Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)
(13 из 14-ти файлов)

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ





ОСВОЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА В СССР

ОФИЦИАЛЬНЫЕ СООБЩЕНИЯ ТАСС
И МАТЕРИАЛЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ПЕЧАТИ,
1957 - 1967 гг.







ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
Москва 1971

УДК 523.14 (047.1)

Сборник содержит материалы по ракетно-космической тематике, связанные с освоением космического пространства Советским Союзом, опубликованные в центральных газетах с 1957 по 1967 г.

Все материалы сборника собраны в несколько разделов, отражающих основные направления космических исследований.

Издание рассчитано на широкий круг читателей.

2-6-5

258-70(1)

Первое десятилетие космической эры явилось грандиозной эпопеей человеческого дерзновения, небывалой по размаху и неповторимой по своим научно-техническим результатам.

Первый искусственный спутник Земли, первый полет к Луне и передача на Землю фотографий ее невидимой стороны, первая мягкая посадка на поверхность Луны, первые спутники Луны, полеты к Марсу и Венере, первый плавный спуск в атмосфере планеты Венеры автоматического аппарата, первый полет человека в космос, первый выход человека в космическое пространство. Ни одна эпоха не знала такого величественного взлета науки и техники!

Советский народ, его ученые и инженеры вписали блестящую страницу в сокровищницу мировой культуры и прогресса всего человечества.

Социалистическое общество открыло громадные возможности для бурного развития всех отраслей современной науки.

В нашей стране существует большое число научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов, способных решать наиболее сложные задачи современной космонавтики. Коммунистическая партия Советского Союза уделяет огромное внимание развитию наиболее передовых направлений космических исследований, оказывает поддержку смелым проектам советских ученых и инженеров.

Одним из выдающихся пионеров исследований космоса был замечательный ученый нашей страны академик С. П. Королев, под руководством которого было осуществлено создание многих ракетно-космических систем и космических аппаратов.

Многие институты Академии наук СССР и ее ученые внесли огромный вклад в изучение космического пространства и планет солнечной системы.

Полученные данные революционным образом изменили наши представления об околоземном космическом пространстве, физических свойствах Луны, планетах Марс и Венера, о свойствах межпланетного пространства.

В настоящее время с помощью космических аппаратов стало возможным изучение огромного числа физических процессов, протекающих во Вселенной, от элементарных частиц - кирпичиков материи, до гигантских источников энергии, какими являются квазары, радиогалактики, взрывы сверхновых, колоссальная энергия которых выделяется в виде электромагнитного излучения, потоков релятивистских частиц, магнитных полей большой напряженности и кинетической энергии выбрасываемого газа.

Космические исследования переживают «период бури и натиска». Идут горячие научные дискуссии, непрерывно появляются новые факты и новые идеи.

Мы приближаемся к пониманию удивительных явлений природы: полярных сияний, магнитных бурь, радиационного пояса Земли. Перед нами раскрывается грандиозная картина физических явлений, по-видимому, взаимосвязанных между собой, но отличающихся такими свойствами и разнообразием процессов, что единственным путем разгадать все механизмы их возникновения является одновременное изучение всех явлений в целом.

На Земле ощущаются отголоски космической бури огромной взрывной силы, которая разыгрывается в результате воздействия солнечного ветра на геомагнитное поле и верхнюю атмосферу.

Магнитное поле Земли деформируется, локализуется в определенной области околоземного пространства, называемого магнитосферой Земли, а с ночной стороны Земли образуется гигантский магнитный шлейф, простирающийся за орбиту Луны. Магнитосфера и магнитный шлейф заполнены заряженными частицами различной энергии, которые, взаимодействуя с геомагнитным полем, обусловливают многие геофизические явления.

Все это стало доступно изучению благодаря запускам искусственных спутников Земли или целых систем спутников, таких, например, как космическая система «Электрон».

Шаг за шагом космическая и ракетная техника вооружала ученых многообразным арсеналом средств исследования космического пространства и планет солнечной системы.

Известно, какими гигантскими техническими сооружениями являются современные ускорители заряженных частиц. Такие ускорители строятся во многих странах для изучения физики элементарных частиц. Для того чтобы глубже проникнуть в тайны строения материи, необходимы огромные энергии частиц. В космосе существуют частицы, обладающие энергиями в сотни тысяч миллиардов электроновольт. Создание на Земле ускорителей с такими энергиями в настоящее время практически невозможно.

Советские ученые разработали научную аппаратуру, способную регистрировать частицы космических лучей сверхвысоких энергий непосредственно в космическом пространстве. Серией таких экспериментов явились запуски спутников «Протон», с помощью которых удалось получить ряд крупных научных результатов по физике космических лучей и взаимодействию частиц сверхвысокой энергии с ядрами различных атомов.

Использование космической техники позволило значительно продвинуть исследования межпланетной среды.

В той области, которая исследована с помощью межпланетных зондов, т. е. между орбитами Венеры и Марса и вблизи плоскости эклиптики, постоянно существует направленный приблизительно от Солнца поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром, с плотностью обычно в несколько частиц в кубическом сантиметре и скоростью 300 - 500 км/сек. Ионная компонента состоит из протонов и, по-видимому, ядер гелия (альфа-частиц) с концентрацией в 10 раз меньше. Есть предварительные указания на присутствие однократно ионизированного гелия, хотя наличие его в солнечном ветре трудно объяснить - в солнечной короне его нет (гелий там ионизирован полностью), а число столкновений частиц в межпланетной среде настолько мало, что однократно ионизированные частицы не должны образовываться. Характеристики электронной составляющей изучены еще плохо.

Помимо направленной скорости, частицы потока имеют хаотические скорости, которые могут быть представлены температурой среды в диапазоне от тысяч до сотен тысяч градусов.

Поток солнечной плазмы несет с собой магнитное поле. Это магнитное поле чрезвычайно слабо - около одной десятитысячной от величины напряженности поля на Земле. Известно, однако, что оно играет большую роль в передаче взаимодействия как в самой межпланетной среде, так и между потоком плазмы и планетами солнечной системы. Силовые линии магнитного поля в среднем имеют вид спирали Архимеда из-за того, что плазма уносит магнитное поле приблизительно радиально от вращающегося Солнца. Сейчас начинается изучение тонкой структуры межпланетной среды - отдельных недавно обнаруженных магнитных волокон, возмущений, а также ударных волн, распространяющихся в межпланетной среде после возникновения активных процессов на Солнце.

Выдающиеся результаты получены в изучении Луны и планет Марса и Венеры.

Автоматические станции «Луна-9» и «Луна-13» позволили в непосредственной близости «рассмотреть» микроструктуру и поверхностные свойства Луны. Оказалось, что прочность лунного грунта достаточно высока, чтобы выдержать вес автоматических станций.

Плавный спуск станции «Венера-4» в атмосферу планеты дал возможность получить прямые экспериментальные данные по химическому составу, плотности и температуре атмосферы Венеры. Все эти исследования открывают в астрономии новую эру - эру экспериментальной астрономии.

К настоящему времени полученные результаты позволяют сформулировать и некоторые общие проблемы и перспективы исследований. В первую очередь это относится к Луне, проблема изучения которой может быть разделена на три взаимосвязанные между собой аспекта исследований:

а) структура лунных недр и процессы, протекающие в лунных недрах;

б) состав и строение поверхности Луны и их преобразование;

в) история и эволюция Луны.

Эти аспекты исследования применимы ко всем объектам солнечной системы планетных или субпланетных размеров. Что касается Луны, то особый интерес представляют процессы, не только относящиеся к ее поверхности, но и являющиеся общими для солнечной системы, например, соударения твердых тел и заряженных солнечных корпускул, физическая регистрация этих эффектов, особенно для раннего периода истории солнечной системы. Тот факт, что древние горные породы и отложения на поверхности Луны могут служить основой для хронологии событий, относящихся к образованию и аккреции планет земной группы, придает исследованиям Луны особое значение. Поскольку геологические процессы, изменяющие поверхность Луны, действуют, вероятно, гораздо медленнее, чем геологические процессы на Земле, часть лунной стратиграфической эволюции отражает раннюю историю солнечной системы, которая, естественно, не может быть обнаружена на Земле.

Основной целью геологических исследований Луны является изучение прошлого этой планеты и солнечной системы, в которой она находится. Основным моментом в этой временной перспективе является обнаружение стратиграфической последовательности (порядка), в котором накапливались отложения прошлого. Трудность решения этой задачи на Земле обусловлена тем, что в результате активного горообразования, эрозии и образования осадочных пород любой сколько-нибудь заметный остаток из начальной структуры Земли оказался разрушенным. В настоящее время неизвестно почти ничего конкретного о первом миллиарде лет существования Земли.

Поверхность Луны может быть одним из нескольких мест, где сохранились и поддаются расшифровке наиболее ранние стратиграфические свидетельства. Вследствие же близости Луны к Земле возможно гораздо более детальное изучение строения Луны при затрате одинаковых усилий, чем изучение геологического строения другой ближайшей планеты земной группы. События, зарегистрированные на Луне, в большой степени аналогичны событиям на Земле. Исследование происхождения Луны позволяет прояснить вопрос об общности истории Луны и Земли. Сравнением Земли и Луны могут быть решены многие основные проблемы Земли.

В настоящее время еще недостаточно понятна химическая эволюция коры Земли, усложненная в результате преобразования поверхностными водами. Луна может служить в этом отношении примером незавершенной эволюции. Процессы горообразования на Земле понятны лишь частично, поскольку тектонически активные области покрыты океанами или толстыми осадочными породами. Применительно к Луне тектоническая деформация поверхности планеты может быть изучена без маскировочного эффекта эрозии, образования осадочных пород или океанов. Аналогичным образом вулканические продукты, загрязненные на Земле прохождением через химически преобразованные поверхностные отложения, на Луне должны быть свободны от таких эффектов.

Таким образом, кроме удовлетворения естественного интереса к составу и истории Луны, ее изучение может оказаться исключительно важным с точки зрения космологии и понимания основных проблем морфологии Земли и солнечной системы в целом.

Изучение фигуры Луны, распределения вещества внутри нее, теплового потока из недр Луны, магнитного поля расширяет наши знания о составе и истории системы Земля - Луна.

Другими словами, проблема исследования Луны неразрывно связана с проблемой изучения Земли как одной из планет солнечной системы.

Большое значение с точки зрения понимания происхождения и эволюции всей солнечной системы и Земли, в частности, имеют исследования других планет, в первую очередь Венеры и Марса. Исследования Марса представляют интерес и с точки зрения биологической, так как именно на этой планете наиболее вероятно обнаружение хотя бы элементарных форм жизни.

Но важные перспективы исследований связаны не только с изучением небесных тел солнечной системы, но и с изучением самого Солнца, с изучением межпланетной среды и тех потоков солнечной плазмы, которые зарегистрированы в околоземном и межпланетном пространстве.

Межпланетная среда - это самая внешняя область солнечной короны.

Ускорение коронального вещества до скоростей солнечного ветра происходит при разогреве короны, и выяснить механизм ускорения - это значит решить один из основных вопросов физики солнечной короны - ее разогрев до столь высоких температур.

Межпланетная среда - это один из основных факторов, определяющих состояние внешних слоев оболочек планет и, в частности, Земли. Если при обтекании солнечным ветром Луны частицы просто поглощаются лунной поверхностью, то при обтекании магнитного поля Земли его внешние области деформируются, образуется магнитный шлейф, а переменность потока и его магнитного поля вызывает на Земле магнитные бури, полярные сияния и другие важные геофизические явления. По-другому происходит обтекание солнечным ветром Венеры - она не имеет заметного собственного магнитного поля и препятствием для потока плазмы является ионосфера планеты.

Межпланетная среда - это среда, в которой распространяются космические лучи, в частности, солнечные космические лучи, и, поскольку космос стал областью деятельности человека и его аппаратов, необходимо знать условия распространения радиационно-опасных частиц с тем, чтобы уметь защититься от них.

Наконец, межпланетная среда является естественной лабораторией, где физики могут изучать процессы, происходящие в сильно разреженной, бесстолкновительной плазме, в условиях, которые в некоторых отношениях недостижимы на Земле.

Таким образом, мы находимся в самом начале исследования интереснейших явлений, протекающих в солнечной системе и во Вселенной.

Но космонавтика преследует не только чисто научные цели. Уже сейчас можно говорить об огромных перспективах использования космоса в прикладных и народнохозяйственных задачах.

Всем известно, сколь изменчива погода всех широт и какой сложной задачей является ее предсказание. На помощь метеорологам пришли спутники, которые стали космическим глазом, обозревающим нашу планету. Все изменения, которые происходят в облачных системах, передвижениях циклонов и других метеорологических процессах, спутники немедленно передают на Землю.

В настоящее время в нашей стране создана глобальная космическая система «Метеор», с помощью которой осуществляется оперативный контроль за метеорологическими условиями на нашей планете.

Спутники связи открыли новую страницу в средствах передачи информации между континентами, связали, если можно так выразиться, прямым каналом радио и телевизионных передач самые отдаленные уголки Земли. Спутники «Молния» вместе с наземными станциями системы «Орбита» обеспечивают в нашей стране непрерывную связь между самыми отдаленными городами, включая Крайний Север.

В перспективе с помощью спутников может быть создана служба предупреждения лесных пожаров, служба, с помощью которой можно обеспечивать рыбакам наиболее благоприятные места для ловли рыбы в морях и океанах, помогать геологам в поисках полезных ископаемых, обеспечить постоянную службу наблюдения за солнечной «погодой».

Космические исследования - это гигантский стимул научного и технического прогресса. Только страна, обладающая огромным научным и техническим потенциалом, способна осуществить запуски спутников и пилотируемых кораблей, полеты к другим планетам. Достаточно сказать, что все это требует высокого совершенства систем управления, радиосвязи на сотни миллионов километров, новых систем навигации, создания материалов, способных работать в глубоком вакууме и выдерживать гигантские температуры, создания вычислительной техники для точнейших баллистических расчетов и управления полетом космических аппаратов.

Человек, его пытливый ум, его неистребимое желание проникнуть в тайны Вселенной дерзновенно, шаг за шагом штурмует просторы космоса. Вспомним вдохновенные слова К. Э. Циолковского, основателя современной космонавтики: «Земля - колыбель Разума, но нельзя вечно жить в колыбели!».

Можно с уверенностью сказать, что Человек раскроет многие тайны в строении Вселенной. И все это будет поставлено на службу Человека, прогрессу и культуре человечества!

В настоящий сборник включены сообщения ТАСС, редакционные статьи, а также статьи крупнейших ученых. Заголовки газетных материалов несколько видоизменены в соответствии с требованиями книжных публикаций. Часть текста статей и некоторые рисунки опущены из-за ограниченного объема книги; ряд фотографий дан из фотохроники ТАСС.

В течение ряда лет в Советском Союзе ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию искусственных спутников Земли. Как уже сообщалось в печати, первые пуски спутников в СССР были намечены к осуществлению в соответствии с программой научных исследований Международного геофизического года.

В результате большой напряженной работы научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро создан первый в мире искусственный спутник Земли. 4 октября 1957 года в СССР произведен успешный запуск первого спутника. По предварительным данным, ракета-носитель сообщила спутнику необходимую орбитальную скорость около 8000 метров в секунду. В настоящее время спутник описывает эллиптические траектории вокруг Земли, и его полет можно наблюдать в лучах восходящего и заходящего Солнца при помощи простейших оптических инструментов (биноклей, подзорных труб и т. п.).

Согласно расчетам, которые сейчас уточняются прямыми наблюдениями, спутник будет двигаться на высотах до 900 километров над поверхностью Земли; время одного полного оборота спутника будет 1час 35 мин., угол наклона орбиты к плоскости экватора равен 65°. Над районом города Москвы 5 октября 1957 года спутник пройдет дважды — в 1 час 46 мин. ночи и в 6 час. 42 мин. утра по московскому времени. Сообщения о последующем движении первого искусственного спутника, запущенного в СССР 4 октября, будут передаваться регулярно широковещательными радиостанциями.

Спутник имеет форму шара диаметром 58 см и весом 83,6 кг. На нем установлены два радиопередатчика, непрерывно излучающие радиосигналы с частотой 20,005 и 40,002 мегагерц (длина волны около 15 и 7,5 метра соответственно). Мощности передатчиков обеспечивают уверенный прием радиосигналов широким кругом радиолюбителей. Сигналы имеют вид телеграфных посылок длительностью около 0,3 сек., с паузой такой же длительности. Посылка сигнала одной частоты производится во время паузы сигнала другой частоты.

Научные станции, расположенные в различных точках Советского Союза, ведут наблюдение за спутником и определяют элементы его траектории. Так как плотность разреженных верхних слоев атмосферы достоверно неизвестна, в настоящее время нет данных для точного определения времени существования спутника и места его вхождения в плотные слои атмосферы. Расчеты показали, что вследствие огромной скорости спутника в конце своего существования он сгорит при достижении плотных слоев атмосферы на высоте нескольких десятков километров.

В России еще в конце XIX века трудами выдающегося ученого К. Э. Циолковского была впервые научно обоснована возможность осуществления космических полетов при помощи ракет.

Успешным запуском первого созданного человеком спутника Земли вносится крупнейший вклад в сокровищницу мировой науки и культуры. Научный эксперимент, осуществляемый на такой большой высоте, имеет громадное значение для познания свойств космического пространства и изучения Земли как планеты нашей солнечной системы.

В течение Международного геофизического года Советский Союз предполагает осуществить пуски еще нескольких искусственных спутников Земли. Эти последующие спутники будут иметь увеличенные габарит и вес, и на них будет проведена широкая программа научных исследований.

Искусственные спутники Земли проложат дорогу к межпланетным путешествиям и, по-видимому, нашим современникам суждено быть свидетелями того, как освобожденный и сознательный труд людей нового, социалистического общества делает реальностью самые дерзновенные мечты человечества.

«Правда», 5 октября 1957 г.

4 октября 1957 г. весь мир стал свидетелем выдающегося события — в Советском Союзе был осуществлен успешный запуск первого искусственного спутника Земли.

Сообщение о запуске спутника было получено во всех уголках земного шара. Прохождение его зарегистрировано многими наблюдателями на всех континентах. Создание спутника явилось результатом длительной упорной исследовательской и конструкторской работы, в которой приняли участие большие коллективы советских ученых, инженеров, работников промышленности.

Теоретически вопрос о возможности посылки космического корабля за пределы земной атмосферы был решен в начале двадцатого столетия выдающимся русским ученым К. Э. Циолковским, доказавшим, что средством для космического полета должна быть ракета. В трудах К. Э. Циолковского был разработан ряд кардинальных проблем межпланетного полета и было указано, что создание искусственного спутника Земли явится первым и необходимым этапом.

Создание искусственного спутника Земли потребовало решения ряда сложнейших и принципиально новых научно-технических проблем. Наибольшие трудности встретились при разработке ракеты-носителя для вывода спутника на орбиту. Для запуска спутника создана ракета-носитель, обладающая высоким конструктивным совершенством. Созданы мощные двигатели, работающие при трудных термических условиях. Разработаны оптимальные режимы движения ракеты, обеспечивающие наиболее эффективное ее использование. Для обеспечения заданного закона движения ракеты, необходимого для выведения спутника на орбиту, разработана весьма точная и эффективная система автоматического управления ракетой.

Решение этих, а также многих других сложнейших задач оказалось возможным лишь в результате использования новейших достижений науки и техники в самых различных областях и в первую очередь благодаря высокому техническому уровню ракетостроения в СССР. Создание искусственного спутника Земли в столь короткие сроки было обеспечено высоким уровнем научно-технического потенциала в нашей стране, четкой и организованной работой научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и промышленных предприятий.

Запуску спутника предшествовала также большая экспериментальная работа, связанная с созданием и отработкой как отдельных агрегатов, так и всей системы в комплексе.

Успешный запуск спутника полностью подтвердил правильность расчетов и основных технических решений, принятых при создании ракеты-носителя и спутника.

Запуск первого спутника открывает широкую программу научных исследований, которая будет продолжена в течение Международного геофизического года на ряде последующих искусственных спутников, при создании которых предусматривается дальнейшее увеличение их веса и размеров. Создание спутника является первым шагом в завоевании межпланетного пространства и осуществлении космических полетов.

Спутник имеет форму шара. Он был размещен в передней части ракеты-носителя и закрыт защитным конусом. Ракета со спутником стартовала вертикально. Через небольшое время после старта при помощи программного устройства ось ракеты начала постепенно отклоняться от вертикали. В конце участка выведения на орбиту ракета находилась на высоте нескольких сот километров и двигалась параллельно земной поверхности со скоростью около 8000 метров в секунду. После окончания работы двигателя ракеты защитный конус был сброшен, спутник отделился от ракеты и начал двигаться самостоятельно.

В настоящее время вокруг Земли движется снабженный аппаратурой спутник, а также ракета-носитель и защитный конус. Так как скорость отделения конуса от спутника и спутника от ракеты невелика, носитель и конус в течение некоторого времени находились от спутника на сравнительно небольшом расстоянии, двигаясь вокруг Земли по орбитам, близким к орбите спутника. Затем, вследствие разности периодов обращения, получающейся как за счет относительной скорости в момент отделения, так и за счет различной степени торможения в атмосфере Земли, все три тела разошлись и в процессе дальнейшего движения в один и тот же момент времени могут оказаться находящимися над совершенно различными точками земной поверхности.

Орбита спутника представляет собой в первом приближении эллипс, один из фокусов которого находится в центре Земли. Высота полета спутника над поверхностью Земли не остается постоянной, а периодически изменяется, достигая наибольшего значения — примерно тысячи километров. В настоящее время перигей орбиты (ее наинизшая точка) находится в северном полушарии Земли, а апогей (наивысшая точка орбиты) — в южном полушарии.

Ориентация плоскости орбиты относительно неподвижных звезд остается почти постоянной. Так как Земля вращается вокруг своей оси, то на каждом следующем витке спутник должен оказываться над другим районом, смещаясь за один виток примерно на 24° по долготе. Фактическое смещение по долготе будет несколько больше, так как вследствие отклонения поля тяготения от центрального плоскость орбиты будет медленно поворачиваться вокруг оси Земли в направлении, противоположном ее вращению. Это движение плоскости орбиты невелико и составляет примерно четверть градуса по долготе за один оборот. В результате относительного движения Земли и плоскости орбиты каждый следующий виток будет проходить западнее предыдущего на широте Москвы примерно на 1500 километров. В экваториальной области смещение больше и будет составлять около 2500 километров.

Рис. 1. Орбита спутника

Плоскость орбиты наклонена к плоскости земного экватор» под углом 65°. В связи с этим трасса спутника проходит над районами Земли, находящимися приблизительно между Северным и Южным полярными кругами. Вследствие вращения Земли вокруг оси угол наклона трассы к экватору отличается от угла наклонения плоскости-орбиты. Приходя в северное полушарие, трасса пересекает экватор под углом 71,5° в направлении на северо-восток. Затем трасса постепенно заворачивает все больше на восток и, коснувшись параллели, отвечающей 65° северной широты, отклоняется к югу и пересекает экватор в направлении на юго-восток под углом 59°. В южном полушарии трасса касается параллели, отвечающей 65° южной широты, после чего отклоняется к северу и снова переходит в северное полушарие.

С течением времени, вследствие торможения спутника в верхних слоях атмосферы Земли, форма и размеры орбиты спутника будут постепенно изменяться. Так как на больших высотах, где происходит движение спутника, плотность атмосферы чрезвычайно мала, эволюция орбиты будет происходить вначале весьма медленно. Высота апогея будет убывать быстрее высоты перигея, и орбита будет все более приближаться к круговой. При вхождении спутника в более плотные слои атмосферы торможение спутника станет весьма сильным. Спутник раскалится и сгорит, подобно метеорам, приходящим из межпланетного пространства и сгорающим в атмосфере Земли.

В настоящее время плотность верхней атмосферы известна недостаточно точно. Поэтому дать точный прогноз о времени существования спутника на орбите пока не представляется возможным. Данные о плотности верхней атмосферы, имеющиеся в настоящее время, а также результаты проведенных траекторных измерений позволяют утверждать, что спутник будет двигаться вокруг Земли длительное время.

Период обращения спутника составляет в настоящее время 96 мин. По мере понижения орбиты период будет уменьшаться. Скорость изменения периода будет служить указанием на быстроту изменения формы орбиты. Поэтому точное измерение периода обращения спутника является чрезвычайно важной и ответственной задачей.

Параметры орбиты советского искусственного спутника позволяют наблюдать его на всех континентах в большом диапазоне широт. Это открывает большие возможности для решения различных научных проблем. Можно указать, что запуск спутника на такую орбиту является более трудной задачей, чем запуск на орбиту, близкую к экваториальной плоскости. При запуске по экватору имеется возможность использования в большей степени для разгона ракеты скорости вращения Земли вокруг оси.

Весьма важной составной частью исследований, проводимых с помощью искусственного спутника Земли, является наблюдение за его движением, обработка наблюдений и предсказание по результатам обработки дальнейшего движения спутника. Наблюдение за спутником ведется с помощью радиотехнических средств, а также в обсерваториях с помощью оптических инструментов. Наряду со специалистами с их средствами к наблюдениям широко привлечены радиолюбители, а также группы астрономов-любителей, ведущие наблюдения на астрономических площадках с помощью специально изготовленных для этих целей оптических инструментов. В настоящее время в СССР наблюдения за спутником регулярно ведут 66 станций оптических наблюдений и 26 клубов ДОСААФ с большим количеством средств радионаблюдения. Кроме того, наблюдения за спутником ведут индивидуально тысячи радиолюбителей.

Научные станции ведут наблюдения с помощью радиолокаторов и радиопеленгаторов. Ведутся также наблюдения оптическими методами и фотографирование движения спутника.

Остановимся на методах наблюдения астрономами-любителями и радиолюбителями, так как эти методы доступны широким кругам, интересующимся движением спутника. В распоряжении астрономов-любителей имеется большое количество специально изготовленных астрономических трубок, обладающих совершенной оптикой с широким углом зрения. На наблюдательных станциях имеются также комплекты оборудования, позволяющие определять положение спутника на небесной сфере в определенный момент времени.

Имеющаяся аппаратура, с помощью которой оптическая станция отмечает положение спутника на небесной сфере, позволяет производить измерения с точностью до одного градуса, а момент времени, в который отмечается это положение, с погрешностью не более одной секунды. Оптическая станция наблюдает искусственный спутник в утреннее или вечернее время, когда поверхность Земли погружена в темноту, а сам спутник, находясь на большой высоте, освещен Солнцем.

Рис. 2. Схема движения спутника за сутки

Следует отметить, что наблюдения за спутником с помощью астрономических инструментов представляют известную трудность и не похожи на наблюдения обычных астрономических объектов, так как спутник движется по небу очень быстро, со скоростью в среднем около одного градуса в секунду.

Для обеспечения надежности наблюдений каждая оптическая станция устраивает один или два «оптических барьера» из трубок, расположенных в меридиане и по вертикальному кругу, перпендикулярному видимой орбите спутника. Кроме того, при пояске спутника применяется метод, основанный на так называемом «правиле местного времени». Этот метод, использует то обстоятельство, что орбита спутника не участвует в суточном вращении Земли, а сам спутник будет проходить через заданную широту в местное звездное время, медленно меняющееся при вращении орбиты в абсолютном пространстве вокруг земной оси за счет отклонения поля тяготения от центрального. Благодаря этому для данной станции спутник в процессе своего движения будет проходить через последовательность точек на небесной сфере, которые можно назвать точками ожидания. Если регулировать ось оптического прибора таким образом, чтобы она была направлена в заранее рассчитанную на небесной сфере очередную точку ожидания, то рано или поздно неизбежно произойдет обнаружение спутника.

Наблюдения за спутником ведет большое число радиолюбителей с помощью специально для этой цели сконструированных радиоприемников. Схемы этих приемников, а также схемы пеленгационных приставок к ним были опубликованы в научно-популярном радиотехническом журнале «Радио» задолго до запуска спутника. Информацию о движении спутника, даваемую радиолюбителями, можно использовать не только для изучения законов прохождения радиоволн через атмосферу, но также, особенно в случае, если радиолюбитель использует пеленгационную приставку, для грубого определения элементов орбиты спутника.

Уже к настоящему времени имеется большое количество наблюдений спутника радиолюбителями. В ряде мест прохождение спутника зарегистрировано астрономами-любителями. В ряде других мест, к сожалению, до сих пор облачность не дала возможности вести оптические наблюдения.

Все данные научных станций, а также радио— и оптических наблюдений любителей собираются и обрабатываются. В результате обработки этих данных определяются как элементы орбиты, так и их вековые уходы.. При обработке используются новейшие вычислительные средства, такие, как электронные счетные машины. В результате обработки уточняются параметры орбиты и предсказывается движение спутника. Кроме того, данные, поступающие с наблюдательных станций, используются для ряда геофизических исследований, проводимых с помощью спутника, таких, например, как определение плотности атмосферы по эволюции параметров орбиты спутника и т. д.

Как уже указывалось, спутник имеет форму шара. Диаметр его равен 58 сантиметрам, вес — 83,6 килограмма. Герметичный корпус спутника изготовлен из алюминиевых сплавов. Поверхность его полирована и, подвергнута специальной обработке. В корпусе размещается вся аппаратура спутника вместе с источниками энергопитания аппаратуры. Перед пуском спутник заполняется газообразным азотом.

На внешней поверхности корпуса установлены антенны в виде четырех стержней длиной от 2,4 до 2,9 метра. Во время выведения спутника стержни антенн прижаты к корпусу ракеты. После отделения спутника-антенны поворачиваются относительно своих шарниров.

Двигаясь по орбите, спутник периодически подвергается резко переменным тепловым воздействиям — нагреванию лучами Солнца в период нахождения над освещенной стороной Земли, охлаждению при полете в тени Земли, термическим воздействиям атмосферы и т. д. Кроме того, при работе аппаратуры в спутнике также выделяется известное количества тепла. В тепловом отношении искусственный спутник является самостоятельным небесным телом, находящимся в лучистом теплообмене с окружающим пространством. Поэтому обеспечение в течение длительного времени нормального температурного режима на спутнике, необходимого для работы его аппаратуры, является принципиально новой и достаточно сложной задачей. Поддержание необходимого температурного режима на первом спутнике обеспечивается приданием его поверхности соответствующих значений коэффициентов излучения и поглощения солнечной радиации, а также регулированием теплового сопротивления между оболочкой спутника и размещаемой в нем аппаратурой за счет принудительной циркуляции азота внутри спутника.

На спутнике установлены два радиопередатчика, непрерывно излучающие сигналы с частотами 20,005 и 40,002 мегагерца (длина волн — 15 и 7,5 метра соответственно). Следует отметить, что на созданном в СССР искусственном спутнике в связи с его относительно большим весом оказалось возможным установить радиопередатчики большой мощности. Это позволяет производить прием сигналов со спутника на весьма больших расстояниях и дает возможность включиться в наблюдения за спутником самым широким кругам радиолюбителей во всех частях земного шара. Первые сутки наблюдения за полетом спутника подтвердили возможность уверенного приема его сигналов обычными любительскими приемниками на расстояниях нескольких тысяч километров. Зафиксированы отдельные случаи приема сигналов спутника на расстояниях до 10 000 километров.

Сигналы, излучаемые радиопередатчиками на каждой из частот, имеют вид телеграфных посылок. Посылка сигнала одной частоты производится во время паузы сигнала другой частоты. В среднем длительность сигналов на каждой из частот составляет около 0,3 секунды. Эти сигналы используются для наблюдения за орбитой спутника, а также для решения ряда научных задач. Для регистрации процессов, происходящих на спутнике, на нем установлены чувствительные элементы, меняющие частоты телеграфных посылок и соотношения между длительностью этих посылок и пауз при изменении некоторых параметров на спутнике (температуры и др.). При приеме сигналов со спутника производится их регистрация для последующей расшифровки и анализа.

Следует учитывать, что через некоторое время радиопередатчик прекратит свою работу. Это может, например, произойти, если метеорная частица пробьет корпус спутника или повредит антенну. Кроме того, спутник имеет ограниченный запас электроэнергии. После прекращения работы передатчика наблюдение за спутником будет вестись оптическими методами и радиолокаторами.

Большое значение имеют наблюдения за распространением радиоволн, излучаемых со спутника. До сих пор основные сведения об ионосфере были получены изучением радиоволн, посылаемых с Земли и отраженных от областей ионосферы, лежащих ниже максимальной ионизации ионосферных слоев. В настоящее время по существу не известно, на каких высотах лежит верхняя граница ионосферы. Запуск спутника создает возможность получать в течение длительного времени радиосигналы с двумя различными частотами из областей ионосферы, ранее недоступных для длительных наблюдений, лежащих выше максимума ионизации, а может быть, над ионосферой вообще.

Измерение уровней принимаемых сигналов и углов рефракции радиоволн с различными частотами позволяет получить данные о затухании радиоволн в ранее не исследованных областях ионосферы и некоторые сведения о структуре этих областей.

Программа научных измерений на искусственных спутниках Земли весьма обширна и охватывает многие разделы физики верхних слоев атмосферы и изучения космического пространства около Земли.

К этим вопросам относятся: изучение состояния ионосферы, ее химической структуры, измерения давления и плотности, магнитные измерения, изучение природы корпускулярного излучения Солнца, первичного состава и вариаций космических лучей, ультрафиолетового и рентгеновского участков спектра Солнца, а также электростатических полей верхних слоев атмосферы и микрочастиц. Уже первый спутник даст сведения по ряду из этих вопросов.

В области изучения космических лучей программа предусматривает получение данных по относительному количеству различных ядер в составе первичного космического излучения. В частности, будет произведено определение относительного количества ядер лития, бериллия и бора, а также ядер с весьма большим зарядом. В этом отношении можно будет получить данные, недоступные для ранее применявшихся методов исследований.

Устанавливаемая на спутниках аппаратура позволяет также произвести изучение вариаций полного потока космических лучей, исследование которых затрудняет большая толща атмосферы, находящейся над аппаратурой при установке ее на Земле. Полученные данные позволят выявить суточные, полусуточные и двадцатисемисуточные вариации и изучить их связь с явлениями на Солнце. Спутник позволяет провести указанные измерения по всему земному шару.

Вследствие поглощения атмосферой коротковолновой радиации Солнца она до сих пор еще не изучена. Большие высоты, на которых обращается спутник, позволят с помощью разработанной нашими физиками аппаратуры изучить ультрафиолетовый и рентгеновский участки спектра Солнца и выявить вариации интенсивности излучения. Это важно, так как по современным представлениям коротковолновое излучение Солнца вызывает ионизацию верхних слоев атмосферы. Следовательно, эти результаты прольют новый свет на процессы образования ионосферы. Поскольку коротковолновое излучение Солнца вызывается солнечной короной, данные о нем позволят получить новые результаты о структуре солнечной короны.

Наряду с коротковолновой радиацией Солнца огромную роль в процессах, происходящих в верхних слоях атмосферы, играет корпускулярное излучение Солнца. С этой целью важно решить вопрос о природе корпускулярного излучения, его интенсивности, энергетическом спектре частиц, выбрасываемых Солнцем, и выяснить роль корпускулярного излучения Солнца в образовании полярных сияний. Эти вопросы также удастся решить с помощью созданной аппаратуры, устанавливаемой на искусственных спутниках Земли.

Полет спутника над ионизированными слоями атмосферы позволяет проверить ряд выводов, сделанных на основании тех или иных гипотез, относительно круговых токов, существующих в верхних слоях атмосферы. Искусственные спутники позволяют также произвести изучение быстрых вариаций магнитного поля Земли.

Представляет значительный интерес изучение на больших высотах (порядка 1000 километров) электростатических полей и решение вопроса — является ли Земля вместе со своей атмосферой заряженной или нейтральной системой. Наряду с изучением ионосферы косвенными методами путем наблюдения за прохождением радиоволн программа исследований на спутниках предусматривает непосредственные замеры ионной концентрации на различных высотах, а в дальнейшем также химического состава ионосферы масс-спектрометрическими методами. Если справедливы современные представления о том, что на больших высотах отсутствуют отрицательные ионы, эти опыты дадут полные сведения о составе ионосферы.

Не останавливаясь на всех научных наблюдениях, которые производятся и будут произведены на спутниках в течение Международного геофизического года, мы упомянем еще об исследованиях метеорной материи, находящейся в верхних слоях атмосферы. Намечено получение спектра масс и скоростей микрочастиц, попадающих в атмосферу из космического пространства.

Искусственный спутник есть первый шаг в завоевании космического пространства. Для перехода к осуществлению космических полетов с человеком необходимо изучить влияние условий космического полета на живые организмы. В первую очередь это изучение должно быть проведено на животных. Так же, как это было на высотных ракетах, в Советском Союзе будет запущен спутник, имеющий на борту животных в качестве пассажиров, и будут проведены детальные наблюдения за их поведением и протеканием физиологических процессов.

Можно с уверенностью сказать, что осуществление намеченной программы научных исследований с помощью искусственных спутников Земли сыграет революционизирующую роль во многих вопросах физики, геофизики и астрофизики.

С успешным запуском искусственного спутника Земли наука и техника делают новый качественный скачок, перенося прямые методы научных измерений в недоступное до настоящего времени космическое пространство и прокладывая широкие пути будущим межпланетным путешествиям.

«Правда», 9 октября 1957 г.

В соответствии с программой Международного геофизического года по научным исследованиям верхних слоев атмосферы, а также изучению физических процессов и условий жизни в космическом пространстве 3 ноября в Советском Союзе произведен запуск второго искусственного спутника Земли.

Второй искусственный спутник, созданный в СССР, представляет собой последнюю ступень ракеты-носителя с расположенными в ней контейнерами с научной аппаратурой.

На борту второго искусственного спутника имеется:

— аппаратура для исследования излучения Солнца в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра;

— аппаратура для изучения космических лучей;

— аппаратура для изучения температуры и давления;

— герметичный контейнер с подопытным животным (собакой), системой кондиционирования воздуха, запасом пищи и приборами для изучения жизнедеятельности в условиях космического пространства;

— измерительная аппаратура для передачи данных научных измерений . на Землю;

— два радиопередатчика, работающие на частотах 40,002 и 20,005 мегагерц (длина волны около 7,5 и 15 метров соответственно);

— необходимые источники электроэнергии.

Общий вес указанной аппаратуры, подопытного животного и источников электропитания составляет 508,3 кг.

По данным наблюдений, спутник получил орбитальную скорость около 8000 метров в секунду.

Согласно расчетам, которые уточняются прямыми наблюдениями, максимальное удаление спутника от поверхности Земли превышает 1500 километров; время одного полного оборота спутника составляет около 1 часа 42 минут; угол наклона орбиты к плоскости экватора равен примерно 65 градусам.

По данным измерений, получаемым с борта спутника, функционирование научной аппаратуры и контроль за жизнедеятельностью животного протекают нормально.

Над районом г. Москвы второй искусственный спутник прошел 3 ноября дважды — в 7 часов 20 минут и в 9 часов 05 минут по московскому времени.

Сигналы радиопередатчика спутника на частоте 20,005 мегагерц имеют вид телеграфных посылок длительностью около 0,3 секунды с паузой такой же длительности. Радиопередатчик на частоте 40, 002 мегагерц работает в режиме непрерывного излучения.

Успешным запуском второго искусственного спутника Земли с разнообразной научной аппаратурой и подопытным животным советские ученые расширяют исследования космического пространства и верхних слоев атмосферы. Неизведанные процессы явлений природы, происходящие в космосе, будут становиться теперь более доступными человеку.

Коллективы научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, испытателей и заводов промышленности, создавшие второй советский искусственный спутник Земли, посвящают его запуск 40-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции.

«Правда», 4 ноября 1957 г.

Как сообщалось в печати, в соответствии с планом научных работ, проводимых по программе Международного геофизического года, в Советском Союзе 3 ноября 1957 года осуществлен запуск второго искусственного спутника Земли. Запуск второго спутника является новым выдающимся успехом советской науки. Напряженная и плодотворная работа больших коллективов ученых, инженеров, техников и рабочих позволила создать и вывести на орбиту спутник, полезный вес которого составляет 508 килограммов 300 граммов, что в 6 раз превышает вес первого спутника. При этом второй спутник был выведен на орбиту, расположенную значительно дальше от поверхности Земли, чем орбита первого спутника.

Второй искусственный спутник оснащен разнообразной научной аппаратурой, позволяющей осуществить проведение широкой программы исследований. На спутнике размещены аппаратура для изучения космических лучей, исследования ультрафиолетовой и рентгеновской части солнечного излучения, герметическая кабина с подопытным животным (собакой), радиотелеметрическая аппаратура для передачи на Землю результатов измерений, радиопередающая аппаратура, а также необходимые источники электроэнергии.

Выведение второго спутника на орбиту было осуществлено при помощи составной ракеты. В процессе выведения на орбиту ракета поднялась на высоту в несколько сот километров от поверхности Земли; в конце участка выведения ее последняя ступень двигалась параллельно поверхности Земли со скоростью более 8000 метров в секунду, превратившись в спутник Земли. В момент выхода на орбиту запас топлива в баках ракеты был израсходован, и двигатель был выключен. Дальнейшее движение спутника продолжалось за счет кинетической энергии, приобретенной при разгоне ракеты на участке выведения.

Скорость, сообщенная последней ступени ракеты, была больше той скорости, которая необходима для движения спутника по круговой орбите на постоянной высоте, отвечающей точке выхода на орбиту. Поэтому спутник движется не по круговой орбите, а по эллиптической, наибольшее удаление которой от Земли составляет около 1700 километров, что почти вдвое превышает наибольшую высоту, достигнутую при запуске первого спутника. Поскольку размеры большой полуоси орбиты второго спутника больше, чем у первого спутника, период его обращения вокруг Земли также оказался больше и составлял в начале движения 103,7 минуты.

Вследствие увеличенного периода обращения второй спутник совершает за сутки около 14 полных оборотов вокруг Земли, в то время как первый спутник совершал в начальный период движения около 15 оборотов. Смещение каждого следующего витка по долготе вследствие вращения Земли в суточном движении для второго спутника примерно на ¹/₁₅ больше, чем для первого спутника. На такую же величину возросло и расстояние на поверхности Земли между трассами двух соседних витков.

Сопротивление земной атмосферы вызывает торможение спутника. Орбита его при этом изменяет свои размеры и форму. Вследствие того, что на больших высотах атмосфера чрезвычайно разрежена, силы торможения, действующие на спутник, невелики. Поэтому изменение параметров орбиты происходит весьма медленно. Поскольку плотность атмосферы быстро убывает с высотой, торможение происходит в основном в области перигея, т. е. в области, прилегающей к точке наименьшего удаления от поверхности Земли. В точке апогея, т. е. в точке наибольшего удаления, спутник движется на такой большой высоте, что находится в космическом пространстве вне пределов земной атмосферы, которая по теоретическим данным простирается до высоты порядка 1000 километров над поверхностью Земли.

Торможение спутника зависит не только от плотности атмосферы, но также и от формы спутника и от отношения его веса к площади сечения (от так называемой поперечной нагрузки). При большей поперечной нагрузке потеря скорости будет меньше.

Два спутника, выведенных первоначально на одну и ту же орбиту, но имеющих различную величину торможения, будут по истечении некоторого времени двигаться по-разному, так как орбиты их движения будут изменяться с различной скоростью. При этом сокращение размеров орбиты происходит главным образом за счет понижения высоты апогея.

Первый спутник и его ракета-носитель двигались первоначально примерно по одной и той же орбите, период их обращения отличался незначительно и составлял около 96,2 минуты. В настоящее время, вследствие того, что степень торможения первого спутника меньше, чем у ракеты-носителя, их орбиты существенно различаются. Высота апогея ракеты-носителя ниже апогея спутника более чем на 100 километров. Период обращения ракеты-носителя, по данным на 10 ноября, был меньше периода обращения первого спутника примерно на 74 секунды.

Величина торможения как ракеты-носителя, так и спутника меняется с течением времени за счет изменения параметров орбиты. По мере понижения орбиты торможение прогрессивно возрастает. Это обстоятельство отчетливо подтверждается результатами наблюдений. При понижении орбиты до высот порядка 100 километров торможение будет настолько значительным, что будет происходить интенсивный разогрев спутника и ракеты-носителя, их дальнейшее быстрое снижение и сгорание.

Время существования спутника зависит от величины его торможения в атмосфере. Ясно, что чем больше период обращения и чем меньше торможение, тем больше будет время существования спутника. Расчеты, проведенные на основе данных, полученных из наблюдений за первым спутником и ракетой-носителем, позволяют предполагать, что время существования спутника должно быть порядка трех месяцев, считая с момента запуска. Это означает, что первый спутник будет существовать на орбите, по-видимому, до конца 1957 года. Время существования ракеты-носителя меньше, чем у первого спутника. Поэтому следует ожидать, что ракета-носитель сгорит раньше спутника. Большой период обращения второго спутника и малое значение величины торможения, меньшее, чем для первого спутника, позволяет утверждать, что время движения по орбите второго спутника будет заметно превышать время движения первого спутника.

Проводящаяся в настоящее время обработка результатов траекторных измерений позволит установить полностью весь процесс эволюции параметров орбит спутников и получить важные сведения о распределении плотности верхних слоев атмосферы. В дальнейшем можно будет давать надежные прогнозы о времени существования искусственных спутников Земли.

В оптических наблюдениях за движением двух первых спутников Земли и ракеты-носителя первого спутника систематически участвуют 66 специальных станций оптического наблюдения, все астрономические обсерватории Советского Союза, около 30 зарубежных обсерваторий. В настоящее время организуется сеть станций оптического наблюдения в странах народной демократии. Число зарубежных астрономических обсерваторий, участвующих в систематических наблюдениях искусственных спутников, с каждым днем увеличивается. Большая яркость ракеты-носителя и второго спутника позволила привлечь к визуальным наблюдениям также и аэрологические пункты Гидрометеослужбы, имеющие шаропилотные теодолиты.

В результате оптических наблюдений выяснилось, что ракета-носитель меняет свой блеск. Это связано с изменением ее ориентировки в пространстве. Наиболее короткий зарегистрированный визуально период изменения блеска составляет примерно 20 секунд.

Наряду с визуальными производятся фотографические наблюдения ракеты-носителя и второго спутника. Снимки, полученные в Пулковской обсерватории, в обсерватории Астрофизического института АН Казахской ССР, в обсерватории Харьковского государственного университета и в других астрономических учреждениях Советского Союза, равно как и фотографии, произведенные в обсерватории «Пурпурная гора» (Китайская Народная Республика), Эдинбургской обсерватории (Великобритания), обсерватории Дансинк (Эйре), Потсдамской обсерватории (ГДР) и др., позволили существенно уточнить орбиты спутников и ракеты-носителя.

Весьма обширный материал дают радионаблюдения за искусственными спутниками Земли. Эти наблюдения проводились пунктами, расположенными на различных географических широтках и долготах, радиопеленгаторными станциями, клубами ДОСААФ, рядом высших учебных заведений и тысячами радиолюбителей. Полученный материал настолько обширен, что в настоящее время выполнена лишь предварительная его обработка.

Очень важное значение имеют измерения напряженности поля принимаемых со спутника радиосигналов. Такие измерения осуществлялись как путем непрерывной автоматической записи, так и путем частных замеров в отдельные фиксированные моменты времени. Результаты измерения напряженности поля радиосигналов позволяют оценить поглощение радиоволн в ионосфере, включая те ее области, которые лежат выше максимума ионизации основного ионосферного слоя F₂, а поэтому недоступны обычным измерениям, ведущимся на поверхности Земли. Эти измерения позволяют также судить о возможных путях распространения радиоволн в ионосфере.

Результаты приема радиосигналов спутника и измерения их уровней показывают, что эти сигналы на волне 15 метров принимались на очень больших расстояниях, далеко превышающих расстояние прямой видимости. Эти расстояния достигают 10, 12 и даже 15 тысяч километров, а в отдельных случаях и более.

Особенный интерес представляет то обстоятельство, что спутник, совершая движения по эллиптической орбите, занимает различное положение относительно основного максимума электронной концентрации в земной атмосфере. При обработке материалов радионаблюдений учитывалось, находится ли спутник в данный момент времени выше или ниже истинной высоты максимума электронной концентрации слоя F₂, полученной на основе высотночастотных характеристик ионосферы, снятых ионосферными станциями. Если в Южном полушарии спутник движется выше слоя ионосферы, то в Северном полушарии он в некоторые моменты находится выше максимума ионизации этого слоя, в некоторые моменты — ниже его, а в иные моменты — вблизи этого максимума. Такие условия создают большое разнообразие в путях распространения коротких радиоволн на большие расстояния. Одним из таких путей является отражение от земной поверхности радиоволн, прошедших сверху через всю толщу ионосферы, с последующим однократным отражением от ионосферы в тех ее областях, где критические частоты имеют достаточно большие значения. В других случаях радиоволны, падающие сверху под некоторым углом на ионосферу, испытывают в ней значительное преломление и проникают вследствие этого в область, лежащую за пределами геометрической прямой видимости.

Положение спутника вблизи области максимальной ионизации атмосферы создает особенно благоприятные условия для распространения радиоволн путем ионосферных радиоволноводов. В некоторых случаях, как показывают наблюдения, радиоволны приходили в точку приема не по кратчайшему расстоянию, а путем обхода земного шара по более длинной дуге большого круга. В отдельных случаях наблюдалось явление кругосветного эха радиосигналов. В некоторых случаях измеренные значения напряженности поля оказывались больше, чем рассчитанные по закону обратной пропорциональности первой степени расстояния, что также говорит о наличии волноводных каналов в ионосфере.

Интересные результаты получены по наблюдению эффекта Допплера при помощи записи на магнитную ленту изменения тона биений между частотой радиоволн, излучаемых спутником, и частотой колебания местного гетеродина. Таких записей получено огромное количество, и результаты их обрабатываются.

Несомненно, что окончательная обработка полученных в большом количестве материалов радионаблюдений за искусственными спутниками Земли даст очень ценные сведения об особенностях ионизации верхних областей ионосферы, а также о поглощении и характере распространения в них радиоволн.

Как указано выше, второй советский искусственный спутник Земли, в отличие от первого спутника, представляет собой последнюю ступень ракеты, на которой размещена вся научная и измерительная аппаратура. Такое размещение аппаратуры существенно упростило задачу определения координат спутника при помощи оптических средств наблюдения, поскольку, как показал опыт первого спутника, наблюдения за ракетой-носителем оказались значительно более простыми, чем за самим спутником. Яркость ракеты-носителя превосходит яркость первого спутника на несколько звездных величин. Общий вес аппаратуры, подопытного животного и источников электропитания на втором искусственном спутнике составляет 508 килограммов 300 граммов.

В передней части последней ступени ракеты на специальной раме установлены прибор для исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, сферический контейнер с радиопередатчиками и другой аппаратурой, герметическая кабина с подопытным животным — собакой. Аппаратура для изучения космических лучей расположена на корпусе ракеты. Установленные на раме приборы и контейнеры защищены от аэродинамических и тепловых воздействий, имеющих место при полете ракеты в плотных слоях атмосферы, специальным защитным конусом. После выведения последней ступени ракеты на орбиту защитный конус был сброшен.

Радиопередатчики, находящиеся в сферическом контейнере, работали на частотах 40,002 и 20,005 мегагерц. Источники их электропитания, система терморегулирования, а также чувствительные элементы, регистрирующие изменение температуры и другие параметры, также размещены в этом контейнере. По своей конструкции сферический контейнер подобен первому советскому искусственному спутнику Земли.

Сигналы радиопередатчика, работавшего на частоте 20,005 мегагерц (длина волны 15 метров), имели вид телеграфных посылок. Длительность их, так же как и длительность пауз между ними, составляла в среднем около 0,3 сек. При изменении некоторых параметров внутри сферического контейнера (температура, давление) длительность этих посылок и пауз между ними изменялась в определенных пределах.

Радиопередатчик на частоте 40,002 мегагерц (длина волны 7,5 метра) работал в режиме непрерывного излучения. Установка двух радиопередатчиков на указанных частотах обеспечила проведение исследований по распространению радиоволн, излучаемых со спутника, и измерение параметров его орбиты. При этом был обеспечен прием сигналов со спутника при любом состоянии ионосферы. Выбор длин волн, а также достаточная мощность радиопередатчиков позволили осуществлять радионаблюдения за спутником наряду со специальными станциями самому широкому кругу радиолюбителей.

Герметическая кабина, в которой помещается подопытное животное (собака), имеет цилиндрическую форму. С целью создания условий, необходимых для нормального существования животного, в ней был размещен запас пищи, а также система кондиционирования воздуха, состоящая из регенерационной установки и системы терморегулирования. Помимо этого, в кабине были размещены аппаратура для регистрации пульса, дыхания, кровяного давления, аппаратура для снятия электрокардиограмм, а также чувствительные элементы для измерения ряда параметров, характеризующих условия в кабине (температура, давление).

Кабина животного, как и сферический контейнер, изготовлена из алюминиевых сплавов. Поверхность их полирована и подвергнута специальной обработке с целью придания ей необходимых значений коэффициентов излучения и поглощения солнечной радиации. Системы терморегулирования, установленные в сферическом контейнере и в кабине животного, поддерживали в них температуру в заданных пределах, отводя тепло к оболочке за счет принудительной циркуляции газа.

Кроме указанной аппаратуры, на корпусе последней ступени ракеты установлены: радиотелеметрическая измерительная аппаратура, аппаратура для измерения температуры, источники электроэнергии, обеспечивающие питание научной и измерительной аппаратуры. Температура на внешней поверхности и внутри кабины животного, а также температура отдельных приборов и элементов конструкции определялась с помощью установленных на них температурных датчиков. Радиотелеметрическая аппаратура обеспечивала передачу на Землю данных всех измерений, осуществляемых на спутнике. Включение ее для передачи данных измерений производилось периодически по специальной программе.

Рис. 3. Схема размещения аппаратуры 1 — защитный конус, сбрасываемый после выведения спутника на орбиту; 2 — прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца; 3 — сферический контейнер с аппаратурой и радиопередатчиками; 4 — силовая рама для крепления аппаратуры; 5 — герметическая кабина с подопытным животным

Программа научных исследований, связанная с проведением измерений на втором искусственном спутнике, была рассчитана на семь суток. В настоящее время эта программа выполнена. Радиопередатчики спутника, а также бортовая радиотелеметрическая аппаратура прекратили свою работу. Дальнейшие наблюдения за движением второго искусственного спутника Земли с целью изучения характеристик верхних слоев атмосферы и прогнозирования его движения проводятся с помощью оптических и радиолокационных средств.

Искусственный спутник Земли позволил ученым впервые осуществить ряд экспериментов в верхних слоях атмосферы, проведение которых ранее было невозможно.

Первостепенный научный и практический интерес для физики, астрофизики и геофизики представляет исследование коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Как показали исследования последних лет, Солнце, помимо видимого света, испускает излучение, простирающееся в широкую область длин волн, начиная от рентгеновских лучей с длиной волны порядка нескольких стомиллионных долей сантиметра и кончая радиоволнами длиной в несколько метров.

Испускание коротковолнового конца спектра Солнца (далекого ультрафиолетового и рентгеновского излучения), а также радиоизлучение связано с физическими процессами, протекающими в малоизученных внешних слоях атмосферы Солнца (хромосфере и короне), и оказывает серьезнейшее влияние на атмосферу Земли. Основное изучение хромосферы Солнца сосредоточено в спектральной линии водорода с длиной волны 1,215 ангстрем (1 ангстрем равен одной стомиллионной части сантиметра), расположенной в далекой ультрафиолетовой области спектра, а излучение короны— в области мягких рентгеновских лучей (3—100 ангстрем). Корона, состоящая из очень разреженной материи, имеет температуру, близкую к одному миллиону градусов, причем, по-видимому, в короне имеются области с еще более высокой температурой. Природа короны до настоящего времени в значительной мере остается еще загадочной.

Общая энергия коротковолнового излучения Солнца сравнительно невелика — она в десятки тысяч раз меньше энергии, излучаемой Солнцем в видимом свете, однако именно это излучение оказывает чрезвычайно большое влияние на земную атмосферу. Объясняется это тем, что коротковолновое излучение обладает чрезвычайно высокой активностью и способно ионизировать молекулы воздуха, вызывая образование ионосферы — сильно ионизированных верхних слоев атмосферы. Согласно существующим представлениям, нижний слой ионосферы, лежащий на высоте 70— 90 километров (слой D), образован ионизацией молекул воздуха излучением спектральной линии водорода, испускаемой хромосферой, а следующий слой — на высоте 90—100 километров (слой Е) — рентгеновским излучением короны.

Состояние верхних слоев Солнца и ионосферы не остается постоянным — оно непрерывно изменяется. Установлено наличие тесной связи между активностью Солнца — появлением так называемых хромосферных вспышек и поглощением радиоволн в ионосфере, приводящим к прекращению радиосвязи. Это заставляет предполагать существование непосредственной связи вариаций интенсивности коротковолнового излучения Солнца с процессами в ионосфере.

Земная атмосфера полностью поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, пропуская лишь область близкого ультрафиолетового излучения, примыкающую к фиолетовому краю видимого спектра. Это поглощающее действие земной атмосферы предохраняет живые организмы от губительного для них коротковолнового излучения Солнца. В то же время оно делает невозможным исследование этого излучения с Земли. Поглощение молекулами воздуха настолько велико, что для наблюдения этого коротковолнового излучения необходимо полностью выйти за пределы земной атмосферы, поместив аппаратуру на искусственный спутник Земли. Хотя применение высотных ракет дало ценные результаты, только использование спутника дает возможность проведения систематических измерений на протяжении длительных отрезков времени, необходимых для изучения вариаций интенсивности коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Приемниками излучения служат три специальных фотоэлектронных умножителя, расположенных под углом в 120 градусов друг к другу. Каждый фотоумножитель последовательно перекрывается несколькими фильтрами из тонких металлических и органических пленок, а также из специальных оптических материалов, что позволяет выделить различные диапазоны в рентгеновской области спектра Солнца и линию водорода в далекой ультрафиолетовой области. Электрические сигналы, даваемые фотоумножителем, который был направлен на Солнце, усиливались радиосхемами и передавались на Землю с помощью телеметрической системы.

Вследствие того, что спутник непрерывно изменял свою ориентацию относительно Солнца, а также часть времени проводил на не освещенном Солнцем участке своей орбиты, для экономии источников питания электрические цепи аппаратуры включались только при попадании Солнца в поле зрения одного из трех приемников света. Это включение осуществлялось с помощью фотосопротивлений, освещаемых Солнцем одновременно с фотоумножителями, и системы автоматики.

Рис. 4. Аппаратура для исследования излучения Солнца

Параллельно с наблюдениями излучения Солнца со спутника производятся наблюдения Солнца всей сетью земных станций «службы Солнца», ведущих работу по программе Международного геофизического года. Эти наблюдения проводили астрофизические обсерватории, станции по изучению ионосферы и по приему радиоизлучения Солнца. Сопоставление всех этих наблюдений позволит сделать первые выводы о связи ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца с процессами, происходящими в хромосфере и короне Солнца, и состоянием ионосферы Земли. Эти данные послужат основой для последующих систематических наблюдений.

В недрах мирового пространства атомные ядра различных элементов ускоряются и приобретают очень большую энергию. Возникшие таким образом космические лучи дают возможность исследовать космос на больших расстояниях от Земли и даже от солнечной системы. На пути от места зарождения к Земле космические лучи испытывают на себе воздействие среды, через которую они проходят. В результате целого ряда процессов изменяются состав и интенсивность этого излучения. В частности, число частиц космических лучей возрастает в том случае, если на Солнце происходят интенсивные взрывные процессы и создаются условия для ускорения атомных ядер до больших энергий. Таким путем возникает дополнительный поток космических лучей, созданный на Солнце.

Солнце является также источником корпускулярного излучения. В потоках корпускулярного излучения имеются интенсивные магнитные и электрические поля, которые воздействуют на космические лучи. С помощью космических лучей можно изучать эти потоки на больших расстояниях от Земли.

Проходя сквозь магнитное поле Земли, частицы космических лучей сильно отклоняются в этом поле. Лишь частицы, обладающие очень большой энергией, могут беспрепятственно достигать любых районов нашей планеты. Чем меньше энергия частиц, тем меньше размер тех областей на Земле, которые оказываются доступными для этих частиц. Частицы малых энергий достигают лишь районов Арктики и Антарктики. Таким образом, Земля как бы окружена энергетическим барьером, причем высота этого барьера, наибольшая на экваторе, уменьшается с ростом геомагнитной широты. Экваториальных районов могут достигать лишь космические протоны, обладающие энергией большей 14 миллиардов электронвольт. Южные районы Советского Союза доступны для частиц с энергией больше 7 миллиардов электронвольт. Наконец, района Москвы могут достигать все частицы с энергией больше 1,5 миллиарда электронвольт. Измерение космических лучей на различных широтах дает возможность определить, сколько частиц и каких именно энергий присутствует в составе космических лучей. Зависимость числа частиц космического излучения от широты, так называемый широтный эффект, определяет распределение частиц по энергиям, т. е. энергетический спектр космических лучей.

В результате ряда процессов, которые происходят в мировом пространстве с космическими лучами, число и состав их изменяются. В некоторых случаях, как, например, при возникновении частиц на Солнце, есть основания ожидать, что увеличивается лишь число частиц, обладающих малой энергией, а число частиц высокой энергии остается без изменений. В противоположность этому изменение магнитного поля Земли и воздействие на космические лучи корпускулярных потоков, испускаемых Солнцем, изменяет не только число частиц, обладающих малой энергией, но и число частиц с большой энергией.

Для того чтобы выяснить природу изменений, которые происходят с космическими лучами, необходимо не только установить факт возрастания или уменьшения интенсивности космических лучей, но и определить, как изменилось число частиц различных энергий. Двигаясь со скоростью 8 километров в секунду, спутник за очень короткий промежуток времени переходит с одной широты на другую. Таким образом, с помощью измерения космических лучей на спутнике можно определить широтный эффект этого излучения и тем самым распределение частиц этого излучения по энергиям. Особенно существенно то, что такие измерения проводятся большое число раз. Поэтому с помощью спутника можно следить не только за изменением интенсивности космического излучения, но и за изменениями его состава.

Рис. 5. Аппаратура для изучения космических лучей

Частицы, входящие в состав космического излучения, регистрируются на спутнике с помощью счетчиков заряженных частиц. При прохождении сквозь счетчик электрически заряженной частицы возникает искра, дающая импульс на радиотехническую схему на полупроводниковых триодах, назначение которой состоит в том, чтобы сосчитать число частиц космических лучей и дать сигнал тогда, когда сосчитано определенное число частиц. После передачи по радио сигналов о том, что сосчитано определенное число частиц, снова производится регистрация частиц космического излучения, и после того, как сосчитано то же число частиц, подается новый сигнал. Разделив число зарегистрированных частиц на время, в течение которого они были сосчитаны, можно получить число частиц, проходящих через счетчик в секунду, или интенсивность космических лучей. На спутнике установлены два одинаковых прибора для регистрации заряженных частиц. Оси счетчиков обоих приборов расположены во взаимно перпендикулярных направлениях.

Предварительная обработка данных о космических лучах, переданных со спутника, показала, что оба прибора функционировали нормально. Отчетливо выявилась зависимость числа частиц космического излучения от геомагнитной широты. Обработка большого числа измерений энергетического спектра первичных космических частиц дает возможность исследовать изменения этого спектра со временем и сопоставить с теми процессами, которые происходили в это время в окружающем нас мировом пространстве.

С целью изучения ряда медико-биологических вопросов на спутнике были помещены специальная герметическая кабина с подопытным животным (собакой по кличке «Лайка»), измерительная аппаратура для исследования физиологических функций животного, а также оборудование для регенерации воздуха, кормления животного и удаления продуктов его жизнедеятельности. При конструировании оборудования были учтены требования строжайшей экономии объема и веса приборов при минимальном потреблении ими электрической энергии.

Функционируя в течение длительного времени, аппаратура обеспечивает с помощью радиотелеметрической системы регистрацию частоты пульса и дыхания животного, величины его артериального кровяного давления и биопотенциалов сердца, температуры, давления воздуха в кабине и др.

Для регенерации воздуха в кабине и поддержания необходимого газового состава были применены высокоактивные химические соединения, выделяющие необходимый для дыхания животного кислород и поглощающие углекислоту и избыток водяных паров. Количество вещества, участвующего в химических реакциях, регулировалось автоматически. В связи с отсутствием конвекции воздуха в условиях невесомости в кабине животного была создана система принудительной вентиляции. Поддержание температуры воздуха в кабине в определенных пределах осуществлялось терморегулирующей системой. Для обеспечения животного в полете пищей и водой в контейнере имеется приспособление для кормления животного.

Отправленная на спутнике собака Лайка прошла предварительную тренировку. Животное постепенно приучалось к длительному пребыванию в герметической кабине малого объема в специальной одежде, к датчикам, укрепленным на различных участках тела для регистрации физиологических функций и т. д. Проводилась тренировка собаки к действию перегрузок. На лабораторных стендах определялась устойчивость животного к действию вибрации и некоторым другим факторам. В результате длительной тренировки животное в течение нескольких недель спокойно переносило пребывание в герметической кабине, что обеспечило возможность проведения необходимых научных исследований.

Рис. 6. Собака Лайка в герметической кабине перед установкой на спутник

Изучение биологических явлений при полете живого организма в космическом пространстве стало возможным благодаря предварительным обширным исследованиям на животных в кратковременных полетах на ракетах до высоты 100—200 километров, которые проводились в СССР на протяжении ряда лет.

В отличие от прежних исследований полет животного на спутнике позволяет изучить длительное действие невесомости. До сих пор влияние невесомости могло изучаться на самолетах в течение нескольких секунд и при вертикальном пуске ракет — в пределах минут. Полет на спутнике позволяет исследовать состояние организма животного в условиях невесомости, продолжающейся несколько дней.

Экспериментальные данные, полученные при выполнении программы медико-биологических исследований, в настоящее время подробно и тщательно изучаются. Уже сейчас можно сказать, что подопытное животное хорошо перенесло длительное воздействие ускорений при выходе спутника на орбиту и последующее состояние невесомости, продолжавшееся несколько дней. Полученные данные показывают, что состояние животного в течение всего опыта оставалось удовлетворительным.

Нет сомнения в том. что проведенные исследования явятся значительным вкладом в дело успешного освоения предстоящих межпланетных полетов и послужат основой для разработки средств, обеспечивающих безопасность полета человека в космическом пространстве.

Запуск в Советском Союзе первых двух искусственных спутников Земли представляет собой существенный вклад в изучение верхних слоев атмосферы и расширяет границы познания Человеком окружающей его Вселенной. Вместе с тем это свидетельствует о высоком научно-техническом уровне нашей страны и позволяет предвидеть то время, когда все околосолнечное пространство будет доступно непосредственному исследованию Человеком.

«Правда», 13 ноября 1957 г.

4 октября 1957 года впервые в истории человечества был осуществлен грандиозный научный эксперимент — произведен запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Трудом и творческим гением советских людей впервые было создано искусственное космическое тело. 3 ноября 1957 года был запущен второй советский искусственный спутник Земли. Спутники были оснащены разнообразной научной аппаратурой.

Успешный запуск первых искусственных спутников Земли знаменует собой начало проникновения человека в космическое пространство. Искусственные спутники открывают самые широкие перспективы для осуществления целого ряда важнейших научных исследований. Огромный научный и практический интерес представляет изучение ионосферы и механизма ее образования, воздействия излучений Солнца и космических лучей на атмосферу Земли, изучение плотности, температуры, магнитного и электростатических полей на больших высотах и т. д.

Решение этих проблем требует постановки прямых экспериментов на высотах в сотни и тысячи километров от поверхности нашей планеты. Возможность осуществления таких экспериментов появилась с созданием искусственных спутников, которые позволяют проводить необходимые научные измерения на больших высотах над различными областями земного шара в течение длительного времени.

Хотя значение искусственных спутников для научных исследований было известно уже давно, запуск спутника до последнего времени являлся неразрешимой задачей. При этом основной трудностью было создание ракеты, способной сообщить спутнику космическую скорость порядка 8000 метров в секунду.

Только после создания в Советском Союзе межконтинентальной баллистической ракеты удалось впервые осуществить запуск искусственного спутника Земли. Превосходные конструктивные качества этой ракеты позволили вывести на орбиту спутники с большим весом научной аппаратуры. Как известно, вес первого советского спутника составлял 83,6 килограмма, а научная и измерительная аппаратура с источниками питания на втором советском спутнике имела вес 508,3 килограмма.

Запуск искусственных спутников Земли со столь большим весом аппаратуры позволяет осуществлять целый комплекс научных исследований, одновременное проведение которых намного повышает их научную ценность. Только на пути разработок больших искусственных спутников можно решить проблему создания постоянно действующих космических лабораторий и осуществления межпланетных полетов.

Научные задачи, которые ставились при запуске первых спутников, определили параметры их орбиты. Первый советский искусственный спутник был выведен на орбиту с высотой перигея (наиболее близкой к Земле точки орбиты) 228 километров и высотой апогея (наиболее удаленной от поверхности Земли точки орбиты) 947 километров. Для второго спутника эти величины были соответственно равны 225 километрам и 1671 километру. Период обращения вокруг Земли в начале движения составлял для первого спутника 96,17 минуты и для второго —103,75 минуты.

При движении спутников по орбитам в указанном диапазоне высот можно было провести ряд опытов по изучению верхней атмосферы (определение плотности атмосферы, изучение распространения радиоволн и т. д.). С другой стороны, на этих высотах плотность атмосферы достаточно мала и потому не искажает измерения первичной компоненты космического излучения, спектра коротковолнового излучения Солнца и т. п.

Научные задачи определили также выбор величины наклонения орбиты к плоскости земного экватора, равной примерно 65 градусам. Преимущество такой орбиты заключается в том, что при полете спутника научная аппаратура, установленная на нем, может производить измерения над различными широтами. Следует отметить, что выведение спутника на орбиту с большим углом наклонения к плоскости экватора является более сложной задачей, чем выведение его на орбиту, близкую к экваториальной.

За время своего существования — с 4 октября 1957 года по 4 января 1958 года — первый советский спутник совершил порядка 1400 оборотов вокруг Земли. Второй спутник с 3 ноября 1957 года по 14 апреля 1958 года совершил около 2370 оборотов.

С помощью первых советских искусственных спутников была успешно осуществлена намеченная программа научных исследований. Ниже излагаются некоторые предварительные итоги этих исследований). В целом накопленный материал весьма обширен, и работа над ним продолжается.

Поскольку анализ изменения орбиты спутника по времени позволяет оценить плотность верхних слоев атмосферы, большое значение имеют исследования движения спутников. Элементы орбиты спутников могут быть определены на основании наблюдений за ними, проводимых радиотехническими и оптическими методами.

В числе радиотехнических методов применялись радиопеленгация и наблюдения допплеровского эффекта при приеме радиосигналов спутника. Эффект Допплера заключается в том, что при приближении объекта, на котором установлен радиопередатчик, к радиоприемному пункту частота принимаемых сигналов повышается, а при удалении от него — понижается. Изменение частоты зависит от скорости удаления или приближения. В условиях полета спутника скорости сближения и удаления по отношению к неподвижному наземному радиоприемному пункту настолько велики, что эффект Допплера можно не только наблюдать на обычном радиоприемнике, но и использовать для регистрации момента прохождения спутника на ближайшем расстоянии от пункта наблюдения, а также для определения расстояния до спутника и его скорости.

При радионаблюдениях за сигналами первого и второго спутников производились измерения частоты принимаемых радиосигналов, для чего применялись специальная радиоаппаратура и печатающий хронограф.

С целью повышения точности измерений наблюдения велись за сигналами на частоте 40 мегагерц, которые в меньшей степени подвержены влиянию ионосферы. Мощность излучения передатчиков обеспечивала уверенный прием сигналов в пределах всей зоны прямой видимости. Всего в течение суток можно было наблюдать 6—7 последовательных прохождений спутника над наземными станциями.

Для обработки принятых радиосигналов был разработан метод, позволяющий определять момент прохождения спутника на наименьшем расстоянии от пункта наблюдения с точностью до 0,1—0,2 секунды.

Проведенные наблюдения показывают, что эффект Допплера с успехом может использоваться для определения параметров орбиты спутников. Достоинством этого метода является простота и надежность аппаратуры. При повышении частоты передатчика, установленного на спутнике, и при использовании схем автоматического измерения частоты ошибки метода могут быть существенно снижены.

Наиболее простые оптические наблюдения за спутником заключались в регистрации момента его прохождения над наблюдательными пунктами.

Для более точного определения координат применялись специальные фотокинотеодолиты, а для получения фотографий со следом спутника использовались модернизированные аэрофотосъемочные камеры. Отметки времени при фотографировании делались с помощью ряда последовательных открываний и закрываний затвора с регистрацией времени этих операций фотоэлектрическим способом. Таким образом, на фотографии получался прерывистый след спутника. При использовании таких камер получена высокая точность.

При наблюдении искусственных спутников Земли была отработана методика их фотографирования с помощью высокочувствительных средств. Среди них особенно многообещающим оказалось применение электронно-оптических преобразователей. Новый метод позволяет обеспечить наблюдения за спутниками без использования больших оптических систем, что-значительно упрощает средства наблюдения.

Плотность и температура воздуха — важнейшие характеристики атмосферы. Определение их на больших высотах вплоть до границы атмосферы существенно для понимания ряда геофизических явлений. Например, температура влияет на степень ионизации атмосферы, которая в свою очередь сказывается на распространении радиоволны. Движение метеоритов и корпускулярных потоков в атмосфере зависит от ее плотности. Наиболее быстрые атомы и молекулы у границ атмосферы вырываются за ее пределы и уходят в межпланетное пространство. Скорость этого процесса зависит от температуры на больших высотах. Наконец, при запуске искусственных спутников необходимо знать время их существования, для чего также необходимо иметь данные о плотности атмосферы.

На основе ряда косвенных данных (наблюдения полярных сияний, метеоритов и т. п.) возникли представления о верхней атмосфере. Эти наблюдения приводили к выводам об относительно больших величинах плотности и температуры. Позже в результате обобщения ракетных исследований, проведенных за последние годы, и ряда теоретических соображений общепризнанной стала другая точка зрения, согласно которой верхняя атмосфера более холодна и менее плотна, чем предполагалось ранее.

Еще до запуска первых искусственных спутников отмечалась возможность определения плотности и температуры атмосферы из наблюдений за их движением. При движении в атмосфере Земли искусственные спутники испытывают сопротивление. Сила сопротивления пропорциональна плотности атмосферы. В результате тормозящего воздействия атмосферы происходит постепенное снижение высоты орбиты, по которой движется спутник. Это происходит до тех пор, пока спутник, попав в плотные слои атмосферы, не прекращает свое существование.

Плотность атмосферы быстро падает с удалением от поверхности Земли. Поэтому сила сопротивления на различных участках эллиптической орбиты неодинакова. При достаточно вытянутой орбите сила сопротивления в перигее много больше, чем в апогее. Поэтому основное торможение происходит в районе перигея. Такой характер переменного торможения приводит к тому, что уменьшение высоты апогея орбиты происходит значительно быстрее, чем уменьшение высоты ее перигея. Эволюция вытянутой орбиты спутника совершается таким образом, что ее форма постепенно приближается к круговой.

После запуска первых советских спутников оптические наблюдения и радионаблюдения позволили проследить эволюцию их орбит. Так как воздействие атмосферы на спутник на отдельных участках орбиты очень мало, локальное торможение в настоящее время измерить не удается. Из наблюдений за первыми советскими спутниками с точностью, достаточной для уверенного определения плотности атмосферы, измерялись все данные орбиты непосредственно после запуска спутника, а также изменения периодов их обращения от оборота к обороту на протяжении всего срока их жизни.

Скорость изменения периода обращения существенно зависит как от плотности атмосферы в районе перигея, так и от быстроты убывания плотности по высоте. Быстрота уменьшения плотности характеризуется параметром, называемым «высотой однородной атмосферы», которая пропорциональна температуре атмосферы и обратно пропорциональна ее молекулярному весу.

На основании теоретического анализа результатов наблюдений удалось уверенно определить значение произведения плотности атмосферы на корень квадратный из «высоты однородной атмосферы» на высотах перигея первых спутников (225—228 километров). При определенных предположениях о величине «высоты однородной атмосферы» были вычислены и значения плотности. В результате оказалось, что полученное значение плотности в пять — десять раз превосходит величины, указанные для этих высот в ряде моделей атмосферы, построенных на основании ракетных измерений до запуска спутников. Следует отметить, что определение плотности по изучению чисто механического воздействия атмосферы на спутник весьма точно.

Атмосфера Земли над различными областями ее поверхности неодинакова. На одной и той же высоте плотность и температура атмосферы меняются в зависимости от широты и времени суток. Эта зависимость связана с неравномерным нагревом верхней атмосферы ультрафиолетовым, рентгеновским и корпускулярным излучениями Солнца.

В результате того, что гравитационное поле Земли отличается от центрального, орбиты искусственных спутников изменяли свое положение в пространстве. Так, для первых советских спутников угловое расстояние перигея от полуденного меридиана изменялось примерно на 4 градуса, а широта перигея — на 0,35 градуса в сутки.

Поскольку основное воздействие атмосферы происходит в районе перигея орбиты, изменение его положения приводит к изменению величины торможения. Это позволяет оценить величину широтных и суточных изменений состояния атмосферы.

На основании наблюдений первых спутников были проведены расчеты по определению плотности атмосферы с учетом изменения месторасположения перигея орбиты. Расчеты показали, что произведение плотности на корень квадратный из «высоты однородной атмосферы» возрастает при переходе с ночной стороны атмосферы на дневную и достигает своего максимального значения в полуденное время. Анализ торможения также выявил уменьшение этой величины при переходе от более северных областей атмосферы к экваториальным. Следует отметить хорошее согласие значений плотности, вычисленных по результатам наблюдений первого и второго спутников и ракеты-носителя первого спутника.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что температура атмосферы на высотах порядка 225 километров больше, чем это предполагалось прежде на основании теоретических соображений. Обнаружение высокой температуры атмосферы ставит перед геофизиками проблему источников энергии ее мощного разогревания. Известные «жесткое» ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца едва ли будут достаточны для этой цели. Сейчас можно строить лишь различные гипотезы по этому поводу. Например, можно предположить, что верхняя атмосфера полярных районов интенсивно разогревается корпускулярным излучением Солнца. Возможно, что вообще вся верхняя атмосфера дополнительно разогревается или инфразвуковыми волнами, приходящими из тропосферы, или электрическими токами, возникающими в электропроводящем ионизированном воздухе в результате его движения в магнитном поле Земли.

Дальнейшее изучение верхней атмосферы с помощью ракет и искусственных спутников Земли позволит получить окончательный ответ на все эти интересные и важные вопросы.

Наблюдения за радиосигналами первых искусственных спутников Земли позволили получить новые данные по внешней части ионосферы, т. е. области ее, лежащей выше 300—400 километров. Ионосфера — это верхняя часть атмосферы, содержащая значительное количество свободных заряженных частиц (электронов и ионов). При прохождении радиоволн через ионосферные слои имеют место явления их отражения, частичного и полного поглощения и искривления путей их распространения. Поэтому радиометоды стали наиболее эффективным средством исследования верхних слоев атмосферы,

Одним из основных параметров, характеризующих состояние ионосферы, является величина электронной концентрации, т. е. содержание свободных электронов в одном кубическом сантиметре. До сих пор электронная концентрация измерялась от нижних слоев ионосферы до высоты в 300—400 километров, где электронная концентрация имеет так называемый главный максимум.

Эти измерения проводились главным образом наземными ионосферными станциями, излучающими короткие импульсные радиосигналы различной частоты и принимающими их отражения от отдельных слоев ионосферы.

В результате систематических измерений было установлено, что высота главного максимума ионосферы и ее электронная концентрация изменяются ото дня к ночи, от сезона к сезону, при переходе от севера на юг, с востока на запад. Наибольшее значение электронной концентрации, которая наблюдалась на средних широтах, достигало двух—трех миллионов электронов в кубическом сантиметре. При этом начиная с высот в 100—110 километров до высот в 300—400 километров электронная концентрация возрастает в среднем в 10—15 раз.

Весьма важно знать, как изменяется электронная концентрация выше главного максимума, т. е. во внешней части ионосферы. Это необходимо, в частности, для понимания взаимодействия ультрафиолетового излучения Солнца с атмосферой, изучения условий распространения радиоволн и других процессов, происходящих в ионосфере. Однако изучение внешних слоев ионосферы по наблюдению отраженных от них радиосигналов невозможно, так как радиоволны, излучаемые с Земли, либо полностью отражаются нижними слоями, либо проходят в космическое пространство. Некоторые сведения о внешней ионосфере можно получить, изучая принимаемые на Земле радиоизлучения Солнца и звезд, а также радиосигналы, отраженные от Луны.

Наблюдения за распространением радиоволн различных частот, излучаемых со спутников на различных высотах, являются новым средством изучения внешней ионосферы.

При приеме радиосигналов первых искусственных спутников на частоте в 40 мегагерц в ряде случаев можно было в чистом виде наблюдать «радиозаход» и «радиовосход» спутника и фиксировать соответствующие им моменты времени. В отличие от оптического восхода или захода спутника, которые характеризуются тем, что в этот момент световой луч, идущий от спутника до наблюдателя, представляет собой прямую линию, при «радиовосходе» или «радиозаходе» радиолуч искривляется в ионосфере. Из-за этого «радиозаход» наступает позднее, чем оптический заход, и соответственно «радиовосход» опережает оптический восход. Различие во времени оптического восхода и «радиовосхода» (или оптического захода и «радиозахода») позволяет определить величину искривления радиолуча. Поскольку искривление радиолуча в ионосфере зависит от изменения электронной концентрации с высотой, постольку можно, задавшись некоторым законом изменения электронной концентрации, теоретически рассчитать ее величину на различных высотах. При этом влияние нижних слоев ионосферы может быть учтено на основании непосредственных измерений, проводимых сетью наземных станций.

Данные, которые были получены в результате наблюдений за радиосигналами первых искусственных спутников Земли, позволяют считать, что величина электронной концентрации во внешней ионосфере (выше главного максимума) падает с высотой в 5—6 раз медленнее, чем она растет ниже максимума. Так, начиная с высоты в 100 километров до высоты в 300 километров электронная концентрация возрастала в период наблюдений (в октябре) примерно в десять раз, а с высоты 300 километров до высоты в 500 километров она уменьшалась в два раза.

Следует отметить, что аналогичное изменение электронной концентрации с высотой было зарегистрировано также при запуске советской высотной ракеты, о чем сообщалось в газете «Правда». В этом опыте на высоте 473 километра электронная концентрация была порядка одного миллиона электронов в кубическом сантиметре.

Для исследования космического излучения на втором искусственном спутнике были установлены два прибора, регистрировавшие число частиц этого излучения. При своем движении вокруг Земли спутник пролетал на различных расстояниях от ее поверхности. Поэтому измерения космических лучей на спутнике позволили выявить зависимость числа частиц от высоты. Как показала обработка полученных материалов, от минимальной высоты орбиты (225 километров) до высоты в 700 километров наблюдается возрастание интенсивности космического излучения примерно на 40 процентов. Это возрастание обусловлено прежде всего тем обстоятельством, что по мере увеличения высоты уменьшается экранирующее действие Земли, и космические лучи получают возможность достигнуть прибора по большему числу различных направлений.

Магнитное поле Земли также создает препятствие для попадания космического излучения на Землю. Отклонение в магнитном поле Земли частиц космических лучей приводит к тому, что каждого пункта земной поверхности по определенному направлению могут достичь лишь частицы, энергии которых выше определенного значения. Естественно, что чем больше мы удаляемся от Земли, тем слабее становится магнитное поле и тем меньше действует оно на космические лучи. Расчеты показывают, что измеренное при полете спутника возрастание интенсивности космических лучей с высотой можно объяснить указанными выше причинами.

При изучении космических лучей с помощью аппаратуры, установленной на спутнике, может быть получена также зависимость интенсивности космических лучей от широты и долготы. Это позволяет получить новые сведения о магнитном поле Земли. Измерения магнитного поля на поверхности Земли дают возможность составить представление о характере земного магнетизма и предсказать, какое магнитное поле должно иметь место на больших расстояниях от Земли. Исходя из этого, может быть рассчитано ожидаемое распределение интенсивности космических лучей по поверхности Земли. В частности, можно указать линии постоянной интенсивности космических лучей (изокосмы). Измерения космических лучей, проведенные во время полета спутника, показали, что полученные из опыта и рассчитанные на основе теории линии постоянной интенсивности существенно расходятся. Этот результат хорошо гармонирует с выводами американского физика Симпсона, организовавшего большую серию полетов высотных самолетов в экваториальных районах. Они показали, что экватор, найденный с помощью космических лучей, не совпадает с геомагнитным экватором.

Следовательно, имеется значительное расхождение между характеристиками земного магнитного поля, полученными, с одной стороны, с помощью космических лучей и, с другой стороны, путем измерения магнитного поля на поверхности Земли. Эти расхождения объясняются тем обстоятельством, что траектории движения космических лучей определяются магнитным полем на очень больших высотах, в то время как непосредственные измерения характеризуют магнитное поле вблизи поверхности Земли. Космические лучи позволяют «прощупывать» земное магнитное поле на больших расстояниях от Земли, что создает возможность нового подхода к изучению магнитного поля Земли и системы электрических токов в верхней атмосфере.

Наблюдения космических лучей на спутнике позволили также зарегистрировать колебания (вариации) интенсивности этого излучения. Эти вариации, по-видимому, связаны с состоянием межпланетной среды вблизи Земли. Был зарегистрирован один случай резкого возрастания (на 50 процентов) числа частиц космического излучения. Вместе с тем наземные станции не обнаружили в это время существенного увеличения интенсивности космического излучения. В настоящее время производится детальное изучение этого события. Возможно, что оно вызвано генерацией на Солнце частиц космических лучей малых энергий (сильно поглощаемых атмосферой Земли) или попаданием спутника в потоки электронов высокой энергии (связанные с корпускулярным излучением Солнца). Такие явления не могли быть до сих пор зарегистрированы, поскольку приборы для длительного наблюдения космических лучей были расположены лишь на поверхности Земли. Искусственные спутники Земли впервые позволяют со всей полнотой исследовать первичное космическое излучение.

На протяжении последнего десятилетия советские ученые осуществили большое число биологических экспериментов в верхних слоях атмосферы. С помощью ракет подопытные животные поднимались на высоты в несколько сот километров. Полученные данные позволили приблизиться к выявлению природы биологических явлений, возникающих в условиях, близких к полету в космическом пространстве. Стало доступным непосредственное экспериментальное изучение влияния на живой организм таких факторов, которые не могли быть воспроизведены в условиях Земли. Однако только на спутнике оказалось возможным осуществить биологический эксперимент в условиях космического полета. Прежде всего это касается изучения влияния на живой организм длительной невесомости, первичной космической радиации, некоторых видов солнечного излучения и других факторов.

Данные, полученные при проведении программы медико-биологических исследований на втором искусственном спутнике, имеют большую ценность. На этом спутнике, как известно, совершила космический полет использованная в качестве подопытного животного собака Лайка.

Большой интерес представляет поведение и состояние подопытного животного на наиболее трудном, с биологической точки зрения, этапе полета спутника — при его запуске и переходе к движению по орбите. Движение спутника на участке выведения было ускоренным, причем величина ускорения во много раз превышала ускорение силы тяжести на земной поверхности. Кажущийся вес животного при этом возрастал соответственно величине ускорения.

Во время выведения на орбиту животное располагалось на спутнике таким образом, чтобы ускорение действовало по направлению от груди к спине. Перегрузка в этом случае прижимала животное к полу кабины. Такое расположение животного было выбрано потому, что оно является одним из наиболее благоприятных для организма. На участке выведения одновременно с ускорением на животное оказывали влияние вибрации и шум работавшего двигателя ракеты.

Поведение и состояние животного при выведении спутника на орбиту зарегистрировано достаточно полно. На основании полученной информации можно установить, что лишь до определенной величины ускорения животное противостояло возрастанию кажущегося веса тела и сохраняло свободу движений головой и туловищем. Затем оно оказалось прижатым к полу кабины и сколько-нибудь заметных движений зарегистрировано не было. Расшифровка данных, полученных со спутника, показала, что сразу после старта частота сердечных сокращений возросла по сравнению с исходной примерно в три раза. Анализ записей биотоков сердца (электрокардиограммы) не обнаружил каких-либо болезненных признаков. Отмечалась типичная картина учащения сердцебиения, так называемая синусовая тахикардия. В дальнейшем, когда действие ускорений не только продолжалось, но и нарастало, частота сердцебиений уменьшилась.

Легко представить себе, что по мере увеличения кажущегося веса животного дыхательные движения грудной клетки затруднялись, дыхание становилось более поверхностным и частым. Действительно, записи телеметрических сигналов показали, что при выведении спутника на орбиту частота дыхания животного превышала исходную в 3—4 раза.

Имеются основания полагать, что изменения, отмеченные в состоянии физиологических функций животного, обязаны своим происхождением внезапному действию на организм достаточно сильных внешних раздражителей: ускорения, шума и вибраций, которые возникли при старте и продолжались на участке выведения. Анализ и сопоставление полученных данных с результатами предшествующих лабораторных опытов позволяют утверждать, что полет от старта до выхода на орбиту животное перенесло вполне удовлетворительно.

После выведения спутника на орбиту центробежная сила, действовавшая на спутник, уравновесила силу земного тяготения, и наступило состояние невесомости. В этих условиях тело животного перестало давить на пол кабины и за счет сокращения мышц конечностей легко отталкивалось от него. Судя по имеющимся записям, эти движения были непродолжительными и достаточно плавными.

В связи с тем, что грудная клетка животного больше не испытывала сдавливания под влиянием повышенного веса, частота дыхания понизилась. После очень короткого периода учащения сердцебиения частота сердечных сокращений продолжала последовательно уменьшаться и приближаться к исходной величине. Однако время, в течение которого число сердцебиений достигло исходного уровня, оказалось примерно в три раза больше, чем в лабораторных опытах, в которых животные подвергались действию таких же ускорений, как при выведении спутника на орбиту.

По всей вероятности, это связано с тем, что после прекращения действия ускорения в наземных опытах животное оказывалось в нормальных условиях, в то время как на спутнике ускоренное движение сменилось состоянием полной невесомости. В состоянии невесомости чувствительные нервные образования животного, сигнализирующие о положении тела в пространстве, не испытывали достаточного влияния внешних раздражителей. Это обусловливало изменение функционального состояния нервной системы, регулирующей кровообращение и дыхание, и определило некоторое удлинение времени нормализации этих функций после прекращения действия ускорения.

Возможно также, что указанное явление было несколько усилена действием сопутствующих факторов при подъеме — вибрациями и шумом, интенсивность которых была выше, чем в лабораторных опытах.

Следует отметить, что изменения физиологических функций, зарегистрированные у животного в начале движения спутника по орбите, в основном совпадают с результатами предыдущих исследований на высотных ракетах.

Анализ зарегистрированной в состоянии невесомости электрокардиограммы выявил некоторые изменения конфигурации ее элементов и продолжительности отдельных интервалов. Отмеченные изменения не носили патологического характера и были связаны с повышенной функциональной нагрузкой в период, предшествующий состоянию невесомости. Картина электрокардиограммы отражала переходящие нервно-рефлекторные сдвиги в регуляции сердечной деятельности. В последующем периоде наблюдалось все большее приближение картины электрокардиограммы к той, которая была характерна для исходного состояния животного. Несмотря на необычное состояние невесомости, двигательная активность животного была умеренной.

Нормализация функциональных показателей кровообращения и дыхания в период невесомости, т. е. в период движения спутника по орбите, очевидно, свидетельствует о том, что этот фактор сам по себе не вызвал каких-либо существенных и стойких изменений состояния физиологических функций животного. Таким образом, можно сказать, что не только период выведения спутника на орбиту, но и условия, имевшие место при движении по орбите, животное перенесло удовлетворительно.

В обеспечении условий, необходимых для нормальной жизнедеятельности животного в продолжительном полете на искусственном спутнике, наиболее важную роль играет создание подходящей газовой среды, состав и давление которой не вызывали бы нарушений физиологических функций животного. Эта задача могла быть решена только путем применения герметической кабины, в которой с помощью регенерации воздуха поддерживалось нормальное атмосферное давление с содержанием кислорода в пределах 20—40 процентов и углекислого газа не выше одного процента. В качестве регенерационных веществ были применены специальные высокоактивные химические соединения, которые, поглощая водяные пары и углекислоту, выделяли кислород. Эти химические соединения поглощали и такие вредные газы, образующиеся в процессе жизнедеятельности животного, как, например, аммиак. Анализ полученных данных показал, что кислород выделялся в достаточном количестве. Тот факт, что давление в кабине не снижалось, свидетельствует о ее надежной герметичности.

Сколько-нибудь определенного суждения о воздействии космической радиации на подопытное животное составить не удалось. Явный физиологический эффект ее действия непосредственно не был обнаружен. Для детального изучения этого вопроса нужно тщательное и длительное исследование животного после полета, что предполагается провести при дальнейших опытах.

Первая оценка полученных результатов со всей очевидностью показывает, что условия космического полета переносятся животным удовлетворительно. Положительный в этом смысле итог экспериментов позволяет с еще большей настойчивостью продолжать и расширять исследования, целью которых является обеспечение безопасности для здоровья и жизни человека в космическом полете.

Приведенные в данной статье предварительные итоги будут опубликованы в ближайшее время в виде научных статей в различных журналах.

Продолжается изучение богатого научного материала, полученного на первых советских искусственных спутниках Земли как в опытах, описанных в этой статье, так и в других опытах, осуществленных на первых спутниках.

Успешным запуском искусственных спутников Земли ученые впервые получили средство для непосредственного исследования верхних слоев атмосферы и космического пространства. Последующие запуски спутников в течение Международного геофизического года позволят расширить число важнейших научных опытов, проводимых в космическом пространстве, и еще глубже понять многие процессы, происходящие в верхней атмосфере и космосе.

«Правда», 27 апреля 1958 г.