Редакция литературы по вопросам техники
Заведующий редакцией проф. А. Е. ШЕЙНДЛИН
Разработка ракет дальнего действия, осуществлявшаяся в предвоенные годы медленными темпами, получила в условиях войны новый толчок и увенчалась созданием немецкой ракеты «Фау-2». Последняя знаменовала собой крупное техническое достижение, хотя все еще не ясно, сколь целесообразно было изготовлять ее в годы войны в качестве одного из видов оружия. Не исключено, что те усилия ученых и инженеров, которые были затрачены на создание ракеты, лучше было бы направить на производство обычных видов вооружения.
Известное утешение доставляет сознание того, что из опустошений и разрухи, причиненных войной, можно извлечь какую-то, пусть самую скромную, пользу для человечества. Успешное создание в Германии ракеты «Фау-2» возбудило большой интерес к изучению возможностей, скрытых в этом новом виде оружия. В ряде стран началась большая научно-исследовательская работа. В числе таких стран нужно прежде всего назвать США, где ученым были предоставлены широкие возможности для использования высотных ракет в целях получения сведений, которые иными путями собрать не удавалось.
В последние годы для сбора сведений о плотности, температуре, давлении, влажности и строении атмосферы, равно как и о воздушных течениях в ней на различных высотах, широко применялись аэростаты, радиозонды и прочее оборудование. В целях изучения космических лучей на большие высоты поднимались фотокамеры, регистрировавшие частицы с энергией, значительно больше той, которую можно достичь при помощи современных мощных установок, разгоняющих заряженные частицы до огромных скоростей. Высота подъема воздушных шаров не превышает 32 км, тогда как ракеты свободно поднимаются на высоту свыше 160 км. Максимальная высота подъема современных ракет достигла 390 км.
При помощи специального оборудования, устанавливаемого в носовой части высотных ракет, удалось получить много нового материала в самых различных областях знаний.
При решении вопроса об оборудовании ракеты необходимо учитывать, что аппаратуру приходится помещать в конусообразной носовой части ракеты и что она должна выдерживать большие перегрузки при запуске. Приборы либо непосредственно регистрируют необходимые сведения, либо же передают их на Землю. Так как скорость полета ракеты очень велика, приборы должны регистрировать данные с незначительным запаздыванием. Аэродинамический нагрев ракеты в полете требует особых мер предосторожности при установке приборов.
Не исключена возможность того, что после запуска ракеты приборы выйдут из строя и напрасно будут затрачены время, труд и средства, но подобный риск неизбежен.
И все же, несмотря на все трудности, с помощью ракет получено множество новых сведений: сфотографирован солнечный спектр в далекой ультрафиолетовой области, который нельзя наблюдать у поверхности Земли из-за поглощения этих лучей атмосферным озоном; в верхних слоях атмосферы установлено наличие течений, которые, как предполагают, вызывают геомагнитные отклонения; получены сведения о строении, температуре, давлении, плотности и воздушных течениях в атмосфере; изучены процессы ионизации и природа космических лучей.
В предлагаемой читателю книге впервые дается связное изложение различных исследований, методики и результатов напряженной работы исследователей в области использования высотных ракет для научных целей. Автору книги с большим трудом удалось собрать различные данные, разбросанные среди множества технических отчетов и докладов.
Читатели, пожелавшие подробнее ознакомиться с затронутыми вопросами, могут воспользоваться приводимыми в конце каждой главы библиографическими ссылками. Убежден, что тот, кто прочтет эту книгу, найдет, подобно мне, описание первых исследований верхних слоев атмосферы чрезвычайно интересным.
Член Королевского астрономического общества
Г. Спенсер Джона
Книга «К границам пространства» — это рассказ о том, как человек расширил свои познания о верхних слоях земной атмосферы, которые простираются над тропосферой до «границы» межпланетного пространства. За последние десятилетия благодаря постоянному увеличению высоты полета современных самолетов и развитию управляемых снарядов и ракет дальнего действия интерес к верхним слоям атмосферы чрезвычайно возрос.
В течение этого периода был сконструирован новейший аппарат, ракета-зонд, поднимающийся до самых верхних слоев атмосферы и позволяющий вести там наблюдения. Эти исследования проводились при поддержке правительства США и ряда военных организаций; благодаря их помощи появилось множество научных трудов о результатах этих исследований.
Мы надеемся, что эта книга, содержащая новейшие данные, даст возможность читателю не только ознакомиться с предметом, но и поможет ему глубже разобраться в нем с помощью работ, приведенных в библиографических указателях.
В книге имеется много ссылок на материалы, которые были представлены на конференции по использованию ракет для исследования больших высот, проводившейся при содействии Королевского общества в Оксфорде в августе 1953 г. Указания на эти источники приводятся в конце каждой главы; в конце книги имеется общий список трудов по данному вопросу.
Опубликование этой книги было бы немыслимо без материалов и пояснений, которые американские ученые и ученые других стран, работающие в области исследования верхних слоев атмосферы, любезно предоставили автору и которым автор выражает свою глубокую благодарность.
Эрик Бургесс
Манчестер,
февраль 1954
Когда ракету «Викинг» — цилиндр длиной 15 м, сделанный из алюминиевого сплава, — впервые доставили с завода на полигон, трудно было представить, что она сможет подняться в верхние слои атмосферы со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука. Однако ракета предназначалась именно для этой цели; более того, во время такого полета на ракете может быть установлено оборудование весом до 500 кг.
На полигоне Уайт Сэндс ракету, построенную на заводах фирмы «Гленн Л. Мартин», поместили в ангар и тщательно осмотрели в поисках возможных повреждений, которые могли возникнуть во время длительной перевозки по железной дороге, из шт. Мэриленд. Затем, пока ракета находилась в ангаре в горизонтальном положении на специально приспособленных стендах, была проверена исправность электропроводки, регулировка, работа клапанов ракетного двигателя и приборов управления. Проверка четкости и безотказности работы гироскопов, усилителей, клапанов и сложного электронного оборудования ракеты проводилась в специальных боксах1), снабженных сжатым воздухом и электрической энергией. Такая тщательная проверка длилась несколько дней, и только после того, как все было проверено, ракета была выведена на стартовую площадку.
1) Боксами называются закрытые камеры для испытания двигателей. — Прим. перев.
На стартовой площадке ракету поднимают на пусковую раму. Подъем осуществляется при помощи большого передвижного портального крана, движущегося по рельсам и имеющего площадки (сделанные по типу разводного моста), с которых ученые и инженеры могут легко вести необходимую работу на различных уровнях ракеты. Ракета «Викинг» стоит вертикально на четырех килях, опираясь па специальные опоры, которые находятся вблизи кондов килей. Пусковая рама сделана из сварных стальных частей; ее можно слегка наклонять для изменения направления оси ракеты к востоку или к западу от вертикали. Рама прикрепляется болтами к основной стальной конструкции — стартовой платформе, имеющей форму моста, расположенного над глубокой ямой с водой. В эту яму направляются газы, выбрасываемые двигателем для предотвращения образования облака пыли, возникающего при его работе. Это облако может затруднить наблюдения во время статических испытаний и в начальный период полета, в момент отрыва. Вся система построена с таким расчетом, чтобы выдержать тягу в 9000 кг, развиваемую ракетным двигателем при испытании на стенде. При стендовых испытаниях ракета крепится за опоры килей к стартовой раме четырьмя болтами.
После установки на пусковой раме ракета должна пройти дальнейшие испытания в вертикальном положении. Для защиты обслуживающего персонала и самой ракеты от летящего песка, обычного в условиях пустыни, на этой стадии работы хвостовая часть ракеты окружается металлическим «домиком» (который можно видеть на фиг. 3). Ракета «Викинг» имеет четыре хвостовых киля, но при подготовке к статическим испытаниям южный киль снимается и заменяется специальной конструкцией для облегчения доступа к моторному отсеку. Заменитель киля содержит трубопроводы, по которым в случае необходимости в моторный отсек может вдуваться углекислый газ для ликвидации возможного очага пожара. Операции по подготовке к запуску предусматривают перемещение всего необходимого оборудования на стартовую площадку, а также точную установку ракеты. Когда до момента запуска остается около четырех часов, к работе приступает команда обслуживания, заправляющая прежде всего баки топливом — спиртом. Вслед за этим для турбины топливного насоса загружается концентрированная перекись водорода, в камере сгорания устанавливается воспламенитель, в соответствующий бак накачивается жидкий кислород и, наконец, подготавливаются баллоны с сжатыми газами. До запуска остается около 15 мин. Весь персонал удаляется в блиндаж управления, находящийся на расстоянии 300 м от стартовой платформы. Операторы, находясь у пускового пульта за железобетонной стеной, могут в полной безопасности наблюдать за тем, как протекает опыт. Регистрирующие приборы записывают давление в камере сгорания, работу насосов, регуляторов двигателя и всей сложной системы приборов, предназначенных для исследований на больших высотах. Оператор, управляющий запуском, может в любой момент выключить мотор, если заметит какие-либо неполадки в работе отдельных агрегатов ракеты.
Наконец начинается стендовое испытание. Включается рубильник, и струя со свистом вырывается из сопла ракетного двигателя, проходит через отверстие в настиле стартовой платформы, поднимая облака пара, которые относятся ветром в сторону и, красочно освещенные (если запуск происходит ночью), плывут через пустыню. После успешного окончания испытания ракету вновь тщательно осматривают, чтобы удостовериться, что во время испытания никаких повреждений не произошло. Если никаких повреждений нет, то южный киль ставят на свое место и ракету подготавливают к свободному полету.
Пока инженеры занимаются ракетой, физики подготавливают приборы, которые ракета «Викинг» должна поднять в верхние слои атмосферы. В боевой головке ракеты размещалась научно-исследовательская аппаратура весом около 500 кг (телескопы для исследований космических лучей, ультрафиолетовые солнечные спектрографы, камеры Вильсона, счетчики фотонов, радиопередатчики и приборы, измеряющие давление и температуру). Эти приборы связаны со сложными радиосхемами с сотнями радиоламп; следует подчеркнуть, что надежность работы этого сложного оборудования во время полета имеет чрезвычайно важное значение. Малейшая неисправность, вызванная стартовым толчком или вибрацией, может свести на нет очень дорогой и трудоемкий эксперимент.
Ученые бережно устанавливают оборудование, присоединяя к передней части ракеты носовой конус из нержавеющей стали или алюминиевого сплава. Они работают на самых верхних платформах портального крана. После того как конус закрепляют болтами на своем месте, снова производится контроль и проверка приборов. К тому времени, когда инженеры подготовят ракету «Викинг» к полету, все вспомогательные операции должны быть проведены: ученые должны установить оборудование, команда запуска должна находиться у стендов, прицельная и спасательная команды, а также аварийные команды должны быть наготове. Радиолокационная установка и оптические следящие системы должны быть готовы к наблюдениям за полетом снаряда к границам земной атмосферы.
Так, после многих месяцев упорной работы в результате объединенных усилий конструкторов и ученых был изготовлен аппарат для исследований на больших высотах, способный поднять приборы выше, чем это делалось прежде. Все готово. Внутри укрытия отсчитывают последние секунды. Включается пусковой рубильник, и сверкающий столб пламени устремляется в углубление под настилом платформы. Но теперь уже болты не удерживают этот блестящий «карандаш» на земле. Тонны сложной аппаратуры легко поднимаются под действием ревущей струи пламени, ромбовидные ударные волны переливаются всеми цветами радуги в цилиндре вырывающихся выхлопных газов, движущихся с огромной скоростью. Кабель управления падает, и свободная ракета устремляется ввысь сквозь облака и становится крошечным пятнышком в темно-синем небе пустыни.
Примерно через 60 сек. все горючее выгорает и двигатель останавливается, но к этому времени ракета успевает набрать скорость 5600 км/час. За счет большого запаса кинетической энергии она продолжает набирать высоту, поднимаясь к пределам земной атмосферы, к границам межпланетного пространства. Ракету уже невозможно видеть невооруженным глазом, но за ней внимательно наблюдают с помощью приборов. Оптические и, радиолокационные установки все время следят за ракетой; различные регистрирующие и телеизмерительные устройства записывают ее сообщения о свойствах окружающего мирового пространства, передаваемые радиоимпульсами наземным станциям. Вершина траектории находится на расстоянии 160-240 км от поверхности Земли, но через 4-5 мин. ракета погрузится в нижние слои атмосферы и превратится в груду обломков, разбросанных вокруг места ее удара о землю.
Но, как мы увидим дальше, за эти 4 мин. ракета успевает собрать множество новых данных, которые потребуют длительной обработки и которые можно получить только у границы мирового пространства.
 Фиг. 1. Испытание силовой установки ракеты «Викинг» |  Фиг 2. Испытание паровой турбины, двигателей управления вращением и скольжением ракеты, а также приборного отсека в ангаре полигона Уайт Сэндс. |
 Фиг. 3. Для защиты обслуживающего персонала от холода и приборов от песчаной пыли нижнюю часть ракеты прикрывают металлическим «домиком». |  Фиг. 4. Приспособление, заменяющее во время стендовых испытаний южный киль ракеты, чтобы обеспечить подход к оборудованию внутри тягового отсека. |
 Фиг. 5. В железобетонном блиндаже перед началом испытания ракеты. |  Фиг. 6. Стендовое испытание ракеты «Викинг», прикрепленной болтами к пусковому столу. Выхлопные газы направляются в канаву с водой, где происходит образование пара. |
 Фиг. 7. Проверка оборудования отсека управления ракеты «Викинг» перед ее запуском. |
Атмосфера определяется как газообразная оболочка, окружающая небесное тело в пространстве. Атмосферы различных планет солнечной системы очень сильно отличаются друг от друга: атмосфера таких гигантских планет как Юпитер и Сатурн, состоит, по-видимому, в значительной степени из аммиака и метана и имеет толщину порядка нескольких тысяч километров. Атмосфера таких планет как Земля и Марс, значительно менее плотная. Но если ограничиться только этими планетами, то даже и в этом случае мы располагаем ограниченным количеством данных относящихся в основном к атмосфере нашей собственной планеты; состав атмосферы других планет пока еще полностью не выяснен. Наличие атмосферы у планет обусловлено двумя решающими факторами: во-первых, силой притяжения планет, которая вместе с радиусом планеты определяет скорости, необходимые для выхода из сферы ее притяжения; во-вторых, температурой внешних слоев атмосферы, которая определяет скорость движения молекул или атомов газов, составляющих атмосферу. Если эти частицы, находящиеся в верхних слоях атмосферы, смогут достигнуть скоростей, больших скорости необходимой для выхода из поля тяготения данной планеты то газовая оболочка будет постепенно рассеиваться в мировое пространство и планета останется без атмосферы. Вероятно, так произошло с атмосферой Луны и Меркурия; более того, этим объясняется, почему такие легкие газы, как водород и гелий, молекулы которых могут достигать больших скоростей, улетучиваются из земной атмосферы, как только они попадут в нее с поверхности Земли.
Нижние слои атмосферы обычно называются тропосферой. Тропосфера — это часть газовой оболочки в которой свободно перемешиваются слои воздуха и благодаря конденсации паров воды, находящихся в воздухе, образуются облака. Тропосфера — единственная область воздушной оболочки, которая была известна человеку уже в конце средних веков.
Галилей обратил внимание на трудность поднятия воды в насосах, а Торричелли — один из его учеников — связал это явление с давлением воздуха. В 1643 г. он сообщил об открытии давления воздуха, которое является весом воздушного столба, простирающегося вверх до пределов атмосферы. Торричелли нашел, что давления атмосферы достаточно, чтобы поддержать столб ртути высотой около 760 мм; это эквивалентно давлению 1,033 кг/см2. В работах, связанных с верхними слоями атмосферы, обычно принято измерять давление в миллиметрах ртутного столба.
Следующим шагом в познаниях человека об атмосфере явилось открытие падения давления с высотой. Этот факт послужил подтверждением того, что атмосферное давление действительно представляет собой результат давления воздушного столба, находящегося над измерительным прибором. Этот опыт был проведен Паскалем, который поднял барометр (так был назван прибор Торричелли) на вершину Пюи-де-Дом, во Франции, и обнаружил, что с увеличением высоты уровень ртути соответственно понижался [1].
Вслед за этим открытием были сделаны попытки определить высоту атмосферы. Конечно, на основании того, что воздух примерно в 10 000 раз легче ртути, нельзя делать заключение, что высота атмосферы должна быть в 10 000 раз больше, чем высота ртутного столба (760 мм), уравновешивающего давление атмосферы. Так считать нельзя, ибо плотность атмосферы с высотой быстро уменьшается, и поэтому действительная высота атмосферы намного больше, чем 8 км, которые можно было бы ожидать при таком расчете. Эдмунд Холли одним из первых в 1714 г. произвел научный расчет высоты атмосферы. Основывая свой расчет на измерениях давления, сделанных альпинистами, на законе Бойля, а также на появлении и исчезновении следов метеорных тел, он пришел к выводу, что высота атмосферы равняется примерно 70 км. Кроме того, Холли показал, что температура воздуха при увеличении высоты должна уменьшаться.
Позднее воздухоплаватели подтвердили эту часть теории Холли, показав, что температура действительно уменьшается примерно на 1°С при увеличении высоты на каждые 160 м. Но аэростаты поднимались все выше и выше, и вскоре было обнаружено, что, начиная с некоторой высоты, значение которой зависит от географической широты местности, закон Холли нарушается.
В 1804 г. Гей-Люссак и Био совершили первый подъем на аэростате, который имел большое научное значение. Достигнув высоты 7000 м, они установили, что количество водяных паров уменьшается с высотой, но химический состав атмосферы остается неизменным.
Примерно в середине прошлого столетия ученые установили, что закон уменьшения температуры с высотой выполняется только приближенно. Иногда в результате метеорологических условий температура с высотой даже повышалась; это явление называется температурной инверсией.
В конце XIX в. возникла идея запуска аэростатов с одними только приборами, без людей; такие аппараты получили название разведывательных аэростатов, или шаров-зондов. Эти шары могли достигнуть таких высот, на которых человек уже не мог находиться без специальных средств защиты. В 1893 г. Эрми и Безансон запустили шар с приборами на высоту 12 000 м и обнаружили, что наиболее низкая измеренная температура равнялась только 222°К1).
1) В работах по физике больших высот и в большинстве научных работ температура измеряется по абсолютной шкале Кельвина (°К). Нуль по абсолютной шкале соответствует -273° С; следовательно, чтобы перейти от абсолютной температуры к температуре по Цельсию, нужно отнять 273°, а чтобы перейти от температуры по Цельсию к абсолютной температуре надо прибавить 273°. Таким образом, 222° К эквивалентно -51°С.
К концу столетия шары-зонды достигли высоты 22 000 м; с их помощью были получены новые ценные данные. На основании этих данных французский метеоролог Тейссеран де Бор сформулировал теорию, согласно которой атмосфера должна быть разделена на две отдельные области: тропосферу, где температура обычно уменьшается с высотой и где перемешиваются слои воздуха и происходят явления погоды, и стратосферу — область, в которой, начиная от тропосферы до верхних слоев атмосферы, температура остается постоянной и равна 220° К.
 Фиг. 8. Схема строения атмосферы. |
Некоторые ученые того времени предполагали, что за стратосферой температура вновь должна уменьшаться до предельно низких значений.
В настоящее время установлено, что эти теории были отчасти справедливыми. Область тропосферы простирается от уровня моря до высоты примерно 16 км на экваторе и около 8 км на полюсах. Но, как сейчас известно, стратосфера также имеет определенные границы, более того, в стратосфере возникают ветры, дующие с большими скоростями.
 Фиг. 9. Отражение радиоволн от ионизированного слоя. |
В 1902 г. американский ученый Кеннелли и английский ученый Хивисайд независимо друг от друга, используя радиоволны, доказали существование слоя ионизированного газа, наличие которого объясняет отражение радиоволн и таким образом дает возможность осуществить радиосвязь на больших расстояниях (фиг. 9). Этот ионизированный слой стал известен как слой Кеннелли-Хивисайда. И его наличие не только показало, что атмосфера должна простираться до 100 км, но также добавило к уже известной модели атмосферы новую область — ионосферу. Теоретические работы показали также, что температура в этой ионизированной области должна быть высокой. Позже английский ученый Эпилтон открыл еще более высокий ионизированный слой (известный теперь как слой Эпплтона) и тем самым «продолжил» атмосферу почти до 320 км. Таким образом, ионосфера — это большая область над стратосферой, в которой под влиянием солнечной радиации молекулы и атомы атмосферных газов «электрически возбуждаются». В результате сильного возбуждения они могут потерять электроны и превратиться в положительные ионы. Атомы могут быть однократно ионизированы, т. е. могут потерять один электрон, дважды ионизированы (при потере двух электронов) и т. д. В исключительных случаях, например под воздействием космических лучей, атомы могут потерять все электроны и стать, как например олово, 50-кратно ионизированными. Иногда атом может принять электрон и стать отрицательным ионом [2]. Энергию, необходимую для ионизации, можно определить; она обычно называется потенциалом ионизации. Так, например, потенциал ионизации для водорода равняется 15,5 в. Потенциал ионизации равен разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы ионизировать атом. Энергия электрона, которая приобретается им при прохождении разности потенциалов 1в, равна 1,601·1012 эрг; такое количество энергии называется электрон-вольт (эв). Следовательно, для ионизации молекулы водорода требуется 15,5 эв. Частицы, составляющие космические лучи, обладают энергией свыше многих миллионов электрон-вольт; обычно энергия таких частиц измеряется в Бэв, где 1 Бэв = 1010 эв.
Было обнаружено, что если посылать радиоволны вертикально вверх, то часто они отражаются и возвращаются назад к посылающей их станции примерно через 0,001 сек. Зная скорость распространения радиоволн, равную 3·1010 см/сек, можно подсчитать высоту, на которой находится отражающий слой. Более того, теоретически можно определить концентрацию свободных электронов в этом слое, т. е. число свободных электронов в 1 см3. Такое определение относится к наиболее плотной части слоя. Используя излучения различной частоты, можно обнаружить ионизированные слои на различных высотах; это в основном зависит от излучающей аппаратуры, которая также позволяет рассчитать концентрацию электронов [3]. Как было обнаружено, наиболее высокие слои имеют наибольшую электронную концентрацию, достигающую 106 электронов в 1 см3. Хотя концентрация электронов в ионизированном слое Эпплтона максимальна, степень ионизации, т. е. отношение числа ионизированных молекул и атомов к их общему количеству, неуклонно возрастает с высотой.
Таблица 1
| Высота, км | Область | Максимальная ионизация (число электронов в 1 см3) | Примечания |
| Свыше 70 | Ионосфера | Возрастает с увеличением высоты | Наибольшая в дневное время |
| 70 | Слой D | Слабая (3·103) | Дневной слой |
| 112 | Слой Е | Умеренная (1·105) | То же |
| 220 | Слой F-1 | Сильная (2,5·105) | » » |
| 300 | Слой F-2 | Очень сильная (1·106) | Дневной и ночной слой |
Характеристика этих слоев дана в табл. 1. Было обнаружено, что концентрация электронов меняется в зависимости от времени суток. Как предполагают, это объясняется тем, что ионизация вызывается солнечной радиацией. Дополнительное подтверждение того факта, что интенсивность ионизации зависит от солнечного излучения (во всяком случае в нижних слоях), было получено во время полного солнечного затмения в 1931 г. В этот момент велись наблюдения за степенью ионизации, измеряемой по концентрации электронов в слоях Е и F1. Было замечено, что по мере того как Луна все больше закрывала солнечный диск и тем самым препятствовала прохождению солнечных лучей в ионосферу, степень ионизации падала; наименьшая ионизация была отмечена через несколько минут после полного затмения. Однако во время последнего затмения наблюдалось образование нового слоя, названного слоем F [4].
Некоторые ученые предполагают, что на высоте 400-700 км существует слой G, однако большой период отражения, по которому судят о наличии этого слоя, может явиться результатом многократного отражения между слоями F1 н F2, а не наличия более высокого слоя. Предполагают, что ионосфера начинается с нижнего ионизированного слоя, расположенного на высоте 70 км. Высота, на которой кончается ионосфера, неизвестна. В дальнейшем мы увидим, что внешний слой атмосферы, расположенный в тысячах километров от поверхности земли, можно назвать экзосферой, в которой отдельные атомы атмосферных газов, подобно миниатюрным спутникам, двигаются по орбитам вокруг Земли. В соответствии с этим атмосфера условно разделена на три области (табл. 2).
Таблица 2
В настоящее время существует ряд методов для изучения свойств атмосферы. Их можно разделить на два различных класса: исследование естественных явлений и зондирование. К зондированию относятся, например, радиометоды, а методы, с помощью которых изучают естественные явления, включают наблюдение полярных сияний, свечения ночного неба, метеоров, высотных облаков в магнитных бурь. Эти различные методы изучения будут детально рассмотрены ниже, когда речь будет идти о развитии новейших зондов-ракет. В табл. 3 перечислены методы исследования атмосферы и данные, которые можно получить с их помощью.
Таблица 3
| Наблюдение за естественными явлениями | ||
| Область изучаемых высот, км | Получаемые данные | |
| Метеоры | 45-150 | Температура и ветер |
| Серебристые облака | 85 | То же |
| Свечение ночного неба | 100-500 | Состав атмосферы |
| Светящиеся полосы | 90-180 | Состав атмосферы, ветер |
| Полярные сияния | 80-1100 | Состав атмосферы, температура |
| Солнечная радиация | 20-60 | Существование слоя озона |
| Изменение земного магнетизма | 80-150 | Электрические токи |
| Барометрические колебания | 50-500 | Приливы и отливы, температура |
| Звуковые волны | 35-60 | Температура, ветер |
| Шары-зонды | 0-32 | Состав атмосферы, давление, температура, влажность, космическое излучение, слой озона, плотность, ветер |
| Радиоволны | 70-500 | Ионизация, концентрация электронов, магнитное поле, температура, состав атмосферы |
| Световые волны | 20-40 | Температура, плотность |
| Ракеты | От поверхности Земли до межпланетного пространства | Температура, химический состав, давление, ионизированные слои, течения, ветер, космическое излучение, солнечная радиация |
Среди упомянутых естественных явлений наиболее внушительными представляются полярные сияния, особенно если их наблюдать в высоких северных или южных широтах, где они видны во всем своем великолепии. Они принимают то форму столбов, арок или дуг, то форму светящихся пятен неправильной формы, которые меняют свой цвет и яркость и становятся похожими на сверкающий занавес или цветные прожекторы, просвечивающие через тонкую завесу облаков. Полярные сияния часто начинаются с появления дуг с вершинами у магнитного меридиана. Под аркой небо кажется особенно черным, хотя звезды по-прежнему можно еще видеть; это явление известно под названием «черный сегмент». Затем в направлении магнитного зенита протягиваются тонкие полосы яркого света. Иногда все небо бывает заполнено сверкающими, искрящимися огнями, быстро поднимающимися с горизонта. Самым удивительным во всей этой сверкающей картине является полное отсутствие звуков, что может внушить страх, особенно если наблюдать это явление одному в местах, удаленных от жилья.
Фотографируя полярные сияния одновременно с различных точек и используя триангуляцию, можно определить высоту, на которой происходит сияние. Установлено, что полярные сияния происходят на гораздо больших высотах, чем предполагали в начале нынешнего столетия Де-ля-Рю и Мюллер [5]. Эти ученые считали, что полярные сияния происходят на высотах 1,5-160 км, в то время как, согласно последним измерениям [6], они имеют место на высотах 60-1100 км. Чаще всего полярные сияния наблюдаются на высотах, нижняя граница которых равна 90-150 км, а верхняя — 400 км. Наиболее высокие сияния (те, которые отмечаются на высоте до 1100 км) — это сияния, освещенные Солнцем. Они распространяются в экзосферу за тень, отбрасываемую Землей.
В настоящее время общепризнано, что причиной полярных сияний являются заряженные частицы, которые излучаются Солнцем и достигают верхних слоев земной атмосферы на следующий день. Эти явления обычно повторяются через каждые 27,6 суток, т. е. через период, равный периоду вращения Солнца относительно Земли; кроме того, аналогично периодическому появлению солнечных пятен они повторяются каждые 11 лет.
Изучая спектр света, испускаемого полярным сиянием, можно сделать некоторые определения в отношении состава атмосферы и температуры тех областей, где это сияние имеет место. Установлено, например, что азот и кислород имеются на всех высотах. По этим спектрам было подсчитано, что на высоте 120 км температура должна равняться примерно 2000°К, а на высоте 280 км — по крайней мере 8000° К. Однако по сравнению со значениями температуры, определенными другими методами, эти значения оказались слишком высокими. Согласно последним исследованиям, температура, находимая по спектрам полярных сияний, ниже температуры, определяемой с помощью радиометодов.
Менее эффектное, но столь же интересное явление представляет собой ночное свечение воздуха. Если анализировать свет, льющийся с неба в ясную безлунную ночь, можно заметить, что он идет от нескольких источников: имеется свет от звезд, рассеиваемый как межпланетной пылью, так и земной атмосферой, а также собственное свечение атмосферы.
Ночное свечение воздуха [7] составляет две пятых всего света, идущего от ночного неба. Как полагают, причиной свечения является рекомбинация ионизированных атомов и молекул с электронами, а также рекомбинация диссоциированных молекул — своеобразная реализация запасенной энергии, которая поглощалась атмосферой в течение дня. Свечение атмосферы становится наиболее ярким около полуночи по местному времени. Хотя спектроскопическое определение источника свечения затруднено благодаря малой интенсивности света, все же найдено, что частичной причиной его является присутствие атомарного и молекулярного кислорода, а также молекулярного азота. Многие полосы в спектре ночного неба принадлежат к системе Герцберга молекулы О2 [8]. Кроме того, был обнаружен также металл натрий. В свое время этот факт вызвал большое недоумение: почему этот металл, который так легко окисляется, содержится в верхних слоях атмосферы? Однако, позже было установлено [9], что, хотя линии натрия яркие, особенно в сумерках, количество его крайне незначительно. Его наличие может быть объяснено метеорной или межпланетной пылью; бомбардировка частицами межпланетной пыли рассматривается даже как возможный процесс, способствующий свечению.
В настоящее время нет единой точки зрения относительно высоты, на которой происходит ночное свечение воздуха. Некоторые специалисты считают, что это свечение имеет место ниже слоя Е [10]. Другие же уверяют, что свечение идет от гораздо больших высот, почти от верхних ионизированных слоев, расположенных на высоте 500 км [11]. Окончательно установить истину помогут исследования при помощи ракет, запускаемых в ночное время.
Светящиеся полосы в ночном небе представляются своеобразными блестящими заплатами. Высота их точно не определена. По мнению Хоффмайстера, они могут возникнуть в результате бомбардировки межпланетной пылью.
Мы уже говорили о том, что в верхних областях атмосферы должна быть высокая температура, но изменение температуры от ее значений в стратосфере до температуры высших слоев атмосферы происходит нe так просто, как это может показаться. Оказалось, что даже в стратосфере температура не остается постоянной около экватора, а возрастает с высотой.
Когда огнестрельное оружие стало основным оружием войны, было обнаружено удивительное явление, связанное с распространением звука. Установлено, например, что при интенсивном орудийном огне шум битвы можно услышать на очень большом расстоянии от поля боя, в то время как на более близких расстояниях ничего не слышно. Аналогичное явление было отмечено при сильном извержении вулкана Кракатау. Позднее ученые пытались использовать явление аномального распространения звука для изучения верхних слоев атмосферы. В 1901 г. во время салюта по случаю похорон королевы Виктории были зафиксированы концентрические кольца зоны слышимости и отсутствия слышимости салюта.
Возможны два объяснения аномального распространения звука. Отклонение направления распространения звуковых волн может быть вызвано изменением состава атмосферы, например, в том случае, когда сравнительно тяжелые кислород и азот заменяются более легкими газами — гелием и водородом. Однако подобное объяснение не может считаться достоверным, поскольку гелий й водород не обнаруживаются в спектрах полярных сияний и свечения ночного неба. С другой стороны, можно полагать, что существует слой с высокой температурой, который действует как отражатель звуковых волн, подобно тому как инверсия температуры (т. е. повышение температуры с высотой) в тропосфере отражает световые волны обратно к Земле и тем самым создает такие оптические явления, как мираж. Наблюдая за большими взрывами, проводившимися в различное время (наибольшее значение имели результаты, полученные при взрыве на о-ве Гельголанд в 1947 г.), ученые пришли к выводу, что на высоте 32-64 км должен быть слой с высокой температурой; по их расчетам, максимальная температура этого слоя на высоте 50 км равняется 350°К. Это подтверждает наблюдения за метеорами, взрывы которых редко слышны, если они происходят на высоте более 60 км, так как при этом теплый слой, находящийся ниже точки взрыва, отражает звуковые волны вверх.
В верхних слоях атмосферы появляются также очень высокие облака, которые видны только тогда, когда Солнце находится за горизонтом на уровне Земли, но еще освещает те области, где образуются эти облака. Последние получили название серебристых. Согласно триангуляционным данным, серебристые облака находятся на высоте 80-90 км. Как полагают, они состоят из ледяных кристаллов; если это действительно так, то на этой высоте температура должна быть минимальной. (Ниже мы увидим, что этот минимум температуры действительно существует.) Согласно другой теории, эти облака состоят из вулканической пыли. Чтобы объяснить появление этих облаков в столь ограниченном слое, ученые предполагают наличие области с большой температурой выше тех слоев, где наблюдается образование серебристых облаков.
Исследования и повседневные наблюдения за нижними слоями атмосферы ведутся преимущественно при помощи шаров-зондов. В настоящее время шары-зонды являются таким инструментом, который дает возможность получить надежные и точные данные об атмосфере до высоты 32 км. Систему измерений, по существу, можно разделить на: 1) исследования атмосферных ветров, которые определяются с помощью оптического или радиолокационного наблюдения за шарами, наполненными водородом (так называемая система радиозондов), и 2) исследования, связанные с записью давления, температуры и влажности. Радиолокационные и оптические методы определения ветра при нормальной работе сильно ограничены из-за сноса шара при большой скорости ветра. Иногда шар сносится за пределы действия передатчика примерно на 80 км, прежде чем он достигнет своего потолка.
Специальное оборудование, установленное на радиозондах, передает наземной станции результаты измерения давления, температуры и влажности. В последние годы на радиозондах устанавливаются радиолокационные отражатели; это дало возможность использовать один запуск шара для получения результатов измерений первого и второго типов.
Наиболее современная система, разработанная лабораторией Муллард [13], дает возможность значительно расширить радиус действия, используя комбинированную радиолокационную установку и шар-зонд, что позволяет вести радиолокационное наблюдение на расстоянии 185 км по прямой и получать данные от шара-зонда до высоты по крайней мере 30,5 км. Схема системы радиолокационная станция — радиозонд показана на фиг. 10. Приборы, находящиеся на шаре-зонде, постоянно запрашиваются наземной радиолокационной станцией на частоте 152,2 мггц, а отвечают на частоте 2850 мггц. Время, затраченное на получение ответа наземной станцией, определяет расстояние до шара-зонда, а скорость изменения этого расстояния вместе с данными угловых смещений шара в вертикальном и горизонтальном направлениях дает скорость ветра. Направление определяется посредством вращающейся антенной системы, состоящей из приемного параболоида с вращающимся диполем, аналогичного применяемому в радиолокационной установке управления зенитным огнем. Передающие антенны типа «волновой канал» обычно крепятся к основанию параболоида (фиг. 11).
 Фиг. 11. Антенная система наземной станции для наблюдения за сигналом бортовой установки. Передатчик излучает радиоволны через две антенны типа „волновой канал"; коротковолновые сигналы от бортовой установки принимаются параболоидом (диаметр 1,5 м) с нутирующим диполем. Антенная система автоматически следует за бортовой установкой. |
Вторая группа сигналов от шара-зонда, также излучаемая на частоте 2850 мггц, непрерывно передает сведения о температуре, давлении и влажности, а также калибрационные сигналы методом переменной задержки. Вся эта информация фиксируется регистрирующими механизмами наземной станции при помощи электронно-лучевых трубок, самописцев и телепечатающих устройств.
Верхние слои зондировались при помощи радиоволн (см. гл. V), а также лучами пульсирующих прожекторов. В настоящее время эта работа ведется по заданиям ВВС США; уже получены данные, касающиеся температуры и других параметров атмосферы [14].
За последние пять лет изучение верхних слоев атмосферы приобретает все большее значение. Существующие реактивные самолеты уже достигли высоты 24 км; в ближайшие годы ожидается еще большее увеличение высоты. Даже коммерческие самолеты, такие как «Комета», летают на высоте 13 км, т. е. в стратосфере, а развитие самолетостроения в ближайшее время, несомненно, приведет к появлению самолетов, летающих на еще большей высоте. Однако гораздо большее значение имеет необходимость создания надежной защиты от атомных ударов, которые возможны при любых будущих столкновениях и которые вынуждают военных специалистов концентрировать все усилия на развитии самонаводящихся и управляемых снарядов [15]. Для этого необходимо знать поведение летательных аппаратов при больших скоростях и на больших высотах. Однако, пожалуй, наибольшим побудительным мотивом в изучении верхних слоев атмосферы явилось желание выявить возможности использования ракет дальнего действия для стратегических атомных бомбардировок [16] и необходимость защиты против такого оружии. Управление такими снарядами, летящими со скоростью нескольких тысяч километров в час, и наведение их на ограниченные цели требуют, чтобы операторы, управляющие ими, точно знали условия в верхних слоях атмосферы, сквозь которые должен пролетать такой снаряд. Для полета на очень большие расстояния могут потребоваться крылья [17]; иногда бывает также необходимо использовать явление рикошета [18], и тогда знание точных данных о составе атмосферы, температуре и плотности па очень больших высотах особенно необходимо. Возможность запуска ракет в межпланетное пространство [19] тесно связана с очень важной (с точки зрения сохранения аппарата) задачей разработки техники «пробивания» атмосферы при возвращении на Землю. Действительно, прежде чем человек сможет осуществить межпланетный полет, он должен знать земную атмосферу и ее особенности значительно лучше, чем в настоящее время. Более того, необходимо тщательно проверить, как скажется на жизнедеятельности человеческого организма выход из атмосферы. Как, например, будет влиять интенсивное солнечное излучение на человека и на механизмы? Какова будет роль первичных частиц космических лучей, и каково влияние метеоров и межпланетной пыли?
Интересна также проблема техники «дозаправки» горючим со вспомогательного искусственного спутника Земли. Для полной уверенности в том, что орбита при дозаправке горючим будет постоянной, необходимо точно знать эффективную высоту атмосферы Земли.
В наши дни человек еще только начинает проникать в межпланетное пространство, но созданные им приборы уже сейчас помогают заполнять белые пятна на карте атмосферы Земли. Человек прошел длинный путь от простейшего представления Холли об окружающей Землю оболочке до современных работ, которые открывают бесконечные пути для исследования. Но удивительно, что по мере того как человек все больше познает законы межпланетного пространства, перед ним открываются новые беспредельные просторы неизвестного.
Прежде чем перейти к более детальному разбору свойств газовой оболочки, окружающей Землю, следует остановиться на одном вопросе; он касается того факта, что атмосфера в основном непрозрачна. Если отбросить облака, то невооруженному глазу может показаться, что воздух является очень прозрачным веществом, позволяющим нам совершенно отчетливо видеть другие тела в межпланетном пространстве. Однако следует напомнить, что наши глаза воспринимают только ограниченную область частот полного спектра электромагнитных излучений. Глаза человека в течение многих столетий развивались так, чтобы как можно лучше приспособиться к той частоте солнечного излучения, для которой наша атмосфера наиболее прозрачна. Если переместить человека на планету с другой атмосферой, то его глаза перестанут видеть. Человеческий глаз приспособлен к свету с длиной волны около 7500-4000 Å1). Атмосфера Земли обрезает свет Солнца в коротковолновой части с длиной волны короче 2900 Å (ультрафиолетовая область спектра). В инфракрасной области атмосфера опять обрезает спектр на волнах свыше 30 000 Å; первое соответствует так называемым теллурическим линиям, а второе — области молекулярного поглощения. Атмосфера остается непрозрачной для излучения до тех пор, пока не будет достигнута область длин волн, лежащая между 1 см и 35-45 м, что соответствует частоте от 50 000 до 7-8 мггц.
1) 1 Å (ангстрем) = 10-8 см.
 Фиг. 12. „Окна прозрачности" в земной атмосфере. На диаграмме показан весь спектр электромагнитного излучения от далекой ультрафиолетовой области до радиочастот. На спектре отмечены "оптическое окно" и „радиоокно", которые позволяют достигнуть поверхности Земли излучениям соответствующих длин волн. Все остальное излучение задерживается различными слоями атмосферы. |
Первое окно прозрачности в атмосфере известно под названием «оптическое окно», второе — «радиоокно» (фиг. 12). До самого последнего времени все наблюдения за Вселенной велись через оптическое окно посредством телескопов, спектроскопов и камер, улавливающих и регистрирующих световые волны в видимой и близлежащих к ней областях спектра. В последние десять лет начали также использовать радиоокно, и радиотелескопы стали обычными приборами астрономии [21].
В самых верхних слоях атмосферы присутствует постоянное электромагнитное излучение, идущее в основном от Солнца и от других излучающих источников Вселенной: звезд, дальних туманностей, а также отраженный свет от межзвездной пыли и планет. К этому надо добавить частицы, проникающие в атмосферу, размеры которых меняются от мельчайших частиц космического излучения и межпланетной пыли до тяжелых метеорных тел, весящих многие тонны (как например метеорит, упавший в Сибири в 1908 г.). Большинство частиц не проникает сквозь атмосферу, только крупным метеоритам удается достигнуть поверхности Земли. Небольшие по размеру метеорные тела распадаются в атмосфере на высоте 50-130 км. Метеорные микротела, или межпланетная пыль, могут «погибнуть» даже на большой высоте, хотя предполагают, что, в конечном итоге, часть их может достигнуть земной поверхности и смешаться с грязью и осадками на дне океанов. При исследовании таких осадков делались попытки измерить количество межпланетной и метеорной пыли, которая падает на Землю в течение некоторого геологического периода.
Частицы, излучаемые Солнцем, задерживаются верхними слоями атмосферы. Среди этих частиц есть электроны и протоны; предполагают, что именно они вызывают полярные сияния, магнитные бури и некоторые возмущения ионосферы. Ни одна из этих частиц не достигает уровня моря.
Частицы большой энергии входят в состав первичных космических лучей. Некоторые из них отклоняются магнитным полем Земли, однако другим удается пробить атмосферу. Очень немногим частицам первичных космических лучей удается достигнуть уровня моря. В конце концов они либо исчезают в результате столкновений с ядрами атомов, либо превращаются в другие частицы. Характер первичных частиц не был окончательно известен до тех пор, пока с помощью высотных ракет не удалось поднять телескопы космических лучей до таких высот, где губительное влияние атмосферы еще не сказывалось на истинной природе космических лучей.
Таким образом, чтобы лучше знать физику Солнца, природу космического излучения и устройство самой Вселенной, человек должен поднять приборы выше плотного покрова атмосферы, который сильно затрудняет наблюдения и эксперименты. Исследования больших высот представляют интерес как для развития чистой науки, так и для решения ряда инженерных проблем, относящихся к управлению снарядами дальнего действия, которые предназначены для уничтожения с лица земли мирных городов.
В последующих главах мы будем рассматривать атмосферу Земли как обширную «лабораторию». В атмосфере происходит целый ряд интереснейших явлений: космические лучи вызывают изменения ядер, солнечное излучение ионизирует и диссоциирует атмосферные газы, между составными частями атмосферы происходят фотохимические реакции, а электромагнитные явления, связанные с солнечной активностью, вызывают токи в ионизированных слоях. Исследования распространения радиоволн и звуковых волн в атмосфере будут способствовать лучшему пониманию явлений акустики и распространения радиоволн.
Изучение атмосферы является пограничной областью двух основных разделов человеческого знания: астрофизики, которая исследует частицы и излучения, идущие из мирового пространства, и геофизики, связанной с явлениями, специфическими для атмосферы Земли.
1. Ellis W., Quart. J. Roy. Met. Soc, 12, 131 (1886).
2. Masseу H. S. W., Negative Ions, Cambridge Monographs, 1938.
3. Breit G. and Tuve M. A, Phys. Rev., 28, 554 (1926).
4. Singer S. F., Nature, 171, 146 (1953).
5. Dela Rue W. and Muller H. W., Proc. Roy. Soc, 30, 332 (1880).
6. Harange L., The. Aurorae, Lnd., 1951.
7. Roach F. E. and Pettit H. В., Geophys. Res., 56, 325 (1951).
8. Pillow M. E., Proc. Phys. Soc, 66A, 730 (1953).
9. Bates D. R., Monthly Notices, Roy. Astron. Soc, 109, 223 (1949).
10. Roach F. E., Pettit H. B. and Williams, I. Geophys. Res., 55, 183 (1950).
11. Ely's у С. Т. and Farnsworth A. H., Astrophys. J., 96, 451 (1942). (1962). Proc. IEE, N. and Alder N. L.
12. Hoffmeister C, I. Brit. Astron. Assoc, 62,
13. Jones F. E., Hooper J. E. 98, part II, 461 (1951).
14. Fried land S. S. a. oth, Phys. Rev., 92, 1080 (1953).
15. Weyl A. R., Guided Missiles, Temple Press, 1949;
Гэтленд К., Развитие управляемых снарядов, Издательство иностранной литературы, 1956.
16. Burgess E., Rocket Propulsion, Lnd., 1954.
17. Perring W. G. A., J. Roy. Aero. Soc, 50, 483 {1946).
18. Sanger E. und Вгеdt I., Raketenflugtechnik, Bd. II, 1944.
19. Malina F. J. and Summerlield M., JAS, 14, 471 (1947).
20. Nonweiler T. R. F., . Brit, Interpl. Soc, 10, 26; 258 (1951).
21. Ловелл Б. и Клегг Дж., Радиоастрономия, Издательство иностранной литературы, 1953 г.
Как было упомянуто, беспилотные аэростаты поднимались на высоту 32 км. Что же касается аэростатов с экипажем, то наибольшей высоты (22 км) достиг аэростат «Эксплоурер II», управляемый Стивенсом и Андерсоном, 11 ноября 1935 г. В последние годы полиэтиленовые и неопреновые аэростаты, запускаемые из США и других стран, поднимались на высоту 40 км, которая является, по-видимому, предельной для исследования атмосферы с помощью этого метода. Однако ракета, способная развивать тягу в вакууме и более эффективная в тот момент, когда выхлопные газы выбрасываются в пустоту, может поднять приборы на значительно большую высоту. Идея применения ракет для исследований больших высот не является новой, ее уже высказывали в прошлом Гаддар [1], Оберт [2], Ли [3], работники Авиационной лаборатории Калифорнийского технологического института [4] и ряд других лиц.
Первая исследовательская ракета — ракета-зонд — была построена в Авиационной лаборатории Калифорнийского технологического института. Работа была начата в 1936 г. и привела к созданию ракеты «Вак Корпорал», испытание которой в полете состоялось осенью 1945 г. Первоначально, в соответствии с требованиями Корпуса Связи США, перед проектом ставилась задача обеспечить подъем оборудования весом 11,5 кг на высоту, по крайней мере равную потолку аэростатов, — 30 км. 3-5 июля 1945 г. в Голдстоун Рейндж (Калифорния) были проведены пробные запуски ракеты «Бэби Вак», размеры которой в 5 раз меньше нормальных. В результате этих запусков установлено, что при взлете полезно применить ускоритель и увеличить устойчивость ракеты при помощи трех хвостовых килей.
Ракета «Вак Корпорал» длиной 4,8 м и диаметром 30 см представляет собой цилиндр с конической носовой частью. Вес ракеты без горючего 136 кг, а взлетный вес после заливки азотной кислоты (окислитель) и анилина (топливо) равен 301 кг. Под давлением сжатого воздуха топливо подается из баков в камеру сгорания, проходит между двойными стенками сопла и камеры сгорания и охлаждает реактивный двигатель. В течение 45 сек. двигатель развивает тягу 680 кг. Двигатель ракеты сконструирован фирмой «Аэроджет инжиниринг корпорэйшн».
Для достижения больших высот на ракете «Вак Корпорал» устанавливается вспомогательный стартовый ускоритель на твердом топливе. Этот стартовый ускоритель представляет собой модифицированный снаряд «Тайни Тим» класса «Воздух — Вода»1), применяемый в Военно-морском флоте, который в течение 0,5 сек. развивает тягу 23 000 кг. Основная ракета достигает вершины стартовой эстакады высотой 31 м до того, как вспомогательная ракета прекращает работу. Эта эстакада имеет три рельса, расположенных по окружности через 120°; их эффективная длина равна 24,5 м.
1) Снаряды, предназначенные для поражения морских целей с самолетов. — Прим. перев.
Испытания ракеты «Вак Корпорал» проходили на полигоне Уайт Сэндс (Лас Крусез, шт. Нью-Мексико, 41° сев. широты) с 26 сентября по 25 октября 1945 г. (фиг. 13). На этом полигоне производился запуск большинства высотных ракет. Площадь, занимаемая полигоном, простирается на 200 км с севера на юг; его максимальная ширина на севере около 65 км. Это в основном пустынная равнина, расположенная на высоте 1200 м над уровнем моря между горами Сан-Андрес и Сакраменто с вершинами около 3000 м. Помимо стартовой эстакады и вспомогательных кранов, основным сооружением на испытательном полигоне является блиндаж управления (фиг. 14) — центр всей системы запуска ракеты и контроля за ее полетом. Блиндаж управления представляет собой невысокое сооружение с бетонными стенами толщиной около 3 м и пирамидальной крышей из железобетона с максимальной толщиной на вершине 8,23 м. Он расположен примерно в 300 м от стартовой площадки.
 Фиг.13. Запуск первой высотной ракеты «Бак Корпорал» в 1945 г. (стартовый ускоритель еще присоединен). |  Фиг. 14. Блиндаж управления на полигоне Уайт Сэндс. Вдали видна ракета «Викинг», расположенная внутри портального крана |
Наблюдение за полетом ракеты «Вак Корпорал» осуществлялось с помощью трех радиолокационных следящих станций и пяти специальных камер, установленных и обслуживаемых персоналом Абердинской научно-исследовательской баллистической лаборатории. Помимо этого, во время полета сам снаряд посылал информацию на Землю с помощью радиотелеизмерительного устройства. Это оригинальное устройство позволяло измерять все интересующие величины путем изменения частоты звукового генератора. Пять различных низких частот использовались для модулирования несущей высокой частоты (100 мггц).
Наземная станция была снабжена надлежащими фильтрующими контурами, которые позволяли использовать эти пять низкочастотных каналов для записи. Ракета имела две такие установки, что дало возможность вести телеизмерения по десяти каналам.
Ракета «Вак Корпорал» не предназначалась для исследований верхних слоев атмосферы в широком масштабе, ибо к моменту, когда все связанные с ней работы были завершены, война в Европе кончилась, и в качестве трофеев было взято много немецких ракет «Фау-2». Отдельные части ракет «Фау-2» вначале были перевезены в США, где их собирали вместе, а затем запускали; благодаря этому американские военные специалисты получили возможность ознакомиться с управлением больших ракет. По заказу Службы артиллерийского и технического снабжения США фирма «Дженерал Электрик» должна была собрать и запустить 25 ракет «Фау-2». Запуск ракет предполагали произвести на полигоне Уайт Сэндс.
Однако в конце 1945 г. поступило предложение использовать эти ракеты для исследования верхних слоев атмосферы. В соответствии с этим к подготовке экспериментов и оборудования для ракет был привлечен ряд университетов и некоторые исследовательские организации. В начале 1946 г. комплект приборов и оборудования для ракеты «Фау-2» был готов, и 16 апреля 1946 г. на полигоне Уайт Сэндс была запущена первая ракета «Фау-2», собранная в Америке (фиг. 15) [5].
Подробности устройства ракеты «Фау-2» были широко освещены в литературе, особенно в работах [6] и [7]
Следует лишь напомнить, что эта большая ракета работала на жидком топливе, используя в качестве горючего этиловый спирт, a в качестве окислителя — жидкий кислород. Эти жидкие вещества под давлением подавались в камеру сгорания; при этом топливо служило и для охлаждения. Двигатель в течение 70 сек. развивал тягу 27 000 кг. Вес ракеты без горючего составлял 3950 кг, вес топлива 8750 кг, длина ракеты равнялась 14 м, максимальный диаметр 1,65 м. Боевая головка весила 980 кг, что составляло «полезную» нагрузку ракеты.
К моменту исхода горючего ракета развивала скорость около 5600 км/час. В дальнейших испытаниях на полигоне Уайт Сэндс полезную нагрузку ракеты увеличили примерно на 50%, что совершенно не отразилось на характеристиках снаряда.
После ряда пробных полетов Управление артиллерийским и техническим снабжением изменило программу испытаний, предполагая довести число ракет до 75, однако в действительности в течение шести лет было запущено 66 ракет. Ракеты достигли максимальной высоты 214 км при средней высоте подъема 95 км. Если при расчете средней высоты совершенно не учитывать неудачные запуски ракет, то средняя высота подъема ракеты равна 128 км.
Вскоре стало ясно, что для проведения исследований на больших высотах ракеты «Фау-2» нужно будет заменить другими ракетами, ибо вскоре они будут либо израсходованы, либо придут в негодность, находясь на складах. В соответствии с этим Управление артиллерийским и техническим снабжением в мае 1946 г. заключило контракт на проектирование и постройку 20 небольших ракет типа ракеты «Вак Корпорал», но с высотой подъема в два раза больше высоты подъема ранних американских ракет. Конструирование двигателя вновь было поручено фирме «Аэроджет инжиниринг корпорэйшн», а постройка ракеты — авиационной компании «Дуглас». Прототипом новой ракеты, получившей название «Аэроби» [8], послужила ракета «Вак Корпорал», однако «Аэроби» несколько больше по размерам. Согласно некоторым источникам, ее длина 5,78 м, а диаметр 38 см. Вес полностью снаряженной ракеты 500 кг; как предполагали, с полезной нагрузкой 73 кг она должна была подняться на высоту 135 км. Устойчивость «Аэроби», как и прежде, обеспечивалась при помощи трех хвостовых килей (фиг. 16).
 Фиг. 16. Ракета «Аэроби» с присоединенным ускорителем во время перемещения к стартовой эстакаде (справа). |
Для ускорения ракеты, запуск которой производится со специальной стартовой эстакады высотой 43 м, имеющей рельсы длиной 29 м, к ней монтируется стартовый ускоритель весом 248 кг с большой силой тяги, действующий в течение 2 сек. Ускоритель работает на твердом топливе, запускается при помощи электрическою устройства и сообщает ракете «Аэроби» скорость 1100 км/час, после чего регулятор давления запускает основной двигатель, работающий на жидком топливе. Через 45 сек, ракета развивает скорость около 4300 км/час и достигает высоты 29 км. Приборы и инструменты в ракете занимают объем 0,142 м3.
Первая ракета «Аэроби», запущенная 24 ноября 1947 г., достигла высоты 60 км. Такая высота оказалась ниже теоретически рассчитанной максимальной высоты. Это было вызвано тем, что в связи с неправильной траекторией двигатель пришлось выключить. Вторая ракета 3 мая 1948 г. поднялась на высоту 114 км, что полностью соответствовало расчетным данным. С этого момента «Аэроби» считается наиболее надежной ракетой для научных исследований. Однако несмотря на хорошие показатели ракеты «Аэроби», назрела необходимость в создании более крупной ракеты, способной подняться на высоту свыше 160 км с полезной нагрузкой, примерно равной нагрузке ракеты «Фау-2».
Такая ракета была сконструирована фирмой «Гленн Мартин» совместно с фирмой «Риэкшн моторс» под руководством Военно-морской исследовательской лаборатории. Первоначально ракета была названа «Нептун», но впоследствии ее переименовали в «Викинг» во избежание путаницы с самолетом «Нептун». Эта высотная ракета находится в состоянии непрерывного развития; ее размеры постоянно меняются при изготовлении новых экземпляров. Первые варианты ракеты «Викинг» были примерно такой же длины, как и «Фау-2», но диаметр их был вдвое меньше. Общий вес ракеты примерно 7,5 т, из них 80% (т. е. около 6 т) весит топливо; корпус ракеты всюду, где возможно, сделан из легких сплавов. Ракета «Викинг» обладает высокими летно-техническими качествами; несмотря на меньшие размеры и меньшую силу тяги двигателя по сравнению с «Фау-2», она может поднять такую же полезную нагрузку и на такую же высоту, как и ракета «Фау-2» (фиг. 17).
Работа и летные данные высотных ракет в настоящее время достаточно хорошо известны [7, 9-12]. Высота подъема ракеты-зонда пропорциональна квадрату удельного импульса и при увеличении относительной массы возрастает по экспоненциальному закону. Удельный импульс имеет размерность времени, он равен скорости движения выхлопных газов, деленной на ускорение силы тяжести. Величина удельного импульса зависит от типа топлива и термического коэффициента полезного действия двигателя и возрастает при увеличении температуры и давления в камере сгорания и малом молекулярном весе выхлопных газов. Относительная масса равняется отношению веса ракеты при взлете к весу ракеты без горючего. Для ракеты «Фау-2» она равна 3,7, для «Аэроби» — 2,2, а для «Викинг» — 4,0. Чем больше размеры ракеты, тем выше она может подняться, поскольку сила лобового сопротивления не пропорциональна размерам, в то время как возможная относительная масса ракеты при увеличении размеров возрастает.
Высоту подъема ракеты можно увеличить, если все время полета выбрасывать пустые топливные баки [13] (такая система получила название раскрывающейся конструкции), или при переходе к принципу ступенчатых ракет [14], согласно которому одна ракета помещается в другой и каждая последующая ракета включается в тот момент, когда двигатель предыдущей ракеты прекращает работу1). Превосходным примером ступенчатой ракеты служит ракета «Бампер Вак» [15], представляющая собой комбинацию ракет «Фау-2» и «Вак Корпорал» (фиг. 18). Небольшая американская ракета «Вак Корпорал» устанавливалась на носу ракеты «Фау-2» и запускалась после того, как горючее «Фау-2» полностью кончалось. Разделение ракет произошло на высоте около 40 км в момент, когда ракета «Фау-2» набрала предельную скорость; после этого меньшая по размерам ракета «Вак Корпорал», включив свой собственный двигатель и набрав скорость примерно 8200 км/час, достигла максимальной высоты 390 км. Запуск ступенчатой ракеты был произведен 24 февраля 1949 г. Насколько известно, она достигла наибольшей высоты, на которую когда-либо поднимался аппарат, сконструированный человеком.
1) При этом верхняя ракета отделяется от нижней и продолжает полет самостоятельно. — Прим. перев.
 Фиг. 18. Запуск с полигона Уайт Сэндс первой двухступенчатой ракеты «Бампер Бак», поднявшейся на высоту 390 км. |
 Фиг. 19. Ускорения, развиваемые высотными ракетами «Фау-2» и «Викинг». Кривые показывают, какие большие величины ускорения имеют место о момент окончания работы двигателя. |
Ускорение ракеты «Фау-2» изменялось от 1,64 g при взлете до 6 g при полном выгорании топлива (фиг. 19). Поэтому на конструкцию приборов не оказывала серьезного влияния величина имевших место инерционных сил. Это относится и к ракете «Викинг»; что же касается ракеты «Аэроби», то здесь необходимо учитывать высокое начальное ускорение, равное 14 g, которое получается при работе стартового ускорителя на твердом топливе. Основное затруднение для всех ракет представляет вибрация, особенно в тех случаях, когда приборы находятся недалеко от ракетного двигателя. Большинство составных частей ракеты перед сборкой проходит вибрационные испытания на специальной установке, напоминающей большой репродуктор. Кроме того, оборудование должно допускать совместную работу приборов: так, например, мощные передатчики нельзя помещать вблизи чувствительных приемников, а точные приборы не следует размещать в моторном отсеке. Для немецкой ракеты «Фау-2» вес аппаратуры не имел существенного значения, так как этот снаряд конструировался для подъема относительно тяжелых материалов большой плотности; вес боевой головки с взрывчатым веществом большой разрушающей силы составлял 1 т. Однако и для нее объем был ограничивающим фактором (фиг. 20), так как физические приборы обладают сравнительно малой средней плотностью. В первых ракетах часто даже предусматривался свинцовый балласт для расположения центра тяжести ракеты впереди центра давления в целях обеспечения аэродинамической устойчивости. Позже ВВС США сделали попытку увеличить свободный объем от 0,47 до 2,26 м3. Для этого в проекте ракеты «Блоосом» в качестве носового конуса использовали переднюю часть нового сверхзвукового самолета ВВС США. Как предполагали, боевая головка сможет спуститься на парашюте [16].
 Фиг. 20. Сравнительные размеры конических носовых частей высотных ракет, показывающие пространство, которое предназначено для оборудования. |
Ракета «Аэроби» значительно меньше ракеты «Фау-2», а конструкция ее гораздо проще. Поэтому и запуск осуществить значительно легче. Пустую ракету «Аэроби», например, могут нести всего два человека. Ее небольшая полезная нагрузка (всего 73 кг) занимает около половины свободного пространства снаряда, а сравнительно низкая стоимость (10 000 фунтов стерлингов по сравнению с 100 000 фунтов стерлингов для ракеты «Викинг») означает, что только на одних приборах при каждом запуске экономится стоимость нескольких экспериментов. Существует несколько вариантов ракеты «Аэроби». В конструкции ракеты «Аэроби-Хи», разработанной ВВС США, для подачи топлива применялся сжатый гелий, что улучшало относительную массу ракеты; реактивный двигатель имел тягу 1800 кг. «Аэроби-Хи» могла достигнуть больших высот, чем ракеты «Аэроби», разработанные другими организациями.
В настоящее время разрабатывается новая ракета для исследования на больших высотах с лучшей относительной массой, чем у ракеты «Аэроби»; с ее помощью предполагают достигнуть еще больших высот.
Полезная нагрузка ракеты «Викинг» может изменяться в некотором диапазоне значений: по предварительным данным, ракета может поднять 900 кг на высоту 130 км или 45 кг на высоту 220 км без потери устойчивости. Конструкция ракеты «Викинг» также изменяется, однако вплоть до 1 июня 1954 г., когда испытывалась ракета «Викинг» № 11, максимальная достигнутая высота равнялась 255 км.
Первая ракета «Викинг» была запущена 3 мая 1949 г. на высоту лишь 81 км. Причиной достижения такой сравнительно небольшой высоты послужило преждевременное перекрытие топливных кранов. Этот же дефект был зафиксирован и во время второго запуска, однако позже он был устранен, и ракета «Викинг» № 4, запущенная 11 мая 1950 г. с американской пловучей базы «Нортон Саунд» в центре Тихого океана, подняла приборы весом 500 кг на высоту 170 км. Этим запуском ВМФ США достиг запроектированной высоты (фиг. 21).
 Фиг. 21. Запуск ракеты «Викинг» № 4, произведенный 11 мая 1950 г. с экватора, к югу от Гавайских о-вов. Ракета поднялась на высоту 170 км. |  Фиг. 22. Способ сохранения носовой части ракеты с приборами. На фотографии виден конический нос ракеты «Вероника», падение которого тормозится благодаря сопротивлению специальных дисков. |
 Фиг. 23а. Французская высотная ракета «Вероника». Взлет ракеты. Видны отражатель выхлопных газов и балки тросового управления. Ракета соединена четырьмя тросами, проходящими через блоки, расположенные на концах балок, со стартовой платформой и барабаном управления. Такая система устраняет необходимость в стартовой эстакаде. |  Фиг. 23б. Французская высотная ракета «Вероника». Подъем ракеты; управление еще тросовое. |  Фиг. 23в. Французская высотная ракета «Вероника». Ракета набирает скорость, достаточную для обеспечения аэродинамической устойчивости; взрывные болты обеспечивают сбрасывание вспомогательного стартового механизма. |
В настоящее время во французской Научно-исследовательской лаборатории баллистики и аэродинамики в Верноне разрабатывается новая высотная ракета, известная под названием «Вероника» (фиг. 23). Это — единственная европейская ракета для испытания верхних слоев атмосферы, о которой имеются данные. К середине 1953 г. было произведено 25 запусков ракеты «Вероника» при помощи новой системы управления ракетой на старте, устраняющей необходимость в стартовой эстакаде. Двигатель ракеты, используя в качестве горючего азотную кислоту и бензин, в течение 36 сек. развивает тягу 4000 кг. Полезная нагрузка ракеты 50 кг, длина 6 м, диаметр 55 см; вес около 1 т. Максимальная высота подъема ракеты примерно 60 км, но есть возможность увеличить ее до 125 км. Носовая часть ракеты, в которой расположены приборы, отделяется от ракеты при помощи заряда взрывчатого вещества и опускается на специальной системе кольцевых парашютов (фиг. 22). Данные передаются на землю посредством 22-канального телеизмерительного устройства, передатчик которого работает на частоте 52 мггц. Первые исследования верхних слоев атмосферы с помощью ракеты «Вероника» проходили в 1954 г. на испытательном полигоне в пустыне Сахара1).
 Фиг.24. Остатки ракеты «Фау-2» после удара о землю. Видно, что отдельные части сохранились достаточно хорошо; это дает возможность извлечь некоторые приборы после падения ракеты. |
1) Наибольшая высота 135 км была достигнута в феврале 1954 г.
Естественно, что основной задачей любых высотных ракет является получение различных данных. Эту задачу можно решить с помощью двух методов. Первый метод заключается в получении этих данных по записям приборов, извлекаемых из обломков упавшей ракеты, другой метод использует телеизмерительные устройства, передающие все данные на землю во время полета. Эти два метода можно применить к различным экспериментам, но иногда, где это возможно, данные для взаимного контроля получают как одним, так и другим методом. Например, на одной из ракет «Фау-2» количество космических лучей подсчитывалось с помощью телеизмерительного устройства и записывалось на фотографическую пленку. Иногда данные могут одновременно с телеизмерением записываться на магнитную ленту внутри самой ракеты. Если даже такая магнитная лента порвется на мелкие куски при ударе о землю, то, склеив ее, все же можно получить ценные данные.
Однако некоторые данные, например фотографии солнечного спектра или Земли, нельзя получить с помощью телеизмерительного устройства, и поэтому прежде всего необходимо было найти метод, который позволил бы получить такие фотографии в сохранности.
В тот момент, когда высотная ракета при падении достигнет нижних плотных слоев атмосферы, кили повернут ее носом вниз. Почти не потеряв скорость, ракета ударится о землю и выроет глубокую воронку. Ракета «Фау-2», например, зарывается в землю на 24 м и образует воронку глубиной около 15 м (даже без взрывающейся боевой головки). Однако если расчленить ракету при ее входе в нижние слои атмосферы, то отдельные ее части, обладая худшими аэродинамическими свойствами, будут иметь меньшую скорость падения в момент удара о землю. Такой благоприятный результат достигается путем отделения боевой головки у ракет «Фау-2» и «Викинг» или хвостовой части у ракеты «Аэроби». Однако следует заметить, что в последнее время большинство конических головок ракеты «Аэроби», в которых находятся приборы, спускается вниз на ленточных парашютах. Обе части распавшейся ракеты падают на землю и обычно сохраняются в сравнительно хорошем состоянии (фиг. 24). Так, например, один спектрограф запускается в атмосферу несколько раз.
И все же большинство измерений, сделанных при исследовании на больших высотах, можно передать наземной станции во время полета с помощью телеизмерительного устройства. Эта операция производится в три приема: сначала данные необходимо измерить, закодировать и передать на Землю, затем они будут приняты наземной станцией и, наконец, полученные сигналы будут расшифрованы и записаны для их последующего анализа.
 Фиг. 25. Опытная модель телеизмерительной системы с частотной модуляцией на обоих концах линии, облегчающей быстрое изменение программы измерений, передаваемой 18 частотными диапазонами. Сконструирована лабораторией «Джет пропалшн» (Калтеч). |
 Фиг. 26. Миниатюрная бортовая телеизмерительная установка с широтно-импульсной модуляцией па одном конце линии и с фазовой модуляцией — на другом, сконструированная фирмой «Эпплайд сайенс корпорэйшн» (Принстон). Справа показан источник питания. |
Первое телеизмерительное устройство было смонтировано наспех в 1946 г. из имевшегося в то время оборудования. Такая поспешность была вызвана настоятельной необходимостью, ибо в это время выяснилось, что ракеты «Фау-2» портятся на складах и их следует использовать как можно быстрее. По существу, измерение и передача сводились к превращению показаний приборов в электрическое напряжение и периодической передаче их по многоканальной системе с импульсной модуляцией. На фиг. 27 показана схема такого устройства. Основной датчик импульсов в форме мультивибратора1) с постоянным периодом, работающего в режиме автоколебаний, генерирует первый пусковой импульс в каждом цикле передачи измеряемых данных. Затем вибратор подключает один канал за другим до тех пор, пока не будут переданы данные всех 23 каналов. Время восстановления для мультивибратора любого канала зависит от значения напряжения. Таким образом, промежуток времени между импульсами является мерой напряжения, а следовательно, и того параметра, который представляет данное напряжение. После того как будут переданы данные всех каналов, контур находится в покое до тех пор, пока основной датчик импульсов вновь не начнет весь цикл передачи. Первоначально аппаратура имела мощность 700 вт и частоту 1000 мггц, но позднее мощность на выходе была увеличена до 1 квт.
1) Мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель на сопротивлениях, в котором выход второго каскада подключается ко входу первого каскада. Мультивибраторы могут работать в диапазоне частот от 1 гц до 100 кгц при соответствующем изменении сопротивления и емкости контура.
 Фиг. 27. Схема передатчика бортовой телеизмерительной установки, разработанной Военно-морской исследовательской лабораторией. |
Весьма большое значение имеет калибровка оборудования, поскольку параметры отдельных элементов во время полета могут измениться. Естественно, что в связи с этим весьма удобен источник энергии со стабилизированным напряжением. Для калибровки связь между датчиком и самолетным модулятором каналов обычно периодически прерывается и заменяется подачей регулируемого напряжения, например нулем и эталонным напряжением 3,5 в. Радиоаппаратура не может работать на больших высотах ввиду низкого атмосферного давлении. Понижение давления вызывает коронные и дуговые разряды, поэтому такую аппаратуру следует поместить в отсеки с повышенным давлением.
В первых телеизмерительных устройствах наземная станция была передвижной и состояла из двух радиостанций и генератора питания, установленных в буксируемых прицепах. Помимо приемника с частотой 1000 мггц, усилителя высоких частот и дешифраторов, каждый прицеп имел записывающее и контрольное оборудование, а также средства для постоянной связи с базой и блиндажом управления. Там же имелись приборы для точного определения времени.
С помощью этих передвижных радиостанций принимали, расшифровывали и записывали передаваемые ракетами данные. Антенны этих станций поворачивались сервомоторами таким образом, что они все время следили за ракетой; управление производилось посредством оптических установок или радиопеленгирующих систем с радиопеленгацией по максимуму. Позднее для наземной станции было построено специальное здание.
На фиг. 28 приведена схема наземной станции. Полученный сигнал усиливается, детектируется и через соответствующий усилитель поступает к дешифратору. Последний восстанавливает начальное значение напряжений из полученных сигналов с импульсно-временной модуляцией. Затем эти напряжения заставляют реагировать измерительные приборы во всех каналах; показания всех приборов фотографировали с помощью 35-миллиметровой кинокамеры. Чтобы исключить возможность потери важных данных в случае дефекта записывающего прибора, одновременно используют несколько различных записывающих систем. По выходе из видеоусилителя сигналы записываются на магнитной ленте, а также подаются на осциллограф, отклонение луча которого фотографируют с помощью 16-миллиметровой кинокамеры. Сигналы на выходе дешифраторов каждого канала также регистрируются на движущейся полоске фотобумаги при помощи осциллографа типа «Хатэвей».
 Фиг. 28. Схема наземной телеизмерительной станции Военно-морской исследовательской лаборатории. |
В дешифраторе операции происходят в почти таком же порядке, как и в передатчике. Приходящие сигналы направляются к синхронизирующему импульсному генератору и на вход коммутатора через инвертор. В начале каждой группы получаемых сигналов синхронизирующий импульсный генератор посылает один импульс, который идет в первый коммутатор и включает мультивибратор; последний не возвращается в исходное положение до тех пор, пока не получит второй импульс по цепи, идущей от импульсного инвертора. По возвращении первого коммутатора в начальное положение включается второй, который возвращается в исходное положение при получении третьего импульса от передатчика. Так повторяется до тех пор, пока не будут пройдены полностью все каналы. В период управления каждого коммутатора в соответствующую измерительную цепь в течение определенного времени подается постоянное напряжение, которое и является начальным значением напряжения, передаваемого с ракеты. Путем подбора соответствующей постоянной времени цепи сопротивление — емкость конденсатор заряжается до потенциала, который зависит от длительности воздействия приложенного напряжения и, следовательно, от телеизмерительных данных. Для измерения исходного напряжения применялся электронный вольтметр. Такая система оказалась точной и надежной.
Сначала как на ракете, так и на наземной станции антенные системы выполнялись в виде диполей, но затем выяснилось, что при этом сигнал часто теряется из-за несовпадения плоскостей поляризации, которое может иметь место при вращении ракеты в полете. Эти рыскающие или вращательные движения ракеты часто происходят благодаря остаточному вращающему моменту, который после остановки двигателя нельзя скомпенсировать, хотя для устранения этого дефекта в настоящее время в ракете «Викинг» используют реакцию струи пара. Во избежание этого неблагоприятного явления применяют трехэлементные антенны с круговой поляризацией.
В настоящее время телеизмерительные устройства значительно усовершенствованы по сравнению с первыми вариантами; с их помощью можно передавать множество различных данных. На небольших ракетах применяются более простые системы. Например, первая телеизмерительная система ракеты «Аэроби» представляла собой частотно-модулированную кодирующую систему с несущей частотой 85 мггц [18]. Система имела шесть рабочих каналов. Передающая антенна помещалась на самом конце носовой части ракеты, а все оборудование, разработанное Лабораторией прикладной физики университета Джона Гопкинса, весило всего 9 кг. Очень простая телеизмерительная система использовалась также в ракете «Бампер Вак», где на выходе передатчика сигналов частоты Допплера, использовавшегося для определения траектории, применялись сигналы с амплитудной модуляцией. Это оборудование дало возможность установить двухстороннюю связь с ракетой, двигавшейся со скоростью 8250 км/час и достигшей высоты 390 км, пройдя через ионизированные слои D, Е и F верхних слоев атмосферы.
Дальнейшее развитие телеизмерительных систем связано с применением полупроводниковых триодов вместо радиоламп. Полупроводниковые триоды дают возможность создать малогабаритное оборудование (так, например, оборудование, которое по объему было равно чемодану, теперь может уместиться в коробке для сигар). На фиг. 29 для сравнения показаны размеры старого и нового оборудования.
Ракетная аппаратура обладает рядом особенностей, которые не зависят от типа проводимых экспериментов. Во-первых, условия проведения эксперимента в ракетах во многом отличаются от лабораторных условий на земле или на самолете. После того как ракета отрывается от стартовой платформы или эстакады, никаких поправок или исправлений в аппаратуре сделать нельзя. Даже самая мельчайшая деталь оборудования с момента нажатия пусковой кнопки должна работать безотказно. Более того, если одна из секций выходит из строя, то это может свести на нет все результаты, полученные в других секциях. Например, большинство результатов, полученных с помощью ракет, может потерять значение, если из строя выйдет оборудование, следящее за полетом ракеты, и, следовательно, траектория ракеты останется неизвестной. В связи с этим установка приборов на ракете должна быть как можно более стандартизирована и надежна.
Таким образом, следует еще раз подчеркнуть, что успех исследований при помощи высотных ракет зависит от точных расчетов инженеров и тщательной проверки перед полетом каждой части оборудования, которая, может представить малейшую угрозу выхода из строя. Простота конструкции ракеты является большим преимуществом, ибо в таком случае, если вероятность выхода ракеты из строя мала, особое внимание необходимо уделить приборам и оборудованию. Как показала практика, более простые ракеты оказались и более надежными. Так, например, ракета «Фау-2», для запуска которой требуется команда до 30 человек, имела только 60% успешных запусков, в то время как ракета «Аэроби», которую на старте обслуживают всего 3 человека, имела 90% успешных запусков (если иметь в виду все запуски этой ракеты). В 1953 г. все запуски этой ракеты прошли удачно. Во-вторых, большая скорость полета ракеты, благодаря которой она за несколько минут достигает ионосферы, требует, чтобы результаты измерений, передаваемые с помощью телеизмерительного устройства, подготавливались очень быстро. Для этой цели с успехом можно применять описанную выше систему импульсной модуляции, которая повторяет полный цикл передачи измеряемых данных 300 раз в секунду. Тем не менее сами приборы должны производить измерения столь же быстро. Исследования в верхних слоях атмосферы часто производят косвенным путем, вначале измеряя некоторые легко определяемые величины, а уж затем по ним рассчитывая нужные параметры. В качестве примера можно привести определение температуры верхних слоев атмосферы. При этом обычными термометрами пользоваться невозможно и температуру устанавливают путем определения числа Маха ракеты. Числом Маха называется отношение скорости полета ракеты к местной скорости звука. Зная число Маха и скорость полета, можно определить температуру (см. ниже, гл. IV).
 Фиг. 29. Применение полупроводниковых приборов в телеизмерительном оборудовании. Вверху шестиканальная телеизмерительная система с частотной модуляцией на обоих концах линии. Внизу та же система, использующая полупроводниковые приборы. |
Быстрое снятие показаний приборов в свою очередь связанно с необходимостью решения других проблем. Речь идет о приборах точного времени (фиг. 30). Для телеизмерения данные, полученные посредством датчика времени, сопоставляют с данными, регистрирующими траекторию полета. Датчик, установленный на ракете, накладывает свои сигналы на передаваемые сигналы и тем самым дает возможность установить соответствие между замеряемыми данными и высотой полета ракеты. В одной из конструкций сигнал времени генерировался через каждые полсекунды с частотой 100 гц, начиная с момента старта, и каждый двадцатый импульс опускался. Таким образом, обеспечивалось точное определение времени. Помимо электронных датчиков времени, использовались также механические системы для управления такими операциями, как запуск кино— и других камер, включение манометров или колб для взятия проб, введение в действие передатчика для ионосферных исследований, съемка спектров и управление камерами Вильсона для
 Фиг. 30. Носовая часть ракеты «Викинг» № 1. Видно оборудование, разработанное Военно-морской исследовательской лабораторией, и программный датчик. |
В высотной ракете приходится сочетать множество различных операций, но наибольшую трудность представляет синхронизация работы различных агрегатов. После заправки горючим высотные ракеты нельзя оставить на относительно большой промежуток времени, так как сжиженные газы, имеющие очень низкую температуру, могут вызвать обледенение клапанов. У ракет «Фау-2» процент успешных запусков снижался почти вдвое в тех случаях, если ракета была полностью заправлена более чем за два часа до старта.
Поэтому, когда дается команда «на старт», все приборы должны быть приведены в полное соответствие с программой запуска. Очень важно, чтобы упорные и длительные изыскания в области приборного оборудования, конструкции и контроля ракеты, а также работа по обслуживанию и заправке не пропали даром в кульминационный момент запуска ракеты. Если к тому же учитывать капризы природы, даже в тех случаях, когда запуск производится в пустыне, то эта проблема приобретает первостепенную важность. И в самом деле, успешное экспериментирование при помощи высотных ракет находится в очень большой зависимости от совершенства и отработки отдельных деталей. Запуск предусматривает взаимодействие между стартовой командой, прибористами, обеспечивающим безопасность персоналом, записывающей станцией, радиолокационной установкой, оптической следящей станцией и восстановительной командой.
Ракета может отказать при запуске; в этом случае она представляет определенную опасность для людей в момент удаления ее с полигона. Поэтому для наблюдения за работой отдельных агрегатов ракеты часто применяют телеизмерительные устройства. В первых вариантах ракеты «Фау-2» для передачи данных об углах установки газовых рулей, давлении в камере сгорания и числе оборотов турбины насосов были предназначены шесть каналов. Эти данные необходимы также для выяснения причины неудачи в тех случаях, когда ракета не достигает расчетной высоты или же плохо работает система управления.
Однако пассивного знания поведения ракеты недостаточно; необходимо прекратить полет, если траектория ракеты изменится настолько, что можно будет ожидать ее падения вне полигона. С этой целью используется аварийный приемник, с помощью которого перекрывают подачу топлива в двигатель. В ракете «Фау-2» использовались обычные приемники с частотной модуляцией, которые имели несколько каналов; это повышало надежность работы аварийной системы. Используя эти приемники, можно было подать импульс, вызывающий взрыв ракеты в воздухе, если по истечении определенного времени не сработает механический самовзрыватель.
Пожалуй, наибольшие требования по обеспечению полета высотной ракеты предъявляются к следящим системам, так как от точности их работы зависит точность всех других измеряемых величин. Для наблюдения за ракетами применяются несколько различных методов. В течение всего времени полета, начиная со старта, необходимо знать скорость, ускорение и высоту, а также положение плоскости траектории ракеты. Эти данные можно определить несколькими способами.
Во-первых, расстояние до ракеты в любое время можно приближенно, но быстро определить с помощью радиолокационных установок, особенно полезных в пасмурные дни. Для этих целей использовались также оптические приборы [19, 20]. Стационарная кинокамера фотографировала ракету на первом участке траектории со скоростью 30-180 кадр/сек. Она захватывала первые 55 км. Начиная с высоты 1000 м, фотографирование ракеты производилось с помощью усовершенствованного фототеодолита с фокусным расстоянием 4,27 м. Фототеодолит делал 4 кадр/сек и давал удовлетворительные данные до высот, равных 32 км. На больших высотах использовались следящие телескопы. Сдвоенный 25-сантиметровый кассегреновский рефлектор эффективен до высоты 130 км, а большой 40-сантиметровый ньютоновский рефлектор (известный под названием «Биг Брайт Айз»), установленный совместно с 35-миллиметровой кинокамерой на лафете зенитной пушки диаметром 90 мм и находящийся на расстоянии 65 км от стартовой площадки, дает ценные сведения до высот, равных 160 км. Для того чтобы за вращением и колебаниями ракеты легче было следить при помощи оптических приборов, ракеты были окрашены в различные контрастирующие цвета.
Определение скорости движения ракеты основывалось на эффекте Допплера. Измерялись изменения частоты принимаемого сигнала, происходящие в том случае, если передающий источник движется от наблюдателя или к нему. Система, применявшаяся на полигоне Уайт Сэндс, известна под названием «DOVAP») 1). Два радиосигнала передаются от одной наземной станции к другой: один непосредственно, а другой через ракету. Практически для увеличения надежности данных и для определения не только скорости, но и положения ракеты используются по крайней мере три станции. Сигнал, идущий к ракете, передается на частоте 36,94 мггц. На ракете частота удваивается и сигнал ретранслируется. Наземная станция принимает этот сигнал и налагает его на сигнал с удвоенной частотой, принятый ею же непосредственно от передающей наземной станции. Результирующая частота биений дает возможность определить скорость ракеты и расстояние от передающей и приемной станций до ракеты. Затем по расстоянию до нескольких приемных наземных станций определяется положение ракеты в пространстве.
1) DOVAP — сокращение слов Doppler (Допплер), Velocity (скорость], Position (положение).
Как упоминалось выше, после окончания работы двигателя ракета часто вращается или колеблется. Естественно поэтому желание знать ее ориентировку во время полета. Во время работы двигателя ракета «Фау-2» управляется газовыми рулями, которые помещаются в потоке выхлопных газов. Однако любой остаточный момент количества движения после прекращения работы двигателя в сочетании с ветром, имеющимся на больших высотах, может послужить причиной вращения или рыскания ракеты во время полета. Ракета «Аэроби» во время работы двигателя стабилизировалась килями, но обнаружено, что через 5 сек. после выгорания всего топлива она неизбежно начинала вращаться. В ракете «Викинг» была сделана попытка устранить этот недостаток следующим образом: чтобы удержать ракету в неизменном положении в пространстве после того, как выгорало все горючее, использовали реакцию струи пара.
 Фиг. 31. Усовершенствованный 16-миллиметровый кино-фотопулемет, применяемый для определения положения ракеты. |
Очень важно точно знать ориентацию ракеты в пространстве для того, чтобы внести поправки в экспериментальные данные, полученные с помощью установленных на ракете приборов. Ориентировку ракеты можно определить посредством оптических следящих систем, однако полученные таким образом данные не всегда достаточно точны и при большой облачности могут отсутствовать. Более распространенным методом является фотографирование поверхности Земли с самой ракеты, благодаря чему определение ориентировки ракеты становится очень точным.
На фиг. 31 показан усовершенствованный кино-фотопулемет, применявшийся на ракете «Викинг» для контроля за ее положением в пространстве. При помощи вспомогательной полусферической линзы угол зрения объектива был увеличен до 160°. Две (из трех) угловые координаты, необходимые для ориентировки ракеты, можно найти по изображению горизонта Земли, а третий угол определяется по положению какого-нибудь ориентира на Земле или по изображению Солнца, которое появляется на некоторых кадрах. Точная отметка времени производилась перекрытием светового луча в полном соответствии с отметками, времени телеизмерительной системы.
При применении этой системы встречаются два затруднения: во-первых, сложно получить фотопленки в сохранности, во-вторых, облака закрывают ориентиры, расположенные на поверхности Земли. Отсюда следует, что если невозможно получить фотопленки, то необходимо применить иные методы. К одному из них относится установка на ракете фотокамеры, которая фиксирует положение ракеты относительно Солнца. В сочетании с данными, определяющими магнитное поле Земли, эти результаты могут быть переданы с помощью телеизмерительной установки для записи. Можно также применить систему гироскопов, однако до настоящего времени сведений об их использовании нет.
В ряде случаев, а именно в случае ракеты «Вак Корпорал», являющейся второй ступенью ракеты «Бампер Вак», и при установке камер Вильсона на «Фау-2» для повышения устойчивости или улучшения условий эксперимента при помощи небольших ракет создавалось вращение около продольной оси ракеты.
В первых сериях опытов с использованием ракет «Фау-2» для исследований верхних слоев атмосферы боевая головка подверглась модификации в Военно-морской исследовательской лаборатории; при этом ее первоначальные размеры были сохранены. Новая боевая головка состояла из трех частей [22]: конца носовой части длиной 30,5 см и диаметром основания 7,6 см, предназначенного для приборов по измерению температуры и давления; носовой части длиной 56 см с максимальным диаметром 31 см и основной части головки. Носовая часть первоначально предназначалась для размещения спектрографа, но позже была использована и для другого оборудования. В основной части головки имелись три небольших вспомогательных люка, предназначенных для облегчения установки оборудования. Головка была выполнена из стальной отливки толщиной 9,5 мм, максимальным диаметром 96 см и длиной 144 см. При проведении экспериментов на больших высотах благодаря очень низкому давлению окружающий воздух перестает быть изолятором. Появляются дуговые и светящиеся разряды, особенно у оборудования, имеющего высокое напряжение. Поэтому головка ракеты сконструирована таким образом, что ее можно герметизировать на земле. В результате этого во время полета оборудование находится под постоянным давлением. Соединительные кабели выводятся через основание при помощи специальных разъемов, которые герметизируются уплотняющими сальниками.
 Фиг. 32. Фотография Земли, выполненная широкоугольным аппаратом с высоты 173 км; используется для определения положении ракеты. |
За боевой головкой находится отсек управления, где помещаются прибор и антенна, использующие эффект Допплера, аварийный приемник, передатчик телеизмерительного устройства, источники энергии, камера Вильсона и гироскопы для управления ракетой (фиг. 33).
Во второй серии опытов боевая головка была выполнена в несколько измененном виде. Она состояла из двух секций: носового конуса и основного отсека. Конус, выполненный из алюминия толщиной 3 мм, имел длину 126 см и диаметр основания 61 см. Для облегчения подхода к приборам конус полностью снимался. Кроме того, в нем можно было отдельно повысить давление. В основном отсеке, выполненном из прессованной стали толщиной 1,9 мм, который тоже был герметичным, имеются два вспомогательных люка. Длина основного отсека 84 см и максимальный диаметр 96 см. Для исследования космических лучей были предназначены другие боевые головки, исключающие возникновение ливней частиц в самом материале головки ракеты. Одна из них, оснащенная большим телескопом космических лучей и запущенная 10 июля 1947 г., была выполнена почти целиком из алюминия. По мере продолжения экспериментов боевые головки ракеты проектировались таким образом, чтобы лучше обеспечить именно те исследования, которые необходимо провести при данном запуске. В настоящее время для каждого эксперимента разрабатывается новая боевая головка. Примеры различного приборного оснащения ракет показаны на фиг. 34, 42, 43, 45, 51.
 Фиг. 33. Схема размещения приборов и оборудования в модифицированной боевой головке первых ракет «Фау-2». Оборудование разработано Военно-морской исследовательской лабораторией. |
При использовании ракет для исследования верхних слоев атмосферы возникают два серьезных затруднения. Первая трудность связана со стоимостью ракеты и ее запуска (даже без приборного оборудования) и с тем обстоятельством, что эти ракеты могут быть, запущены всего с нескольких полигонов во всем мире. Вторая проблема вызвана кратковременностью пребывания ракет на больших высотах. Она настолько важна, что ей будет посвящена особая глава, где в качестве предполагаемого разрешения проблемы показана возможность создания искусственного спутника Земли, оснащенного приборами. Что же касается стоимости и ограниченного количества полигонов, то эта проблема частично решена. Ван-Аллен, руководитель «Рокет Пэнел», в поисках наиболее экономичного метода достижения больших высот нашел выход в комбинировании аэростатов и ракет. Он установил, что имеется большое количество военных ракет с пороховым двигателем, которые при полном выгораний горючего могут развить скорость 4400 км/час и подняться до высоты 80 км, если их запускать в разреженном воздухе, где сопротивление воздуха очень мало. Ван-Аллен решил эту задачу, поднимая небольшие ракеты на высоту 16 км (где сопротивление воздуха уже мало) и подвешивая их на тросе длиной 31 м под пластмассовым аэростатом «Скайхук». Для подъема аэростата потребовался примерно 1 час; затем по команде, переданной по радио, была запущена усовершенствованная военная ракета «Дикон». Ракета была снабжена пороховым двигателем, который в течение 3,5 сек. развил ускорение около 60 g и поднял (в августе 1953 г.) полезную нагрузку весом 27,5 кг на высоту 80 км. Носовой отсек был выполнен герметичным.
 Фиг. 34. Схема типичного размещения приборов и оборудования в ракете «Аэроби». Показано положение приборов для изучения космических лучей и экспериментов с использованием магнитометров. |
 Фиг. 35. Установка носового конуса, оснащенного приборами, на ракету «Викинг». |
С помощью телеизмерительной установки, передающей сигналы на частоте 76 мггц, измеряли космическое излучение, давление и температуру, яркость неба, свечение воздуха и солнечное излучение в рентгеновской области спектра. Эти ракеты могут запускаться в любом месте Земли при условии обеспечения безопасной зоны (радиус рассеивания равен 50 км). Примерная стоимость ракеты и аэростата («Рокун») 420 фунтов стерлингов. Подобные ракеты могут запускаться с самолетов [23] для синоптических наблюдений в верхних слоях атмосферы и изучения физики Солнца и космических лучей.
Таким образом, ракеты позволяют поднять приборы во все области земной атмосферы. Нижние слои атмосферы (высотой примерно до 80 км) можно исследовать при помощи ракет «Рокун» и ракет, запускаемых с самолетов, или же ракет типа «Вак Корпорал». Они помогают изучать такие явления, как распределение температуры, слои озона, сезонные изменения ветров, нижний ионизированный слой; с их помощью производят также некоторые опыты по изучению космических лучей.
В диапазоне высот 80-150 км пригодны ракеты типа «Аэроби». С их помощью можно исследовать процессы ионизации атмосферы, диффузионное разделение газов, ионизацию слоя Е, солнечный спектр в далекой ультрафиолетовой области, свечение неба и собственное свечение атмосферы, пояса токов над зонами полярных сияний, корпускулы, вызывающие полярные сияния, и космические лучи.
Для исследования внешних областей атмосферы требуются большие ракеты, такие как «Викинг», или ступенчатые ракеты типа «Бампер Вак». С их помощью предполагают изучать солнечную радиацию, космические лучи, высотные ветры, образование слоев F, диффузионное разделение газов, ионизацию и фотохимические эффекты солнечного излучения, бомбардировку внеземными частицами верхних слоев атмосферы (например, межпланетной пылью — метеорными микротелами) и корпускулярные потоки от Солнца. Во всех трех упомянутых областях собирают данные, относящиеся к составу, температуре, давлению и плотности верхних слоев атмосферы. Особую важность представляет выяснение правильных сведений в двух верхних областях, относительно которых в настоящее время существуют значительные расхождения в мнениях. Мы уже рассмотрели исследования, которые провел человек до появления ракет, и увидели, каких высот он смог достигнуть при помощи ракет. Теперь имеется возможность подвергнуть анализу полученные результаты и выяснить соответствие данных, полученных при помощи наземных установок или посредством приборов, установленных на ракетах.
1. Goddard R. H., A Method of Reaching Extreme Altitudes, Smithsonian Inst. PubL, 2540, 1919.
2. Оberth H., Wege zur Raumschiffahrt, Oldenbourg, 1929.
3. Ley W. et Schaefer H., Acrophile, Oct. 1966.
4. Malina F. J. and Smith A. M., JAS, 5, 199 (1938);
5. J. Brit. lnterpt.Soc.,6,3.4 (1946); /. Am. RocketSoc, 66/7 (1946). Nav. Res. Lab. Rep. R-2955, Upper Atmosphere Rep. No. 1, 1946.
6. Perring W. G. A, /. Roy. Aero. Soc, 50, 483 (1946).
7. Кооу J. M. J. and Uytcnbogaart J. W. H., Ballistics of the Future, Stam Publ. Co., 1946.
8. Van Allen J. A., Frazer L, W. and Floyd J. F. R., Science, 108, 746 (1948).
9. Seifert H. S., Mills M. M. and Summer field M., Am. J. Phys., 15, 121 — 140 (1947).
10. Sutton G. P., Rocket Propulsion Elements, N. Y., 1949.
11. Burgess E., Rocket Propulsion, Lnd., 1962. . Am. Rocket Soc. (1934 to date).
12.Gatland K— W, /. Brit. Interpl. Soc, 7, 160 (1948).
13. Seifert H. S., Mills M. M. and Summerfield M., Am. . J. Phys., 15, 121-.140 (1947).
15. Ha viland R. P., Report of the Bumper Programme, Am. Museum Nat. Histolry, Off. Release, Oct. 1951.
16. O'Day M., Proc. 11-th Intern. Congr. Appt. Mech., 2, part II, 515 (1948).
17. Layton J. P., Am. Rocket Soc. Conv., 1950.
18. Melton G. H., Electronics, 21, 106 (1948).
19. Revyl D., Sky and Telescope, 299 (Oct. 1949).
20. Mann M., Ordnance, 33, 23 (1918).
21. Rosen M. W., Nav. Res. Lab., Priv. Comm., 1952.
22. Nav: Res. Lab. Rep. R-2955, Upper Atmosphere Rep.. No. I, 1946.
23. Singer S. F., Nature, 171, 1108 (1953).