nsmal siet. - A harmadik relativisztikus effektus a Föld forgása miatt fellépő ún. Sagnac-effektus Ezt is figyelembe kell venni 50 - A Doppler-mérések eredményei értékelésekor pedig szintén a legáltalánosabb összefüggéseket kell használni. A relativisztikus hatások elhanyagolása esetén a helymeghatározás hibája semmi módon nem csökkenthető (egy mérésben) néhány száz méter alá. Alkalmazási területek: - Katonai (védelmi) navigáció, pontos csapat-irányítás. - Tengeri, légi, közúti, általános és egyes esetekben űrbeli navigáció. - Expedíciók (kutatás, ásványi kincsek

kutatása stb.) - Környezeti felmérések. - Nagypontosságú geodézia (általános és dinamikus) és térképészet. - Differenciális GPS (geodézia, VLBI, terület-felmérés stb.) Hozzáférhetőség és problémái. 51 11. Távérzékelés A távérzékelés energetikai és geometriai feltételei, a "kölcsönhatás-" vagy "zavarmentes" érzékelés lehetősége. A passzív távérzékelés és alkalmazási területei Az aktív távérzékelés definíciója, a távérzékelési radar-technika, a katonai stb. felderítés (észlelhetőség és rejtési módok), valamint az SDI energetikai különbségei; a zavartalanság, zavarmentes érzékelés értelmezése. 11.1 Távérzékelési tipusok és módszerek A távérzékelési szituáció és a felmerülő méréstechnikai hullámterjedési problémák. (111 ábra Egy tipikus távérzékelési szituáció) A fellépő jelenségek: közegszórás (részecske-halmaz és sűrűség-fluktuáció) és

összetett, rétegezett, szabálytalan alakú felszínek szórása. A leghasznosabb hullámhossz-tartományok: fontos jelenségek érzékeny ill. jellegzetes tartományai (pl. klorofil), áthatolási és behatolási mélységek (pl felhőn átlátás, erdőbe belátás). Jellemzők: csillapítási tényező (pl d normális optikai mélység), felszíni illetve térfogati visszaszórási tényező, reflektancia, továbbá transzmittancia és abszorpció, valamint sajátos jellemzők (pl. indexek) A távérzékelés rendszer-szintű jellemzése: - a távérzékelés szintjei és azok funkciói; felbontás; - a többszörösség elve: * többszintű illetve többféle felbontású, * több időpontú (pl. klasszifikálás), * több frekvenciás, * többirányú (pl. sztereo), * többpolarizációs, * többféle modell º kombinált modellek stb. - a felszíni felbontás végességének következménye: minden mért adat ún. "kevert" adat (mixed pixel); a kevertség változatai,

a "tiszta" és a "kevert" képelem (pixel) definíciója. Alkalmazott észlelési frekvencia-sávok az optikai-infravörös tartományban: Landsat-MSS 0,5-0,6; 0,6-07; 0,7-08 és 0,8-1,1 mm ; (70´70 m2). Landsat-TM 0,45-052; 0,52-0,6; 0,63-0,69; 0,76-0,9; 1,55-1,75; 2,08-2,35; valamint 10,4-12,5 mm ; (30´30 m2 és 120´120 m2). NOAA AVHRR 0,58-0,68; 0,725-1,0; 1,53-1,73; 3,55-3,93; valamint 10,3-11,3; 11,5-12,5 mm ; (1´1 km2). SPOT 0,5-0,59; 0,61-0,69; 0,79-0,9; valamint 0,5-0,9 mm ; (20´20 m2 és 10´10 m2). Mikrohullámú sávok (még távols a kvázi-szabvány is): 1 GHz ~ >30 GHz. Az alkalmazott észlelési technikák: · Optikai (látható és NIR), valamint közepes és hő-IR tartományban: kamarák (Pl. RBV, felderítő eszközök, űrhajósók TV- és fotokamarái, APT-rendszerek), 52 letapogatók (scanners), domináns elterjedésük oka: egzaktabb terjedési és detekciós modell, jó kivitelezhetőség, (11.2 ábra Letapogató felépítése)

spektrométerek. · Mikrohullámú eszközök: SLAR és SAR, (11.3 ábra SLAR és SAR felépítése), szóródás-mérők (scatterometers), polariméterek, és működésük, magasság-mérők (altimeters), és működésük, radiométerek és működésük. A jelenlegi alkalmazási területek: Meteorológia, követelmények és használt technikák. Katonai szolgálatok, riasztó rendszerek és technikáik. Erőforrások kutatása, mezőgazdaság, erdészet, földhasználat, településfejlesztés, ipartelepítés, infrastruktúra, környezeti állapot figyelése; követelmények és mai kielégíthetőségük. Geológia és alkalmazásai, követelmények és technikák. Geodézia és térképészet, követelmények és technikák. Víz-, jég- és óceán-kutatás. Államigazgatás. Régészet Globális bioszféra vizsgálatok Stb Alkalmazási feltételek és lehetőségek hazánkban. (Pl adatelérési idő konzekvenciái) Az alkalmazás társadalmi gazdaságossága és a

megtérülés módja. A gazdasági elemzés alapja az egységnyi területen (1 km2) végzett távérzékelés évi költsége (pénzegység/év-ben mérve): S terület (km2) vizsgálatához ns darab műhold kell, a földi adatvevő állomások száma nA , a műhold éves amortizációja Ps , az állomásoké PA , évente m szer kell a területről megfigyelési adatot szolgáltatni és az adatok egyszeri feldolgozási költsége Ps¢. Így az éves teljes költség: Bs = ns Ps + nA PA + mPs¢. S (71) Ha vásároljuk a "képeket", akkor (71) első tagja és a feldolgozási költségek előfeldogozottsági foktól függő hányada a felvétel árában jelenik meg ( PFs ), a szükséges felvételszám egy feldolgozáshoz Ns , s a feldolgozás ránk eső részének költsége Ps¢¢, azaz: (71a) Bs = m( Ns PFs + Ps¢¢) . Ugyanez repülőgép használata esetén a helyzet gyökeresen más. Ha a területet a szükséges sűrűséggel felmérni képes repülőgépek száma nR ,

a repülőgépek éves amortizációja PR , a speciális fedélzeti műszereké pedig PmR , s a más adatszerkezet miatt az egyszeri adatfeldolgozási költség PR¢, akkor: BR = nR PmR + PR + mPR¢. S (72) Az üzemköltségek repülőgépek esetén sokkal magasabbak, mivel felszállásuk időjárásfüggő stb. Továbbá egy űrfelvétel területe repülőgépes adatokkal lefedéséhez min 53 száz repülőgépes felvétel kell. Ma egy km2 egyszeri éves vizsgálatot feltételezve, céltól is függően 0,5~5 Ft-ba kerül Landsat adatok (TM, MSS) használata esetén, míg repülőgépekkel ennek a sokszorosa lenne. Repülőgép csak kis területek szúrópróba szerű vizsgálatakor alkalmazhatók, míg a felszíni mérések csak eseti hitelesítő adatok gyűjtésére. 11.2 Távérzékelési alapösszefüggések (A továbbiakban egyes definíciók, levezetések és leírások "Ferencz Csaba: Elektromágneses hullámterjedés; Akadémiai Kiadó, Budapest, 1996."

könyvében találhatók meg részleteiben. Erre a hivatkozás: "FCs oldaltól-oldalig" alakban szerepel az óravázlatban.) A távérzékelés az optikai (látható és IR) valamint a mikrohullámú sávokban a vizsgált felszín stb. visszavert és saját kisugárzású em jeleinek vételén alapul Az em jel terjedése, visszaverése illetve áteresztése és elnyelése az e.m jel szóródása, szórása tárgykörébe tartozik. A fellépő szórás részben részecske-szórás, részben felszín-szórás (11.3 és 114 ábrák). Részecske-szórás esetén a s zokásos modellben a beeső jel síkpolarizált em síkhullám az e0 , m0 közegben, amelyet az er ( r ) = e¢ r ( r ) - j e¢ r¢( r ) jellemzőjű részecske szór, azaz (73) Ebe( r ) = E0 ×e- jkr , ahol E0 = 1 V m és k = k0ek , k º k0 , továbbá az R> d 2 l tartományban Es = f ( es, ek ) × e- jkR (74) R alakban keressük a szórt jelet. Itt f ( es, ek ) a szórásamplitúdó, amelyet felhasználva

szóráskeresztmetszetek, abszoprpciós keresztmetszet, radarkeresztmetszetek, fázisfüggvény és albedo definiálható. (Lásd "FCs 442-447"-ben) A felületi szórás a szóráskerewztmetszettel is kapcsolatba hozható felületi reflexiós, abszorpciós és transzmisszós tényezővel ill. tényező tenzorral, továbbá ezek felületre, felületrészre átlagolt értékeivel, az átlagos transzmissziós (átbocsátási) tényezővel és átlagos reflektanciával, illetve albedoval jellemezhető. (Lásd "FCs 447452") Mivel a végső alkalmazásoknál általános követelmény a szórási összefüggések inverziója (azaz a f eladat az inverz-szórási feladatok közés tartozik), ezért a nagyon pontos, de bonyolult és nehezen invertálható összefüggések helyett igen gyakran egyszerűbb, heurisztikus leírást részesítünk előnyben. Ezek a szög szerinti szórás, a totális szórás, a f elszín kétirányú reflektancia eloszlási függvénye (BRDF), s

az izotrop szóró felszín, azaz a L ambert-féle sugárzó ("FCs 453-456"), amelynek segítségével pl. az égboltfény egyszerűen modellezhető ("FCs 507-510"). A szórás modellezésében egyszerűbb közelítés az ún. egyszeres szórási kép alkalmazása, amikor a s zóró részecskék vagy felszínelemek egymásra átszórását figyelmen kívül hagyjuk. Sokszor ez nagyon pontatlan, azaz a szóró részecskék vagy felszínelemek egymásra átszórását is figyelembe kell venni: többszörös szórás, 54 kialakulása és modellezhetősége, az önfenntartó tér (self consistent field - S.CF) leírás alkalmazása. ("FCs 482-486") Egyirányú terjedést feltételezve (Þ alkalmazhatóság) sokszor használt, az átlagértékeket megadó, heurisztikusnak is nevezhető modell a következő ("FCs 489") (11.5 ábra): - ns z a koherens, vagy megmaradó beeső jel intenzitás I k » I 0e t ; a teljes jelintenzitás I T » I 0e az

inkoherens intenzitás pedig - ns az I v » I 0 ( e- ns az - e- ns t z )= I 0e- ; ns az ( 1- e- ns sz ) = I T ( 1- e- ns sz ). (75) Természetesen ebben a modellben (is) a jellemzők hullámhossztól függőek. Ennek segítségével definiálható a l égkör teljes "sugár-út" menti szórását (az optikai sávokban) jellemző normális optikai mélység ( d ) ("FCs 858"). A mikrohullámú sávokban is hasonlóan adható meg a légkör teljes (szórás és abszorpció miatt fellépő) csillapítása, amelyből domináns megjelenése miatt az eső-szórást sokszor elkülönítve adjuk meg ("FCS 514-515"). A szokásos terjedési út a j elforrás (Nap) Þ légkör Þ felszín Þ légkör Þ műhold útvonal. Aktív távérzékelés, azaz radarok esetén azonban a jelforrás és az érzékelő helye azonos, alégkörön oda és vissza ugyanazon az úton halad át a jel, azaza terjedési út a műhold Þ légkör Þ felszín Þ légkör Þ

műhold útvonal. Ekkor a legegyszerűbb modellben az ún. radar-egyenlethez jutunk ("FCs 749-752"): PV = PA GA AH , ahol s Tb = s b AT . s 2 Tb 4p R 4p R2 (76) Fontos alapjellemző még a felbontás, ami más az ún. optikai eszközök és más az ún. mikrohullámú eszközök esetében, bár közöttük elvi különbség valójában nincs Felbontás optikai eszközök esetében: Leképezési hullámkép Þ interferencia-kör Þ két kör szétválaszthatósága º az egyik maximuma a másik első minimum-helyére essen. l J = 0,61 = 0,61 lf , a (77) ahol l a hullámhossz, J a tárgyoldali nyaláb félnyílása, f a fókusztávolság és a a tárgy sugara. Innen a = 0,61 lf  . (77a) (77a)-nak és a műszer elektronikus mintavátelezése által meghatározott felbontásnak harmóniában kell lennie. Felbontás mikrohullámú eszközök esetén: Az antennák által meghatározott és a felszínre átvetített felbontás érvényesül, amivel az

elektronikus felbontásnak ugyanúgy harmóniában kell lennie, mint az optikai sávokban. SLAR esete (a SLAR felépítése és működése): 55 Ha az antenna pálya menti ("horizontális") mérete l , akkor az antenna nyílásszöge bh @ l l , és innen a pálya-menti felbontás rh = Rl l , (78) ahol R az antenna távolsága a felszín vizsgált részétől. Ugyanakkor a pályára (subszatellita vonal) merőleges irányban, ha a nadírhoz képest q szöggel néz a radar és az impulzus szélessége időben t , a felbontás vagy pixel-méret rp = ct . 2sin q (79) SAR alkalmazása esetén a felbontás a pálya mentén megnő, s így a pályára merőleges pixelméret is csökkenthető (a SAR felépítése és működése): (80) rh = l 2 az elméletileg elérhető felbontás, a valóságos gyengébb az integrálási (szintetizálási) tartománytól függően. Ugyanakkor nem kell extrém rövid impulzust alkalmazni, ha szélessávú, B sávszélességű jelet tudunk

kisugározni, mert akkor rp = c . 2Bsinq (81) Radiométerek esetén a m ért mennyiség a felszín saját MW sugárzása sugárzási hőmérsékletben kalibrálva, de a felbontás az alkalmazott antennától függ, azaz a fentiek szerint alakul a pálya mentén, s a pályára merőleges irányban isaz antenna nyílásszöge által meghatározott érték, mivel itt k ibocsájtott jel nincs. (Radiométer működése.) Az ismertetett alapösszefüggésekre támaszkodva felírható az ún. távérzékelési egyenlet, amelyik a látható és közeli IR sávokban a leggyakrabban használt összefüggés, míg a mikrohullámú modellekben (76)-ból illetve az ekvivalens sugárzási hőmérsékeltből indulunk ki. Tehát az optikai sávokban, ahol a felszín és a l égkör sajár sugárzása elhanyagolható, a vett jel a felszínt megvilágító közvetlen és közvetett napsugárzásból (napfény és égboltfény) a felszín által a műszer felé visszaszórt és a műszerig terjedő

úton csillapodott jelrészből, meg a műszer és a felszín közötti légoszlopból a műszer felé szórt jelrészből (légoszlop fénylés) tevődik össze (11.6 ábra) ("FCs 852-857") L M = a út ( es ) LVA ( es ) + [ L p ( es, e0 ) + a¢út ( es ) L pA ( es, e0 ) ] , (82) ahol LVA ( es ) = òò fr ( ek , es ) Lé ( ek ) cosqkd( ek ) (82a) p qk£ 2 és ahonnan L M ( dA) = rA EA a út ( es ) + L p ( es, e0 ) p (83) az egyszerűsített alak lamberti vízszintes sík felszín esetén. A zenit-nadír irányú légköri csillapítás - (75)-re is visszagondolva - e- d -val jól leírható, s ennek segítségével mind a 56 beeső napfény felszínig terjedő csillapítása, mind a felszínről a műholdra tartó jel csillapítása jól megadható ("FCs 858-860"): é r L A @ A E0 cosq0ê e p ê ë d cosq0 - + be gd cosq0 æ ç 1- e ç è d cosq0 öù ÷ú ÷ú øû (84) . (85) és nadír irányba néző fedélzeti műszer esetén L M

» L Ae- d + L pT ( 1- e- d ) illetve + ( x - e- d ) A távérzékelt adat feldolgozásának menete az alapösszefüggések ismeretében: a feldolgozás fő lépései a kalibrálás (radiancia, reflektancia, °K stb.), légköri korrekció és földrajzi illesztés (utóbbinál alakfelismerés ill. eltérés minimalizálás, pl legkisebb négyzetek módszerével), felszínjellemzők számítása (reflektancia, célzott mennyiség), a végfelhasználáshoz szükséges adat szolgáltatása. A kalibrálás és a légköri korrekció valamint a domborzati korrekció egyetlen lépés. A domborzati korrekció nehézségei a B RDF miatt, sztereo képek készítése és kvantitatív feldolgozás dombos-hegyes vidéken (11.7 ábra Növényzet sík és dombos vidéken, s ennek szórási konzekvenciái.) A felszín jellemzése: ("FCs 862-867") A BRDF általában csak numerikusan adható meg még jó elmélet leírás birtokában is (lásd a talajmodellt). Helyette lamberti

reflektanciát használunk Þ (83) Heurisztikus jellemzők bevezetése: indexek. Lineáris indexek, a "tasseled cap" és fejlesztett változatai. A páraérzékenység Þ YE, illetve Haziness. Az ATMOYE-kód Greenness és alkalmazása, spektrális háttere, a klorofil. Nemlineáris vegetációs indexek: RVI, NDVI, . Egyszerű növényfedettségi felszínmodell, az albedo alakulása. Sivatagosodás és kimutatási módjai. Klasszifikáció: az ortogonális adat-tér (pl. reflektancia-tér) és a "felhők" (clusterek) kialakulása és elválaszthatósága. A távérzékelt adat és a hasznos eredmény kapcsolata. 11.3 Távérzékelési modell példák Egy növénytakaró modell: A fejlesztett Suits-féle modell "FCs 890-894". Egy talaj-modell: S.CF barázda-modell a keresztbe sugárzás figyelembe vételére "FCs 867-869, 872-875". 57 12. Globális változások A globális válság lehetősége a régebbi időkben, a tudományos eufória e

század első felében. Az űrkutatás a globális és Naprendszeren belüli, illetve kozmológiai áttekintés biztosításával a nézetek helyébe az adatokra támaszkodó és modelleket is használó, valóban tudományos igényű vizsgálódást indította meg. Első lépései: meteorológiai és katonai felderítő műholdak adatai és űrhajósok megfigyelései. 12.1 A globális válság természete A környezeti zavarok észlelése. Az élet és az értelmes élet észlelési kritériumainak objektivizálódása: Ranger és Mariner adatok a Földről. A Föld, Vénusz, Mars bolygó-hármas összehasonlító vizsgálata. A korábbi elvi problémák éles megfogalmazódása: entrópia-növekedés, véges bolygó dilemmája, az élet keletkezése valószínűségi és adattal alátámaszthatósági gondjai (őshúsleves, pánspermia, teremtés). Az Univerzum rövid története: az Ősrobbanás (téridő metrika, a kezdeti fény ma háttérsugárzás.), a galaxishalmazoktól a

Napig (92 elem van a Földön), a Naprendszer és belső harmóniái. A Föld működése és az ún. GAIA-hipotézis (mi hipotézis és mi biztos) A szabályozott rendszer létezése. Hogyan keletkezhetett? Energiaforgalmában nyitott, anygaforgalmában zárt rendszer, s ennek konzekvenciái. (A döntés szabad, de a választott alternatíva az összes konzekvenciáival együtt valósul meg azután már kikerülhetetlenül.) A globális válság alapvető jellege és biztonytalanságaink a részleteket illetően. Űrkutatási és mérnöki feladatok: az anyag- és energia-bázis kibővítése. 12.2 Kitekintés A világszemlélet (életszemlélet és értékek) alapvető döntést és magatartást meghatározó szerepe. Az űrkutatás és a kozmológia lehetőségei: ma még mindig az ún. klasszikus általános relativitási elmélet igazolódik a vizsgálatokban. Korlátok a visszatekintésben (a fény-határ és a magfizikai modellek). Döntéshozatali követelmények a véges

bolygón és annak egy részén. Az elvi alapok: az Ember-elv, az Elsődleges Megszorítás, . bizonyosan lényeges dolgokról még csak sejtésünk sincs igazán (néhány példa), ami sejthető és a saját döntés kikerülhetetlensége. A "mérnök", az "írástudó" mai értelmezése és a felelőssége