Pro časopis Letectví + Kosmonautika zpracoval Pavel KOUBSKÝ, Astronautický klub SPACE (L+K č. 6/1974)

Družicové pilotované stanice hrají důležitou úlohu v programu sledování zemských zdrojů. Posádky těchto stanic mohou studovat přírodní prostředí různými způsoby a navíc získají mnoho námětů pro zlepšení pozorovacích technik a zpracování výsledků. Přítomnost člověka na palubě stanice mimo to dovoluje snadno měnit pozorovací program s ohledem na povětrnostní podmínky nebo výskyt zajímavých jevů.

Stanice Skylab nese několik přístrojů označovaných EREP (Earth Resources Experiment Package) pro pokusné sledování zemských zdrojů a poskytuje tak vědcům jedinečnou příležitost k dalšímu vývoji metod sledování přírodního prostředí. Pět přístrojů v souboru EREP umožňuje současné snímkování oblastí zemského povrchu ve viditelném, infračerveném a mikrovlnném pásmu spektra. Získané výsledky se doplňují měřeními na zemském povrchu, z letadel a z některých družic.

V prosinci 1970 oznámil NASA parametry přístrojů EREP spolu s výzvou k vědcům celého světa, aby navrhli pozorovací programy. Došlo přes tři sta návrhů, z nichž byla přijata více jak polovina -164. Výsledků získaných přístroji souboru EREP se využije v následujících oborech: zemědělství a lesnictví, geologii, vodohospodářství, oceánografii, územním plánování, kartografii, při studiu pobřežních oblastí, výzkumu atmosféry a při vývoji nových metod pro sledování zemských zdrojů. Pozorovací program, na němž je zúčastněna také Organizace pro zemědělství a výživu OSN, je dílem 38 odborníků z 19 zemí a 103 specialistů ze 32 států USA.

Soustava EREP obsahuje následující přístroje:

• komory pro vícebarevnou fotografii;
• infračervený spektrometr:
• radiometr s velkou rozlišovací schopností;
• mikrovlnný radiolokátor;
• radiometr v pásmu L.

Většina přístrojů je instalována ve spojovacím adaptéru (MDA), pouze dlouhofokální kamera experimentu S190B je v družicové dílně (OW).

Cílem tohoto pokusu je vybrat nejvhodnější kombinace barevných filtrů a fotografických emulzí pro zjišťovaní a studium zemských zdrojů. Vybavení sestává ze dvou přístrojů - soustavy šesti identických souosých komor (S190A) a jedné komory s dlouhým ohniskem (S190B).

Komory experimentu S190A mají objektivy 2,8/152 mm. K dispozici je 19 barevných filtrů a čtyři typy černobílých a barevných 70mm filmů. Expoziční čas lze nastavit na 2,5 ms, 5 ms a 10 ms. Kompenzace pohybu stanice při expozici se uskutečňuje pohybem celé soustavy komor. Intervaly mezi snímky lze měnit od 2 do 20 sekund s dvousekundovým krokem. Synchronizace závěrek je lepší než 4 ms. Okamžiky expozice se zaznamenávají na magnetickou pásku, takže délku expozice lze po návratu posádky na Zemi zjistit s chybou půl procenta. Kalibrace filmů se provádí vyhodnocením fotometrické škály, která se exponuje na každý film před letem a po letu. Při výběru spektrálních oblastí pro vícebarevnou fotografii se vycházelo z výsledků experimentu S065 na Apollu, z leteckého programu NASA a z měření družice ERTS -1.

Komory experimentu S190A jsou umístěny uvnitř spojovacího adaptéru stanice (MDA) a od kosmického prostoru je odděluje optické sklo, které má rozměry 0,56 x 0,42 metru. Konstrukci tohoto okna byla věnována velká pozornost, protože na jeho vlastnostech závisí do značné míry i úspěch soustavy komor. Okno je vyhřívané, rovnoběžnost přední a zadní plochy je lepší než dvě obloukové vteřiny. Pokud nejsou přístroje v provozu, je okno z vnější strany chráněno krytem a uvnitř speciálním panelem. Při fotografování dostávají kosmonauti potřebné údaje (okamžik první expozice, interval mezi snímky, počet expozic, kombinace filtr/film pro jednotlivé komory a údaje pro kompenzaci pohybu) z řídicího střediska.

V experimentu 190B se používá komory ETC (Earth Terrain Camera), která má umožnit získání vícebarevných snímků s velkou rozlišovací schopností. Komora je uložena v družicové dílné (OW) a její optická osa se od osy soustavy S190A odchyluje maximálně o 1,4 stupně. Použitý objektiv má ohniskovou vzdálenost 460 mm a pevnou clonu 1:4. Snímky mohou být pořizovány rychlostí až 25 expozic za minutu. Nastavitelné expoziční doby jsou 5,7 a 10 ms. Rozměr snímku je 115 x 115 mm. Spektrální obor komory definují tři typy filmů a šest barevných filtrů. Podobně jako u experimentu S190A je i tato kamera vybavena kompenzací pohybu při expozici. Od vnějšího prostoru je oddělena optickým sklem o rozměru 0,15 x 0,15 metru. Obsluha komory je stejná jako u experimentu S190A.

Dalším přístrojem souboru EREP je

pro experiment S191. Smyslem jeho instalace je zjistit použitelnost spektrálních měření ve viditelném a infračerveném oboru pro sledování zemských zdrojů. Součástí programu je také prověrka schopnosti kosmonautů najít a sledovat malý cíl na zemském povrchu (spektrometr má velmi malé zorné pole - menší než jedna oblouková minuta). Přístroj je proto vybaven hledáčkem s proměnlivým zvětšením (2,5 x až 22,5 x), s maximálním zorným polem 17°. Hledáček lze nastavit v poměrné širokém rozmezí (45° dopředu a 10° dozadu podél průmětu dráhy a 20° do stran). Simultánně s dalekohledem se nastavuje i rovinné zrcadlo před objektivem spektrometru, což umožňuje získávat spektrální měření z různých oblastí zemského povrchu. Studovaná oblast se současně snímá 16mm kamerou typu Maurer, která také zaznamenává čas a údaj digitálního ukazatele nastavení spektrometru. Spektrometr je připojen ke Cassegrainovu objektivu o průměru 0,25 metru. Disperzním elementem je pět kruhových průběžných interferenčních filtrů, tři jsou v krátkovlnném kanálu 0,39 -2,51 µm a dva v dlouhovlnném 5,8 – 16,0 µm.

Natočením kruhového filtru je definována spektrální propustnost, přičemž spektrální rozlišení odpovídá dvěma až třem procentům procházející vlnové délky. Při měření, které trvá asi sekundu, se střídavé registruje záření ze studované oblasti u záření kalibračního zdroje. Krátkovlnný kanál používá kombinovaného detektoru Si/PbS, v dlouhovlnném je chlazený detektor HgCdTe.

Před zahájením práce s tímto přístrojem musí kosmonaut nejprve připevnit 16mm kameru k hledáčku a seřídit optické cesty. Pak seřídí optickou osu hledáčku a spektrometru a zapne kalibraci spektrometru. Po vyhledání cíle v hledáčku uvede kosmonaut v činnost kompenzační zařízení, které pohybuje celým komplexem S191 proti směru pohybu stanice. Potom je možno zahájit vlastní měření. Data, získaná spektrometrem, se zaznamenávají na magnetickou pásku.

Toto opticko-mechanické zařízení se podobá radiometru MSS na družici ERTS -1. Cílem pokusu je získat přesné údaje o záření vybraných oblastí v širokém rozsahu spektra. Výsledků měření bude možno také využít k výběru nejvhodnějších zařízení pro studium přírodního prostředí z oběžné dráhy. Hlavní součástí radiometru S192 je zrcadlový objektiv o průměru 0,43 m. V ohnisku objektivu je vstupní štěrbina hranolového spektrometru. Soustava objektiv-spektrometr zobrazí záření různých vlnových délek v různých místech ohniskové roviny. Odtud pak světlovodiče přivádějí záření v jednotlivých spektrálních oblastech na 12 detektorů HgCdTe. Třináctý detektor je připojen přímo k objektivu. Zorné pole celé soustavy je pouhých 36 obloukových vteřin a proto se zvětšuje pohybem rastrujícího zrcátka před objektivem. Zrcátko rotuje rychlostí asi 100 otáček za sekundu; při jedné třetině otáčky snímá záření zemského povrchu a po zbytek otáčky probíhá kalibrace přístroje. Do začátku další obrátky se stanice posune na dráze o 80 metrů, takže kombinací pohybu zrcátka a stanice lze získat snímek oblasti ležící pod dráhou Skylabu s řádkovým rozlišením asi 80 metrů.

Obsluha může nastavovat přístroj v rozmezí 2,5°. Měření S192 se zaznamenávají na magnetickou pásku, zpracování údajů je obdobné jako u radiometru u MSS družice ERTS -1.

Spektrální rozsah měření radiometru S192 zahrnuje i obory multispektrální fotografie a infračerveného spektrometru. To dovolí porovnat účinnost a vhodnost jednotlivých přístrojů pro různé obory studia přírodních zdrojů. Výsledky experimentů se také vzájemně doplňují. Například infračervený spektrometr poskytuje údaje o závislosti hustoty atmosféry na výšce, což je nutná informace pro zpracování dat z radiometru.

Zajímavým experimentem souboru EREP je S193, jehož přístroj pracuje současně jako mikrovlnný radiometr, radiolokátor a radiolokační výškoměr. Jeho hlavním úkolem je studium použitelnosti mikrovlnné techniky pro zkoumání zemských zdrojů. Mikrovlnné snímání je velmi perspektivní pro sledování zemského prostředí, protože není tolik závislé na počasí ve studované oblasti jako měření v infračerveném a viditelném oboru. Radiometr S193 pracuje na frekvenci 13,9 ± 0,1 GHz. Pasivní (vlastní radiometr) i aktivní (radiolokátor) část přístroje mohou pracovat současně. Anténa je pohyblivá a přijímá mikrovlnné záření z oblasti o průměru asi 11 kilometrů. Radiolokátor vysílá impulsy dlouhé 5 ms rychlostí 125 impulsů za sekundu, minimální výkon je 8 W. Data získaná radiolokátorem poslouží při zjišťování kvality a dielektrických vlastností zemského povrchu. Nad oceánem, kde se dielektrické vlastnosti nemění, může radiolokátor zjišťovat stav hladiny. Pracuje-li přístroj jako radiolokační výškoměr, nemůže současně pracovat pasivní radiometr. Přístroj zaznamenává mikrovlnné záření v pěti různých modech, které jsou definovány polohou a pohybem antény. Radiolokační výškoměr vysílá impulsy dlouhé 130, 100 nebo 10 ns rychlostí 250 impulsů za sekundu s maximálním výkonem 2 kW.

Pro kalibraci se používá mikrovlnného záření Měsíce a kosmického rádiového záření. Výsledky se zaznamenávají na magnetickou pásku.

Přístroj S194 má pevnou anténu, která přijímá záření v pásmu 1,4126 GHz ± 27 MHz. Výsledky měření slouží k určení jasové teploty zemského povrchu. Pracují-li přístroje experimentu S193 a S194 současně, je možno měření zcela opravit o vliv oblačnosti. Teplotní rozlišovací schopnost radiometru S194 je asi jeden stupeň.

V programu sledování zemských zdrojů počítá NASA se současným studiem některých oblastí přístroji na Skylabu a přístroji v letadlech. Letecký program NASA pro výzkum přírodního prostředí běží už od roku 1964. Simultánního sledování se účastní čtyři letouny Johnsonova kosmického střediska v Houstonu, dva letouny Ames Research Center a dva letouny Michiganské university. Přístroje, které letouny nesou, jsou jednak velmi podobné zařízení EREP (fotografické komory, infračervené radiometry a spektrometry a mikrovlnná zařízení), jednak jsou to přístroje pro přímé měření údajů, které přístroje na Skylabu zjišťují jen nepřímo (obsah vodní páry ve vzduchu, teplota vzduchu).

Při plnění programu EREP se mění orientace Skylabu. Optické osy všech přístrojů jsou prakticky shodné s -Z osou spojovacího adaptéru (MDA), takže při obvyklé orientaci stanice míří směrem od Slunce. Při sledování zemských zdrojů však musí přístroje směřovat k Zemi. Skylab přelétá nad jedním místem vždy po pěti dnech (71 oběh), ale dva po sobě následující přelety jsou posunuty o dvě hodiny v místním čase. To znamená, že je jen omezena možnost opakovat měření za přibližně stejných světelných podmínek. Při výběru oblasti pro sledování se vychází z meteorologické předpovědi, parametrů dráhy stanice, dalších vědeckých programů a technického stavu přístrojů EREP.

Na základě zkušeností s měřením z letadel a z družice ERTS byla otázce zpracování výsledků věnována velká pozornost. Byl vypracován systém, který převádí data získaná na přístroji EREP do formy vhodné pro další zpracování na počítačích. Podle původního programu měly tři posádky Skylabu přivézt na Zemi 78 kazet 70mm filmu a 16 kazet filmu pro kameru ETC. Pro záznamovou 16mm kameru Maurer se počítalo s 9 cívkami. Kapacita filmů představuje asi 100 000 snímků. Pro experimenty se záznamem na magnetickou pásku se plánovalo 25 kotoučů, na kterých se kromě vlastního měření zapisuje množství pomocných dat, nutných pro další zpracování výsledků. Kromě pásek s daty použitelnými na počítačích, budou mít experimentátoři k dispozici většinu dat též ve formě tabulek a grafů. Jedině tak může program EREP přispět k praktickému využití kosmonautiky.

Není bez zajímavosti, že se v tomto programu používá mnoho zkušeností z měsíčních expedic Apollo. Komora ETC je modifikací měsíční komory, která byla na Apollu 14. Rovněž při využívání vícebarevné fotografie pro mapování (kamera ETC poskytuje snímky, jež mohou být základem mapy v měřítku 1 : 25 000!) se používá programů a zařízení vyvinutých pro mapování Měsíce.

Přehled přístrojů EREP
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Experiment         Popis             Spektrální pásmo      Spektrální   Zachycená      Rozlišovací
                                                           rozlišení    oblast         schopnost
--------------------------------------------------------------------------------------------------
                                     (µm)   (film)         0,1 µm       163 x 163 km   24-68 m
S190A              šest komor        0,5-0,6 SO-022  ČB
multispektrální    F 2.8/152 mm      0,6-0,7 SO-022  ČB
komory             19 filtrů         0,7-0,8 EK-2424 ČB
                   zorné pole 21°    0,8-0,9 EK-2424 ČB
                                     0,5-0,9 EK-2443 BAR
                                     0,4-0,7 SO-356  BAR
--------------------------------------------------------------------------------------------------
                                     (µm)   (film)         0,1 µm       109 x 109 km   10-38 m
S190B              dlouhofokální     0,4-0,7 SO-242  BAR
komora ETC         komora            0,5-0,7 EK-3414 ČB
                   F 4/460 mm        0,5-0,9 EK-3443 BAR
                   6 filtrů
--------------------------------------------------------------------------------------------------
S191               spektrometr s     0,4- 2,4 µm           1-4 %
infračervený       průběžnými        6,2-15,5 µm           používané     80 x 160 km     440 m
spektrometr        interferenčními filtry,                 vlnové délky
                   ruční pointace, 
                   zorné pole 3,5', 
                   dva detektory, 
                   souběžný záznam 
                   16mm kamerou
--------------------------------------------------------------------------------------------------
S192               třináctikanálový  0,4-2,35 µm           0,04 -0,1 µm  pás 68 km        80 m
radiometr          radiometr        10,2-12,5 µm                         široký
s velkou           zorné pole 0,5'
rozlišovací 
schopností
--------------------------------------------------------------------------------------------------
S193               anténa O 1,1 m,  13,9 ± 0,1 GHz         50 -500 MHz   Ø 11 km,         11 km
mikrovlnný         pohyblivá                                             úhlově 0-48°
radiometr,         kolem                                                 dopředu
radar,             dvou os,                                              a do stran
radarový           zorné pole 1,5°
výškoměr
--------------------------------------------------------------------------------------------------
S194               nepohyblivá     1,400-1,427 GHz         18 MHz        Ø 111 km        111 km
mikrovlnný         anténa
radiometr          tvořená
v pásmu L          64 prvky,
                   celkový Ø 1 m
--------------------------------------------------------------------------------------------------