I
9	t
* КОСМОС *
фи з и а л
АСТРОНОМИЯ
Ю. И. ЗАЙЦЕВ
СПУТНИКИ
«космос»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1970
етб
3 17
2-6-5
Искусственный спутник Земли «Кос-
мос-1» начал орбитальный полет 16 мар-
Т2 1962 г. Спустя 8 лет, в апреле 1970 г.
в печати было опубликовано сообщение
об очередном запуске сразу восьми
спутников этой серии — «Космос-336—
343».
«Космосы» завоевали прочное место в
арсенале средств исследования косми-
ческого пространства, проводимых в Со-
ветском Союзе. Количество этих аппа-
ратов с каждым годом увеличивается.
В течение 1962—1963 гг. было запуще-
но 24 спутника «Космос», а в одном
1964 г. уже 27; в 1965 г. —52. В 1968 г.
был достигнут рекорд: 64 спутника
«Космос» (от 199-го до 262-го включи-
тельно) совершали орбитальный полет.
Разнообразнее становились и трассы
полета спутников. Первые «Космосы»
летали на высоте до 1600 км над по-
верхностью Земли, а сейчас достигают
высот до нескольких десятков тысяч ки-
лометров. Запуск спутников на припо-
лярные орбиты позволяет изучать но-
вые, ранее недосягаемые районы кос-
моса.	
В отдельных экспериментах несколь-
ко спутников «Космос» (до восьми) вы-
водились на орбиты одной ракетой-носи-
телем.
Рис. 1, Ракета-носитель «Ко с моа.
3
КОНСТРУКЦИЯ спутников «космос»
Когда-то космические аппараты отличались своей индиви-
дуальностью. Достаточно взглянуть на первый, второй или
третий искусственные спутники, чтобы получить представле-
ние о своеобразии каждого из них. Дальнейшее (развитие кос-
мическихвыдвинуло задачу перехода от изго-
товления индивидуальных конструкций к массовому произ-
водству однотипных унифицированных аппаратов. Преиму-
щество унификации очевидно. Прежде всего можно организо-
вать серийное производство как’комплектующих элементов,
так и самих спутников. Тем 'самым значительно удешевляется
стоимость аппаратов и, следовательно, проведение космиче-
ских исследований. Задача серийного производства и стояла
перед создателями спутников серии «Космос».
Однако конструкция спутников прежде всего зависит от
того, какая научная аппаратура должна быть размещена на
борту. Для изучения в космическом пространстве разнообраз-
ных явлений, интересующих физиков, химиков, биологов, не-
обходимы различные приборы, источники энергии и др. В за-
висимости от поставленных задач спутник либо вернется на
Землю, либо после окончания эксперимента сгорит в плотных
слоях атмосферы. Иногда спутник приходится оборудовать
системой ориентации. Источники электроэнергии также зави-
сят от предъявляемых к спутнику требований. В одном слу-
чае это будут химические аккумуляторы, если время проведе-
ния исследований непродолжительно, в другом—солнечные
батареи, способные много месяцев и даже лет питать током
научную аппаратуру и бортовые системы.
Таким образом, разработка универсального космического
аппарата, удовлетворяющего все требования космических ис-
следований, практически невыполнима. Он будет очень гро-
моздким и тяжелым. Но оказалось возможным создание не-
скольких модификаций унифицированного спутника, позво-
ляющих проводить те или иные однородные или близкие по
характеру научно-исследовательские работы. При переходе
4
от одной модификации к другой сохраняется максимальная
преемственность конструкции; обслуживающие системы не за-
висят от конкретной задачи эксперимента.
В первую очередь унификация коснулась корпуса аппара-
та. Он состоит из трех стандартных узлов — цилиндра и двух
полусфер. Каждый узелпредставляет собой отсек. В одном —
научная аппаратура, в другом—служебные системы: радио-
контроля орбиты, телеметрии, . командной радиолинии, в
третьем отсеке — источники питания.
Рис. 2. Модификация унифицированного спутника
с химическими источниками тока.
На наружной поверхности корпуса предусмотрены специ-
альные кронштейны и фланцы для крепления приборов и дат-
чиков научной аппаратуры. Их можно устанавливать непо-
средственно на корпусе или с помощью переходных деталей..
Электрическая связь этих приборов с источниками питания и
аппаратурой, расположенной внутри корпуса, осуществляется
через герметичные штепсельные разъемы.
Жизнеспособность космического аппарата в значительной
степени определяется его тепловым режимом. Большинство
элементов космического оборудования рассчитано на темпе-
ратуры от —60 до +50° С. Еще более узок температурный
интервал «жизнеспособности» электронной аппаратуры. Луч-;
ше всего она работает при комнатной температуре.
При движении космического аппарата по орбите он нагре-
вается прямыми и отраженными солнечными лучами, а также
за счет энергии собственного излучения Земли и тепла, выде-
ляющегося при работе бортовой аппаратуры. Нагрев опутни-.
ка от солнечной радиации определяется временем нахожде-
ния его на освещенной стороне Земли. Космические аппара-
ты, запускаемые на невысокие орбиты,, 65—70% периода с®о-
5
его обращения находятся на освещенной стороне. Орбита мо-
жет занимать и такое положение, при котором спутник не-
сколько суток непрерывно освещается Солнцем.
Наряду с поглощением тепла космическим аппаратом про-
исходит теплоотдача с его внешней поверхности в результате
излучения. Температура внутри спутника будет определяться
равновесием поглощаемой и излучаемой радиации. Для под-
держания равновесия в нужных пределах служит система
терморегулирования спутника.
Системы терморегулирования космических аппаратов мо-
гут быть двух типов — пассивные и активные. Первая из них
более проста. Внешняя поверхность спутника подвергается
специальной обработке для придания ей необходимых значе-
ний коэффициентов поглощения солнечной радиации и собст-
венного излучения. Для отвода выделяющегося при работе
бортовой аппаратуры тепла к оболочке корпуса спутник за-
полняется газом-теплоносителем. Поскольку в состоянии не-
весомости естественная конвекция невозможна, то прибегают
к принудительной циркуляции газа с помощью вентиляторов.
Недостаток такой системы заключается в том, что для ее
расчета необходимо точно знать все тепловые характеристики
на орбите, а следовательно, точно выводить спутник на рас-
четную траекторию и точно соблюдать время старта. Даже
небольшие отклонения могут привести к опасности перегрева
или, наоборот, переохлаждения космического аппарата. Кро-
ме того, с течением времени покрытие корпуса изменяётся.
На спутниках «Космос» применили активную систему
терморегулирования «климата» внутри спутника. Для этого
на нем установили радиаторы и прикрывающие их жалюзи.
Радиатором служит нижняя полуоболочка корпуса, на по-
верхность которой нанесено в виде секторов керамическое по-
крытие с повышенной излучательной способностью. Жалюзи
представляют собой подвижный экран; свободно перемещаясь
над поверхностью радиатора, они регулируют его излучатель-
ную способность. Управление системой происходит автомати-
чески по сигналам от датчиков температуры, расположенных
внутри корпуса спутника. Заданная температура обеспечива-
ется исключительно точно.
* * *
На первых спутниках Земли аппаратура потребляла отно-
сительно небольшие мощности электрической энергии и вре-
мя работы ее было непродолжительным. Поэтому успешно
применялись обыкновенные аккумуляторы. Их основные до-
стоинства: высокая надежность и отличные эксплуатацион-
ные качества. Существенный недостаток — большой вес при
малой энергоемкости. Однако при небольших потребляемых
6
мощностях и сроке службы до одного месяца аккумуляторы
как автономные источники тока более экономичны, чем сол-
нечные батареи. В то же время аккумуляторы позволяют вы-
полнять на>учные измерения при высокой вакуумной чистоте.
Солнечные же батареи в космосе под воздействием вакуума
и радиации начинают эрозировать и «газить». Вокруг спут-
ника создается своя микроатмоофера. Следовательно, солнеч-
ные батареи нельзя использовать, например, при изучении
физико-химического состава и плотности верхних слоев атмо-
сферы. В этих случаях применяется модификация унифициро-
ванного спутника с химическими источниками тока (первая
модификация).
Рис. 3. Модификация унифицированного спутника
с солнечными батареями.
Переход от первой модификации ко второй производится
заменой блока химических источников тока системой энерго-
питания с солнечными батареями, которые устанавливаются
на корпусе спутника. Такая батарея представляет собой пра-
вильную восьмигранную призму с четырьмя вырезами для на-
учной аппаратуры и раскрывающимися панелями. Каждый
элемент солнечной батареи состоит из двух слоев кремния.
Внутренний слой — чистый монокристаллический кремний.
Снаружи он покрыт очень тонким слоем 'ремния, «загряз-
ненного» примесью (наружный слой). При облучении такой
«вафли» солнечными лучами между слоями возникает поток
электронов и образуется разность потенциалов.
Солнечные батареи не вырабатывают электроэнергии в те-
ни, поэтому они применяются в сочетании с аккумуляторами.
Последние служат не только накопителями, но и демпфера-
ми возможных колебаний в потреблении энергии.
В первых двух модификациях спутника предусмотрена
возможность установки дополнительных систем. Например,
может быть установлена система замедления вращения спут-
ника (так называемая система успокоения). Обычно при от-
7
делении от последней ступени ракеты-носителя спутник 'при-
обретает беспорядочное вращение с периодом до десятков
секунд. В полете на спутник действуют различные возмущаю-
щие силы, которые стремятся дополнительно его закрутить.
К ним относится вращение различных моторов, находящихся
внутри аппарата, несимметричное воздествие атмосферы Зем-
ли, если спутник летит на небольшой высоте. Кувыркание
спутника затрудняет проведение научных измерений. В част-
ности, из-за недостаточного времени экспозиции не удалось
бы наблюдать объекты с малой интенсивностью излучения.
Вращение спутника необходимо замедлить. С этой целью на
«Космосах» используется специальная магнитная система
успокоения.
* * *
Заданную траекторию при движении спутника по орбите
сохраняет только центр масс (можно было бы сказать центр
тяжести, но в пассивном полете нет тяжести — спутник неве-
сом). Сам же аппарат под действием различных возмущений
может изменять свое положение относительно какой-то опре-
деленной системы координат, связанной с центрохМ масс. Ка-
залось бы, это даже неплохо—ведь, если корпус спутника
неподвижен, то детали его, обращенные к Солнцу, могут на-
греваться (при малом контакте с корпусом) до 100° С. Но в
то же время те части, которые находятся в тени, охлаждают-
ся до—150° С и ниже. Системе терморегулирования трудно
справиться с такими перепадами температуры.
Однако для решения большинства практических и многих
научных задач необходимо придать космическим аппаратам
определенное положение в пространстве, т. е. они должны
быть длительное время с требуемой точностью ориентированы
•по отношению к окружающим небесным телам — Солнцу,
Земле или звездам. Например, для изучения процессов, свя-
занных с Солнцем, требуется, чтобы одна из осей спутника,
а именно соответствующая направлению установки чувстви-
тельных элементов научной аппаратуры, была строго ориен-
тирована на Солнце. Для проведения подобных исследований
служит третья модификация спутника «Космос».
Чтобы осуществить ориентацию, необходимо к космическо-
му аппарату приложить силы, вызывающие поворот его кор-
пуса вокруг центра масс. При ориентации на Солнце можно
использовать, например, миниатюрные реактивные двигатели,
у которых газовые струи направлены в разные стороны по от-
ношению к осям спутника, или систему вращающихся внутри
спутника инерционных масс (маховиков). Второй способ,
предложенный еще К. Э. Циолковским, основан на одном из
классических законов механики — законе сохранения, момен-
та количества движения. Маховики «забирают» себе ту угло-
8
вую скорость, которую имел корпус спутника после отделения
от ракеты-носителя, а затем заставляют его поворачиваться
на необходимый угол, т. е. ориентируют в пространстве.
Существенный недостаток системы ориентации, исполь-
зующей реактивные двигатели,—ограниченный срок службы,
так как ее работа сопряжена с расходом какого-либо рабо-
чего тела, запасы которого на борту обычно невелики. Махо-
вики же приводятся во вращение электродвигателями, расхо-
дующими электроэнергию, вырабатываемую, например, сол-
нечными батареями.
Рис. 4. «Солнечный» спутник (третья модификация).
Скорость вращения, приобретаемая маховиками, пропор-
циональна внешнему возмущающему моменту. Вращение цх
при этом направлено в сторону движения корпуса спутника.
Маховики будут продолжать вращаться, причем со все воз-
растающими угловыми скоростями, и после того, как движе-
ние спутника вокруг его осей прекратится. Система нормаль-
но работает только в том случае, если внешние возмущающие
моменты периодически меняют свой знак. Внешний момент
одного знака, т. е. действующий постоянно в одно^ Управ-
лении, даже если он небольшой, может сделать систему нера-
ботоспособной. Поэтому необходимо время от времени ликви-
дировать накопленный на маховиках момент количества дви-
жения.
Наиболее целесообразно применение комбинированных си-
стем; в которых двигатели-м1аховики служат для точной ори-
ентации и компенсации периодических моментов, а реактив-
ные двигатели — для снятия накойленного кинетического мо-
мента Mia-ховиков и компенсации постоянно действующих мо-
ментов. Именно такая комбинированная система используется
на третьей модификации спутника «Космос». Она обеспечи-
.9
влет высокую точность ориентации при длительном времени
активного существования спутника.
Система работает в определенной последовательности.
Прежде всего с помощью газореактивной системы гасятся
случайные угловые скорости, приобретенные спутником при
отделении от ракеты-носителя. После прекращения беспоря-
дочного вращения спутника система ориентации начинает
поиск Солнца. Для этого используются двигатели-маховики,
управляемые по сигналам датчика Солнца, расположенного
на передней полусфере корпуса. Когда углы рассогласования
и угловые скорости вращения уменьшатся до заданного пре-
дела, наступает. «установившийся режим», т. е. удержание
ориентируемой оси по заданному направлению с определен-
ной точностью.
Таким образом, спутник передней полусферы всегда будет
обращен к Солнцу. При этохм предъявляются специфические
требования к обеспечению теплового режима работы борто-
вой аппаратуры. Во избежание ее перегрева корпус аппарата
покрыт специальной экранно-вакуумной термоизоляцией. Па-
нели солнечных батарей на спутнике расположены так, чтобы
они максимально освещались Солнцем.
* * *
Геофизические бортовые приборы требуют ориентации
спутника на определенные участки земной поверхности. Та-
кая же ориентация на Землю необходима при исследовании
радиационного режима атмосферы и для других эксперимен-
тов. В этом случае используют модификацию спутника «Кос-:
мос» с аэрогироскопичеокой системой ориентации.
Для спутников с продолжительным временем активного
существования предпочтительнее использовать пассивные си-
стемы ориентации, т. е. такие, для которых не нужны борто-
вые источники энергии. К ним относятся также системы, где
незначительное’ количество энергии используется только для
поддержания постоянной угловой скорости вращения роторов
гироскопов, для возмещения потерь вследствие трения или
преодоления зоны нечувствительности маховиков, вращаю-
щихся с постоянной скоростью. Можно, например, сориенти-
ровать спутник относительно местной вертикали, используя
свойства гравитационного поля Земли. Для ориентации на
Солнце предлагается использовать эффект светового давле-,
ния солнечных лучей, .а при полете на малых высотах по кру-
говой орбите — стабилизирующее действие аэродинамическо-
го сопротивления атмосферы. Весьма перспективно примене-
ние для стабилизации космического аппарата управляемого
взаимодействия корпуса и связанных с ним электрических и
магнитных полей с внешними силовыми полями.
10
Существенный недостаток пассивных сй'стем—ср^вннтсль-
но малая величина управляющих моментов. Для их усиления
применяются специальные устройства — стабилизаторы.
Аэрогироскопическая система ориентации четвертой моди-
фикации унифицированного спутника относится к пассивным
системам. Аэростабилизатор, который крепится к корпусу на
раздвижных штангах, выполняет по отношению к спутнику
как бы роль оперения стрелы. Под действием сил аэродина-
м ического соп рот ив л ени я п оя в л я ются во остан ав лив а тощие
моменты по тангажу и рысканию, которые стремятся совме-
Рис. 5. Унифицированный спутник с аэрогироскопической системой ориен-
тации (четвертая модификация).
стить продольную ось спутника с вектором скорости набегаю-
щего потока. Поскольку одни только аэродинамически мо-
менты не создают затухающих колебаний, гашение возмущен-
ных движений спутника осуществляется гиродемпфером.
Возмущения, возникающие при отделении спутника от ра-
кеты-носителя, уменьшаются с помощью кратковременно дей-
ствующей газореактивной системы успокоения, расположен-
ной на его передней полусфере.
Разработка спутника, стабилизирующегося как стрела с
помощью аэродинамических сил, — сложная техническая за-
дача. Известно, что верхние слои атмосферы очень разряже-
ны. Так, на высоте 250—300 км плотность атмосферы состав-
ляет всего 10~14 г)см?. Сила аэродинамического сопротивле-
ния, обусловленная взаимодействием спутника с атмосферой,
11
будет измеряться только десятыми долями грамма (0,1 —
0,5 г). Кроме того, состояние атмосферы зависит от многих
факторов, основной из которых — солнечная активность. По-
стоянно «обдуваемая» солнечными корпускулярными потока-
ми атмосфера как бы дышит, то сжимаясь, то, наоборот, рас-
ширяясь. На высоте 300 км плотность ее может изменяться
более чем в 10 раз. Эти свойства атмосферы предъявляют ис-
ключительно высокие требования к точности выведения спут-
ника на орбиту. Даже при небольших отклонениях от рас-
четной траектории он либо не застабилизируется, либо время
его активного существования будёт недостаточным для вы-
полнения запланированных исследований.
* * *
Спутник серии «Космос», научные приборы и объекты экс-
перимента которого возвращаются на Землю, по внешнему
виду существенно отличается от первых четырех модифика-
ций. Он состоит из трех стандартных узлов: автономного от-
сека-капсулы, приборного отсека и тормозной двигательной
установки. Размещение на его борту различной научной ап-
паратуры не связано с необходимостью изменения геометри-
ческой формы капсулы, неспасаемой части' спутника, служеб-
ных систем, электрической схемы и схем управления и
спуска.
Движение искусственного спутника относительно Земли
происходит со скоростью, равной или несколько отличной от
первой космической скорости. При спуске эта скорость долж-
на быть снижена и в момент посадки равняться нулю. Прак-
тически можно прим внять два принципиально разных спосо-
ба торможения космических аппаратов при спуске: путем ис-
пользования реактивной силы, или аэродинамических сил,
возникающих при движении аппарата в атмосфере.
Для осуществления первого способа спуска аппарат или
его спускаемая часть должны быть снабжены двигательной
установкой и запасом топлива. При спуске с использованием
аэродинамического торможения космический аппарат осна-
щается специальными устройствами, увеличивающими в не-
сколько десятков и даже сотен раз его мидель — наибольшее
по площади поперечное сечение, а следовательно, и сопротив-
ление движению в атмосфере. Таким устройством может слу-
жить, например, парашют, раскрывающийся на определенном
этапе спуска. Отношение веса полезного груза к общему весу
космического аппарата при использовании для спуска аэро-
динамических сил благоприятнее, чем в случае применения
реактивных сил. Вес тепловой защиты несущих поверхностей
и других элементов аппарата оказывается меньше веса топли-
ва, необходим ого для торможения реактивным двигателем.
Вот почему для спуска капсулы унифицированного спутника
выбран второй способ, т. е. использов'ание аэродинамических
12
сил. Гашение же орбитальной скорости обеспечивается тор-
мозной двигательной установ!кой. Перед ее включением спут-
ник ориентируется в пространстве заданным образом.
БОРТОВАЯ СЛУЖЕБНАЯ АППАРАТУРА
Радиотелеметрическая система для передачи на Землю
данных измерений, а также сведений о работе приборов и
научной аппаратуры — одна из многих радиосистем на борту
спутника. Без нее ученые ничего не смогли бы узнать. Эта
система «связывает» датчики научной аппаратуры с назем-
ным вычислительным центром.
Конструкции датчиков и принципы их работы разнообраз-
ны. Тип каждого датчика определяется характером физиче-
ской величины, для измерения (которой он служит. Некоторые
датчики должны размещаться вне герметичного корпуса и
иметь непосредственный контакт с окружающим пространст-
вом, например датчики для исследования физико-химических
параметров верхней атмосферы. Другие могут быть помеще-
ны внутри аппарата. Выходной сигнал измерительного дат-
чика обычно нельзя использовать для непосредственной пере-
дачи на Землю. Сначала он поступает в усилительно-преоб-
разовательное устройство, где приобретает форму, соответст-
вующую установленному стандарту.
Радиотелеметрическая система обеспечивает одновремен-
ную передачу большого количеству измеряемых величин. С
помощью специального коммутирующего устройства к входу
системы производится поочередное подключение научных
приборов и датчиков. Частота подключения может составлять
от нескольких раз до нескольких сот раз в секунду. На на-
земных приемных станциях также имеются коммутирующие
устройства, которые работают синхронно с бортовым комму-
татором. Это позволяет раздельно регистрировать телеметри-
ческие сигналы, передаваемые по одному общему каналу.
Научная аппаратура спутника,в соответствии с програм-
мой производит измерения во многих точках орбиты. РаДио-
телеметрическая система может передавать информацию
только в зонах прямой радиовидимости с наземными стан-
циями. Когда связь спутника с измерительными пунктами от-
сутствует, используется запоминающее устройство, где накап-
ливается научная информация и данные о работе бортовых
систем за один или несколько витков по орбите.
Во время сеансов связи наряду с передачей накопленной
информации ведется.непосредственная телеметрическая пере-
дача многих параметров, регистрируемых научной аппарату-
рой. Данные с запоминающего устройства воспроизводятся
с очень большой скоростью, и наземные станции быстро осво-
бождаются для связи с другими космическими аппаратами.
J3
Iipn полетах космических аппаратов очень важно измере-
ние характеристик движения спутника— координат и состав-
ляющих вектора скорости в различные моменты времени. Для
этого в состав-комплекса служебных систем введена аппара-
тура радиоконтроля орбиты. На основании полученных от
нее данных производится определение параметров орбиты
спутника и прогнозирование его движения, необходимые для
выдачи целеуказаний наземным наблюдательным пунктам.
Система радио-контроля состоит из радиопередатчика, ра-
ботающего в режиме непрерывного излучения или излучаю-
щего достаточно длительные импульсы. Наземные измери-
тельные пункты оборудуются чувствительными приемниками
и устройствами для .измерения частоты принимаемых сигна-
лов. Принцип работы системы заключается в том, что при от-
носительном сближении с наземным пунктом или удалении
спутника частота сигнала,- регистрируемого приемником, от-
личается от частоты сигнала, излучаемого передатчиком, на
некоторую величину, пропорциональную скорости сближения
или удаления. При сближении частота принимаемого сигнала
больше, а при удалении меньше частоты излучаемого сигна-
ла. Чем ближе пролетает спутник от наземного пункта, тем
быстрее изменяется частота принимаемого сигнала от макси-
мального значения до минимального. Регистрируя частоту
принимаемого радиосигнала^ можно с большой точностью ус-
тановить момент прохождения спутника на минимальном
расстоянии от наземного пункта. Зная моменты прохождения
спутника на минимальном расстоянии по отношению к не-
скольким наземным пунктам, вычисляют основные параметры
его орбиты.
Работой аппаратуры спутника управляют двумя способа-
ми: первый — командами, передаваемыми на борт с наземных
пунктов по специальной командной радиолинии; и второй —
автономно, с помощью программно-временного устройства.
Первый способ более гибкий. Хотя число команд, которые
могут быть переданы на спутник с Земли, ограниченно, они
распределяются так, чтобы при необходимости обеспечить
оперативное вмешательство в работу бортовых систем и из-
менить их режим.
Для выполнения научного эксперимента могут понадобить-
ся сведения об угловом положении'спутника в пространстве
в каждый момент времени. Для этого на борту устанавлива-
ется система индикации, включающая в себя различные чув-
ствительные датчики — датчик Солнца, магнитометр и т. д.
Показания их регистрируются в запоминающем устройстве
одновременно с результатами измерений научной аппаратуры
и затем передаются на Землю по радиотелеметрической си-
стеме.
14
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ СПУТНИК СЕРИИ «КОСМОС*
Создание унифицированного космического аппарата, ко-
нечна, не исключает необходимости разработки спутников
для проведения специальных исследований. В первую очередь
это относится к различным техническим экспериментам в
космосе, таким, как, например, автоматическая стыковка на
орбите, испытание отдельных узлов космических аппаратов,
и т. п.
Для обора метеорологической информации и передачи ее
на Землю в нашей стране был создан специальный метеоро-
логический спутник «Метеор», системы которого отрабатыва-
лись на спутниках серии «Космос».
Корпус метеорологического спутника представляет собой
герметичный контейнер» разделенный на два отсека. В верх-
нем отсеке располагаются основные служебные системы, в
нижнем—научная аппаратура. Две панели солнечных бата-
рей, состоящие из многих тысяч фотоэлементов, обеспечивают
спутник электроэнергией. В момент старта и на активном
участке полета солнечные батареи находятся в сложенном
состоянии и раскрываются после отделения спутника от раке-
ты-носителя. Автономная система слежения обеспечивает по-
стоянную ориентацию плоскости батарей перпендикулярно
направлению солнечных лучей. В качестве датчиков направ-
ления на Солнце применяются специальные фотоэлементы,
реагирующие лишь на определенную часть спектра солнечно-
го излучения. Для предохранения от перезарядки аккумуля-
торов или недопустимого снижения напряжения служит авто-
матическая система регулирования электроснабжения.
Для большинства бортовых приборов спутника попользу-
ется переменный ток в диапазоне частот от десятков до сотен
герц. Постоянный ток аккумуляторной батареи превращается
в переменный статическими полупроводниковыми преобразо-
вателями, которые одновременно являются автоматическими
регуляторами напряжения и частоты переменного тока. Эти
«преобразователи также обеспечивают синхронность работы
электрических двигателей, установленных в различных меха-
низмах спутника.
Во время полета спутник строго ориентирован на Землю.
Одна его ось направлена на центр Земли» вторая — вдоль
траектории и третья—перпендикулярно плоскости орбиты.
Для определения направления на Землю применяется прибор,
реагирующий на ее тепловое излучение» так называемая ин-
фракрасная вертикаль. Исполнительными органами системы
ориентации служат электродвигатели-маховики.
Строгая ориентация спутника позволила применить ска-
нирующую аппаратуру, которая следит за процессами в ат-
15
мо-сфере Земли, просм'атрнвзя ее все время в поперечной
плоскости справа налево и слева направо.
Кроме систем ориентации и энергоснабжения, в состав
бортового оборудования метеорологического спутника входят
радиотелеметрическая система с запоминающим устройством,
система радионаблюдения за спутником и измерения пара-
метров его движения, система терморегулирования, система
единого времени для привязки результатов измерений к мест-
ности, система управления, состоящая из бортового автома-
тического устройства и командной радиолинии.
ИСПЫТАНИЯ СПУТНИКА
Процесс изготовления и отработки спутника состоит из
нескольких циклов или этапов. Вначале изготавливают его
макет в натуральную величину. На нем проверяют техноло-
гичность изготовления различных ’ деталей и узлов, опреде-
ляют необходимую жесткость элементов конструкции, напри-
мер, панелей солнечных батарей, приборных рам. Попутно
решается вопрос, как лучше разместить бортовую аппара-
туру» добиться удобства контроля всех систем при испыта-
ниях. На этом этапе, называемом объемным макетированием,
устанавливают конфигурацию и длину кабельной сети, опре-
деляют условия погрузки космического аппарата в контейнер
и выгрузки из него, а также производят отработку техноло-
гического оборудования для работы с ним на заводе и космо-
дроме.
Космос — среда необычная по земным представлениям.
Там глубокий вакуум, невесомость, резкие колебания темпе-
ратуры, различные виды излучений.
Под действием космического вакуума с поверхности кор-
пуса непрерывно будет улетучиваться материал, происходить
эрозия. В результате существенно ухудшаются радиационные
характеристики космического аппарата. Затруднится теплопе-
редача между отдельными его частями, что в конечном счете
Скажется на общем тепловом балансе. В космическом ваку-
уме существенно увеличивается трение и износ материалов.
Могут возникать явления так называемой «холодной сварки».
Необходимо заранее знать, как поведет себя космический ап-
парат в полете. Поэтому приходится на Земле создавать ус-
ловия, аналогичные условиям в космосе, и проводить в них
испытания аппарата.
На Земле моделируются и такие специфические воздейст-
вия, как вибрация и механические перегрузки на активном
участке полета или тепловой режим спускаемой капсулы при
входе в атмосферу. На специальных стендах проверяют проч-
ность конструкции космического аппарата, максимально До-
пустимые продольные и поперечные нагрузки на корпус и
16
приборные рамы, работоспособность отдельных эл< ....и.....
при вибрациях.
В вакуумных установках в условиях, максимально при
ближенных к реальным, отрабатываются механизмы раскры-
тия антенн и панелей'солнечных батарей, конструкции зам-
ков, защелок и соединительных, механизмов. При проверке
работы системы терморегулирования нагревают и охлаждают
термочувствительные элементы до предельных температур и
контролируют их срабатывание. В термокамере определяется
деформация приборных рам под воздействием возможных
перепадов температур между отсеками объекта.
В соответствии с техническим заданием космический ап-
парат должен работать в течение определенного и достаточно
длительного времени, необходимого для выполнения всей про-
граммы эксперимента. Способность аппаратуры нормально
функционировать весь этот период выявляется ресурсными
испытаниями. Чтобы застраховаться от случайностей, они
длятся значительно больше времени, чем установлено техни-
ческим заданием. Только те приборы и узлы, которые прошли
весь цикл экспериментальной отработки без каких-либо заме-
чаний, допускаются к дальнейшим работам.
Следующий этап—комплексные электрические испытания
аппаратуры. Их цель—проверка взаимодействия приборов, и
бортовой электрической схемы питания и управления. От-
дельные узлы и блоки космического аппарата располагаются
на разнесенных подставках и технологических тележках, что
обеспечивает свободный доступ к аппаратуре при определе-
нии неисправностей или замене приборов. Узлы и блоки со-
единяются между собой специальными кабелями — удлините-
лями. Питание осуществляется от наземных источников тока.
Комплексные испытания на разобранном объекте являют-
ся наиболее важной частью заводских испытаний. Во время
их проведения выдерживается строгая последовательность
операций, которая отражает работу приборов и взаимодейст-
вие отдельных его узлов в момент запуска, на активном участ-
ке, при отделении от ракеты-носителя и в орбитальном по-
лете.
Программное устройство .^последовательно выдает коман-
ды на различные блоки аппаратуры, узлы схемы управления.
Проверяется также исполнение команд, передаваемых по ра-
диолинии ракеты-носителя, включение систем космического
аппарата при срабатывании датчиков отделения. Затем элек-
тронная аппаратура как бы «проигрывает» весь полет, пове-
дение каждого прибора в космосе. Определяется чувствитель-
ность систем к командам, передаваемым по радиолинии с
Земли. По экранам наземной станции телеметрических изме-
рений контролируются исходные уровни параметров аппара-
туры, оценивается качество работы автоматики запоминаю-.
1533-2
17
шею устройства, определяются выходные мощности передаг
чпков, времена циклов программных устройств; контролирует-
ся время срабатывания реле максимального и минимального
тока, выдача команд на отключение нагрузки при понижении
напряжения источника пцтания. И так до тех пор, пока весь
космический аппарат не будет опробован в действии.
После окончания испытаний аппаратура направляется в
сборочный цех.
Деление конструкции спутника на отдельные отсеки, блоки
и узлы позволяет применить при сборке параллельно после-
довательный порядок операций. В результате обеспечивается
поточный процесс сборки, широкий фронт работ.
В процессе сборки особое внимание обращается на про-
верку герметичности корпуса. Для этого его заполняют ка-
ким-либо газом, обладающим большой текучестью. Сначала
определяются возможные локальные утечки, а затем суммар-
ное натекание газа в барокамере с глубоким вакуумом.
Одновременно с проверкой корпуса на герметичность идет
сборка монтажных рам с научной и служебной аппаратурой.
Часть приборов размещается и на внешней поверхности кос-
мического аппарата. Это наиболее чувствительные элементы
научной аппаратуры,, датчики системы ориентации и т. п.
Точность установки достигается тщательным изготовлением
отсеков и высоким качеством сборочных работ.
Комплексными испытаниями бортовой аппаратуры на со-
бранном объекте завершается цикл электрических испытаний
на заводе. Испытания в основном повторяют предыдущую
программу. В то же время методика их проведения учитывает
невозможность подключения к бортовым приборам контроль-
но-измерительной аппаратуры. Работа систем оценивается
по данным телеметрии.
По окончании электрических испытаний со спутника сни-
маются источники тока, а сам он вместе с солнечными бата-
реями помещается в специальный контейнер, в котором и до-
ставляется на космодром.
На технической позиции космодрома после выгрузки из
контейнера космический аппарат устанавливают на техноло-
гическую тележку и производят его внешний осмотр и про-
верку комплектующих узлов и деталей. Развертывается и под-
ключается наземная кабельная сеть и контрольно-испытатель-
ное оборудование для проведения проверочных включений
бортовой аппаратуры. Проверяется ее нормальное функциони-
рование. Затем на космическом аппарате устанавливается
летная батарея, а сам он помещается на кантовочное приспо-
собление для пристыковки его к ракете-носителю и проведе-
ния заключительных операции.
По окончании этих работ космический аппарат, пристыко-
ванный к ракете и закрытый обтекателем, транспортируют на
ш	>
стартовую площадку. Объем и последовательность предпуско-
вых работ строго регламентированы по времени. Программа
испытаний космического аппарата на -стартовой позиции
обычно сведена дю минимума и включает в себя в основном
проверку исходного состояния бортовых систем и подготовку
аппаратуры к работе. Включение систем производится непо-
средственно перед стартом. Переводом питания от наземных
источников на бортовые заканчивается подготовка космиче-
ского аппарата к запуску.
ПРОГРАММА СПУТНИКОВ «КОСМОС»
Успешные полеты первых в мире искусственных спутников'
Земли, запущенных по программе Международного геофизи-
ческого года, дали довольно общие сведения о параметрах
верхней атмосферы, о протекающих там физических процес-
сах. Первые автоматические межпланетные станции позволи-
ли распространить наблюдения на дальние окрестности Зем-
ли, межпланетное пространство, Луну. Однако многие резуль-
таты нуждались в проверке и подтверждении. Кроме того,
исследования проводились в период максимума активности
Солнца. Для изучения зависимости Параметров верхней атмо-
сферы и межпланетной среды от солнечной активности необ-
ходимо было накопить достаточно большое количество экс-
периментального материала в период ее спада и минимума.
Возникала также необходимость в специализированных и
комплексных экспериментах, направленных на подготовку и
решение более сложных проблем проникновения человека в
космос.
Эти задачи и были возложены на многочисленные спутни-
ки серии «Космос». Таким образом, осуществление новой рас-
ширенной программы изучения верхних слоев атмосферы и
околоземного космического пространства с помощью спутни-
ков серин «Космос» — логически обоснованное продолжение
и развитие предшествующего этапа исследований.
Научная программа спутников серии «Космос» предусмат-
ривает:
изучение распределения и образования облачных систем
в атмосфере Земли;
изучение верхних слоев атмосферы;
изучение концентрации заряженных частиц в ионосфере с
целью исследования распространения радиоволн;
изучение корпускулярных потоков и частиц малых энер-
гий;
изучение энергетического состава радиационных поясов
Земли с оценкой радиационной опасности при длительных
комических полетах;
изучение магнитного поля Земли;
.19
изучение коротковолнового излучения Солнца и других
космических тел;
изучение метеорного вещества в окрестностях Земли и его
воздействия на элементы конструкции космических объектов.
Спутники «Космос», помимо многочисленных научных за-
дач, позволили решить и ряд технических проблем, связан-
ных, например, с возвращением кабины корабля в атмосферу
Земли, отработкой системы ориентации, приземлением в за-
данном районе, защитой корабля от излучения, изучением
степени надежности отдельных узлов систем жизнеобеспече-
ния и др.
С тех пор как начал свой орбитальный полет «Космос-1»,
получен ряд важных научных результатов. О некоторых из
них будет рассказано. Эти результаты представляют интерес
сами по себе и демонстрируют успехи в развитии космиче-
ской и ракетной техники, достигнутые за последние годы.
ИССЛЕДОВАНИЯ НИ ЖНЕИ АТМОСФЕРЫ
С помощью спутников серии-«Космос» выполняется про-
грамма исследования структуры земной атмосферы и процес-
сов в ее нижних слоях, имеющих огромное значение для жиз-
недеятельности человека. Именно в нижних слоях атмосферы
развиваются те мощные процессы, которые формируют пого-
ду и в конечном счете климат на Земле.
Физические характеристики, определяющие состояние
нижних слоев атмосферы: давление, температура, влажность
и др. не могут быть непосредственно измерены со спутников,
летящих на высотах 200 км и выше. Атмосферные параметры
определяются косвенными методами. Непосредственно на
спутниках регистрируется лишь < излучение Земли в различ-
ных участках спектра электромагнитных волн: в ультрафио-
летовом, видимом и инфракраснОхМ диапазонах, а также соб-
ственное тепловое и радиоволновое излучение Земли.
С помощью телевизионных камер, актинометрической и
другой аппаратуры, установленной на спутниках, можно сле-
дить за распределением облачного покрова по всему земному
шару, определять границы залегания и динамику снежного
покрова и ледовых полей, измерять потоки радиации, прихо-
дящей в атмосферу Земли от Солнца неуходящей обратно в
мировбе пространство.
Спутники дают картину распределения облачности над
обширными пространствами земной поверхности с такой пол-
нотой и объективностью, которые нельзя получить с помощью
обычных наземных средств. Представляется возможным бо-
лее обстоятельно изучить облачную систему циклонов, атмо-
сферных фронтов различных воздушных масс, изменение об-,
Лачности в процессе эволюции и перемещения этих объецгов.
» 
Особенно важное значение имеют данные об облачноеiи, по-
лучаемые со спутников для тех районов земного шара, где
обычные метеорологические наблюдения очень редки или во-
все отсутствуют.
Первый опыт телевизионного прослеживания облаков был
выполнен со спутника «Космос-4», а затем появились специ-
альные метеорологические спутники серии «Космос». Аппара-
тура этих спутников позволяет получать изображения облач-
ности, снежного покрова, ледовых полей на освещенной и те-
невой сторонах Земли, измерять потоки радиации, отражен-
ной и излучаемой системой «Земля — атмосфера». Для на-
блюдения за облачностью на освещенной стороне Земли ис-
пользуется телевизионная аппаратура. Две камеры произво-
дят подкадровую съемку поверхности Земли вдоль траекто-
рии полета спутника. Телевизионная аппаратура включается
автоматически при углах возвышения Солнца над горизон-
том более 5°.
В процессе полета спутника освещенность Земли сущест-
венно меняется. Для того чтобы получить высококачествен-
ные снимки, экспозиция регулируется с помощью автомати-
ческого устройства, измеряющего освещенность Земли и уста-;
навливающето нужную диафрагму оптической системы, С вы-
соты порядка 625 км телевизионные камеры передают снимки
поверхности Земли вдоль траектории полета спутника ,с ши-
риной захвата около тысячи километров. Высокая разрешаю-
щая способность фотографирования позволяет четко опреде-
лить фор',му облачности и провести детальный анализ атмо-
сферных процессов, происходящих в данном районе.
Наблюдения за облачностью на теневой стороне Земли
осуществляются с помощью инфракрасной аппаратуры, изме-
ряющей уходящее излучение земной поверхности и облаков.
Величина уходящей тепловой энергии определяется темпера-
турой излучающей поверхности, а так как облака всегда хо-
лоднее поверхности Земли, то и излучение их менее интен-
сивно.	•
Снимки облачных систем, получаемые с помощью инфра-
красной аппаратуры, менее детальны, нем телевизионные, \но
достаточно подробны. для анализа крупных атмосферных об-
разований (циклоны, тайфуны, атмосферные фронты) с’‘ха-
рактерными облачными системами, размеры которых/ опре-
деляются сотнями и тысячами километров.
, ; Получаемая таким образом, информация о.состоянииОб-
лачного покров-а и некоторых, связанных ,с ним атмосферных
процессов, которые выявляются в виде контрастов, из лучения
земной поверхности и.облаков в том или цном интервале
спектра,. используется синоптиками центров службу погоды.
На основе этой информации, уточняются анализ, ырин оптиче-
ских карт и прогнозы ; по.годы ; на несколько суток вперед.
Результаты- исследований атмосферы, получаемые при по-
мощи метеорологических спутников, носят практически ка-
чественный характер. Количественные характеристики состоя-
ния атмосферы, полученные с помощью аппаратуры спугни-
имеют пока ограниченное применение. Точность этих из-
мерений недостаточна, что служит препятствием для надеж-
ного решения задач спутниковой метеорологии. Даже одалые
погрешности измерений могут быть причиной недопустимо
больших ошибок определения искомых параметров атмосфе-
ры, поскольку оно сводится к решению так называемых об-
ратных задач, некорректных в математическом смысле.
В настоящее время наиболее важным и реально выполни-
мым представляется получение вертикальных распределений
температуры,, концентрации влаги и некоторых других пара-
метров атмосферы, а также определение -количественных ха-
рактеристик -облачности — высоты границ,- температуры ‘и
пространственной структуры.
Для этого нужно создать специальную аппаратуру, обе-
спечивающую' получение исходной информации с требуемой
точностью. Необходимы также теоретические исследования.,
которые позволили бы определить достаточный комплекс из-
мерений. Не менее важна разработка новых методов прогно-
за, базирующихся на информации, доставляемой метеороло-
гическими спутниками. С целью дальнейшего' развития спут-
никовой метеорологии в нашей стране проводится ряд науч-
но-исследовательских работ, включающий исследования на
спутниках, ракетах,, высотных самолетах и стратостатах, а
также вспомогательные экспериментальные (полевые и лабо-
рдто рн ы е) исс л е дов а н и я. Ко мп л екс а пиар ату р ы, п р ед н а зн а -
чэанной для решения некоторых из этих задач, был установ-
лен, в частности, на спутнике «Космос-149» («Космической
стреле») и ему подобных. В брошюре мы остановимся только
на «Космосе-149»—первом спутнике из группы аналогичных
по составу аппаратуры космических аппаратов. Эксперимент
носил поисковый характер и проводился с учетом малого
юртени активного; существования спутника.
~ В- отлитое от актинометрической программы обычных ме-
теорологических спутников, которая в основном направлена
на получение полной (интегральной по спектру) «уходящей»
радиации. Земли,, программа исследований на «Космосе-149»
предусматривала измерение радиации в узких участках спек-
тра.
Для получения экспериментальных данных об отраженной
солнечной радиации на спутнике были установлены узко-
угольные трехканальные телефотометры. Один из них скани-
ровал! по, Земле, прослеживая ее поверхность вдоль траекто-
рий полета,, измеряя интенсивность отраженной солнечной
радиации в трех участках спектра: в полосе молекулярного
№
кислорода—0,76 ммк, в интервале сравнения — 0,74 ммк и
в слабой полосе водяного лара — 0,72 ммк. Второй телефото-
метр сканировал в плоскости, .перпендикулярной направлению
полета, и измерял интенсивность отраженной солнечной ра-
диации в участках спектра: 0,34, 0,47, 0,74 ммк. Ширина
спектральных интервалов, выделяемых интерференционными
фильтрами, была при этом порядка 50—100А.
Телефотометры работали циклично, совершая два полных
оборота за период около 4 сек. В первом полуцикле измеря-
лось излучение космоса и Земли и определялся нуль прибора
(«темневой ток»). Во втором полуцикле вводился эталон яр-
кости, позволявший контролировать чувствительность аппарат
туры в процессе полета, и ослабитель, обеспечивающий из-
мерение отраженной радиации Земли в нужном диапазоне
энергий. Этот диапазон выбирался на основе теоретических
расчетов яркости Земли.
Полученные данные позволили определить количественные
характеристики угловой и пространственной структуры поля
яркости Земли.
Оригинальным был метод определения характеристик вер-
тикально™ строения облачного покрова—высоты его верх-
ней границы. Метод основывался на том, что отношение дан'
ных измерений в полосе кислорода {0,76 ммк) и соседнем ин-
тервале (0,74 ммк), не имеющем полос поглощения, извест-
ным образом зависит от массы кислорода на пути солнечной
радиации, упавшей на облако и отраженной от него. А так
как концентрация кислорода постоянна, то его масса зависит
от высоты отражающей поверхности.
Измерения в полосе водяного пара позволили оценить воз-,
-можности использования слабых полос при определении мае-,
сы паров в столбе атмосферы.
Измерение собственного излучения планеты выполнялось
в «окне прозрачности» атмосферы (участок ин фр aiKpacHO.ro
спектра с длиной волн от 8 до 12 ммк, в котором излучение
слабо поглощается водяным паром, всегда имеющимся в ат-
мосфере) инфракрасным радиометром. Угол поля зрения при-
бора составлял около одного градуса. Оригинальная конст-.
рукция радиометра, лишенная входных окон, исключала теп-
ловые помехи от различных частей прибора. Это позволяло
измерять радиационную температуру земной поверхности и
облачного покрова с высокой степенью точности. В комплек-
се с измерениями телефотометров радиометрические данные
позволили определить высоту облачности независимым обра-.
зом и оценить корреляцию между отраженной солнечной ра-
диацией и собственным излучением Земли.
Научная программа эксперимента 'предусматривала так-
же измерение с помощью прибора радиационного баланса по-
токов прямой и отраженной солнечной радиации в широких
33
спектральных интервалах (0,3—3 ммк и 0,9—3 ммк) и пото-
ков собственного излучения Земли и ко-смоса в интервале
3—40 ммк. Такие измерения позволяют определить лучистую
энергию, оставшуюся на Земле и определяющую все основные
земные процессы.
Кроме этой аппаратуры, на спутнике была установлена
телевизионная система, обеспечивающая получение телевизи-
онных изображений из области надира (местной вертикали)
и четырех зон перехода от Земли к космосу.
. Таким образом; в результате запуска спутника «Космос-
149» была получена значительная информация о термическом
режиме земной поверхности и облаков, количественных ха-
рактеристиках облачного покрова, «привязанных» к телеви-
зионным изображениям, об угловых и спектральных ха-
рактеристиках яркости нашей планеты, наблюдаемой из кос-
моса. Исследования.физических параметров нижней атмосфе-
ры, выполненные «Космической стрелой» — существенный
вклад советских ученых в космическую метеорологию.
Говоря об исследовании нижней атмосферы, следует так-
же упомянуть о спутнике «Космос-243». На нем впервые в ми-
ре ‘-был осуществлен глобальный эксперимент по измерению
теплового радиоизлучения Земли и ее атмосферы. Использо-
вание радиодиапазона при геофизических исследованиях1 с
борта спутника дает то преимущество, что волны сантимет-
рового диапазона проходят без заметного поглощения через
облака, совершенно непрозрачные для видимого и инфра-
красного излучения, и позволяют определить характеристики
подстилающей поверхности сквозь преграду облаков и осад-
ков и, в частности, распределение температуры по поверхно-
сти Мирового океана. Волны миллиметрового диапазона за-
метно поглощаются капельками воды, что позволяет по спек-
тру излучения на этих волнах не только обнаруживать обла-
ка И осадки, но и измерять содержание капельной воды, об-
наруживать очаги интенсивных осадков, скрытые мощными
Облаками. Наконец, в сантиметровом и миллиметровом1 диа-
пазонах находятся резонансные линии водяного пара. По-
этому, измеряя интенсивность радиоизлучения на' соответст-
венно выбранных волнах, можно определить и содержание
водяного пара.
Для проведения указанных исследований на «Кос?мосег543»
бдели установлены чувствительные приемники теплового ^ра-
диоизлучения в диапазоне волн от 8 жж до .8 см с антеннами,
Направленными на 3(емдю. Эти приемники и антенны ио, мно-
гом, аналогичны наземным радиотелескопам и отличаются,, от
них.,1прлнрй автоматизацией., На .спутнике был. также установ-
лен узкополосный приемник инфракрасного..излучения
се 10—1^ ммк. Комплексное использование прд^рдДио,-ЛгМ*;
$4
фракрасного диапазонов значительно облегчает па rcpin per а -
цию и (повышает надежность получаемых данных.
Наиболее надежные результаты определений параметров
атмосферы: содержание капельной и парообразной воды, по
излучению в диапазонах 1,35—0,8 см были получены при по-
лете (спутника над водной поверхностью океана. Это обстоя-
тельство особенно ценно, так как получаемые в настоящее
время сведения об атмосфере именно над океанами крайне
скудны. Между тем океаны являются гигантскими аккумуля-
торами солнечной энергии, которую они отдают в виде скры-
той теплоты испарений. Эта тепдрта в значительной степени
«питает» энергией мощные циклоны, определяющие погоду
на планете.
Яркостная температура океана в сантиметровом диапазо-
не составляет 100—150° К, однако при наличии льда на по-
верхности воды яркостная температура увеличивается при-
мерно на 100° К, и это обстоятельство позволяет обнаружи-
вать лед на поверхности воды. Так, спутник «Космос-243»* за
первые же сутки полета надежно определил границу сплош-
ных льдов вокруг Антарктиды. Была получена также, серия
температурных разрезов поверхности океана, определено ин-
тегральное содержание водяного пара и капельной воды в ат-
мосфере над океаном вдоль траектории полета, .выделены
зоны интенсивных осадков.
•' ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ВАРИАЦИИ "
ВЕРХНЕЙ атмосферы
Верхней атмосферой принято называть область, лежащую
выше 30—40 км над поверхностью* Земли. Однакр несмотря
на относительную близость, она до самого последнего време-
ни была одной из наименее изученных «оболочек» Земли.
Знать же верхнюю атмосферу необходимо. Прежде всего она
выполняет роль естественной радиационной защиты qt про-
никающих излучений. В верхней атмосфере в значительной
степени поглощается ультрафиолетовое, рентгеновское и кор-
пускулярное излучение Солнца, благодаря чему, на Земле ©р?-
можна жизнь в её современной форме. По разнообразию про-
исходящих в верхней атмосфере физико-химических процес-
сов и явлений она не имеет, пожалуй, себе равных. Ионосфе-
ра представляет собой гигантскую естественную лаборато-
рию для изучения процессов в плазме в электрических немаг-
нитных полях. Исследование сложных прбцвосо1в тейло- и мас;
Сбобмена в верхней атмосфере важно для практики; эти про-
цессы могут оказывать влияние на состояние аТмосфёрЫ1 v
Земной поверхности и, следовательно, на формирование 1пбгбг-
ды и климата. Сведения о структуре и динамике . атмоСф’ёры
Земли облегчают интерпретацию экспериментальных Дайнь/х
бб; атмосферах других планет и создание общей' теории пйй-
йёпных атмосфер.	(
25
Объектом непосредственных исследований верхняя атмо-
сфера стала благодаря развитию ракетно-космической техни-
ки. Уже первые полученные «с ее помощью сведения о верхних
слоях воздушного океана оказались важными для совершен-
ствования самой космической техники. Достаточно привести
такой факт: когда начались космические полеты, то выясни-
лось, что плотность атмосферы на высоте нескольких сот ки-
лометров больше предполагавшейся примерно в десять раз!
И она не остается постоянной. Так, на высоте 300 км значе-
ния плотности могут меняться в широких пределах. А эти
данные необходимы для точного выведения спутников Земли
на расчетные орбиты, создания систем ориентации и стаби-
лизации космических аппаратов и т. д.
Осуществление автоматической стыковки искусственных
спутников на орбите и управляемого полета в верхних слоях
атмосферы требует знания и законов изменения атмосферы
в зависимости от времени -года, местного времени и т. д. Не-
обходимо точно предсказывать такие изменения, прогнозиро-
вать поведение верхней атмосферы.
Широкие исследования верхней атмосферы стали прово-
диться с помощью спутников серии «Космос».
Плотность атмосферы убывает с высотой очень быстро, а
скорость движения спутника максимальна в перигее. Исходя
из пропорциональности сопротивления атмосферы движению
спутника (или торможения), плотности атмосферы и квадра-
ту скорости, считают, что спутник тормозится исключительно
в перигее. Сопротивлением движению на остальных участках
орбиты пренебрегают. .
Возмущения, действующие на спутник вследствие откло-
нения формы Земли от сферической и неоднородности ее гра-
витационного поля, существенно превышают (на несколько
порядков) возмущения, вызываемые сопротивлением среды.
Однако при вычислении плотности атмосферы по торможе-
нию искусственного спутника Земли учитывают, что ни одно
из гравитационных возмущений независимо от величины не
оказывает векового воздействия на большую полуось орбиты.
Следовательно, изменения последовательных времен прохож-
дения спутника через перигей орбиты будут происходить
только в результате торможения. Радиационное же давление
необходимо принимать в расчет1 лишь для орбит выше 400—
500 км.
Данные об эволюции орбит спутников «Космос» позволили
проследить изменения плотности в диапазоне высот от 180 до
300 км на протяжении почти половины цикла солнечной ак-
тивности. В частности, подтвердились предположения о дина-
мичособом характере плотности на высотах приблизительно от
200 до 300 км. Были отчетливо выявлены колебания плотно-
сти атмосферы (от дня к ночи) на высотах 270—280 и 20Q—
26
230 км. Максимум и минимум параметров приходятся при-
близительно на 14—16 часов и 4—6 часов (местного времени
соответственно. В годы минимума солнечной активности су-
точные вариации, составляют на высотах 200 км примерно
.60—70% и достигают вблизи -300 км более 200%, что не на-
блюдалось на этих высотах в период максимальной солнеч-
ной активности.
Наиболее резко суточные вариации плотности проявляют-
ся на более низких широтах. Такие колебания на меньших
высотах по сравнению с периодом активного Солнца являют-
ся следствием общего охлаждения атмосферы и изменения
распределения главных составляющих по высотам. Так,
уменьшение средней плотности по сравнению с 1958 г. соста-
вило около 2 раз на высоте 200 км и 3,5 раза вблизи 300 км.
Начиная с 1965 г. началось постепенное увеличение атмосфер-
ной плотности выше 200 км. которое достигло максимального
значения, близкого к уровню 1957—1958 гг., в период очеред-
ного максимума солнечной активности (1968—1969 гг.).
Оказалось также, что, существенное влияние на вариации
плотности атмосферы, оказывают магнитные бури. Очевидно,
это связано с воздействием на магнитосферу Земли потоков
солнечной плазмы !. Даже относительно, слабые геомагнитные
возмущения оказывают глобальное воздействие на темпера-
туру и плотность верхней атмосферы. Причем относительный
эффект этих возмущений особенно велик в минимуме цикла
солнечной активности. Во время сильных магнитных бурь
температура в зондх полярных сияний может достигать свы-
ше 3000° К. По результатам анализа торможения спутников
в областях полярных сияний на высотах около 300 км отме-
чено возрастание плотности в несколько раз большее, чем в
низких широтах.
На нескольких аппаратах, например «Космос-108», «Кос-
мос-196» и др., были установлены блоки ионизационных ма-
нометров для получения данных о плотности атмосферы ме-
тодом прямых измерений.
Ионизационный манометр представляет собой стеклянную
колбу, на ножке которой укреплена цилиндрическая, сетка.
Внутри сетки вдоль ее оси натянута тонкая проволока—кол-
лектор положительных ионов; снаружи сетки на той же нож-
ке укреплен вольфрамовый катод. Катод накаляется до высо-
кой температуры и испускает электроны, которые устремля-
ются по направлению к положительно заряженной сетке.
Электроны пролетают между редкими витками сетки и оттал-
1 Потоки межпланетной плазмы распространяются от активных обла-
стей Солнца, расположенных преимущественно не некоторой широте вы-
ше и ниже солнечного экватора. Из-за несовпадения плоскости экватора
Солнца и плоскости орбиты Земли последняя в своем движения по' орби*
те .дважды в год вторгается, в области потоков плазмы.
27
кнваются отрицательно заряженным коллектором. На опре-
деленной высоте специальным механизмом манометр вскрыва-
ется и его полость заполняется частицами внешней среды.
Электроны, совершая колебательные движения около витков
сетки, сталкиваются с атомами и молекулами газа, попадаю-
щего в рабочую полость манометра, и ионизуют их. Образую-
щиеся положительные ионы притягиваются отрицательно за-
ряженным .коллектором и отдают ему свой заряд. Число обра-
зовавшихся ионов пропорционально плотности газа. Поэтому
ток -в цепи коллектора при определенной температуре пропор-
ционален атмосферному давлению.
Для исследования состава верхней атмосферы эти же
спутники обор удов а л ись м а ос -сп ект р ом ет р а ми. Чу в с тв и т ел ь -
н ы м э л ем ен том пр-иб о р а служит м а с с - оп е ктр ом ё три ч е с к а я
трубка, которая сообщается своим открытым входным отвер-
стием непосредственно с окружающим пространством. Труб-
ка содержит ряд тонких проволочных сеток —электродов,
расположенных на определенных, точно фиксированных рас-
стояниях одна от другой. За сетками находится коллектор в
виде металлической пластинки. На коллекторе собираются
ионы, которые до этого должны пройти все сетки.
Электронный блок прибора вырабатывает различные по-
стоянные и переменные напряжения, которые Подаются на
эдектроды трубки. Напряжения выбираются так, что достичь
коллектора могут лишь те ионы, которые,прошли трубку с не-
которой оптимальной скоростью. Ионы, имеющие скорость
больше или меньше оптимальной, на коллектор не попадают.
Скорость ионов, проходящих масс-спектрометрическую труб-
ку, определяется их массой и ускоряющим напряжением, при-
ложенным к сеткам трубки.
Ускоряющее напряжение периодически изменяется от ну--
ля до. максимального значения, и, следовательно, оптималь-
ная, скорость сообщается поочередно ионам с различными
массовыми числами. Когда ионы достигают коллектора, в це-
пц возникает импульс тока, который усиливается и передает-
ся радиотелеметрической системой на Землю. Одновременно
передаются и данные об ускоряющем напряжении на сеткйх.
Д1асса ионор определяется измерением этого напряжения.
Если в среде имеются ионы только одной /маёсы? то при-
емной .станцией регистрируется один импульс ионного тока за
каждой.цикл изменения ускоряющего напряжения? При более
сложном составе, среды, регистрируются два ‘или более им-
пульсов за' каждый цикл. . .	, А
:, Состав верхней атмосферы измерялся на спутниках «К<>с-
мос>> также по . поглощению ультрафиблетового ’ излучения
Солнца с „помощью ионизационных/камер для,, регистрации
солцечноор.,излучения,в спектральной, линий ЙаиДан-альфа.
Это излучение имеет различную степень рассеяния1 в завнёй-
23
мости от концентрации атомарного водорода, из которого со-
стоят самые (внешние области земной атмосферы.
В настоящее время можно достаточно определенно гово-
рить о нейтральном составе верхней атмосферы, но не о ого
вариациях. На высотах 100—120 км начинается диффузное
разделение газов. На высотах до 200—250 км основным ком-^
понентом атмосферы остается азот, однако возрастает отно-
сительная концентрация атомарного кислорода, который об-
разуется при диссоциации молекулярного кислорода солнеч-
ным ультрафиолетовым излучением. Содержание- молекуляр-
ного кислорода уменьшается с увеличением высоты. Начиная
с 250—300 км основным компонентом атмосферы становится
атомарный кислород.
Еще выше, начиная с высот 500—600 юи, в годы минимума
солнечной активности, а с высот 1000—1500 км — в годы ма-
ксимума, атмосфера становится гелиево-водородной. Слой с
гелием в виде основной составляющей наблюдается, видимо,
лишь в годы максимума солнечной' деятельности.
ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ
Ионосферой называют верхние, начиная с 80—100 км, слои
атмосферы, состоящие из заряженных частиц — электронов
и ионов.
Ионосфера — своеобразный проводник электрического то-
ка и она существенно ^влияет на распространение радиоволн,
частично поглощая длинные волны и отражая, как «зеркало»,
короткие. Последнее обстоятельство позволяет. осуществлять
на коротких волнах радиосвязь далеко за пределы видимого
горизонта Земли.
Ионосфера имеет сложную структуру, она неоднородна
как по высоте, так и по географическому положению. Состоя-
ние ионосферы и ее влияние на распространение радиоволн
все время меняется в зависимости от солнечного освещения,
времени года, влияния космического излучения и др. Поэто-
му для изучения ионосферы необходимы регулярные наблюде-
ния, которые осуществлялись с наземных ионосферных стан-
ций. Появление искусственных спутников позволило начать
исследования при полете непосредственно в самой ионосфере
или над ней, в межпланетной среде.
Со времени запуска первого советского искусственного
спутника было получено (много новых важных данных особен-,
но о внешней части ионосферы, выше так называемого «глав-
ного максимума ионизации». Именно свойства «внешней»
ионосферы являются определяющими при осуществлении ра-
диосвязи Земли с космическими аппаратами, радиосвязи
между космическими кораблями, использовании искусствен-
ных спутников для систем радиосвязи и телевидения. Выясни-
29
.«ин ь, 111 частности, что ионосфера простирается яа расстояние
до 5 радиусов Земли,-а может быть, и больше.
Изучение свойств ионосферы спутниками серии «Космос»
велось тремя основными методами, а именно: прямые измере-
ния при помощи установленных на спутниках ловушек заря-
женных частиц различных типов; измерения, выполненные на
Земле по наблюдению радиосигналов, излученных спутником;
измерения, выполненные с помощью ионосферного зондирова-
ния со спутника.
В ионосфере имеются три основных вида свободных заря-
женных частиц: положительные и отрицательные ионы и элек-
троны. Сумма концентраций отрицательных ионов и электро-
нов равна концентрации положительных ионов. Ионосфера
электрически нейтральна. Поэтому измерив концентрацию
положительных ионов, можно определить полную концентра-
цию свободных заряженных частиц.
На спутниках «Космос» измерения концентрации положи-
тельных ионов вдоль орбиты проводилось при помощи. трех;
электродных ловушек. С целью исключения возможных по-
грешностей измерений на одном и том же спутнике применя-
лись ловушки различных конструкций. Над поверхностью
спутника устанавливались на штангах различной длины сфе-
рические трех электродные ловушки, а на поверхности — полу-
сферические и плоские, а также цилиндрические зонды, кото-
рые, кроме концентрации заряженных частиц, позволяют из-
мерять электронную температуру. Изменение напряжений на
электродах этих ловушек и зондов вызывает изменения реги-
стрируемых с их помощью токов; изучение зависимостей этих
токов от напряжений так называемых «вольтамперных харак-
теристик», позволяет определять параметры ионосферы.
Для правильного истолкования показаний приборов, уста-
новленных на спутнике, важно знать положения спутника от-
носительно направления движения. Определение ориентации
спутника, обеспечивалось установленными на его поверхности
восемью плоскими ловушками. Поток электронов, попадаю-
щий в плоскую ловушку, сильно зависит от положения ее от-
носительно направления движения спутника. Сравнение то-
ков, зарегистрированных в ловушках, позволяет узнать ори-
ентацию спутника относительно направления его’движения.
На спутниках устанавливались еще две специальные ловуш-
ки «сотовой» конструкции, чувствительные к изменениям по-
ложения спутника.
В настоящее время установлено, что ионосфера сущест-
вует главным образом потому, чт нейтральные атомы и мо-
лекулы в верхних слоях атмосферы под действием ультра-
фиолетового и рентгеновского излучений Солнца ионизуют-
ся— расщепляются на положительные ионы и свободные
электроны.
30
Однако не существует простой зависимости между интен-
сивностью ультрафиолетового излучения, воздействующего з
определенное время и на определенной высоте на ионосферу,
и концентрацией заряженных частиц в это же время и на той
же высоте. Скорость деионизации, т. е. исчезновения ионов
и электронов, сильно зависит от плотности и химического
состава атмосферы.
Изучение связи явлений ионизации -и деионизации на раз-
личных высотах с солнечным излучением возможно при про-
хождении спутника через границу между освещенной и неос-
вещенной частями орбиты. При этом, конечно, должны вес-
тись одновременные измерения интенсивности ультрафиолето-
вого излучения и концентрации заряженных частиц вдоль ор-
биты. На спутниках «Космос» использовались устройства, по-
добные ловушкам. Опыт состоял в определении энергий элек-
тронов, испускаемых внутренним электродом устройства при
освещении его Солнцем: Поскольку энергия фотоэлектронов
зависит от длин волн падающего излучения, то, следователь-
но, может характеризовать интенсивность излучения. Энергия
испускаемых фотоэлектронов определялась «методом задер-
живающих 1потен'ц|иало1в», основанным на изменении тока фо-
токатода в зависимости от величины тормозящего^ фотоэлек-
троны электрического поля. Изменения поля создавались со-
ответствующими изменениями напряжения на,сетке, располо-
женной .перед фотокатодом. Таким образом, по энергии фото-
электронов с известной степенью точности определяются со-
став и интенсивность излучения Солнца на больших высотах
о
(в диапазоне длин волн от 2000 до 5000 А.
Измерения, проведенные на «Космосах» с помощью опи-
санной аппаратуры, позволили получить интересные резуль-
таты, относящиеся <к структуре ионосферы и происходящим в
ней процессам.
В области от 49° с. ш. до 49° ю. ш. на высотах 200—
1550 км измерена концентрация положительных ионов. На
высотах от 200 до 600 км были определены концентрация и
температура электронов; впервые проведены прямые опреде-
ления ионной температуры. В дневное времяэлектронная
температура значительно превосходит ионную в результате
обмена энергий, между фотоэлектронами, образующимися при
ионизации составляющих атмосферы солнечным ультрафио-
летовым, излучением, и электронами ионосферы. Это превы-
шение наблюдается и в ночное время суток, хотя оно меньше.
Температура ионов колеблется между температурой ней-
тральной составляющей и электронной температурой, причем
довольно нерегулярно. Во внешней ионосфере ионная темпе-
ратура растет и приближается к электронной, которая, в
свою очередь, возрастает с удалением от Земли,
31
Получены также данные об изменениях фотоэмиссии с ме-
таллов, вызываемой солнечными коротковолновыми излуче-
ниями в интервале высот, близком к максимуму ионизации
области ионосферы. Эти изменения позволили оценить инте-
гральное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца в
этой области ионосферы.
Большое количество* информации о поведении ионосферы
над максимумом электронной концентрации получено при ра-
диозондировании с высоколетающих спутников, на борту ко-
торых устанавливалась когерентная радиостанция «Маяк».
Данные относились к глобальному распределению электрон-
ной концентрации, ее зависимости от времени суток, широты
и т. д. Они позволили установить, что большинство аномалий
в слое F 1 может быть объяснено на основе идеи дрейфа
ионизации, который приводит к перемещению по, широте ма-
ксимумов электронной концентрации в течение суток.
Бортовой передатчик «Маяк» излучал радиоволны на двух
или трех частотах (20, 005; 30, 0075; и 90, 0225 Мгц). На при-
емных пунктах на Земле находились специальные двух- и
трехканальные приемники, которые принимали излучения со
спутника и сравнивали фазы. Если бы радиоволны распрост-
ранялись в абсолютной пустоте, разность фаз принятых ко-
лебаний была бы такой же, как в точке передачи. Фднако
ионосфера по-разному влияет на фазу колебаний. Например,
радиоволны с частотой 20,005 Мгц существенно подвержены
влиянию ионосферы. В то же время при частоте 90,0225 Мгц
радиоволны распространяются в ионосфере почти так же, как
в пустоте. Поэтому’разность фаз колебаний, прошедших че-
рез ионосферу, если она измеряется точно и непрерывно вдоль
орбиты спутника, является весьма чувствительным показате-
лем состояния (ионосферы на пути распространения радиоволн
от спутника к приемному пункту. В частности, она непосред-
ственно определяет электронную концентрацию в области
прохождения спутника через малые отрезки времени в секун-
ды или доли секунды.
Как известно, межпланетная среда также представляет
собой разреженный ионизованный газ. В моменты, когда
спутник находится над ионосферой, разность фаз характери-
зует также электронную концентрацию межпланетного газа.
Одновременно с разностью фаз на приемных пунктах из-
мерялась также сила принимаемых сигналов на всех часто-
тах, что позволяло получать дополнительные данные о со-
стоянии ионосферы. Таким методом были обнаружены круп-
номасштабные неоднородности в ионосфере длиной до 150 км,
1 F — область ионосферы, расположенная выше 120 км от поверхно-
сти Земли; состоит в основном из ионизованных атомов и молекул кисло-
рода. ,	'
32
определены спектр неоднородностей и градиенты электронной
концентрации.
Наименьшие размеры неоднородностей, выявленные при
обработке записей, составляют около 500 м. Они регистри-
ровались в основном во время ионосферных возмущений. До-
вольно часто неоднородности находились в ограниченных
областях ионосферы с горизонтальными размерами от не-,
скольких десятков до нескольких сот километров. В ряде слу-
чаев на высотах 250—350 км зарегистрированы линзовые не-
однородности.
Получены также детальные сведения об углах рефракции
радиоволн в ионосфере. На частоте 20,005 Мгц угол рефрак-
ции изменялся от нуля до 3—5°. При уменьшении размеров
неоднородностей ионосферы вдоль орбиты угол рефракции
уменьшался.
В последние годы для исследований ионосферы стали при-
менять методы, оснбванные на анализе того влияния, которое
она оказывает на распространение сверхдлинных радиоволн
с длиной волны от нескольких до сотен километров; этот ме-
тод позволяет исследовать как нижние, так и 'верхние ее об-
ласти.
Под действием магнитного поля Земли ионосфера стано-
вится в значительной степени «прозрачной» для радиоволн
сверхнизкой частоты. При этом ослабление ’радиоволн, про-
никающих в ионосферу с поверхности Земли, зависит в ос-
новном от состояния ее нижних слоев. Измеряя на борту
спутника интенсивность сигналов наземных радиостанций,
работающих в диапазоне сверхдлинных волн, можно опреде-
лить поглощение волн и оценить концентрацию заряженных
частиц в нижних областях ионосферы.
Магнитное поле Земли обусловливает и вторую особен-
ность распространения сверхдлинных волн в ионосфере —
магнитные силовые линии являются как бы направляющими,
вдоль которых движутся радиосигналы. Проникнув в ионо-
сферу, например в Северном полушарии, эти сигналы удаля-
ются от поверхности Земли на расстояние 3—4 земных радиу-
сов и возвращаются на Землю в Южном полушарии вблизи
мапнито-сопряженной точки. Поскольку основная часть пути
сверхдлинных волн пролегает^ в верхних слоях ионосферы,
сигналы этого диапазона частот являются своеобразным и
чувствительным зондом для исследования верхних ее обла-
стей.
Такие эксперименты проводились, в частности, на спутни-
ках «Космос-142» и «Космос-259». Орбиты спутников позво-
ляли проводить измерения в области широт, ограниченных
примерно 50° к северу и югу от экватора, на высотах от 200
до 1350 км от земной поверхности. Измерения выполнялись
как при прохождении спутника над зонами 'расположения ра-
за
диостанций, так и на больших удалениях от них в магнито-
сопряженных точках.
В> процессе эксперимента, 'приводившегося в разное время
суток, бортовыми приемниками принимались сигналы радио-
станций в©' всем выбранном для исследования диапазоне ча-
стот. Измерения показали, что ослабление сверядлинных ра-
диоволн при: прохождении через нижнюю ионосферу в ночное
время невелико и мало-зависит от частоты, а в дневное время
значительно, больше; чем ночью, и быстро возрастает с увели-
чением частоты.
Анализ измерений интенсивности сигналов, принятых в
магнито-сопряженных, точках, показал, что она быстро меня-
ется во времени и имеет «разорванный» вид. «Всплески» ин-
тенсивности- во- многих случаях разделены расстоянием по-
рядка нескольких сот километров. Полученные результаты,
возможно, косвенно подтверждают неоднородность структуры
верхней атмосферы L
Дальнейшие эксперименты на спутниках серии «Космос»
несомненно приведут к более углубленному пониманию струк-
туры ионосферы и протекающих в ней физических процессов,
ИЗУЧЕНИЕ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Эксперименты, начатые на третьем советском спутнике пр
изучению электронов с энергиями около 10 кэв, позволили
впервые обнаружить на высотах 1000—1800 км в ночное вре-
мя» мощные потоки; мягких электронов и подтвердить важ-
ность роли корпускулярной радиации для основных процес-
сов. в верхней атмосфере. Задачей дальнейших исследований,
которые возлагались на спутники «Космос», было детальное
изучение энергетического спектра электронов, получение све-
дений- о потоках ионов, распределении геоактивной корпуску-
лярной радиации в пространстве и ее связи с различными
геофизическими процессами: с геомагнитными возмущениями,
полярными! сияниями,, более жесткой радиацией, вариациями
плотности верхней атмосферы и солнечной активностью.
Первые такие эксперименты были проведены еще в 1962т.
на спутниках «Космос-3» и «Космос-5». По существу,, эти
спутники яв-илмсь прообразом геофизической станции с Дли-
тельным; сроком службы и большой информативностью'. «Кос-
мос-3» и «Космос-5» предназначались в основном для: иссле-
ь В последние годы некоторые известные ученые высказали предпо-
ложение О/ том, что верхняя’ ионосфера имеет «волокнистую» структуру.
В соответствии с этой гипотезой отдельные «волокна» ориентированы
вдоль линий магнитного поля Земли, и. представляют собой области повы-
шенной ионизации. Поскольку же траектории сверхдлинных волн близки
к магнитным силовым линиям; то* такие «уплотнения» ионизации должны^
существенно влиять на их распространение.
дования геоактивных корпускул над экваториальными и сред-
ними широтами, где роль их наименее изучена.
Датчики спутников могли эффективно регистрпроппi ь
протоны с энергией от 100 эв до 10 язв и электроны с энерги-
ей от 1 до 20 кэв. Протоны регистрировались с помощью -спе-
циальных ловушек с магнитными фильтрами, а электроны —
с помощью флуоресцирующих экранов, закрытых светонепро-
ницаемыми алюминиевыми фольгами. Излучение флуоресци-
рующих экранов преобразовывалось в электрический ток по-
средством фотоэлектронных умножителей. Нижний порог
энергии регистрируемых протонов менялся электрическим
фильтром, питаемым скачкообразно меняющимся «тормозя-
щим» высоким напряжением. Нижний порог энергии реги-
стрируемых электронов также изменялся дополнительным
скачкообразным ускоряющим электроны напряжением. Все
это позволяло оценивать эффективную энергию корпускул.
Корпускулярные датчики реагируют также на электроны
и протоны с энергией,, превышающей 10—20 кэв. Но эффек-
тивная энергия отдельных частиц не может быть оценена
ими.
Электронные датчики практически не реагируют на рент-
геновское излучение, которое возникает в окружающей атмо-
сфере или в корпусе спутника под действием жестких элек-
тронов с энергией, превышающей десятки килоэлектронвольт.
Это обеспечивало более однозначную расшифровку регистри-
руемых сигналов.
Для надежности корпускулы регистрировались нескольки-
ми расположенными снаружи датчиками: протоны — двумя,
электроны — пятью. Для дополнительного контроля на элек-
тронных датчиках применялись алюминиевые фольги различ-
ной толщины.
Главное внимание в экспериментах было сосредоточен© на
определении анизотропии корпускулярных потоков с различ-
ными зарядами. Входные отверстия индикаторов имели не-
большой телесный угол и их оси располагались в противопо-
ложных направлениях и перпендикулярно друг другу. Враще-
ние спутника вокруг центра масс меняет направления вход-
ных окон индикаторов, обеспечивая зондирование потоков
корпускул из любых направлений пространства.
Для определения ориентации датчиков относительно силб.
вых линий геомагнитного поля на спутниках были установле-
ны специальные индикаторы направления на Солнце. Эти же
солнечные индикаторы служили для контроля микрометеор-
ной эрозии светонепроницаемых пленок на флуоресцирую-
щих экранах электронных индикаторов. Удары микрометео-
ров о флуоресцирующий экран .вызывают регистрируемые
всплески из излучения. Но после них в фольге остаются мик-
роотверстия, через которые солнечный свет может проникать
35
к фото кат оду умножителя. Увеличение тока такого электрон-
ного индикатора при направлении его на Солнце служит ме-
рой возрастания метеорной эрозии. Когда же электронный
индикатор не направлен на Солнце, даже при наличии в
фольге отверстий от микро метеоров, свет к фотокатоду не
проникает и регистрируются только корпускулы.
Работа велась как в режиме непосредственной передачи,
так и в режиме запоминания. В первом случае датчики кор-
пускул находились в высокочастотном поле антенн передат-
чиков. Это обстоятельство позволяло^ выяснить, что влияние
высокочастотного поля радиопередатчиков на регистраций)
геоактивных корпускул даже самых малых энергий отсутство-
вало.
Кроме корпускулярных датчиков, на спутниках были уста-
новлены счетчики Гейгера, экранированные свинцом. Счетчи-
ки регистрировали протоны с энергией, превышающей 50 Мэе,
ренгеновское- и гамма-излучения с энергией, превышающей
50 Мэе, рентгеновское и гамма-излучения с энергией, превы-
шающей 100 кэв. Анализ измерений вдоль орбит спутников
позволил выявить несколько не связанных между собой групп
наиболее интенсивных потоков корпускул на высотах в основ-
ном 500 км в области географических широт ±49°.
К первой группе относятся протоны с энергией порядка
50 Мэв, регистрируемые потоки которых составляли пример-
но 104 частиц • см~2 • сек~1. Вторая группа—электроны с энер-
гией около 100 кэв, составляющие основную компоненту внут-
ренней зоны радиационного пояса. Их суммарные потоки до-
стигали значений 20- 107 частиц • см~\* сек-Г Наконец, третья
группа — группа электронов средних энергий (около 15 кэв).
заметные интенсивности которых наблюдались лишь выше
500 км.
Были также обнаружены наиболее мягкие частицы — элек-
троны с энергиями всего в несколько десятков электрон-вольт,
образующиеся при ионизации верхней атмосферы солнечным
ультрафиолетовым излучением. Особенно большой интерес
представляет изучение геоактивных корпускул малых энергий
в приполярных широтах. Электроны с энергиями в несколько
килоэлектрон-вольт являются основным агентом вызываю-
щим полярные сияния, причем наиболее подвижные и краси-
вые их формы. Спектр этих электронов часто имеет четко вы-
раженный максимум на энергии около 5 кэв, но бывают и бо-
лее сложные спектры. Низкоэнергичные протоны ответствен-
ны за образование слабосветящихся протяженных форм по-
лярных сияний. Направляемые силовыми линиями геомагнит-
ного поля эти частицы гигантскими тысячекилометровыми
струями вторгаются в атмосферу. При этом происходит ее ра-
зогрев и вздутие особенно в приполярных широтах, возникают
электрические поля и тюки в магнитосфере и ионосфере, а
&
также в океанах и в, слабопроводящей почве, образуют i
низкочастотные электромагнитные и инфразвуковые волны
и пр.
Однако проблема (происхождения полярных сияний, и маг-
нитных бурь еще далеко не решена. Основная причина — не-
достаточность экспериментальных данных. В первую очередь
это относится к характеристикам геоактивных корпускул, вы-
зывающих сияния, их интенсивности, распределению по энер-
гиям, характеру движения в геомагнитном поле. Естественно,
что такие данные -могут быть получены только на основе спут-
никовых измерений. Для правильной их интерпретации нуж-
но знать ход развития полярного сияния, его основные эф-
фекты, проявляющиеся до и после пролета спутника. Поэто-
му очень важно проведение одновременных; дополняющих
•друг друга, измерений с борта спутника и на многих геофи-
зических обсерваториях и станциях. Именно такой комплек-
сный и многоцелевой эксперимент проводился на спутнике
«Космос-261». Он был выведен на приполярную орбиту с уг-
лом наклона к плоскости экватора в 71°. На борту находи»
лась аппаратура для изучения геоактивных корпускул, вызы-
вающих полярные сияния, электронов сверхтепловой энергии,
а также вариаций плотности верхней атмосферы во время
сияний. Одновременно сеть наземных геофизических станций
проводила,киносъемку полярных сияний на небосводе, реги-
стрировала яркости и высоты, определяла некоторые характе-
ристики, вторгающихся энергичных частиц и измеряла темпе-
ратуру верхней атмосферы.
Во время сияния некоторая, правда, небольшая, доля элек-
тронов ускоряется до очень больших энергий — вплоть до не-
скольких миллионов электрон-вольт. Их вторжение приводит
к резкому росту поглощения радиоволн в нижней ионосфёре,
а в приполярных районах порой й к исчезновению радиосвя-
зи. Поэтому в процессе эксперимента большое внимание уде:
лялось измерениям характеристик ионосферы, связанных ' с
Этими эффектами. В частности, исследовались" неравномерно4;
£ти ионизации верхней атмосферы, географическое распрост-
ранение явлений поглощения радиоволн. Одновременно сб
спутника измерялась интенсивность вторгающихся в атмосфе-
ру энергичных частиц. ,	/	х
В моменты особенно' интенсивных полярных сияний при
соударениях энергичных электронов с атомами атмосферы
возникает тормозное рентгеновское излучение. Оно регистри-
ровалось в период работы спутника специальной аппарату-
рой, /которая поднималась в стратосферу на шарах-зонд'а'Х йа
высоты более 20 км.'	' 1
’ .Измерение 1 сверхтепловых электронов ' предсТавлЙлбсь
крайне интересным, , поскольку позволяло сравнйтЬ 'дЭнйьк
прямых регистраций’на борту дпу:ФйикЙ с Другими наблкУлё1-
37
ниями ионосферы в этот период. Причем если «а «Космосах-З
и 5» измерения фотоэлектронов .проводились на низких и
средних широтах, то измерения на «Космосе-261» распростра-
нялись на более высокие широты, где можно было ожидать
новых эффектов, связанных с движением фотоэлектронов в
возбужденной полярной ионосфере и выходом их в магнито-
сферу.
Таким образом, уже получено много данных, приблизив-
ших ученых к пониманию природы полярных сияний.
ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИИ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ
Изучение радиационной обстановки на относительно ма-
лых высотах над земной поверхностью имеет большое практи-
ческое и научное значение. С практической точки зрения де-
тальные исследования радиации на высотах 200—400 км не-
обходимы для обеспечения безопасности полетов пилотируе-
мых космических кораблей. С научной точки зрения такие
исследования важны для изучения’ структуры и динамики
радиационного пояса, ибо именно на этих высотах становит-
ся существенным взаимодействие частиц радиационного поя-
са с атмосферой Земли, а также сильно сказывается неди-
польность геомагнитного поля.
Наблюдения за уровнем ионизующей радиации велись
уже на самых первых спутниках серии «Космос», в частности
на «Космосах-2, 7, 9, 10» и т. д. На борту спутников устанав-
ливались р/адиометры, в состав которых входили гейгеровские
и сцинтилляционные счетчики. Начиная с «Космосов-12 и 15»
для анализа энергетического спектра частиц стали применять
электростатические анализаторы.
Основной частью анализатора является сферический или,
цилиндрический отклоняющий 'конденсатор, на обкладки ко-
торого подаются постоянные потенциалы. Через зазор такого
конденсатора могут пройти частицы, энергии которых лежат
в заданном интервале. ТакИхМ образом, возможность измере-
ния дифференциального спектра заложена в самой конструк-
ции электростатического анализатора. Потенциалы на откло-
няющих пластинах анализатора значительно, меньше, чем со-
ответствующая энергия анализируемых частиц. Регистрирую-
щее устройство электростатического анализатора защищено
от попадания прямого солнечного света. Для предотвраще-
ния попадания тепловых ионов ионосферы .в рабочий зазор
вход анализатора закрывается сеткой, на которую подается
положительный потенциал относительно корпуса спутника.
, Благодаря длительным измерениям с помощью спутников
«Космос» были определены возможные дозы радиации на вы-
сотах около 300км в зависимости от условий геомагнитной и
за
солнечной активности». На основании этих данных была дока-
зана безопасность в радиационном отношении предстоящих
полетов космических кораблей «Восток» и «Восход». Резуль-
таты измерений позволили получить детальную картину пла-
нетарного распределения радиации и создать первые дозимет-
рические карты для малых высот внутренней и внешней зон
радиационного пояса.
Опыты, проведенные на втором и третьем космических ко-
раблях, выявили яркие особенности в распределении интен-
сивности по земному шару в виде участков с аномально вы-
сокой интенсивностью радиации. В частности, в результате
исследований на втором советском корабле-спутнике обнару-
жена Южноатлантическая аномалия и аномалия с центром
в районе Берингова моря. Последующий анализ, выполнен-
ный, в частности, с помощью спутников серии «Космос», по-
казал, что существование участков с повышенной интенсивно-
стью радиации объясняется проявлением внешней и внутрен-
ней зон радиационного пояса Земли. Географическое распре-
деление этих участков, так же как и интенсивность в них, це-
ликом определяется особенностями реального геомагнитного
поля. Важнейшим открытием явилось установление того фак-
та, что в районе Южной Атлантики наблюдается опускание
не только внешней, но внутренней зон пояса. Большое значе-
ние имело также экспериментальное определение экватора
космических лучей.
Из других результатов, полученных с помощью спутников
«Космос», следует отметить установление зависимости поло-
жения максимума интенсивности внешней зоны радиационно-
го пояса от магнитной обстановки. При возрастании магнит-
ной возмущенности максимум смещается в сторону Земли.
Определена зависимость среднесуточной интенсивности, обу-
словленной радиационным пдясом, от высоты. Так, на орбите
с апогеем в 407 км интенсивность оказалась в 5,6 раза боль-
ше, чем на орбите с апогеем в 301 км.
Во время полета спутника «Космос-4» в апреле 1*962 г<
было обнаружено возрастание скорости счёта гейгеровского
счетчика примерно в 4 раза по сравнению с измерениями на
втором космическом корабле-спутнике в августе 1960 г. Эго
согласовывалось с теоретическими предположениями об из-
менении интенсивности протонов во внутренней зоне пояса
при переходе к минимуму солнечной активности..
В результате высотного термоядерного взрыва «Старфиш^
произведенного 1в США 9 июля 1962 г.э образовался искусст-
венный радиационный пояс. Он сосредоточивался на малых
высотах, главным образом в районе Бразильской магнитной
аномалии. Это. сделало возможным его изучение с помощью
спутников серии «Космос». Были измерены средние времена
жизни электронов в искусственном радиационном поясе для
ЗУ
различных магнитных оболочек, которые, как оказалось, в
оспов'НОхМ зависят от высоты. Получены значения абсолютных
«штоков этих электронов, а также энергетический спектр за-
хваченных протонов И ИХ ‘ПОТОКОВ.
В течение 1965—1967 гг. с помощью спутников «Космос»
проводились измерения потоков и энергетических спектров
тяжелых заряженных частиц и нейтронов с помощью ядер-
ных эмульсий. Слои ядерной эмульсии собирались стопками
по 15—20 штук диаметром 50 мм и помещались внутри круг-
лых (герметических алюминиевых контейнеров. Стопки закреп-
лялись в герметических отсеках спутников, а также вклады-
вались внутри размещенных здесь же полиэтиленовых сфер
радиусом 5, 10 и 15 см. Последние предназначались для ис-
следования ослабления и накопления излучения в тканеэкви-
валенгном веществе. Полученные результаты использовались
для вычисления доз космических излучений. В частности, на
основании измеренных спектров были рассчитаны дозы ней-
тронов внутри отсеков спутника. По этим расчетам выход
нейтронов в суммарную дозу в единицах бэр составляет
10-15%.
Спутники типа «Космос-41» позволили исследовать радиа-
цию, захваченную в магнитном поле Земли, до высот поряд-
ка 40 тыс. км над поверхностью Земли.
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКОВОЛНОВОГО.
ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА
Сведения, полученные с помощью спутников «Космос» о
верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве,
используются на практике, например, для. расчета времени
существования спутников, прогноза радиосвязи, составления
теплового баланса нижних и верхних слоев «воздушного оке-
ана» и др.
Солнце — основной источник энергии, поставляемой в ат-
мосферу, и его изучение, естественно, имеет большое значение
для геофизики.
Некоторые характеристики Солнца, связанные с солнеч-
ной деятельность^), но , недоступнее наблюдениям с Земли,
необходимо систематически регистрировать.
Известно, например, что интенсивность и характер рент-
геновского спектр?а сильно меняются с ходом . солнечного
цикла и развитием отдельных активных областей на Солнце.
Есть также основания полагать, что рентгеновские вспышки
генерируются во внешних областях? Солнца и тёсцо связаны
с пертурбациями в короне, которые^рцводя.т к опасным для
космических полетов корпускулярным вспышкам.,	/ /
Потоки корпускул, рарпространя^отоя медленнее, чем ренд-
reH^BCKpe.jpB^yqeHne/ и^-^а м?Ц,ьц1ей ^KOjjqc^	^олеё.
40
длинной траектории их полета. Таким образом, в принципе
представляется возможным, регистрируя рентгеновскую
вспышку, предупреждать космонавтов за время от нескольких
минут до часа и более о приближении радиационной опасно-
сти— потоков корпускул. Такое предупреждение позволит
экипажу корабля*, находящемуся в открытом космосе или на
Луне, принять необходимые меры: укрыться ' в специальном
убежище, повернуть корабль защищенной частью к направле-
нию движения корпускул и т. д.
Исследования коротковолнового излучения Солнца прово-
дилось на специальных, «солнечных» спутниках серии «Кос-
мос». Они представляли собой модификацию унифицирован-
ного спутника с ориентацией на Солнце одной его оси. В со-
став бортовой аппаратуры входили рентгеновский гелиограф
с щелевым коллематором и рентгеновский фотометр.
Рентгеногелиограф состоял из двух идентичных блоков
датчиков, расположенных на* наружной поверхности спутника,
и блока электроники, установленного в гермоотсеке. Прием-
никами излучения служили гейгеровские счетчики рентгенов-
ских фотонов. Импульсы от .счетчиков регистрировались
электронной схемой логарифмического интенсиметра. Напря-
жение со входа интенсиметра подавалось на вход телеметри-
ческой системы.
Рентгеновский фотометр состоял из блока датчиков, рас-
положенных на. наружной поверхности спутника, и блока
электроники, установленного в гермоотсеке. В качестве при-
емников излучения использовались гейгеровские счетчики
фотонов с дополнительными фильтрами. Три счетчика были
чувствительны к мягкой рентгеновской области спектра и
один счетчик, практически нечувствительный к ренгеновскому
излучению Солнца,' служил для контроля уровня помех от
частиц радиационного пояса. Оптические оси всех счетчиков
были параллельны оси спутника, ориентированной на Солнце.
Показания каждого счетчика—скорость счета импульсов—•
регистрировались с помощью логарифмического интенсимет-
ра. Выходные напряжения интенсиметррв регистрировались
бортовым запоминающим устройством через коммутатор с
опросностью Ю-^-20 сек. Для привязки результатов измере-
ний к освещенным участкам орбиты в состав прибора .был
включен также оптический датчик Солнца.
Спутник ориентировался на Солнце с точностью 1—2° iii
каждом витке после выхода из земной тени, и эта ориентации
сохранялась в течение всего'времёйи нахождения спутника
на освещённой части орбиты. Три раза в течение каждого
витка ось спутника однократно пересекала диск СоЛнца со
средней скоростью й,б4®\в 1 сйк. Когда ось спутника псросё-
кает диск Солнца, поддаётся 'его йзЬбраженгре по дйум вза-
имно лерпендик>'уЛярнь1>м направ’Леййя'М. Для привязки полу-
чсппых записей к определенным участкам Солнца использо-
вались оптические датчики, точно-фиксирующие моменты про-
хождения кр-аев солнечного диска через поле зрения счетчи-
ков.
С помощью аппаратуры, установленной на борту спутни-
ков, было проведено исследование областей генерации и спек-
трального состава рентгеновских вспышек на Солнце и изу-
чена динамика развития, электронная температура и элек-
тронная плотность активных областей в отсутствие вспышек.
Исследования, в частности, показали, что при «спокой-
ном» Солнце интенсивность излучения в самом коротковолно-
вом диапазоне 1,5—4 А практически равна нулю и резко воз-
растает в момент микровсплеска рентгеновского излучения.
Излучение в диапазоне 4,4—6,5 А меняется в меньших преде-
лах, излучение же в «мягком» диапазоне (8—14 А) в этих
условиях меняется несущественно. Возрастание интенсивно-
сти происходило почти одновременно в областях 1,5—4 и
4,4—6,5 А.
Электронная температура излучающей -области определя-
лась из предположения термического механизма генерации
излучения микровопышек по отношению показаний счетчиков
с различной спектральной чувствительностью.. Для небольших
всплесков она составила около 107 ° К.
Измеренная по рентгеновскому заходу за лимб высота
рентгеновской активной области оказалась равной 20—
80 тыс. км и высота рентгеновской вспышки 20—25 тыс. км.
Область рентгеновской вспышки обычно имела волокнистую
структуру с угловым диаметром волокон около 10 сек, сход-
ную со структурой областей оптических вспышек.
Как правило, рентгеновские вспышки располагались как
раз над так называемыми активными областями нашего све-
тила с характерными группами пятен, наблюдаемыми с по-
мощью наземных оптических средств. Интересно, что в ряде
случаев выявлено наличие у одной вспышки двух центров,
примерно одинаковых по яркости. ’ Расстояние между ними
составляло около 6 угловых минут.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТЕОРНОГО ВЕЩЕСТВА
Изучение метеорного вещества, приходящего в земную
атмосферу и околоземной .космосчиз межпланетного простран-
ства, представляет большой интерес для геофизики. С этой
точки зрения прежде всего важно уяснить их роль ® процес-
сах, .происходящих здесь. Поэтому наиболее существенными
являются исследования общего потока метеорных «частиц и
спектра их энергий и фаос, Кроме того, ч-астица с массой да-.
42
же в тысячные доли грамма при своей громадной скорости
движения может произвести заметные разрушения космиче-
ского аппарата. Столкновения с еще более мелкими частица-
ми приводят к постепенной эрозии оболочки корпуса, оптиче-
ских, светочувствительных и других незащищенных поверх-
ностей приборов, установленных на борту аппарата. Оценка
метеорной опасности необходима при разработке конструк-
ции автоматических и обитаемых станций.
Аппаратура для регистрации метеорных частиц с пьезо-
датчиками из титана бария или -фосфата аммония устанав-
ливалась на геофизических ракетах, третьем советском спут-
нике.
Баллистический пьезодатчик представляет собой массив-
ную плиту, подвешенную на плоской пружинке, на которой
закрепляется несколько пьезоэлементов. Датчики такого ти-
па способны регистрировать удары метеорных частиц, имею-
щих массу до одной миллиардной доли грамма при скорости
около 40 км/сек. При смещении Плиты под действием удара
метеорной частицы пьезоэлементы преобразуют механическую
энергию -частицы в электрический- сигнал в виде кратковре-
менных затухающих колебаний напряжения. Сигналы с пье-
зодатчиков поступают в специальный преобразователь, кото-
рый обеспечивает разделение их по амплитуде на несколько
диапазонов и подсчет числа сигналов в каждом диапазоне.
Разделение по амплитуде осуществляется путем вывода сиг-
нала с различных каскадов усилителя на счетное устройство
каждого диапазона.
Аналогичная аппаратура для проведения микро метеорных
исследовнии в дальнейшем ^применялась при полетах к Луне
на автоматических межпланетных станциях «Электрон». Вы-
полненные измерения привели к представлениям о высокой
концентрации пыли в околоземном космическом пространст-
ве и основанной нЦ них 'гипотезе о существовании пылевого
облака Земли, плотность частиц в котором неизмеримо выше;
чем в межпланетном пространстве. В связи с этим следовало
ожидать, что’и метеорная опасность на околоземных-орбитах
больше, чем на межпланетных трассах.
Вскоре были получены^и прямые -подтверждения метеор-
ной опаеностииВ 1958 г. американский спутник «Эксплорер-3»
был поврежден при прохождении метеорного потока Аква ря-
ды. Аппаратура советской автоматической станции.«Луна-3»
зарегистрировала1 попадание крупной частицы и^сразу же
после этого/прекратилась передача 'информации. Но вот к се?
редине 1967 г. общее число спутников и межпланетных стан-
ций приблизилось к восьмистам; Однако случаев, поврежде-
ния космических аппаратов в результате столкновения* с ме-
теорными частицами болыпене наблюдалось.
Эксперименты; в. которых наблюдения. микрометеоров бы-
43
.th •(пинаны с регистрацией разрушений материала детектора
при сверхскоростном ударе частицы, дали величину потоков
тыловых частиц в околоземном космическом (Пространстве на
3 порядка меньшую, чем в опытах с пьезоэлектрическими де-
текторами.
В 1966 г. на спутнике .«Космос-135» измерения потока час-
тиц космической пыли проводились также при помощи пьезо-
электрических детекторов. Однако были приняты специаль-
ные меры для повышения помехоустойчивости аппаратуры.
На спутнике стояли два идентичных прибора для регистра-
ции соударений с микрометеорами. Датчики одного прибора
размещались непосредственно на внутренней поверхности
оболочки спутника, датчики другого устанавливались на спе-
циальной выносной панели, тщательно акустически изолиро-
ванной от корпуса спутника.
Для регистрации соударений использовалась высокоча-
стотная составляющая электрического сигнала, который воз-
никал в датчике под действием ускорений при распростране-
нии волны упругой деформации по поверхности, прослуши-
ваемой датчиком. Усиление сигнала4 производилось на высо-
кой частоте, поскольку время соударения мало, а спектр ме-_
ханических шумов аппаратуры спутника обычно максималь-
ный в области низких частот. Акустический. изолятор, кото-
рый защищал выносную панель, ослаблял идущие, от спутни-
ка шумы в области рабочих частот на 60 дб. В каждом при-
боре использовались два идентичных датчика с независимы-
ми трактами усиления, включенными в схему совпадений.
Учитывая высокую чувствительность аппаратуры, применение
совпадений позволяло значительно снизить опасность реги-
страции шумов и наводок. Подавление, внешних электромаг-
нитных помех достигалось, помимо тщательной экранировки,
введением селекции сигнала по длительности. Для проверки
исправности прибора во время его работы . в полете , была
предусмотрена строго периодическая подача калиброванного
акустического импульса, имитирующего соударения.
Прибор с датчиками на изолированной выносной панели
зарегистрировал первое «соударение» только на. 87-м витке
орбиты. Всего же за 630 ч измерений было зарегистрировано
141 событие. Из них только 4 могли с некоторой вероятностью,
рассматриваться как результат действительных соударений с
микрометеорами. Остальные же однозначно .являются следст-
вием возникших в системе помех и по-времени относятся к
моментам-выхода спутника .из области тени Земли.
Показания прибора, датчики которого располагались на
внутренней поверхности корпуса спутника, т. е.- не.были изо-
лированы, носили иной характер. За 150 ч работы; прибор
дад .205 сигналов. При* этом ма^с'ймумы'србытий наблюди
лись в периоды резкого, щзменеция,
44
выходе спутника на освещенный Солнцем участок орбиты и
при заходе в тень Земли. Совершенно очевидно, что датчика-
ми второго прибора регистрировались в основном шумы тер-
мического происхождения. Выделить из них очень редкие сиг-
налы, соответствующие соударениям, практически невоз-
можно.
Летом 1967 г. измерения потока микрометеоров ,в около-
земном космическом пространстве при помощи помехозащи-
щенных акустических детекторов были проведены на спутни-
ке «Космос-163». За 1370 ч наблюдений было- зарегистриро-
вано три соударения на уровне массы в 2 миллиардные доли
грамма. Величина потока микрометеоров соответствует, та-
ким образом, 2,5- 10-6 част1щ[сек на I м2. Эти данные пол-
ностью подтверждают результаты измерений на «Космо-
се-135», опровергающих гипотезу о. существовании пылевого
облака вокруг Земли.
ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Постоянным объектом,’ пользовавшимся вниманием спут-
ников «Космос», было также магнитное поле Земли. Данные
о магнитном склонении широко используются для разведки
полезных ископаемых, в судовождении, авиации.’ Однако из-
мерение магнитного поля — задача исключительно трудоем-
кая, требующая много времени. Она выполняется разными
способами: наземными приборами, аэромагнитометрами, из-
мерениями на немагнитном корабле, буксируемыми за кораб-
лями магнитометрами, помещенными в немагнитные гондолы.
Искусственные спутники позволяют производить магнитную
съемку гораздо быстрее и над значительно большей частью
земной поверхности. Их роль особенно велика в изучении ве-
кового хода магнитного поля Земли I Он различен в разных
областях земного шара, изменчив во времени в одном и том
же месте и зависит от уровня магнитной и солнечной актив-
ности". Изучение векового хода имеет громадное значение для
познания внутреннего строения земного шара, природы и
происхождения геомагнитного поля. Карты, составленные да-
же по подробным и надежным измерениям, через некоторое
время уже не отражают истинного распределения поля. По-
знав закономерности изменения векового хода, ученые смогли
бы предсказывать и изменения геомагнитного поля по поверх-
ности Земли, оперативно уточнять магнитные карты.
На спутниках «Космос» использовались протонные магни-
1 Вековой ход—медленные вековые изменения магнитного поля Зем-
ля. Их важнейшие особенности — уменьшение общего магнитного момен-
та Земли и систематический дрейф поля к западу. Так, за последние сто
лет магнитный момент Земли уменьшился на 5%, а магнитный полюо
дипольной части поля сместился вдоль параллели на 5° $ западу.
45
•и>м<‘тры. Измерение магнитного 'поля с их помощью сводится^
к измерению частоты свободной прецессии протонов в изме-
ряемом земном моле.
На каждом шутнике устанавливалось по два магнитомет-
ра, датчики которых были ориентированы под углом 90°. При-
боры включались поочередно^ от точного программно-времен-
ного устройства 'с интервалом в 32 сек. Метки времени позво-
ляли привязывать бортовые отсчеты каждого из приборов к
абсолютному времени. Датчики магнитометров были удалены
от корпуса спутника, 'содержавшего магнитные детали на спе-
циальной выносной штанге. В местах расположения датчиков
создавалось достаточно однородное магнитное поле с '.помо-
щью системы постоянных магнитов, которые компенсировали
магнитное влияние спутника.
Как известно, измерения магнитного поля Земли -в бли-
жайшей ее окрестности на высотах от 230 до 800 км впервые
были выполнены.в 1959 г. на третьем советском искусствен-
ном спутнике Земли. В 1959 г, магнитные измерения в диапа-
зоне высот 500—3500 км выполнялись американскими учены-
ми с помощью спутника «Авангард-3». Однако и те и другие
измерения проводились над сравнительно изученными прост-
ранствами земного шара; третий спутник—над территорией
Советского Союза, «Авангард-3»— над отдельными районами
США, Латинской Америки и Австралии. Большая же часть
земного шара осталась необсладована, особенно Мировой
океан. Это объясняется, .в частности, тем, -что у протонного
магнитометра, который был установлен на спутнике «Аван-
гард-3», измерение частоты свободной прецессии протонов
осуществлялось наземным частотомером. Следовательно, из-
мерения могли проводиться только в зоне прямой видимости
спутника, в районах ограниченного числа наземных станций.
На спутниках «Космос» измерение частоты свободной пре-
цессии протонов проводилось непосредственно на борту. Это
позволило применить запоминающее устройство, в котором
результаты записывались в виде кодированного числа, и вес-
ти измерения по всей орбите. Только в результате запуска
«Коомоса-26» и «Космоса-49» впервые магнитной съемкой
было охвачено 75%' земной поверхности, причем практически
одновременно. Последующие запуски спутников «Космос» с
цезиевыми магнитометрами на борту на приполярные орбиты
сделали возможной глобальную магнитную съемку Земли.
ТЕЛЕСКОПЫ В КОСМОСЕ
Как известна, с поверхности Земли невозможно наблю-
дать области спектра электромагнитных волн короче 3000 A.
Между тем улътрафж^лешаый и рентгеновский диапазоны
46
чрезвычайно интересуют астрономов, изучающих горячие, а
следовательно, и молодые звезды^ межпланетную, межзвезд-
ную и хмежгалактичеокую среду и т. д. В этой области спек-
тра лежат самые яркие, так называемые резонансные линии,
почти всех элементов^ Здесь лежит и максимум излучения
горячих звезд с поверхностной температурой, превышающей
20 000° С.
С помощью, спутников «Космос» советские ученые впервые
получили возможность вынести, свои телескопы за пределы
поглощающей атмосферы и вести наблюдения в диапазоне
волн от видимой до ультрафиолетовой части спектра.
Что дадут эти исследования? Прежде всего ученые надеят-
ся выяснить природу источников рентгеновского излучения,
обнаруженного около 10 лет назад.. Сейчас известно около по-
лусотни таких источников,, подавляющее большинство кото-
рых до> сих пор не отождествлено: ни с какими известными оп-
тическими объектами. Ожидается, что телескопы поднятые в
•космос, помогут раскрыть их тайну.
♦ Огромный научный интерес представляют спектроскопиче-
ские наблюдения ультрафиолетовых лучей. Есть мнение, что
разреженный газ, расположенный хмежду галактиками, излу-
чает именно в этой спектральной области. В результате даль-
нейших опытов можно будет сделать выводы о его плотности.
Перечисленные вопросы стоят перед внеатмосферной
астрономией. Для -решения некоторых из. них й был запущен
«Космос-215». Спутник выводился на низкую орбиту—высо-
та в апогее составляла 426 км. Такая орбита-выбрана для то-
го, чтобы полет проходил ниже радиационного- пояса. В про-
тивном случае частицы пояса создавали бьг сильный «фон»,
который вносил бы помехи в регистрирующие приборы и за-
труднил измерения.
' Спутник был оснащен небольшими телескопами с диамет-
ром зеркала 70 мм для наблюдений излучения горячих звезд
в различных диапазонах от видимой части спектра до ультра-
фиолетовой с длиной, волны 1225 А; рентгеновским телеско-
пом, который регистрировал излучение в спектральной обла-
сти от 0,5 до 5 А; двумя фотометрам.й для регистрации рассе-
янного в верхней атмосфере Земли солнечного излучения.
Комплексный эксперимент ио исследованию всего спектра
электромагнитных волн короче 300GA был праведен также на
спутнике «Космос-262». По существу, этот спутник стал ма-
лой оптической обсерваторией, оснащенной приборами для ре-
гистрации вакуумного, ультр^афполетового и мягкого рентге-
новского излучений одновремено Солнца, звезд, межзвездной
среды и верхней атмосферы Земли?.
На спутнике имелось три Гбнканалъных фотометра, Эти
приборы предназначались для изучения ВУФ и МР-ивлучс-
47
•пин Солнца, космического фона и верхней атмосферы Земли
в 16 отдельных спектральных интервалах. Интервалы выби-
рались таким образом, чтобы исследовать излучения от «спо-
койных» областей внешних оболочек Солнца, "возмущенных
вспышками районов и промежуточных областей. Кроме того,
эти приборы регистрировали излучение от основного элемен-
та солнечной атмосферы — водорода и общее интегральное
•излучение. Спектральные интервалы выделялись с помощью
автоматически переставляемых фильтров. Регистрировались
они одним приемником, что повышало точность измерений по
сравнению с методом, при котором для каждого интервала
имеется свой приемник.
Другая группа приборов включала два 10-канальных фо-
тометра с различными полями зрения. Располагались они па-
раллельно друг другу. Эта аппаратура предназначалась глав-
ным образом для исследования излучений звезд, межзвездной
среды и верхней атмосферы Земли. Чтобы исследовать звезды
и межзвездную среду, приборы должны были обладать очень
малыми полями зрения и высокой чувствительностью, что обе-
спечивалось специальными параболическими зеркальными
объективами, концентрирующими излучение от звезд на спе-
циальную диафрагму. Изменяемый диаметр отверстия в диа-
фрагме определял желаемую величину поля зрения. ’
Представителем третьей группы приборов был спектрометр
для исследования спектра излучения Солнца. Его требовалось
точно наводить на Солнце. Поэтому для прибора была разра-
ботана специальная'следящая система автоматического наве-
дения. Устройство ее предусматривало определенную логику
работы: поиск начинался Только в том случае, если Солнце
«попадало» в «поле зрения» следящей системы. Таким обра-
зом, исключался бесполезный расход электроэнергии на «ноч-
ной» стороне орбиты или когда спектрометр находился в те-
ни корпуса спутника.
Для успешной расшифровки и обработки информации
чрезвычайно важно было правильно и точно определить ори-
ентацию обсерватории в пространстве. Данная задача реша-
лась комплексом приборов, в состав которого входили чувст-
вительные к солнечному’свету элементы научной аппаратуры,
датчики углов поведения спектрометра на Солнце и магнито-
метр. Полученная информация позволила надежно установить
направления, откуда регистрировались излучения в тот или
иной момент времени.
ИЗУЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ.
Важное место в программе научных исследований на спут-
никах серии «Космос» занимает изучение космический лучей.
Для этого длительное' время производились непрерывные
48
измерения на однотипных по конструкции и научной аппара-
туре спутниках; выведенных на близкие орбиты последова-
тельно с интервалом в полгода. Запуск очередного спутника
производился до окончания расчетного срока пребывания в
космосе предыдущего, космические объекты в течение какого-
то времени находились на одинаковых высотах*в районе при-
мерно одних и тех же широт. Затем сравнивались показания
приборов и датчиков, установленных на разных ‘ спутниках,
при работе их в одинаковых условиях. Подобные измерения
патрульного характера проводились впервые.
На борту спутников устанавливался измерителный ком-
плекс, который состоял из круговой счетчиковой установки и
ионизационной камеры. Первый прибор представлял собой
систему газоразрядных счетчиков. Централный счетчик рас-
полагался по оси вольфрамового цилиндрического фильтра
толщиной 8 мм. Вокруг него, плотно прикасаясь друг к дру-
гу и внешней поверхности цилиндра, размещались 12 внеш-
них счетчиков, окруженных дюралюминиевым двухмиллимет-
ровым экраном. Каждый внешний счетчик образует с цен-
тральным телескоп двойных совпадений, который регистри-
рует частицы, прошедшие 8 мм вольфрама. Всего таких те-
лескопов в приборе 4.2.
Центральный и каждая пара внешних счетчиков, нити ко-
торых расположены в одной диаметральной плоскости, об-
разуют шесть телескопов тройных совпадений, регистрирую-
щих частицы, прошедшие 16 мм вольфрама.
При взаимодействии первичных частиц с веществом воль-
фрамового фильтра в последнем могут возникать ливни. Ге-
нерированные при этом вторичные частицы будут регистри-
роваться всеми датчиками прибора. Для учета ливневых
случаев в круговой установке выделяются пять внешних и
центральный счетчик, образующие вместе систему шестер-
ных совпадений.
Ионизационная камера является всенаправленным детек-
тором. Ее важное свойство как датчика — стабильность па-
раметров в течение нескольких лет непрерывной эксплуата-
ции. Газоразрядные и сцинтилляционные счетчики не обла-
дают такими свойствами. Камера изготавливалась из стали
толщиной 0,04 см. Объем ее 3000 см3 был заполнен аргоном
высокой очистки под давлением 8 ат. Собирающий электрод
в виде стержня со стальным шариком, расположенным в
центре камеры, укреплялся в ее горловине на изоляторе.
Прием телеметрических сигналов с борта спутников про-
изводился в полосе геомагнитных широт 39—26° и в интер-
вале высот от 250 до 520 км.
В данном эксперименте представлялась возможность ис-
пользовать земное магнитное поле в качестве спектроанали-
затора магнитной жесткости и получить данные о временном
49
распределении интенсивности и ионизующей способности
космических лучей в некоторых интервалах’энергетического
спектра и их связи с различными гео- и гелиофизическими
явлениями.
На ряде «Космосов» устанавливалась аппаратура для
измерения потоков электронов различных энергий. Такой
эксперимент проводился, в частности, на спутнике «Космос-
225». С его помощью исследовался поток электронов в соста-
ве -космического излучения на высотах больше 200 км. Дан-
ные измерений показали существование избыточного фона
электронов, подтверждая тем самым результаты, полученные
в более ранних опытах, в частности, на спутниках «Протон».
В полете исследовались также потоки различных групп ядер
в период, близкий к максимуму солнечной активности. Были
получены данные об относительных потоках различных
групп ядер и вариациях этих потоков.
Одним из средств анализа космических лучей может
служить определение заряда и энергии частиц по их откло-
нению в магнитном поле. Но для этого необходимы доста-
точно сильные и протяженные магнитные поля. На борту ис-
кусственных спутников Земли и автоматических межпланет-
ных станций они могут быть получены с помощью сверхпро-
водящих соленоидов.
Явление сверхпроводимости заключается, как известно, в
том, что электрическое сопротивление некоторых материалов
при охлаждении их ниже определенной, так называемой кри-
тической, температуры практически исчезает. Сверхпроводя-
щие свойства проявляются только при очень низких темпе-
ратурах, близких к абсолютному нулю. Применяемые сейчас
в практике сверхпроводящие устройства охлаждаются по-
этому в специальных сосудах — криостатах — жидким гели-
ем. Криостаты действуют по тому же принципу, что и обыч-
ные термосы, только требования к термоизоляции в них го-
раздо выше. Наружная стенка сосуда дополнительно охлаж-
дается жидким азотом.
Создание таких устройств сопряжено с некоторыми тех-
ническими трудностями, особенно если помещенные в них
сверхпроводники обладают большими размерами. В назем-
ных условиях такие трудности вполне преодолимы, в косми-
ческом полете они возрастают.
Впервые два небольших сверхпроводящих устройства с
полем около 15 тыс. э, охлаждаемые гелием в закр-итическом
состоянии, т. е. при температуре выше точки его кипения и
повышенном давлении, были установлены на искусственном
спутнике «Космос-140». Ток в оболочку соленоидов включал-
ся на Земле до запуска спутника. Оба устройства успешно
выдержали активный участок траектории. Магнитное поле
в них существовало около 10 ч. Причиной «срыва» поля по-
50
служил быстрый нагрев системы при создании искусственной
силы тяжести в результате вращения спутника. Эксперимент
дал возможность получить интересную информацию и позво-
лил сделать важные выводы для дальнейшего использования
в космических полетах сверхпроводящих устройств.
На спутнике «Коемос-213» исследования проводились
уже со значительно более сложным устройством. Оно со-
стояло из двух соленоидов, расположенных соосно, так, что
между ними имелся зазор с магнитным полем объемом око-
ло 1,5 м. Напряженность поля достигала примерно 20 ты-с. а.
Такое поле уже можно использовать для анализа состава
первичных космических лучей, в частности, для разделения
электронов и позитронов по их отклонению в магнитном по-
ле. Криостат особого устройства позволил в начале полета
применить двухфазную систему, содержащую как жидкий,
так и газообразный гелий.
Опыт подтвердил возможность сохранения низких — ге-
лиевых температур в условиях космического полета, а следо-
вательно, и применение разнообразных сверхпроводящих
систем на борту космических аппаратов.
Дальнейшее совершенствование криогенной техники, и в
частности, разработка экранно-вакуумных криостатов, а так-
же новых сверхпроводящих материалов позволит уже в бли-
жайшее время построить магнитные системы больщих объ-
емов и с напряженностью до 100 тыс. э. Предназначенные
для работы в условиях космического полета, они, несомнен-
но, станут мощным инструментом научных исследований.
Новые перспективы в изучении космических лучей в уда-
ленных областях Вселенной открывает зародившаяся срав-
нительно недавно гамма-астрономия. Если говорить о гам-
ма-лучах с энергиями, большими 50 Мэв, то они могут гене-
рироваться только космическими лучами. Поэтому измере-
ние интенсивности, спектрального и пространственного рас-
пределения таких гамма-лучей может дать незаменимую ин-
формацию о космических лучах, особенно если учесть, что
гамма-излучение распространяется прямолинейно и практи-
чески без потерь на огромные расстояния вплоть до фото-
метрического радиуса Вселенной. .
Первые опыты по измерению глобального потока гамма-
лучей с энергией, большей 50 Мэв, на искусственных спутни-
ках Земли были проведены с > помощью космических станций
«Протон-1» и «Протон-2». Полученная информация позво-
лила дать верхний предел потока гамма-квантов.
Эти исследования были продолжены затем с помощью
более совершенной аппаратурой на спутниках серии «Кос-
мос», в частности на «Космосе-208». В результате оценку
верхнего предела глобального потока гамма-квантов удалось
понизить примерно в 4 раза. -
।
51
ИССЛЕДОВАНИЕ АННИГИЛЯЦИОННОГО
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ~
В 1928 г. П. Дирак впервые указал на существование, в
природе особой симметрии. Она заключается в том, что у
каждой частицы вещества существует как бы «двойник» —
античастица, которая имеет ту же .самую массу и внутрен-
ний момент количества движения, но обладает противопо-
ложным знаком электрического заряда.
В 1932 г. 'гипотеза П. Дирака получила подтверждение.
В космических лучах был обнаружен позитрон, т. е. анти-
электрон— первая античастица. А спустя 20 лет на ускори-
телях были открыты антипротоны, антинейтроны и антиги-
пероны. Более того, теория утверждает, что наряду с эле-
ментарными частицами должны существовать составные час-
тицы—антиядра, состоящие из антипротонов и антинейтро-
нов, а следовательно, и атомы антиэлементов, в которых
вместо электрона будет позитрон. ' Такая высокая степень
симметрии законов природу по отношению к частицам и ан-
тичастицам позволяет предполагать, что она распространя-
ется на всю Вселенную. Иными словами, во Вселенной мо-
гут существовать участки, состоящие из антивещества. Прав-
да, до сих пор не существует экспериментальных и наблю-
дательных данных, которые сколько-нибудь определенно
подтверждали бы или опровергали наличие указанной сим-
метрии.
При рассмотрении симметричной Вселенной возникает
вопрос о масштабе разделения вещества и антивещества.
Представлены ли поровну звезды и антизвезды в галакти-
ках, или антивещественной является каждая вторая галак-
тика, или масштаб разделения еще какой-то иной.
В 1960 г. академиком Б. П. Константиновым была выдви-
нута гипотеза о возможном обмене между звездными систе-
мами из вещества и антивещества макроскопическими тела-
ми типа астероидов и метеоров. Антиастероид, попавший в
Солнечную систему, должен вести себя существенно отлич-‘
ным образом по сравнению с обычными астероидами. Воз-
можно именно такими телами из антивещества являются
кометы, поведение которых резко отличается от поведения
других небесных тел. А поскольку наблюдаемые метеорные
потоки образуются в результате распада комет, то они
должны состоять из мелких метеорных антител.
Одним из возможных путей проверки гипотезы об анти-
вещественной природе метеорных потоков могут быть на-
блюдения интегральных потоков аннигиляционых излучений,
которые должны возникать в верхних слоях атмосферы Зем-
ли -при «сгорании» антиметеоров. При «сгорании» антиме-
теора на аннигиляцию одного антинуклона будет приходить-
52
ся 1,5—2 гамма-кванта с энергией 0,511 Мэв, которые могут
выходить из атмосферы и наблюдаться на орбите искусст-.
венного спутника Земли.
Поскольку выход энергии на единицу массы антиметеора
значительно выше, чем для обычного метеора, то следует
полагать, что масса антиметеора должна быть очень мала.
Экспериментальные оценки определяют ее величиной поряд-
ка 10-9—10-10 г. Общая же масса антивещества, вносимого
потоком антиметеоров в атмосферу Земли за сутки, состав-
ляет 0,01 — 1 г. Аннигиляция такого количества антивещест-
ва создает на орбите спутника Земли средний поток гамма-
квантов с энергией 0,511 Мэв, равный 0,03—3 см~2 • сект1.
Наблюдения за интенсивностью аннигиляционного гам-
ма-излучения с энергией 0,511 Мэв проводились на спутнике
«Космос-135» в периоды действия ежегодных метеорных по-
токов Геминиды. Урсиды и Квадрантиды в зиму 1966/67 го-
да. Измерялись интенсивность линии 0,511 Мэв, интенсив-
ность гамма-излучения в широком энергетическом интерва-
ле от 0,3 до 2,7 Мэв, интенсивность электронов с энергией,
большей 1,5 Мэв, и протонов с энергией, большей 27 Мэв.
Измерения производились при помощи сцинтилляционно-
го гамма-спектрометра с 64-канальным амплитудным анали-
затором. Выносной детектор гамма-лучей обладал практи-
чески изотропной • чувствительностью. Измерения гамма-
спектров производились периодически раз в 10 мин. Время
набора информации равнялось 2 мин. По данным каж-
дого отдельного измерения гамма-спектра определялась ин-
тенсивность гамма-излучения. Счет гамма-квантов и счет за-
ряженных частиц проводился каждые 2 мин. При больших
загрузках вместо счета импульсов измерялось время запол-
нения емкости накопителей регистрирующих устройств.
При обработке полученной информации в первую оче-
редь рассматривалась относительная интенсивность антиги-
ляционной линии в спектре гамма-лучей. Поскольку ее доля
слабо зависит от геомагнитной широты, то было допущено
суммирование результатов отдельных измерений, выполнен-
ных на разных широтах. Определение средней относительной
интенсивности линии 0,511 Мэв в спектре гамма-лучей про-
водилось, таким образом, с более высокой точностью, чем в
случае одиночного измерения.
В зависимости от результатов все наблюдения были раз-
биты по времени на три периода: 13—18 декабря; 19—25 де-
кабря 1966 г; 2—12 января и несколько дней февраля 1967 г.
Интенсивность потоков аннигиляционного излучения по на-
блюдениям на первый период оказалась примерно в 1,5 раза
выше, чем во второй, и почти в 2 раза выше, чем в третий
периоды. При этом более высокое значение аннигиляционно-
го излучения для измерений 19—25 декабря по сравнению с
53
данными для января в основном определялись высокой ин-
тенсивностью линии 0,511 Мэв* наблюдаемой 22 декабря.
В противоположность временному ходу интенсивности
гамма-излучения в линии 0,511 Мэв потоки гамма-лучей в
оплошном спектре и интенсивность заряженных частиц не
претерпевали существенных временных вариаций.
Таким образом, в эксперименте на «Космосе-135» наблю-
дался временной ход интенсивности электрон-позитронного
аннигиляционного излучения. Эффект составлял примерно
50%.
Сравнение результатов измерений с данными по солнеч-
ной и геомагнитной активности и космическим лучам в пе-
риод наблюдений показало, что периоды с 10 по 20 декабря
1966 г. и с 1 по 15 января 1967 г., которые резко отличаются
друг от друга по наблюдаемой интенсивности гамма-квантов
с энергией 0,511 Мэв, по солнечной и геомагнитной активно-
сти очень сходны. Поэтому нельзя говорить о какой-либо
(прямой взаимосвязи наблюдаемого эффекта и солнечной ак-
тивности. В пользу этого свидетельствует также тот факт,
что повышенная интенсивность аннигиляционной линии в
спектре гамма-лучей в равной мере наблюдалась как днем,
так и ночью на всех геомагнитных широтах.
Если же обратиться к распределению метеорной актив-
ности в эти периоды, то оказывается, что повышение интен-
сивности аннигиляционного излучения наблюдается именно
во время действия метеорных потоков Геминиды и Урсиды.
Причем максимум для потока Урсиды приходится как раз
на 22 декабря, когда наблюдалась наибольшая интенсив-
ность линии 0,511 Мэв для второго периода.
Таким образом, если исходить из предположений об ан-
тивещественной природе метеоров, то наблюдавшийся эф-
фект может быть объяснен потоком антивещества, вносимого
в атмосферу Земли. Величина наблюдаемого эффекта оце-
нивает его примерно в 20 мг в сутки.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Дальнейшее развитие космических исследований и в пер-
вую очередь с помощью аппаратов дальнего действия тре-
бует создания радиосистем, способных обеспечить надежную
связь на любых расстояниях от Земли до межпланетной
станции. Эта задача может быт решена двумя способами.
Либо созданием мощных антенных систем на наземных
(пунктах, либо существенным повышением стабильности ча-_
стоты, а следовательно, и сужением полосы излучения бор-1
товых задающих генераторов электромагнитных колебаний.
Применяемые до настояещго времени кварцевые генера-:
54
торы имеют сравнительно невысокую стабильность. Кроме
того, они подвержены старению, «ызывающему дрейф и зна:
чительное смещение частоты. По сравнению с ними молеку-
лярные генераторы не отличаются большой мощностью, но
их стабильность намного превышает стабильность лучших
кварцевых генераторов, благодаря чему во много раз повы-
ше отся чувствителность приемной аппаратуры.
Использование молекулярных генераторов в бортовой ап*,
паратуре искусственных спутников Земли позволит не толь-
ко осуществлять их управление и передачу телеметрической
информагГйи на очень больших расстояниях от Земли, но и
значительно повысит точность работы программно-времен-
ных устройств и систем определения траектории движения
спутника.
Для использования в качестве высокостабильного борто-
вого генератора частоты более всего подходят квантовые ге-
нераторы на аммиаке. Они устойчивы к вибрациям, компакт-
ны и долговечны. Именно такие генераторы, работающие на
двух встречных пучках молекул, устанавливались на ряде
спутников «Космос».
Для проведения экспериментов использовались модифи-
кации унифицированного спутника с солнечными батаре-
ями. Молекулярный генератор устанавливался на внешней
поверхности корпуса спутника. Сверху он закрывался кожу-
X01M с двойными стенками, имеющими отверстия, площадь
кодорых обеспечивала необходимую скорость удаления ам-
миака в космическое пространство. Отверстия на Двух стен-
ках были смещены между собой таким образом, чтобы пре-
дотвратить прямое попадание в молекулярный генератор
космических частиц и излучения Солнца. Одновременно ко-
жух служил основанием для размещения приемной и пере-
дающей антенн.
Электрическая связь молекулярного генератора с источ-
никами питания, обслуживающей аппаратурой, а также при-
борами научной аппаратуры, размещенными внутри корпу-
са, осуществлялась через герметичные штепсельные разъ-
емы, установленные на специальные фланцы.
Эксперимент на спутнике требует прежде всего возмож-
ности измерения номинального значения стабильности ча-
стоты в космическом полете. Для этого необходимо осущест-
влять ее сравнение с наземным эталоном частоты.
В опытах на «Космосах» в качестве наземного эталона
использовались три одинаковых, независимо работающих,
молекулярных генератора, имеющих ту же конструкцию и
тот же режим работы, что и бортовой генератор. Изменение
частоты любого из наземных генераторов могло быть точно
определено относительно двух других.
При передаче на наземную станцию частота бортового
65
генератора будет значительно смещена вследствие эффекта
До1плера. Для устранения этого недостатка был разработан
и успешно применен метод автоматической компенсации эф-
фекта Доплера при двухсторонней радиосвязи между назем-
ной станцией и спутником.
Генератор стабильно работал на разных высотах над
Землей, внутри и вне радиационного пояса, при освещении
спутника Солнцем и в тени Земли. Таким образом, была
экспериментально подтверждена возможность работы кван-
товых стандартов частоты в условиях естественного ваку-
ума, невесомости и других факторов космического полета.
Рис. 6. Спутник, с электромаховичной системой
ориентации («Космос-23»).
Полученные данные позволили сделать выводы, необхо-
димые для дальнейшей конструктивной разработки борто-
вых молекулярных генераторов с целью создания промыш-
ленных образцов широкого применения.
С помощью спутников «Космос» впервые была осущест-
влена и автоматическая стыковка двух космических аппара-
тов на орбите. Сначала она была выполнена на спутниках
«Космос-186» и «Космос-188», а затем успешно повторена
на спутниках «Космос-212 и 213». Основной целью этих ра-
бот являлась проверка научных идей и конструкторских ре-
шений автоматической стыковки двух космических аппара-
тов.
Автоматическая стыковка — важнейшая задача развития
космической техники. Известно, что выведение' одного только
56
килограмма груза на орбиту искусственного спутника тре-
бует около 50 кг начального веса ракеты-носителя. Можно
себе представить, какой вес должна иметь на старте раке-
та, необходимая для осуществления полета человека к пла-
нетам Солнечной системы. Он будет исчисляться десятками
тысяч тонн. Такие ракеты-носители являются уникальными
конструкциями, требующими сложной поэтапной отработки
в наземных и летных условиях. Для их запуска необходимы
колоссальные стартовые сооружения.
Завтрашний день космонавтики — создание- больших ор-
битальных научных станцйй с длительным временем сущест-
вования. Эти станции будут монтироваться из отдельных со-
ставных частей, доставляемых на орбиту сравнительно ма-
ломощными носителями. Необходимо также будет обеспе-
чить бесперебойное снабжение этих станций, пополнение за-
пасов топлива, смену агрегатов и аппаратуры.
Стыковка может осуществляться с участием человека
или полностью автоматически. Конечно, участие человека
значительно облегчило бы решение поставленной задачи, но
оно же потребовало бы обеспечения условий для его нор-
мальной жизнедеятельности, безопасности полета и возвра-
щения на Землю. А это, в свою очередь, потребовало бы ли-
бо увеличения веса космического аппарата., либо уменьше-
ния полезной нагрузки.
Для обеспечения автоматического поиска, сближения и
стыковки на каждом из «Космосов», участвовавшем в сты-
ковке, устанавливалось специальное оборудование: аппара-
тура системы ориентации и автоматического управления
движением; двигательная установка многократного действия
для коррекции орбиты и сближения; двигатели малой тяги
для ориентации и причаливания; аппаратура управления
стыковой и стыковочные узлы. На одном из спутников был
стыковочный узел активного типа — штанга, а на другом
узел пассивного типа—приемный конус.
Автоматическая стыковка проводилась следующим обра-
зом. После выведения обоих спутников на орбиту происхо-
дит взаимный поиск с помощью радиосистемы наведения,
которая обеспечивала измерение параметров относительного
движения спутников — расстояния между ними, скорости
его изменения, угловой скорости' линии визирования, т. е.
прямой, соединяющей центры масс спутников, углов между
линией визирования и конструктивными осями спутников.
При сближении спутников' до расстояния около 300 м ра-
ботает сближающе-корректирующая двигательная установ-
ка. Далее сближение осуществляемся с помощью системы
двигателей малой тяги. При этом достигается небольшая от-
носительная скорость движения спутников при встрече—по-
рядка 0,5—1 м/сек и тем самым безопасность стыковки.
«Космос-186» и «Космос-188» совершали полет в состы-
кованном состоянии 3 ч 30 мин, а «Космос-212» и «Космос-
213»—3 ч 50 мин. При этом проводился контроль бортовых
систем и электрических цепей спутников. Затем по команде
с Земли была произведена расстыковка. После расстыковки
спутники продолжали полет по заданной программе.
Несомненно, что эксперименты по автоматической сты-
ковке, успешно выполненные на спутниках серии «Космос»,
открывают широкие перспективы создания сложных косми-
ческих систем и в первую очередь многоцелевых орбиталь-
ных станций.
* * *
Наука стоит на пороге новых открытий, еще более глубо-
кого проникновения в тайны окружающего нас космического
пространства. Можно предвидеть, что советские ученые, во-
оруженные передовым мировоззрением, отличной базой для
исследований, внесут ценный вклад в развитие мировой нау-
ки. Свидетельство тому все новые запуски на космические
орбиты советских кораблей серии «Союз», автоматических
межпланетных станций «Венера», спутников «Космос» и ре-
зультаты выполненных в последнее время космических экс-
периментов.
ЛИТЕРАТУРА
Альперт Я. Л. О некоторых исследованиях ионо-
сферы с помощью радиоволн, излучаемых с ИЗЛ.—
В кн.: Успехи СССР в исследовании космического
пространства. М., «Наука», 1968, стр. 71 —105.
Альперт Я. Л. Исследования ионосферы. — «Вест-
ник АН СССР», 1968, № 4, стр. 55—60.
Афонин В. В., Бреус Т. К., Гдалевич Г. Л., Горо-
жанкин Б. Н., Грингауз К. И. и др. Краткий обзор
результатов физических экспериментов, проведен-
ных в ионосфере на спутнике «Космос-2». — В кн.:
Исследования космического пространства. М.,
«Наука», 1965, стр. 151.
Басов Н. Г., Борисенко М. И., Власов В. П., Дубо-
носов С. П., Иванов Н. Е., Страховский Г. И., Фе-
доренко Г. М., Чихачев Б. М. Опыт работы моле-
кулярного генератора на искусственном спутнике
Земли. — «Космические исследования», т. V, вып.
4, 1967, стр. 608.
Болюнова А. Д., Веревкин А. Д., Гальперин Ю. И.
и др. Исследование геоактивных корпускул и фото-
электронов на спутнике «Космос-261». Препринт.
М., 1969 (ИКИ АН СССР).
Васильев Б. Н., Житник И. А., Корнеев В. В., Кру-
тов В. В., Мандельштам С. Л., Тиндо И. П., Чере-
мухин Г. С., Шурыгин А. И. Предварительные ре-
зультаты исследований рентгеновского излучения
Солнца с помощью спутника «Космос-166».—«Кос-
мические исследования», т. VI, вып. 3, 1968, стр.
420.
Вернов С. Н., Нестеров В. Е. и др. Исследования
внешнего радиационного пояса Земли на малых
59
60
Панов В. Н., Аптекарь Р. Л., Голенецкий С. В.,
Гурьян Ю. А., Ильинский В. Н. Исследование ва-
риаций аннигиляционного гамма-излучения на
ИСЗ «Космос-135» в связи с возможной антиве-
щественностью метеорных потоков. Препринт
ФТИ—224. Л., 1969.
Маров М. Я. О динамическом характере плотности
атмосферы на высотах 200—300 км. — В юн.: Ис-
следования космического пространства. М., «Нау-
ка», 1965, стр. 41—47.
Маров М. Я. Изучение плотности верхней атмо-
сферы по торможению ИСЗ. — «Вестник АН
СССР», 1967, № 1.
Розенберг Г. В., Малкевич М, С., Касаткин А. М.,
Зайцев Ю. И. Космическая стрела исследует ат-
мосферу.— «Природа», 1967, № 9, стр. 69.
Тихонравов М. К., Раушенбах Б. В., Скуридин
Г. А., Вайсберг О. Л. Основные итоги космического
десятилетия,—В ки.: Успехи СССР в исследова-
нии космического пространства. М., «Наука», 1968.
Шафер Ю. Г., Ярыгин А. В. Патрульный регистра-
тор космического излучения. — «Геомагнетизм и
астрономия», 1968, № 1, стр. 163—166.
Шафер Ю. Г., Болюнова А. Д., Гальперин Ю. И.,
Кулагин А. Г., Петрищева И. С. Измерение радиа-
ционных эффектов американского высотного тер-
моядерного взрыва «Морская звезда» на спутнике
«Космос-6». — «Космические исследования», т. VI,
вып. 6, 1968, стр. 877.
СОДЕРЖАНИЕ
ЮРИЙ ИВАНОВИЧ ЗАЙЦЕВ
СПУТНИКИ «космос*
Редактор И. Б. Файнбойм
Обложка Л. П. Ромасенко
Сдано в набор 29.VI.1970 г. Подписано
4.VIII.1970 г. Формат бумаги 60X90/16.
3/4?
НАЧАЛАСЬ ПОДПИСКА
НА 1971 ГОД!(
Вниманию читателей!
ВСЛИ ВЫ ХОТИТЕ РЕГУЛЯРНО ПОЛУЧАТЬ
НОВЕЙШУЮ ИНФОРМАЦИЮ ПО
ИНТЕРЕСУЮЩИМ ВАС ОТРАСЛЯМ ЗНАНИИ,
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ.
НА СЕРИИ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ
БРОШЮР ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЗНАНИЕ»:
«История и политика КПСС», «Научный
коммунизм», «Философия», «Естествознание
и религия», «История», «Экономика», «Госу-
дарство и право», «Международная», «Мате-
матика, кибернетика», «Физика», «Химия»,
«Космонавтика, астрономия», «Наука о земле»,
«Биология», «Техника», «Промышленность»,
«Строительство и архитектура», «Транспорт»,
«Радиоэлектроника и связь», «Сельское хо-
зяйство», «Медицина», «Литература»,
«Искусство», «Молодежная», «Педагогический
факультет», «Факультет здоровья».
АВТОРЫ БРОШЮР — ВИДНЫЕ
УЧЕНЫЕ, ГОСУДАРСТВЕННЫЕ И ОБ-
ЩЕСТВЕННЫЕ ДЕЯТЕЛИ, ПИСАТЕ-
ЛИ, ЖУРНАЛИСТЫ.
ПОДПИСНАЯ ЦЕНА ОДНОЙ СЕРИИ НА
ГОД ОТ 1 РУБ. 08 КОП. ДО 1 РУБ. 80 КОП. В
ГОД ВЫХОДИТ 12 БРОШЮР (ОДНА В МЕ-
СЯЦ) ПО КАЖДОЙ СЕРИИ.
ПОДПИСКА ПРИНИМАЕТСЯ ТАК ЖЕ,
КАК НА ГАЗЕТЫ И ЖУРНАЛЫ: В ОТДЕЛЕ-
НИЯХ СВЯЗИ, ЧЕРЕЗ ОБЩЕСТВЕННЫХ РАС-
ПРОСТРАНИТЕЛЕЙ ПЕЧАТИ ПО МЕСТУ РА-
БОТЫ.
Издательство «Знание»
12 коп
Индекс 70072
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1970