Ember a Holdon – Az Apolló űrhajók hírközlő rendszere

 

 

 

Az emberiség régi álma valósult meg 1969-ben, amikor az első ember elhagyva anyabolygónkat a Földet, új, hatalmas lépést téve a tudomány göröngyös útján, megtette első felfedező útját a Holdon.
Sokan Kolumbusz 500 évvel ezelőtti felfedező útjához hasonlítják a bátor űrhajósok tettét.  A hasonlat a híradástechnikában járatos emberek szemével nézve nem egészen helytálló.  Kolumbusz a hajók legénységével a hosszú úton az őt elbocsátó szárazfölddel nem tartott kapcsolatot. Felfe­dezése, amely korában hatalmas eredmény volt, csak a hajók visszatérése után, az út befejezésével vált ismertté.
Az ember Holdra érkezését, az oda és vissza vezető utat szinte Földünk valamennyi lakója követhette a rádióközvetítésen keresztül, vagy a tv képernyőjén.  Az emberek előtt zajlottak az események, gyorsan értesültünk minden eredményről és a felfedező űrhajósokkal egy időben pillanthatták meg közvetlen közelről a Hold sivár felszínét.
A gyors tv- és rádió-összeköttetést az Apolló űrhajók jó híradástechni­kai berendezései biztosították. A következőkben részletesebben analizáljuk az Apolló űrhajók hírközlő rendszerét, néhány szóban megemlítve a fel­használt berendezések specifikációját is.

 

 

1. Az Apolló űrhajók felépítése

 

A híradástechnikai részletek meg­ismerése előtt célszerű ha röviden áttekintjük az űrhajók felépítését.
Az Apolló űrhajók három fő egy­ségből állnak:

 

a)  Parancsnoki egység (angol rövidí­tése CM)

Ebben az egységben helyezkednek el az űrhajósok a start, illetve az uta­zás közben. A Földre kizárólag csak ez az egység tér vissza. A parancsno­ki egység hőpajzsa óvja az asztro­nautákat a Föld sűrű légrétegeibe történő visszatéréskor a magas hő­mérséklettől.

 

b)  Kiszolgáló egység (angol rövidíté­se SM)
Tulajdonképpen “raktár”, amely­ben elhelyezték mindazon kisegítő berendezéseket, amelyek a hosszú úton az űrhajósok létfeltételeit biz­tosítják. (Elektromos energiát szol­gáltató tüzelőanyag cellák, oxigén frissítő berendezés . . . stb.) A Föld— —Hold—Föld utazás során a Hold­ig, illetve a visszavezető úton mind­három űrhajós a kiszolgáló egységgel összekapcsolódó parancsnoki egy­ségben helyezkedik el. A Holdra szálláskor a parancsnoki kabinban csak egy űrhajós tartóz­kodik. A kiszolgáló egységben levő hajtóanyagot felhasználva a parancs­noki egység manőverezni képes (pl. Holdkörüli pályára állás, indulás vissza a Földre . . .stb.). .

 

c) Holdra szálló egység (angol rövi­dítése LM)
Feladata a Holdra szálló űrhajó­sok szállítása a Holdkörüli pályáról a Holdra, illetve vissza. A Holdon az űrhajósok „lakhelyéül” szolgál. Az Apolló 13 esetében a programtól el­térően a „mentőhajó” szerepét is ki­tűnően ellátta.
A Holdra szálló egység nem áram­vonalas, mivel start közben becso­magolva az áramvonalas Satum ra­kétában helyezkedik el. A gáznélküli világűrben pedig már nincs szükség az áramvonalas alakra.

A Holdról történő visszaindulás-kor a Holdkomp (gyakran így neve­zik a Holdra szálló egységet) alsó ré­sze szolgál indító állványnak amely a Holdon marad.

 

 

 

2. Az Apolló űrhajók hírközlő rendszere

A Holdra induló űrhajósok kiképzése rendkívül alapos.  A jól képzett emberek irányítása mellett nagy szükség van a földi irányító központ segítségére is az űrutazásnál. Az űrhajó és az irányító központ közötti kapcsolat két irányú. Az összeköttetés során az élő beszéd és nagy mennyiségű adat átvitele szük­séges. Az átvitelre felhasznált frekvenci­ák az RH, URH és a mikrohullámú sávban helyezkednek el. Az URH frekvenciasávban vi­szonylag egyszerű berendezéssel né­hány ezer km-ig létesíthető megbíz­ható kapcsolat. Ezeken a frekven­ciákon a különböző egységek közötti kapcsolatot biztosítják. (Pl. parancs­noki egység — holdkomp.)

A mikrohullámú lánc a nagytávol­ságú összeköttetésre szolgál. A fel­használt frekvenciák az ún. S-sávban helyezkednek el (2,2 GHz) ahol a világűr zaja minimális, tehát az át­vitel minősége a legjobb lehet.

 

 

 

     

2.ábra  Az összekapcsolt parancsnoki egység (CM) és a kiszolgáló egység (SM)  vázlatos rajza. A  szaggatott vonallal berajzolt 

antennákat a visszatéréskor a  keresés megkönnyítésére használják

     

 

 

                     1.táblázat     Az Apolló űrhajó hírközlő berendezései

 

 

 

 

 

2.1. Összeköttetés a földi központ és az űrhajó között a Holdig és a visszavezető úton

A start és a föld körüli pályára ál­lás közben a három űrhajós az irá­nyító központtal az URH sávban dolgozó adó-vevő párral tartja a kapcsolatot. (5. ábra.) Távolodva a Földtől az összeköt­tetések a S-sávú berendezésekre te­vődnek át.

 

A három egység (CM, SM, LM) együtt halad a Hold felé. Az 1. táblázatban levő frekvenciákon mű­ködő berendezések visznek különbö­ző információkat az űrhajó és a Föld között.Jól látható, hogy a felhasznált frekvenciák (a visszatérést segítő RH sávban levőtől eltekintve) vi­szonylag kistávolságú átvitelre szol­gáló az URH sávban, a másik nagy­távolságú információ átvitelre szol­gáló frekvencia-csoport a mikrohullámú sávban helyezkedik el.
A frekvenciák ilyen kiosztása le­hetővé teszi, hogy viszonylag egy­szerű földi állomásokkal (az egysze­rűséget a kissávú földi antennára ér­tem!) követni lehessen az űrhajót.

 

Az Apolló űrhajó hírközlő rendszerét vázlatosan a 3. ábra mutatja.

 

 

    3. ábra    Az Apolló űrhajó hírközlő rendszerének vázlatos felépítése

 

 

 

A három űrhajós fejhallgatói illet­ve mikrofonjai hangfrekvenciás el­osztó áramkörre jutnak.  Az űrhajó belső összeköttetései (egymás közöt­ti belső beszélgetések) ezen egységen keresztül zajlanak le és ide érkeznek illetve indulnak el a jelek a Föld felé.

A belső beszélgetések, ha a Föld­del nincs kapcsolat (pl. a Hold mö­gött) magnetofon szalagra kerülnek. A különböző berendezésekből érkező adatok az ún. moduláció előtti jel­alakító egységbe kerülnek. Ezen egy­ség lehetővé teszi, hogy a különböző hírközlő lehetőségek között válogat­ni tudjanak az űrhajósok.

 

 

Külön kell szólni az űrhajó pálya­elemeinek meghatározásáról. Ezt az utazás során a Földről végzik a mik­rohullámú transzponder adó-vevő felhasználásával. Működési elve a következő:

 

A Földről sugárzott mikrohullá­mú jelet az űrhajó vevőkészüléke veszi, egy ismert számmal szorozza, erősíti és visszasugározza a Földre. A Földön az adott és visszakapott jel összehasonlításával a Doppler elv felhasználásával pl. a relatív sebes­séget, a gyorsulást lehet meghatá­rozni.  A távolságmérés úgy törté­nik, hogy a Földről elindított jelet egy ismert impulzussorozattal mo­dulálják, majd megmérik, hogy mek­kora idő szükséges a jelcsoportnak Föld—űrhajó—Föld út megtételé­hez. A rádióhullámok terjedési se­bessége ismert, ebből a mért időből a távolság meghatározható.

A mikrohullámú adók kimenő teljesítménye 0,3 W. Lehetőség van arra, hogy nagy távolságok esetén az adók teljesítményét erősítő fokoza­tok közbeiktatásával 2,8 W illetve 11,2 W-ra növeljék.
Az adókhoz csatlakozó antennák felépítését jól mutatja a 2. ábra. A 3. ábra blokk vázlata szerint a mik­rohullámú antennacsoport két an­tenna-rendszerből áll. Az egyik rendszer nem mozgatha­tó, nem irányított antennákból áll, amelyek SM egységhez rögzítettek.

A másik nagynyereségű antenna­rendszer mozgatható és mindig a megfelelő irányba fordítható. Ezen négy parabola antennából álló rendszer nyeresége természetesen lénye­gesen nagyobb, mint az irányítás nélküli rendszeré. A nagy nyereségre a nagymennyiségű információ átvi­tel és a nagy távolság miatt van szükség (pl. TV kép átvitel).

 

A Holdig és vissza úton a parancs­noki egységből többször közvetítet­tek élő TV képet. A két átviteli rend­szerről részletesebben szólok a Hold­ról közvetített TV átvitel vizsgála­tánál.Az űrhajó berendezéseit, ezek tel­jes működését ellenőrző adatok rész­ben közvetlenül a rádióláncon ke­resztül a földi követő állomásokra kerülnek, részben a parancsnoki egy­ségben levő adattárolókba.

 

 

 

2.2. Hold — Föld összeköttetés

 

Kétségtelen, hogy a legnagyobb mennyiségű információ átvitelére akkor került sor, amikor az űrhajó­sok a Holdra szálltak.
A holdraszálló egység eltávolodva az összekapcsolt parancsnoki és ki­kiszolgáló egységtől leereszkedik a Hold felszínére.

Ebben a helyzetben a Holdon levő űrhajósok és a parancsnoki fülkében levő társuk között a rádió kapcsola­tot az URH sávban tartják.

A 2. táblázat jól mutatja, milyen frekvenciákat használnak az össze­köttetésre és jellegre mi az átvett információ. A Hold körül keringő űrhajó a Földdel az S sávban levő berendezéseivel tartja a kapcsolatot. A két, Holdon levő űrhajóssal az URH sávban forgalmaz.

 

                  2. táblázat    A holdkomp S-sávú hírközlő rendszere

 

 

 

A Holdon levő holdkomp a hold­kompot elhagyó űrhajósok számára reléállomássá változik. Veszi az URH jeleket, transzponálja az S sávba és kisugározza a Földre.Veszi az S sávban a Földről érkező jeleket és továbbítja az űrhajósok felé az URH sávban.

Ha valamilyen oknál fogva a pa­rancsnoki egység és az űrhajósok közötti kapcsolat leromlana, a földi állomások reléznék az S sávban ér­kező jeleket a holdon levő űrhajósok számára. Az S sávon a Földről vett jeleket a holdkomp reléállomása ala­kítja át az URH sávba, ahol a Hol­don levő űrhajósok adó-vevői mű­ködnek.

 

A Hold—Föld összeköttetés meg­javítására a holdon nagynyereségű antennát állítanak fel.

Az antenna becsomagolt állapotban kb. 7 kg sú­lyú (földön mérve!). Üzembehelyezése úgy történik, hogy az űrhajósok esernyőhöz hasonlóan szétnyitják a parabola elemeket. A szétnyitott an­tenna parabola reflektorának átmé­rője kb. 3 m. Nyeresége 32 dB,

ez kb. 12 dB-le nagyobb, mint a holdkom­pon levő antenna nyeresége. A Hol­don levő antennát az űrhajósok a  Föld irányába állítják.

A holdkomp S sávú adóinak telje­sítménye 0,75 W. Erősítő közbeik­tatásával az adóteljesítményt az egyik adónál 14 W-ra, a másiknál 18 W-ra lehet növelni. Az erősítők összekapcsolása olyan, hogy bármely részegység (pl. erősítő­fokozat) meghibásodása csak egyet­len fokozat kiesését jelenti, ezt kiik­tatva a berendezés üzemképes ma­rad.

. Mindegyik adó egységből 1—1 tartalékot is elhelyeztek a holdkom­pon a megbízhatóság növelésére.Egyébként az űrhajó valamennyi híradástechnikai berendezéséből (az antennák kivételével) tartalék egy­séget is beépítettek.

Az URH sávban működő adók tel­jesítménye 5 W és amplitúdó modu­lációt használnak. Az egyik adó-ve­vő kombináció 296,8 MHz-en („A” csatorna) a másik 259,7 MHz-en („B” csatorna) működik. A „B” csatorna impulzus kód moduláció­ban adatokat visz át a Holdról a parancsnoki egységre. A „B” csator­na vevő része a Holdon dolgozó űr­hajósok űrruhájának ellenőrző ada­tait és az űrhajósokat ellenőrző élet­tani adatokat veszi.

 

 

 

 2.2.1. A Hold felszínén dolgozó  űrhajósok hírközlő berendezései

 

(angol rövidítés: EVCS).

A holdra szállt űrhajósok miután ellenőrzik a felszálláshoz szükséges berendezések működőképességét fel­készülnek a holdkomp elhagyására. Felveszik a holdon szükséges védő öltözetet, amelyben a hírközlő be­rendezések is elhelyezkednek.

 Egy egység mérete kb. 32x15x2 cm, súlya 3,5 kg. Két AM adás vételére alkalmas vevőké­szüléket, két amplitudómodulált adóberendezést vagy egy AM és egy FM adót tartalmaz (a másik asztro­nautánál!). Az előző elrendezésben az egyik asztronaután levő adó-vevő pár relézi a másik adását a holdkomp felé. Pl.: az egyik aztronauta FM-ben ad a másik felé (pl. 279 MHz-en) amely­nek FM vevőkimenete modulálja amplitúdóban a 259,7 vagy 296,8 MHz-en működő adót.
Ezt az adást a holdkompon levő vevő veszi és az S sávú adón keresztül továbbítja a Földre. Lehetőséget biztosítottak ar­ra is, hogy az űrhajósok bármelyike közvetlen amplitudómodulációval a holdkomp rádió reléjét közbe iktat­va forgalmazzon a földi központtal (5. ábra).

 

 

           5. ábra   A Holdon felfedező utat tevő űrhajósok,a parancsnoki egység és a földi irányító központ hírközlőrendszerének vázlatos felépítése

 

 

Az űrhajósok hátán levő berende­zések kezelő szervei (hangerő szabá­lyozás, üzemmód, csatornaváltás, au­tomatikus (vox) vagy kézi adóindí­tás) az űrhajós ruhák mellrészén he­lyezkedtek el, míg a körsugárzó an­tennát a fej mögött függőlegesen he­lyezték el. A sok híradástechnikai berende­zés több összeköttetés elrendezés megvalósítását teszi lehetővé az irá­nyító központ, a hold körül keringő parancsnoki kabin, a holdkomp és a holdon levő űrhajósok között.

 

 

 

 

2.2.2. Közvetlen TV-közvetítés a Holdról

 

Kétségtelen, hogy a kísérletekben közvetlenül nem érintett emberek legnagyobb élménye a Holdról „élő” adásban közvetített képek látványa volt. A TV-adáshoz nélkülözhetetlen kamerát kis méretűre és nagy meg­bízhatóságúra kellett készíteni. A kamera méretei a 6. ábrán láthatóak.

 

 

        6. ábra    A Holdon használt kamera méretei. Súlya kb 2,5 kg.

 

 

A nagy távolság miatt a jó minő­ségű (a műsorszórásban szokásos) TV-jel átviteléhez extrém nagy adó teljesítmény vagy antenna nyereség kellett volna.
Kisebb sávszélességet, kisebb adó­teljesítmény igényt jelent, ha másod­percenként 50 kép helyet csak 10 képet visznek át és az átvitel sávszé­lességét a műsorszórásban szokásos 5 MHz helyet 500 kHz-re csökken­tik. A sorok számát is csökkentették 320-ra.Az S-sávban a Földre továbbított képeket természetesen átalakították a műsorszórásban használatos nor­mákra, de a képek minősége ezzel nem javult meg. Ez az átvitel azonban a célnak megfelelt. A Földön levő emberek láthatták a holdra szállás pillanatát és az űrhajósok mozgását a holdon. A képátvitel minőségét javítani is lehetett. Ekkor 1280 soros képet vit­tek át, de egy másodperc alatt kb. 1/2 képet. Ha gyors mozgás nincs a képen ez a lassú átvitel nem zavaró. A kamera fogyasztása 7,5 W volt.

 

 

 

2.3 Visszatérés a parancsnoki egységhez

 

A Holdon befejezve a munkát az űrhajósok visszatérnek a holdkomp­ba és felkészülnek a hold elhagyására. Rendkívül kényes a parancsnoki fülke megközelítése. Ha a randevú nem sikerül, a holdkompban maradó űrhajósok nem tudnak visszatérni a Földre.
A randevút két berendezés könnyíti meg. Az URH berendezéseket használó elv működése hasonló az S sávban levő távolság és sebesség meghatározásához. A parancsnoki egységből meghatá­rozott moduláló jel impulzusokat su­gároznak a holdkompra. A hold­kompban levő relé (más frekvencián) visszasugározza a parancsnoki egységhez.
A két jelet összehasonlítva távol­ság és sebesség mérést lehet végezni. A mérések és a beszédjelek továbbí­tása nem zavarja egymást, egyidejűleg mindkét jel modulálhatja az adót. Az egymásra találást nagyban se­gíti a holdkompban levő radarbe­rendezés, mely a parancsnoki kabin­ban levő és az X sávban működő transzponder segítségével pontos pá­lyaelem meghatározást tesz lehetővé.

 

 

 

 

2.4. Visszaérkezés a Földre

 

A Föld közelébe érkező Apolló űr­hajóból csak a parancsnoki egység képes az űrhajósok visszahozására. A parancsnoki egység leválva a ki­segítő egységtől (az utóbbi a vissza­térés során a földi légkörbe érve elég)  belép a sűrű légrétegbe, majd ejtőer­nyői segítségével leereszkedik az óceán vizére.

Számítva arra, hogy a vízen lebe­gő kabint keresni kell, megfelelő jelzőberendezés lép működésbe a vízre  éréskor, illetve ezt megelőzően. A 8. ábra jól láthatóan mutatja a  visszatérés hírközlő rendszerét.

 

    8. ábra     A tengeren úszó űrkabin és a kereső repülőgépek, hajók közös hírközlő hálózata

 

 

 

A szárazföldi állomások számára  az űrhajó 10 MHz-es „életjelet” su­gároz.  A  helymeghatározás meg­könnyítésére 243 MHz-en folyama­tos jelet sugároz. A kereső hajókkal illetve repülő­gépekkel 296,8 MHz-en tarthat kap­csolatot, de szükség esetén a 10 MHz­es adó is felhasználható beszédjel át­vitelre. Tartalék adóként szerepel a 243 MHz-es jeladó amelyet szükség ese­tén beszédjel átvitelre szintén lehet használni.

 

 

 

2.5. Adatátvitel a Holdon hagyott műszerek és a földi központ között

 

A holdrezgések tanulmányozására az űrhajósok holdrengésmérő mű­szert helyeztek el a holdon.
A műszer által mért adatokat (összesen 8 adatcsoport) az S sávban működő adóberendezés segítségével továbbítják a Földre.

A műszerbe épített parancsvevő a Földről sugár­zott jelek hatására különböző műve­leteket végeztet a műszerbe épített automatika felhasználásával (pl.: a műszer kalibrálása, erősítésszabály­zás . . . stb.).

 

 

 

Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy az űrkutatás a híradástechnikai berendezések konstruktőreit mindig újabb és nehezebb feladatok elé ál­lítja és amint ezt az Apolló sorozat sikerei bizonyítják, az esetek többsé­gében eredményesen sikerül is meg­oldani.

 

 

dr. Gschwindt András okl. vill. mérnök

 

 

 

 

Telecommunication Jour­nal 1968. 12. sz. és 1969. 8.  sz.

Electronics World 1969. 8. sz. C 1969. 3. és 6. sz. Amerika 1970. ápr.