АЛЕКСАНДР ЮЛЬЕВИЧ ИШЛИНСКИЙ - специалист в области механики и ее приложений, академик, Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии, директор Института проблем механики АН СССР.


ВАЛЕНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ ШВАРЕВ - кандидат технических наук, заведующий сектором Института космических исследований АН СССР. Изучает инженерно-физические свойства горных пород Луны.

ИШЛИНСКИЙ А. Ю., ШВАРЕВ В. В.
МЕХАНИКА ЛУННОГО ГРУНТА И ГРЯДУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАНЕТ

  • Стремительное развитие изучения Вселенной постоянно ставит перед наукой и техникой новые сложные проблемы, вовлекает в космические исследования новые научные направления.
  • В наш век фундаментальных открытий в области физики элементарных частиц, физики твердого тела и плазмы, теории излучения и удивительных достижений молекулярной биологии и химии полимеров механика — наука о простейшей форме движения материи — казалось бы, мало чем может удивить человечество. Однако положение дел таково, что механика явно или незримо присутствует практически во всех разделах исследований по физике, химии, биологии и тем более в инженерных творениях. Успешное комплексное изучение Луны, уверенное движение по ее поверхности «Лунохода-1» свидетельствует о том, что новой полноправной областью космической науки становится механика лунного грунта.
  • Среди главных задач механики лунного грунта прежде всего нужно назвать задачи, связанные с обеспечением мягкой посадки на Луну космических станций и кораблей, с движением по ее поверхности машин-автоматов и космонавтов, с зондированием поверхностного слоя лунного грунта и др. Непосредственно за ними безусловно потребуют своего решения такие задачи, как выполнение на Луне горных и строительных работ, связанных с селенологическими исследованиями, разведкой полезных ископаемых, сооружением жилищ и убежищ, прокладкой транспортных и энергетических магистралей и пр.
  • Задачи механики лунных грунтов сходны с теми задачами, которые решает общая механика грунтов, но лунные условия существенно усложняют их решение. Поверхность Луны не защищена атмосферой и открыта воздействию разнообразных факторов космической среды. Глубокий вакуум, космическая радиация, излучение Солнца, микрометеориты, резкая смена температур и, наконец, пониженная сила тяжести создают весьма своеобразные условия формирования и существования поверхностного слоя лунного грунта. В то же время на Луне благодаря отсутствию атмосферы и влаги нет обычных для земных условий процессов поверхностной эрозии и выветривания. Все это заставляет отказаться от отождествления земного и лунного грунта и делает необходимым проведение обширных специфически лунных грунтовых исследований. В результате этих исследований должны быть получены привычные характеристики, позволяющие судить о поведении грунта при его нагружении. Но методы этих исследований во многом отличаются от обычных хорошо известных и широко используемых методов грунтоведения. Это определяется, с одной стороны, тем, что объект исследований находится на чрезвычайно большом удалении от Земли и для его изучения прежде всего должны быть разработаны дистанционные методы, позволяющие оценить прочность грунта, находящегося на чрезвычайно больших расстояниях от экспериментатора. С другой стороны, исследования усложняются своеобразными физическими условиями окружающей среды, которая может очень существенно влиять на свойства грунта и на характер его взаимодействия с соприкасающимися контртелами.
  • Кроме того, экспериментатор, жизнедеятельность которого возможна только в привычной земной атмосфере, всегда отделен от изучаемого грунта. Даже когда человек ступает на Луну или лунный грунт доставляется в земные лаборатории, исследователь и изучаемый объект продолжают оставаться в различных средах. Если же грунт будет перенесен в земные условия, то многие свойства его, прежде всего поверхностные, станут иными. Поэтому своеобразие экспериментальных методов механики внеземных грунтов связано с необходимостью изучения грунта в той космической среде, в которой он находится в своем естественном состоянии. Указанные особенности требуют широкого применения современных достижений физического приборостроения, электроники, радиотехники, космической технологии и вакуумной техники.
  • Следует отметить, что механика лунного грунта является началом внеземного грунтоведения и методы механики лунного грунта должны стать основой методов исследования грунтов Марса, Венеры и других планет.
  • В настоящее время механика лунных грунтов развивается по следующим основным направлениям:
  • — разработка моделей лунного грунта;
  • — подбор земных грунтов и искусственных материалов, которые могут служить структурно-механическими аналогами грунтов Луны, и изучение их свойства в условиях, имитирующих лунные;
  • — изучение свойств грунтов непосредственно на поверхности Луны;
  • — лабораторное исследование образцов лунных грунтов, доставленных на Землю.
  • Исследования по механике лунного грунта начались с создания его моделей и выбора характеристик, необходимых для расчета направляемых на Луну космических аппаратов.
  • Первичные расчетные модели были построены в результате обобщения многолетних астрономических наблюдений Луны. После эти модели были уточнены на основе анализа фотоснимков, сделанных вначале на относительно небольшом расстоянии от Луны, а затем непосредственно на ее поверхности. Однако диапазон характеристик грунта, принятых в его первых моделях, был весьма широк. Оценки прочности лунного грунта были различными. Предполагалось, что грунт может оказаться либо совсем слабым и рыхлым, либо, наоборот, он будет плотным и будет оказывать большое сопротивление при воздействии на него различных нагрузок. Предстояло уточнить механические характеристики лунного грунта. Сделать это можно было с достаточной достоверностью только путем прямых наблюдений и измерений на поверхности Луны.
  • Важным этапом подготовки прямых измерений на поверхности Луны, помимо создания приборов и обеспечения их доставки на Луну, был подбор моделей грунтов-аналогов с механическими свойствами, подобными свойствам лунных грунтов, и параллельное изучение влияния на них особых условий, существующих на Луне. Это было необходимо как для разработки методов расшифровки результатов предстоящих измерений на поверхности Луны, так и для выявления поведения грунта под нагрузкой, создаваемой приборами, доставленными на Луну. Поскольку о природе поверхностного слоя Луны высказывались многочисленные, часто противоречащие друг другу гипотезы (например, гипотезы лавового покрова, слоя обломочных и зернистых материалов и шлака, рыхлого пылевого покрова и ряд других), то сначала в качестве грунтов-аналогов использовались разнообразные материалы с охватом крайних значений плотности и прочности предполагаемых лунных грунтов. По своей структуре материалы выбирались различные: рыхлые и сыпучие зернистые, связанные зернистые, твердые пористые и плотные камневидные и др. Так как большая часть имевшихся данных свидетельствовала о низкой плотности грунта Луны, среди исследованных материалов преобладали рыхлые и пористые материалы малого удельного веса. Изучались материалы как природного происхождения, так и искусственно приготовленные. В связи с этим были начаты исследования грунта в вакуумных условиях. В условиях лунного вакуума поверхность минеральных частиц свободна от адсорбционных слоев влаги и газа. Взаимное соприкосновение подобных частиц, обладающих ювенильно чистыми поверхностями, сопровождается интенсивной адгезией (слипанием).
  • Однако обширные эксперименты в вакууме не дали однозначных результатов, что объясняется прежде всего отсутствием единой методики у разных исследователей, а также большими техническими трудностями при проведении высоковакуумных исследований с мелкодисперсными и пористыми минеральными материалами, которые весьма прочно удерживают адсорбционные газы. Тем не менее можно было считать установленным, что длительное пребывание в вакууме приводит к слипанию отдельных зерен с образованием более или менее крупных комков и агрегатов. Грунт приобретает некоторую связность, обусловленную сцеплением в точечных контактах между зернами. Однако четких количественных оценок влияния вакуума на свойства грунтов не было получено.
  • Изучалось также влияние на механические свойства зернистых минеральных материалов пониженного по сравнению с земным тяготения. Эти исследования проводились на самолетах и на специальных лабораторных установках. Грунты-аналоги в стенде самолета-лаборатории во время полета его по специальной траектории находились под действием лунного ускорения в течение нескольких десятков секунд. В это время определялся комплекс механических характеристик грунта. В лабораториях испытания проводились на специальных установках с системой падающих грузов. Грунт помещался в контейнер, в момент падения которого удавалось воспроизвести лунное ускорение силы тяжести, и в это время с помощью специальных датчиков определялись характеристики грунта. Эти эксперименты были дополнены исследованиями на центробежных машинах в области ускорений силы тяжести, превышающих земное. Проведенные исследования подтвердили правильность классических решений механики грунтов, согласно которым изменение ускорения силы тяжести сильно влияет на несущую способность сыпучих грунтов и слабо на несущую способность грунтов, обладающих существенным сцеплением между зернами. В то же время они показали, что фактические зависимости в данном случае имеют сложный вид. В частности, ожидаемой прямой пропорциональности между ускорением силы тяжести и несущей способностью сыпучих грунтов не наблюдается.
  • Несмотря на довольно большой объем работ на грунтах-аналогах, однозначных представлений о прочности и других свойствах лунного грунта получено не было. Все более явной становилась необходимость проведения прямых измерений свойств лунного грунта непосредственно на самой лунной поверхности. Для проведения этих исследований необходимо было осуществить мягкую посадку на Луну автоматической станции.
  • В феврале 1966 г. автоматическая станция впервые совершила мягкую посадку на Луну в районе Океана Бурь. Это была советская станция «Луна-9»; посадка этой станции сразу убедила исследователей в том, что лунный грунт способен выдержать кратковременную ударную нагрузку от садящегося космического аппарата, а затем и длительную статическую нагрузку без больших деформаций. С помощью телевизионной аппаратуры, установленной на станции «Луна-9», впервые были получены панорамные снимки лунной поверхности, на которых лунный грунт был отчетливо виден с расстояния от 1 м. Интересным было обнаружение в поле зрения телевизора значительного количества камней разных размеров, хаотически разбросанных по поверхности.
  • При обработке панорам был сделан вывод о том, что в месте посадки станции «Луна-9» поверхностный слой имеет сильно изъеденную губкообразную структуру. Не было отмечено следов бесструктурного пылевого или сыпучего слоя. Поскольку процесс поверхностной деструкции лунной поверхности трудно представить без первичного образования пылевидного мелкодисперсного материала, было сделано предположение о том, что первоначально раздробленное вещество образует под действием адгезионных сил в сверхвысоком лунном вакууме специфические агрегаты, являющиеся, по существу, вторичными структурами.
  • 24 декабря 1966 г. на Луну опустилась советская автоматическая станция «Луна-13», которая впервые произвела инструментальную инженерно-геологическую разведку на поверхности Луны. На станции был установлен ряд специальных приборов, позволивших непосредственно оценить механические свойства грунта одновременно несколькими методами. Причем были использованы обычные методы инженерно-геологической разведки, но приборы отличались тем, что при минимальных размерах и весе в них использовались достижения современной электроники, ядерной физики, радиотехники и космической техники.
  • Исследования проводились тремя приборами: радиационным плотномером, грунтомером пенетрометром и динамографом, работавшими независимо друг от друга. Кроме того, имелась возможность анализа по телевизионным снимкам следов деформации грунта, происшедшей при посадке.
  • Значительный вклад в изучение лунных грунтов дали эксперименты, выполненные на американских лунных станциях «Сервейер» в 1966—1968 гг. Наиболее интересные данные были получены в результате изучения отпечатков опор этих аппаратов на лунном грунте, анализа динамики соударения опор с лунным грунтом, опытов по рытью траншеек (глубиной до 18 см) и нагружению поверхности грунта специальным механизмом, управляемым с Земли. Одновременно было сделано большое число телевизионных снимков с высоким разрешением и проведены наблюдения над воздействием на грунт газовых струй реактивных двигателей аппаратов, взаимодействием грунтов с магнитами и оседанием пыли на поверхностях аппарата.
  • На основании первых экспериментов, выполненных с помощью автоматических лунных станций было сделано заключение о том, что на поверхности Луны лежит слой мелкозернистого слабосвязанного грунта с примесью большого количества камней и обломков разных размеров, По гранулометрическому составу этот грунт был отнесен к пылевидному песку. Плотность его по разным определениям находилась в пределах от 0,8 до 1,5 г/см3. Модель поверхностного слоя Луны на этом этапе исследований выглядела приблизительно следующим образом. На самом верху залегает тонкий слой весьма рыхлого серого пылевидного материала. Под ним может существовать тонкая хрупкая корочка, возникшая при «спекании» пылевых частиц под действием космических условий. Далее идет основной слой разнозернистого песчано-пылеватого материала, который по мере увеличения глубины становится значительно плотнее и прочнее. Толщина его может колебаться от нескольких сантиметров до метров.
  • Помимо определения механических свойств лунного грунта, на ряде автоматических станций проводился дистанционный (с помощью лунных спутников) и прямой радиационно-химический анализ лунных горных пород, в результате которого было установлено, что поверхностный слой Луны во всяком случае в ее «морских» областях состоит из базальтовых пород, которые могут быть представлены плотными лавами, пористыми лавами, раздробленными кусками лав и основными шлаками. По современным представлениям верхний слой разнозернистого грунта образовался одновременно с изменениями магмы и выбросами вулканических пеплов, шлака и пемзы, подобно тому, как это происходило на Земле, а частично возник из обломков лавы при дроблении ее метеоритами. В составе этого слоя могут быть как сплошные, так и пористые зерна. Сплошные — это обломки плотных лав и брызги вулканического стекла, а пористые — это продукты дробления пористых лав и других вулканических пород. Возниковение пористых лав вполне возможно в лунных условиях: в момент, когда магма изливалась в вакуум, из нее интенсивно выделялись газы, растворенные до того в расплаве. Они-то и «вспенивали» ее. Помимо отдельных обломков и зерен, в составе лунных грунтов могут встретиться более или менее крупные камни, которые родились либо при спекании горячих вулканических продуктов, подобно тому как образовались земные туфы, либо образовались из холодных зерен, слипшихся под действием молекулярных сил при длительном пребывании в вакууме.
  • Такие представления о происхождении и свойствах лунного грунта сложились на первом этапе прямых исследований лунной поверхности автоматическими станциями.
  • Полученные данные облегчили дальнейший подбор и изучение механических свойств грунтов-аналогов на Земле. Целью этих исследований стала подготовка к следующим этапам прямых экспериментов, связанных с отбором и изучением лунных образцов и с передвижением по поверхности и изучением свойств грунтов не в отдельных точках, а в целых районах. Теперь следовало выбрать грунты-аналоги, наиболее приближавшиеся по своим свойствам к известным свойствам лунных грунтов, выявить особенности поведения этих грунтов в вакууме и, наконец, отработать на них достаточно эффективные методы отбора образцов лунных грунтов, а также методы передвижения по поверхности Луны.
  • Исследования советских ученых, проведенные в этот период, показали, что ближайшими аналогами верхнего слоя лунного грунта по механическим свойствам, гранулометрическому составу и минералогии можно считать рыхлые продукты современных вулканических извержений, которые не подвергались существенным изменениям в ходе выветривания, эрозии и почвообразования, например: отложения направленных взрывов, выбросов пемзы и шлака, а также смытые и переотложенные вулканические пески. Однако структурно-механические свойства рыхлых вулканических отложений, несмотря на достаточно большую их распространенность по поверхности Земли, до последнего времени были недостаточно изучены даже в обычных условиях. Ведь основные районы, где находятся такие отложения, относительно малодоступны, а вулканические породы редко используются в технических целях. В связи с этим было проведено детальное изучение этих пород как в их естественном залегании, так и в лабораторных условиях.
  • Оказалось, что большинство вулканических пород обладает почти вдвое меньшим объемным весом, чем обычные аллювиальные пески, и почти вдвое более высоким коэффициентом пористости. Для них характерна необычно высокая сжимаемость и способность к деформации. Интересно отметить, что их поверхность проседает обычно только непосредственно в зоне нагружения. При этом даже при достаточно больших деформациях не наблюдается прогиба прилегающих участков и нет выпирания грунта в сторону. Это весьма существенно для расчета опирающихся на грунт конструкций и машин.
  • Исследования грунтов-аналогов в вакууме были направлены в основном на выявление своеобразия их поведения при взаимодействии с контртелами. В этих исследованиях имитировались процессы движения по грунту и проникновения в него.
  • Весьма важным аспектом применения новых грунтов-аналогов было их использование на испытательных полигонах и стендах для отработки макетов космических аппаратов, совершающих посадку и движение по Луне.
  • Интересно также отметить, что удалось выбрать естественные площадки для натурных испытательных полигонов, такие, где поверхность и грунт в максимальной степени приближались к известным свойствам поверхности и свойствам грунта Луны.
  • Однако было очевидным, что исследования грунтов-аналогов даже в условиях, когда имитируется действие на них отдельных космических факторов, должны быть дополнены исследованиями натурных образцов лунных грунтов и обстоятельным сравнением их свойств со свойствами грунтов-аналогов.
  • Таким образом, задачей следующего этапа исследований по механике лунного грунта был отбор, доставка и исследование в лабораторных условиях образцов лунного грунта.
  • В 1969—1970 гг. на Землю были доставлены первые образцы лунного грунта. Это выдающееся достижение было осуществлено экспедициями космических кораблей «Аполлон-11» и «Аполлон-12» и советской автоматической станцией «Луна-16».
  • Автоматическая станция «Луна-16» осуществила мягкую посадку на Луну 20 сентября 1970 г. в районе Моря Изобилия. Станция состояла из посадочной ступени с грунтозаборным устройством и космической ракеты «Луна — Земля» с возвращаемым аппаратом.
  • Грунтозаборное устройство включало в себя буровой станок, штангу, к которой он прикреплен, и приводов, перемещающих штангу в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рабочим органом, осуществляющим бурение, служил трубчатый буровой снаряд с резцами на торце, рассчитанный на работу в широком диапазоне зернистых грунтов и твердых пород и обеспечивающий отбор пробы на глубине до 35 см.
  • Выбор места бурения, обеспечение контакта с поверхностью Луны и углубление бурового снаряда в грунт осуществлялось автоматически по команде с Земли. Скорость углубления бурового снаряда и расход энергии при бурении контролировалось с Земли, и по этим данным можно было судить о сопротивлении бурению. По окончании бурения буровой снаряд с отобранной пробой был введен внутрь контейнера возвращаемого на Землю аппарата, и контейнер был плотно закрыт герметичной крышкой. Затем был осуществлен старт ракеты «Луна—Земля» с возвращаемым аппаратом, который приземлился 24 сентября 1970 г. Контейнер с грунтом был доставлен в специальную камеру Приемной лаборатории АН СССР, где в атмосфере инертных газов проба грунта была извлечена из контейнера и передана для исследований.
  • Другая процедура отбора и доставки на Землю образцов лунного грунта была применена на космических кораблях «Аполлон-11», «Аполлон-12». В этих случаях образцы отбирались космонавтами вручную с помощью специальных геологических инструментов. Для сбора образцов с поверхности служил металлический совок и пружинные щипцы. Для взятия проб из глубины—трубчатый грунтонос, который космонавты забивали в грунт вручную.
  • Отобранные пробы засыпались в тефлоновые пакеты, а затем помещались в герметические контейнеры, которые были доставлены в Приемную лабораторию.
  • Сопоставление данных, полученных при лабораторном исследовании образцов, доставленных разными космическими аппаратами, позволило подробно изучить свойства грунта различных морских районов Луны. Эти данные свидетельствуют о своеобразии рыхлого поверхностного слоя Луны.
  • Общий вес пробы грунта, доставленного станцией «Луна-16», был несколько более 100 г, что достаточно для полного изучения не только химического и минералогического состава, но и физических свойств, в том числе комплекса механических свойств, характеризующих его взаимодействие с твердыми телами.
  • Механические свойства доставленной пробы исследовались различными методами, в том числе на специальной универсальной установке, где обеспечивалось комплексное изучение многих механических характеристик в вакууме и в атмосфере.
  • Проводилось определение сжимаемости, сопротивления пенетрации, адгезионные, фрикционные, абразивные и другие характеристики грунта. При этом параллельно определялись эти же свойства на образцах земных вулканических материалов - возможных аналогах лунного грунта.
  • Исследования структурно-механических свойств пробы лунного грунта, взятого «Луной-16», существенно дополнили имевшиеся данные и в то же время подтвердили представления о том, что грунт в верхнем слое Луны по прочностным свойствам можно отнести к разряду весьма слабых. Поэтому движение по такому грунту машин-автоматов и людей, облаченных в скафандры, может быть осуществлено лишь при условии принятия специальных мер, способствующих снижению удельной нагрузки на грунт. Обнаруженная существенная проседаемость грунта исследованного типа под нагрузкой также должна учитываться при разработке средств посадки на Луну и движения по ее поверхности.
  • Микротвердость частиц и обусловленная ею абразивность лунного грунта сравнительно невелики, существенно уступают, например, аналогичным свойствам кварцевого песка. В связи с этим абразивное изнашивание деталей технических устройств при периодическом контакте с лунным грунтом не должно превышать значений, наблюдаемых в земных условиях. Однако следует учитывать опасность адгезионного изнашивания, величина которого в условиях сверхвысокого вакуума может быть весьма значительной.
  • Значения коэффициентов трения лунного грунта с образцами, выполненными из различных конструкционных материалов, достаточно велики для обеспечения хождения и движения даже в условиях слабого лунного притяжения. Однако отмеченная значительная проседаемость грунта под нагрузкой должна приводить к дополнительным затратам энергии при передвижении.
  • Гранулометрический анализ и некоторые другие методы исследования показали, что образующийся в результате сравнительно слабого механического воздействия на лунный грунт мелкозернистый порошок способен проникать в весьма малые технологические щели и зазоры технических устройств, что должно учитываться при разработке их конструкции.
  • Однако при оценке полученных результатов необходимо помнить, что они относятся лишь к одной из разновидностей лунного грунта, число которых, по-видимому, может быть весьма значительным.
  • Исследованный материал по механическим свойствам подобен исследованным земным вулканическим материалам, но сходство это далеко не полное. Грунт верхнего слоя Луны по некоторым свойствам несколько отличается от вулканического песка земных вулканов. Это объясняется тем, что верхний слой лунного грунта образовался в результате очень своеобразного, не существующего на Земле воздействия внешней среды и, конечно, это не могло не отразиться на его свойствах.
  • Исследование грунта в условиях естественного залегания должно было быть на следующем этапе расширено. Прежде всего нужно было исследовать грунт не в отдельных точках поверхности, а в различных районах, сравнивать его свойства, связывать их с определенными геоморфологическими характеристиками поверхности. Для этого нужно было создать подвижное средство исследования грунта Луны.
  • Все проведенные ранее исследования подготовили возможность создания аппарата, который смог бы передвигаться по грунту Луны.
  • И вот 17 ноября 1970 г. по поверхности Луны начал движение «Луноход-1» — первая самоходная научная лаборатория. Изучение движения «Лунохода-1» по поверхности Луны с помощью установленных на нем специальных приборов позволило чрезвычайно обстоятельно исследовать грунт по трассе движения «Лунохода».
  • Механические свойства грунта определялись независимо тремя методами.
  • Первый метод — это прямое определение механических характеристик грунта с помощью прибора, называемого пенетрометром. Этот прибор смонтирован на ходовой части «Луноходе». Рабочей частью пенетрометра служит конус с крестообразными лопастями. Под действием специального механизма конус вдавливается в грунт и затем проворачивается вокруг своей продольной оси. Усилия, действующие на конус в процессе его погружения в грунт и поворота, непрерывно регистрируются. Измерялись также глубина погружения конуса и угол поворота его лопастей. В результате определялся комплекс характеристик грунта, показывающий его сопротивление сжатию и сдвигу. Следует отметить, что условия деформации грунта конусно-лопастным штампом пенетрометра сходны с теми условиями, которые возникают при взаимодействии движущегося колеса с грунтом, так как при этом на грунт одновременно действуют вертикальная нагрузка, сжимающая грунт, и тяговое усилие, которое через грунтозацепы сдвигает грунт в горизонтальном направлении.
  • Другим методом определения механических свойств грунта являлась непрерывная регистрация во время движения «Лунохода» так называемых тягово-сцепных характеристик. Для этого на «Луноходе» установлена система датчиков, позволяющих измерять угол наклона поверхности, величину крутящего момента для каждого колеса, скорость его вращения, величину пробуксовывания. Счисление пройденного пути и степень буксования определялись с помощью специального мерного (девятого) колеса. Знание характеристик движения «Лунохода» существенно дополняло данные о грунте, получаемые с помощью прибора пенетрометра.
  • И, наконец, оценка свойств грунта производилась путем изучения изображений лунной поверхности со следами «Лунохода». На этих изображениях видны мельчайшие детали колеи, проложенной «Луноходом». Анализируя глубину колеи, характер деформации грунта под колесами, особенно при его поворотах, можно получить представление о структуре грунта и его прочности.
  • Использование одновременно этих трех методов позволило весьма детально судить о свойствах грунта по всей трассе движения «Лунохода».
  • В результате проведенных измерений существенно пополнились данные о лунном грунте. Эти данные прежде всего подтверждают правильность принятых ранее рабочих моделей лунного грунта, построенных в результате первых прямых измерений и в результате изучения грунтов-аналогов. Оказалось, что по всей трассе движения грунт имеет мелкозернистую структуру. Размер зерен грунта значительно меньше разрешающей способности телефотометра, т. е. основная масса частиц имеет размер меньше 0,5 мм. При воздействии на грунт колес происходит некоторое его уплотнение. При этом образуются довольно четкие отпечатки с гладкой поверхностью.
  • Кривая внедрения штампа пенетрометра свидетельствует о том, что толщина верхнего слоя относительно слабого грунта равняется не менее 6—8 см. По своему характеру кривая соответствует внедрению штампа в пылеватый земной песок средней степени уплотнения. Начальный участок кривой обычно пологий, что можно объяснить более рыхлой структурой самого верхнего слоя грунта толщиной 1—2 см.
  • Исследования тяговосцепных свойств показали, что при малых удельных нагрузках на поверхность грунта его прочность достаточна для обеспечения устойчивого движения, хотя в определенных местах наблюдалось заметное буксование, что говорит о наличии труднопроходимых участков. Глубина колеи менялась от 1 до 5 см, что свидетельствует о некоторой неоднородности грунта по трассе движения.
  • Проведенные исследования механических свойств грунта имеют не только большое практическое значение для обеспечения движения «Лунохода», для разработки более тяжелых и скоростных «Луноходов» и для создания других космических аппаратов, но и существенное научное значение в познании природы различных лунных образований, имеющих неодинаковую прочность. Особенно важно, что теперь информация поступает с обширных и самых различных по своим свойствам районов Луны.
  • В заключение следует отметить, что исследования механических свойств лунного грунта с каждым годом безусловно будут приобретать все большее значение.
  • Во многих случаях деятельности на поверхности нашей планеты мы так или иначе вступаем во взаимодействие с грунтом, характер которого даже на Земле очень разнообразен. Строится ли дом, прокладывается ли дорога, испытывается ли новая транспортная машина — в любом случае инженерам надо знать свойства грунта. Так и на Луне: чем шире будет развертываться деятельность по ее освоению, тем больше придется решать задач по механике лунного грунта. Без их решения нельзя, например, выбирать на Луне площадки для посадки и взлета тяжелых космических ракет, нельзя приступить к реализации проектов бурения лунных недр. Со временем «Луноходы» станут гораздо более скоростными. Чтобы детально представить себе, как такие скоростные машины будут взаимодействовать с грунтом, надо исследовать его динамические характеристики. Появятся и другие сложные задачи. Поэтому, несомненно, исследования по механике лунного грунта год от года будут расширяться. Наконец, исследования по механике лунного грунта полезны и для разработки новых наземных методов грунтоведения. Особенно перспективно применение новых приборов и связанных с ними средств автоматики и телемеханики в отдаленных труднодоступных районах.
  • Таким образом, с одной стороны, исследования по механике лунных грунтов имеют большое значение для исследования и освоения Луны, а с другой стороны—опыт, накопленный в ходе этих исследований, можно использовать и для изучения грунтов Земли.
  • Таковы первые шаги механики лунного грунта, наглядно показывающие направления будущего развития этой науки.

    ГРИГОРИЙ СЕРГЕЕВИЧ ХОЗИН - историк международных отношений, кандидат исторических наук, старший научный сотрудник Института США АН СССР. Занимается изучением социально-политических последствий развития новых отраслей научно-технического прогресса, а также сравнительным анализом национальных космических программ различных стран.

    ХОЗИН Г. С.
    МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСНЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ БУДУЩЕГО

    В статье Г. С. Хозина делается попытка по-новому оценить роль и место космических исследований. Действительно, являясь новейшей комплексной отраслью научно-технического прогресса, космические исследования служат стимулом развития потенциала государства в самом широком смысле этого понятия. И те огромные усилия, которые тратятся, чтобы сделать возможной реализацию сложных космических программ, приносят с каждым годом все более ощутимый экономический эффект. Тот разносторонний опыт, который получают в ходе работ над космическими проектами, трансформируется и внедряется в другие отрасли деятельности государства. Космонавтику, таким образом, можно считать достаточно полной моделью сложных научно-технических проектов будущего.
  • Не случайно продолжение работ по освоению и использованию космического пространства поставлено Директивами XXIV съезда КПСС по девятому пятилетнему плану в один ряд с другими народнохозяйственными задачами. Статья в целом дает представление о широких социально-экономиечских последствиях космических исследований, которые уже отчетливо проявляются в самых различных отраслях деятельности государств. Приступая в ближайшем будущем к новым научно-техническим проектам, и в первую очередь к программам по освоению глубин Мирового океана и к мероприятиям по сохранению окружающей среды, человечество обязательно творчески использует богатый уникальный опыт работ по освоению Вселенной. И в этом огромное значение космонавтики для всеобщего прогресса.
  • Академик В. П. Глушко
  • Любая из крупных проблем ближайшего будущего: развитие энергетики, освоение глубин океана, усовершенствование средств и методов прогнозов погоды и переход к направленному изменению климатических условий потребуют обобщения и использования уже имеющегося опыта.
  • Изучение национальных космических программ различных государств, а также форм и методов международного сотрудничества в освоении и использовании космического пространства показывает, что эта новая отрасль деятельности человечества рождает не только высшие для данного этапа развития общества научно-технические достижения, но и новые организационные формы отношений как внутри государств, так и между странами, а также новые концепции роли науки и техники в арсенале государственной политики. Тенденции научно-технического развития начинают все больше сказываться на экономике и политике стран, регионов и всей планеты.
  • Именно в современных космических исследованиях проступают многие черты комплексных научно-технических проектов будущего, задачей которых будет рациональное использование природных ресурсов.
  • В самом деле, какие еще технические средства, имеющиеся в распоряжении человека, кроме космических, могут в короткие сроки собрать в удобном для обработки на ЭВМ виде комплекс научных данных о процессах и явлениях, происходящих в атмосфере, океане и на поверхности нашей планеты? А ведь именно со сбора и анализа таких данных начнутся работы по освоению глубин океана с целью расширения сырьевой базы и по сохранению окружающей среды, целенаправленное изменение климата определенных районов, контроль за ураганами, цунами и другими стихийными явлениями. Начинать борьбу с пагубными явлениями невозможно, не научившись точно определять их развитие. А это уже сейчас делается с помощью спутников. Космические исследования опираются на прочный фундамент высших достижений таких отраслей науки и техники, как математика, физика, химия, биология и медицина, автоматика и управление.
  • Во многих науках появились молодые «космические» отрасли, развивающиеся быстрыми темпами. Так, например, появление космической биологии, космической медицины, астроботаники знаменовало собой новую ступень развития этих наук, на которой оказалось возможным поставить ряд экспериментов за пределами Земли и тем самым как бы раздвинуть рамки научных обобщений и выводов, которые раньше ограничивались лишь анализом «земного» материала.
  • Но этим не исчерпывается круг новых явлений, порожденных космическими исследованиями. Создание сложных приборов для космических экспериментов, обладающих высокой точностью измерений и исключительной надежностью в условиях воздействия на них целого комплекса внешних факторов космического пространства, возможно при условии высокого уровня науки и техники, при наличии высококвалифицированных ученых, инженеров, техников и рабочих. Эти новые профессиональные кадры обеспечивают выпуск продукции, отвечающей высшим стандартам, каких еще не было в практике опытно-конструкторских работ и в деятельности самых передовых отраслей промышленности.
  • В обиходе политических деятелей и ученых-международников уже появился термин «космическая держава», под которым подразумевается высокоразвитое государство, способное решить многие научно-технические проблемы современности. Ряд зарубежных исследователей пытается даже использовать способность государства вести самостоятельные космические исследования в качестве единственного критерия его жизнеспособности и возможностей в конкурентной борьбе на международной арене.
  • Диалектика развития космической техники такова, что поначалу она применяется для решения чисто научных задач, а затем все шире используется также и в различных отраслях деятельности государства. Вслед за созданием соответствующей лабораторно-испытательной и производственной базы, на которую выделялись значительные ассигнования в первые годы космических исследований и экспериментов по отработке космической техники, начинает оформляться направление, связанное с использованием космической техники для решения целого ряда народнохозяйственных задач.
  • Станции системы «Орбита», приблизившие к Москве отдаленные районы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера посредством бесперебойной радиотелеграфной связи по десяткам каналов и телевизионных передач через спутник «Молния» или искусственные спутники «Метеор», в результате работы которых более оперативными и надежными стали прогнозы погоды и население различных районов нашей страны, а также корабли и самолеты заблаговременно оповещаются о стихийных явлениях природы, — лишь некоторые примеры экономически эффективного использования космической техники в Советском Союзе в интересах народного хозяйства.
  • Все более широкое применение спутников связи, обеспечивающих одновременную ретрансляцию радио- и телевизионных передач, создает благоприятные условия для совершенствования средств массовой информации. В сочетании с наземными станциями в различных районах земного шара спутники связи смогут охватить радио- и телевизионными программами все континенты планеты. Уже в ближайшие годы планируется расширить возможность спутников связи за счет включения их в быстродействующие системы передачи информации.
  • Вслед за спутниками связи и метеорологическими спутниками вступают в строй «орбитальные маяки» — спутники, обеспечивающие точную навигацию морских кораблей и самолетов; спутники для изучения полезных ископаемых и исследования природных ресурсов Земли; спутники, облегчающие ведение сельскохозяйственных работ (определяющие наиболее благоприятное время для начала полевых работ, контролирующие развитие и созревание сельскохозяйственных культур и т. д.); спутники для поисков косяков рыбы в различных районах Мирового океана (Прим.- Различным аспектам изучения природных ресурсов из космоса посвящена статья К. Я. Кондратьева, публикуемая в этом же выпуске ежегодника.- Ред.).
  • Выгоды от космических исследований, получаемые за счет эксплуатации космических систем (связь, метеорология, навигация и т. д.), называют прямыми. Чтобы их определить, следует вычислить экономическую эффективность космических систем, предназначенных для решения одноплановых прикладных задач. В частности, при оценке экономической эффективности систем космической связи стоимость самого спутника, стоимость запуска, затраты на наземное обеспечение эксперимента сопоставляют с суммой, вырученной в результате практического использования системы. Уже имеются данные о том, что эксплуатация современных систем космической связи экономически более эффективна, чем эксплуатация трансокеанских кабельных линий: использование спутников связи позволило увеличить количество каналов двусторонней телефонной трансокеанской связи почти в 10 раз и снизить стоимость межконтинентальных переговоров более чем в 3 раза. Согласно данным, на которые ссылается американский ученый Г. Сиборг, возможность составления точного прогноза погоды с помощью спутников на три дня вперед позволит человечеству экономить 60 млрд. долл. Подсчеты английского журнала «Спейсфлайт» показывают, что, например, одно только более точное прогнозирование с помощью спутников момента начала стока вод после весеннего паводка позволит поднять урожайность сельскохозяйственных культур на 25—50% без увеличения посевных площадей. А повышение точности прогнозов сезонных изменений водного режима обеспечит повышение мощности гидроэлектростанций на 25—45% без оснащения их дополнительными генераторами.
  • Следует указать еще на одну тенденцию в развитии космической техники. Она заключается в том, что на смену «одноплановым» спутникам — спутникам связи, метеорологическим, геодезическим, навигационным — приходят «многоплановые» спутники, более сложное оборудование которых позволяет решать сразу несколько крупных задач одновременно. Возможно, например, создание спутников, способных одновременно обеспечивать ретрансляцию радио- и телевизионных передач и точную навигацию морских кораблей и самолетов.
  • Осуществление сложнейших космических проектов представляет интерес с точки зрения совершенствования материально-технической базы государства в целом. Поэтому изыскиваются все новые и новые пути «перелива» достижений космонавтики в другие отрасли науки, техники, промышленности. За счет использования так называемых «побочных» выгод, сфера действия которых постоянно расширяется, затраты на исследование космоса начинают давать еще более ощутимую экономическую отдачу. Вот лишь несколько примеров.
  • Отбирая для космических полетов первых кандидатов, врачи и физиологи оказались перед необходимостью разработки весьма совершенных методов контроля состояния здоровья человека. Советские ученые, например, создали новый метод исследования сердечной деятельности — сейсмокардиографию. Он заключается в точной регистрации мельчайших вибраций тела, вызываемых сокращением сердечной мышцы. Однако это достижение медицины, появившееся в связи с необходимостью решения довольно узкой задачи — контроля общего состояния космонавта на тренировках и в орбитальном полете — не осталось в арсенале одной только космической медицины. В клиниках, госпиталях, крупных больницах при диагностике больных с пороками сердца, инфарктом или при врачебном контроле пациентов с нарушениями сердечной деятельности широко пользуются сейсмокардиографией. И это далеко не единственный вклад космической медицины в развитие общего здравоохранения.
  • Усилиями математиков и радиотехников, которые в союзе с медиками разрабатывали биотелеметрическую аппаратуру для космических полетов, были созданы надежные средства передачи и быстрого анализа огромных масс информации о состоянии организма человека в звездном рейсе. Теперь весь этот опыт и техника, проверенная в космических экспериментах и доказавшая свою высокую надежность и эффективность, передаются в другие отрасли хозяйства. Одна из областей их возможного применения — контроль за здоровьем людей, занятых на весьма трудных работах в земных условиях, в подводных экспериментах, в глубоких шахтах, во время испытаний новой авиационной техники.
  • Опыт, полученный при подготовке рационов питания для космонавтов, позволяет усовершенствовать технологические процессы, внедрить новые расфасовочные формы, а также создавать пищевые концентраты, устойчивые при длительном хранении в условиях резких колебаний температуры и давления.
  • Новые сплавы и материалы для космических кораблей и спутников, микроэлектронные приборы и энергоемкие источники питания, смазочные вещества и жаропрочные краски, созданные в процессе осуществления космических проектов, представляют интерес для авиационной и автомобильной промышленности, машиностроения, станкостроения, приборостроения.
  • В США, например, нашла широкое применение невоспламеняющаяся ткань для одежды, изготовленная из особого стекловолокна. Она была создана в первую очередь для защиты космонавтов в случае пожара.
  • Руководители многих отраслей промышленности, ведущих научно-исследовательских и других организаций с пристальным вниманием изучают информацию о достижениях космонавтики. В США, например, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) получает ощутимые прибыли в результате передачи в автомобильную, сталелитейную, нефтедобывающую и другие отрасли промышленности информации о технических достижениях, появившихся в результате реализации космических проектов.
  • Уже вошло в привычку пользоваться сравнениями, прославляющими превосходные качества, которыми обладают приборы и оборудование, предназначенные для проведения экспериментов в космическом пространстве: «космическая точность», «космическая надежность». Однако сам по себе факт достижения исключительного совершенства на отдельном участке широкого фронта научно-технического прогресса не может остаться незамеченным в других отраслях. Космонавтика расценивается как своего рода эталон возможного, на который начинают равняться другие отрасли промышленности и целые группы отраслей, готовящиеся к реализации новых комплексных проектов.
  • Таким образом, космонавтика играет роль своеобразного метронома, предлагающего многим отраслям промышленности новые темпы развития. И не только темпы, но и новые формы научной организации труда.
  • И если говорить о решении новых научно-технических проблем, которые могут вскоре встать на повестку дня, то общество просто не сможет не воспользоваться более чем десятилетним опытом разработки и реализации год от года все более сложных космических проектов.
  • Вот почему правомерно считать космические исследования своеобразной моделью крупных научно-технических проектов ближайшего и более отдаленного будущего. Для нее характерны не только высокие требования к чистоте и точности научных экспериментов, технической базе, качеству продукции, квалификации рабочей силы. Успех космической программы во многом зависит и от четкого взаимодействия многих научных и производственных коллективов. В недрах космонавтики рождаются современные методы управления, изучение которых позволит усовершенствовать управление народным хозяйством.
  • О масштабах управленческой деятельности американской космической программы можно судить по такому факту. В период ее бурного развития в 1966—1968 гг. только в работах над проектами НАСА было занято свыше 420000 рабочих, техников, инженеров и ученых из 63 отраслей промышленности. Крупнейший американский космический проект «Аполлон» потребовал объединения усилий более чем 20000 отдельных фирм, а общие расходы на него составляют к настоящему времени около 25 млрд. долларов.
  • Говоря о крупных проектах ближайшего будущего, следует вернуться к спутникам связи. Одной из реальных перспектив 70-х годов считается создание спутников непосредственного телевизионного вещания (НТВ), способных ретранслировать телевизионные передачи и радиопередачи на УКВ непосредственно на домашние приемники. Специальная рабочая группа Комитета ООН по космосу, изучавшая эту проблему, подтвердила реальную возможность создания спутников НТВ. Технические эксперты называют следующие этапы развития этой системы (по мере повышения мощности бортовых передатчиков): использование спутников для ретрансляции передач на небольшие местные станции (в первую очередь в сельской местности) — начало 70-х годов; ретрансляция спутниками передач на специально переоборудованные домашние антенны — середина 70-х годов; прием передач со спутников на обычные домашние антенны—начало 80-х годов. Использование спутников НТВ, несомненно, вызовет появление ряда новых политических, идеологических и международно-правовых проблем.
  • Спутники связи открывают весьма широкие возможности в области образования и повышения культурного уровня населения — в первую очередь развивающихся стран Азии, Африки, Латинской Америки. Одна из актуальных проблем, стоящих сейчас перед правительствами развивающихся стран,— организация системы образования. Однако в этих странах ощущается резкий недостаток в квалифицированных преподавателях. Поэтому существует ряд проектов организации общеобразовательных передач через спутники связи на густонаселенные районы и даже на целые страны.
  • Один из подобных проектов планирует Индия. В рамках его предполагается использовать телевизионные передачи на сельские районы Индии в первую очередь для повышения культурного уровня населения. В индийских деревнях предполагается раздать 5000 телевизионных приемников, которые будут принимать специальные программы, ретранслируемые через спутник, находящийся на стационарной орбите.
  • Подобные проекты расцениваются специалистами ряда стран, в том числе и экспертами ЮНЕСКО, как весьма эффективное средство повышения образовательного уровня населения в развивающихся странах, которое может стать сильным стимулом национального прогресса.
  • Многие государства стремятся принять непосредственное участие в космических исследованиях. Однако выделение на них значительных ассигнований под силу только ведущим державам.
  • Естественным выходом из такого положения многие государства, в частности страны Западной Европы, считают объединение усилий по конкретным проблемам космонавтики.
  • В работе над космическими проектами западноевропейские страны решили организовать ряд самостоятельных космических программ. Так появилась идея региональной интеграции с целью осуществления конкретных проектов (среди них ракета-носитель «Европа», спутники для научных исследований, связи, навигации и т. д.). Были созданы Европейская организация космических исследований (ЕСРО) и Европейская организация по разработке ракеты-носителя (ЕЛДО). Однако тот факт, что сравнительно небольшие суммы, выделяемые странами Западной Европы на космические исследования, приходится делить между национальными и региональными программами, заметно замедляет общий прогресс космонавтики в этих странах.
  • Ученые многих стран мира восхищаются плодотворным научным сотрудничеством в космических исследованиях между Советским Союзом и социалистическими странами. Запуски искусственных спутников Земли серии «Интеркосмос», совместные работы по наблюдению за полетом спутников, прием и анализ поступающей из космоса информации позволяют ученым, участвующим в программе Совета по международному сотрудничеству в области исследования и использования космического пространства при АН СССР («Интеркосмос»), приступить к изучению ряда фундаментальных проблем физики космического пространства и Солнца. На борту спутников «Интеркосмос» устанавливаются приборы, разработанные учеными ГДР, СССР, ЧССР и других стран.
  • Запусками спутников не ограничивается равноправное сотрудничество Советского Союза и других социалистических стран. Ведутся совместные работы по космической биологии и медицине, в области связи через спутники и других отраслях космонавтики.
  • На деловой основе сотрудничают в космических исследованиях Советский Союз и Франция. Из многообразной программы различных экспериментов можно упомянуть наиболее значительный: использование на борту советского «Лунохода-1» лазерного уголкового отражателя, созданного французскими специалистами, и проведение эксперимента «Стерио» с использованием космического аппарата «Марс-3» по изучению излучения Солнца.
  • Значительную работу по объединению усилий всех без исключения государств в деле освоения и практического использования космического пространства проводит Комитет ООН по космосу, в котором принимает активное участие СССР.
  • В настоящее время есть все основания утверждать, что появился новый специализированный раздел международных отношений, основывающийся на развитии космических исследований. На него распространяются общие принципы международного права, и в то же время для него характерен ряд специфических особенностей нового вида деятельности, которые обусловливают необходимость выработки конкретных международно-правовых норм, регулирующих деятельность государств по освоению и использованию космического пространства.
  • Особый интерес в этом плане представляет изучение практики деятельности международных (под эгидой ООН) и региональных организаций, занимающихся различными аспектами космонавтики. Опыт построения этих организаций и их практическая деятельность внимательно анализируется и используется в других новых разделах международных отношений, появляющихся в результате быстрого развития научно-технического прогресса.
  • И, наконец, следует отметить влияние космических исследований на мировоззрение людей. В течение многих веков сама жизнь способствовала развитию геоцентризма в человеческом мышлении. Удалиться от Земли, отправиться к звездам на поиски братьев по разуму, других форм жизни и материи человек мог только на крыльях фантазии, в сказках и легендах.
  • Опыт первого пятнадцатилетия космической эры вселил уверенность в реальной возможности выхода в космос, достижения небесных тел. И все ускоряющиеся темпы научно-технического прогресса приближают сроки осуществления еще более дерзновенных космических экспериментов.
  • Но есть и другая сторона меняющегося мировоззрения человека в условиях космической эры. Его родной дом, планета Земля, становится ему все дороже, а разделяющие человечество проблемы не такими уж неразрешимыми. Люди, ставшие свидетелями грандиозных успехов космонавтики, обретают все большую уверенность в том, что можно победить войну, голод, неравенство. Но дело, очевидно, не только в возможностях, а в тех задачах, которые ставят перед собой некоторые страны и правительства.
  • Советский Союз пользуется заслуженным уважением у мировой общественности за его последовательную и целенаправленную работу по установлению мирных и равноправных принципов деятельности государств по освоению и практическому использованию космического пространства и интересах созидательной деятельности людей. Основные положения Договора о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела от 27 января 1967 года и соглашения о спасании космонавтов от 22 апреля 1968 года были предложены Советским Союзом или приняты при его активной поддержке, 4 июня 1971 года Советский Союз выступил с новой инициативой, представив Генеральному секретарю ООН У Тану проект Договора о Луне. Советский Союз стремится сделать космос ареной мира, взаимопонимания народов и не допустить его использования империализмом в целях подготовки новой мировой войны.
  • Практика пятнадцати лет космической эры показывает, что научные программы становятся все более сложными и многообразными. Ученые получают все больше возможностей вмешиваться в процессы, происходящие на земной поверхности, в глубинах океана и в атмосфере. Опыт космонавтики, который должен стать достоянием всего человечества, применим и для решения многих сугубо земных задач.
  • Именно гуманистические возможности современных космических исследований как мощного средства изучения и преобразования природы заслуживают переноса в новые отрасли научно-технического прогресса, которые появятся в ближайшие десятилетия.
  • Наука и техника в своем постоянном развитии и совершенствовании призваны облегчать жизнь людей Земли, делать ее более радостной и многообразной. И в этом смысле опыт космических исследований весьма знаменателен. Он показывает, что человечеству под силу сложные научно-технические задачи, решению которых способствует здравый и реалистический политический курс.

    КИРИЛЛ ЯКОВЛЕВИЧ КОНДРАТЬЕВ - специалист по физике атмосферы, член-корреспондент АН СССР, сопредседатель Комитета по прикладным спутникам Международной астронавтической федерации и действительный член Международной академии по астронавтике. Одна из важных областей его исследований - дистанционные методы изучения природной среды и природных ресурсов из космоса.

    КОНДРАТЬЕВ К. Я.
    ПРИРОДНАЯ СРЕДА И КОСМОС

  • Изучение природы нашей планеты с использованием космической техники составило предмет нового научного направления — космического землеведения.
  • Наша задача — научиться разумно использовать богатства Земли и по возможности предотвращать разрушительные действия стихий природы. Комбинируя автоматику и возможность работы человека на борту космического корабля, мы находимся на пути к предсказанным К. Э. Циолковским станциям и лабораториям в космосе не только для изучения Солнечной системы, но и космического обзора планеты Земля.
  • Возможности изучения природной среды из космоса исключительно широки. Это отражается, например, в разнообразии методов исследований. Наиболее многообещающим путем решения задач космического землеведения является сочетание различных методов с целью комплексной интерпретации получаемых результатов. Такой подход позволит, с одной стороны, учитывать интересы разных ведомств и, следовательно, более полно использовать дорогостоящую космическую информацию для различных отраслей науки и народного хозяйства, что резко повысит их эффективность, а с другой стороны — корректировать наблюдения одного цикла другими, что значительно увеличит их надежность и полноту.
  • Метеорологические, связные, геодезические, навигационные и другие спутники, которые обычно объединяют общим названием прикладных спутников, символизируют развитие крупного этапа космических исследований и уже принесли много практически полезных результатов. Однако несмотря на это, можно утверждать, что названные типы спутников — всего лишь первый шаг в изучении нашей планеты средствами космической техники. Возможности изучения природы Земли, богатств ее недр и океанов поистине неограничены.
  • Значительные успехи, достигнутые первоначально в области спутниковой метеорологии (Прим.-Спутниковой метеорологии посвящена статья В. А. Бугаева «Три системы метеорологических спутников», опубликованная в ежегоднике «Будущее науки» вып. 4, 1971.), открыли широкие перспективы использования спутников и орбитальных обитаемых станций с целью разносторонних исследований природной среды, изучения и оценки природных ресурсов. Геология и геоморфология, океанология и гидрология, геоботаника, почвоведение и агробиология — таков далеко не полный перечень наук, для которых использование искусственных спутников имеет неоценимое значение. Хорошо известно, сколь острой становится в настоящее время проблема загрязнения атмосферы и водных бассейнов. Процессы загрязнения достигли поистине планетарных масштабов (недавнее путешествие Тура Хейердала с товарищами на плоту «Ра-II» еще раз показало, насколько серьезны последствия загрязнения океана даже в очень удаленных от континентов и основных морских путей районах). По этой причине получить реальное представление о картине загрязнения можно только при помощи спутников. Даже явления гораздо меньших масштабов, такие, как лесные пожары, пыльные бури и эрозия почвы, несравнимо надежнее обнаруживать и прослеживать при помощи спутников, чем любых других технических средств. То же самое можно сказать относительно определения состояния почвы (особенно в предпосевной период), посевов и т. д.
  • Успех «Луны-16» и «Луны-17» продемонстрировал широкие возможности и почти неограниченные перспективы использования автоматики при изучении космоса. Это означает, в частности, что практически все задачи, связанные с использованием природной среды, могут решаться при помощи автоматических спутников. Вместе с тем, несомненно, что решающее значение для успеха таких экспериментов имеют следующие обстоятельства, которые делают необходимым участие человека и приведут в космос специалистов в области метеорологии, океанологии, геологии, геоботаники и других профессий:
  • 1. Необходимость сознательного выбора объектов исследования. Нецелесообразно, например, для заблаговременного обнаружения и изучения последствий стихийных явлений осуществлять съемку поверхности всего земного шара. Гораздо практичнее иметь космический патруль в виде орбитальной станции с находящимися на ее борту специалистами, которые реагируют на запросы с Земли и сами принимают решения о выборе объектов исследования при помощи соответствующей аппаратуры.
  • 2. Возможность выбора объектов из ряда подобных по наиболее благоприятным условиям съемки (например, в отсутствие или при наличии облачности).
  • 3. Возможность испытания, проверки и регулирования (а иногда устранения неполадок) сложной аппаратуры, предназначенной для космических исследований.
  • Эти факторы и определяют в первую очередь то совмещение автоматики и человеческого мозга, которое необходимо для успешной работы орбитальных космических лабораторий.
  • Среди разнообразных методов, которые уже сейчас находят широкое применение для изучения природной среды из космоса, наиболее важную роль играют различные способы получения изображений Земли: телевизионная и фотографическая съемка, термовидение в инфракрасной и микроволновой областях спектра. С рассмотрения некоторых результатов и особенно дальнейших возможностей этих методов мы и начнем обсуждение, имея в виду вслед за тем обратиться к космической спектрофотометрии Земли. Подчеркнем при этом, что такое разделение материала в значительной мере условно, поскольку уже сейчас стало ясным, что наиболее плодотворная перспектива состоит в комплексном исследовании изображений и спектров.
  • Более того, применение многоканальных сканирующих радиометров, многоспектральной фото- и телевизионной аппаратуры является примером одновременного получения и спектров и изображений исследуемых объектов.

    Космическая съемка

  • Как уже было упомянуто, средства космической съемки весьма разнообразны. Наиболее обширные материалы получены путем регистрации электромагнитного излучения Земли методами телевизионной, фотографической и инфракрасной съемки. Какое применение находят эти методы?
  • Съемка в видимой области спектра дает обычные фотографии и телевизионные изображения, которые, представляя большие участки поверхности, являются чрезвычайно информативными для анализа, например, распределения облачного покрова, растительности, геологических структур и т.д.
  • Съемка в инфракрасной области спектра — термографирование и термовидение — показывает картину облачного распределения на ночной стороне планеты и позволяет судить о состоянии земной поверхности по ее тепловым неоднородностям. Тепловая индикация может быть использована для ледовой разведки и изучения морских течений; для определения температуры поверхностных вод, для характеристики условий жизнедеятельности фитопланктона и прибрежно-водной растительности; для исследования вулканических образований тектонически активных областей и термальных зон.
  • Этим же способом можно обнаружить лесные пожары и их границы под облаками дыма.
  • Развитие методов микроволновой индикации позволяет определять влаго- и водосодержание толщи атмосферы, обнаруживать айсберги, оценивать ледовитость и степень морского волнения. Эксперименты такого рода, выполненные на спутнике «Космос-243», оказались весьма многообещающими.
  • Радарная съемка позволяет изучать гидрографическую сеть: обнаруживать речные системы, определять площадь водосбора, периметр бассейна, протяженность притоков, крутизну склонов долин. Этот вид съемки может быть использован при геологических исследованиях, помогая выявить черты геологического строения и состава коренных пород. При изучении растительности и сельскохозяйственных угодий определяются границы полей и лесов, площади и виды посевов, классификация угодий. Преимуществом радарной съемки является беспрепятственное прохождение радиоизлучения сквозь облака и значительная глубина проникновения (до 3—4 м) в грунт.
  • Разные виды съемки по-разному представляют неоднородности земной поверхности, а их комбинация может дать наиболее реальную картину наблюдаемых состояний и процессов.

    •

  • Исключительно важное значение имеет космическая съемка для прогноза гидрологических и океанологических явлений, например, катастрофических засух и наводнений. Космическая техника поможет гидрологам в изучении колебаний водности рек и составлений прогноза маловодных и многоводных периодов. Такой прогноз необходим для планирования сети гидротехнических сооружений и орошения, предупреждения катастроф, связанных с наводнениями.
  • Разработка ледовых прогнозов обещает большую выгоду многим странам, в частности, обеспечение более эффективного плавания в полярных широтах. Активное плавание в тяжелых сплоченных и сжатых льдах началось в СССР с 60-х годов вводом атомохода «Ленин» и дизель-электроходов типа «Москва». Возникла потребность в изучении сжатий и разрежений льдов в зависимости от гидрологических и метеорологических условий, с учетом влияния приливообразующих сил Солнца и Луны, для составления прогнозов этих явлений и графиков возможного плавания. На смену прежним методам ледовой разведки с самолета и ручному картированию пришла космическая аппаратура и быстрая передача изображений с автоматической обработкой данных. Рациональное использование существующих природных условий в арктических морях, заблаговременный учет изменений ледовых условий, планирование перевозок на основе прогнозов, уменьшение простоев судов и их повреждений льдами приведут к более успешному развитию полярного судоходства.
  • В изучении морей и океанов важную роль, как уже говорилось, играет использование инфракрасных изображений. Инфракрасные изображения, полученные при отсутствии облачного покрова, позволяют прослеживать распределение льда, особенно его крупномасштабные черты. При этом границы раздела лед — вода фиксируются гораздо более надежно, чем неоднородности самого ледяного покрова (свежий и паковый лед и т. п.). Если температурные контрасты лед — вода достаточно велики, то можно обнаружить детали, имеющие размеры даже порядка десятков метров.
  • Присутствие облачности затрудняет использование инфракрасных изображений для анализа ледовой обстановки. На снимках, сделанных в зимнее время (при наличии инверсий в распределении температур воздуха на высоте), отличить ледяной покров от облаков нижнего яруса трудно, особенно по той причине, что низкая сплошная облачность и свежий ледяной покров могут иметь на инфракрасных изображениях похожую структуру. Решение этой задачи может быть облегчено путем повышения пространственной разрешающей способности инфракрасной аппаратуры.
  • Исследования с помощью инфракрасной съемки поля температуры поверхности морей и океанов делают возможным не только впервые построить достаточно надежно карты температуры поверхности, но и исследовать ее изменчивость.
  • Поскольку высокочувствительная инфракрасная аппаратура позволяет фиксировать малые контрасты температуры, такая съемка может быть использована и для обнаружения и прослеживания морских течений. Выполненные нами расчеты продемонстрировали принципиальную возможность решения такой задачи. Анализ инфракрасных изображений, полученных при помощи метеорологических спутников, подтвердил эти выводы.
  • Очень плодотворным оказалось использование цветных фотографий устьев рек и прибрежных зон для исследований топографии дна в районах мелководья, заиления устьев и выноса в море частиц, взвешенных в речной воде.

    •

  • Космическая съемка представляет огромный интерес в применении к таким проблемам географии, как картографическое уточнение обширных труднодоступных территорий Африки, Азии, горных массивов Антарктиды.
  • Важно средствами космической техники изучить состояние различных видов земных образований, выявить рельеф дна Мирового океана. Это позволит, в частности, на основании новых данных подойти к решению проблемы происхождения материков. Обладая обоснованной теорией эволюции распределения Мирового океана и суши, можно прогнозировать и распределение полезных ископаемых, в частности, в Антарктиде, таящей в себе огромные резервы угля, нефти, металлов, алмазов и т. д.
  • Примером использования космической техники в сельскохозяйственной географии является прослеживание развития сельскохозяйственных культур и состояния природных условий. Это позволит давать рекомендации по правильному использованию новых земель, размещению посевов и посадок на наиболее благоприятных по почвенным условиям и водоснабжению землях, рекомендовать конфигурацию посевов в зависимости от условий освещенности. Возможен будет диагноз некоторых болезней посевов (даже до их обнаружения на месте), особенно переносимых ветром эпидемических грибковых заболеваний, и определение условий их возникновения.
  • Предотвращение эрозии почв и катастрофических разрушений почвы при пыльных бурях, прогноз урожая, повышение эффективности использования земли — возможные результаты космических методов землеведения.
  • Для истолкования космических изображений в географическом смысле необходимо иметь систему характерных ключевых участков природных образований. По данным для этих участков должны быть выработаны принципы дешифровки разных видов изображений, отработана методика космической съемки заданных объектов и выявления закономерности получения космического изображения. Для этого одновременно в заданном районе проводятся наземные, самолетные и космические исследования, результаты которых и послужат ключом к восприятию последующей информации от космических кораблей.
  • Примером комплексной географической интерпретации фотографического снимка, полученного с космического аппарата «Зонд-5», является уточнение геоботанической и других карт Африканского континента, проведенное советским исследователем Б. В. Виноградовым.
  • Анализ фотографии Земли, полученной с «Зонда-5», позволил, например, частично или полностью распознать широтные географические зоны африканского сектора Земли, проследить их простирание и уточнить границы. Отчетливо опознаются на фотографии, в частности, зона субтропических вечнозеленых лесов и кустарников на крайнем севере и юге Африканского континента, опустыненные степи и злаково-кустарниковые полупустыни в субтропиках и тропиках, тропические пустыни и т. д.

    •

  • Исследования в области геологии и геоморфологии, требующие изображений высокой разрешающей способности, базируются прежде всего на использовании фотографий, полученных с космических кораблей.
  • Интерпретация горных пород и тектонических структур с детальностью геологической карты масштаба 1:1000000 позволила получить новые данные о геологическом строении ряда слабоизученных районов. Оказалось, что космические фотографии содержат больше информации, чем геологические карты того же масштаба. Такие фотографии позволяют проследить с большой детальностью эрозионную сеть. По космическим снимкам достаточно уверенно опознаются осадочные, метаморфические и магматические горные породы, многие элементы тектонического строения (обнаружено, например, много новых линеаментов — линейно ориентированных природных объектов).
  • Космические фотографии особенно ценны с точки зрения их геоморфологической интерпретации. При этом геоморфология исследуемого района выявляется очень отчетливо. Интерпретация становится еще более полной, если, подобрав стереоскопическую пару изображений, воспользоваться стереоскопическим анализом (в этом случае легко определяются характеристики геометрии рельефа).
  • Значительный интерес с точки зрения возможностей геологической интерпретации представляет использование телевизионных и инфракрасных изображений земной поверхности, получаемых при помощи метеорологических спутников. Что же касается перспектив, то, безусловно, важную роль будут играть изображения, получаемые методами пассивной и активной радиолокации.

    Космическая спектрометрия

  • Приведенный выше материал касается интерпретации изображений Земли, полученных с различных космических аппаратов. Основная трудность при этом состоит в принципиальной неоднозначности результатов: одних только данных о пространственном распределении поля яркости недостаточно для исчерпывающей характеристики наблюдаемых объектов и их свойств. Большую (а иногда решающую) роль при анализе изображений играет опыт (и даже интуиция) исследователя, производящего такой анализ (эта ситуация в известной мере аналогична положению синоптика при анализе карт погоды). Важное значение может поэтому иметь использование каких-либо дополнительных объективных, количественных данных, характеризующих изучаемые природные объекты. Сведения о спектрах изучаемых объектов являются с этой точки зрения наиболее информативным материалом.
  • Исследования в области космической спектрометрии только еще начаты. Здесь, как и при анализе изображений Земли из космоса, наиболее существенные результаты получены в области метеорологии и физики атмосферы. Не касаясь результатов метеорологических исследований, поскольку они достаточно широко освещены в имеющейся литературе, обратимся к обсуждению некоторых других разделов космической спектрометрии.

    •

  • Одной из наиболее актуальных проблем нашего времени становится, как уже говорилось, изучение атмосферных загрязнений. Установлено, например, что метеорологический режим во многих городах уже сейчас в существенной степени зависит от загрязнения воздуха. Последствия загрязнения могут приобрести еще более серьезный характер в будущем. Особенно это относится к ряду стран Западной Европы. Так, например, относящиеся к ФРГ данные об увеличении числа двигателей, росте потребления электроэнергии и минеральных масел, в сравнении с увеличением численности населения, показывают, что линейному росту численности населения сопутствует экспоненциальное увеличение факторов, определяющих загрязнение атмосферы.
  • Быстрое развитие всех видов транспорта (в первую очередь автомобильного и воздушного), а также интенсивный рост промышленности приводят к повышению уровня загрязненности атмосферы не только в непосредственной близости от крупных индустриальных центров, но и на значительно более обширных территориях. Например, загрязнения, создаваемые высотными реактивными самолетами, а также возникающие при запусках спутников, распространяются на высокие слои атмосферы.
  • Все это придает проблеме загрязнений поистине глобальные масштабы и в связи с этим выдвигает необходимость поиска возможностей использования спутниковых методик для изучения атмосферных загрязнений.
  • Что касается запыленности атмосферы на различных высотах, то в данном случае важное значение могут иметь фототрассирование и спектрофотометрические наблюдения дневного и сумеречного ореола Земли с орбитальных станций.
  • Упомянем, например, в связи с этим, что фотометрический анализ снимков дневного горизонта Земли с космического корабля «Союз-3» позволил определить вертикальные профили оптической толщины атмосферы и коэффициенты рассеяния воздуха в стратосфере (для диапазона высот 15 — 52 км). Эти данные еще раз продемонстрировали возможность прослеживания планетарного поля аэрозольных загрязнений атмосферы и, в частности, снова подтвердили существование обнаруженной ранее зоны «чистой» атмосферы на высотах 30—35 км.
  • Нами проанализированы возможности использования спектров сумеречного ореола Земли, которые были впервые получены с космического корабля «Союз-5», и показано важное значение такого рода спектральных данных для определения вертикальных профилей аэрозоля в стратосфере. Несомненно, что спутники будут в дальнейшем достаточно широко использованы для исследования аэрозольных загрязнений атмосферы. Упомянув о некоторых исследованиях в этой области, мы сосредоточим, однако, далее внимание в основном на обсуждении проблемы изучения газовых компонент атмосферных загрязнений.
  • Атмосферные загрязнения связаны с наличием в атмосфере как первичных загрязняющих компонент, вводимых в атмосферу, так и вторичных продуктов, возникающих в результате разнообразных химических и фотохимических реакций. К числу главных компонент загрязнения принадлежат соединения серы (главным образом SO2), азота (NO, NO2, NH3), углерода (CO, CO2), галогены, углеводородные соединения, альдегиды и твердые частицы (аэрозоли). Наиболее характерными составляющими индустриальных загрязнений являются CO, SO2, NO2 и O3. В таблице 1, составленной западно-германским исследователем Г. В. Георги, приведены сравнительные данные, характеризующие примерные концентрации загрязняющих компонент в условиях чистой и загрязненной атмосферы. Во всех случаях, за исключением относящегося к аэрозольному загрязнению, величины объемной концентрации выражены в десятитысячных долях процента.

    Таблица 1
    Концентрация загрязняющих компонент в условиях чистой и загрязненной атмосфер
    Загрязняющая компонентаЧистая
    атмосфера    		Загрязненная
    атмосфера
    Сернистый газ10-3— 10-20,02-2
    Окись углерода<15—200
    Углекислый газ310—330350-700
    Окислы азота10-3-10-210-2-10-1
    Углеводородные соединения<11—20
    Аэрозольные загрязнения
    (мг м3)    		0,01-0,020,07—0,7

  • Как видно, концентрация окиси углерода превосходит суммарную концентрацию всех других компонент (за исключением углекислого газа). На второе место (по значению в качестве загрязняющей компоненты) следует поставить сернистый газ и углеводородные соединения. Для крупных промышленных центров характерно наличие над ними «купола» загрязнений, высота которого может достигать 1000 м и обычно превосходит 500 м.
  • Важно, что все перечисленные в таблице 1 загрязняющие компоненты имеют глобальное распространение. Так, например, в атмосферу выделяется ежегодно около 220 млн. т окиси углерода, отличающейся большой продолжительностью жизни и ядовитой природой. Годовой приток сернистого газа составляет примерно 146 млн. т причем, несмотря на относительно короткую продолжительность существования (четверо суток), концентрация сернистого газа в атмосфере монотонно возрастает.
  • Можно представить себе различные принципиальные возможности обнаружения и определения концентрации загрязняющих компонент атмосферы со спутников. Возможно, например, использование метода абсорбционной спектроскопии, состоящего в регистрации спектра поглощения солнечной радиации атмосферой при восходах и заходах Солнца относительно спутника, когда солнечные лучи пронизывают атмосферу.
  • Подобный метод предложен, в частности, нами для определения содержания водяного пара в стратосфере и мезосфере.
  • Очевидно, однако, что метод «затменного» зондирования неприменим для нижних слоев атмосферы, где ослабление радиации слишком велико, а потому измеряемый сигнал практически равен нулю. Однако именно исследование нижних слоев атмосферы представляет наибольший интерес.
  • Если осуществить измерения отраженного и рассеянного Землей солнечного излучения в ультрафиолетовой или видимой области спектра, то можно попытаться использовать наличие спектральных особенностей уходящего коротковолнового излучения, обусловленных существованием полос поглощения, у ряда загрязняющих компонент (прежде всего это относится к SO2, NO2 и O3). Практическое применение такой методики осложняется, однако, тем фактом, что упомянутые спектральные особенности выражены сравнительно слабо, тогда как такие затрудняющие интерпретацию данных факторы, как отражение от земной поверхности и рассеяние (а также поглощение) твердыми аэрозолями, очень изменчивы и сильно влияют на поле уходящего излучения, к тому же перечисленные выше газы имеют полосы поглощения прежде всего в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, где помехи наиболее значительны.
  • Как убедительно показало развитие спутниковой метеорологии, наиболее перспективным для решения задач, связанных с излучением состава и строения атмосферы, является использование данных спектральных измерений уходящего теплового излучения.
  • Поскольку уходящее излучение определяется главным образом вертикальными распределениями температуры и излучающей компоненты, то отсюда вытекает, что первым шагом в решении задачи определения вертикального профиля концентрации загрязняющей компоненты должно быть определение изменения температуры с высотой. Поскольку в настоящее время задачу термического зондирования атмосферы со спутников можно считать практически решенной, это обстоятельство не вызывает особых трудностей. Более того, математические методы, разработанные для решения задачи термического зондирования могут быть применены и для интерпретации данных измерений уходящего излучения с целью определения содержания загрязняющих компонент.

    •

  • Атмосфера является известным препятствием для спектрометрической индикации природных образований. Имеется, однако, достаточное число «окон прозрачности», используя которые можно получать не слишком существенно искаженные спектры собственного теплового или отраженного излучения природных образований.
  • Первые космические спектральные измерения отражения природных образований произведены с космического корабля «Союз-7». Были изучены спектры облачного покрова и подстилающих поверхностей пустынного типа. Однако эти данные немногочисленны и всего лишь иллюстрируют возможности решения некоторых задач космической спектрометрической индикации. Для решения задач космического спектрометрирования большое значение имеют совмещенные эксперименты с одновременными наземными, самолетными и спутниковыми наблюдениями. Первый опыт такого совмещенного эксперимента осуществлен во время группового полета космических кораблей «Союз-6, 7, 8».
  • Программа комплексного оптического эксперимента предусматривала, в частности, решение следующих основных задач:
  • 1. Спектрофотометрирование различных природных образований с целью изучения возможностей их идентификации по спектральным отражательным характеристикам, измеренным из космоса.
  • 2. Синхронное осуществление комплексной программы наземных, самолетных и спутниковых оптических исследований атмосферы и различных типов подстилающих поверхностей для получения данных, характеризующих спектральную передаточную функцию атмосферы, спектры и спектральные контрасты природных образований в зависимости от основных оптических параметров.
  • Спектрофотометрирование со спутника проводилось с высоты 220 км, а с самолета — приблизительно 2,7 км. Сопоставление результатов спутниковых и самолетных измерений спектральных яркостей и контрастов одних и тех же типов подстилающих поверхностей показывает, что влияние дымки на оптические характеристики по сравнению с измерениями с высоты 2,7 км сравнительно невелико. Как и следовало ожидать, эффект дымки оказывается максимальным в коротковолновой области спектра. В длинноволновом диапазоне рассеяние солнечного излучения атмосферой, расположенной выше 2,7 км, очень слабо влияет на абсолютные значения яркостей природных поверхностей.
  • Ход спектральных яркостей природных поверхностей позволяет дифференцировать некоторые типы природных образований по спектрам, измеренным с космического корабля. Вместе с тем следует подчеркнуть то обстоятельство, что атмосфера искажает ход кривых спектральной яркости и снижает спектральные контрасты. Однако оптическая плотность земной безоблачной атмосферы не слишком велика. Поэтому по совокупности данных об отражательной способности, радиационной температуре и комплексу других отражательных и излучательных характеристик подстилающих поверхностей принципиально возможна достаточно тонкая дифференциация природных образований по их спектрам.
  • Космическая спектрометрия делает еще только первые шаги и выше были приведены лишь отдельные примеры возможностей исследований в этой области. Однако результаты, полученные в области спутниковой метеорологии (косвенное зондирование атмосферы), изучения характеристик подстилающей поверхности по данным измерений уходящего излучения в различных областях спектра, позволяют считать, что космическая спектрометрия является наиболее перспективным направлением разработки космических методов землеведения,

    БУДУЩЕЕ НАУКИ

  • Ежегодник. Выпуск пятый.
  • Редакторы: В. Бардин, К. Гусева, Г. Кремнева
  • Обложка А. Гангалюки
  • Художественный редактор Е. Волков
  • Технический редактор Г. Качалова
  • Корректоры Г. Ефименко, Г. Жендарева
  • А01463. Сдано в набор 25/Х 1971 г. Подписано к печати 7/II 1972 г. Формат бумаги 70Х1081/32. Бумага типографская № 2, Бум. л. 5,25. Печ. л. 10,5. Условн. печ. л. 14,7, Уч.-изд. л. 17,76. Тираж 66000 экз. Издательство «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4. Заказ 2757. Цена 56 коп.
  • Книжная фабрика № 1 Росглавполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров РСФСР, г. Электросталь Московской области, Школьная, 25.

    к началу