АКАДЕМИЯ НАУК СССР Серия «Проблемы науки и технического прогресса» Ю. И. ЗАЙЦЕВ СПУТНИКИ «КОСМОС» ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» Москва 1975

16 марта 1962 г. начал орбитальный полет первый искусственный спутник Земли серии «Космос». С того времени «Космосы» завоевали прочное место в арсенале средств исследования космического пространства. Программа исследований, выполняемая советскими учеными с помощью спутников серии «Космос», весьма разнообразна. В книге рассказывается об общих принципах и задачах этой программы.

Читатель познакомится с устройством спутников серии «Космос», составом служебной и научной аппаратуры, устанавливаемой на них, узнает о важнейших научных результатах, полученных с помощью этих спутников.

Ответственный редактор

академик

А. А. БЛАГОНРАВОВ

Юрий Иванович Зайцев

СПУТНИКИ «КОСМОС»

Утверждено к печати редколлегией

серии научно-популярных изданий Академии наук СССР

Редактор В. К. Низковский. Художник Хлебников

Художественный редактор С. А. Чернецов

Технические редакторы: Л. И. Куприянова, О. М. Гуськова

Сдано в набор 4/Ш-1975 г. Подписано к печати 20/VI-1975 г.

Формат 84хЮ8Уз2. Бумага типографская № 2. Усл. печ. л. 7,14.

Уч.-изд. л. 7,4. Тираж 38 000. Т-07783. Тип. зак. 1827.

Цена 52 коп.

Издательство «Наука». 103717 ГСП, Москва, К-62, Подсосенский пер., 21 2-я тип. издательства «Наука». 121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 10

© Издательство «Наука», 1975 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решая научные проблемы, спутники «Космос» помогают найти ответы и на многие технические вопросы, связанные с дальнейшим освоением космического пространства, получить данные о работе различных систем и приборов в полете, при входе в атмосферу Земли. Например, каким будет воздействие комплекса факторов космического пространства на элементы конструкции, как защитить экипаж кораблей от опасных излучений, обеспечить нормальную жизнедеятельность космонавтов, совершить посадку в заданном районе?

С каждым годом масштабы исследований, проводимых с помощью спутников серии «Космос», расширяются. Если в 1962-1963 гг. было запущено 24 «Космоса», то в следующие два года - 79. В одном 1970 г. осуществлено 72 запуска, в 1971 г.-81, в 1973 г.-85, в 1974 г. - 100 запусков.

Двухступенчатая ракета-носитель «Космос»

Все более разнообразными становятся трассы полета спутников. Максимальная высота над поверхностью Земли первых «Космосов» не превышала 1600 км. Сейчас их орбиты достигают высот в несколько десятков тысяч километров. Широкий диапазон наклонений орбит позволяет доставлять научную аппаратуру в новые, ранее недосягаемые районы околоземного пространства, в том числе приполярные области. В некоторых запусках сразу несколько спутников «Космос»-до восьми - выводились на орбиту одновременно, одной ракетой-носителем.

Настоящая книга имеет целью ознакомить читателя с исследованиями, проводимыми на спутниках серии «Космос». В ней приведены данные об устройстве спутников, составе и назначении служебной аппаратуры. Освещена методика исследований в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве. Излагаются результаты выполненных экспериментов.

При написании книги были использованы материалы, опубликованные в периодической печати, а также научная и техническая литература по различным аспектам рассматриваемых проблем.

УСТРОЙСТВО СПУТНИКОВ «КОСМОС»

Задача эта весьма нелегкая. Каждый экспериментатор хотел бы разместить на спутнике вполне определенный комплекс приборов, как правило, совсем не тот, который нужен другому ученому, занимающемуся иной - пусть даже весьма сходной проблемой. Научная же аппаратура как раз и определяет, каким должен быть спутник: возвратится ли он на Землю или по окончании эксперимента сгорит в плотных слоях атмосферы.

В зависимости от поставленных задач спутник иногда приходится оборудовать системой ориентации. Источники электроэнергии также зависят от предъявляемых к космическому аппарату требований. В случае если время проведения исследований непродолжительно, это будут химические аккумуляторы. В другом случае - это солнечные батареи, способные много месяцев и даже лет питать электроэнергией научную аппаратуру и бортовые системы.

Если построить универсальный спутник, удовлетворяющий всех, он получился бы очень громоздким и тяжелым, что было бы совершенно неприемлемым. Вот почему возникла и была успешно осуществлена идея создания нескольких модификаций унифицированного аппарата, которые позволяют проводить те или иные однородные или по крайней мере близкие по характеру научно-исследовательские работы. При переходе от одной модификации к другой сохраняется максимальная преемственность конструкции; обслуживающие системы не зависят от конкретной задачи эксперимента.

Унификация коснулась в первую очередь корпуса аппарата. Он состоит из трех стандартных узлов - цилиндра и двух полусфер. Каждый узел представляет собой автономный отсек. В одном - научная аппаратура, в другом - служебные системы (радиоконтроля орбиты, телеметрии, командной радиолинии), в третьем -источники питания.

На наружной поверхности корпуса предусмотрены специальные кронштейны и фланцы для крепления приборов и датчиков научной аппаратуры. Их можно устанавливать непосредственно на корпусе или с помощью переходных деталей. Электрическая связь этих приборов с источниками питания и аппаратурой, расположенной внутри корпуса, осуществляется через герметичные штепсельные разъемы.

Жизнеспособность космического аппарата в значительной степени определяется его тепловым режимом. Большинство элементов космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50° С. Еще более узок температурный интервал «жизнеспособности» электронной аппаратуры. Лучше всего она работает при «комнатной» температуре. В связи с этим особое внимание при создании космических аппаратов обращается на изучение вопросов их теплового режима и разработку мероприятий, позволяющих осуществлять его регулирование.

В тепловом отношении космический аппарат по существу является самостоятельным небесным телом, находящимся в лучистом теплообмене с окружающим пространством. Главный источник лучистой энергии - Солнце. Излучение его приближенно соответствует излучению черного тела, имеющего температуру около 6000° С. Поток солнечной энергии характеризуется значением так называемой солнечной постоянной - количеством тепла, поступающего в единицу времени на поверхность, равную 1 м² и перпендикулярную направлению солнечных лучей. За пределами атмосферы солнечная постоянная равна 1376·10⁶ эрг/см². Максимум энергии излучения Солнца лежит в видимой (5500 Å) области спектра - 200 эрг/см² Å.

Количество тепла, поступающего к космическому аппарату от Солнца, зависит от миделя - наибольшего по площади поперечного сечения и степени черноты поверхности аппарата в области максимума энергии солнечного излучения. Последняя величина определяется коэффициентом поглощения солнечной радиации.

Нагрев спутника зависит от времени нахождения его на освещенной стороне Земли. Космические аппараты, запускаемые на невысокие орбиты, 65-70% периода своего обращения находятся на освещенной стороне. Орбита может быть и такой, при которой спутник несколько суток непрерывно освещается Солнцем.

Вторым основным источником лучистой энергии, поступающей к спутнику, является Земля. Она отражает часть солнечных лучей, и это увеличивает общее количество лучистой энергии Солнца, падающей на космический аппарат.

Кроме того, Земля обладает собственным излучением, воздействующим на спутник как на освещенной, так и на теневой ее сторонах.

Поток лучистой энергии, падающий на спутник за счет отражения Землей солнечных лучей, зависит от положения орбиты по отношению к освещенной части поверхности Земли и от положения спутника на орбите. Он может достигать 35-40% от солнечной постоянной.

Собственное излучение Земли лежит в инфракрасной области. Энергия его характеризуется величинами порядка 15% от солнечной постоянной.

Некоторое количество тепла спутник получает при движения в верхних слоях атмосферы в результате соударения молекул воздуха с его поверхностью и возможной рекомбинации атомарного кислорода на ней. Величина этого тепла зависит от высоты полета спутника; с увеличением высоты поступление тепла резко сокращается. На высоте 300 км оно составляет менее 1% всех внешних источников тепловой энергии, воздействующих на спутник.

На тепловой режим космических аппаратов существенное влияние оказывают внутренние источники тепловой энергии, главным образом их аппаратура. Количество тепла зависит от мощности аппаратуры и режима ее работы по времени.

Одновременно с поглощением тепла происходит теплоотдача с внешней поверхности космического аппарата за счет излучения в окружающее пространство. Собственное излучение его, как и всякого тела, обладающего сравнительно низкой температурой, лежит в инфракрасной области спектра. Количество излучаемого тепла определяется величиной поверхности аппарата, а также ее излучателыюй способностью, характеризуемой коэффициентом собственного излучения в инфракрасной области спектра.

Таким образом, температура внутри космического аппарата определяется равновесием поглощаемой и излучаемой радиации и может принимать самые различные значения в зависимости от коэффициентов поглощения солнечной радиации и собственного излучения в видимой и инфракрасной областях спектра. Для поддержания равновесия в нужных пределах служит система терморегулирования спутника.

Системы терморегулирования могут быть двух типов - пассивная и активная. Первая из них более проста. Она состоит в том, что внешняя поверхность космического аппарата подвергается специальной обработке для придания ей таких значений коэффициентов поглощения солнечной радиации и собственного излучения, чтобы теплоотдача за счет излучения компенсировала теплоподвод от внешних и внутренних источников тепла. Соответствующей обработкой поверхности добиваются, чтобы среднее значение температуры оболочки аппарата было несколько ниже того диапазона температур, который желательно, поддерживать в нем. При этом отвод тепла, выделяемого внутри аппарата, осуществляется путем передачи его оболочке. Наиболее удобно осуществлять такой отвод, используя в качестве теплоносителя газ, находящийся внутри герметичного отсека космического аппарата. Поскольку в состоянии невесомости естественная конвекция невозможна, а без перемешивания газ является хорошим теплоизолятором, то прибегают к принудительной циркуляции. Регулируя тепловое сопротивление между внутренними частями космического аппарата и его внешней оболочкой в зависимости от температуры, обеспечивают поддержание в нем достаточно стабильного температурного режима.

Недостаток такой системы заключается в том, что для ее расчета необходимо точно знать все тепловые характеристики на орбите. И, зная их, нужно точно в расчетное время выводить аппарат на расчетную траекторию. Даже небольшие отклонения могут привести к опасности перегрева или, наоборот, переохлаждения космического аппарата. При этом нужно учитывать и то обстоятельство, что с течением времени характеристики покрытия корпуса изменяются.

На спутниках серии «Космос» применили активную систему терморегулирования. Принцип действия ее заключается в изменении соотношения площадей поверхности космического аппарата, имеющих различные значения коэффициентов поглощения солнечной радиации и собственного излучения. Этой цели служат специальные радиаторы и прикрывающие их жалюзи. Радиатором является нижняя полуоболочка корпуса, на поверхность которой нанесено в виде секторов керамическое покрытие с повышенной излучательной способностью. Жалюзи представляют собой подвижный экран, который свободно перемещается над поверхностью радиатора и регулирует его излучательную способность. Система работает автоматически по сигналам от датчиков температуры, расположенных внутри корпуса спутника. Заданная температура обеспечивается исключительно точно.

Важной технической проблемой является проблема энергопитания космических аппаратов. Электроэнергия для этой цели может быть получена либо путем накопления перед пуском достаточно больших ее запасов в аккумуляторных батареях, либо путем преобразования солнечной энергии.

Лучшие из электрохимических источников энергии имеют емкость не более 0,1 кВт-ч на 1 кг веса. Следовательно, при средней мощности бортовой аппаратуры 10 Вт вес источников питания на месяц работы составит 75 кг, а при средней мощности 200 Вт - 1,5 т. Однако при большом весе и малой энергоемкости аккумуляторы отличаются такими немаловажными достоинствами, как надежность и отличные эксплуатационные характеристики. Они незаменимы, когда требуется проводить научные измерения при высокой вакуумной чистоте.

Солнечные батареи в космосе под воздействием вакуума и радиации эрозируют и «газят». Вокруг спутника создается своя микроатмосфера. Следовательно, солнечные батареи нельзя использовать, например, при изучении физико-химического состава и плотности верхних слоев атмосферы. В этих случаях лучше применять аппарат с химическими источниками тока. Это будет спутник первой модификации.

Переход от первой модификации ко второй осуществляется заменой блока химических источников электроэнергии системой энергопитания от солнечных батарей.

Солнечная батарея представляет собой правильную восьмигранную призму с четырьмя вырезами для научной аппаратуры и раскрывающимися панелями. Она состоит из большого числа одинаковых элементов, каждый из которых представляет тонкую пластинку, вырезанную из сверхчистого монокристаллического полупроводникового кремния. Кремниевые пластинки подвергаются специальной обработке: путем термической диффузии фосфора (донорной примеси) из газовой фазы на поверхности пластинок образуется слой так называемого re-типа. После обработки каждая пластинка имеет две области п и р с противоположными механизмами проводимости. Для создания р - гс-перехода кремний может легироваться бором (акцепторной примесью). Когда на такую пластинку падают солнечные лучи, то между слоями возникает ноток электронов и образуется разность потенциалов. Солнечные элементы размером 10 X 20 мм создают напряжение 0,5-1,0 В. Соответствующее соединение элементов позволяет получить необходимые величины напряжения и силы тока.

Кремниевые солнечные элементы р - n-типа имеют коэффициент преобразования порядка 8-12%, а в отдельных случаях 14-15%. Максимальный кпд кремниевых элементов не превышает 19%. Мощность их, приходящаяся на 1 м² поверхности батареи, составляет 100-200 Вт.

Спутник с химическими источниками тока 1 - отсек под научную аппаратуру; 2 - блок обслуживающей аппаратуры; 3 - блок химических источников питания; 4 - посадочные места под научную аппаратуру; 5 - система терморегулирования; 6 - магнитометрический датчик положения спутника в пространстве Спутник с солнечными батареями 1 - отсек под научную аппаратуру; 2 - блок обслуживающей аппаратуры; 3 - блок буферных батарей; 4 - солнечная батарея; 5 - посадочные места под научную аппаратуру; 6 - система терморегулирования; 7 - магнитометрический датчик положения спутника в пространстве

Элементы солнечных батарей весьма чувствительны к воздействию космической радиации. Так, мощность стандартной солнечной батареи американского спутника «Эксплорер-IV» за 10 дней пребывания в космосе уменьшилась под влиянием радиации на 25%. Чтобы предохранить поверхность батарей от абразивного действия элементарных частиц и метеоритов, их покрывают тонким слоем защитного материала.

Схема элемента солнечной батареи 1 - монокристаллический кремний р-типа; 2 - поверхностный слой - кремний n-типа; 3 и 4 - электроды. Стрелками показано направление солнечных лучей

Из-за большой хрупкости кремния солнечные элементы устанавливают на жесткие подложки, вес которых в несколько раз превышает вес самих элементов. Малые размеры кремниевых элементов делают необходимым большое количество промежуточных соединений в панели (секции), что еще более утяжеляет конструкцию и ухудшает ее весовые характеристики. Вследствие этого удельная мощность (отношение мощности к весу) стандартных солнечных батарей относительно невелика: 13-30 Вт/кг, в лучшем случае 50 Вт/кг. Тем не менее солнечные батареи могут работать в течение нескольких лет и потому, несмотря на их недостатки, являются наиболее удобными источниками энергии для долгоживущих космических аппаратов.

В тени солнечные батареи не вырабатывают электроэнергии. Поэтому в систему энергопитания спутников «Космос» второй модификации включена так называемая буферная аккумуляторная батарея. Она заряжается, когда спутник освещен Солнцем, и питает электроэнергией приборы и системы, когда космический аппарат находится в тени. Буферная батарея служит не только накопителем, она исключает возможные колебания в потреблении энергии.

Система энергопитания с солнечной батареей 1 - солнечная батарея; 2 - коммутирующее устройство; 3 - буферная батарея

В той и другой модификациях унифицированного спутника предусмотрена возможность установки дополнительных систем. Например, может быть установлена система замедления вращения спутника, так называемая система успокоения.

Обычно при отделении от последней ступени ракеты-носителя спутник приобретает беспорядочное вращение с периодом до десятков секунд. В полете на него действуют различные возмущающие силы, которые стремятся его еще больше закрутить. К ним относится вращение различных моторов внутри аппарата, несимметричное воздействие атмосферы Земли, если он летит па небольшой высоте,

Кувыркание спутника затрудняет проведение многих научных измерений. Вращение спутника надо замедлить. С этой целью на «Космосах» используется специальная магнитная система успокоения.

Заданную траекторию при движениях спутника по орбите сохраняет только его центр масс (можно было бы сказать, центр тяжести, но в пассивном полете нет тяжести - спутник невесом). Корпус же спутника под воздействием различных возмущений непрерывно изменяет свое положение. На первый взгляд это даже неплохо. Ведь если корпус спутника неподвижен, то детали его, обращенные к Солнцу, могут нагреться (при малом контакте с корпусом) до 100° С, а части, находящиеся в тени, охладятся до -150° С и ниже. Системе терморегулирования при этом было бы трудно справиться с такими перепадами температуры.

Однако для решения большинства практических и многих научных задач необходимо придать космическому аппарату определенное положение в пространстве, т. е. он должен быть в течение длительного времени и с требуемой точностью ориентирован по отношению к Солнцу, Земле или звездам. Например, для изучения процессов, связанных с Солнцем, требуется, чтобы одна из осей спутника, та, которая соответствует направлению установки чувствительных элементов научной аппаратуры, была строго ориентирована на наше светило. Для проведения подобных исследований служит третья модификация спутника серии «Космос».

Положение космического аппарата в пространстве определяется относительно какой-то определенной системы координат - базовой системы отсчета. А сам процесс совмещения осей аппарата с осями этой системы называется ориентацией. При этом для определения направленности осей в каждый момент времени используются источники внешней информации, например датчики Солнца или звезд, инфракрасные датчики вертикали и т. д.

В полете неизбежно возникает отклонение осей летательного аппарата от соответствующих осей базовой системы отсчета.

Система автоматического регулирования, которая поддерживает те или иные координаты (например, угловую скорость или положение какой-либо оси) равными заданным в инерциальном пространстве, называется системой стабилизации, а сам процесс устранения отклонений - стабилизацией.

В систему, управляющую движением аппарата вокруг центра масс, входит ряд приборов и устройств. Они обеспечивают построение базовой системы отсчета на борту космического летательного аппарата и позволяют измерять его угловое отклонение, скорость и ускорение по отношению к осям системы. Для этого применяются различные гироскопические приборы, гантельные элементы, акселерометры, инфракрасные оптические и астрономические измерительные устройства.

Для определения углового отклонения может служить двухстепенной гироскоп. Эту же задачу решает трехстепенной, или свободный, гироскоп. Гантельные элементы, принцип действия которых основан на использовании свойств поля тяготения, могут быть применены для определения углового положения космического аппарата относительно местной вертикали, а также в качестве корректирующего устройства гироскопического указателя вертикали. Акселерометры измеряют линейные и угловые ускорения.

Спутник с системой ориентации на Солнце

Измерение вертикали с помощью инфракрасного устройства на борту искусственного спутника может проводиться двумя методами. В случае сканирования * горизонта слежение осуществляется четырьмя телескопами (по два во взаимно перпендикулярных плоскостях), а вертикаль определяется как биссектриса угла, образованного осями телескопов. При круговом сканировании прибор состоит из двух сканирующих систем с узким лучом. Обе системы осуществляют круговое сканирование пространств во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вертикаль при этом определяется в результате сравнения углов поворота сканирующих систем до линии горизонта.

* Сканирование - последовательный просмотр, осуществляемый путем перемещения луча зрения или радиолуча.

Астрономические измерительные устройства представляют собой приборы, направленные на небесные светила (Солнце, Луну, звезды). Их основной элемент обычно фотоэлектрическая следящая система, которая позволяет в течение, всего полета выдерживать направление на светило с высокой точностью.

Для ориентации и стабилизации космического аппарата необходимо прикладывать моменты, вызывающие поворот корпуса вокруг его центра масс. Источником таких моментов могут быть, например, малые реактивные двигатели, у которых газовые струи направлены в разные стороны по отношению к его осям, или система вращающихся внутри спутника инерционных масс (маховиков). Такая система, предложенная еще К. Э. Циолковским, основана на одном из классических законов механики - законе сохранения момента количества движения. Согласно ему маховики как бы «забирают» себе ту угловую скорость которую имел корпус спутника после отделения от ракеты-носителя, а затем заставляют его поворачиваться на необходимый угол, т. е. ориентируют космический аппарат.

Схема ориентации космического аппарата на Солнце 1 - чувствительный элемент системы; 2 - усилительно-преобразующее устройство; 3 - орган управления

Существенный недостаток системы ориентации и стабилизации, использующей реактивные двигатели - ограниченный срок службы, так как ее работа сопряжена с расходом какого-либо рабочего тепла, запасы которого на борту обычно ограниченны. Маховики же приводятся во вращение электродвигателями, а запасы электроэнергии могут пополняться солнечными батареями.

Скорость вращения, приобретенная маховиками, пропорциональна внешнему моменту. Вращение при этом направлено в сторону движения корпуса спутника. Маховики будут продолжать вращаться (причем со все возрастающими угловыми скоростями) и после того, как движение спутника вокруг его осей прекратится. Поэтому такая система может работать неограниченно долго только в том случае, если внешние возмущающие моменты периодически меняют свой знак.

Внешний момент одного знака (действующий постоянно в одном направлении), даже если он небольшой, может вывести систему за грань работоспособности. В связи с этим необходимо время от времени сбрасывать накопленный на маховиках момент количества движения. Наиболее целесообразно применение комбинированных систем, в которых маховики служат для точной ориентации и компенсации периодических моментов, а реактивные двигатели- для снятия накопленного кинетического момента маховиков и компенсации постоянно действующих моментов.

Именно такая комбинированная система и применяется на третьей модификации унифицированного спутника. Она обеспечивает высокую точность ориентации при длительном времени активного существования спутника.

Система работает в определенной последовательности. Прежде всего с помощью газореактивных двигателей гасятся случайные угловые скорости, приобретенные спутником при отделении от ракеты-носителя. После прекращения беспорядочного вращения спутника система ориентации начинает поиск светила, в данном случае Солнца. Для этого используются двигатели-маховики, управляемые по сигналам датчика Солнца, расположенного на передней полусфере корпуса. Когда углы рассогласования и угловые скорости уменьшаются до заданного предела, наступает так называемый установившийся режим - удержание ориентируемой оси по заданному направлению с определенной точностью.

Так как передней полусферой спутник всегда будет обращен к Солнцу, то во избежание перегрева корпус аппарата покрывается специальной экранно-вакуумной термоизоляцией.

Панели солнечных батарей на спутнике расположены так, чтобы обеспечить их максимальную освещенность Солнцем.

Спутник с системой ориентации на Солнце 1 - экранно-вакуумная термоизоляция; 2 - электронные блоки научной аппаратуры; 3 - панели солнечных батарей; 4 - чувствительные элементы научной аппаратуры

Геофизические бортовые приборы требуют ориентации спутника на определенные участки земной поверхности. Такая же ориентация на Землю необходима при исследовании радиационного режима атмосферы и при проведении ряда других экспериментов. В этом случае используют модификацию унифицированного спутника серии «Космос» с аэрогироскопической системой ориентации.

Ранее рассмотренные системы ориентации космических аппаратов характеризуются тем, что управляющие моменты создаются с помощью специальных устройств - газореактивных двигателей и маховиков, т. е. ориентация и стабилизация осуществляются активными методами, с затратами определенной энергии или рабочего тела.

Иногда бывает предпочтительнее использовать пассивные системы ориентации, для которых не нужны бортовые источники энергии. К ним относятся и те системы, где незначительное количество энергии требуется только для поддержания постоянной угловой скорости вращения роторов гироскопов, для возмещения потерь вследствие трения или преодоления зоны нечувствительности маховиков, вращающихся с постоянной скоростью. Можно, например, сориентировать спутник относительно местной вертикали, используя свойства гравитационного поля Земли. При ориентации на Солнце предлагается использовать эффект светового давления солнечных лучей. Пассивная стабилизация в абсолютной системе отсчета может быть получена за счет гироскопического свойства вращающихся тел. Весьма заманчиво использование для стабилизации космического аппарата управляемого взаимодействия его корпуса и связанных с ним электрических и магнитных полей с внешними силовыми полями.

Аэрогироскопическая система, примененная на четвертой модификации унифицированного спутника «Космос», основана на стабилизирующем действии аэродинамического сопротивления атмосферы.

Наиболее существенный недостаток пассивных систем - сравнительно малая величина управляющих моментов. Для их усиления применяются специальные устройства - стабилизаторы.

Рассмотрим подробнее пассивные системы ориентации.

Гравитационная система наиболее эффективна на высотах 500-10 000 км. Принцип действия ее основан на использовании свойств центрального ньютоновского поля сил. При движении спутника с неравными моментами инерции по круговой орбите для него существуют четыре устойчивых положения относительного равновесия, соответствующие совпадению наибольшей оси эллипсоида инерции спутника с радиусом-вектором и наименьшей оси с бинормалью - направлением, перпендикулярным плоскости орбиты. Положения устойчивого равновесия переходят одно в другое при поворотах спутника на 180° вокруг радиуса-вектора и бинормали к орбите.

Схема пассивной стабилизации, использующая восстанавливающие свойства градиента гравитационного поля Земли, была предложена в 1956 г. советским ученым Д. Е. Охоцимским. В этой схеме к спутнику с помощью сферического шарнира присоединен стабилизатор. Он выполнен в виде двух одинаковых по длине жестко скрепленных штанг с равными грузами на концах. В положении устойчивого равновесия системы спутник - стабилизатор штанги расположены в плоскости орбиты. Моменты инерции стабилизатора пропорциональны квадрату длины штанг, а максимальный их размер определяется лишь жесткостью конструкции. Штанги могут складываться или быть телескопическими, а также выполняться из металлических лент, свертывающихся в трубки под действием сил упругости. Точность стабилизации спутника определяется в основном точностью изготовления системы спутник - стабилизатор и может быть очень высокой.

Наибольшую трудность при гравитационной стабилизации представляет демпфирование, т. е. гашение собственных колебаний спутника и уменьшение влияния возмущающих моментов, в первую очередь таких, как момент, обусловленный взаимодействием объекта с магнитным полем Земли, момент сил давления солнечного излучения и аэродинамический момент. Имеется несколько методов обеспечения демпфирования: с помощью вязкой жидкости, конических пружин с кадмиевым покрытием, магнитных стержней, а также вихревых токов, возникающих в токо-проводящей оболочке при вращении корпуса аппарата в геомагнитном поле.

При полете космического аппарата по круговой гелиоцентрической орбите может быть обеспечена устойчивая постоянная ориентация его в Солнечной системе координат за счет сил давления света. При этом космический аппарат ориентируется так, что на Солнце направлена его ось, совпадающая с осью стабилизатора. Стабилизатор может быть выполнен, например, в виде конусообразного экрана, направленного своей вершиной навстречу падающему световому потоку. При отклонении ориентируемой оси от направления на Солнце по крену или тангажу за счет разности в давлении световых лучей на поверхности конуса возникает стабилизирующий момент.

На спутнике с аэрогироскопической системой ориентации устанавливается стабилизатор, который играет примерно ту же роль, что и оперение у стрелы

Изменяя угол конусности, или значение отражательной способности, или полезную площадь отражательного экрана (например, устройством специальных жалюзи), можно широко варьировать величинами стабилизирующего и дестабилизирующего моментов и тем самым регулировать положение летательного аппарата.

В околосолнечном пространстве для ориентации и стабилизации космического аппарата можно использовать совместное действие сил давления света и гравитационного поля Солнца. Эти пассивные способы будут дополнять и усиливать друг друга.

Стабилизация вращением довольно легко реализуется при сравнительно небольшом весе системы, хотя и накладывает определенные ограничения на массово-инерционные характеристики спутника. При этом способе стабилизации космический аппарат подобен гироскопу. Ось, вокруг которой аппарат вращается с постоянной угловой скоростью, стремится сохранить свое положение в абсолютном пространстве. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если момент инерции относительно оси вращения много меньше моментов инерции относительно двух других осей.

На спутниках серии «Космос» оказалось целесообразным использование для стабилизации аэродинамических сил. Впервые в космонавтике такая система была применена на спутнике «Космос-149», запущенном 21 марта 1967 г. Система состоит из аэродинамического стабилизатора и гидродемпфера. Стабилизатор крепится с помощью штанг к корпусу спутника и выполняет по отношению к нему как бы роль оперения стрелы. Он приводит к появлению восстанавливающих моментов по тангажу и рысканию, стремящихся совместить продольную ось спутника с вектором скорости набегающего потока.

Возмущения, которые возникают при отделении спутника от ракеты-носителя, уменьшаются с помощью кратковременно действующей газореактивной системы предварительного успокоения. Ее исполнительные органы располагаются на передцей полусфере корпуса аппарата. Однако такая система на спутниках с аэрогироскопической стабилизацией не обязательна. Она лишь уменьшает время выхода спутника на нормальный режим стабилизации, так как аэрогироскопическая система обладает лишь одним положением устойчивого равновесия.

Погрешность аэрогироскопической системы стабилизации складывается из ошибок, вызываемых возмущающим воздействием магнитного поля Земли, гравитационных моментов, эллиптичностью орбиты, а также из-за вращения деталей внутри спутника и нестабильности атмосферы. Под действием этих возмущений спутник совершает колебания около номинального равновесного положения. Амплитуда колебаний определяет точность системы стабилизации. В процессе эксплуатации «Космосов» она рассчитывалась по показаниям различных датчиков контроля ориентации, расположенных на спутнике, и оказалась не хуже 5° по всем трем осям.

Разработка спутника, стабилизирующегося как стрела с помощью аэродинамических сил,- задача большой технической сложности. Известно, что верхние слои атмосферы очень разрежены. Так, на высоте 250-300 км плотность атмосферы составляет всего 10^-14 г/см³. Сила аэродинамического сопротивления, обусловленная взаимодействием спутника с атмосферой, будет измеряться только десятыми долями грамма (0,1-0,5 г). Кроме того, состояние атмосферы зависит от многих возмущающих факторов, основной из которых - солнечная активность. Образно говоря, атмосфера как бы дышит: на высоте 300 км плотность ее может изменяться более чем в 10 раз. Эти свойства атмосферы предъявляют исключительно высокие требования к точности выведения спутника на орбиту. Даже при небольших отклонениях от расчетной траектории он либо не застабилизируется, либо время его активного существования будет недостаточным для запланированных исследований.

Спутник серии «Космос», научные приборы и объекты эксперимента которого возвращаются на Землю, по внешнему виду существенно отличается от спутников первых четырех модификаций. Он состоит из трех стандартных узлов: автономного отсека-капсулы, приборного отсека и тормозной двигательной установки. Размещение на его борту различной научной аппаратуры не связано с необходимостью изменения геометрической формы капсулы, неспасаемой части спутника, служебных систем, электрической схемы и схем управления и спуска.

Движение искусственного спутника относительно Земли происходит со скоростью, равной или несколько большей первой космической. При спуске эта скорость должна быть уменьшена и в момент посадки равняться нулю. Практически можно применять два принципиально разных способа торможения космических аппаратов при спуске: путем использования реактивной силы и путем аэродинамических сил, возникающих при движении аппарата в атмосфере.

Для осуществления первого способа спуска аппарат или его спускаемая часть должны быть снабжены двигательной установкой и запасом топлива, обеспечивающими торможение. При использовании наиболее эффективных химических топлив относительный вес полезного груза к общему весу космического аппарата в этом случае составит менее 10%.

При спуске с использованием аэродинамического торможения космический аппарат оснащается специальными устройствами, увеличивающими в несколько десятков и даже сотен раз его модель, а следовательно, и сопротивление движению в атмосфере. Таким устройством может быть, например, парашют, раскрывающийся на определенном этапе спуска.

Одновременно с воздействием на космический аппарат аэродинамических сил происходит его интенсивный аэродинамический разогрев. Кинетическая энергия, которой обладает аппарат при входе в атмосферу, вызывает повышение теплосодержания и температуры омывающего его потока воздуха. Кинетическая энергия, приходящаяся на 1 кг веса искусственного спутника, движущегося на высоте нескольких сот километров, соответствует тепловой энергии примерно 2,8·10⁵ ккал/кг. Если предположить, что все это тепло передается космическому аппарату, то тепла с избытком хватит, чтобы полностью разрушить его. Поэтому основная задача при осуществлении аэродинамического торможения космического аппарата заключается в рассеянии возможно большей части тепловой энергий в окружающую атмосферу с тем, чтобы сам аппарат поглощал минимальную часть выделяемого тепла.

Наибольший тепловой поток поступает к поверхности аппарата вблизи так называемой критической точки, в которой набегающий поток полностью затормаживается. Величина тепловых потоков, поступающих к различным участкам поверхности аппарата, зависит от его формы и параметров движения. Тепло, передаваемое космическому аппарату, частично излучается с его поверхности, а частично идет на нагревание его оболочки и передается внутрь. Температура поверхности аппарата при этом может достигать значений, при которых разрушаются даже наиболее тугоплавкие материалы. В случае, если она превышает температуру плавления материала оболочки, происходит оплавление или испарение и унос набегающим потоком материала с поверхности аппарата. Тогда часть тепла поглощается процессами плавления и испарения.

Очевидно, что внешняя оболочка космического аппарата, предназначенного для спуска, во избежание его разрушения должна быть выполнена из материала, обладающего максимально возможной температурой разрушения и требующего максимального количества тепла для плавления или испарения. Вместе с тем в конструкции должны быть предусмотрены меры тепловой защиты, препятствующие передаче тепла внутрь космического аппарата, к его оборудованию, с тем, чтобы температура внутри аппарата оставалась в допустимых пределах.

Сопоставление рассмотренных здесь способов спуска показывает, что отношение веса полезного груза к общему начальному весу космического аппарата при спуске с использованием аэродинамических сил оказывается значительно благоприятнее, чем при спуске с использованием реактивных сил. Вес средств тепловой защиты, несущих поверхностей и прочих элементов аппарата, тормозящегося аэродинамическими силами, оказывается меньше веса топлива, необходимого для торможения аппарата реактивным двигателем. Вот почему для спуска капсулы унифицированного спутника был выбран второй способ, т. е. использование аэродинамических сил.

Гашение орбитальной скорости обеспечивается тормозной двигательной установкой. Перед ее включением спутник ориентируется в пространстве заданным образом.

В случаях, когда космический аппарат не имеет каких-либо специальных устройств, существенно увеличивающих сопротивление, его торможение происходит в основном на относительно малых высотах (40-50 км), где плотность атмосферы уже достаточно велика. При этом интенсивность тепловых потоков резко возрастает и может достигать десятков тысяч килокалорий на квадратный метр в секунду. В результате максимальная температура на поверхности аппарата превысит температуру разрушения (плавления или испарения) известных в настоящее время материалов.

Применение на спутниках «Космос» парашютов обеспечивает интенсивное торможение аппарата на больших высотах (70-80 км), и к моменту снижения скорость его значительно уменьшается. В результате интенсивность тепловых потоков и температура оказываются значительно меньшими, чем в предыдущем случае.

БОРТОВАЯ СЛУЖЕБНАЯ АППАРАТУРА

Кроме разнообразных научных и измерительных приборов спутники серии «Космос» снабжаются рядом систем и устройств, объединяемых общим названием - бортовая служебная аппаратура. К ней относятся: радиотелеметрическая аппаратура, осуществляющая передачу результатов научных измерений на Землю; радиоаппаратура, позволяющая проводить радионаблюдения за космическим объектом и измерять параметры его движения; аппаратура, обеспечивающая управление всеми бортовыми системами; ряд дополнительных устройств.

Вся бортовая аппаратура «Космосов» выдерживает значительные ускорения, возникающие при выведении космического аппарата на орбиту, и рассчитана на работу в условиях невесомости. Основные требования к аппаратуре - ее малый вес и габариты, а также минимальное потребление электроэнергии. Вместе с тем она должна отличаться высокой надежностью при длительной работе. Эти требования вызвали необходимость использовать при разработке бортовой аппаратуры новейшие достижения науки и техники. В аппаратуре «Космосов», в частности, нашли самое широкое применение полупроводниковые приборы.

Передача данных научных измерений с космического аппарата на Землю, а также сведений о работе приборов и научной аппаратуры осуществляется с помощью радиотелеметрической системы. Она связывает датчики научной аппаратуры с наземным вычислительным центром.

Конструкции датчиков и принципы их работы разнообразны. Тип каждого датчика определяется характером физической величины, для измерения которой он служит. Некоторые датчики должны размещаться вне герметичного корпуса, чтобы быть в непосредственном контакте с окружающим пространством. К ним относятся датчики для исследования физико-химических параметров верхней атмосферы, ловушки заряженных частиц, фотоумножители, датчики, регистрирующие удары метеорных частиц, и т. д. Другие, например счетчики частиц космических лучей, могут помещаться внутри аппарата.

Выходной сигнал измерительного датчика обычно нельзя использовать для непосредственной передачи на Землю. Сначала он поступает в усилительно-преобразовательное устройство, где приобретает форму, соответствующую установленному стандарту.

Радиотелеметрическая система включает в себя аппаратуру, размещаемую на космическом аппарате, а также наземные приемные станции. Бортовая телеметрическая аппаратура осуществляет преобразование измеряемых величин в радиосигналы определенного вида. Наземные станции принимают их и преобразуют в форму, удобную для регистрации.

Схема радиотелеметрической системы а - космический аппарат; б - наземный пункт; 1 - датчики и научные приборы; 2 - бортовой коммутатор; 3 - блок формирования телеметрического сигнала; 4 - запоминающее устройство; 5 - передатчик; 6 - приемник; 7 - преобразователь; 8 - наземный коммутатор; 9 - блоки регистрации

Существуют различные способы формирования телеметрических сигналов. Один из них заключается в генерировании некоторой частоты (так называемой поднесущей), которая затем модулирует основную несущую частоту радиопередатчика. При этом поднесущая частота изменяется в зависимости от напряжения, поступающего на вход телеметрической системы, т. е. в зависимости от измеряемой величины. Например, поднесущая частота может быть пропорциональна измеряемой величине. Такой способ формирования телеметрических сигналов носит название частотной модуляции. Наземная станция, приняв радиосигналы, выделяет поднесущую частоту и измеряет ее. В результате на выходе соответствующего блока наземной станции вырабатывается напряжение, пропорциональное измеряемой величине.

Схема формирования телеметрических сигналов а - частотная модуляция; б - широтно-импульсная модуляция; в - время-импульсная модуляция; г - кодово-импульсная модуляция Форма телеметрических сигналов, передаваемых многоканальной системой при широтно-импульсной модуляции Uвх - передаваемые величины; Uвых - регистрируемые величины

Другой способ формирования телеметрических сигналов называется кодово-импульсной модуляцией с двоичным кодом. Он заключается в том, что отдельные значения измеряемой величины преобразуются в двоичные числа и передаются в виде групп импульсов, в которых импульсы обозначают единицы, а отсутствие импульсов - нули.

Распространена также широтно-импульсная модуляция, заключающаяся в последовательной передаче по радиоканалу импульсов, длительность (ширина) которых пропорциональна измеряемой величине в некоторые моменты времени. В этом случае измеряемая величина передается не непрерывно, а отдельными дискретными значениями, которые соответствуют моментам «опроса» данного прибора телеметрической системой.

На спутниках «Космос» применена так называемая время-импульсная модуляция, при которой в зависимости от значения измеряемой величины меняется промежуток времени между передачей опорного и измерительного импульсов.

Схема равносигнальной зоны, образуемой двумя антеннами А и В - приемные антенны; а и b - интенсивность принимаемых сигналов в различные моменты времени; α - угол между максимумами диаграмм направленности; I - равносигнальная зона; II - направление на спутник; III - ось диаграммы направленности; 1, 2 и 3 - положения спутника на орбите. Стрелкой показано направление движения спутника

Радиотелеметрическая система обеспечивает одновременную передачу большого количества измеряемых величин. С помощью специального коммутирующего устройства ко входу системы производится поочередное подключение научных приборов и датчиков. Частота подключения может составлять от нескольких раз до нескольких сот раз в секунду. На наземных приемных станциях также имеются коммутирующие устройства, которые работают синхронно с бортовым коммутатором. Это позволяет раздельно регистрировать телеметрические сигналы, передаваемые по одному общему каналу. Синхронизация бортовых и наземных коммутирующих устройств производится специальными синхронизирующими импульсами, также передаваемыми по радиоканалу телеметрической системы. Научная аппаратура спутника в соответствии с программой ведет измерения во многих точках орбиты. Радиотелеметрическая система может передавать информацию только в зонах прямой радиовидимости наземных станций. Когда связь спутника с измерительными пунктами отсутствует, используется запоминающее устройство (ЗУ), где накапливается научная информация и данные о работе бортовых систем за один или несколько витков до орбите.

Во время сеансов связи наряду с передачей накопленной информации ведется непосредственная телеметрическая передача многих параметров, регистрируемых научной аппаратурой. Данные с запоминающего устройства спутника воспроизводятся с очень большой скоростью, и наземные станции быстро освобождаются для связи с другими космическими аппаратами.

Схема равносигнальной зоны, образуемой сканированием диаграммы направленности антенны А - антенна; О - ось равносигнальпой зоны; α - угол сканирования антенны

При полетах космического аппарата очень важно измерение характеристик его движения - координат и составляющих вектора скорости в различные моменты. Для этого в состав комплекса служебных систем спутников «Космос» введена аппаратура радиоконтроля орбиты. На основании полученных от нее данных определяются параметры орбиты спутника и прогнозируется его движение, что необходимо для выдачи целеуказаний наземным наблюдательным пунктам.

Измерение координат космического аппарата может осуществляться различными методами, основанными на использовании принципа равносигнальной зоны, принципов пассивной или активной радиолокации, эффекта Доплера и т. д.

Метод равносигнальной зоны основан на использовании для приема радиосигналов спутника двух антенн, расположенных на одном наземном пункте, но имеющих сдвинутые друг относительно друга на некоторый угол максимумы диаграмм направленности. Сравнивая уровни сигналов, принимаемых обеими антеннами, можно определить момент пролета спутника через плоскость, соответствующую направлению оси равносигнальной зоны. Равносигнальная зона может быть получена и при использовании одной антенны, диаграмма направленности которой периодически меняет положение в пространстве.

К числу радиометодов, пригодных для точного определения угловых координат космических аппаратов, относится и так называемый фазовый метод. Сущность его заключается в определении косинуса угла между направлением на бортовой передатчик и базовой липией наземных антенн. Имея два комплекта антенн, базовые линии которых взаимно перпендикулярны, можно измерить два направляющих косинуса, а следовательно, определить направление на передатчик в пространстве.

Схема движения спутника по отношению к наземному пункту П - наземный пункт; р - удаление наземного пункта от плоскости орбиты; А - положение спутника на орбите в различные моменты времени; О - проекция орбиты на поверхность Земли

Метод определения координат спутников серии «Космос» основан на эффекте Доплера. Он заключается в том, что при относительном сближении (или удалении) радиопередатчика и приемника частота сигнала, регистрируемого приемником, отличается от частоты сигнала, излучаемого передатчиком, на некоторую величину, пропорциональную скорости сближения (или удаления). При сближении частота принимаемого сигнала больше, а при удалении меньше частоты излучаемого сигнала. На спутниках устанавливается радиопередатчик, работающий в режиме непрерывного излучения или излучающий достаточно длительные импульсы. Наземные измерительные пункты снабжаются чувствительными приемниками и устройствами для измерения частоты принимаемых сигналов.

Вначале, когда спутник удален от наземного пункта, скорость изменения расстояния между ними максимальная и практически совпадает со скоростью движения спутника. Затем, по мере приближения спутника, угол между направлением его движения и- линией спутник - наземный пункт увеличивается. В связи с этим скорость сближения начинает падать. В тот момент, когда спутник проходит на кратчайшем расстоянии от наземного пункта, скорость их сближения становится равной нулю. Затем спутник удаляется от наземного пункта, скорость удаления постепенно повышается, приближаясь к скорости движения спутника. При этом чем ближе пролетает спутник по отношению к наземному пункту, тем быстрее изменяется частота принимаемого сигнала от максимального значения до минимального.

Скорость изменения расстояния между спутником и наземным пунктом Сб - скорость сближения; уд - скорость удаления; tс - время, сек.
Изменение частоты принимаемого радиосигнала во времени Ч - частота; tс - время, сек.)

Регистрируя частоту принимаемого радиосигнала, можно с достаточно большой точностью установить момент прохождения спутника на минимальном расстоянии от наземного пункта. Зная моменты прохождения спутника на минимальном расстоянии по отношению к нескольким наземным пунктам, можно вычислить основные параметры его орбиты.

Работой аппаратуры и систем спутников «Космос» управляют двумя способами: первый - командами, передаваемыми на борт с наземных пунктов по специальной командной радиолинии, второй - автономно, с помощью программно-временного устройства. Первый способ более гибок. Хотя число команд, которые могут быть переданы на спутник с Земли, ограничено, они распределяются так, чтобы при необходимости обеспечить оперативное вмешательство в работу бортовых систем. Такой способ управления бортовой аппаратурой имеет особое значение при длительном полете космического аппарата, когда задать строго определенную программу работы его аппаратуры заранее не представляется возможным.

Для выполнения научного эксперимента могут понадобиться сведения об угловом положении спутника в пространстве в каждый момент времени. Для этого на борту первых унифицированных спутников «Космос» предусмотрена возможность установки системы индикации, включающей в себя различные чувствительные элементы - датчик Солнца, магнитометр и т. д.

Показания их регистрируются в запоминающем устройстве одновременно с результатами измерений научной аппаратуры и затем передаются на Землю по радиотелеметрическим каналам.

ОСОБЕННОСТИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО СПУТНИКА

Создание унифицированного спутника, конечно, не исключает необходимости разработки аппаратов для проведения специальных исследований. В первую очередь это относится к различным техническим экспериментам в космосе, таким, как автоматическая стыковка на орбите, испытание отдельных узлов космических аппаратов и т. п.

Для сбора метеорологической информации и передачи ее на Землю в нашей стране создан специальный метеорологический спутник «Метеор», системы которого отрабатывались на спутниках серии «Космос».

Космос-23
Метеорологический спутник серии «Космос» 1 - приводной механизм ориентации солнечных батарей; 2 - аппаратура контроля орбиты; 3 - телевизионные камеры; 4 - антенны; 5 - панели солнечных батарей; 6 - приемное устройство инфракрасной аппаратуры; 7 - приемное устройство актинометрической аппаратуры; 8 - построитель местной вертикали; 9 - магнитный датчик

На первом этапе были разработаны специальные спутники, например «Космос-23», на борту которых отрабатывались электротехнические устройства, обеспечивающие стабилизацию космического аппарата и ориентацию его корпуса на центр Земли. На этих же спутниках проверялась работа автоматических устройств энергетической системы, управляющих работой солнечных и химических батарей. Так, исследования солнечных батарей показали, что при длительном воздействии на них космической среды характеристики фотоэлементов изменяются. Это снижает коэффициент полезного действия батарей. Результаты исследований были использованы при разработке более совершенных источников электроэнергии на спутниках последующих типов.

На втором этапе работ по созданию метеорологической системы был разработан специальный экспериментальный метеорологический спутник, из серии которых первым был «Космос-122». На этом спутнике комплекс приборов для метеорологических наблюдений (телевизионных, актинометрических, инфракрасных) сочетался с системой, обеспечивающей многомесячное функционирование аппарата на орбите.

Корпус экспериментального метеорологического спутника представляет собой герметичный контейнер, разделенный на два отсека. В верхнем отсеке располагаются основные служебные системы, в нижнем - научная аппаратура. Две панели солнечных батарей, состоящие из многих тысяч фотоэлементов, обеспечивают спутник электроэнергией. В момент старта и на активном участке полета солнечные батареи находятся в сложенном состоянии и раскрываются после отделения спутника от ракеты-носителя. Для ориентации солнечных батарей на Солнце применена независимая автономная система, которая обеспечивает постоянное положение плоскости батарей перпендикулярно направлению солнечных лучей. В качестве датчиков направления на Солнце применяются специальные фотоэлементы, реагирующие лишь на определенную часть спектра солнечного излучения. Для предохранения аккумуляторов от избыточной зарядки или недопустимого снижения напряжения служит автоматическая система регулирования.

Для большинства бортовых приборов спутника используется переменный ток частотой от десятков до сотен герц. Постоянный ток аккумуляторной батареи превращается в переменный статистическими полупроводниковыми преобразователями, которые одновременно являются автоматическими регуляторами напряжения и частоты переменного тока. Преобразователи обеспечивают также синхронность работы электрических двигателей, установленных в различных механизмах спутника.

Во время полета спутник строго ориентирован на Землю. Одна его ось направлена на центр Земли, вторая - вдоль траектории и третья - перпендикулярно плоскости орбиты. Для определения направления на Землю применяется прибор, реагирующий на ее тепловое излучение (инфракрасная вертикаль). Исполнительными органами системы ориентации служат электродвигатели-маховики.

Строгая ориентация спутника позволила применить сканирующую аппаратуру, которая следит за процессами в атмосфере Земли, просматривая ее все время в поперечной плоскости справа налево и слева направо.

Кроме систем ориентации и энергоснабжения в состав бортового оборудования метеорологического спутника входят радиотелеметрическая система с запоминающим устройством, система радионаблюдения за спутником и измерения параметров его движения, система терморегулирования, система единого времени для привязки результатов измерений к местности, система управления, состоящая из бортового автоматического устройства и командной радиолинии.

ИСПЫТАНИЯ СПУТНИКА

Космос - среда необычная с точки зрения наших представлений и условий, в которых работают земные механизмы. Там - высокий вакуум, резкие колебания температуры, различные виды излучений. Необходимо заранее знать, как поведет себя космический аппарат в полете. Поэтому на Земле приходится создавать условия, которые по своему воздействию на модель аппарата были бы подобны условиям его работы в космосе. В процессе таких испытаний выявляются многие неполадки, которые могли бы стать причиной отказа или аварии в полете. Например, статистические данные, полученные из опыта запусков в США спутников серии «Эксплорер», показали, что более 50% всех неисправностей было обнаружено и устранено в процессе испытаний в моделирующих установках. Так как стоимость установки равна примерно стоимости одного запуска, то она полностью окупается, если с ее помощью будет обнаружена и устранена хотя бы одна принципиальная неполадка, которая могла бы привести к аварии.

Воздействие космической среды на летательный аппарат слагается из нескольких факторов. Прежде всего это космический вакуум. Он отличается рядом особенностей физических данных и явлений. В их числе: крайне низкая концентрация газовых частиц разнообразной природы, их высокие скорости от 10² до 10⁶ м/с в разных направлениях, весьма низкий коэффициент возврата частиц (согласно некоторым оценкам он колеблется примерно от 10^-4 до 10^-2 для частиц различных масс); неограниченная поглотительная способность; наличие различных типов излучений.

Вследствие эрозии с поверхности космического аппарата непрерывно улетучиваются частицы материала. В результате удаления защитных газовых и окисных пленок, имеющих толщины, соизмеримые с длинами световых волн, способность поверхностей к излучению, поглощению и отражению изменяется. Существенно ухудшаются радиационные характеристики космического аппарата. Затрудняется теплопередача между отдельными его частями, что в конечном счете сказывается на общем тепловом балансе.

В космическом вакууме увеличиваются трение и износ материалов. Могут возникать явления так называемой холодной сварки. Был, например, поставлен такой опыт. Две металлические шестеренки примерно одного диаметра приводились в зацепление и вращались со скоростью около 3 тыс. оборотов в минуту при давлении 10^-11 атмосферного. Через полчаса работы они уже представляли собой два сплошных валика разных диаметров; зубья на одной шестерне были срезаны, а их металл заполнил впадины между зубьями другой шестерни.

Почти 10% электромагнитного излучения Солнца приходится на ближнюю ультрафиолетовую область. Оно может вызвать сильные химические и физические изменения в большинстве материалов. Воздействие электромагнитной и корпускулярной радиации проявляется в основном во взаимодействии с электронными оболочками атомов веществ.

Космические лучи, бомбардируя корпус аппарата, вызывают эрозию и разбрызгивание вещества в виде выброса атомов с поверхности материалов. Радиационная эрозия наблюдается уже при взаимодействии с потоком частиц, имеющих энергию выше 10 эВ. Ее воздействие сказывается прежде всего на внешних элементах конструкции. Так, из американской статистики известно, что только в результате повреждения космическим излучением солнечных батарей и терморегулирующих покрытий досрочно прекратили свою работу свыше десяти различных космических аппаратов.

И еще один из специфических видов воздействия физических условий космоса на космический аппарат - микрометеорная эрозия. Постоянно бомбардируя корпус корабля, мельчайшие пылинки могут разрушить его поверхностный слой. Оптические элементы, иллюминаторы, датчики ориентации под их воздействием становятся матовыми. А частица весом в 1 г способна пробить обшивку корабля.

Особенность космического моделирования на Земле в том, что моделируется не среда, а ее воздействие на космический аппарат. Короче говоря, воспроизводится воздействие условий космоса в искусственно созданной среде. Явления, которые при этом происходят с космическим аппаратом, примерно те же, что и в полете. Если, например, в аэродинамике поток, как правило, натурный, а модель берется значительно меньших размеров, то в космонавтике моделируется внешнее воздействие, а космический аппарат представлен в натуральную величину.

Моделирование условий космоса на Земле представляет собой очень сложную задачу. В барокамере, например, вакуум равномерный. В полете же, в натурных условиях, давление со стороны, в которую движется спутник, будет превышать давление с противоположной стороны.

Большую трудность из-за своей специфики представляет воспроизведение излучения планет Солнечной системы.

А каковы должны быть условия моделирования воздействия окружающей среды на аппарат, предназначенный для посадки на Луну, если на солнечной ее стороне он будет нагреваться до температуры кипящего масла, а на ночной вымерзать до температуры жидкого азота?

Несмотря на трудности, большинство эффектов воздействия космоса все-таки удается воспроизвести в лабораторных условиях.

Обычная вакуумная система состоит из откачиваемого объема, трубопровода и вакуумного насоса. Каждая из этих частей имеет свои характеристики. Откачиваемый объем характеризуется геометрическими размерами и газовыделением, трубопровод - пропускной способностью, насос - производительностью. Эти характеристики, вместе взятые, определяют получаемый вакуум в откачиваемом объеме.

Установка моделирования космического вакуума принципиально отличается от классических вакуумных систем отсутствием промежуточного звена - трубопровода. Это достигается тем, что сами стенки установки представляют в данном случае так называемый криогенный насос - устройство, охлаждаемое до температур, близких к абсолютному нулю. Механизм откачки состоит в том, что газовые частицы замерзают на стенках камеры в виде твердого осадка. Степень совершенства откачки такого насоса, т. е. сходства его с «космическим насосом», оценивается с помощью так называемого коэффициента возврата, который определяется соотношением геометрических размеров установки и космического аппарата, а так же поглощающей способностью стенок камеры, коэффициент возврата современных вакуумных установок равен 10^-2-10^-3. Это означает, что из 100 или 1 тыс. улетающих с объекта молекул только одна возвращается обратно. Для уменьшения коэффициента возврата в барокамере дополнительно устанавливаются различные механические устройства типа, например, жалюзи, охлаждаемые до температуры жидкого азота. Они препятствуют возвращению тех частиц, которым удается вырваться из «ледяного плена». Если же эти жалюзи, кроме того, зачернить, то они будут представлять собой модель «черного» и «холодного» космоса.

Объем вакуумных установок достигает значительных размеров. Большими считаются установки с объемом в несколько тысяч кубических метров.

Если имеется большая вакуумная камера с черными холодными стенками, то для превращения ее в действительную, если так можно сказать, модель космоса на Земле, необходимо создать в камере искусственный солнечный свет и планетное излучение. Почему искусственный? Да потому, что обычным солнечным светом, который доходит до поверхности Земли, воспользоваться нельзя, он сильно ослаблен атмосферой. Так, у солнечного света, прошедшего через земную атмосферу, почти полностью отсутствует ультрафиолетовая часть спектра, которая как раз и оказывает наиболее сильное воздействие на космический аппарат.

В качестве искусственного солнца обычно используется очень мощная кварцевая лампа с ксеноновым или ртутно-ксеноновым наполнением. С помощью системы кварцевых линз расходящиеся лучи лампы преобразуются в почти параллельный пучок требуемой интенсивности. В этом пучке и помещается испытуемый космический аппарат. В случае, если он больших размеров, пучков бывает много. Общее число ламп может достигать нескольких сотен штук.

Чтобы смоделировать тепловое излучение планет, используют систему инфракрасных нагревателей. Не вдаваясь в технические подробности, отметим только, что эти нагреватели устроены намного сложнее, чем генератор солнечного излучения.

При моделировании воздействия космических излучений на работоспособность материалов и деталей спутника исследования проводятся в основном на образцах этих материалов, поскольку облучить целиком весь космический аппарат невозможно из-за отсутствия ускорителей соответствующих размеров.

В космосе наблюдаются излучения многих видов и разных энергий, поэтому и образцы подвергаются облучению последовательно на различных ускорителях заряженных частиц, кобальтовых пушках, рентгеновских установках (сейчас строятся установки, которые могут давать одновременно весь спектр энергий). Основной недостаток моделирования воздействия космических излучений на космический аппарат состоит в том, что испытания приходится проводить ускоренно, т. е. облучение длится максимум несколько часов, тогда как в космосе спутник облучается в течение многих дней, месяцев и даже лет. После испытаний образцы проходят тщательное лабораторное исследование.

На Земле моделируются и такие специфические воздействия космического полета, как вибрация и механические перегрузки на активном участке или тепловой режим спускаемой капсулы при входе в атмосферу. На специальных стендах проверяют прочность конструкции космического аппарата, способность отдельных узлов к деформациям, максимально допустимые продольные и поперечные нагрузки на корпус и приборные рамы, работоспособность элементов конструкции при вибрациях.

Помимо статистических и динамических испытаний герметичный корпус космического аппарата подвергается гидравлическим испытаниям на избыточное внутреннее давление.

В условиях, максимально приближенных к реальным, отрабатываются механизмы раскрытия антенн и панелей солнечных батарей, конструкции замков, защелок и соединительных механизмов. При этом замеряются время задержки в срабатывании механизмов после подачи команды и скорость раскрытия.

Температурные испытания спутника проводятся автономно на тепловом макете. При проверке работы системы терморегулирования нагревают и охлаждают термочувствительные элементы до предельных температур и контролируют их срабатывание. В термокамере определяется деформация приборных рам под воздействием возможных перепадов температур между отсеками аппарата.

В соответствии с техническим заданием космический аппарат должен работать в течение определенного, довольно длительного времени, необходимого для выполнения всей программы эксперимента. Способность аппаратуры нормально функционировать весь этот период выявляется ресурсными испытаниями. Поэтому, чтобы застраховаться от случайностей, испытания длятся значительно дольше, чем это установлено техническим заданием. Только те приборы и узлы, которые прошли весь цикл экспериментальной отработки без каких-либо замечаний, допускаются к дальнейшим работам.

Следующий этап - комплексные электрические испытания аппаратуры. Их цель - проверка взаимодействия приборов и бортовой схемы питания и управления. Отдельные узлы и блоки космического аппарата располагаются на разнесенных подставках и технологических тележках, что обеспечивает свободный доступ к аппаратуре при определении неисправностей или замене приборов. Узлы и блоки соединяются между собой специальными кабелями-удлинителями. Питание осуществляется от наземных источников тока.

Комплексные испытания на разобранном объекте являются наиболее важной частью заводских испытаний. В ходе их выдерживается строгая последовательность операций, которая отражает работу приборов и взаимодействие отдельных узлов спутника в момент запуска, на активном участке, при отделении от ракеты-носителя и в орбитальном полете.

Программное устройство последовательно выдает команды на различные блоки аппаратуры, узлы схемы управления. Проверяется также исполнение команд, передаваемых по радиолинии ракеты-носителя, включение систем космического аппарата при срабатывании датчиков отделения его от ракеты. Затем электронная аппаратура как бы «проигрывает» весь полет, поведение каждого прибора в космосе. Определяется чувствительность систем к командам, передаваемым по радиолинии с Земли. По экранам наземной станции телеметрических измерений контролируются исходные уровни параметров аппаратуры, оценивается качество работы автоматики запоминающего Устройства, определяются выходные мощности передатчиков, длительность циклов программных устройств; контролируются время срабатывания реле максимального и минимального тока, выдача команд на отключение нагрузки при понижении напряжения источника питания. В тех случаях, когда на борту устанавливается газореактивная система, испытателей интересует срабатывание ее клапанов, работа редукторов высокого и низкого давления, сопротивление изоляции. И так до тех пор, пока весь космический аппарат не будет опробован в действии.

После окончания испытаний аппаратура направляется в сборочный цех.

Деление конструкции спутника на отдельные отсеки, блоки и узлы позволяет применить при сборке параллельно-последовательный порядок операций. В результате обеспечиваются широкий фронт работ, поточный процесс сборки.

В ходе сборки особое внимание обращается на проверку герметичности корпуса. Для этого его заполняют каким-либо газом, обладающим большой текучестью. Сначала определяютсй возможные местные утечки, а затем суммарное натекание газа в барокамере с глубоким вакуумом.

Одновременно с проверкой корпуса на герметичность идет сборка монтажных рам с научной и служебной аппаратурой. На внешней поверхности космического аппарата размещаются чувствительные элементы научной аппаратуры, датчики системы ориентации и т. п. Точность установки достигается тщательным изготовлением отсеков и высоким качеством сборочных работ.

Комплексными испытаниями бортовой аппаратуры на собранном объекте завершается цикл заводских электрических испытаний. Они в основном повторяют предыдущую программу. Методика их проведения учитывает невозможность подключения к бортовым приборам контрольно-измерительной аппаратуры. Работа всех систем спутника оценивается по данным телеметрии.

По окончании электрических испытаний со спутника снимаются источники тока, а сам он вместе с солнечными батареями помещается в специальный контейнер, в котором и доставляется на космодром.

На технической позиции космодрома космический аппарат после выгрузки из контейнера устанавливают на технологическую тележку, проводят его внешний осмотр и проверку комплектующих узлов и деталей. Развертывается и подключается наземная кабельная сеть и контрольно-измерительное оборудование для проведения проверочных включений бортовой аппаратуры. Проверяется ее функционирование. Затем на космическим аппарате устанавливается летная батарея, а сам он помещается на кантовочное приспособление для пристыковки его к ракете-носителю и проведения заключительных операций. По окончании этих работ космический аппарат, пристыкованный к ракете и закрытый обтекателем, транспортируют на стартовую площадку.

Объем и последовательность предпусковых работ строго регламентированы по времени. Программа испытаний космического аппарата на стартовой позиции обычно сведена до минимума и включает в основном проверку исходного состояния бортовых систем и подготовку аппаратуры к работе. Включение систем производится непосредственно перед стартом.

Переводом питания от наземных источников на бортовые заканчивается подготовка космического аппарата к запуску.

ПРОГРАММА СПУТНИКОВ «КОСМОС»

Однако многие из полученных результатов нуждались в перепроверке и подтверждении. Кроме того, исследования на первых спутниках проводились в период максимума активности Солнца. Для изучения зависимости параметров верхней атмосферы и межпланетной среды от солнечной активности необходимо было накопить достаточно большой экспериментальный материал в период ее спада и минимума. Возникала также необходимость в специализированных и комплексных экспериментах, направленных на решение усложняющихся с каждым годом проблем проникновения человека в космос.

Эти задачи и были возложены на многочисленные спутники серии «Космос».

Таким образом, осуществление новой расширенной программы изучения верхних слоев атмосферы и околоземного космического пространства с помощью спутников серии «Космос» - логически обоснованное продолжение и развитие предшествующего этапа исследований.

Научная программа спутников серии «Космос» предусматривает изучение: распределения и образования облачных систем в атмосфере Земли; верхних слоев атмосферы; концентраций заряженных частиц в ионосфере с целью исследования распространения радиоволн; корпускулярных потоков и частиц малых энергий; энергетического состава радиационных поясов Земли с оценкой радиационной опасности при длительных космических полетах; магнитного поля Земли; коротковолнового излучения Солнца и других космических тел; метеорного вещества в окрестностях Земли и его воздействия на элементы конструкции космических объектов.

Помимо многочисленных научных задач спутники «Космос» позволили решить ряд технических проблем, связанных, например, с возвращением кабины корабля в атмосферу Земли, отработкой системы ориентации, приземлением в заданном районе, защитой корабля от излучения, изучением степени надежности отдельных узлов систем жизнеобеспечения и др.

С тех пор как начал свой орбитальный полет «Космос-1», получен ряд важных научных результатов. Они представляют интерес сами по себе и в то же время демонстрируют успехи в развитии космической и ракетной техники, достигнутые за последние годы.

ИССЛЕДОВАНИЯ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Физические характеристики, определяющие состояние нижних слоев атмосферы (давление, температура, влажность и др.), не могут измеряться непосредственно со спутников, летящих на высоте 200 км и выше. Атмосферные параметры определяются косвенными методами. Непосредственно на спутниках регистрируется лишь интенсивность радиации, уходящей от Земли в различных участках спектра электромагнитных волн: в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, а также собственное тепловое и радиоволновое излучение Земли.

Солнечные лучи, падающие на земную поверхность,- основной источник энергии, приводящей в движение атмосферу. Для анализа атмосферных процессов интересно и важно знать, сколько энергии получено земной поверхностью в том или ином районе и, следовательно, сколько энергии может пойти на нагревание атмосферы, сколько отражено в мировое пространство и сколько тепловой энергии излучается нагретой земной поверхностью и атмосферой в космос. Такие данные об основных элементах радиационного баланса в системе Земля - атмосфера получают с помощью актинометрической спутниковой аппаратуры.

С помощью телевизионных камер, установленных на спутниках, можно следить за распределением облачного покрова по всему земному шару, определять границы залегания и динамику снежного покрова и ледовых полей.

Спутники дают картину распределения облачности над обширными пространствами земной поверхности с такой полнотой и объективностью, которые нельзя получить обычными наземными средствами. Представляется возможным более обстоятельно изучить облачную систему циклонов, атмосферных фронтов различных воздушных масс, изменение облачности в процессе эволюции и ее перемещение. Особенно важны данные об облачности, получаемые со спутников для тех районов земного шара, где обычные ные метеорологические наблюдения редки или вовсе отсутствуют.

Оптическая схема спектрофотометра, установленного на «Космосе-45». Спутник предназначался для измерения распределения энергии в спектре уходящих излучений Земли - инфракрасного, видимого и ультрафиолетового 1 - входное окно; 2 - входные щели монохроматоров; 3 - золоченый модулятор; 4 - зеркальные объективы; 5 - пластина

Первый опыт телевизионного прослеживания облаков был выполнен со спутника «Космос-4». Эксперименты по зондированию атмосферы в инфракрасном диапазоне проводились на «Космосе-45» и других спутниках. Затем появились специальные метеорологические спутники серии «Космос». Их аппаратура позволяла получать изображения облачности, снежного покрова, ледовых полей на освещенной и теневой сторонах Земли, измерять потоки радиации отражаемой и излучаемой системой Земля - атмосфера. Для наблюдения за облачностью на освещенной стороне Земли использовалась телевизионная аппаратура. Две камеры вели покадровую съемку поверхности Земли вдоль траектории полета спутника. Телевизионная аппаратура включалась автоматически при углах возвышения Солнца над горизонтом более 5°.

В ходе полета спутника освещенность Земли существенно меняется. Чтобы получить высококачественные снимки, экспозиция регулировалась автоматическим устройством, которое измеряло освещенность Земли и устанавливало нужную диафрагму оптической системы. С высоты 625 км телевизионные камеры передавали снимки поверхности Земли вдоль траектории полета спутника с шириной захвата около 1 тыс. км. Высокая разрешающая способность фотоаппаратов позволяла четко определять форму облачности и детально анализировать атмосферные процессы, происходящие в данном районе.

Наблюдения за облачностью на теневой стороне Земли велись с помощью инфракрасной аппаратуры, измерявшей уходящее излучение земной поверхности и облаков. Величина уходящей тепловой энергии определяется температурой излучающей поверхности, а так как облака всегда холоднее поверхности Земли, то и излучение их менее интенсивно. Снимки, получаемые с помощью инфракрасной аппаратуры, менее детальны, чем телевизионные, но они дают исчерпывающее представление о крупных атмосферных образованиях (циклонах, тайфунах, атмосферных фронтах) с характерными облачными системами, размеры которых определяются сотнями и тысячами километров.

Получаемая таким образом информация о состоянии облачного покрова, о ряде связанных с ним атмосферных процессов, которые выявляются в виде контрастов излучения земной поверхностью и облаков в том или ином интервале спектра, использовалась синоптиками центров службы погоды. В частности, на основе этой информации уточнялись синоптические карты и прогнозы погоды на несколько суток вперед.

Однако запуск метеорологических спутников серии «Космос», а также спутников, предназначенных для телевизионного прослеживания облаков и температурного зондирования атмосферы, преследовал в основном экспериментальные цели. При этом важно было отыскать новые методы, новые подходы и пути получения количественной информации о состоянии земной атмосферы, прежде всего о тех ее характеристиках, которые можно выразить в числах,- радиационная температура, величина отдельных облачных элементов, доля площади земного шара, покрытой облаками.

Телевизионная панорама, полученная со спутника «Космос-122» 25 июля 1966 г., когда он пролетал над Сибирью от Петропавловска-на-Камчатке к Салехарду Вверху - телевизионное изображение облачности на севере Евразии; внизу - результаты обработки полученной информации

Количественные характеристики состояния атмосферы, полученные с помощью аппаратуры спутников, имеют пока ограниченное применение. Точность этих измерений недостаточна, что служит основным препятствием для надежного решения задач спутниковой метеорологии. Даже малые погрешности измерений могут быть причиной недопустимо больших ошибок определения искомых параметров, поскольку оно сводится к решению так называемых обратных задач, некорректных в математическом смысле.

В настоящее время наиболее важным и реально выполнимым представляется получение вертикальных распределений температуры, концентрации влаги и некоторых других параметров атмосферы, а также количественных характеристик облачности - ее граница по высоте, температура и пространственная структура. Для этого создается специальная аппаратура, обеспечивающая получение исходной информации с требуемой точностью. Нужны также теоретические исследования, которые позволили бы определить достаточный комплекс измерений. Не менее важна разработка новых методов прогноза, базирующихся на информации, доставляемой метеорологическими спутниками.

С целью дальнейшего развития спутниковой метеорологии в нашей стране проводится ряд научно-исследовательских работ, включающих исследования на спутниках, ракетах, высотных самолетах и стратостатах, а также вспомогательные экспериментальные (полевые и лабораторные) исследования. Комплекс аппаратуры, предназначенный для решения некоторых из этих задач, был установлен, в частности, на спутнике «Космос-149» («Космической стреле») и ему подобных.

Спутник «Космос-149», предназначенный для исследования оптических характеристик земной поверхности и атмосферы а - вид сбоку, б - вид спереди; 1 - магнитометр; 2 - газореактивная система; 3 - блок датчиков суммарной радиации и радиационного баланса; 4 - аэростабилизатор; 5 - сканирующие телефотометры; 6 - спектро-анализатор; 7 - иллюминатор

«Космос-149» был первым из группы аналогичных ему по составу аппаратуры космических аппаратов. Проведенный с ним эксперимент носил поисковый характер и проводился с учетом малого времени активного существования спутника.

В отличие от актинометрической программы обычных метеорологических спутников, которая в основном направлена на получение осредненной (интегральной по спектру) уходящей радиации Земли, программа исследований на «Космосе-149» предусматривала измерение радиации в узких участках спектра.

Для получения экспериментальных данных об отраженной солнечной радиации на спутнике были установлены узкоугольные трехканальные телефотометры. Один из них сканировал по Земле, прослеживая ее поверхность вдоль траектории полета, измерял интенсивность отраженной солнечной радиации в трех участках спектра: в полосе молекулярного кислорода - 0,76 им, в интервале сравнения - 0,74 нм и в слабой полосе поглощения водяного пара - 0,72 нм. Второй телефотометр сканировал в плоскости, перпендикулярной направлению полета, и измерял интенсивность отраженной солнечной радиации в участках спектра: 0,34, 0,47 и 0,74 нм. Ширина спектральных интервалов, выделяемых интерференционными фильтрами, была при этом 5-10 нм.

Телефотометры работали циклично, совершая два полных оборота в течение около 4 сек. В первом обороте (полуцикле) измерялось излучение космоса и Земли и определялся нуль прибора («темновой ток»). Во втором - вводились эталон яркости, позволявший контролировать чувствительность аппаратуры в процессе полета, и ослабитель, обеспечивающий измерение отраженной радиации Земли в нужном диапазоне энергий. Этот диапазон выбирался на основе теоретических расчетов яркости Земли.

Оригинальным был метод определения характеристик вертикального строения облачного покрова - высоты его верхней границы. Этот метод основывался на том, что отношение данных измерений в полосе кислорода (0,76 нм) и соседнем интервале (0,74 нм), не имеющем полос поглощения, известным образом зависит от массы кислорода на пути солнечной радиации, упавшей на облако и отраженной от него. А так как концентрация кислорода постоянна, то его масса зависит от высоты отражающей поверхности.

Измерения в полосе водяного пара позволили оценить возможность использования слабых полос при определении массы паров в столбе атмосферы.

Измерение собственного излучения планеты выполнялось в «окне прозрачности» атмосферы (участок инфракрасного спектра с длиной волн от 8 до 12 нм, в котором излучение слабо поглощается водяным паром, всегда имеющимся в атмосфере) инфракрасным радиометром. Угол поля зрения прибора составлял около 1°. Оригинальная конструкция радиометра, лишенная входных окон, исключала тепловые помехи от различных частей прибора. Это позволяло измерять радиационную температуру земной поверхности и облачного покрова с высокой точностью. Радиометрические данные вместе с тем давали возможность определять высоту облачности независимым образом и оценивать соотношение между отраженной солнечной радиацией и собственным излучением Земли.

Научная программа эксперимента предусматривала также измерения с помощью прибора радиационного баланса потоков прямой и отраженной солнечной радиации в широких спектральных интервалах (0,3-3 нм и 0,9- 3 нм) и потоков собственного излучения Земли в интервале 3-40 нм. Такие измерения позволяют сделать заключение о величине лучистой энергии, оставшейся на Земле и определяющей все основные земные процессы.

Кроме этой аппаратуры на спутнике была установлена телевизионная система, обеспечивающая получение телевизионных изображений из области надира (местной вертикали) и четырех зон перехода от Земли к космосу.

В результате запуска спутника «Космос-149» была получена очень интересная информация и первые количественные данные о тех характеристиках атмосферы, которые связаны с рассеянием солнечного света, а также о термическом режиме земной поверхности.

Удалось подойти к проблеме «паспортизации» облаков. Дело в том, что на телевизионных снимках элементы облачности видны в значительной степени индивидуально. Для оценки же погоды и ее прогнозирования необходимо дать количественную характеристику не отдельного облака, а всей системе облачности в целом, поскольку именно система облачности, как выяснилось, играет важнейшую роль в типизации погодных процессов. С этой целью применялись статистические методы.

Инфракрасное излучение, как теперь уже хорошо известно, является основным носителем информации о тепловом состоянии атмосферы и подстилающей поверхности. Однако наблюдения с помощью инфракрасных лучей не дают ответа на вопрос, что делается под облаками и, в частности, на поверхности Земли или океана. Задача,очевидно, может быть решена только в результате комплексного использования всего спектра собственного теплового излучения атмосферы - от инфракрасного до радиоволнового - и отраженной солнечной радиации.

Использование радиодиапазона при геофизических исследованиях с борта спутника дает то преимущество, что волны сантиметрового диапазона проходят без заметного поглощения через облака, совершенно непрозрачные для инфракрасного излучения, и позволяют определить характеристики подстилающей поверхности, в частности распределение температуры по поверхности Мирового океана. Волны миллиметрового диапазона заметно поглощаются капельками воды, что позволяет по спектру излучения на этих волнах не только обнаруживать облака, но и измерять содержание капельной воды, выявлять очаги интенсивных осадков, скрытые мощными облаками. В сантиметровом и миллиметровом драпазонах. находятся, кроме того, резонансные линии водяного пара. Измеряя интенсивность радиоизлучения на соответственно выбранных волнах, можно, таким образом, определять и содержание водяного пара в атмосфере. Наконец, радиодиапазон позволяет отличить при наблюдениях со спутника облачный покров от снега, что представляет весьма сложную задачу.

Опыт применения радиометрического диапазона накоплен достаточно большой, но до последнего времени он. был направлен только на изучение других планет Солнечной системы. На спутнике «Космос-243» советские ученые первыми осуществили глобальный эксперимент по приему теплового радиоизлучения Земли и ее атмосферы. Для проведения этого эксперимента на спутнике были установлены чувствительные приемники теплового радиоизлучения в диапазоне волн от 8 мм до 8 см с антеннами, направ-ленными на Землю. Они во многом похожи на наземные радиотелескопы, но отличаются от них полной автоматизацией. На спутнике был установлен также узкополосный приемник инфракрасного излучения в полосе 10-12 нм. Комплексное использование волн радио- и инфракрасного диапазонов повышает надежность получаемых данных и значительно облегчает их изучение.

Наиболее надежные результаты определения параметров атмосферы (содержание капельной и парообразной воды по излучению в диапазонах 1,35-0,8 см) были получены при полете спутника над океаном. Это обстоятельство особенно ценно, так как имеющиеся ныне сведения об атмосфере над океанами крайне скудны. Между тем океаны являются гигантскими аккумуляторами солнечной энергии, которую они отдают в виде скрытой теплоты испарений. Эта теплота в значительной степени питает энергией мощные циклоны, определяющие погоду на планете.

Яркостная температура океана в процессе измерений в сантиметровом диапазоне составляла 100-150° К, однако при наличии льда яркостная температура увеличивалась примерно на 100° К, что позволяет обнаруживать лед на поверхности воды. Так, спутник «Космос-243» за первые же сутки полета надежно определил границу сплошных льдов вокруг Антарктиды. Была получена также серия температурных разрезов поверхности океана, определено интегральное содержание водяного пара и капельной воды в атмосфере над океаном вдоль траектории полета, выделена зона интенсивных осадков.

Эти исследования в дальнейшем повторялись в ряде последующих запусков спутников серии «Космос». Опыт, накопленный при геофизических экспериментах на «Космосах», оказался очень полезным при конкретной разработке и осуществлении программы «Метеор».

ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ВАРИАЦИЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Хотя выше 30 км находится менее 1 % массы газа, принадлежащего газовой оболочке Земли, эти области не имеют, пожалуй, себе равных по разнообразию происходящих в них физико-химических процессов и явлений. Ионосфера представляет собой гигантскую естественную лабораторию для изучения процессов, происходящих в плазме при наличии электрического и магнитного полей. Проникновение в верхнюю атмосферу мощных потоков заряженных частиц вызывает такие грандиозные явления природы, как полярные сияния, во время которых происходит громадное выделение энергии. Изучение механизма возникновения полярных сияний и сопровождающих их процессов - одна из кардинальных проблем физики верхней атмосферы.

Исследование тепло- и массообмена в верхней атмосфере важно для метеорологической практики. Они обусловливают существенную динамичность этой среды и вместе с тем могут оказывать влияние на состояние атмосферы у земной поверхности и, следовательно, на формирование погоды и климата на Земле. Изучение характера процессов тепло- и массообмена и выявление основных закономерностей в распределении плотности, температуры, нейтрального и ионного состава и их вариаций являются необходимой основой для создания моделей атмосферы. Наряду с этим сведения о структуре и динамике атмосферы Земли облегчают интерпретацию экспериментальных данных об атмосферах других планет и создание общей теории планетных атмосфер.

Объектом непосредственных исследований верхняя атмосфера стала благодаря развитию ракетно-космической техники. Уже первые, полученные с ее помощью сведения о верхних слоях воздушного океана оказались важными для совершенствования самой космической техники. Знание параметров верхней атмосферы, прежде всего плотности, необходимо при выборе критериев оптимальности по баллистике ракет-носителей, при выведении космических аппаратов на расчетные орбиты и прогнозировании времени их существования, для определения связанных с влиянием атмосферы возмущающих моментов при расчетах систем ориентации и стабилизации космических аппаратов и т. д. Важно учитывать влияние вариаций плотности атмосферы на орбиты геофизических и навигационных искусственных спутников Земли, когда требуется обеспечить наибольшую точность расчетов, а также при создании космических объектов с системами высокоточной ориентации, папример астрономических платформ с телескопами для наблюдений с орбиты спутника Земли. Не меньшее значение имеет знание вариаций атмосферных параметров для обеспечения стыковки искусственных спутников на орбите и решения задач управляемого полета в верхних слоях атмосферы.

Космические корабли, возвращаясь на Землю, врываются в атмосферу со второй космической скоростью (свыше 11 км/с). Чтобы погасить эту скорость за счет торможения в атмосфере и осуществить прямой или планирующий спуск, характер колебаний плотности атмосферы должен быть известен с высокой точностью. Даже небольшие отклонения на высотах, соответствующих так называемому коридору входа, приводят к значительному изменению расчетных траектории и отклонению от оптимальных величин перегрузок, к нагреву корабля и т. д.

По мере развития методов исследований, накопления экспериментального материала наши представления о свойствах атмосферы существенно изменялись. По данным косвенных наблюдений, а также теоретических исследований к 40-м годам нашего века были установлены лишь некоторые чрезвычайно общие закономерности в изменении плотности, давления, температуры с высотой и получены отрывочные данные о составе верхней атмосферы.

Относительно состава атмосферы было лишь известно, что выше 100 км кислород находится не только в молекулярном, но и в атомарном состоянии. Анализ проб газа с больших высот позволил установить факт полного перемешивания атмосферы, т. е. факт постоянства ее состава до высот 100-105 км.

Большинство современных представлений о структуре и вариациях параметров нейтральной атмосферы на высотах приблизительно от 150 до 1500 км обязано данным об эволюции орбит искусственных спутников Земли.

Плотность атмосферы с высотой убывает очень быстро, а скорость движения спутника максимальна в перигее. Исходя из пропорциональности сопротивления движению спутника (или торможения его), плотности атмосферы и квадрата скорости считают, что спутник тормозится исключительно в перигее. Сопротивлением движению на остальных участках орбиты пренебрегают.

Возмущения, действующие на спутник вследствие отклонения формы Земли от сферической и неоднородности ее гравитационного поля, существенно превышают (на несколько порядков) возмущения, вызываемые сопротивлением среды. Однако при вычислении плотности атмосферы по торможению искусственного спутника Земли учитывают, что ни одно из гравитационных возмущений независимо от величины не оказывает векового воздействия на большую полуось орбиты. Следовательно, изменение последовательных времен прохождения спутника через перигей орбиты будет происходить только в результате торможения атмосферой. Радиационное же давление необходимо принимать в расчет лишь для орбит выше 400-500 км. В целом данные об эволюции орбит искусственных спутников Земли позволяют составить довольно полную и непротиворечивую картину.

Значительная часть этих данных была получена при наблюдениях за движением спутников серии «Космос». Так, данные об эволюции их орбит позволили проследить изменения плотности в диапазоне высот от 180 до 300 км на протяжении почти половины цикла солнечной активности. В частности, подтвердились предположения о динамическом характере плотности на высотах приблизительно от 200 до 300 км. Это обстоятельство практически лишает смысла измерения плотности и температуры, если они не отнесены к определенному периоду и не указана вероятная степень отклонения их от среднего значения в зависимости от ряда эффектов. По той же причине усложняется построение простых моделей верхней атмосферы для различных приложений.

Выли отчетливо выявлены колебания плотности атмосферы от дня к ночи на высотах 270-280 и 200-230 км. Максимум и минимум параметров приходятся соответственно приблизительно на 14-16 и 4-6 час. местного времени. В годы минимума солнечной активности суточные вариации составляют на высотах 200 км примерно 60- 70% и достигают вблизи высоты 300 км более 200%, что не наблюдалось на этих высотах в период максимальной солнечной активности.

Наиболее резко суточные вариации плотности проявляются на более низких широтах. Такие колебания по сравнению с периодом активного Солнца являются следствием общего охлаждения атмосферы и изменения распределения главных составляющих по высотам. Так, в годы минимума солнечной активности средняя плотность по сравнению с 1958 г. уменьшилась примерно в 2 раза на высоте 200 км и в 3,5 раза вблизи высоты 300 км. Начиная с 1965 г. началось постепенное увеличение атмосферной плотности выше 200 км, которое достигло максимального значения, близкого к уровню 1957-1958 гг., в период очередного максимума солнечной активности - в 1968- 1969 гг.

Оказалось также, что существенное влияние на вариации плотности атмосферы оказывают магнитные бури. Очевидно, это связано с воздействием на магнитосферу Земли потоков солнечной плазмы. Даже относительно слабые геомагнитные возмущения оказывают глобальное воздействие на температуру и плотность верхней атмосферы. Причем относительный эффект этих возмущений особенно велик в минимуме цикла солнечной активности. Во время сильных магнитных бурь температура в зонах полярных сияний может возрастать до 1500° К и даже иногда превышать 3000° К. По результатам анализа торможения спутников в областях полярных сияний на высотах около 300 км отмечено возрастание плотности Б несколько раз большее, чем в низких широтах.

Наиболее значительными являются вариации температуры и плотности в течение одиннадцатилетнего солнечного цикла. Температура выше 200 км на экваторе в минимуме и максимуме солнечной активности изменяется в среднем от 600-700 до 1200-1400° К ночью и от 1200- 1400 до 2200-2500° К днем. Таким образом, максимальный перепад температур на верхней границе термосферы от ночных условий в минимуме до дневных в максимуме солнечной активности может достигать почти 2000°. При этом изменения средней плотности на высотах 500-600 км могут составлять нескольких сотен раз.

На ряде спутников серии «Космос» («Космос-108, -196» и др.) были установлены блоки ионизационных манометров для получения данных о плотности атмосферы методом прямых измерений.

Ионизационный манометр представляет собой стеклянную колбу, на входе которой укреплена цилиндрическая сетка. Внутри сетки вдоль ее оси натянута тонкая проволока - коллектор положительных ионов; снаружи сетки на той же ножке укреплен вольфрамовый катод. Катод накаляется до высокой температуры и испускает электроны, которые устремляются по направлению к положительно заряженной сетке, пролетают между редкими витками сетки и отталкиваются отрицательно заряженным коллектором. На определенной высоте специальным механизмом манометр вскрывается и его полость заполняется частицами внешней среды. Электроны, совершая колебательные движения около витков сетки, сталкиваются с атомами н молекулами газа, попадающими в рабочую полость манометра, и ионизируют их. Образующиеся положительные ионы притягиваются отрицательно заряженным коллектором и отдают ему свой заряд. Число образовавшихся ионов пропорционально плотности газа. Поэтому ток в цепи коллектора при определенной температуре пропорционален атмосферному давлению.

Для исследования состава верхней атмосферы эти же спутники оборудовались масс-спектрометрами. Чувствительным элементом прибора служит масс-спектрометриче-ская трубка, которая сообщается своим открытым входным отверстием непосредственно с окружающим пространством. В трубке имеется ряд тонких проволочных сеток - электродов, расположенных на определенных, точно фиксированных расстояниях друг от друга. За сетками находится коллектор в виде металлической пластинки, на котором собираются прошедщие все сетки ионы.

Электронный блок прибора вырабатывает различные постоянные и переменные напряжения, которые подаются на электроды трубки. Напряжения выбираются так, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью. Ионы, имеющие скорость больше или меньше оптимальной, на коллектор не попадают. Скорость ионов, проходящих масс-спектрометрическую трубку, определяется их массой и ускоряющим напряжением, приложенным к сеткам трубки.

Ускоряющее напряжение периодически изменяется от нуля до максимального значения, и, следовательно, оптимальная скорость сообщается поочередно ионам с различными массовыми числами. Когда ионы достигают коллектора, в цепи возникает импульс тока, который усиливается и передается радиотелеметрической системой на Землю. Одновременно передаются и данные об ускоряющем напряжении на сетках. Масса ионов определяется измерением этого напряжения. Если в среде имеются ионы только одной массы, то приемной станцией регистрируется один импульс ионного тока за каждый цикл изменения ускоряющего напряжения. При более сложном составе среды регистрируются два и более импульсов за каждый цикл.

Состав верхней атмосферы измерялся на спутниках «Космос» и по поглощению ультрафиолетового излучения Солнца с помощью ионизационных камер для регистрации солнечного излучения в спектральной линии L-альфа. Это излучение имеет различную степень рассеяния в зависимости от концентрации атомарного водорода, из которого состоят самые внешние области земной атмосферы.

Спутник серии «Космос», предназначенный для изучения физико-химических параметров верхней атмосферы 1 - электронный блок научной аппаратуры; 2 - масс-спектрометры, предназначенные для анализа нейтрального и ионного состава верхней атмосферы; 3 - блок манометров ионизационных; 4 - ионизационная камера для измерения солнечного излучения в линии Lа; 5 - измеритель эрозии оптических элементов

Первые масс-спектрометрические анализы нейтраль-ного состава верхней атмосферы проводились на ракетах в основном на высотах 100-200 км. Они подтвердили эффект гравитационного разделения аргона и молекулярного азота в атмосфере выше 100-120 км, т. е. эффект прекращения их турбулентного перемешивания, а также данные о температуре и парциальной концентрации основной составляющей нижней термосферы - молекулярного азота до высоты около 400 км. Большая чувствительность аппаратуры позволила зарегистрировать гелий, являющийся малой составляющей нижней термосферы.

Масс-спектрометрические исследования верхней атмосферы принесли интересные данные о составе положительных ионов. Выяснилось, что основной компонентой в области 100-120 км являются ионы окиси азота. Были также обнаружены ионы магния, железа, кальция и кремния, имеющие, по-видимому, метеорное происхождение, что проливает свет на вопросы образования и происхождения спорадических слоев в ночной области (Е) ионосферы.

С запуском спутников было прослежено распределение и состав положительных ионов и их широтные вариации до высот примерно 1 тыс. км. Эти результаты дали возможность построить модель состава дневной атмосферы для периода максимальной активности Солнца.

В 1962 г. было обнаружено присутствие в верхней атмосфере некоторой доли ионов атомарного кислорода, имеющих сверхтепловые энергии хаотического или направленного движения.

На высотах 400-1200 км было получено большое количество масс-спектров ионов водорода, гелия, азота и кислорода и обнаружены весьма значительные вариации ионного состава с местным временем, а также некоторые другие вариации. Оказалось, что ионы гелия в умеренных широтах Северного полушария в период низкой солнечной активности в любое время суток и года и на всех высотах являются лишь малой ионной компонентой. Этот результат изменил сложившиеся к 1964 г. взгляды на строение внешней ионосферы Земли, согласно которым ионы гелия должны были на высотах 1000-2000 км образовывать гипотетическую гелиосферу.

Таким образом, теперь можно уже достаточно определенно говорить о нейтральном составе верхней атмосферы.

Модель строения атмосферы может быть представлена следующим образом. На высотах 100-120 км начинается диффузное разделение газов. На высотах до 200-250 км основным компонентом атмосферы остается молекулярный азот, однако возрастает относительная концентрация атомарного кислорода, который образуется при диссоциации молекулярного кислорода солнечным ультрафиолетовым излучением. Содержание молекулярного кислорода уменьшается с увеличением высоты. Начиная с 250-300 км основным компонентом атмосферы становится атомарный кислород.

Еще выше, начиная с высот 500-600 км в годы минимума солнечной активности, а с высот 1000-1500 км в годы максимума, атмосфера становится гелиево-водородной. Слой с гелием в виде основной составляющей наблюдается, видимо, лишь в годы максимума солнечной деятельности.

В заключение следует отметить, что измерения температуры, плотности и состава теснейшим образом связаны с проблемами энергетики и динамики верхней атмосферы. Среди этих проблем важное место занимает изучение возможных механизмов переноса энергии из внешних областей околоземного пространства на высоты порядка сотен километров, взаимодействие ионизированной компоненты верхней атмосферы с геомагнитным полем. Все более видной становится роль и значение процессов циркуляции в верхней атмосфере, процессов переноса как нейтральных частиц, так и положительных ионов. Важной задачей со-временной аэрономии является уточнение количествен-ных оценок ряда характеристик, связанных с солнечным излучением и констант физико-химических реакций.

Дальнейшие исследования верхней атмосферы будут выполняться путем комплексного изучения всей совокупности параметров, определяющих строение атмосферы, путем экспериментов на спутниках и ракетах, проводимых одновременно с ними наземных наблюдений и широких теоретических обобщений.

ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Ионосфера имеет сложную структуру, она неоднородна как по высоте, так и по географическому положению. Концентрация заряженных частиц подвержена сильным широтным и долготным изменениям. Состояние ионосферы и ее влияние на распространение радиоволн все время меняются в зависимости от величины солнечной радиации, времени года, влияния космического излучения и других факторов.

Кроме того, в ионосфере найдено много отклонений от средней картины аномальных явлений. Существуют, например, экваториальная аномалия, ионосферная впадина в области субполярных широт (Петрозаводск - Архангельск) и т. д. Для построения полных теорий образования ионосферы, охватывающих основной комплекс происходящих в ней явлений, необходимы исследования в глобальном масштабе на базе искусственных спутников Земли. С их помощью измерения ведутся либо непосредственно в самой ионосфере или над ней в межпланетной среде.

Первые экспериментальные данные о составе ионосферы, о концентрации ионов методом прямых измерений получены советскими учеными. Анализ этих данных дал очень интересные результаты. Дальнейшие исследования ионосферы были возложены на спутники серии «Космос».

Изучение свойств ионосферы спутниками серии «Космос» велось тремя основными методами: прямыми измерениями при помощи установленных на спутниках ловушек заряженных частиц различных типов; измерениями, выполненными на Земле по наблюдению радиосигналов,, излучаемых бортовым передатчиком спутника; измерениями, выполненными с помощью ионосферного зондирования со спутника.

В ионосфере имеются три основных вида свободных заряженных частиц: положительные ионы, 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.

«Космос-2», на котором проводились исследования ионосферы на высотах от 215 до 1550 км

На спутниках «Космос» измерения концентрации положительных ионов вдоль орбиты проводились при помощи трехэлектродных ловушек. С целью исключения возможных погрешностей измерений на одном и том же спутнике применялись ловушки различных конструкций. Например, на поверхности спутника устанавливались на штангах сферические трехэлектродные ловушки.

Принцип действия сферической ионной ловушки заключается в следующем. Внешние сетки ее соединены с поверхностью спутника через малое сопротивление и составляют часть поверхности спутника. Внутри ловушки помещен сферический коллектор, находящийся под постоянным 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 среды, меняющейся с высотой, и от ориентации спутника относительно его вектора скорости. Исключением является случай, когда ловушка попадает в область весьма высокого разрежения, образующуюся позади спутника. При наличии двух ловушек, расположенных на противоположных сторонах спутника, одна из них всегда находится вне этой области.

Ионный ток, текущий на коллектор ловушки, опреде ляется величиной падения напряжения на сопротивлении. Зная ионный ток, можно определить концентрацию положительных ионов вблизи спутника. Связь между измерен ным ионным током и концентрацией ионов является про стой, если электрический потенциал, приобретенный спутником при полете в ионосфере, достаточно мал. Если же потенциал велик, то он может оказать на величину изме ряемого тока существенное влияние, которое следует учесть. Для этой цели на сетчатку оболочки ловушек пе риодически поступают короткие пилообразные импульсы напряжения относительно корпуса спутника. При этом снимаются вольт-амперные характеристики, которые по зволяют внести поправку, учитывающую влияние потенциала спутника на величину потока ионов, попадающих в ловушку.

На поверхности спутников устанавливались полусферические и плоские ловушки, а также цилиндрические зонды, которые кроме концентрации заряженных частиц позволяют измерять электронную температуру.

Плоские ловушки использовались для решения еще одной задачи - определения ориентации спутника в пространстве, что очень важно для правильного истолкования показаний приборов. Поток электронов, попадающих в плоскую ловушку, сильно зависит от положения ее относительно движения спутника. Сравнение токов, зарегистрированных в восьми плоских ловушках, установленных на поверхности спутника, позволяет узнать его ориентацию относительно направления движения.

На спутниках «Космос» устанавливались также ловушки сотового типа для определения температуры положительных ионов. Такая ловушка представляет собой трех- электродное устройство, со стоящее из коллектора, антифотоэлектронной сетки, служащей для подавления фототока с поверхности кол лектора, и внешней сотовой насадки, соединенной с корпусом спутника. Последняя состоит из набора примыкающих одна к другой шестигранных трубок. Очевидно, что направленные свойства такой ловушки остаются такими же, как и у ловушки с одной трубкой, а коллекторный ток возрастает пропорционально числу трубок. Максимальный ток в такой ловушке имеет место при сов падении вектора скорости набегающего потока ионов с нормалью к коллектору. При достаточно узких трубках ловушка компактна и имеет высокую чувствительность к ориентации относительно вектора скорости.

Сферическая ионная ловушка

Поток нейтральных частиц, регистрируемый ловушкой, зависит от температуры и угла между вектором скорости и осью трубки. При малой тепловой скорости частицы вносятся в трубку и попадают на коллектор, не успев достигнуть стенок. При возрастании температуры увеличиваются тепловые скорости и число частиц, успевающих достигнуть стенок за время пролета, в результате чего коллекторный ток уменьшается. Температура ионов затем вычисляется с помощью функции, определяющей зависимость коллекторного тока от ориентации и температуры.

В настоящее время установлено, что ионосфера существует главным образом потому, что нейтральные атомы и молекулы в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца ионизируются - расщепляются на положительные ионы и свободные электроны.

Однако не существует прямой зависимости между интенсивностью ультрафиолетового излучения, воздействующего в определенное время и на определенной высоте на ионосферу, и концентрацией заряженных частиц в это же время и на той же высоте. Скорость рекомбинации, т. е. исчезновения ионов и электронов при объединении их в нейтральные частицы, сильно зависит от плотности и химического состава атмосферы, а также от ее температуры.

Изучение связи явлений ионизации и рекомбинации на различных высотах с интенсивностью ультрафиолетового и рентгеновского солнечного излучения возможно при прохождении спутника через границу между освещенной и неосвещенной частями орбиты. При этом, конечно, должны вестись одновременные измерения интенсивности ультрафиолетового излучения и концентрации заряженных частиц вдоль орбиты. На спутниках «Космос» для этой цели использовались устройства, подобные ловушкам. Опыт состоял в определении энергии электронов, испускаемых внутренним электродом устройства при освещении его Солнцем. Поскольку энергия фотоэлектронов зависит от длины волн падающего излучения, то она, следовательно, может характеризовать интенсивность излучения. Энергия испускаемых фотоэлектронов определялась «методом задерживающих потенциалов», основанным на изменении тока фотокатода в зависимости от величины тормозящего фотоэлектроны электрического поля. Изменения поля создавались соответствующими изменениями напряжения на сетке, расположенной перед фотокатодом. Таким образом, по энергии фотоэлектронов с известной степенью точ-ности определялись состав и интенсивность излучения Солнца на больших высотах в различных диапазонах длин волн.

Измерения, проведенные на «Космосах» с помощью описанной аппаратуры, позволили получить интересные результаты, относящиеся к структуре ионосферы и происходящим в ней процессам.

Ионная ловушка сотового типа

В области от 49° с. ш. до 49° ю. ш. на высотах 200- 1550 км измерена концентрация положительных ионов. На высотах от 200 до 600 км были определены концентрация и температура электронов; впервые проведены прямые определения ионной температуры. В дневное время электронная температура значительно превосходит ионную в результате обмена энергией между фотоэлектронами, образующимися при ионизации составляющих атмосферы, солнечным ультрафиолетовым излучением и электронами ионосферы. Это превышение наблюдается и в ночное время суток, правда, меньшее. Температура ионов колеблется между температурой нейтральной составляющей и электронной температурой, причем довольно нерегулярно. Во внешней ионосфере ионная температура растет и приближается к электронной, которая в свою очередь возрастает с удалением от Земли.

Получены также данные об изменениях фотоэмиссии с металлов, вызываемой солнечным коротковолновым излучением в интервале высот, близком к максимуму ионизации области ионосферы. Эти изменения позволили оценить интегральное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца в этой области ионосферы.

Большое количество информации о поведении ионосферы над максимумом электронной концентрации получено при радиозондировании с высоколетающих спутников, на борту которых устанавливалась специальная радиостанция «Маяк». Данные относятся к глобальному распределению электронной концентрации, ее зависимости от времени суток, широты и т. д. Они позволили установить, что большинство аномалий в слое F' может быть объяснено на основе идеи дрейфа ионизации, который приводит к перемещению по широте максимумов электронной концентрации в течение суток.

Бортовой передатчик «Маяк» излучал радиоволны на двух или трех частотах (20,005; 30,0075 и 90,0225 МГц). Когерентность излучаемых колебаний обеспечивалась применением одного общего задающего генератора, стабилизированного с помощью кварца и заключенного в термостат. Частота 20,005 и 90,0225 МГц получалась умножением частоты задающего генератора с помощью двух умножителей частоты, имеющих различные коэффициенты умножения. На приемных пунктах на Земле находились специальные двух- и трехканальные приемники, которые принимали излучения со спутника и сравнивала фазы сигнала на разных частотах. В целом приемная установка представляла собой сложное, узкополосное и помехо-устойчивое устройство. Она позволяла регистрировать разность частот с точностью до малой доли герца.

Если бы радиоволны распространялись в абсолютной пустоте, разность фаз принятых колебаний была бы такой же, как в точке передачи. Однако ионосфера по-разному влияет на фазу колебаний. Например, радиоволны с частотой 20,005 МГц существенно подвержены влиянию ионосферы. При частоте же 90,0225 МГц они распространяются в ионосфере почти так же, как в пустоте. Поэтому разность фаз, прошедших через ионосферу колебаний, если она измеряется точно и непрерывно вдоль орбиты спутника, является весьма чувствительным показателем состояния ионосферы на пути распространения радиоволн от спутника к приемному пункту, в частности, электронной концентрации в области прохождения спутника через малые отрезки времени.

Одновременно с разностью фаз на приемных пунктах измерялась также интенсивность принимаемых сигналов на всех частотах, что позволило получить дополнительные данные о состоянии ионосферы. Таким методом были обнаружены крупномасштабные длиной до 150 км неоднородности в ионосфере, определен спектр неоднородностей и градиенты электронной концентрации.

Бортовой радиопередатчик «Маяк»

Наименьшие размеры неоднородностей, выявленные при обработке записей, составляют около 500 м. Они регистрировались в основном во время ионосферных возмущений. Довольно часто неоднородности находились в ограниченных областях ионосферы с горизонтальными размерами от нескольких десятков до нескольких сот километров. В ряде случаев на высотах 250-350 км зарегистрированы линзовые неоднородности.

Получены также детальные сведения об углах рефракции радиоволн в ионосфере. На частоте 20,005 МГц угол рефракции изменялся от 0 до 3-5°. При уменьшении размеров неоднородностей ионосферы вдоль орбиты угол рефракции уменьшался.

В последние годы для исследования ионосферы стали применяться методы, основанные на анализе того влияния, которое она оказывает на распространение сверхдлинных радиоволн с длиной волны от нескольких до сотен километров; этот метод позволяет исследовать как нижние, так и верхние ее области. И прежде всего области ионосферы, все еще изученные недостаточно, т. е. расположенные на высотах до 120-130 км, а также находящиеся на большом удалении от поверхности Земли.

Под действием магнитного поля Земли ионосфера становится в значительной части прозрачной для радиоволн сверхнизкой частоты. При этом ослабление радиоволн, проникающих в ионосферу с поверхности Земли, в основном зависит только от состояния ее нижних областей. Измерение на спутниках интенсивности излучения наземных радиостанций, работающих в диапазоне сверхдлинных волн, дает возможность определить поглощение волн и оценить концентрацию заряженных частиц в нижних областях ионосферы.

Общий вид приемников, блоков преобразования и фоторегистрирующих устройств наземной аппаратуры для приема сигналов радиостанции «Маяк»

Магнитное поле Земли обусловливает и вторую особенность распространения сверхддинных волн в ионосфере - магнитные силовые линии являются как бы направляющими, вдоль которых движутся радиосигналы. Проникнув в ионосферу, например в Северном полушарии, эти сигналы удаляются от поверхности на расстояние 3-4 земных радиусов и возвращаются на Землю в Южном полушарии вблизи магнитосопряженной точки. Поскольку основная часть пути сверхддинных волн пролегает в верхних слоях ионосферы, сигналы этого диапазона частот являются своеобразным и чувствительным зондом для исследования и верхних ее областей. Проведение измерений на спутниках дает возможность изучать структуру и параметры верхней ионосферы, исключив дополнительное влияние ее нижних областей, неизбежное при наземных наблюдениях.

Такие эксперименты проводились, в частности, на спутниках «Космос-142» и «Космос-259». Для этого на спутниках была установлена специальная аппаратура для приема радиоволн в диапазоне частот от 15 до 45 кГц. Сигналы излучались наземными радиостанциями, работавшими на нескольких частотах в этом диапазоне. Орбиты спутников позволяли проводить измерения в области широт, ограниченных примерно 50° к северу и югу от экватора, на высотах от 200 до 1350 км от земной поверхности. Измерения велись как при прохождении спутника над зонами расположения радиостанций, так и на больших удалениях от них в магнитосопряженных с местом расположения радиостанций областях. Для записи результатов измерений в этом случае использовалось запоминающее устройство.

В процесс; эксперимента, который проводился в различное время суток, бортовыми приемниками принимались сигналы радиостанций во всем выбранном для исследования диапазоне частот. Измерения подтвердили результаты теоретических расчетов, согласно которым ослабление сверхдлинных радиоволн при прохождении через нижнюю ионосферу в ночное время невелико и мало зависит от частоты, а в дневное время значительно больше, чем ночью, и быстро возрастает с увеличением частоты. Полученные данные позволили оценить зависимость концентрации заряженных частиц в нижних областях ионосферы от времени суток и других факторов.

Анализ измерений интенсивности сигналов, принятых в магнитосопряженных точках, показал, что она быстро меняется во времени и имеет «разорванный» вид. Всплески интенсивности во многих случаях разделены расстоянием в несколько сотен километров. Полученные результаты, возможно, косвенно подтверждают неоднородность структуры верхней атмосферы*.

* В последние годы ряд известных ученых высказал предположение о том, что верхняя ионосфера имеет волокнистую структуру. В соответствии с этой гипотезой отдельные волокна ориентированы вдоль линий магнитного поля Земли и представляют собой области повышенной ионизации. Поскольку же траектории сверхдлинных волн близки к магнитным силовым линиям, то такие уплотнения ионизации должны существенно влиять на их распространение.

Дальнейшие эксперименты на спутниках серии «Космос», несомненно, приведут к более углубленному пониманию структуры ионосферы и протекающих в ней физических процессов.