В соответствии с программой Международного геофизического года в Советском Союзе 15 мая 1958 года произведен запуск третьего искусственного спутника Земли.

Целью запуска искусственного спутника является проведение научных исследований в верхних слоях атмосферы и космическом пространстве.

Спутник вышел на орбиту, имеющую наклон к плоскости экватора 65 градусов.

По первоначальным данным, наибольшая высота орбиты над поверхностью Земли — 1880 километров, время обращения спутника вокруг Земли — 106 минут.

Спутник был отделен от ракеты-носителя, которая движется по близкой орбите.

В 13 часов 41 минуту по московскому времени 15 мая третий спутник прошел в районе города Москвы в направлении с юго-запада на северо-восток.

Третий советский искусственный спутник Земли имеет конусообразную форму с диаметром основания 1,73 метра и высотой 3,57 метра без учета размеров выступающих антенн.

Вес спутника — 1327 килограммов, в том числе вес аппаратуры для проведения научных исследований, радиоизмерительной аппаратуры и источников питания — 968 килограммов.

На спутнике установлена аппаратура, позволяющая на всей орбите проводить исследования:

— давления и состава атмосферы в верхних слоях,

— концентрации положительных ионов,

— величины электрического заряда спутника и напряженности электростатического поля Земли,

— напряженности магнитного поля Земли,

— интенсивности корпускулярного излучения Солнца,

— состава и вариаций первичного космического излучения, распределения фотонов и тяжелых ядер в космических лучах,

— микрометеоров,

— температуры внутри и на поверхности спутника.

Намеченная программа позволит изучить ряд геофизических и физических проблем с помощью приборов, поднятых спутником на большие высоты.

Для передачи данных научных наблюдений на наземные регистрирующие станции на спутнике установлена многоканальная телеметрическая система с высокой разрешающей способностью. Спутник снабжен специальными передающими устройствами, позволяющими производить замеры координат его траектории.

С целью привлечения широких кругов научной общественности мира к наблюдению за третьим советским искусственным спутником Земли на его борту установлен радиопередатчик, непрерывно излучающий на частоте 20,005 мегагерц телеграфные посылки длительностью 150—300 миллисекунд, с большой мощностью излучения.

Работа научной и радиотехнической аппаратуры, установленной на спутнике, управляется с помощью программного устройства. Наряду с электрохимическими источниками тока на спутнике установлены солнечные батареи.

Температурный режим, необходимый для нормального функционирования бортовой аппаратуры спутника, обеспечивается системой терморегулирования, меняющей с помощью специальных устройств коэффициенты излучения и отражения поверхности.

Наблюдения за спутником, прием с него научной информации и измерение координат его траектории осуществляются специально созданными научными станциями, оборудованными большим количеством радиотехнических и оптических средств. Данные о координатах спутника, получаемых с радиолокационных станций, автоматически преобразуются, привязываются к единому астрономическому времени и направляются по линиям связи в координационно-вычислительный центр.

Поступающая в вычислительный центр с различных научных станций измерительная информация автоматически вводится в быстродействующие электронные счетные машины, которые производят определение основных параметров орбиты спутника и расчет его эфемерид. В наблюдениях за спутником участвует большое количество оптических наблюдательных пунктов, астрономических обсерваторий, радиоклубов и радиолюбителей.

Спутник и ракета-носитель будут видны в лучах восходящего и заходящего Солнца.

Третий советский искусственный спутник Земли — новый этап в проведении широких научных исследований в верхних слоях атмосферы и в изучении космического пространства — крупный вклад советских ученых в мировую науку.

«Правда», 16 мая 1958 г.

15 мая 1958 года осуществлен запуск третьего советского искусственного спутника Земли. Он был выведен на орбиту с помощью мощной ракеты-носителя. После того как ракета-носитель со спутником достигла на заданной траектории полета скорости свыше 8000 метров в секунду, спутник с помощью специальных устройств был отделен от ракеты-носителя и начал двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли. При отделении спутника от ракеты-носителя с него были сброшены защитный конус и защитные щитки. Ракета-носитель с защитными щитками и защитный конус движутся по орбитам, близким к орбите спутника.

По своим данным третий советский спутник намного превосходит первые искусственные спутники Земли.

Вес спутника равен 1327 килограмм, а общий вес установленной на нем научной и измерительной аппаратуры вместе с источниками питания составляет 968 килограммов.

Спутник имеет форму, близкую к конусу. Длина спутника — 3,57 метра, наибольший диаметр —1.73 метра, без учета выступающих антенн. На спутнике установлено большое число систем для проведения сложнейших научных опытов. Опыты предназначены в основном для изучения явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы, и влияния космических факторов на процессы в верхней атмосфере.

Спутник оснащен совершенной измерительной радиотехнической аппаратурой, обеспечивающей точное измерение его движения по орбите, и радиотелеметрической аппаратурой, производящей непрерывную регистрацию результатов научных измерений, их «запоминание» во все время движения спутника и передачу их на Землю при пролете спутника над специальными станциями, расположенными на территории СССР и производящими прием накопленной информации. На спутнике имеется программное устройство, обеспечивающее автоматическое функционирование его научной и измерительной аппаратуры. Это программное устройство полностью выполнено на полупроводниках. Кроме того, вся измерительная, научная и радиотехническая аппаратура осуществлена с широким применением новых полупроводниковых элементов. Общее число полупроводниковых элементов на борту спутника составляет несколько тысяч. Энергопитание аппаратуры обеспечивается наиболее совершенными электрохимическими источниками тока и полупроводниковыми кремниевыми батареями, преобразующими энергию солнечных лучей в электрическую энергию.

Большой вес третьего советского спутника свидетельствует о высоких качествах ракеты-носителя, которая вывела его на орбиту. Вес первого советского спутника был равен 83,6 килограмма. Вес научной измерительной аппаратуры второго спутника составлял 508,3 килограмма. Третий спутник имеет вес 1327 килограммов. Общий вес установленной на нем аппаратуры для научных исследований, радиоизмерительной аппаратуры вместе с источниками питания составляет 968 килограммов.

Непрерывное возрастание веса советских спутников свидетельствует о дальнейших возможностях нашей ракетной техники. Уже сейчас имеется возможность запустить ракету в космос, за пределы земного тяготения. Для того чтобы это имело научное значение и было реальным шагом к осуществлению межпланетных полетов, необходимо, чтобы такая космическая ракета была достаточно богато оснащена научной и измерительной аппаратурой и в результате ее запуска были получены новые сведения о физических явлениях во Вселенной и об условиях космического полета.

Научная аппаратура, размещенная на третьем советском спутнике, позволит изучить широкий круг геофизических и физических проблем. Структура ионосферы будет изучаться посредством наблюдения за распространением радиоволн, излучаемых со спутника радиопередатчиком большой мощности. Наряду с этим установлена аппаратура для непосредственного замера концентрации положительных ионов вдоль орбиты спутника. Специальная аппаратура позволяет измерить собственный электрический заряд спутника и электростатические поля в слоях атмосферы, проходимых спутником. Проводятся измерения плотности и давления в верхних слоях атмосферы. Размещенный на спутнике масс-спектрометр позволит определить спектр ионов, характеризующих химический состав атмосферы.

Для изучения магнитного поля Земли на больших высотах установлен самоориентирующийся магнитометр, измеряющий полную интенсивность магнитного поля.

Ряд опытов посвящен изучению различных излучений, падающих на Землю и оказывающих влияние на важные процессы в верхних слоях атмосферы. На спутнике проводится изучение космических лучей и корпускулярного излучения Солнца. Регистрация интенсивности космических лучей, производимая почти по всей поверхности земного шара, даст новые сведения о космическом излучении и о магнитном поле Земли на больших высотах. Ставятся опыты по определению количества тяжелых ядер в космическом излучении. Опыты по корпускулярному излучению Солнца прольют новый свет на природу ионосферы, полярных сияний и других явлений в атмосфере. Несколько датчиков будут регистрировать удары микрометеоров.

Весьма важен новый опыт по регистрации фотонов в составе космического излучения, который позволит получить сведения о коротковолновом электромагнитном излучении в космосе. Это первый опыт, позволяющий изучать космическое излучение, поглощаемое атмосферой, и первый шаг в открытии нового этапа астрономии — изучения явлений во Вселенной по коротковолновым излучениям светил. Ряд экспериментов поставлен для исследования условий полета в космическом пространстве. К ним откосятся изучение теплового режима на спутнике, ориентации спутника в. пространстве и другие опыты.

Обилие научных исследований на третьем советском спутнике характеризует его как подлинную космическую научную станцию. Создание такой станции на передовом техническом уровне и размещение столь широкого комплекса аппаратуры стало возможным благодаря тому, что был создан спутник весьма больших размеров.

Траектория спутника будет проходить над всеми точками земного шара, лежащими между Северным и Южным полярными кругами. Это еще больше повышает ценность научных опытов, проводимых на спутнике. Параметры орбиты спутника выбраны таким образом, чтобы обеспечить проведение научных исследований в наиболее интересном диапазоне высот.

Третий советский искусственный спутник Земли выведен на эллиптическую орбиту с высотой апогея (наивысшей точки орбиты от поверхности Земли) 1880 километров. После выведения на орбиту спутник был отделен от ракеты-носителя. Период обращения его вокруг Земли в начале движения составлял 105,95 минуты. За сутки он совершает около четырнадцати оборотов по орбите. Впоследствии период обращения и высота апогея орбиты будут постепенно уменьшаться из-за торможения спутника в верхних слоях атмосферы. По предварительным оценкам, движение третьего спутника на орбите будет более продолжительным, чем движение первых двух советских спутников Земли. Плоскость орбиты наклонена к плоскости земного экватора под углом 65°.

Ракета-носитель непосредственно после выведения двигалась по орбите, близкой к орбите спутника, на сравнительно небольшом от него расстоянии. С течением времени расстояние между спутником и ракетой-носителем будет непрерывно изменяться в связи с различной степенью торможения их в атмосфере. Различная степень торможения приведет к тому, что продолжительность существования ракеты-носителя будет меньше, чем время существования спутника.

Используя материалы, накопленные при пусках первых советских искусственных спутников, можно будет вскоре после обработки первых результатов измерений параметров орбиты третьего спутника достаточно точно предсказать время его существования.

Движение третьего спутника по отношению к Земле аналогично движению первых советских искусственных спутников. На средних широтах каждый следующий виток из-за вращения Земли и прецессии орбиты проходит западнее предыдущего витка примерно на 1500 километров. Скорость прецессии орбиты составляет около 4 градусов в сутки.

Наблюдения за движением спутника производятся радиотехническими и оптическими методами. Средства и методика наблюдений за третьим спутником значительно усовершенствованы. Спутник снабжен несколькими радиопередающими устройствами, позволяющими производить измерения его координат при движении по орбите. Эти измерения осуществляются рядом специально созданных научных станций, оснащенных большим количеством радиотехнических средств.

Данные о координатах спутника, измеренных радиолокационными устройствами, автоматически привязываются к единому астрономическому времени. Затем по специальным линиям связи эти данные передаются в общий координационно-вычислительный центр. В координационно-вычислительном центре данные измерений, поступившие с различных станций, автоматически вводятся в быстродействующие электронные счетные машины, которые производят их совместную обработку и вычисляют основные параметры орбиты. На основании этих расчетов прогнозируется дальнейшее движение спутника и выдаются его эфемериды.

Такой сложнейший измерительный комплекс, включающий в себя большое количество электронных, радиотехнических и других устройств, обеспечивает измерение координат спутника и быстрое определение параметров его орбиты с точностью, намного превосходящей точность измерений движения первых спутников.

Наряду с этим в радионаблюдениях за спутником принимают участие клубы ДОСААФ, радиопеленгаторные станции и большое число отдельных радиолюбителей. Установленный на спутнике радиопередатчик, работающий на частоте 20,005 мегагерц, осуществляет непрерывную передачу радиосигналов в виде телеграфных посылок длительностью 150—300 миллисекунд. Мощность излучения передатчика обеспечивает уверенный прием его сигналов на больших расстояниях с помощью обычных любительских приемников. Систематическая регистрация этих сигналов и особенно их магнитофонная запись, легко осуществимая для радиолюбителей, будут иметь большое научное значение.

Значительный интерес представляют и радионаблюдения за движением спутника, основанные на использовании эффекта Допплера. Как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, этот метод весьма эффективен и при условии хорошей привязки результатов измерений к астрономическому времени позволит получить точные данные о движении спутника.

При организации оптических наблюдений за движением третьего советского спутника также учтен опыт, полученный при наблюдениях за первыми спутниками. Сеть наземных станций оптического наблюдения расширена, и в нее вошел ряд зарубежных наблюдательных пунктов. Значительно усовершенствованы фотографические методы наблюдения.

Особый интерес представляет применение для фотографирования спутника электронно-оптических преобразователей, позволяющих получить его четкое фотографическое изображение на очень больших расстояниях. Образцы аппаратуры для фотографирования спутников с использованием электронно-оптических преобразователей были успешно испытаны при наблюдениях за вторым спутником.

Третий советский спутник в полном смысле слова является автоматической научной станцией в космосе. Его устройство и конструкция значительно более совершенны, чем конструкция первых спутников. При конструировании спутника был учтен целый ряд специфических требований, связанных с проведением на нем различных научных опытов и размещением большого количества научной и измерительной аппаратуры. Возможность взаимного влияния отдельных научных приборов потребовала тщательной проработки компоновки спутника и размещения чувствительных элементов научной аппаратуры.

Рис. 7. Общий вид третьего советского искусственного спутника Земли

Герметичный корпус спутника имеет коническую форму и изготовлен из алюминиевых сплавов. Поверхность его, как и поверхность первых спутников, полирована и подвергнута специальной обработке с целью придания ей необходимых значений коэффициентов излучения и поглощения солнечной радиации. Съемное заднее днище корпуса крепится к стыковому шпангоуту болтами. Герметичность стыка обеспечивается специальным уплотнением. Перед пуском спутник заполняется газообразным азотом.

Внутри корпуса спутника на задней приборной раме, выполненной из магниевого сплава, расположены: радиотелеметрическая аппаратура, радиоаппаратура для измерения координат спутника, программно-временное устройство, аппаратура системы терморегулирования и измерения температур, автоматика, обеспечивающая включение и выключение аппаратуры, и химические источники энергопитания. На задней раме также установлены приборы для измерения интенсивности и состава космического излучения и аппаратура для регистрации ударов микрометеоров. Рама крепится к силовым узлам, имеющимся на оболочке корпуса.

Основная часть приборов для научных исследований вместе с источниками питания также расположена внутри спутника — на другой приборной раме, находящейся в передней его части. На этой раме размещены электронные блоки аппаратуры, служащей для измерения давления, ионного состава атмосферы, концентрации положительных ионов, величины электрического заряда и напряженности электростатического поля, напряженности магнитного поля, интенсивности корпускулярного излучения Солнца. Здесь же установлен радиопередатчик.

Размещение чувствительных элементов (датчиков) научной аппаратуры определяется их назначением. Магнитометр расположен в передней части спутника с целью максимального удаления его от остальной аппаратуры. Счетчики космических лучей установлены внутри спутника. Другие датчики научной аппаратуры помещены вне герметического корпуса спутника. Фотоумножители, служащие для регистрации корпускулярного излучения Солнца, закреплены на передней части корпуса. В цилиндрических стаканах, вваренных в оболочку передней части спутника, установлены один магнитный и два ионизационных манометра, измеряющих давление в верхних слоях атмосферы. Вблизи них расположены два электростатических флюксметра, служащих для измерения электрического заряда и напряженности электростатического поля, а также трубка радиочастотного масс-спектрометра, определяющего состав ионов на больших высотах.

На двух трубчатых стержнях, шарнирно прикрепленных к оболочке корпуса, установлены сферические сетчатые ионные ловушки, позволяющие измерять концентрацию положительных ионов при движении спутника по орбите. На участке выведения спутника на орбиту стержни с ловушками прижаты к поверхности корпуса. После выведения спутника на орбиту стержни поворачиваются на шарнирах и устанавливаются перпендикулярно к его боковой поверхности.

На заднем днище корпуса установлены четыре датчика для регистрации ударов микрометеоров.

Солнечная полупроводниковая батарея размещена в виде отдельных секций на поверхности корпуса. Четыре малые секции установлены на переднем днище, четыре секции — на боковой поверхности и одна секция — на заднем днище. Такое размещение секций солнечной батареи обеспечивает ее нормальную работу, независимо от ориентации спутника относительно Солнца.

Передняя часть спутника закрыта специальным защитным конусом, сбрасываемым после выведения спутника на орбиту. Защитный конус предохраняет переднюю часть спутника с установленными на ней датчиками научной аппаратуры от тепловых и аэродинамических воздействий при прохождении ракеты-носителя через плотные слои атмосферы. Конус состоит из двух полуоболочек, разделяемых при сбрасывании. Помимо защитного конуса, значительную часть внешней поверхности спутника на участке выведения закрывают четыре специальных щитка, соединенных шарнирами с корпусом ракеты-носителя. При отделении спутника эти щитки остаются на ракете-носителе.

Рис. 8. Научная аппаратура третьего советского искусственного спутника Земли 1 — магнитометр; 2 — фотоумножители для регистрации корпускулярного излучения Солнца; 3 — солнечные батареи; 4 — прибор для регистрации фотонов в космических лучах; 5 — магнитный и ионизационный манометры; 6 — ионные ловушки; 7 — электростатические флюксметры; 8 — масс-спектрометрическая трубка; 9 — прибор для регистрации тяжелых ядер в космических лучах; 10 — прибор для измерения интенсивности первичного космического излучения; 11 — датчики для регистрации микрометеоров;

Рис. 9. Схема отделения спутника от ракеты-носителя 1 — спутник; 2 — ракета-носитель; 3 — отделяющийся защитный конус; 4 — отделяемые от спутника щитки

На внешней поверхности спутника установлен ряд антенных систем, имеющих вид штырей и трубчатых конструкций сложной формы.

Многоканальная радиотелеметрическая система спутника отличается высокой разрешающей способностью. Она может передавать на Землю чрезвычайно большой объем научной информации о научных измерениях, проводимых на спутнике. Радиотелеметрическая система включает в себя ряд устройств, непрерывно запоминающих данные научных измерений при полете спутника по орбите. При пролете спутника над наземными измерительными станциями «запомненная» информация передается со спутника с большой скоростью.

Имеющаяся на спутнике система измерения температур непрерывно регистрирует температуры в различных точках его поверхности и внутри его.

Автоматическое управление работой всей научной и измерительной аппаратуры, периодическое ее включение и выключение осуществляет электронное программно-временное устройство. Это устройство также периодически выдает с большой точностью метки времени, что необходимо для последующей привязки результатов научных измерений к астрономическому времени и географическим координатам.

Стабильный температурный режим на спутнике обеспечивается системой терморегулирования, которая значительно усовершенствована по сравнению с системами терморегулирования, примененными на первых спутниках. Регулирование теплового режима осуществляется путем изменения принудительной циркуляции газообразного азота в спутнике, а также изменением коэффициента собственного излучения его поверхности. Для этого на боковой поверхности спутника установлены регулируемые жалюзи, состоящие из 16 отдельных секций. Открытие и закрытие их осуществляется электроприводами, управляемыми аппаратурой системы терморегулирования.

В программе научных исследований, осуществляемых при помощи третьего советского спутника Земли, большое место уделено изучению ионосферы.

Ряд важных характеристик ионосферы изучен совершенно недостаточно. До настоящего времени лишь в единичных ракетных опытах получены непосредственные данные о распределении электронной концентрации по высоте во внешней области ионосферы, лежащей выше 300 километров. Еще меньше сведений имеется о концентрации ионов. Сведения о химическом составе ионов, весьма важные с точки зрения объяснения процессов образования ионосферы и законов, по которым она изменяется во времени, имеются лишь для сравнительно малых высот. Недостаточны и противоречивы сведения об ионосферных неоднородностях.

Детальное изучение строения ионосферы и исследование ее основных характеристик — одна из важнейших геофизических проблем. Следует указать, что решение этой проблемы имеет первостепенное значение для обеспечения надежной радиосвязи Земли с космическими ракетами, а также для точных радиоизмерений, связанных с полетами таких ракет.

Как и во время полетов первых двух искусственных спутников Земли, при полете третьего советского спутника осуществляется обширная программа наземных наблюдений за распространением радиоволн, излучаемых со спутника. Проводятся измерение и регистрация допплеровых частот, принимаемых радиоволн, измерения напряженности поля, фиксация моментов «радиовосхода» и «радиозахода» спутника, измерения вращения плоскости поляризации радиоволн, измерения углов прихода радиоволн. Результаты этих наблюдений должны дать обширный материал о состоянии ионосферы.

Наряду с наземными измерениями на третьем советском спутнике проводятся прямые измерения характеристик ионосферы.

Особенностью непосредственных измерений характеристик ионосферы с помощью приборов, устанавливаемых на спутнике, является то, что в отличие от методов, основанных на изучении распространения радиоволн, результаты измерений не зависят от характеристик всей толщи ионосферы между спутником и Землей и от происходящих в ней процессов.

На спутнике определяются концентрация заряженных частиц в ионосфере и спектр масс положительных ионов. Наряду с измерениями напряженности электростатического поля у поверхности спутника, оказывающего влияние на результаты этих опытов, перечисленные измерения составляют единый комплекс опытов, взаимно дополняющих друг друга.

В ионосфере имеются три основных вида свободных заряженных частиц — положительные и отрицательные ионы и электроны. Сумма концентраций отрицательных ионов и электронов равна концентрации положительных ионов. Ионосфера электрически нейтральна. Поэтому, измерив концентрацию положительных ионов, можно определить полную концентрацию свободных заряженных частиц.

Изучение радиоволн, отраженных от ионосферы или прошедших через нее, позволяет получать сведения главным образом об электронной концентрации, так как влияние тяжелых заряженных частиц — ионов на распространение радиоволн более чем в тысячу раз слабее влияния более легких электронов. Так как до недавнего времени радиоволны были главным средством исследования ионосферы, все основные сведения о содержании заряженных частиц в ионосфере относились к электронам. О распределении ионов практически ничего не было известно.

Для измерения концентрации положительных ионов вдоль орбиты над поверхностью спутника установлены две сетчатые сферические ионные ловушки. Внутри каждой ловушки помещен сферический коллектор, находящийся под отрицательным потенциалом относительно оболочки. Созданное таким образом электрическое поле собирает на коллектор все попадающие в ловушку положительные ионы и выталкивает из нее отрицательные частицы. Так как скорость спутника во много раз превышает среднюю скорость теплового движения ионов, то при сферической форме ловушек можно считать, что поток ионов на поверхность ловушки полностью определяется движением спутника и не зависит от температуры воздуха, меняющейся с высотой, и от ориентации спутника относительно его скорости. Исключением является случай, когда ловушка попадает в область весьма высокого разрежения, образующуюся позади спутника. При наличии двух ловушек, расположенных указанным образом, по крайней мере одна из них всегда находится вне этой области. По величине ионного тока, текущего на коллектор ловушки, находящийся в потоке, можно определить концентрацию положительных ионов вблизи спутника.

Связь между измеренным ионным током и концентрацией ионов является простой, если электрический потенциал, приобретенный спутником при полете в ионосфере, достаточно мал (например, не превышает 1—2 вольт). Если же потенциал велик, то он может оказать на величину измеряемого тока существенное влияние, которое следует учесть. Для этой цели на сетчатые оболочки ловушек периодически поступают короткие импульсы напряжения относительно корпуса спутника.

При этом снимаются вольт-амперные характеристики, которые позволяют внести поправку, учитывающую влияние потенциала спутника на величину потока ионов, попадающих в ловушку. Прибор позволяет измерять ионные концентрации в пределах от десяти тысяч до пяти миллионов ионов в кубическом сантиметре.

Измерение концентрации положительных ионов позволит впервые получить данные о полной концентрации заряженных частиц в ионосфере над различными географическими районами Земли, на различных высотах, а также об изменениях ее при переходах из области, освещенной Солнцем, в область тени и обратно. Эти данные весьма важны для понимания процессов взаимодействия солнечного излучения с земной атмосферой.

Сопоставление измерений, проведенных в области, лежащей ниже так называемого главного максимума ионизации, находящегося на высоте 300—350 километров, с результатами наблюдений наземных ионосферных станций, позволяет сделать ряд выводов о концентрации отрицательных ионов на этих высотах и об ионизации воздуха, создаваемой движением самого спутника. Можно ожидать, что измерения концентрации положительных ионов дадут новые данные о структуре внешней области ионосферы, дополняющие сведения об этой области, полученные при запусках ракет и первых искусственных спутников Земли. Можно также ожидать, что будут измерены размеры ионосферных неоднородностей.

Земная атмосфера состоит из смеси различных газов. Состав ее у поверхности Земли изучен достаточно хорошо. Сведения о составе верхних слоев атмосферы в настоящее время весьма противоречивы. Одной из важнейших характеристик газов, входящих в состав атмосферы, так же как и вообще всех существующих химических элементов, являются их атомный и молекулярный веса, которые принято выражать в условных единицах, так называемых атомных единицах массы. За атомную единицу массы принимают величину, равную ¹/₁₆ веса атома кислорода. Молекулярный вес кислорода, состоящий из двух атомов, равен 32. Атомный вес азота равен 14, молекулярный вес — 28.

Анализируя молекулярные и атомные веса различных соединений и смесей, можно сделать заключение об их химическом составе. Для определения атомных и молекулярных весов элементов и их соединений, составляющих какую-либо смесь, используются приборы, называемые масс-спектрометрами.

Масс-спектрометр, установленный на третьем советском спутнике, предназначен для определения спектра масс положительных ионов, имеющихся в ионосфере Землн. Зная массовые числа ионов, можно сделать некоторые заключения и о химическом составе ионосферы.

Масс-спектрометрическая трубка — чувствительный элемент прибора — сообщается своим открытым входным отверстием непосредственно с окружающим пространством. Она содержит ряд тонких проволочных сеток-электродов, расположенных на определенных, точно фиксированных расстояниях друг от друга. За сетками имеется коллектор, представляющий собой металлическую пластинку, собирающую ионы, вошедшие в масс-спектрометрическую трубку и прошедшие все сетки.

На электроды трубки подаются различные постоянные и переменные напряжения, вырабатываемые в электронном блоке масс-спектрометра. Эти напряжения выбраны таким образом, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью. Ионы, проходящие трубку со скоростями больше или меньше оптимальной, на коллектор не попадают. Скорость, с которой ионы проходят масс-спектрометрическую трубку, определяется, с одной стороны, их массой, а с другой — ускоряющим ионы напряжением, приложенным к некоторым сеткам трубки.

Ускоряющее напряжение периодически изменяется от нуля до своего максимального значения. Благодаря этому оптимальная скорость сообщается поочередно ионам с различными массовыми числами. Когда ионы достигают коллектора, в его цепи возникает импульс тока, который усиливается и передается радиотелеметрической системой на Землю. Одновременно передается и ускоряющее напряжение, имеющееся в данный момент на сетках трубки масс-спектрометра.

Если в ионосфере имеются ионы только одной массы, то приемной станцией регистрируется один импульс ионного тока за каждый цикл изменения ускоряющего напряжения. При более сложном составе ионосферы регистрируются два или более импульса за каждый цикл. Массовое число ионов, соответствующее каждому импульсу, может быть определено путем сравнения записи спектра масс с записью ускоряющего напряжения масс-спектрометра.

В результате ряда процессов, происходящих как в межпланетном пространстве, так и в самой атмосфере, Земля вместе со своей атмосферой в целом приобретает некоторый электрический заряд. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, должно воздействовать на скорость и направление заряженных частиц, пролетающих в межпланетном пространстве. Оно может оказывать влияние на ряд геофизических явлений (полярные сияния и т. д.). Данные об электрических полях в верхних слоях атмосферы могут существенно помочь в выяснении причины существования отрицательного заряда Земли и положительного заряда атмосферы, создающих между Землей и ионосферой разность потенциалов в несколько сотен тысяч вольт.

Хотя в ряде теорий, объясняющих происхождение полярных сияний и корпускулярных потоков, и предполагается наличие электростатических полей в верхних слоях атмосферы, непосредственное измерение или косвенное их определение никогда не производились. Дело в том, что хорошо проводящий слой ионосферы препятствует проникновению электростатических полей в нижележащие слои атмосферы, подобно тому, как это сделал бы гигантский металлический экран, помещенный вместо ионосферы.

По этой же причине нельзя измерить с помощью приборов, расположенных ниже ионосферы, электростатические поля, существующие в межпланетном пространстве.

Измерение электростатических полей с помощью спутников осложнено тем, что любое тело, помещенное в верхние слои атмосферы, должно приобрести электрический заряд, поле которого, если его не учесть, складываясь с измеряемым полем, исказит результаты измерений.

Этот заряд появляется за счет неравенства скоростей электронов и положительных ионов, попадающих на поверхность спутника, а также благодаря таким явлением, как фотоэффект, т. е. вырывание электронов с поверхности спутника светом и другими излучениями.

Использование спутников для изучения таких характеристик ионосферы, как концентрация ионов и спектр их масс, требует учета тех нарушений, которые спутник вносит в окружающую среду. Поэтому измерение электрического заряда спутника, вызывающего перераспределение заряженных частиц вблизи него, желательно также для уточнения результатов этих опытов. С другой стороны, сведения об электрическом заряде в сочетании с данными о концентрации ионов могут позволить определить в ряде случаев такую трудно измеряемую характеристику ионосферы, как ее температура.

Использованная на спутнике аппаратура состоит из двух чувствительных электростатических флюксметров с общими цепями управления. Конструктивно она выполнена в виде двух датчиков, размещаемых симметрично на боковой поверхности спутника, и блока с усилителями.

Существенной частью каждого датчика является измерительный электрод — десятисекторная пластина, соединенная с корпусом спутника через сопротивление. Поверхность пластины является как бы частью поверхности спутника. Эта пластина периодически экранируется другой пластиной-экраном, вращаемой электромотором. Так как измерительная пластина является частью поверхности спутника, то, когда она открыта, на ней находятся доли собственного заряда спутника и заряда, индуцированного внешним электростатическим полем. При экранировании этой пластины заряд с нее стекает.

Во время вращения экрана заряд измерительной пластины периодически стекает по сопротивлению, создавая на нем переменное напряжение, величина которого пропорциональна величине заряда пластины. Это напряжение усиливается, выпрямляется и подается на вход радиотелеметрической системы. Принятая схема измерений позволяет определить величину электростатического поля, а использование двух симметрично расположенных датчиков электростатического флюксметра создает возможность определить не только собственный заряд спутника, но и внешнее электростатическое поле.

Во время работы аппаратуры специальная система контроля позволяет проверять надежность и точность измерений.

Действие магнитного поля Земли обнаруживается как при наблюдении помещенных в нем искусственных индикаторов типа магнитных стрелок, вращающихся витков и т. д., так и при наблюдении целого ряда геофизических явлений: отклонения в полярных областях заряженных частиц, испускаемых Солнцем, отклонения космических лучей, поляризации радиоволн.

Распределение магнитного поля по величине и направлению изучено довольно подробно лишь над континентами в непосредственной близости от поверхности Земли. Эти данные широко используются в практике разведки полезных ископаемых, судовождении, аэронавигации и т. д.

Природа земного магнитного поля до сих пор неизвестна. В результате длительных измерений напряженности магнитного поля Земли в специальных обсерваториях установлено, что оно изменяется во времени. Наиболее интенсивные изменения магнитного поля получили название магнитных бурь.

Анализ наблюдений показал, что основная часть магнитного поля Земли и его вековых вариаций вызывается источниками, находящимися внутри Земли. Наоборот, главные источники короткопериодических вариаций магнитного поля Земли и магнитных возмущений находятся вне Земли, в верхних слоях атмосферы.

Магнитное поле Земли в первом приближении совпадает с полем намагниченного шара или сильного магнита, расстояние между полюсами которого весьма мало, причем северный полюс этого магнита расположен в южном полушарии Земли, южный полюс — в северном полушарии, а ось составляет угол в 11,5° с осью вращения Земли. Эта простая картина усложняется наложением полей материковых, региональных и локальных аномалий. Примером первых является Восточно-Сибирская магнитная аномалия, занимающая значительную часть континента.

Источники локальных магнитных аномалий, например Курской, лежат в самых верхних слоях земной коры, а сами аномалии быстро убывают с высотой. О локализации источников материковых аномалий имеются противоречивые представления.

Математические методы позволяют рассчитать поле на больших высотах, если известно распределение поля у поверхности. Определенные сведения о структуре магнитного поля Земли на больших высотах дают наблюдения над интенсивностью космических лучей на разных широтах. Наиболее загадочным является то, что картины распределения магнитного поля Земли на больших высотах, по наземным магнитометрическим данным и по наблюдениям космических лучей, не находятся в согласии. Непосредственные измерения напряженности магнитного поля на больших высотах при помощи магнитометра, установленного на спутнике, позволят пролить свет на причину наблюдаемого расхождения.

Установка магнитометра на спутнике допускает проведение в короткий срок магнитной съемки по всему земному шару. Совершенно исключительные возможности представляются для исследования переменной части магнитного поля.

По современным представлениям, магнитные возмущения вызываются сильными токами, протекающими в ионизированных слоях атмосферы. К настоящему времени известен лишь один прямой эксперимент, выполненный при помощи магнитометра, установленного на ракете, свидетельствующий в пользу реальности существования таких токовых систем.

Спутник при своем движении по орбите будет многократно пересекать ионизированные слои атмосферы. При этом существование токовых систем может быть отмечено по скачкам напряженности магнитного поля. Выделение из измеренных магнитометром напряженностей поля части, относящейся к полю предполагаемых токовых систем, может быть выполнено только особой методикой наблюдений и обработки данных. По указанной причине программы исследования пространственного распределения постоянной части магнитного поля Земли и поля вариаций в общем случае не могут быть совмещены в одном эксперименте.

Основной задачей эксперимента на спутнике является исследование пространственного распределения постоянного магнитного поля Земли на больших высотах и сравнение пространственного распределения линий одинаковой интенсивности магнитного поля и линий одинаковой интенсивности космических лучей.

Измерение магнитного поля со спутника связано со значительными трудностями, которые определяются тем, что положение спутника относительно вектора земного магнитного поля непрерывно меняется; магнитометр должен обладать высокой чувствительностью при большом диапазоне измерений; на датчики магнитометра оказывают влияние магнитные детали другой бортовой аппаратуры.

На борту спутника установлен магнитометр, который позволяет преодолеть указанные трудности. Он представляет собою прибор, измерительный датчик которого автоматически ориентируется по направлению полного вектора земного магнитного поля при любой ориентации спутника. Мерой магнитного поля и его изменений служит ток компенсации, пропускаемый по катушке, установленной на измерительном датчике, в таком направлении, чтобы он полностью компенсировал земное поле в объеме, занимаемом датчиком.

Два потенциометрических датчика, установленных на узле ориентации, позволяют определить положение корпуса спутника относительно земного поля и скорость вращения спутника вокруг собственных осей.

Исследование космического излучения позволяет получить сведения о процессах возникновения в глубинах мирового пространства частиц, обладающих очень большой энергией. Двигаясь во Вселенной, эти частицы испытывают воздействие среды, сквозь которую они пролетают. Влияние на космическое излучение оказывают процессы, происходящие на Солнце, и, в частности, выбрасываемые из его недр потоки корпускул. Под действием электрических и магнитных полей, имеющихся в этих потоках, интенсивность космического излучения меняется. Изменение состояния межпланетной среды, окружающей Землю, также приводит к изменению характера движения частиц космических лучей, зародившихся в более удаленных частях Вселенной и двигающихся по направлению к Земле. Иногда на Солнце происходят мощные взрывные процессы, приводящие к возникновению космических лучей. Эти процессы еще мало изучены, и их исследование представляет большой интерес.

В результате отклонения космических лучей в магнитном поле Земли экваториальных районов Земли могут достигать лишь частицы с энергией больше 14 миллиардов электронвольт. Больших широт могут достигать частицы очень малой энергии. Перемещаясь по своей орбите, спутник дает возможность раздельно регистрировать космическое излучение различных энергий.

Установленный на спутнике счетчик космических лучей позволит получить новые сведения об изменениях интенсивности и об энергетическом спектре космического излучения.

Особое значение имеют поиски в составе космических лучей мельчайших частиц света — фотонов. Фотоны, обладающие значительной энергией, так называемые гамма-лучи, могут лучше, чем любая другая компонента космического излучения, указать нам, где происходит возникновение этого излучения. Гамма-лучи должны распространяться в мировом пространстве практически прямолинейно. Поэтому, обнаружив, в каком направлении двигаются гамма-лучи, можно указать, где расположен их источник. В противоположность этому частицы космических лучей, обладающие электрическим зарядом, сильно отклоняются в магнитных полях, существующих в космосе, и теряют первоначальное направление своего движения.

Обнаружение гамма-лучей в составе космического излучения связано с большими трудностями, тем более, что в настоящее время нельзя предсказать, какова их интенсивность. Существующий длительное время вне земной атмосферы спутник дает исключительные возможности для обнаружения этой новой компоненты космических лучей.

Прибор, установленный на спутнике, дает возможность впервые осуществить экспериментальную попытку обнаружить в составе первичного космического излучения гамма-лучи. Если эта попытка увенчается успехом, то можно будет говорить о новом методе исследования Вселенной.

Известно, что около 70 процентов приходящего в верхние слои атмосферы первичного потока космических лучей составляют протоны — ядра самого легкого элемента — водорода. Кроме протонов, в первичном потоке космических лучей имеются ядра и других элементов. Ядра гелия (альфа-частицы) присутствуют в количестве, меньшем 20 процентов, а ядра более тяжелых элементов составляют все вместе примерно 1 процент. Хотя число таких частиц невелико, но энергия, которую они приносят, составляет около 16 процентов энергии всего потока космических лучей. Важно знать более подробно состав первичного потока. Сведения о составе космических лучей, в частности, имеют существенное значение для ответа на вопрос, где и как создаются частицы со столь большими энергиями.

Довольно много сведений о составе первичных космических лучей было получено в результате подъема приборов в стратосферу на шарах-зондах. Однако целый ряд данных о первичном составе невозможно получить, проводя измерения в стратосфере, так как даже небольшой слой вещества, который всегда имеется над прибором, изменяет состав космических лучей. До сих пор не известно, есть ли в космических лучах заметное число ядер более тяжелых элементов, чем ядра железа.

Постановка на искусственном спутнике прибора для регистрации ядер тяжелых элементов дает возможность ответить на этот важный для науки вопрос. Основным элементом этого прибора является так называемый черенковский счетчик частиц. Действие счетчика основано на использовании излучения Черенкова, возникающего в том случае, если заряженная частица движется в веществе со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде.

Важным свойством черенковского излучения является то, что интенсивность световой вспышки, возникающей в веществе при прохождении через него частицы, пропорциональна квадрату заряда частицы. При этом частицы, движущиеся со скоростью, меньшей скорости света в веществе, не излучают свет. Это свойство черенковского излучения позволяет использовать его для регистрации заряженных частиц, определения их заряда и выделения из всего потока частиц лишь тех из них, которые обладают достаточно большой скоростью.

Черенковский счетчик состоит из плексигласового цилиндра-детектора, к торцу которого присоединен фотоэлектронный умножитель. При пролете через детектор частица космических лучей, скорость которой близка к 300 тыс. километров в секунду, создает в нем черенковское свечение. Скорость распространения света в плексигласе равна примерно 200 тыс. километров в секунду, и поэтому имеются условия для возникновения черенковского излучения.

Свет, возникший в детекторе, воспринимается фотоумножителем, который преобразует его в электрический сигнал и усиливает его до такой величины, которая необходима для срабатывания прибора. Прибор сортирует все сигналы на две группы, соответствующие пролету через детектор частиц с зарядом больше 30 и частиц с зарядом больше 17. При каждом пролете частицы через черенковский счетчик дается сигнал о том, ядро какой группы попало в прибор.

Солнечное электромагнитное излучение охватывает инфракрасную, видимую, ультрафиолетовую и рентгеновскую области спектра. Иногда из Солнца в межпланетное пространство извергается ионизированный газ, состоящий из электронов и ионов. По мере удаления от Солнца часть ионов нейтрализуется, т. е. превращается в обычные атомы. Извергающиеся из Солнца частицы принято называть корпускулярным излучением Солнца. Вместе с корпускулярными потоками распространяются связанные с ними магнитные поля. По различным оценкам корпускулы имеют вблизи Земли скорость порядка нескольких тысяч километров в секунду.

Во время прохождения корпускулярных потоков вблизи Земли возникают магнитные возмущения, наиболее интенсивные из которых называются магнитными бурями. Одновременно возникают полярные сияния. При проникновении корпускул в атмосферу увеличивается ее ионизация как в верхних, так и нижних слоях. Увеличение ионизации в нижних более плотных областях приводит к нарушениям радиосвязи, поскольку возникает интенсивное поглощение радиоволн. Корпускулярные вторжения сопровождаются нарушением термического режима верхней атмосферы.

Большинство солнечных корпускул является заряженными частицами. Такие корпускулы чаще всего проникают в атмосферу вблизи геомагнитных полюсов Земли в полярных областях. Благодаря искривлению траекторий движения в магнитных полях заряженные корпускулы проникают и на ночную сторону Земли, вблизи полярных зон. Корпускулярные вторжения имеют место и в средних широтах, но здесь они менее интенсивны. Нейтральные корпускулы могут беспрепятственно проникать в любые места земного шара.

Сведения о корпускулярном излучении Солнца слишком бедны, а его природа и свойства мало изучены. До самого недавнего времени основная информация о корпускулярном излучении Солнца черпалась из наблюдений полярных сияний.

Искусственные спутники Земли — эффективное средство исследования корпускулярного излучения Солнца. Настоящее время особенно благоприятно для исследования корпускулярного излучения, усилившегося из-за повышенной солнечной активности.

На спутнике установлено два индикатора корпускул. Этими индикаторами являются флуоресцирующие экраны, покрытые тонкой алюминиевой фольгой различной толщины. Таким образом достигается грубая сортировка корпускул по их проникающей способности.

Перед флуоресцирующими экранами располагаются диафрагмы, ограничивающие телесный угол захвата корпускул. Под воздействием корпускул флуоресцирующие экраны светятся, аналогично тому, как это происходит в кинескопе телевизора при облучении его экрана электронным лучом. Излучение экрана воспринимается фотоэлектронным умножителем. Его сигнал «запоминается» специальным устройством и затем передается на Землю радиотелеметрической системой.

С помощью указанной аппаратуры можно будет получить ценный материал о географическом, высотном и суточном распределении корпускулярных потоков. Для исследования направления прихода корпускул используется вращение спутника. Земное магнитное поле обладает способностью отражать заряженные корпускулы и заставлять их следовать по спиралевидным путям вдоль магнитных силовых линий. Нейтральные корпускулы могут перемещаться по прямолинейным траекториям. Такие наблюдения дадут дополнительный материал для суждений о природе корпускул.

Наряду с регистрацией корпускулярного излучения Солнца аппаратура позволяет получить дополнительно материал о его рентгеновском излучении, которое будет также регистрироваться индикаторами корпускул. Это излучение можно будет отличить от корпускулярного по направлению его прихода и по отсутствию отражений от земной атмосферы. Кроме того, оно может быть отмечено по времени появления, поскольку корпускулярное излучение распространяется медленнее электромагнитного.

К числу важнейших геофизических исследований верхней атмосферы относится изучение изменения давления и плотности с высотой. Зная эти два параметра, можно определить и температуру атмосферы на больших высотах.

До недавнего времени это изучение было ограничено сравнительно небольшими высотами, и только высотные ракеты позволили производить измерения давления и плотности в верхних слоях атмосферы. На высоте 100 километров давление и плотность примерно в десять миллионов раз меньше, чем на Земле. Выше 100 километров имеются единичные ракетные измерения, которые плохо согласуются с косвенными данными. Существенным недостатком ракетных измерений является их кратковременность и то, что они производятся только над отдельными точками земной поверхности. ;

Для геофизики чрезвычайно важно иметь данные о плотности и давлении верхних слоев атмосферы по всем широтам и долготам, проводя измерения длительное время.

Использование спутников дает возможность уточнить и расширить имеющиеся представления о структуре атмосферы. Длительное пребывание прибора на высоте и сопоставление результатов измерения от витка к витку позволят провести детальный анализ экспериментальных данных и исключить возможные ошибки эксперимента.

При достаточной точности эксперимента можно будет также оценить суточные и широтные вариации плотности и давления на высотах, на которых пролетает спутник.

Манометры, установленные на наружной стороне спутника, соединяются с измерительной аппаратурой, размещенной внутри его. Измерение давления на спутнике в пределах 10^-5—10^-7 миллиметра ртутного столба производится магнитным манометром, а в интервале 10^-6—10^-9 миллиметра ртутного столба — ионизационными манометрами.

Известно, что в пространстве между планетами движутся мелкие твердые частицы — микрометеоры. Вторгаясь в земную атмосферу, они сгорают в ней. При этом заметное свечение, которое может быть обнаружено глазом или в телескоп, вызывают лишь сравнительно крупные частицы. Самые мелкие и, как можно предполагать, самые многочисленные частицы, поперечником в несколько микрон, создают столь ничтожное свечение, что оно не может быть обнаружено не только с помощью оптических средств, но и никакими другими средствами наземных наблюдений.

Радиолокационными наблюдениями было установлено, что микрометеоры, вторгающиеся в земную атмосферу с весьма большими скоростями, достигающими 70 километров в секунду, в процессе их движения в атмосфере производят ионизацию молекул воздуха. За летящей частицей образуется след заряженных частиц — электронов и ионов, который обнаруживается радиолокатором. Тем не менее и этот метод не позволяет изучать самые мелкие из микрометеоров. В настоящее время эти частицы можно изучить лишь с помощью аппаратуры, поднимаемой на ракетах и, в особенности, на искусственных спутниках Земли.

Изучение межпланетного вещества имеет существенное значение для астрономии, геофизики и астронавтики, а также для решения проблем эволюции и происхождения планетных систем, так как оно позволяет выяснить ряд существенных вопросов для современных космогонических теорий.

Очень важно также точно знать общее количество метеорного вещества, выпадающего на поверхность Земли за определенный промежуток времени. Необходимо учесть воздействие ударов метеорных тел на внешние оболочки ракет и искусственных спутников, а также на приборы, установленные на них, например, на поверхности оптических приборов, которые из прозрачных могут в результате столкновений с микрометеорами стать матовыми, на активные поверхности солнечных батарей и т. п.

Следует учитывать и опасность столкновения спутников, особенно межпланетных ракет, с более крупными частицами. Хотя вероятность такого столкновения невелика, но она существует, и важно уметь ее правильно оценить.

Для регистрации соударений микрометеоров с внешней оболочкой межпланетной ракеты или спутника можно использовать ряд способов. Одним из очень простых и в то же время чувствительных методов является применение пьезоэлементов — датчиков, превращающих механическую энергию ударяющей частицы в электрическую энергию.

Величина электрического импульса, возникающая в таком датчике, зависит от скорости и массы ударяющей частицы, а число импульсов равно числу частиц, сталкивающихся с поверхностью датчика. Электрические импульсы с датчиков передаются на вход электронного блока, в котором происходит счет импульсов и регистрация их величины.

Источники тока, питающие научную и измерительную аппаратуру спутника, созданы на основе серебряно-цинковых аккумуляторов и окисно-ртутных элементов. Разработанные советскими исследователями разновидности этих аккумуляторов и элементов обладают высокими удельными электрическими характеристиками на единицу веса и объема и приспособлены к условиям эксплуатации на спутнике.

Помимо химических источников тока, на третьем спутнике установлены комплекты солнечных батарей. Эти батареи преобразуют энергию радиации Солнца непосредственно в электрическую энергию. Солнечные батареи состоят из ряда элементов, представляющих собой тонкие пластины из чистого монокристаллического кремния с заранее заданной электронной проводимостью. Напряжение, создаваемое отдельными кремниевыми элементами, равно около 0,5 вольта, а коэффициент преобразования солнечной энергии достигает 9—11 процентов. Соответствующее соединение элементов позволяет получить необходимые напряжения и величину тока.

Установка солнечной батареи на третьем искусственном спутнике позволит детально исследовать ее работу в условиях космического полета.

Запуск третьего советского искусственного спутника Земли является новым свидетельством успехов ракетной техники в Советском Союзе. Обширный комплекс взаимно связанных исследований, проводимых на спутнике, внесет большой вклад в развитие науки. Запуск третьего советского спутника является одним из самых замечательных событий в Международном геофизическом году. Большие размеры спутника и высокая степень его автоматизации приближают советскую науку и технику к созданию космических кораблей.

«Правда», 18 мая 1958 г.

В соответствии с программой Международного геофизического года в Советском Союзе проведена большая работа по исследованию верхней атмосферы и космического пространства с помощью искусственных спутников Земля.

На состоявшейся в Москве Всемирной ассамблее Специального комитета Международного геофизического года с большим интересом были заслушаны и обсуждены доклады советских ученых, посвященные изучению движения спутников Земли, измерению параметров атмосферы — давления, плотности и температуры в ее верхних слоях, исследованию космических лучей, магнитного поля Земли, корпускулярного излучения Солнца, микрометеоров, изучению работы солнечных кремниевых батарей, жизнедеятельности живых организмов в условиях космического полета и ряда других проблем.

Обсуждение на ассамблее работ, проведенных на искусственных спутниках Земли, показало, что советская наука вышла в первые ряды мировой науки в области исследований на ракетах и спутниках. Большие веса советских спутников Земли позволили разместить на их борту разнообразную сложную научную аппаратуру. Высокие конструктивные данные советских искусственных спутников обеспечили нормальным режим работы находящейся на их борту научной аппаратуры. Аппаратура функционировала при заданном температурном режиме (от 15 до 22° по Цельсию) . Весь комплекс работы аппаратуры был полностью автоматизирован. С помощью специального программного устройства производилось включение и выключение приборов. Анализ радиотелеметрических записей показывает, что вся научная аппаратура на третьем искусственном спутнике работала нормально и намеченная программа научных измерений полностью выполнена.

Изучение движения искусственных спутников Земли также позволило получить весьма ценные и интересные данные о плотности воздуха на высотах полета спутников и целый ряд данных об особенностях их движения.

Орбита искусственного спутника определяется рядом параметров: расстоянием от центра Земли до наиболее удаленной точки орбиты (апогея), расстоянием до ближайшей к центру Земли точки (перигея), наклонением орбиты i — углом между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора, долготой восходящего узла Ω, величина которого определяет угловое расстояние от неизменно направленной в точку весеннего равноденствия оси ОХ до линии пересечения плоскости орбиты и плоскости экватора, а также угловым расстоянием перигея от восходящего угла орбиты ω (рис. 10).

Если бы Земля была однородным шаром и отсутствовало бы воздействие атмосферы на движение спутника, то орбита оставалась бы неизменной в пространстве, т. е. значения величии углов i, Ω, ω и расстояний до перигея и апогея орбиты оставались бы неизменными, причем Земля, совершая суточное вращение, прокручивалась бы в такой орбите, как в кольце.

Два рода возмущений в основном оказывают влияние на изменение орбиты спутника. Это отличие гравитационного поля Земли (поля земного тяготения) от поля однородного шара и воздействие атмосферы. Первый из этих факторов приводит к изменению положения орбиты в пространстве.

Рис. 10

При этом в первом приближении наклонение орбиты остается постоянным, но происходит изменение углов ω и Ω. Так, например, для первого, второго и третьего советских спутников угол Ω изменялся в начале их движения соответственно на 3,157, 2,663 и 2,528 градуса в сутки в направлении с востока на запад. В то же время происходило медленное смещение точки расположения перигея к югу, т. е. изменение угла ω, которое составляло 0,432 и 0,407 градуса для первого и второго советских спутников и 0,326 градуса для третьего спутника. Поскольку скорость изменения этих параметров зависит от характера гравитационного поля Земли, представляется возможным уточнить характеристики гравитационного поля. В настоящее время знание гравитационного поля Земли находится в таком состоянии, что уточнение его параметров по наблюдаемой эволюции орбиты спутников требует очень тщательных наблюдений в течение длительного времени.

При движении в атмосфере Земли искусственные спутники испытывают сопротивление воздуха. В результате этого сопротивления также происходит изменение орбиты. Средний радиус орбиты спутника становится меньше, причем для вытянутой (эллиптической) орбиты ее изменение происходит в основном за счет уменьшения высоты апогея. Уменьшение высоты перигея происходит значительно медленнее. С течением времени орбита спутника постепенно приближается к круговой.

Так, например, для второго спутника высота перигея над поверхностью Земли за 1500 оборотов изменилась примерно на 25 километров, а высота апогея — более чем на 500 километров.

Более короткий путь, который необходимо пройти спутнику за один оборот, и некоторое увеличение скорости его движения при приближении к поверхности Земли приводит к тому, что время, за которое спутник совершает один оборот — период обращения, — постепенно уменьшается. Скорость изменения периода зависит от величины силы сопротивления. Сила сопротивления будет тем больше, чем больше плотность воздуха на высотах орбиты спутника. Наличие прямой связи между изменением орбиты спутника и, в частности, изменением периода его обращения и плотностью атмосферы позволяет из анализа изменения периода определить плотность атмосферы.

Плотность воздуха на высотах свыше 200 километров в миллиарды раз меньше, чем у поверхности Земли. Сила сопротивления поэтому там очень мала. Изменение периода обращения за один оборот измеряется десятыми долями секунды. Так, например, изменение периода за одни сутки в начале движения для первого спутника составляло 1,8 секунды, для второго спутника — 3,08 секунды, для третьего — 0,75 секунды. Чтобы уменьшить возможную ошибку в определении изменения периода обращения, применяют методы математической обработки очень большого числа измерений. Большое число наблюдений позволяет выделить случайные ошибочные измерения и с большой точностью определить эволюцию орбиты спутника. Так, по первому спутнику было обработано 60 000 радиотехнических и 400 оптических измерений, по второму спутнику — 12 800 радиотехнических и 2000 оптических. По третьему искусственному спутнику Земли уже обработаны десятки тысяч измерений.

Для определения плотности атмосферы по наблюдаемому торможению спутников необходимо знать их аэродинамические коэффициенты. Величина аэродинамического коэффициента сопротивления зависит от формы спутника, характера отражения молекул воздуха, а также от ориентации спутника относительно набегающего потока. Для расчета аэродинамических коэффициентов использовались результаты аэродинамики разреженных газов. Проводилось изучение движения спутника относительно его центра тяжести. Если бы не было воздействия атмосферы и других возмущающих факторов, то движение спутника, обладающего осью симметрии, являлось бы регулярной прецессией, т. е. спутник равномерно вращался бы вокруг своей продольной оси, которая в свою очередь совершала бы вращение вокруг другой оси (оси прецессии), неподвижно расположенной в пространстве.

Под воздействием атмосферы и гравитационного поля Земли движение спутника около центра тяжести становится более сложным: продольная ось спутника вращается около оси прецессии, положение которой в пространстве медленно меняется со временем по определенным законам, различным для различных спутников. Кроме того, под воздействием электромагнитных сил уменьшается скорость вращения спутника. Анализ результатов опыта по исследованию солнечной радиации позволил сделать некоторые выводы о движении около центра тяжести второго спутника в начале его существования. Второй спутник совершал прецессию около оси, которая составляла с продольной осью спутника угол 86 градусов. Период прецессии составлял примерно 206 секунд. Ряд выводов о вращении спутников можно было сделать из наблюдавшегося периода изменения их блеска.

Установленный на третьем спутнике магнитометр фиксирует положение некоторых осей спутника относительно магнитного поля Земли. Обработка этих показаний магнитометра позволяет достаточно точно рассчитать ориентацию спутника в пространстве и характеристики его вращения.

Знание ориентации необходимо для правильного анализа результатов измерений приборов, установленных на третьем спутнике. Кроме того, расчет ориентации спутника позволяет проверить ряд теоретических выводов, сделанных ранее, о его движении около центра тяжести. Полученные предварительные результаты показывают, что режим движения третьего спутника также оказался близким к режиму регулярной прецессии, причем продольная ось спутника расположена под углом 84 градуса к оси прецессии. Период прецессии равняется примерно 140 секундам, а период вращения спутника около его продольной оси — около 18 минут. Выявлено также изменение в пространстве направления оси прецессии.

Атмосферу на данной высоте от поверхности Земли можно характеризовать двумя параметрами — ее плотностью и высотой однородной атмосферы. Высота однородной атмосферы прямо пропорциональна температуре воздуха и обратно пропорциональна его молекулярному весу. Так, у поверхности Земли, где средняя масса молекул составляет 4,8 · 10^-23 грамма, а температура — 273 градуса по Кельвину, высота однородной атмосферы равна 7,9 километра. От этого параметра зависит скорость уменьшения величины плотности с высотой. Чем меньше значение высоты однородной атмосферы, т. е. чем меньше температура воздуха и чем больше его молекулярный вес, тем быстрее происходит уменьшение плотности атмосферы с высотой. Спутник при движении по орбите проходит на различных высотах от поверхности Земли, и сила сопротивления воздуха там различна. Теоретический анализ показывает, что скорость изменения периода обращения спутника в основном определяется значением произведения плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы на высоте ближайшей к Земле точки орбиты.

В результате анализа торможения спутников было определено среднее значение плотности на высоте перигея орбиты (226—228 километров), которое оказалось равным трем десятимиллионным грамма в одном кубическом метре. Это значение примерно в 5—10 раз превосходит величины, которые ранее принимались в ряде моделей атмосферы, составленных на основании теоретической обработки ракетных исследований.

За время жизни спутника ближайшая к Земле точка орбиты перемещается в пространстве: происходит ее приближение к Земле под влиянием сопротивления атмосферы движению спутника и изменение ее широты и долготы. Сопоставление положения ближайшей к Земле точки орбиты и наблюдаемого в то же время торможения спутника позволяет определить характеристики атмосферы над различными по освещенности Солнцем и широте точками земной поверхности. В результате анализа торможения первых двух советских спутников было выявлено, что при переходе перигея орбиты с ночной стороны на дневную торможение изменяется таким образом, что определяемое произведение плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы возрастает на 20—30 процентов.

Проведенный предварительный анализ торможения третьего спутника позволил выявить суточные колебания еще более резко: при переходе перигея от полуденной атмосферы к ночной имеет место уменьшение произведения плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы более чем в полтора раза. Анализ торможения второго спутника выявил также уменьшение плотности атмосферы при переходе от северных широт к южным. Дальнейшее изучение торможения третьего спутника позволит уточнить количественные закономерности суточных и широтных изменений параметров атмосферы. Используя данные об атмосфере, полученные с помощью искусственных спутников, можно будет построить модель распределения плотности атмосферы на большом интервале высот.

Измерение давления на третьем советском искусственном спутнике Земли на участках орбиты с меньшими высотами проводилось специальными магнитными электроразрядными манометрами в пределах 10^-5—10^-7 миллиметра ртутного столба, а на участках орбиты с большими высотами — термоионизационными манометрами в интервале 10^-5—10^-9 миллиметра ртутного столба.

Установленные на третьем спутнике манометры были расположены на его корпусе и имели контакт с окружающим пространством. Через определенное время после выхода спутника на орбиту специальным разбивающим механизмом манометры вскрывались, и их полость заполнялась молекулами окружающей среды. В термоионизационном манометре молекулы, попавшие в его полость, сталкиваются с электронами, испускаемыми катодом (раскаленный вольфрамовый волосок) манометра. В результате столкновений молекулы ионизируются и образующиеся положительные ионы собираются на сетке электрода (коллекторе), которая заряжена отрицательно. Число положительных ионов пропорционально числу электронов, пролетающих в единицу времени от катода к аноду. Мерой давления газа будет служить величина ионного тока, снимаемого с коллектора.

В магнитном электроразрядном манометре свободные электроны, попавшие вместе с молекулами газа в его полость, закручиваются вокруг силовых магнитных линий постоянного магнитного поля, которое создается между анодом и катодом от постоянного магнита. Сталкиваясь с молекулами, электроны вызывают их ионизацию, в результате чего в схеме манометра возникает разрядный ток, величина которого пропорциональна количеству образовавшихся ионов.

Рис. 11. Ионизационный манометр и усилитель постоянного тока

Использование обычных ионизационных манометров для измерения давления в указанных пределах в ионизированной среде невозможно, так как токи, образуемые в манометре присутствующими в свободной атмосфере ионами и электронами, сравнимы с токами манометров, которые являются мерой давления атмосферы.

Поэтому в применяемых для измерения давления в ионизированной среде ионизационных манометрах с помощью специальных экранов и ловушек осуществляется разделение этих токов и измеряются лишь токи, являющиеся мерой давления. Ток манометра усиливается усилителем постоянного тока и подается на вход телеметрии. На протяжении всего полета спутника непрерывно регистрируется ионный ток в манометре, производится периодически калибровка усилителей, регистрация тока эмиссии манометров, измеряется температура стенки манометра.

Измерение давления и плотности атмосферы на больших высотах является чрезвычайно сложной задачей. До осуществления эксперимента даже оспаривалась возможность измерения давления на спутниках с помощью манометров.

При подготовке эксперимента были проведены теоретические и лабораторные исследования, на основании которых были оценены вероятные значения ошибок в определении плотности и давления атмосферы с помощью манометров.

Особое внимание было уделено определению газовыделения спутника. Процесс газовыделения обусловлен тем, что на поверхности спутника могут находиться газы, захваченные из нижних слоев атмосферы. Этот процесс может быть достаточно активен из-за малой плотности окружающей среды. Кроме того, если сам спутник недостаточно герметизирован, то газовыделение возможно изнутри спутника. Все это может внести существовенные искажения в показания манометров. С целью устранения влияния газовыделения на показания манометров проведена большая работа по определению времени обезгаживания различных конструкционных материалов и созданию хорошей герметизации спутника. На основавании этих исследований и проведенных расчетов были выбраны материал создавался спутник, и определены требования к его герметичности.

Давление и плотность атмосферы являются сложными функциями показаний манометров, скорости спутника, его ориентации в пространстве, состава и температуры газа в атмосфере и в манометре.

С целью обеспечения надежности и контроля работы манометров на третьем советском спутнике установлены два термоионизационных и один магнитный манометры. В соответствии с программой, измерения проводились в течение недели. За это время были измерены давление и плотность атмосферы на различных географических широтах, долготах и высотах.

Анализ обработанных материалов показывает, что плотность на высоте 266 километров в десять миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли, а при увеличении высоты еще на 100 километров она уменьшается еще в 10—12 раз. Эти результаты согласуются с определением плотности по торможению спутников.

На третьем советском искусственном спутнике Земли был установлен прибор для исследования ионного состава ионосферы — радиочастотный масс-спектрометр, предназначенный для определения спектра масс положительных ионов, имеющихся в ионосфере Земли.

Важнейшей характеристикой газов, входящих в состав атмосферы (как и вообще всех существующих химических элементов), является их атомный и молекулярный вес, которые принято выражать в условных единицах, так называемых атомных единицах массы. За атомную единицу массы принимают величину, равную ¹/₁₆ веса атома кислорода.

Анализируя молекулярные и атомные веса различных соединений и смесей, можно сделать заключение об их химическом составе.

В радиочастотном масс-спектрометре используется принцип разделения ионов по скоростям. Основным элементом прибора является масс-спектрометрическая трубка, представляющая собой электровакуумную лампу особой конструкции с большим числом плоскопараллельных сеток. За сетками имеется коллектор, представляющий собой металлическую пластинку, собирающую ионы, вошедшие в масс-спектрометрическую трубку и прошедшие все сетки.

На электроды трубки подаются различные постоянные и переменные напряжения. Они выбраны таким образом, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью.

Когда ионы достигают коллектора, в его цепи возникает импульс. Массовое число ионов, соответствующее каждому импульсу, может быть определено путем сравнения записи спектра масс с записями ускоряющего напряжения масс-спектрометра. Получен новый материал по определению ионного состава ионосферы в широком интервале высот от 230 до 950 километров.

Проведенный эксперимент показал, что преобладающими в этой области ионосферы являются ионы атомарного кислорода. Зарегистрированы также ионы атомарного азота, но в значительно меньшем количестве (3— 7 процентов от количества ионов кислорода). Не обнаружены ионы молекулярного кислорода и азота. Кроме указанных ионов, масс-спектрометр в начале полета регистрировал ионы водяных паров. Тщательный анализ полученных данных указывает на то, что эта вода обязана своим присутствием самому спутнику, который занес некоторое количество ее на своей поверхности в верхние слои атмосферы. Однако факт ионизации испаряющихся паров воды в верхней атмосфере остается загадочным.

Рис. 12. Аппаратура для измерения ионного состава (масс-спектрометрическая трубка и электронный блок)

Весьма интересны с биофизической точки зрения результаты обнаружения заметного количества ионов на высотах порядка 1000 километров, где по старым представлениям земная атмосфера переходит в межпланетный газ.

Измерения на спутнике показывают, что атмосфера с заметно ощутимой плотностью простирается на значительно большие высоты, чем это предполагалось ранее.

Электроны, образующиеся в верхней атмосфере при ионизации, играют большую роль в процессе распространения радиоволн на большие расстояния. Слои верхней атмосферы с большим содержанием электронов являются как бы зеркалами, которые отражают радиоволны и тем самым обеспечивают распространение их за пределы прямой видимости. Траектории радиоволн, проходящих через эти слои, искривляются. До сих пор ионизация верхней атмосферы исследовалась по отражению от ионизированных слоев радиоволн, посылаемых специальными радиозондирующими станциями. Однако таким способом удавалось исследовать только области, расположенные ниже области с максимальным содержанием электронов, т. е. до высоты 300 километров. Более высокие слои оказывались недоступными для такого метода исследования.

С помощью геофизической ракеты Академии наук СССР, запущенной 28 февраля 1958 года, удалось поднять радиопередатчики выше области с максимальной ионизацией. Исследование радиосигналов от них, принятых наземными станциями, позволило определить концентрацию электронов вплоть до высоты 473 километра. Оказалось, что выше максимума ионизации электронная концентрация падает очень медленно. Она уменьшается с высоты 290 километров, где она максимальна, до высоты 473 километра не более чем в два раза.

На третьем искусственном спутнике была установлена специальная аппаратура с ловушками положительных ионов. Она позволяет определить пространственные и временные изменения ионизации. Над поверхностью спутника были установлены две сетчатые сферические ионные ловушки, внутри каждой из которых был помещен сферический коллектор, находящийся под отрицательным потенциалом относительно оболочки спутника. На сетчатые оболочки ловушек периодически подавались короткие импульсы напряжения относительно корпуса спутника. При этом снимались вольт-амперные характеристики — зависимости тока, проходящего через коллектор ловушки, от потенциала ее сетчатой оболочки. Обработка этих вольт-амперных характеристик позволяет определять, кроме концентрации положительных ионов, потенциал спутника относительно окружающей среды, который в свою очередь позволяет оценить температуру электронов в верхней атмосфере.

С помощью третьего спутника получен богатый материал. Установлено, что распределение ионизации аналогично тем данным, которые получены с помощью ракет. Однако, поскольку регистрация с помощью спутника велась в течение длительного времени и над различными районами Земли, полученные материалы более обширны, чем немногочисленные ракетные данные. Эти результаты представляют значительный интерес. Так, оказалось, что температура ионосферных электронов намного выше, чем температура нейтральных частиц и ионов на этих высотах. Это неожиданный результат, который требует дальнейшего изучения и объяснения. Сейчас можно лишь выдвигать различные гипотезы для объяснения этого ранее неизвестного явления в верхней атмосфере. Вполне возможно, что высокая электронная температура обязана существованию переменных геомагнитных полей. Дальнейшее изучение этого явления позволит лучше распознать законы, управляющие ионосферными процессами.

Измеренный отрицательный потенциал спутника на высоте в 795 километров в дневное время оказался примерно равным 6 вольтам, а концентрация положительных ионов на этой же высоте — порядка 160 тысяч ионов в одном кубическом сантиметре. На высоте 242 километров потенциал спутника был примерно равен 7 вольтам, а концентрация — полмиллиона ионов в кубическом сантиметре.

Измерения собственного электрического заряда спутника и напряженности электростатических полей в верхних слоях атмосферы производились с помощью двух электростатических флюксметров (весьма чувствительных электрометрических приборов), датчики которых были установлены в симметричных точках на поверхности спутника. Каждый из датчиков состоит из изолированной измерительной пластины, которая 1500 раз в секунду открывается и закрывается с помощью специального экрана, соединенного с корпусом спутника.

При наличии как внешнего электростатического поля, так и собственного заряда, с пластины течет ток, который на сопротивлении, соединяющем измерительную пластину с корпусом спутника, создает переменное напряжение, пропорциональное измеряемым величинам. Это напряжение после усиления и выпрямления, которые производятся с помощью двухканального электронного блока, подается на вход телеметрического устройства. С помощью подачи контрольных сигналов от программного механизма во время полета спутника можно было проводить проверку функционирования прибора.

Так как внешнее электростатическое поле и поле собственного заряда спутника в точке расположения одного из датчиков складываются, а в точке расположения другого датчика вычитаются, то из данных измерений, проведенных обоими датчиками, можно вычислить как напряженность поля атмосферы, так и величину собственного заряда случника.

Контрольные измерения, проводившиеся во время полета спутника, позволяют установить, что применявшаяся аппаратура работала нормально.

Измерения электростатического заряда спутника показали, что спутник приобретает отрицательный заряд. Напряженность электростатического поля у стенок спутника оказалась значительно больше ожидаемой. Если считать, что заряжение спутника связано с тепловыми скоростями электронов и учесть концентрацию заряженных частиц, полученную из результатов измерений, проведенных на спутнике, то температура электронного газа на этих высотах должна значительно превышать температуру нейтрального газа, что подтверждает данные, полученные с помощью прибора, для измерения концентрации ионов.

Неожиданно большой оказалась измеренная напряженность поля в верхних слоях атмосферы. Величина ее по меньшей мере в 10—100 раз превышает ожидавшиеся значения. Этот факт, который может оказаться ключом к пониманию многих процессов в ионосфере, как, например, причин ее ионизации в ночное время, нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке и детальном изучении.

На третьем советском искусственном спутнике Земли были впервые осуществлены геомагнитные измерения, основной задачей которых является исследование пространственного распределения постоянного магнитного поля Земли на больших высотах и сравнение пространственного распределения линий одинаковой интенсивности магнитного поля и линий одинаковой интенсивности космических лучей. Проведение геомагнитных измерений на спутнике — задача чрезвычайно сложная, так как большое количество приборов, установленных на нем, создавало значительные трудности для точных измерений напряженности магнитного поля, связанные с магнитной девиацией, вносимой бортовой аппаратурой. Поэтому необходимо было принимать специальные меры для устранения и учета магнитной девиации. Это же обстоятельство наложило известные ограничения и на выбор магнитометра, с помощью которого проводились геомагнитные измерения на третьем искусственном спутнике Земли.

Магнитометр представляет собой прибор, измерительный датчик которого автоматически ориентируется по направлению полного вектора земного магнитного поля при любой ориентации спутника. Мерой магнитного поля и его изменений служит ток компенсации, пропускаемый: по катушке, установленной на измерительном датчике, в таком направлении, чтобы он полностью компенсировал земное поле в объеме, занимаемом датчиком.

Два потенциометрических датчика, установленных на узле ориентации магнитометра, позволяли определять положение корпуса спутника относительно земного поля и скорость его вращения вокруг собственной оси.

Магнитометры этого типа менее чувствительны к неоднородностям магнитного поля и электромагнитным помехам. Неоднородность поля и переменные помехи влияют на устойчивость и точность работы магнитометра, но не препятствуют формированию сигнала.

Рис. 13. Аппаратура для измерения магнитного поля Земли
(узел ориентации и электронный блок)

В результате обработки полученных материалов представляется возможность сделать ряд заключений.

По данным потенциометрических датчиков узла ориентации магнитометра можно получить точную картину характера движения спутника около своего центра тяжести. Спутник, вращаясь вокруг собственной оси со скоростью порядка 0,36 градуса в секунду, в то же время совершает прецессионное движение вокруг неподвижной в пространстве оси с периодом 140 секунд. По имеющимся данным можно определить абсолютную ориентацию спутника в пространстве относительно определенной системы координат.

Благодаря прецессионному характеру движения спутника представляется возможным исключить основную часть девиационной погрешности, связанной с окружающей магнитометр аппаратурой. Это влияние бортовой аппаратуры было определено экспериментально в лабораторных условиях. Зная максимальное значение магнитной девиации, можно считать, что магнитометр спутника реально измеряет напряженность магнитного поля Земли и проекцию вектора магнитной помехи на направление земного магнитного поля.

Анализ магнитограмм, относящихся к территорий Восточно-Сибирской магнитной аномалии, показывает, что эта аномалия затухает с высотой очень медленно. Этот экспериментальный факт свидетельствует не в пользу геофизических гипотез, основанных на предположении, что источники этой материковой аномалии лежат в верхних слоях земной коры.

Просмотр материалов позволяет обнаружить также особые точки, которые характеризуются сравнительно кратковременными, но быстрыми изменениями магнитного поля. По времени они совпадают с прохождением спутника через область ионосферы слоя F₂.

Есть основания считать, что обнаруженные быстрые изменения магнитного поля можно связывать с предполагаемыми токовыми системами в верхних слоях атмосферы. Достоверность подобного предположения должна быть проверена анализом и статистикой всего экспериментального материала. Вопрос о реальности существования токовых систем имеет исключительное значение для многих проблем геофизики и астрофизики.

Для исследования метеорных частиц на третьем советском искусственном спутнике Земли применялась аппаратура, позволяющая регистрировать как число ударов частиц о поверхность измерительного устройства, так и их энергию.

Метеорная частица, летящая со скоростью от 11 до 70 километров в секунду, при попадании в преграду — измерительное устройство — взрывается. Поэтому импульс ее измерить нельзя, и регистрируется импульс материала датчика, выбрасываемого при взрыве.

Теоретический расчет показал, что для больших скоростей импульс, получаемый измерительным устройством при взрыве, пропорционален энергии метеорной частицы и зависит от материала поверхности датчика.

Измерение импульсов осуществлялось при помощи баллистического пьезодатчика, представляющего собой массивную плату, подвешенную на плоской пружине, с которой связаны четыре пьезоэлемента из фосфата аммония.

Смещение платы под действием удара метеорной частицы вызывает деформацию пьезоэлементов с выдачей электрического напряжения в виде кратковременных затухающих колебаний, которые регистрируются усилителем-преобразователем, подсчитывающим количество импульсов в отдельных амплитудных диапазонах.

Пьезодатчики измеряют импульс, действующий на их поверхность в диапазоне от 0,1 до 1000 граммов на сантиметр в секунду. Предельная чувствительность измерительной аппаратуры позволяет регистрировать удары метеорных частиц с массами в одну миллиардную долю грамма при средней скорости 40 километров в секунду.

Пьезодатчиками общей площадью в 840 квадратных сантиметров зарегистрирован в среднем один удар больше чем за 100 секунд. Это соответствует плотности метеорного вещества менее десятимиллиардной доли грамма в секунду на квадратный метр поверхности. Наряду с такой плотностью метеорного вещества было зарегистрировано кратковременное сильное увеличение числа ударов, достигающее нескольких десятков на квадратный метр в секунду. Зарегистрированные метеорные частицы обладали энергиями порядка десяти тысяч эрг.

Исследование космического излучения дает возможность получать все новые и новые сведения о процессах зарождения частиц, обладающих очень большими энергиями. Уже первые опыты на втором искусственном спутнике Земли по изучению космических лучей дали интересные результаты. На третьем спутнике были поставлены более сложные приборы для изучения космических лучей, которые позволяли регистрировать, помимо заряженных частиц, фотоны и тяжелые атомные ядра в космическом излучении.

Установленный на борту спутника люминесцентный счетчик позволял с большей эффективностью регистрировать фотоны. Основной частью прибора являлся фотоумножитель, соединенный с кристаллом йодистого натрия. Этот прибор был присоединен к радиопередатчику «Маяк», который передавал в эфир данные о суммарной ионизации в кристалле и считал число импульсов, соответствующих выделенной в кристалле энергии больше тридцати пяти тысяч электронвольт. Эти величины передавались путем изменения длительности сигналов, посылаемых «Маяком».

Люминесцентным счетчиком было зарегистрировано резкое изменение числа фотонов при достижении примерно 60 градусов северной широты. Сначала при движении с юга на север интенсивность составляла 300—500 фотонов в секунду, а затем она резко возрастала. При движении с севера на юг, наоборот, наблюдалась сначала очень большая интенсивность, а затем при достижении указанной широты она быстро снижалась. Такое изменение указывает на то, что выше 60 градусов северной широты включается новый интенсивный источник фотонов. Эта широта близка к зоне полярных сияний, и естественно объяснить это явление связью с полярными сияниями.

Если в составе частиц, вызывающих полярные сияния, имеются электроны с энергией в несколько сотен тысяч электронвольт, то попадание этих электронов на обшивку спутника приводит к образованию жесткого рентгеновского излучения, регистрируемого люминесцентным счетчиком.

Как показали измерения, еще более интенсивные потоки, заряженных частиц наблюдаются в районе экватора. Интенсивность этих потоков резко растет с высотой и при приближении к экватору. Число частиц в этих потоках очень велико. Оно в тысячи раз превышает число частиц в потоке космических лучей.

Таким образом, оказывается, что Земля окружена как бы ореолом из быстро движущихся частиц, удерживаемых магнитным полем Земли.

Аналогичные явления могут наблюдаться и у других небесных тел, обладающих магнитным полем.

Прибор для измерения количества тяжелых атомных ядер в первичном космическом излучении, установленный на третьем советском искусственном спутнике Земли, имел возможность регистрировать ядра, начиная со значения заряда более 16, и для другой группы ядер — со значения заряда более 30. Использованный в приборе счетчик состоял из фотоэлектронного умножителя и плексигласового детектора. Такой счетчик регистрировал только атомные ядра с очень большой энергией, превышающей 300 миллионов электронвольт, приходящихся на каждую составную часть ядра (протон или нейтрон).

На основании обработки показаний прибора число атомных ядер с зарядом более 16 оценивалось по отдельным интервалам времени. Среднее число таких атомных ядер составляло 1,2 ядра в минуту. Был отмечен один лишь случай регистрации ядра с зарядом более 30. Эти данные весьма существенны для развития теории происхождения космических лучей.

По данным, полученным при работе счетчика, число атомных ядер более тяжелых, чем железо, в космическом излучении оказалось примерно в десять тысяч раз меньше по сравнению с числом ядер железа, никеля и кобальта.

Состав и соотношение различных атомных ядер в космическом излучении, вообще говоря, связаны с обилием химических элементов во Вселенной. Предварительные результаты, полученные на третьем спутнике, подтверждают ту точку зрения, что соотношение потоков очень тяжелых ядер с зарядом более 30 и ядер с зарядом больше 16 примерно соответствует соотношению для этих ядер, взятых из данных, полученных из анализа состава планет, звезд и метеоритов.

Обычно ионизация верхней атмосферы создается жестким электромагнитным излучением Солнца. Однако установлено, что дополнительная ионизация возникает от корпускул — быстрых протонов, альфа-частиц, электронов и т. д. Воздействие корпускул наиболее интенсивно на высоких геомагнитных широтах. Если их проникновение совершается ночью, то одновременно с повышением ионизации развивается так называемое явление полярного сияния. По спектрам полярных сияний было установлено, что среди корпускул имеются такие частицы, как ионы и атомы водорода, атомы гелия. Ряд спектров полярных сияний мог бы быть объяснен не особенно быстрыми электронами. Изучение явления полярных сияний позволяло делать предположение, что во внешней земной атмосфере за счет переменных магнитных полей, создаваемых межпланетной средой и корпускулярными потоками Солнца, могут ускоряться собственные атмосферные электроны. При облучении такими ускоренными электронами корпуса спутника должны были возникать рентгеновские лучи, которые и были зарегистрированы люминесцентным счетчиком.

Для регистрации корпускул на третьем искусственном спутнике Земли были применены флуоресцирующие экраны, аналогичные тем, которые имеются в кинескопах телевизоров. Эти экраны были закрыты алюминиевыми фольгами различной толщины. Излучение экранов регистрировалось фотоэлектронными умножителями. Их сигнал передавался на запоминающее телеметрическое устройство. С помощью данной аппаратуры были зарегистрированы интенсивные электронные потоки. Иногда они были столь интенсивными, что превосходили верхний предел измерений аппаратуры. В этих условиях показания прибора выходили за пределы шкалы измерений (аппаратура «зашкаливалась»). Редко отсутствовали сигналы на пороге чувствительности аппаратуры. Когда аппаратура не была «зашкалена», по характеру соотношения сигналов от индикаторов с фольгами различной толщины можно было предполагать, что энергия электронов достигала 10 тысяч электронвольт. В момент «зашкаливания» приборов их энергия могла быть и больше. Если приписать электронам указанную выше энергию, то поток энергии на пороге чувствительности составлял около одной миллионной доли полной солнечной энергии, падающей на один квадратный сантиметр земной поверхности. В момент «зашкаливания» приборов эта доля возрастала до одной тысячной. Интенсивность электронных потоков непрерывно изменялась: она увеличивалась с высотой и над высокими геомагнитными широтами. Указанные электроны не могут быть непосредственно солнечными корпускулами, так как их скорость много выше той, которая установлена для солнечных корпускул по наблюдению полярных сияний. Они скорее всего могут быть объяснены указанным выше процессом ускорения электронов во внешней атмосфере за счет переменных геомагнитных полей.

Небезынтересно отметить, что прибор для регистрации космических фотонов не смог зарегистрировать таких частиц из-за сильных помех от рентгеновского излучения, возникающего при облучении корпуса спутника жесткими электронами. Этот прибор вместо информации о космических фотонах дал ценную дополнительную информацию о не особенно жестких электронах внешней атмосферы, существование которых ранее подвергалось серьезному сомнению.

Обнаруженное явление представляет большой интерес для физики верхней атмосферы. Оно может объяснить ряд аномалий в ионосфере и быть дополнительным источником разогревания верхней атмосферы над полярными районами Земли.

Длительное проведение многих научных экспериментов на искусственном спутнике Земли ограничивается электрической емкостью источников тока. Поэтому особое значение приобретает опыт использования солнечных батарей в качестве новых источников питания.

На третьем искусственном спутнике Земли, помимо солнечных батарей, предназначенных для питания радиопередатчика «Маяк», были установлены экспериментальные солнечные батареи, позволившие выяснить условия работы солнечных батарей в космосе.

Такие батареи, состоящие из большого числа кремниевых фотоэлементов, преобразуют солнечную радиацию непосредственно в электрическую энергию. Кремниевый фотоэлемент — это тонкая пластинка (толщиной менее одного миллиметра) сверхчистого монокристаллического кремния. Она состоит из двух областей, обладающих противоположными механизмами проводимости. Коэффициент преобразования солнечной энергии фотоэлемента составляет 9—11 процентов, а напряжение одного элемента — около 0,5 вольта.

Экспериментальные солнечные батареи расположены на двух противоположных сторонах корпуса спутника. По их показаниям выяснились скорость метеорной эрозии и изменение температуры солнечной батареи при нахождении ее на Солнце или в тени. Наблюдения показали, что в соответствии с расчетами средняя температура кремниевых преобразователей колебалась между 16 и 30 градусами Цельсия. Таким образом, при рационально выполненной конструкции не приходится опасаться выхода из строя фотоэлементов в результате перегрева. Обработка данных, связанных с метеорной эрозией, говорит о том, что стирание покрытий, защищающих поверхность солнечных батарей, происходит медленно и также не может служить причиной быстрого выхода батареи из строя.

Работа радиопередатчика «Маяк», питающегося от солнечных батарей по настоящее время, подтверждает, что космические излучения, по-видимому, также не представляют большой опасности для солнечной батареи. Солнечная батарея для питания «Маяка» размещалась в виде отдельных секций на поверхности спутника. Четыре малые секции установлены на переднем днище, четыре — на боковой поверхности и одна — на заднем днище. Все секции были включены параллельно друг другу через диоды.

При прохождении спутника в лучах солнца питание радиопередатчика осуществляется от солнечных батарей. При движении спутника в земной тени передатчик питается от электрохимических источников тока. Переключение с одного вида питания на другое осуществляется автоматически.

Положительные результаты эксперимента по прямому преобразованию солнечной энергии в электрическую вне земной атмосферы, проведенного в большом масштабе на третьем спутнике Земли, имеют важное значение для обеспечения режима работы научной аппаратуры в течение длительного времени.

Результаты исследований, полученные с помощью третьего советского искусственного спутника Земли, намного расширили наши знания о верхних слоях атмосферы и прилегающем космическом пространстве. Впервые человек с помощью тончайших приборов произвел исследования в недоступных ранее областях Вселенной.

Эти исследования уже сейчас коренным образом меняют наши представления о верхних слоях атмосферы.

Величайшая заслуга советских ученых состоит в том, что они сумели создать мощные спутники, оснащенные совершенной научной аппаратурой, надежно работающей в условиях космического полета.

«Правда», 5 октября 1958 г.

Завтра, 4 апреля, третий советский искусственный спутник Земли завершает свой десятитысячный оборот вокруг земного шара. К этому времени он пролетит 446,6 миллиона километров, находясь в полете 689 суток.

По сроку существования третий спутник значительно превзошел своих предшественников. Как известно, первый в мире искусственный спутник Земли, созданный советскими учеными, инженерами и рабочими и открывший новую эру в развитии науки и техники, просуществовал 94 дня, сделав 1440 оборотов вокруг Земли, а второй — 163 дня, совершив 2370 оборотов.

Вес третьего спутника — 1327 килограммов — почти в шестнадцать раз превышает вес первого спутника, а по своему полезному весу третий спутник остается непревзойденным до настоящего времени.

Большой вес третьего спутника, позволивший установить на нем сложную и разнообразную научную аппаратуру, надежность и устойчивая работа этой аппаратуры в условиях запуска и полета, высокая работоспособность бортовых источников электроэнергии дали возможность осуществить с помощью этого спутника важные и тонкие исследования на протяжении длительного времени.

Наконец, существенно большая величина апогея третьего спутника сравнительно с первыми двумя позволила получить новые данные о таких высотах, которые до этого не были достигнуты.

При выходе третьего спутника на орбиту наибольшее удаление его от Земли (апогей) было равно 1880 километрам, минимальное (перигей) — 226 километрам, а период обращения составлял 105,95 минуты. К пятитысячному обороту, 8 мая 1959 года, период обращения третьего спутника сократился до 99,51 минуты, а апогей уменьшился на 605 километров, достигнув 1275 километров.

За вторые пять тысяч оборотов, в связи с движением спутника в слоях атмосферы с большей плотностью, изменение параметров его орбиты происходило значительно быстрее.

К 4 апреля период обращения спутника сократится до 88,60 минуты, а апогей его орбиты понизится до 230 километров.

Перигей орбиты спутника также существенно снизится, достигнув 165 километров. Особенно интенсивно происходило сокращение орбиты и приближение ее к круговой в течение последнего месяца существования спутника.

С 28 марта начался период резкого торможения движения спутника и вхождения его в значительно более плотные слои атмосферы.

На основании произведенных расчетов прекращение существования третьего советского спутника ожидается 4—6 апреля с. г.

С помощью третьего советского искусственного спутника Земли были проведены широкие исследования космических лучей, корпускулярного излучения Солнца, магнитного поля Земли, строения ионосферы, изучение распределения плотности и давления верхних слоев атмосферы, метеорных частиц и распространения радиоволн.

Важным научным результатом, полученным при изучении космического излучения с помощью третьего спутника, было открытие внешнего радиационного пояса и подробное исследование как внутреннего, так и внешнего поясов. Как известно, первые сведения о существовании внешнего радиационного пояса Земли были получены при полете второго советского искусственного спутника.

При пролете третьего спутника над районом 65 градусов геомагнитной широты в северном и южном полушариях он пересекал зону повышенной радиации, обусловленной электронами с энергией в десятки и сотни тысяч электронвольт. Такого излучения не наблюдалось в низких широтах и в районах геомагнитных полюсов, что возможно только в случае, если электроны оказываются запертыми в ловушке, создаваемой магнитным полем Земли. Этот вывод, основанный на наблюдениях третьего спутника, был позднее подтвержден данными, полученными при полетах советских космических ракет.

Еще до запуска третьего спутника было обнаружено интенсивное космическое излучение над экваториальными областями. Однако, что собой представляло это излучение и как оно распределено в пространстве, в то время не было известно. На эти вопросы впервые ответили приборы третьего советского искусственного спутника Земли. Было показано, что экваториальный внутренний радиационный пояс Земли состоит из протонов больших энергий в десятки и даже сотни миллионов электрон-вольт.

Помимо этого, получены интересные данные о распределении тяжелых ядер в первичном космическом излучении.

На третьем спутнике была установлена аппаратура для обнаружения частиц малых энергий, с помощью которой удалось обнаружить потоки электронов с энергией около 10 килоэлектронвольт. Значительная часть таких электронов отражается по мере движения к Земле вследствие существования геомагнитного барьера. Электроны, способные достигать ионосферных слоев, создают дополнительные ионизацию и разогрев верхней атмосферы. Обнаружение указанных электронных потоков проливает новый свет на природу полярных сияний.

С помощью третьего спутника получены новые данные о постоянном магнитном поле Земли. Обнаружены также кратковременные и быстрые изменения магнитного поля. Благодаря этому получен ценный материал для исследования так называемых токовых систем верхних слоев атмосферы.

Новые данные получены при измерении плотности атмосферы. Наблюдение за скоростью торможения третьего спутника Земли позволило обнаружить, что плотность верхней атмосферы на уровнях выше 200 километров значительно больше, чем это считалось раньше. При этом сама скорость торможения спутника оказалась неравномерной. Были выявлены колебания плотности и температуры верхней атмосферы. Установлено, что ее освещенная часть плотнее и горячее, чем неосвещенная, и что плотность и температура верхней атмосферы над высокоширотными районами существенно зависят от состояния солнечной активности.

Использование усовершенствованных ионизационных и магнитных электроразрядных манометров позволило определить путем непосредственных измерений распределение давления и плотности верхних слоев атмосферы до высоты 500 километров.

Масс-спектрометрические измерения на третьем спутнике позволили получить материалы об ионном составе ионосферы в широком интервале высот.

Измерения показали, что в дневное время на высотах от 225 до 1000 километров в ионосфере преобладают ионы атомарного кислорода. Обнаружены также молекулярные ионы азота, окиси азота, кислорода и ионы атомарного азота. Содержание молекулярных ионов быстро падает с возрастанием высоты, и, начиная с 500 километров, ионосфера становится атомарной. Было установлено, что состав ионосферы зависит от широты.

До запуска третьего спутника прямые измерения концентрации заряженных частиц были проведены лишь до высоты 470 километров (на высотной геофизической ракете Академии наук СССР, запущенной 21 февраля 1958 г). С помощью ионных ловушек, установленных на третьем спутнике, впервые были определены величины ионной концентрации до высоты 1000 километров. Концентрация ионов, измеренная на этой высоте, оказалась равной 60 тысячам ионов в кубическом сантиметре. Получены данные о размерах ионосферных неоднородностей на разных высотах.

Измерения на третьем спутнике позволили выяснить, что так называемая метеорная опасность невелика.

Значительную роль в исследовании ионосферы, уточнении ее характеристик и изучении распространения радиоволн сыграли радионаблюдения за передатчиком «Маяк», установленным на борту третьего спутника. Прием и регистрация его радиосигналов велись многими десятками советских и зарубежных научно-измерительных станций и пунктов, размещенных на территории всего земного шара.

Длительная и устойчивая работа передатчика «Маяк» позволила проследить за распространением сигналов, излучаемых им с самых различных высот, в разное время суток и года и для различных точек земного шара.

Эти исследования дали возможность получить новые сведения о так называемых нерегулярных изменениях в ионосфере.

Было обнаружено явление «мерцания» радиосигналов спутника. В результате обработки многочисленных экспериментальных данных советскими исследователями было выявлено, что эти мерцания вызываются неоднородностями в ионосфере. Эти неоднородности образуют явно выраженные широтные пояса; установлена связь мерцаний радиосигналов спутника с другими геофизическими явлениями. Установлен характер зависимости мерцаний от времени суток и высоты.

Регистрация радиосигналов передатчика «Маяк» позволила получить новые сведения о концентрации электронов во внешней ионосфере. В согласии с данными, полученными ранее с помощью первого спутника, установлено, что электронная концентрация во внешней части ионосферы значительно плотнее, чем это предполагалось ранее.

Очень важны и интересны результаты длительной эксплуатации в условиях космоса солнечных батарей, установленных на борту третьего спутника, являющихся наиболее перспективными источниками электроэнергии для космических объектов. Безотказная работа солнечных батарей с момента запуска спутника подтвердила правильность разработанной конструкции, рациональность размещения ее отдельных секций в спутнике.

Измерения, проводившиеся с помощью третьего спутника, могли быть обработаны лишь при условии точного знания, на какой высоте, широте и долготе находился спутник в каждый момент времени.

Для определения параметров движения спутника был разработан специальный наземный автоматический измерительный комплекс, оборудованный новейшей радиотехнической аппаратурой. Определение элементов орбиты спутника производится на быстродействующих электронно-вычислительных машинах. Работа этого измерительного комплекса позволила определить характеристики орбиты третьего спутника в период проведения наибольшего количества измерений с точностью, намного превышающей точность измерений параметров движения первых двух спутников.

Для наблюдения за третьим спутником важное значение имели и другие радиотехнические и оптические средства. Около 90 оптических станций и обсерваторий на территории Советского Союза и более 110 таких станций за рубежами нашей страны постоянно вели и ведут наблюдения и регулярно высылают результаты измерений в адрес «Москва — Космос». Помимо этого, еще около 400 зарубежных станций в 33 странах эпизодически ведут наблюдения и направляют свои данные в Астрономический совет Академии наук СССР.

За третьим спутником систематически ведут наблюдения десятки тысяч советских и иностранных радиолюбителей и наблюдателей-любителей.

Чтобы оценить объем проведенных измерений и наблюдений, достаточно сказать, что за время существования третьего советского спутника Земли координационно-вычислительным центром было выдано около 56 000 эфемерид (целеуказаний) советским наблюдательным станциям и более 46 000 — иностранным пунктам. За этот же период получено и обработано более 127 000 засечек бортового передатчика «Маяк», около 28 500 результатов оптических наблюдений, произведенных советскими наблюдательными станциями, и около 19 800, присланных иностранными пунктами.

Особое значение и интерес представляют наблюдения за спутником в последний период его существования, при вхождении его в более плотные слои атмосферы. Изучение условий полета спутников в плотных слоях атмосферы, в частности, весьма существенно для создания космических аппаратов, которые должны будут вернуться на Землю. На этом последнем этапе существования спутника, когда в связи с резким изменением параметров его орбиты наблюдение за ним усложняется, к наблюдению за ним дополнительно привлекается большое число радиотехнических, оптических и других средств.

С момента запуска и до последних дней своего существования третий советский спутник вызывал огромный интерес со стороны советских людей и зарубежных граждан.

За этот период в адреса «Москва — Космос» и «Москва — Спутник» было получено много тысяч писем от советских граждан и из-за границы, в которых содержатся результаты наблюдений, различные вопросы, предложения по улучшению аппаратуры и методов наблюдения и выражается восхищение выдающимися достижениями советской науки и техники в исследовании космоса.

Результаты исследований, осуществленных с помощью третьего советского искусственного спутника Земли, существенно обогатили наши знания о верхних слоях атмосферы, космическом пространстве и привели к новым открытиям большого принципиального значения.

«Правда», 3 апреля 1960 г.

В соответствии с планом создания и отработки космических кораблей повышенного веса 4 февраля 1961 года в Советском Союзе с помощью усовершенствованной многоступенчатой ракеты осуществлен запуск тяжелого искусственного спутника Земли. Вес спутника, без учета последней ступени ракеты-носителя, составляет 6483 килограмма. На спутнике установлена радиотелеметрическая система для контроля параметров элементов конструкции и аппаратуры для траекторных измерений. Вся бортовая аппаратура спутника на участке его выведения и при дальнейшем движении по орбите функционировала нормально.

Предварительные данные, полученные с помощью наземного измерительно-вычислительного комплекса, позволили определить следующие параметры орбиты спутника: период обращения 89,80 минуты, высота перигея 223,5 километра, высота апогея 327,6 километра, наклонение орбиты 64 градуса 57 минут.

Замеренные параметры орбиты спутника близки к расчетным.

Поставленные при запуске спутника научно-технические задачи выполнены.

«Правда», 5 февраля 1961 г.