МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Одна из основных задач, поставленных перед экипажем орбитальной станции «Салют», заключалась в изучении эффектов длительного пребывания человека и других живых организмов в космическом полете. Оборудование станции обеспечивало все необходимые для такого рода исследований возможности. Большой полезный вес станции и значительные объемы ее внутренних помещений позволили разместить на борту станции разнообразную научную аппаратуру для медико-биологических исследований.
Выбор основных задач физиологических и биологических экспериментов и наблюдений определялся существовавшими в космической биологии и медицине представлениями о явлениях, которые развиваются или могут развиваться на различных структурно-функциональных уровнях организации живой материи под влиянием комплекса факторов космического полета.
Экипаж станции «Салют» проводил медико-биологические исследования по двум основным направлениям. Первое — изучение особенностей функционирования организма человека по мере увеличения длительности пребывания в условиях космического полета. Второе — исследование характера развития и некоторых сторон жизнедеятельности различных биологических объектов.
Медико-физиологические исследования
При изучении особенностей функционирования организма человека в космическом полете основное внимание было уделено исследованию сердечно-сосудистой системы. Это связано с тем обстоятельством, что функция аппарата кровообращения, как и других физиологических систем организма, определяется окружающей обстановкой и, в частности, действием земной силы тяжести. При отсутствии гравитационных сил наблюдается достаточно быстрая перестройка гемодинамики, проявляющаяся, с одной стороны, в перераспределении крови (повышении притока в область верхней половины тела) и, с другой стороны, в ухудшении реакции организма на повышенные требования, предъявляемые к сердечно-сосудистой системе. Последнее проявляется преимущественно в виде снижения экономичности реакции аппарата кровообращения на физическую работу и снижения так называемой ортостатической устойчивости. Под ортостатической устойчивостью физиологи понимают способность сердечно-сосудистой системы обеспечивать надлежащее кровоснабжение различных органов в условиях, когда человек находится в вертикальном положении. В этом случае затрудняется приток крови к сердцу и мозгу от нижележащих участков сосудистой системы, поскольку под влиянием силы тяжести кровь стремится скопиться в нижней половине тела. Физиологические механизмы, обеспечивающие возврат крови к сердцу от нижележащих областей, должны работать со значительным напряжением.
 Экипаж станции «Салют» в космическом доме на орбите |
У большинства людей, ведущих обычный образ жизни, физиологические механизмы регуляции кровотока оказываются достаточно дееспособными. Вместе с тем для поддержания надлежащей мобильности упомянутых механизмов оказывается необходимой регулярная их тренировка. Если эти механизмы не включаются на протяжении некоторого времени, то сердечно-сосудистая система «разучивается» адекватно реагировать на изменение предъявляемых к ней требований. Так, например, когда человека, достаточно долго находившегося в горизонтальном положении, переводят в вертикальное, то обычно наблюдаются явления обморочного состояния, вызванные тем, что аппарат кровообращения не в силах с необходимой быстротой и в достаточной степени обеспечить отток крови от нижней части тела, ее соответствующее перераспределение в направлении к органам верхней половины тела, в частности, к головному мозгу.
Как показали экспериментальные данные, тенденция к развитию подобного рода явлений имела место у космонавтов даже после относительно непродолжительного пребывания в состоянии невесомости.
Исходящие из общих представлений о физиологии кровообращения гипотезы, касающиеся вероятных особенностей гемодинамики в условиях невесомости, явились теоретической основой значительной части медицинских исследований, проводившихся в период первого десятилетия пилотируемых полетов. Результаты этих исследований, особенно полученные при полете корабля «Союз-9», показали правильность принятой теоретической базы. Таким образом, основное внимание при разработке программы медико-экспериментальных исследований на станции «Салют» было сосредоточено именно на исследовании характера кровообращения.
Достаточно полно оценить состояние функции кровообращения можно лишь при всестороннем учете ее особенностей. Прежде всего, это анализ параметров, характеризующих сердечно-сосудистую систему в покое. С этой целью во время полета у всех членов экипажа периодически регистрировались электрические и механические явления, связанные с деятельностью сердца и сосудов (электрокардиограмма, кинетокардиограмма, сейсмокардиограмма и др.). Эти данные позволили провести фазовый анализ сердечного цикла, отразивший характер возникновения возбуждения и сокращения, его распространение по миокарду, а также механические явления, вызываемые прохождением пульсовой волны и позволяющие оценить состояние сосудистой стенки и различные характеристики артериального давления.
Указанные физиологические параметры передавались на Землю по радиотелеметрической системе или запоминались бортовым магнитным накопителем. Для снятия параметров, их усиления и преобразования в форму, пригодную для передачи на Землю, на станции имелась аппаратура двух видов. Одна из них могла передавать ограниченный объем информации. Преимущество этой аппаратуры состояло в том, что ее обслуживание не требовало значительного расхода времени экипажа. Информация передавалась на Землю ежедневно с помощью датчиков, укрепленных в специальных поясах, которые космонавты надевали в установленное программой время. Эти датчики регистрировали электрокардиограмму и сейсмокардиограмму, а также пневмограмму (для оценки дыхательной функции космонавтов). Сигналы, посылаемые датчиками, позволяли оценивать различные функции сердечно-сосудистой системы.
|
(продолжение) Позавтракал. Сделал физо. Количество приседаний 100. В «Оазисе»* вылезли два зеленых стебля около 2 см высотой. Ребята еще спят. Пора будить Жору. Ведь у него подъем в 01.30, а сейчас уже 02.00. В иллюминаторе ярко засветилась антенна. Значит наступил очередной восход. Земля попросила надеть медицинские датчики. Надел пояс. Интересная картина: Земля еще черная и небо тоже, а антенна солнечной батареи ярко-белого цвета. Начался сеанс связи. В наушниках песня из кинофильма «Истребители»: «В далекий край товарищ улетает»... — Жора проснулся! — «Чего-нибудь хорошенькое скажешь?» «Привет тебе», — шучу я. — Померил силу кистей динамометром — 35/32. Как и было! Это уже хорошо. Пульс 52. *Установка для выращивания высших растений на борту станции «Салют» В. И. ПАЦАЕВА 13 июня 1971 г. На противосолнечном иллюминаторе на внутренней поверхности внешнего стекла видна изморозь. Заметить: 1. У сумки с инструментом — длинны ремни (закрывающие ее). Лучше сделать планки. 2 Разъем пылесоса расположен низко — неудобно работать и темно. Центр управления полетом, 14 июня 1971 г. В 22 часа 53 минуты по московскому времени 13 июня пилотируемая орбитальная научная станция «Салют» на 108-м витке вокруг Земли вошла в зону радиовидимости с территории Советского Союза. Самочувствие космонавтов хорошее, они успешно продолжают выполнять программу полета. Все системы станции функционируют нормально. На 9 часов утра 14 июня станция «Салют» находилась на орбите с параметрами: - максимальное удаление от поверхности Земли (в апогее) - 277 километров; - минимальное удаление от поверхности Земли (в перигее) - 255 километров; - период обращения вокруг Земли - 89,6 минуты; - наклонение орбиты - 51,6 градуса. Со станцией «Салют» поддерживается устойчивая радиосвязь. Командно-измерительный комплекс Советского Союза проводит систематические траекторные измерения и принимает со станции обширную научную информацию. * * * Центр управления полетом, 14 июня 1971 г. Экипаж научной станции «Салют» продолжает выполнять намеченную программу научных исследований и экспериментов. В ходе рабочего дня проводились эксперименты по отработке автономной системы навигации. Бортинженер Владислав Волков и инженер-испытатель Виктор Пацаев выполняли навигационные измерения, по результатам которых Виктор Пацаев с помощью бортовой цифровой вычислительной машины определял параметры орбиты станции. Для получения спектральных характеристик различных природных образований космонавты производили спектрографирование отдельных участков земной поверхности. Космонавты наблюдали за облачным покровом Земли, следили за образованием тайфунов и циклонов, фотографировали земную поверхность. Вновь проводился совместный метеорологический эксперимент со спутником «Метеор». В одном из сеансов связи космонавты вели телевизионный репортаж. Для определения сохранности аккомодационной способности глаз во время длительных оптических наблюдений в космическом полете с помощью специального прибора проведено исследование аккомодации и конвергенции глаз космонавтов. Эксперимент проводился в течение 30 минут во время нахождения станции на освещенной стороне Земли. По сообщениям космонавтов и данным телеметрической информации, все бортовые системы станции работают нормально, в отсеках поддерживаются заданные условия. По докладу командира научной станции «Салют» Георгия Добровольского, самочувствие членов экипажа хорошее. В 12 часов 30 минут научная станция «Салют» вышла из зоны радиовидимости с территории Советского Союза. Связь с экипажем станции осуществляется с помощью научно-исследовательского корабля «Академик Сергей Королев» и через спутник связи «Молния-1». 14 июня 1971 г. 03 ч 12 мин Янтарь-2. Давайте нам больше «Маяков» *. Мы очень скучаем без них. Их очень хорошо слышно над Южной Америкой, В другом месте нигде не прослушиваются. *Передачи радиопрограммы «Маяк» Янтарь - 3. Вы наблюдали нас? Заря. Наблюдали. Янтарь-3. Я вам сейчас командира покажу - вот он во всей своей красе. 14 июня 1971 г. Работали в режиме закрутки на Солнце. Станция иногда «вздрагивает» - 2-3 слабых толчка. Очевидно, это связано с перетеканием жидкостей.
Заметить. Все пульты управления научной аппаратурой надо закрыть предохранительными крышками из оргстекла.
Светящиеся частицы часто сопровождают станцию и летят в разных направлениях. Это пылинки или мелкие крошки. Центр управления полетом, 15 июня 1971 г. Пилотируемая орбитальная научная станция «Салют» к 15 часам по московскому времени совершила 134 оборота вокруг Земли. Очередной рабочий день экипажа начался вчера в 22 часа 45 минут, когда станция «Салют» вошла в зону радиовидимости с территории Советского Союза. Первым на космическую вахту заступил бортинженер Волков. Командир станции Добровольский приступил к работе 15 июня в 3 часа 30 минут, несколько позже начался рабочий день у инженера-испытателя Панаева. В ходе дня космонавты проводили отдельные, начатые ранее эксперименты, выполняя их в новых режимах работы аппаратуры. Космонавты проводили спектральную съемку характерных образований земной поверхности в прибрежных районах Каспийского моря с целью использования полученных данных в сельском хозяйстве, мелиорации, геодезии и картографии. Одновременно выполнялась аэрофотосъемка тех же районов со специально оборудованных самолетов экспедиций Ленинградского государственного университета и Академии наук СССР. С борта станции «Салют» экипаж продолжал фотографирование облачного покрова над районами Поволжья. Одновременная телевизионная съемка тех же облачных образований выполнялась спутником «Метеор». Целью этого эксперимента является изучение тонкой структуры облачных систем и отработка методики дешифрирования телевизионных снимков, полученных со спутника «Метеор». С целью получения данных по радиационной безопасности в космических кораблях и для создания эффективной системы дозиметрического контроля были продолжены измерения поверхностной и глубинной доз радиации, определение относительной биологической эффективности космического излучения. Для раздельной регистрации протонов, нейтронов и гамма-квантов на фоне космического излучения неоднократно включалась измерительная научная аппаратура. При выполнении программы медико-биологических экспериментов были продолжены комплексные исследования сердечно-сосудистой системы. В сеансах телевизионной связи космонавты рассказывали об экспериментах, демонстрировали научную аппаратуру. По докладу командира станции Добровольского и данным телеметрической информации, самочувствие космонавтов хорошее. В 12 часов 36 минут орбитальная научная станция «Салют» вышла из зоны радиовидимости с территории Советского Союза. 15 июня 1971 г. 3аря-25. Как вы меня слышите? Янтарь-2. Янтарь-2 на связи. 3аря-25. Мы вас отлично принимаем. Нам бы хотелось, чтобы вы рассказали об эксперименте по сердечно-сосудистой системе. Янтарь-2. Одна из наиболее важных задач, которая ставится перед нами в этом полете - это проведение медицинских экспериментов. Накопленная информация позволит нашим ученым сделать правильные выводы о возможности длительного пребывания человека в космосе. Сегодня мне хотелось бы ознакомить Вас с одним из таких экспериментов.... Я сейчас вам все покажу поближе. 3аря-25. Пожалуйста. Кстати, Владислав Николаевич, как вы себя чувствуете? Как весь экипаж? Янтарь-2. Экипаж чувствует себя отлично, чему в немалой степени способствовала наша подготовка на Земле. Вот сейчас, дорогие товарищи, вы видите Виктора Пацаева, который готовится к проведению очередного медицинского обследования. Помогает ему командир корабля Георгий Добровольский. Эксперимент проводится с помощью аппаратуры которую Вы видели на своем экране. А сейчас Виктор Пацаев показывает аппаратуру, на которой происходит регистрация физиологических параметров... 15 июня 1971 г. При низком Солнце (сразу после восходе или перед заходом) - Земля в дымке (пелена над поверхностью, хотя и нет видимой облачности). Очевидно подсвечиваются со стороны какие-то слои атмосферы. Иногда попадаются громадные облачные поля мозаичной структуры протяженностью не менее 1000 км, например, в 17.40 над 50° южной широты и 350° восточной долготы в океане между Южной Америкой и Южной Африкой. Плывущие облака над водой выглядят, как плывущая по воде пена. Цвет океанов - нежно голубой. Волны видны почти всегда в противосолнечный иллюминатор при высоком Солнце. Видна спутная струя от судов. От самолетов видны инверсионные следы. Центр управления полетом, 16 июня 1971 г. К 12 часам московского времени пилотируемая орбитальная станция «Салют» завершила 148-й виток вокруг Земли. В истекшие сутки полета экипаж станции выполнил технические эксперименты, целью которых являлась отработка новых средств ручного и автоматического управления движением космических аппаратов. В ходе этих экспериментов проверялась возможность ручного управления с помощью широкоугольного оптического визира и высокоточного оптического построителя вертикали. Командир экипажа Георгий Добровольский и бортинженер Владислав Волков проводили проверку точностных характеристик новой аппаратуры ионной ориентации с включением ее в автоматический контур управления движением. При этом контроль точности осуществлялся по оптическому построителю вертикали, визуальному астроориентиру и другим приборам системы управления движением. Одновременно выполнялось исследование массового состава верхней атмосферы с помощью радиочастотных масспектрометров. Во время работы управляющих двигателей производилось также фотометрирование возникающих при этом световых эффектов. Инженер-испытатель Виктор Пацаев продолжал навигационные измерения и обработку научных результатов на бортовой вычислительной машине. Самочувствие у всех членов экипажа хорошее. Частота пульса у Добровольского составляет 78, у Волкова - 58, у Пацаева - 77 ударов в минуту. Величины артериального давления близки к исходным и соответственно равны: 135 на 75, 118 на 55, 135 на 85 миллиметров ртутного столба. Координационно - вычислительный центр продолжает вести обработку поступающей со станции обширной научной информации. Центр управления полетом, 17 июня 1971 г. В 22 часа 30 минут по московскому времени 16 июня пилотируемая орбитальная научная станция «Салют», совершившая к этому времени 155 оборотов вокруг Земли, вновь вошла в зону радиовидимости с территории Советского Союза. Во время рабочего дня 16 июня космонавты продолжали выполнять научно-технические эксперименты. Инженер-испытатель Виктор Пацаев начал проводить новый технический эксперимент. Этот эксперимент заключался в исследовании явления высокочастотного электронного резонанса на передающих радиоантеннах в условиях космического полета и исследований в области низкотемпературной плазмы. Явление высокочастотного электронного резонанса может существенно ухудшать условия работы передающих антенн и является до сих пор малоизученным. В эксперименте определялись условия возникновения подобных процессов, измерялись значения ослабления радиосигнала, вызванного этим явлением, а также изучались возникающие при этом искажения пространственных характеристик излучения антенн различных типов. В эксперименте оценивались, кроме того, некоторые меры подавления процесса высокочастотного электронного резонанса. Самостоятельный интерес представляли проводимые одновременно измерения пространственного распределения заряженных частиц и регистрация ионов и электронов на орбите, близкой к круговой. Выявленные при этом закономерности позволят получить новые данные для разработки ионных датчиков ориентации повышенной точности. По программе полета 17 июня у экипажа станции был день отдыха. Космонавты выполняли физические упражнения, осуществляли взаимный медицинский контроль, отдыхали. Самочувствие космонавтов товарищей Добровольского, Волкова и Пацаева хорошее. Экипаж орбитальной научной станции «Салют» продолжает выполнение намеченной программы полета. 17 июня 1971 г. 04 ч 26 мин Заря. На 955 витке проведите функциональную пробу с аппаратурой. Янтарь-1. Как у нас с составом атмосферы? Заря. Нормальный у вас состав. Янтарь-1. Следите за кислородом. Заря. Кислород у вас в норме. Земля смотрит за этим. В. И. Пацаев во время астрофизических исследований у пульта управления телескопом «Орион» Заря. Янтарь-2, вы напомните Янтарю-3, что на 957 витке у него закрутка. Янтарь-2. Я их сейчас будить не стану, просто жалко, устали ребята. Заря. Не надо, не надо сейчас. Пусть отдыхают. Заря. Есть один вопрос. Сколько раз и в каких режимах по времени и разрежению применялась вакуумная емкость каждым из вас? Ответ можете подготовить на завтра, если его сейчас нет. Янтарь-1. Поняли. Вакуумная емкость - хорошая штука. Я пробовал, доходил до разрежения 700 миллиметров, и все отлично. Перегрузки не те, что на Земле, гораздо меньше, и поэтому можно безопасно давать большую величину вакуума. Центр управления полетом, 18 июня 1971 г. В 14 часов 30 минут по московскому времени пилотируемая орбитальная станция «Салют» завершила 182-й виток вокруг Земли. В ходе выполнения программы рабочего дня начались эксперименты с помощью установленной на борту станции орбитальной астрофизической обсерватории «Орион». В этих экспериментах будет проводиться отработка всего состава аппаратуры обсерватории в условиях космического полета, проверка ее работоспособности после длительного пребывания в открытом космосе, а также получение спектральных характеристик отдельных заезд в коротковолновом диапазоне излучения, недоступном для исследований с Земли. После проведения комплексных проверок систем обсерватории инженер-испытатель Виктор Пацаев в соответствии с программой опознал выбранную для исследований звезду, направил на нее визирное устройство, после чего специальная система осуществила автоматический захват, ориентацию и слежение за звездой в течение заданного периода времени. При этом выполнялось спектрографирование звезды. Первые эксперименты, проведенные с обсерваторией «Орион», подтверждают правильность положенных в основу ее разработки основных принципов создания орбитальных астрофизических обсерваторий, работающих в условиях открытой космической среды и управляемых космонавтом, находящимся внутри орбитальной станции. Космонавты передали телевизионный репортаж, в котором рассказали о проводимых с борта станции наблюдениях и исследованиях земной поверхности в интересах народного хозяйства. Самочувствие членов экипажа орбитальной станции «Салют» хорошее. Космонавты товарищи Добровольский, Волков и Пацаев продолжают выполнение программы полета. 18 июня 1971 г. 07 ч 24 мин Янтарь-3. Хорошо слышите, да? В установленное время был проведен эксперимент с «Орионом»*, второй режим, по второй звезде, карта № 3. Работу начал в 06.34, программник включил в 06.45. Экспозиции 10, 30, 90, 270 прошли нормально. Время перемотки сейчас уточняю, попозже сообщу. Потеряли свой цвет все лампочки подсветки - зеленая, оранжевая и белая. А в остальном все нормально. Доклад окончен. *Астрофизическая обсерватория для исследования спектров звезд. Заря. Третий пусть продолжает работу. Группа управления считает его работу нормальной. Янтарь-1. Да, он тоже доволен. Заря. Янтарь-3, вам напоминание. Перед началом второй половины эксперимента не забудьте проверить включение пятого пульта управления научной аппаратурой. Янтарь-3. Не забуду. Я готовлюсь долго: тщательно протираю замшей иллюминатор, стекло визира, заранее настраиваюсь. Так что все нормально. Заря. Отлично, отлично. По предварительным данным первой частью эксперимента все довольны. Янтарь-3. Да, получилось неплохо. Мы тоже довольны, и объект стоял хорошо, и автоматика держала все хорошо. Янтарь-3. Докладываю обстановку по «Ориону». Была работа по третьей звезде. Работа прошла успешно, за исключением того, что последнюю выдержку 810 секунд из-за восхода Солнца не удалось сделать и пришлось ограничиваться выдержкой 720 секунд. В остальном же все нормально. Нехватка времени получается из-за того, что очень долго подсвечивается антенна... Заря. Понял Вас, Янтарь-3, спасибо за информацию. Янтарь-3. Пожалуйста. Заря. Янтарь-3, поскольку нас завтра не будет здесь, примите от группы поздравление по случаю дня рождения. Янтарь-3. Спасибо, спасибо. Заря. Мы желаем Вам всего хорошего, на завтра Вам там готовят поздравление. От души поздравляем Вас. Янтарь-3. Спасибо. Заря. Да, да, ну и соку Вам на завтра, целую тубу. Янтарь-3. Даже стакана нет. Заря. Ну, Янтарь-2 найдет Вам что-нибудь по этому поводу. До завтра. Янтарь-2. Только что проснулся, спал около 7 часов. Выспался хорошо. Самочувствие хорошее. Остальные члены экипажа сейчас отдыхают. Заря. Где остальные спят? В рабочем отсеке? Янтарь-2. Да, опять на потолке, возле фильтров. Ногами уперлись по обе стороны и спят. Центр управления полетом, 19 июня 1971 г. К 14 часам 20 минутам по московскому времени орбитальная пилотируемая станция «Салют» совершила 198 витков вокруг Земли. Программа очередного рабочего дня экипажа станции включала выполнение научных и медицинских экспериментов и отработку отдельных бортовых систем. Космонавты тт. Волков и Пацаев проводили оптические исследования земной атмосферы методом спектрографирования дневного и сумеречного горизонта. В эксперименте определялась цветовая гамма атмосферного ореола и дневного горизонта и ее зависимость от распределения аэрозольных частиц и других оптически активных компонентов, находящихся в атмосфере. С помощью прибора солнечной ориентации космонавты проводили проверку точности гироскопических устройств в процессе длительного полета станции, ориентированной на Солнце. По программе медицинских экспериментов продолжались исследования сердечно- сосудистой системы с применением функциональных нагрузок. Проводилось изучение зрительных функций, обеспечивающих пространственное восприятие и цветоощущение, выполнялись измерения плотности костных тканей. Напряженная работа, как обычно, чередовалась с выполнением разнообразных физических упражнений и отдыхом. Все члены экипажа чувствуют себя хорошо. Бортовые системы и научная аппаратура функционируют нормально. По данным телеметрической информации, температура в рабочем отсеке станции составляет плюс 22 градуса по Цельсию, давление 880 миллиметров ртутного столба. Полет орбитальной научной станции «Салют» продолжается. 19 июня 1971 г. 07 ч 13 мин Заря. Мы все поздравляем Виктора Ивановича с днем рождения. Желаем ему успешной работы. Янтарь-3. Спасибо. Янтарь-1. Мы ему хотели устроить день отдыха, но у него много работы. Заря. Все поздравляют и думают, что командир ему банкет организует. Янтарь-1. Мы ему пытались день физкультуры устроить, дать отдых, но у него много технической работы. Янтарь-1. Докладываю: съемки сумеречного горизонта произвели. Появление Солнца, небольшой кусочек было видно, меньше половины. Такие съемки мы сделали. Заря. Янтарь-3, на связь. Янтарь-3. На связи Янтарь-3. Заря. Янтарь-3, мы все еще раз поздравляем Вас с днем рождения, желаем успешного выполнения полетного задания и большого счастья в жизни. Передает самые искренние пожелания вся Ваша семья. Янтарь-3. Спасибо за поздравление, как бы вы далеко ни были от нас, мы всегда чувствуем вашу поддержку. Заря. Как растения? Как снабжаете их влагой? Янтарь-2. Ну, растения - это наша любовь. Растут, растут. Ухаживает Виктор за ними, меняет режим. Они сами растут. Там влага внутри. Здесь поливать нельзя. Все разлетится. Заря. Вы короткие волны слушаете? Янтарь-2. На коротких хорошо слышно, когда приходим в район экватора, Южной Америки. Там я сразу включаю наше KB, и так хорошо на душе. Заря. Жаль, что задержаться нельзя и послушать. Янтарь-2. Да, вот именно обидно, очень обидно. Только уходишь из этих районов и сразу все пропадает, слышно плохо. Какие-то помехи идут. Когда музыка - более или менее слышно, а когда речь - не слышно. 19 июня 1971 г. День рождения Виктора. Поздравительное письмо от жены Виктора со словами: «Приезжала мама, чувствует себя хорошо»... Виктор очень был тронут. 19 июня 1971 г. Сегодня у Виктора день рождения. Накрыли праздничный стол. Деликатесом был репчатый лук. Его поздравила «Заря», а с Земли попросили провести репортаж. 21.30. Приступил к дежурству. Наверное, я буду первым, кому посчастливится увидеть на счетчике «Глобуса» 1000-й виток. Этот исторический момент выпал на часы моего дежурства. Просто непостижимо. Спим на новом месте. Места как в купейном вагоне. Два дня уже сплю хорошо, около 8 часов. Завтра ожидаем передачу «С добрым утром». Должны исполнять для нас, по заказу. Центр управления полетом, 20 июня 1971 г. В два часа 14 минут по московскому времени научная орбитальная станция «Салют» завершила тысячный виток вокруг Земли, из них 206 оборотов с экипажем на борту. В соответствии с программой 20 июня космонавты Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев отдыхают. В сеансах связи экипаж научной станции проводил радио- и телевизионные репортажи, рассказывая об устройстве орбитальной станции и работе научной аппаратуры. Космонавты сообщали также результаты своих наблюдений в течение истекших суток за поверхностью Земли и различными метеорологическими явлениями. Так, пролетая в 14 часов 58 минут 19 июня над северо-западным побережьем Африки, космонавты видели пылевую бурю. По докладам космонавтов и данным телеметрического контроля, самочувствие экипажа хорошее, бортовые системы и научная аппаратура станции работают нормально. Полет пилотируемой орбитальной научной станции «Салют» успешно продолжается. 20 июня 1971 г. 00 ч 59 мин Янтарь-2. Мы 1000-й виток встречаем как рабочий виток, и хотя сегодня день отдыха, мы решили его посвятить ведению дальнейших наблюдений нашей планеты и фотографированию облачного покрова Земли, океанов, суши для геологии и решения других проблем народного хозяйства. В общем, ведем ту работу, которую мы обычно выполняем и в рабочие витки. Каждую свободную минуту мы стараемся использовать так, чтобы как можно больше привезти материала на Землю. Заря. Мы передаем вам самые теплые поздравления. Поздравлений очень много. Янтарь-2. Где-то около четырех часов, когда проснется Виктор, будем заниматься физкультурой и делать то, о чем я говорил: будем производить фотографирование и наблюдение Земли. Заря. Если у вас есть данные под рукой, то расскажите, что вы сделали за сутки по медицине... Янтарь-2. Мы практически делаем все эксперименты, которые нужны врачам. Заря. Ясно, спасибо, молодцы. Янтарь-2. Я веду тщательный учет потребления пищи, воды. Товарищам, которые интересовались, сообщаю: я пишу все. Готовим материалы по работе систем. Пишем уже сейчас. Мы на корабле разделились, у каждого есть круг вопросов. Так что все делаем, как положено. Вот мы сейчас пролетаем над Африкой, район Саудовской Аравии и Северо-западной Африки. Очень много красных огней внизу. В созвездии Козерога очень яркая планета. |
Другой вид аппаратуры для регистрации и передачи на Землю информации о физиологических параметрах требовал одновременного участия в работе двух космонавтов: одного — в роли испытуемого, другого — в качестве экспериментатора. Эта аппаратура позволяла регистрировать двадцать два физиологических показателя, по пять одновременно.
Обширность спектра характеристик, снимаемых с помощью аппаратуры второго вида, обеспечивала получение большого объема информации и весьма разностороннюю оценку функции сердечно-сосудистой системы. Эта аппаратура располагала значительно более широкими возможностями по сравнению с аппаратурой первого вида. Однако из-за значительной трудоемкости выполнения операций (необходимость подгонки датчиков, регулировка сигнала с помощью бортового осциллоскопа и т. д.) аппаратура второго вида использовалась реже.
Комплексная оценка снимаемых характеристик позволяла характеризовать такие жизненно важные функции, как возбудимость, сократимость сердечной мышцы, тонус сосудов, ударный и минутный объем крови и т. д. Благодаря этому можно составить представление о том, как функционирует гемодинамическая система, не появляются ли предвестники ухудшения координированное в деятельности различных ее механизмов, обеспечивающих оптимальный системный и органный кровоток. В процессе анализа характеристик приходилось учитывать, что аппарат кровообращения обладает значительными резервными возможностями, маскирующими постепенно накапливающиеся небольшие изменения. Обнаружить нежелательные изменения при регистрации различных гемодинамических параметров в состоянии покоя часто удается лишь тогда, когда эти изменения достигают значительной глубины. Раннюю диагностику облегчает применение функциональных проб.
В клинической и экспертной практике существует большое количество функциональных проб, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. На станции «Салют» применялись два вида нагрузочных проб. Первый из них — физическая нагрузка, второй — воздействие искусственно созданного дозированного разрежения на нижнюю половину тела. Физическая нагрузка создавалась проведением заранее обусловленного цикла приседаний (в условиях дозированного притяга «к полу» с помощью резиновых амортизаторов) за определенный промежуток времени, например, 30 приседаний за 1 мин.
Перед началом цикла и после его завершения с помощью ряда накладных датчиков регистрировались некоторые физиологические показатели, характеризующие деятельность сердечно-сосудистой системы. Такие пробы регистрировались в двух вариантах.
Пробы первого варианта снимались с помощью аппаратуры первого типа, регистрировавшей меньшее количество параметров, и проводились примерно раз в три-четыре дня у каждого члена экипажа. Полученные данные характеризовали электрическую и механическую активность миокарда.
Второй вариант проб в связи с большей сложностью проведения операций регистрировался реже. Он давал информацию о состоянии таких параметров, как артериальное давление, объем крови, выбрасываемой сердцем с каждым ударом и за минуту, скорость распространения пульсовой волны по некоторым магистральным сосудам и т.д.
Нагрузочная проба второго вида, основанная на воздействии дозированного разрежения, представляет особый интерес в условиях космического полета, так как позволяет достаточно близко промоделировать реакцию сердечно-сосудистой системы на переход человека в вертикальное положение в условиях земной силы тяжести. В состоянии невесомости отток крови в сосудистое русло ног и таза, близкий по характеру с оттоком, создаваемым в условиях действия силы тяжести, может быть вызван путем создания разрежения вокруг нижней половины тела. С этой целью на станции была размещена специальная установка в виде «бочки», внутри которой можно было создавать разрежение требуемой величины.
Космонавты погружались до пояса в эту установку и создавали в ней с помощью микрокомпрессора дозированное разрежение. Величина отрицательного давления контролировалась имеющимся на пульте высотомером. Перед включением микрокомпрессора во время воздействия разрежения (предусматривалось два режима разрежения общей длительностью 5 мин) и по его окончании регистрировались параметры сердечно-сосудистой системы.
Полученная в полете информация, характеризующая деятельность сердечно-сосудистой системы, сравнивалась с данными, которые были зарегистрированы у всех членов экипажа станции в предполетном периоде. Подобного рода анализ позволил установить, что обнаруживаемые в космическом полете (в состоянии покоя) особенности кровообращения соответствуют некоторому напряжению этой функции. В частности, у командира и инженера-испытателя наблюдалась тенденция к увеличению частоты сердечных сокращений, повышению среднего артериального давления, скорости распространения пульсовой волны до начальной части аорты и плечевой артерии и возрастанию минутного объема крови. У бортинженера подобной тенденции не наблюдалось.
Вместе с тем, учитывая четкое проявление индивидуальных особенностей и отсутствие выхода регистрируемых показателей за пределы присущей каждому из космонавтов нормы, следует считать, что за время полета станции «Салют» у всех членов экипажа сохранилась достаточная функциональная полноценность аппарата кровообращения. У космонавтов наблюдалась более выраженная реакция на функциональные пробы, однако заметной тенденции к ухудшению таких реакций (во всяком случае на уровне, значимом для экспертной практики) по мере увеличения длительности полета не было обнаружено. Это, очевидно, в еще большей степени свидетельствует о сохранении достаточных функциональных резервов сердечно-сосудистой системы в течение нескольких недель полета.
Сопоставление результатов, полученных во время полета, с данными наземных экспериментов, позволили уточнить ряд представлений о механизмах организации деятельности сердечно-сосудистой системы в различных внешних условиях. Были выявлены и некоторые расхождения между предполагавшимися (на основе модельных исследований) и реальными явлениями.
Таким образом, обширный комплекс медико-физиологических экспериментов существенно расширил имеющиеся представления о характере деятельности сердечно-сосудистой системы в условиях космического полета и позволил определить дальнейшие направления исследований в этой области.
Наряду с изучением особенностей кровообращения, члены экипажа станции проводили и другие исследования характера жизнедеятельности. В частности, космонавты по нескольку раз за время полета брали пробы крови, которые наносились на фильтры и хранились в герметических контейнерах с поглотителями влаги.
В пробах крови, возвращенных на Землю, было определено содержание сахара, мочевины и холестерина, в мазках подсчитана лейкоцитарная формула и число лейкоцитов и тромбоцитов на тысячу эритроцитов. У всех космонавтов обнаружено увеличение содержания мочевины в крови. Это явление, очевидно, связано с перестройкой функции почек, которая, как установлено с учетом других данных, не носила патологического характера.
В пробах крови, взятых впервой и в начале третьей недель полета, содержание сахара было в обычных пределах, а в пробах, взятых перед концом полета, оно было резко увеличено. Этот факт может быть объяснен повышением физической и эмоциональной нагрузок при развитии явлений астенизации. Содержание холестерина за время полета у всех членов экипажа не изменялось. Со стороны клеточного состава крови существенных изменений отмечено не было.
Во время полета экипаж провел некоторые пробы, характеризующие другие стороны обмена веществ: пробы по изучению энерготрат путем измерения газообмена, по изучению минеральной насыщенности костной ткани. Результаты проб не показали определенной тенденции к изменению указанных характеристик.
Во время полета космонавты периодически измеряли силу кистей рук с помощью динамометров, а также проводили эксперименты по изучению основных характеристик зрительной функции: исследовали остроту центрального зрения, световую и контрастную чувствительности, конвергенцию и аккомодацию. Полученные результаты выявили наличие некоторых изменений изучаемых функций, что говорит о необходимости продолжения таких исследований.
Экипаж станции провел комплекс исследований по изучению соотношений между организмом человека, длительно находящегося в космическом полете, и окружающей его микрофлорой. С этой целью перед окончанием полета были взяты пробы воздуха, а также мазки с внутренних поверхностей обитаемых отсеков станции и из полости носа космонавтов.
Для мазков использовались стерильные тампоны, которые после взятия пробы помещались в стерильные пробирки. Пробы воздуха брались с помощью прибора, представляющего собой насос с фильтром для осаждения микроорганизмов. После возвращения этих приспособлений на Землю был осуществлен посев материала, содержащегося на фильтре и тампонах, на специальные культуральные среды. Последующий бактериологический анализ показал, что к концу пребывания экипажа на станции содержание микроорганизмов в воздухе, на поверхности интерьеров и в полости носа космонавтов увеличилось. При этом зафиксировано и изменение спектра микрофлоры: наблюдалось увеличение гемолизирующих форм микроорганизмов.
Полученные в результате эксперимента данные имеют существенное теоретическое и практическое значение. Они указывают на возникновение под влиянием комплекса факторов космического полета изменений в системе «макроорганизм — микрофлора». При этом было отмечено, что происходившие во время космического полета изменения значительно более выражены, чем это наблюдается в аналогичных лабораторных условиях.
Биологические эксперименты
Космонавты выполнили значительный объем экспериментальных работ, предусмотренных программой медико-биологических исследований, в результате чего было получено много научных данных, имеющих большое значение для дальнейшего развития пилотируемых космических полетов, и огромное фундаментальное общебиологическое значение.
В процессе медико-биологических исследований, выполненных экипажем станции «Салют», изучался и характер протекания фундаментальных жизненных процессов (наследственности, изменчивости, индивидуального развития) на различных уровнях биологической организации. Основное внимание, естественно, уделялось вопросам гравитационной биологии, т. е. выявлению степени биологической значимости силы тяжести, являющейся постоянным фактором внешней среды на протяжении всего периода эволюции жизни на Земле. Космический полет создает в этом отношении уникальные условия, поскольку в земной лаборатории принципиально невозможно устранить фактор земной гравитации. Отсутствие же гравитации позволяет практически оценить ее экологическую, а отсюда и эволюционную ценность для различных биологических видов.
Исследования подобного рода имеют весьма существенное значение для понимания механизмов организации движения живой материи и, возможно, будут способствовать дальнейшему развитию наших представлений о принципах и движущих силах таких важнейших биологических явлений, как клеточное деление и дифференцировка, индивидуальная адаптация к окружающей среде и микроэволюция и т. д. Наряду с общебиологическим значением, результаты таких исследований должны иметь и очевидную практическую значимость. Получая сведения об особенностях протекания жизненных процессов у модельных биообъектов, можно с определенным приближением экстраполировать эти данные для анализа процессов, протекающих в человеческом организме на клеточном уровне.
Кроме того, исследования фундаментальных жизненных процессов на орбитальной станции позволяют получить результаты, важные для решения вопросов о перспективах развития систем жизнеобеспечения космических кораблей и, в частности, биолого-технических систем.
В качестве экспериментальных объектов были выбраны высшие и низшие растения, насекомые, земноводные, представители различных одноклеточных организмов. Отобранные для экспериментов виды были хорошо изучены в биохимическом, физиологическом и некоторых других аспектах. Среди них были представители таких видов, для которых значение гравитации в процессах жизнедеятельности очевидно (например, высшие растения). У некоторых объектов наблюдалась смена поколений за период полета. Интересные данные получены при проведении генетических, радиобиологических, эмбриологических, биотехнических и некоторых других видов биологических экспериментов.
Для выполнения одного из наиболее простых по методике экспериментов на борт станции был помещен блок, содержащий различные виды относительно просто организованных биологических объектов — семена, микроорганизмы, дрожжи, низшие растения и т. п. Этот блок находился на станции с момента ее запуска, а перед окончательным уходом экипажа был демонтирован и перенесен в спускаемый аппарат. Все образцы были подвергнуты на Земле разностороннему тщательному анализу с целью определения наличия и выраженности отличий в структуре и функции указанных организмов, длительно подвергавшихся действию невесомости, по сравнению с контрольными биообъектами, находившимися на Земле при практических равных прочих условиях.
Второй эксперимент был связан с изучением процессов дифференцировки органов животных на ранних (эмбриональных) стадиях развития. Конкретной задачей этого опыта было исследование характера протекания процесса закладки органа гравитационной чувствительности у лягушек. Для решения этой задачи в распоряжении космонавтов были два одинаковых прибора, каждый из которых представлял собой две изолированные камеры. Эти камеры можно было превратить в сообщающиеся сосуды путем перемещения специального штока. В одной из камер находился фиксирующий раствор, в другой — икра лягушки, оплодотворенная незадолго до старта корабля «Союз-11». Таким образом, процесс развития головастиков совершался в основном в условиях невесомости. В момент, когда процесс развития достигал требуемой стадии, космонавты фиксировали этот процесс путем введения специального фиксирующего раствора в камеру с зародышами. Морфологическое изучение материала выполнялось на Земле.
Третий эксперимент был поставлен на классическом объекте генетических исследований — плодовой мушке (дрозофиле). В задачу исследования входило получение нескольких поколений мушек, действие невесомости на которых начиналось или заканчивалось на различных фазах их развития. С этой целью на станции была размещена небольшая камера, разделенная на несколько отсеков. В переборках между ними были сделаны небольшие открывающиеся извне дверцы, через проемы которых мушки могли перелетать в следующий отсек. На дне каждого отсека находилась питательная среда. В начале эксперимента насекомые находились в одном отсеке. По ходу опыта космонавты через определенное время открывали дверцы в одной из переборок, давая таким образом возможность мушкам перелетать в соседний отсек. Так последовательно были открыты дверцы во всех переборках.
 Трудовые будни космонавтов в служебных помещениях орбитального блока станции «Салют» |
Благодаря такой методике обеспечивались лучшие условия для питания дрозофил. Кроме того, при анализе насекомых, погибших на стадии яйца, куколки или личинки, можно было ориентировочно определить, в какой период проведения опыта жизнь объекта прекращалась. Следовательно, удавалось определить интенсивность элиминации (исключения неизвестного) не только по стадиям онтогенеза (индивидуального развития), но и в зависимости от длительности пребывания родительских особей в условиях невесомости. Параллельно основному эксперименту в наземной лаборатории проводился контрольный опыт, повторяющий все внешние условия (особенно температурные, являющиеся очень существенными в процессе онтогенеза дрозофил), которые складывались в области размещения контейнера с плодовыми мушками.
Весьма интересным был эксперимент по выращиванию высших растений в условиях невесомости. Как уже упоминалось, высшие растения относятся к биологическим объектам, для жизнедеятельности которых земная сила тяжести безусловно значима. В частности, направление их роста зависит от вектора гравитации. В связи с этим высказывались предположения, что в условиях невесомости высшие растения вообще не будут развиваться. Ответ на этот вопрос помимо теоретической важности имеет и большое практическое значение, так как от него в существенной степени зависит стратегия развития работ в области создания искусственных экологических систем для космических кораблей будущего.
Для станции «Салют» была разработана установка, обеспечивающая возможность выращивания высших растений в бортовых условиях с использованием метода гидропоники. Установка представляет собой культиватор, включающий источники искусственного освещения, бак с водой и фитили, пропитанные солевой смесью и помещенные в емкости из тонкой резины. На одном конце каждого фитиля, обращенном в сторону источника света, помещалось семя. С помощью небольшой помпы, приводимой в действие космонавтами вручную, ежедневно обеспечивалось поступление в резиновые емкости дозированного количества воды. Вода, поднимаясь по фитилю и растворяя содержащиеся в нем соли, превращалась в питательный раствор для растений. В культиваторе было размещено три типа семян: льна, хибинской капусты и креписа.
В первый день пребывания на станции космонавты включили освещение культиватора и кинокамеру для покадровой съемки растений, а также подали первую порцию воды. На протяжении всего времени пребывания на станции они аккуратно осуществляли подпитку, визуальное наблюдение, фотографирование исследуемых растений. Параллельно в контролируемых условиях проводился наземный эксперимент.
Учитывая то обстоятельство, что для получения требуемой информации необходима специальная обработка материала, его микроскопический и биохимический анализ, программа биологических экспериментов была в значительной степени рассчитана на проведение заключительных работ в послеполетном периоде. В связи с тем, что на этапе спуска биологический материал подвергался воздействию разрежения, близкого к вакууму, и низких температур, многие из полученных при анализе этого материала данных не могут однозначно рассматриваться как свидетельство специфической реакции на действие невесомости и других факторов, присущих космическому полету (вибрации, космический радиационный фон и т. д.). Эти результаты требуют подтверждения в последующих исследованиях.
Вместе с тем данные, полученные в эксперименте с выращиванием высших растений и документально подтвержденные кино- фото- и телематериалами, свидетельствуют о характере роста и развития высших растений в условиях невесомости. Это чрезвычайно важное обстоятельство определяет дальнейшие пути исследования в данной области.
Условия для проведения на станции «Салют» эксперимента по изучению влияния невесомости на эмбриогенез (развитие зародыша) амфибий были несколько ухудшены тем обстоятельством, что время проведения опыта не соответствовало периоду активности сезонных колебаний оплодотворения у земноводных. В связи с этим значительная часть икринок оказалась неоплодотворенной. Все же полученные результаты позволяют сделать вывод об отсутствии заметного влияния невесомости на изучаемые явления.
Таким образом, хотя программа биологических исследований на станции «Салют» и не была завершена в запланированном объеме, все же проведенные эксперименты дали во многом важные научные результаты, ценность которых может быть еще более повышена при сопоставлении с данными последующих биологических исследований.
АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Внеатмосферные исследования космических и гамма-лучей
Создание первой обитаемой орбитальной станции знаменует как начало нового этапа внеатмосферных исследований космических и гамма-лучей, так и ряда других исследований в интересах науки и народного хозяйства. Чтобы пояснить это утверждение достаточно, например, напомнить, как развивались исследования космических лучей.
Толща земной атмосферы эквивалентна примерно толще 10 м воды. Естественно, поэтому, что при изучении космических лучей ученые стремились устранить или хотя бы по возможности уменьшить величину этой преграды. Простейший путь к этому — установка специальной аппаратуры как можно выше над уровнем моря, на возвышенностях земной поверхности, вершинах гор и т. д. Открытие «космических лучей» — этого потока пронизывающего «излучения» внеземного происхождения связано с подъемом аппаратуры на воздушных шарах. Было установлено, что при достаточном удалении от земной поверхности интенсивность этого излучения повышается.*
Однако для непосредственного исследования первичных космических лучей высота, достижимая на воздушных шарах и стратостатах, была недостаточной. Лишь в последние годы начали использовать высотные баллоны (без человека), поднимающие аппаратуру до 30—40 км (на высоте 40 км над прибором остается еще толща атмосферы, равная примерно 2,5 см водного эквивалента).
15 лет назад, пока еще не был запущен первый спутник Земли, изучение космических лучей с помощью аппаратуры на баллонах проводилось обычно лишь на высотах 25—30 км, где остаточная толща атмосферы еще достаточно велика (порядка 10 —15 см водного эквивалента). Изучение первичных космических лучей в этих условиях было затруднительным.
Использование высотных ракет для исследования космического излучения также имеет свои недостатки, и прежде всего — это кратковременность эксперимента.
* Считают, что первые убедительные наблюдения такого типа были проведены В. Гессом 60 лет назад. Проведенные им эксперименты показали, что начало повышения интенсивности ионизации фиксируется уже на высоте 1 км, а на высоте 4 км она становится уже вдвое больше, чем вблизи земной поверхности.
Видное место, которое заняло изучение космических лучей в программе исследований на спутниках, помимо научного интереса определялось и другими соображениями. Целый ряд задач можно было решить сравнительно простыми способами с помощью аппаратуры, не нуждающейся в точной ориентации в пространстве, не требующей мощных источников питания, достаточно малой по весу и т. д. В то же время развитие внеатмосферной астрономии предъявляло к аппаратуре в общем гораздо более высокие требования, а также вынуждало астрономов к коренной перестройке многих известных им методов.
Неожиданным оказалось открытие радиационных поясов Земли, а также ряда других явлений и особенностей, характерных для поведения быстрых заряженных частиц в земной магнитосфере. Что же касается запланированного изучения первичных космических лучей, то пока спутники не вполне оправдали возлагаемых на них надежд. Ряд интересных результатов, правда, получен. Упомянем хотя бы о наблюдениях ядерной компоненты солнечных космических лучей, об исследовании частиц со сравнительно небольшой энергией, об изучении вариаций и о первых шагах гамма-астрономии *. Но главные успехи в изучении первичных космических лучей (протонов, ядер, электронов и позитронов) за прошедшее десятилетие все же были достигнуты с помощью высотных баллонов. В первые годы после запуска спутников на них, естественно, можно было с успехом и достаточной надежностью устанавливать лишь сравнительно не очень сложную аппаратуру. Для получения же современных данных о химическом и изотопном составе космических лучей, их энергетическом спектре при высоких энергиях и т. д. требуется более совершенная аппаратура.
* Космическими лучами сейчас принято называть только заряженные частицы внеземного происхождения и к тому же обладающие высокой энергией (порядка 1—10 МэВ и более). Однако и с физической точки зрения, и в связи с используемой методикой, к изучению космических лучей тесно примыкает исследование нейтральных частиц космического происхождения, также обладающих высокой энергией (гамма-лучи, нейтрино и нейтроны). Особенно важную роль здесь играют космические гамма-лучи, регистрация которых составляет задачу гамма-астрономии. По указанным причинам астрофизику космических лучей и гамма-астрономию целесообразно рассматривать совместно.
Кроме того, для решения некоторых современных задач в области исследования космических и гамма-лучей ученых не могут удовлетворить даже большие и тяжелые спутники, оборудованные самой совершенной аппаратурой. Появилась необходимость создания орбитальных станций, больших обитаемых научных лабораторий в космосе, которые позволяют использовать в наблюдениях не только приборы, но и космонавта-наблюдателя, а также дают возможность доставлять со станции на Землю результаты наблюдений: фотоэмульсию, осциллограммы и т. д. Именно поэтому орбитальная станция «Салют» символизирует начало нового этапа научных исследований в области космических и гамма-лучей.
Внеатмосферные исследования космических и гамма-лучей на обитаемых орбитальных станциях открывают возможность постановки новых больших и очень интересных задач. Дальнейшее развитие получат оптическая, субмиллиметровая и рентгеновская астрономия. Успехи рентгеновской астрономии, полностью базирующейся на баллонах, ракетах и спутниках, достижения инфракрасной (субмиллиметровой) астрономии и совершенствование космической техники дают основания для существенного повышения удельного веса внеатмосферных астрономических исследований уже на современном этапе космической программы. Одновременное развитие внеатмосферных астрофизических исследований и, в частности, исследований космических и гамма-лучей открывает большие научные перспективы.
Исследования спектров звезд
Отдельные небесные тела, как было установлено в последние годы, являются источниками мощного ультрафиолетового и рентгеновского излучения. К такому роду объектов принадлежат нейтронные звезды, существование которых было теоретически предсказано более сорока лет тому назад и которые были открыты в последние годы. Известны галактики, излучающие в рентгеновском диапазоне длин волн в несколько десятков и сот раз больше энергии, чем в оптическом диапазоне.
На область коротковолнового вакуумного и жесткого ультрафиолета приходится подавляющая доля излучения молодых горячих звезд, некоторых галактик, солнечной короны и т. д.
Небесные тела с ультрафиолетовым и. рентгеновским излучением являются для астрономов качественно новыми объектами. Их значение и роль в познании Вселенной и происходящих в ней явлений трудно переоценить. Однако исследование этих объектов возможно только методами внеатмосферной астрономии, поскольку земная атмосфера совершенно непрозрачна для излучений с длинами волн короче 3000Å (ангстрем).
В настоящее время большинство внеатмосферных обсерваторий на искусственных спутниках Земли являются автоматическими. За последние годы с их помощью получено много ценной научной информации как в Советском Союзе, так и за рубежом.
 Астрофизическая обсерватория «Орион» |
Однако имеются астрономические проблемы, разрешение которых может быть осуществлено наиболее эффективно только в условиях, когда работой телескопа на орбите будет непосредственно управлять человек. С появлением тяжелых пилотируемых космических кораблей и обитаемых орбитальных станций возможность проведения таких исследований существенно расширяется.
Особо важна роль космонавта в тех случаях, когда астрономические наблюдения ведутся фотографическим методом, являющимся наиболее эффективным, порою незаменимым средством для получения массовой информации от обширных областей звездного неба, изучения протяженных небесных объектов, исследования их тонкой структуры с высоким угловым разрешением и т.д. Экипаж орбитальной станции может обеспечить обслуживание и контроль работы астрономической аппаратуры, периодическую смену кассет с пленкой, доставку отснятой пленки на Землю в транспортном корабле.
Распознавание объекта на небе и наведение на него телескопа успешно может осуществлять космонавт, ведущий астрономические наблюдения, поскольку телескоп, находящийся в карданном подвесе, размещается вне обитаемых отсеков станции. Космонавт с помощью системы дистанционного управления может направить телескоп на нужный объект (звезду, планету и т. д.) и обеспечить последующее точное автоматическое слежение (гидирование) телескопа за объектом наблюдения.
Возможно несколько вариантов решения поставленной задачи. Один из них основан на использовании оптической визирной трубки, установленной напротив одного из иллюминаторов станции, и первичной следящей системы грубой наводки между визирной трубкой и подвесом телескопа.
Визирная трубка с полем зрения 5—6° устанавливается перед иллюминатором и через опоры крепится непосредственно к корпусу корабля. Она может вращаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Угол обзора визирной трубки, в пределах которого может быть осуществлен поиск и захват нужной звезды, довольно велик — порядка 30°.
Описанный принцип управления работой обсерватории космонавтом был заложен в основу разработки телескопа «Орион», установленного на орбитальной станции «Салют» и предназначенного для получения индивидуальных спектрограмм звезд в области длин волн 2000—3800 Å.
Основным элементом телескопа «Орион» является бесщелевой звездный спектрограф, который представляет собой зеркальный телескоп системы Мерсенна со световым диаметром большого зеркала 280 мм, диаметром малого зеркала 50 мм и эффективным фокусным расстоянием 1400 мм. Напротив отраженного вторым зеркалом параллельного пучка света установлен бесщелевой спектрограф системы Уодсворда. В нем использована вогнутая дифракционная решетка с радиусом кривизны 500 мм и размерами заштрихованной части 50 X 55 мм. Штрихи нанесены на алюминиевом слое, покрывающем стеклянную подложку. Число штрихов 1200 на 1 мм, форма штрихов выбрана так, что обеспечивается максимальная концентрация света около 2600 Å. Дисперсия спектрографа - 32 Å/мм, а угловой масштаб в фокальной плоскости камеры спектрографа равен 2,5 Å на 1 мм. При точности слежения за звездой порядка одной угловой минуты спектральное разрешение такого спектрографа составляет около 5Å (в области 2600Å).
 Оптическая схема телескопа «Орион»: 1 — большое зеркало; 2 — малое зеркало; 3 — безщелевой спектрограф; 4 — дифракционная решетка; 5 — фотопленка |
Спектрограммы регистрируются фотографическим способом на перфорированной пленке шириной 16 мм, покрытой эмульсией типа УФШ-4, чувствительной к лучам вакуумного ультрафиолета.
Особое внимание было обращено на обеспечение высокого уровня инженерной разработки аппаратуры «Орион». Оба зеркала телескопа изготовлены из ситала, а их оправы — из инвара; коэффициенты линейного расширения примененных материалов почти одинаковы в пределах ожидаемой температуры элементов в натурных условиях. Зеркала установлены в своих оправах свободно с обеспечением зазора между оправой и зеркалом в пределах 0,003—0,005 мм. Покрытие зеркал — алюминиевое, без защитных слоев.
Спектрограф «Ориона» состоит из трех частей: узла дифракционной решетки, фотокамеры и механизма расширения спектрограммы. Конструкция узла дифракционной решетки разработана таким образом, чтобы можно было осуществить юстировку и фокусировку всего спектрографа только перемещениями дифракционной решетки при закрепленной фотокамере. Фокальная плоскость камеры — криволинейная. Перед фильмовым каналом установлена плоскопараллельная кварцевая пластинка толщиной 2 мм, служащая в качестве светофильтра для устранения второго порядка спектра от рабочего диапазона (области короче 1900 Å). Камера снабжена затвором цилиндрической формы, действующим от электромагнита, механизмом протяжки и перемотки фотопленки. Спектрограф изготовлен в основном из титановых сплавов.
К корпусу телескопа параллельно его оптической оси прикреплен двухосный звездный фотогид. Он предназначен для захвата звезды и автоматического слежения (гидирования) за ней с точностью до 10". Оптическая система фотогида — линзовая (просветленная), поле зрения 3°, диаметр входного зрачка 70 мм, фокусное расстояние 450 мм.
Телескоп установлен на двухосной монтировке типа карданного подвеса и снабжен двумя электроприводами, которые работают по сигналу рассогласования, поступающему от звездного фотогида. Приводы выполнены с частично герметизированными редукторами с применением специальных электродвигателей, пригодных для работы в условиях космоса.
Важной составной частью «Ориона» является визирная система. Она предназначена для дистанционного наведения блока телескопа на исследуемый объект с точностью, достаточной для обеспечения захвата объекта звездным фотогидом. Поиск объекта осуществляется космонавтом визуально, а нацеливание на него визирной трубки — вручную, с помощью клавишных переключателей. Поле зрения визирной трубки 9°, угловое разрешение 1, зона обзора 35° X 35°. Весь блок визирной системы установлен внутри станции перед одним из ее иллюминаторов.
Для управления работой всех систем «Ориона», контроля за выполнением команд и состоянием аппаратуры имеется специальный пульт управления. В пульте размещено также программное устройство, обеспечивающее автоматический цикл съемки от одной до пяти спектрограмм для одной звезды с разными экспозициями.
Основной блок телескопа с монтировкой и фотогидом установлен вне гермоотсека станции в специальной нише. С внешней стороны ниша закрыта матами экранно-вакуумной термоизоляции, благодаря чему обеспечивается нужный температурный режим приборов.
Экипаж орбитальной станции «Салют» получил 18 июня 1971 г. шесть спектрограмм горячей звезды Агена (β Центавра) и, спустя три дня, девять спектрограмм звезды Вега (α Лиры). Обязанности при этом были распределены следующим образом: командир корабля Г. Т. Добровольский управлял ориентацией станции, стремясь удержать ее в нужном положении относительно небесных систем координат, бортинженер В. Н. Волков следил за бортовыми системами, инженер-испытатель В. И. Пацаев непосредственно управлял работой системы «Орион».
Выбор звезд сделан не случайно; обе они являются высокотемпературными звездами (их эффективная температура равна 10 000° и 24 000° — для Веги и Агены соответственно). Изучение спектральных свойств высокотемпературных звезд средствами внеатмосферной астрофизики представляет особый интерес, прежде всего, потому, что основная доля их излучения приходится на область длин волн, недоступную при наблюдениях с поверхности Земли. Между тем ответы на многие важные вопросы, касающиеся строения и структуры атмосфер звезд, источников внутризвездной энергии, природы звездного вещества и т. д., непосредственно связаны со знанием излучения таких звезд в области далекого ультрафиолета.
Включение Веги в программу наблюдений диктовалось еще другим соображением. Вега является одной из ярчайших звезд на северном небе, содержит в своем спектре сравнительно немного линий поглощений, искажающих непрерывный спектр. Благодаря этому она используется астрофизиками в качестве стандарта при изучении спектров той или иной звезды, Галактики или туманности. Так было до сих пор при наблюдениях в обычном оптическом диапазоне. Естественно стремление использовать Вегу в качестве стандарта и в области далекого ультрафиолета. Для этого необходимо, прежде всего, путем прямых наблюдений найти закон распределения энергии в ее спектре в указанной области длин волн.
Спектрограммы звезд с помощью «Ориона» можно получить только на теневой части орбиты, где станция находится в течение 30—35 мин за виток. За это относительно короткое время космонавт-наблюдатель должен найти через иллюминатор нужную звезду, направить на нее телескоп и получить спектрограммы. Весь объем работы по спектрографированию на станции «Салют» успешно выполнил В. И. Пацаев.
После завершения программы наблюдений кассета с отснятой фотопленкой отделялась от корпуса телескопа и доставлялась в обитаемый отсек станции с помощью специального шлюза. Операции по шлюзованию кассет выполнял В. Н. Волков.
Проявление и дальнейшая обработка пленки проводились после того как она была доставлена на Землю.
Перед установкой «Ориона» на орбитальную станцию телескоп со спектрографом были энергетически откалиброваны с использованием синхронного излучения электронного кольцевого ускорителя. Благодаря этому была заранее известна относительная спектральная чувствительность аппаратуры, необходимая для расшифровки спектрограмм. Необходимые для построения характеристической кривой спектрограммы были сняты (в наземных условиях) на участках той же фотопленки, которая осталась неиспользованной внутри кассеты «Ориона». Для этой цели В. И. Пацаев в конце программной работы на борту орбитальной станции осуществил перемотку всей оставшейся фотопленки на приемную кассету. Стандартные спектрограммы были получены в лабораторных условиях сразу же после того, как пленка была доставлена на Землю. Благодаря этому была обеспечена полная однородность физических параметров основной и стандартной пленок.
Окончательная обработка полученных «Орионом» спектрограмм проводилась обычным образом. В результате были найдены распределения энергии в спектрах Веги и Агены в области длин волн 3800—2000 Å.
Наблюдения Веги и Агены дали крайне интересные результаты. Оказалось, что распределение энергии в спектре Веги в области 3800—2000 Å хорошо согласуется с теоретическими моделями. Это позволяет надеяться на использование Веги в дальнейшем в качестве удобного и надежного спектро-фотометрического стандарта в области длин волн короче 3000 Å (до 2000 Å).
Данные наблюдения Агены с помощью «Ориона» совпадают с результатами наблюдений, проведенных автоматическими обсерваториями. Подтверждается наличие скачка энергии в непрерывном спектре на границе бальмеровского континуума (λ = 3646 Å). Вместе с тем обнаруживается значительное расхождение между наблюдаемыми и теоретическими распределениями. В частности, наблюдения показывают большую энергию звезды по сравнению с данными теории. Расхождение увеличивается с переходом в сторону коротких волн, и уже на волне 2000 Å оно возрастет вдвое по шкале интенсивности. Вероятная ошибка этих измерений, по-видимому, невелика. Поэтому указанное расхождение следует считать реальным. Оно очевидно, означает несоответствие теоретической модели фотосферы реальным условиям Агены, являющейся ярким гигантом.
На спектрограммах Веги отчетливо проявились далекие линии поглощения бальмеровской серии водорода (начиная с Н8, Н9 и далее). Был хорошо виден также около линии 2800 Å слившийся в одну широкую линию дублет ионизированного магния (2796 и 2803 Å). Довольно отчетливо выделяется сравнительно интенсивная линия поглощения на длине 2500 Å и другие слабые линии на участке коротковолнового конца спектрограммы.
Следует подчеркнуть, что проанализированные спектрограммы Веги и Агены получены впервые в мире астрономом-космонавтом за пределами земной атмосферы. Они, кроме того, являются и первыми коротковолновыми спектрограммами звезд, полученными во внеатмосферных условиях.
Как показал анализ данных полета, принцип работы орбитальной обсерватории, управляемой космонавтом, не являющимся профессиональным астрономом, оправдал себя полностью и может быть применен в дальнейшем при разработке конструкций более совершенных космических обсерваторий.
Эксперимент по исследованию космического гамма-излучения
Наиболее полное представление о природе и свойствах различных космических объектов можно получить лишь исследуя все диапазоны их электромагнитного излучения, в том числе и самого коротковолнового, известного как гамма-излучение. Гамма-излучение возникает в процессах взаимодействия высокоэнергетических частиц с веществом и излучения и аннигиляции вещества и антивещества. Изучение космического гамма-излучения позволит получить сведения о плотности газа, электромагнитного излучения и космических лучей в разных местах Вселенной. В ряде случаев, например, при оценке потоков межгалактических космических лучей, данные гамма-астрономии являются определяющими.
Исследование космического гамма-излучения возможно только за пределами земной атмосферы. Атмосфера непрозрачна для гамма-квантов и сама является источником вторичного гамма-излучения, создаваемого заряженными космическими частицами. Регистрация космического гамма-излучения в основном проводится сейчас либо с помощью высотных аэростатов, поднимающих телескопы к границе атмосферы, либо с борта космических аппаратов, выносящих приборы за границу атмосферы.
В будущем такие исследования станут, несомненно, проводиться с поверхности небесных тел, лишенных атмосферы, например, с Луны, о чем убедительно говорит опыт долговременной работы «Лунохода-1» и «Лунохода-2». Бурное развитие техники космических полетов способствовало проведению многочисленных исследований по гамма-астрономии, и именно в космосе были получены первые результаты.
Проводившиеся до сих пор исследования космического гамма-излучения носили характер первых, разведочных поисков. Для них характерны случайное сканирование по небу и грубая привязка регистрируемых потоков к небесным координатам. Точность ориентации спутников, на которых устанавливались приборы, была относительно небольшой, в лучшем случае — до нескольких градусов, и приборы, жестко установленные на борту, осуществляли пассивный просмотр участков неба, попадавших в их поле зрения. Приборы, используемые в этих поисковых экспериментах, представляли собой гамма-телескопы, состоящие из сцинтилляционных и черенковских счетчиков, регистрировавших лишь факт попадания в прибор гамма-кванта и с очень большой ошибкой определявших его энергию. Направление прилета гамма-кванта определялось с точностью не менее угла зрения телескопа, который обычно составлял 20— 30°. Применение узконаправленных и, следовательно, малосветосильных телескопов было бы неоправданным в поисковых экспериментах из-за малости как времени наблюдения, так и ожидаемых потоков гамма-квантов.
Однако уже поисковые спутниковые эксперименты, проведенные в Советском Союзе и в США, принесли много новых результатов. Они показали, что имеются реальные основания перейти к более детальному исследованию гамма-излучения космических объектов, и в первую очередь, к исследованию дискретных источников гамма-излучения, среди которых наибольший интерес представляют центр Галактики, рентгеновские «звезды» и нестационарные внегалактические объекты.
 Телескоп «Анна-III» для регистрации гамма-лучей |
Благоприятные условия для проведения систематических, целенаправленных исследований космического гамма-излучения, в особенности излучения дискретных источников, создаются на орбитальной станции, управляемой экипажем. Гамма-астрономические наблюдения с борта обитаемой станции дают более ценную научную информацию по сравнению со спутниковой информацией.
Проще и надежнее осуществляются наведение гамма-телескопа и слежение за определенными участками неба. Это означает переход от пассивного сканирования по всему небу к активному исследованию отдельных участков, от случайного поиска к изучению определенных, наиболее интересных космических объектов, и знаменует качественно новый этап в гамма-астрономии.
Прибор, обслуживаемый космонавтом, может быть более информативным, чем прибор, посылаемый на беспилотном спутнике. Он может работать в различных режимах: регистрировать гамма-кванты, протоны, электроны, что даст возможность проведения корреляционных измерений. При этом смена режимов работы прибора будет осуществляться космонавтом как по указанию с Земли, так и оперативно, по решению самого космонавта.
Космонавт может контролировать в полете правильное функционирование телескопа, проводить профилактические работы, а также устранять возникающие неполадки, вплоть до замены отдельных узлов.
Гамма-телескоп на борту орбитальной станции обладает лучшим угловым разрешением. Это достигается благодаря введению в него трекового детектора, например, искровой камеры, в которой можно проследить путь каждой электронно-позитронной пары, возникшей при конверсии гамма-кванта, и определить направление прилета гамма-кванта. События в искровой камере будут фотографироваться на пленку, а космонавт сможет следить за расходом пленки и производить смену кассет. Угловое разрешение такого телескопа определяется точностью измерения следа в трековом детекторе и на 1—2 порядка лучше, чем у гамма-телескопов, использовавшихся на спутниках. Светосила и эффективная площадь телескопа, не связанные теперь с угловым разрешением, могут быть достаточно большими, чтобы зарегистрировать малые космические потоки. Оптический съем информации с искровой камеры является наиболее простым и информативно полным.
На долговременной орбитальной станции «Салют» был установлен телескоп «Анна-III», который по своим техническим данным может регистрировать космическое излучение с энергией, равной Еγ ≥ 100 МэВ.
 Блок-схема телескопа «Анна-III»: 1 — сумматор; 2 — схема тройных совпадений; 3 — схема отбора гамма-квантов; 4 — фоторегистратор; 5 — съемная кассета; 6 и 7 — зеркала; 8 — свинцовый конвертор; ИК1, ИК2 — искровые камеры; ГИН1, ГИН2 — генераторы импульсов высокого напряжения; С1, С2, С3, С1 — сцинтилляционные счетчики; Ч — направленный черенковский счетчик |
Прибор состоит из ряда сцинтилляционных счетчиков и черенковского счетчика, фиксирующих нужное событие с помощью электронной схемы выделения, двух трековых искровых камер, регистрирующих каждое выделенное событие, стереофоторегистратора со сменными кассетами и органов управления и контроля. Гамма-квант, попавший в поле зрения телескопа, проходит без взаимодействия сцинтилляционные счетчики С1 и С2 и в свинцовом конверторе с вероятностью около 20% создает электронно-позитронную пару. Электрон и позитрон, будучи заряженными частицами, вызывают отрабатывание сцинтилляционных счетчиков С3, С4 и направленного черенковского счетчика Ч, регистрирующего только частицы, движущиеся сверху вниз. Импульсы со счетчиков С3, С4 и Ч поступают на схему тройных совпадений и далее на схему, выделяющую исследуемые события. Если в то же время на схему не поступают сигналы со счетчиков С1 и С2, вырабатывается импульс, который приводит к запуску генераторов импульсного напряжения, подающих на искровые камеры высоковольтные импульсы напряжением 25 кВ и длительностью около 10-6 с В результате происходит искровой пробой по траекториям частиц, прошедших через камеры. Картина событий в искровых камерах фотографируется фотоаппаратом в двух взаимно ортогональных проекциях. После срабатывания искровых камер пленка в фотоаппарате перемещается на один кадр, и телескоп готов к регистрации следующего события.
Направление гамма-кванта определяется по углам следов электронно-позитронной пары в первой широкозазорной искровой камере. Точность воспроизведения направления составляет около 1°, что, как указывалось выше, достижимо лишь в подобных гамма-телескопах. Во второй искровой камере, состоящей из четырех промежутков, разделенных свинцовыми пластинами, компоненты пары создают электронный ливень. По числу частиц в ливне определяется энергия первичного гамма-кванта. Искровые камеры наполнены техническим неоном до давления 1 кгс/см2 и могут работать без изменения характеристик в течение нескольких месяцев.
На фотопленке, кроме фотографий событий в искровых камерах, регистрируются дополнительные данные: время попадания в установку гамма-квантов, показания интенсиметров, измеряющих общий фон, создаваемый заряженными частицами и т. д. Некоторые параметры работы телескопа, такие как темпы счета гамма-квантов, малоэнергетичных и высокоэнергетичных заряженных частиц передаются на Землю с помощью телеметрической системы непосредственно во время работы телескопа.
Отключение от схемы выделения «запретных» счетчиков С1 и С2 позволяет работать в режиме регистрации заряженных частиц (в основном протонов), причем в зависимости от интенсивности потока искровые камеры могут запускаться с разным пересчетом.
Физические характеристики телескопа были определены при калибровке в лабораторных условиях и на ускорителях в пучках моноэнергетичных электронов и протонов. Эффективность сдвоенных счетчиков антисовпадений (С1 и С2) оказалась выше 99, 99%. Это говорит о том, что гамма-телескоп может работать в условиях большого фона от заряженных частиц, в 104 раз превышающего поток гамма-квантов. Площадь регистрации примерно равна 90 см2, а геометрический фактор для изотропного потока 22 см2/ср. При габаритных размерах 600X400X450 мм масса прибора вместе со сменной кассетой и запасом пленки на 20 тысяч кадров составляет 45 кг. Энергопотребление 14 Вт.
Гамма-телескоп «Анна-III» является достаточно сложным прибором и только его испытание непосредственно в условиях космического полета позволило судить о перспективности использования подобного типа аппаратуры. Поэтому перед создателями телескопа и космонавтами были поставлены три основные задачи: нужно было провести детальные исследования работоспособности телескопа, выяснить возможности исследования гамма-квантов при различной ориентации орбитальной станции и определить физические условия проведения эксперимента, т. е. найти фон нейтральных и заряженных частиц как приходящих извне, так и возникающих внутри станции.
Телескоп работал в режимах регистрации гамма-квантов и заряженных частиц при орбитальной ориентации станции, при стабилизации станции на Солнце и в условиях «закрутки» с ориентацией на Солнце в общей сложности в течение 20 ч. Управление телескопом и контроль за его работой были возложены непосредственно на космонавтов. Первоначальная обработка данных, полученных с помощью гамма-телескопа, позволила оценить значения фоновых потоков.
Экспериментальные результаты свидетельствуют о правильном выборе методики исследования космического гамма-излучения. Полученный опыт будет несомненно способствовать дальнейшему прогрессу в гамма-астрономии.
Исследования потоков заряженных частиц
Вопрос о составе и пространственном распределении частиц на высотах 200— 300 км над Землей ниже границы радиационных поясов до сих пор не решен. Неизвестно, какая доля частиц в радиационном фоне является протонами, электронами, позитронами, как они движутся и как изменяется их интенсивность со временем. Нет пока и четкого представления о природе повышенного радиационного фона вблизи Земли.
По вопросу о происхождении заряженных частиц имеется несколько точек зрения: альбедное происхождение, диффузия из поясов, ускорение вблизи Земли. Возможно, что на указанных высотах играют роль все эти механизмы, но не выяснено, каков вклад каждого из них. Поэтому особую важность представляет изучение потоков заряженных частиц на орбитальной станции, которая может быть оснащена большим количеством научной аппаратуры и способна работать длительное время под контролем космонавтов.
Для регистрации заряженных частиц в радиационном фоне на орбитальной станции «Салют» был установлен черенковско-сцинтилляционный «телескоп ». Целью эксперимента было изучение интенсивности фона заряженных частиц на высотах 200—300 км, широтной зависимости этого фона и его временных характеристик. Повышенный фон радиации на этих высотах был отмечен еще со времени начала исследований на искусственных спутниках Земли в 1960 г. Оказалось, что интенсивность заряженных частиц с энергией несколько МэВ и выше в несколько раз превышает интенсивность космических лучей в экваториальной области. Прибор, предназначенный для фиксации радиационного фона на станции «Салют», имел различные выходы с черенковско-сцинтилляционных датчиков и мог переводиться в различные режимы работы. Регулярно проводилась калибровка каналов. За время полета станции «Салют» экипаж провел более шестидесяти различных операций по регистрации заряженных частиц.
Анализ полученных результатов в области, примыкающей к геомагнитному экватору, показывает, что здесь значение потока заряженных частиц составляет 530±90 част·м-2·с-1 · ср-1. Прибор мог регистрировать протоны с энергией 400 МэВ и электроны с энергией 8 МэВ и выше. Для протонов минимальная энергия определяется порогом черенковского счетчика, для электронов — проходимой толщей вещества.
В процессе эксперимента на станции «Салют» нужно было уточнить вопрос о существовании групп электронов, появляющихся в результате их ускорения на высотах 200—300 км. Ранее была высказана гипотеза о наличии сгустков электронов с энергией 300—600 МэВ. Для проверки этой гипотезы аппаратура орбитальной станции «Салют» позволяла проводить временной анализ регистрируемых частиц. Исследовались «задержанные» по времени частицы в пределах интервала 20 мкс. Отношение потока таких частиц, регистрируемых по числу задержек, к общему потоку электронов с энергией 8 МэВ не превышало 5·10-3. Данные, полученные со спутника «Космос-225», показали, что отношение потока сгустков соответствующей плотности к потоку электронов с энергией 40 МэВ составляет 9·10-2. Учитывая разницу в энергетических диапазонах электронов, можно считать установленное расхождение не очень большим. Небольшое количество «задержанных» событий по отношению к общему числу регистрируемых частиц свидетельствует о том, что вопрос о существовании сгустков заряженных частиц требует дальнейших исследований.
 Черенковско-сцинтилляционный телескоп для регистрации заряженных частиц |
Исследование состава первичных космических лучей является одной из фундаментальных задач, связанных с теорией происхождения космических лучей. Экспериментальные данные о составе космического излучения позволяют сделать выводы об источниках космических лучей и механизмах генерации и распространения космических лучей в межзвездном пространстве. Изучение многозарядной компоненты космических лучей особенно важно также для обеспечения радиационной безопасности космических полетов.
В состав космического излучения, кроме протонов и альфа-частиц, входят тяжелые многозарядные частицы, представляющие собой ядра атомов различных элементов, лишенные электронной оболочки и двигающиеся с различными скоростями вплоть до скоростей, близких к скорости света. Несмотря на то что в количественном отношении многозарядная компонента составляет всего около 1% от общего числа всех корпускулярных космических частиц, по массе она составляет примерно 11%, а по энерговыделению, производимому в веществе, около 40%. Изучение состава первичного космического излучения предполагает решение следующих задач.
1. Детальное исследование зарядового состава космического излучения вне атмосферы Земли (на спутниках) и вне магнитосферы Земли (на автоматических межпланетных станциях). В особенности, это относится к области очень тяжелых ядер с зарядом Z ≫ 26. Исследования в указанном интервале могут дать новые важные сведения об источниках космических лучей. Отметим, что к моменту постановки экспериментов на спутниках данные о содержании тяжелых ядер в первичных космических лучах были весьма противоречивыми.
2. Поиски трансурановых и урановых ядер в первичных космических лучах. Обнаружение таких ядер имело бы большое значение при решении фундаментальных астрофизических проблем и, в частности, позволило бы выяснить распределение источников космических лучей в пространстве.
3. Поиски антиядер в составе первичного космического излучения, поскольку вопрос о симметрии мира относительно содержания вещества и антивещества является одним из интереснейших вопросов астрофизики.
4. Поиски «монополя Дирака» (единичного магнитного заряда), предсказанного Дираком и до сих пор не обнаруженного.
5. Исследование зарядового состава космических лучей в области малых и больших энергий наряду с исследованием энергетических спектров в области малых энергий для частиц различных зарядов. Эти данные весьма существенны для понимания процессов распространения космических лучей и механизмов обрезания энергетических спектров в области малых энергий.
 Принципиальная схема черенковско-сцинтилляционного телескопа: 1 — черенковский детектор; 2 — сцинтиллятор; ФЭУ31, ФЭУ52 — фотоэлектронные умножители; СС — схема совпадений |
Фотоэмульсионная камера ФЭК-7 для исследования многозарядной компоненты первичного космического излучения  |
Преимущества спутников и автоматических межпланетных станций для проведения перечисленных выше исследований совершенно очевидны. Три из упомянутых выше задач связаны с наблюдением крайне редких событий, вероятность регистрации которых зависит как от площади детектора, так и от длительности эксперимента.
В опытах по исследованию многозарядной компоненты в качестве детектора применялась фотоэмульсионная камера. Такие опыты уже проводились ранее на корабле «Союз-5» и спутнике «Космос-213», а также на автоматических станциях «Зонд-5», «Зонд-7» и «Зонд-8». Эксперимент на долговременной орбитальной станции «Салют» значительно отличается от всех ранее поставленных опытов своей продолжительностью и вносит заметный вклад в общий статистический материал.
Для исследования многозарядной компоненты первичного космического излучения на орбитальной станции «Салют» была установлена фотоэмульсионная камера ФЭК-7 объемом 1,4 л, совмещенная с пластиковыми детекторами. Количество поглощающего слоя над камерой составляло 1,2 г/см2. Фотоэмульсия регистрировала заряженные частицы, попавшие в камеру, и позволила после окончания эксперимента в лабораторных условиях на Земле детально исследовать каждое отдельное интересующее событие. Общее время экспонирования камеры на орбите составило 1728 ч. Камера была установлена на борту орбитального блока станции «Салют» перед стартом 19 апреля 1971 г., снята космонавтами из рабочего положения и доставлена на Землю.
Фотоэмульсионная камера была собрана из отдельных слоев малочувствительной эмульсии типа А-2 с толщиной каждого слоя 200 мкм. Выбор такой толщины слоев при специально подобранном режиме проявления позволяет уверенно выделять первичные тяжелые ядра с большими зарядами, несмотря на относительно большой фон излучения в камере.
Возможность исследования первичных ядер на большом пробеге в эмульсии позволяет надежно отделить частицы, сильно ионизующиеся за счет малой скорости, от частиц, ионизация которых обусловлена большим зарядом.
 Размещение датчиков для регистрации метеорных частиц на корпусе орбитальной станции «Салют»: 1, 2, 3, 4 — места установки датчиков |
Эксперимент на долговременной орбитальной станции «Салют» продемонстрировал возможность использования ядерной фотоэмульсии в качестве детектора в условиях длительных экспозиций (2—3 месяца) на космических объектах.
Полученные данные показывают, что методика применения пластиковых детекторов является перспективной для изучения многозарядной компоненты космических лучей в последующих космических полетах.
Следует также отметить, что использование пластиковых детекторов в качестве пороговых может оказать существенную помощь в дозиметрическом контроле космонавтов.
Статистическая обработка результатов исследования многозарядной компоненты и просмотр облученной эмульсии позволили оценить относительное содержание тяжелых ядер в космических лучах.
Было установлено, что относительные содержания тяжелых ядер с z≥ 33, z≥ 40 и т. д. вне магнитосферы Земли имеют примерно такую же величину, как и вне атмосферы, но в пределах магнитного поля.
Что касается наиболее дискуссионного и интересного вопроса о существовании в составе первичных космических лучей ядер урана и трансурановых элементов, то его решение требует проведения дальнейших экспериментов на пилотируемых орбитальных станциях типа «Салют».
Исследование метеорного вещества
Исследования метеорного вещества в космическом пространстве имеют как научное, так и практическое значение, позволяющее оценить метеорную опасность, с которой необходимо считаться при длительных полетах тяжелых космических кораблей и орбитальных станций. Постановка этих исследований на орбитальных станциях может дать наиболее существенные результаты, поскольку обеспечивается необходимая продолжительность эксперимента и возможность размещения на корпусе станции достаточного количества датчиков с большой площадью чувствительных поверхностей для регистрации метеорных частиц.
На орбитальной станции «Салют» был поставлен эксперимент по определению пространственной плотности метеорного вещества. Регистрация метеорных частиц велась с помощью конденсаторных и комбинированных конденсаторных и пьезоэлектрических датчиков.
При пробое датчика метеорной частицей происходит кратковременное короткое замыкание обкладок ионным облачком, возникающим вследствие взаимодействия высокоскоростных частиц с преградой. Поэтому факт такого короткого замыкания конденсатора в полете свидетельствует о пробое его метеорной частицей.
Одна группа датчиков была размещена в задней части орбитального блока вблизи панелей солнечных батарей, другая — на внешней поверхности корпуса в зоне большого цилиндра. Информация с двух однотипных датчиков одинаковой чувствительности суммировалась электронным блоком орбитальной станции. Толщина чувствительных поверхностей датчиков была принята 30 и 40 мкм, площадь чувствительных поверхностей — 0,33, 0,34, 0,5 и 0,85 м2.
Конденсаторные датчики, размещенные вблизи панелей солнечных батарей, зафиксировали в несколько раз более высокий поток метеорных частиц, чем датчики такой же чувствительности, размещенные на поверхности большого цилиндра корпуса. Это, по-видимому, можно объяснить регистрацией датчиками 1-й группы продуктов разрушения солнечных батарей, выброшенных при ударах метеорных частиц о их поверхность.
При обработке экспериментальных данных о регистрации датчиками метеорных частиц в период с 15 по 27 июня 1971 г. за суммарное время 8·105 с было выявлено суммарное число пробоев, масса метеорных частиц и пространственная плотность частиц. Характерно, что пьезодатчик, настроенный на регистрацию метеорных частиц с большими массами m≥ 4·10-8 г, не имел ни одного срабатывания.
Результаты эксперимента, выполненного на станции «Салют», значительно пополнили имеющиеся сведения о пространственной плотности метеорного вещества в околоземном космическом пространстве (в области метеорных частиц малых масс) и позволяют конструкторам учесть метеорную опасность при проектных расчетах. Вместе с тем получены новые данные для усовершенствования аппаратуры, регистрирующей метеорные частицы.
назад