Полет первого искусственного спутника дал возможность нашим ученым получить цепные сведения о процессах, происходящих в верхних слоях земной атмосферы. Наблюдения за траекторией полета спутника и его ракеты-носители позволяют уточнить наши представления о плотности земной атмосферы на больших высотах, о ее физических свойствах, обуславливающих проходимость радиоволн различной частоты, а также выяснить непосредственные причины изменения характеристик ионизированных слоев. Эти данные имеют первостепенное значение для прогнозирования распространения радиоволн и обеспечения надежной радиосвязи.
Запуск второго искусственного спутника — целой летающей лаборатории — явился новым шагом вперед в области завоевания человеком космоса. Полученные при помощи приборов, находящихся на борту второго спутника, научные данные и наблюдения над подопытным животным позволили значительно расширить человеческие познания в области физических процессов, происходящих в космическом пространстве, и проследить за жизнедеятельностью животного в условиях космического полета.
Как устроен второй спутник
В отличие от первого спутника, имевшего форму шара весом 83,6 килограмма, второй спутник представляет собой последнюю ступень ракеты-носителя с расположенными на ней источниками питания, контейнерами и научной аппаратурой, общий вес которых составляет 508,3 килограмма. Это в 6 раз больше веса первого спутника. Максимальное удаление второго спутника от поверхности Земли достигает 1 700 километров, что примерно вдвое превышает наибольшую высоту, достигнутую при запуске первого спутника. Период обращения его вокруг Земли составляет 103,7 минуты — на 7,5 минуты больше, чем период обращения первого спутника в момент начала его движения.
Эти данные трудно даже сравнить с теми, которые, по предварительным предположениям, будут у первого американского спутника. Согласно программе МГГ, американцы должны были запустить свой спутник в июле 1957 года. Но, как сообщает теперь официальная американская печать, он будет запущен не ранее марта будущего года. Его диаметр, как предполагается, будет равен 50 сантиметрам (20 дюймов), вес—9,8 килограмма (21,5 фунта), угол наклона к плоскости экватора — от 35 до 40 градусов, максимальная высота полета — 400 километров (300 миль). На опубликованной карте предполагаемого полета из штата Флорида американский спутник должен захватить относительно узкую полосу около экватора, не проходя над европейскими странами.
Как известно, размеры второго советского спутника значительно больше размеров первого. Это дало возможность установить на нем большое количество различной аппаратуры. Приборы на спутнике размешены следующим образом. Головная часть ракеты снабжена силовой рамой. В передней части рамы установлен прибор для исследования излучении Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, сферический контейнер (конструкция которого аналогична первому спутнику) с радиопередатчиками и герметичная кабина с подопытным животным — собакой. Аппаратура для изучения космических лучей, радиотелеметрическая аппаратура и приборы для измерении температуры установлены непосредственно на корпусе ракеты.
Наружная поверхность сферического контейнера и кабины с животным была отполирована и подвергнута специальной обработке. Это было сделано для того, чтобы отражать падающие солнечные лучи и не допускать перегрева внутри кабины и контейнера. Для предохранения установленных на раме приборов и контейнеров от воздействия аэродинамических сил, возникающих при прохождении ракетой плотных слоев земной атмосферы, они были защищены снаружи специальным конусом, который автоматически был сброшен после выхода ракеты-носителя на заданную орбиту.
Внутри сферического контейнера, помимо радиопередатчиков, были размещены источники их электропитания и чувствительные элементы, регистрирующие изменения давления и температуры, а также система регулирования этих параметров. Один радиопередатчик работал в режиме непрерывного излучения с длиной волны 7,5 метра. Сигналы второго радиопередатчика, работающего с длиной волны 15 метров, имели вид телеграфных посылок длительностью около 0,3 секунды с паузами такой же продолжительности. В том случае, когда температура и давление внутри сферического контейнера менялись, длительность посылок и пауз между ними также изменялась.
На наружной поверхности и внутри кабины, а также на различных элементах конструкций и приборах были тоже расположены датчики для измерения температуры. В самой кабине были установлены датчики, с помощью которых производилось непрерывное изучение жизнедеятельности животного. Результаты всех измерений с помощью радиотелеметрической системы периодически передавались на Землю.
Излучение Солнца
Какие же новые данные мы получили в результате запуска второго спутника?
Первостепенный научный практический интерес для физики, астронавтики и геофизики представляет исследование коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца.
Известно, что земная атмосфера полностью поглощает коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, предохраняя тем самым живые организмы от их разрушительного воздействия. В то же время это делает невозможным наблюдение коротковолнового излучения Солнца с Земли.
Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца по сравнению с энергией, излучаемой им в видимой части спектра, сравнительно невелика, тем не менее это излучение вызывает в атмосфере различные процессы, приводящие к образованию сильно ионизированных слоев, оказывающих существенное влияние на условия распространения радиоволн.
Под влиянием физических процессов, происходящих в малоизученных внешних слоях атмосферы Солнца (хромосфере и короне), ионизированные слои земной атмосферы претерпевают непрерывные изменения, которые могут приводить к появлению магнитных бурь, нарушению радиосвязи и т. д. Применение высотных ракет положило начало исследованию этой области солнечного спектра. Однако только использование искусственных спутников впервые дает возможность проведения систематических измерений коротковолнового излучения Солнца на протяжении длительных отрезков времени.
С этой целью на втором спутнике установлены три приемника. Они представляют собой специальные фотоэлектронные умножители, расположенные под углом в 120 градусов друг к другу. Это сделано для того, чтобы увеличить вероятность попадания солнечной радиации на фотокатод приемника при различном положении спутника по отношению к Солнцу.
Вот как работают эти приемники.
Под действием падающей рентгеновской или ультрафиолетовой радиации из фотокатода вылетают электроны. Бомбардируя покрытую специальным составом металлическую пластину, они выбивают из нее так называемые вторичные электроны. Эти вторичные электроны, в свою очередь, бомбардируют следующую пластину и снова выбивают на неё уже большее количество электронов. Тот же процесс повторяется на всех последующих этапах, пока электронный поток с последней пластины не собирается коллектором-анодом. Чтобы получить представление о том, какое усиление может быть достигнуто в умножителе, достаточно сказать, что если каждый первичный электрон будет выбивать 4 вторичных электрона, а число пластин (так называемых эмиттеров) равно 10, то коэффициент усиления умножителя будет равен 1000000.
Перед фотоумножителем помещен диск с набором фильтров, при вращении которого входное отверстие фотоумножителя попеременно перекрывается пленками алюминия, бериллия, фтористого лития и полиэтилена различной толщины. Это позволяет выделить различные диапазоны в рентгеновской области спектра Солнца и линию водорода в далекой ультрафиолетовой области. Перестановка различных фильтров (2 фильтра в секунду) производится с помощью шагового механизма, работающего от специального генератора.
Вращаясь вокруг Земли, спутник часть времени проводит на не освещенном Солнцем участке своей орбиты. Поэтому с помощью фотосопротивлений и системы автоматики электрические цепи аппаратуры включались только в том случае, когда Солнце попадало в поле зрении одного из приемников радиации. Это давало возможность экономно расходовать источники электропитания.
Сигналы от приемника в виде импульсов напряжения, число которых пропорционально интенсивности падающей на фотокатод радиации, поступали на счетно-интегрирующую схему, соединенную с радиотелеметрической системой, с помощью которой осуществлялась передача сигналов на Землю.
Посланцы из мирового пространства
Не менее широкие перспективы открывает применение искусственных спутников для исследования космических лучей. Приходящие на Землю из мирового пространства космические лучи представляют собой потоки атомных ядер, обладающих большой энергией. Попадая в земную атмосферу, космические «тяжелые» ядра расчленяются на более легкие, образуя новые частицы — мезоны, при распаде которых возникают электроны и фотоны.
Магнитное поле Земли сильно искривляет траекторию движения космических лучей, создавая около неё как бы своеобразный энергетический барьер. Высота этого барьера максимальна у экватора и постепенно уменьшается к полюсам. Только частицы, обладающие очень большой энергией, могут достичь любых районов Земли, а частицы малых энергий достигают лишь районов, находящихся вблизи Северного и Южного полюсов.
В результате ряда процессов, которые происходят в мировом пространстве с космическими лучами, интенсивность и состав космических лучей изменяются. Обычно интенсивность космических лучей слабо изменяется со временем. Однако во время бурных процессов на Солнце она сильно возрастает. За последние 15 лет зарегистрировано пять сильных возмущений интенсивности космического излучения, причем самое большое из них наблюдалось 23 февраля 1956 года. В этом случае интенсивность даже на уровне моря изменилась в несколько раз. Так же, как и при наблюдениях коротковолнового излучения Солнца с Земли, наличие земной атмосферы значительно затрудняет исследования космических лучей. Вот почему так важны наблюдения, которые проводились на спутнике впервые на высоте в несколько сот километров над темной поверхностью.
Для регистрации наряженных космических частиц на спутнике было установлено два одинаковых прибора. Оси счетчиков обоих приборов располагались на корпусе ракеты-носители перпендикулярно друг к другу. В том случае, когда через счетчик проходила электрически заряженная частица, в нем возникала искра, дающая импульс на радиотехническую схему, предназначенную для счета числа частиц космического излучения.
После того, как было сосчитано определенное число частиц, сигнал об этом с помощью радиотелеметрического устройства поступал на Землю, а счетчик снова начинал производить регистрацию частиц, и когда число импульсов достигало прежней величины, об этом снова передавался сигнал на Землю. Интенсивность космических лучей (то есть число частиц, проходящих через счетчик за секунду) может быть вычислена, если разделить числа зарегистрированных частиц на время, в течение которого они были сосчитаны.
Во время полета оба прибора функционировали нормально, причем отчетливо выявилась зависимость космического излучения от геомагнитной широты. Зная эту зависимость, можно определить распределение частиц по энергиям, то есть узнать энергетический спектр космического излучения и проследить за его изменением в течение всего времени работы аппаратуры, сопоставив эти изменения с теми процессами, которые имели при этом место в окружающем нас мировом пространстве.
Первый космический пассажир
Помимо информации о процессах, происходящих в верхних слоях атмосферы, не менее важной проблемой, решаемой с помощью второго искусственного спутника Земли, было изучение поведения живого организма в космическом пространстве. Впервые в космос проникло живое существо. Наблюдения за ним помогут выявить ряд важных закономерностей для будущего космического полета.
Успешному осуществлению длительного полета животного в космическом пространстве предшествовала большая и широкая программа исследований, проведенных при подъеме животных с помощью ракет до высоты 100—210 километров. Сначала животные поднимались в герметичных кабинах, оборудованных специальными малогабаритными системами регенерации воздуха. После автоматического отделения от ракеты кабина на парашюте опускалась на Землю.
Впоследствии животные помещались в специальные высотные безмасочные скафандры с прикрепленными к ним парашютами и на высоте до 100 километров автоматически выбрасывались из кабины. Спуск на парашюте продолжался с этой высоты примерно час. В других случаях животные совершали «затяжной прыжок» с высоты 40—45 километров, парашют при этом автоматически раскрывался только на высоте 4 километров. Проведенные эксперименты показали, что животные переносят полет вполне удовлетворительно, не испытывая каких-либо вредных для организма последствий.
Однако не следует забывать, что условия кратковременного полета на ракетах существенно отличаются от тех, в которых находится животное при длительном полете на искусственном спутнике Земли.
После взлета многоступенчатой баллистической ракеты скорость полета начинает стремительно нарастать, пока не достигнет величины, необходимой для преодоления силы земного тяготения. Воздействие ускорения на живой организм зависит от его величины, времени действия, скорости нарастания, а также от направления, в котором вызываемая ускорением сила действует на тело животного.
При длительной тренировке животные постепенно привыкают безболезненно переносить те реальные ускорения, которые могут иметь место при движении ракеты-носителя на активном участке траектории ее полета до выхода спутника на орбиту. Кроме того, в настоящее время для этой цели созданы специальные противоперегрузочные костюмы, противодействующие нарушению мозгового кровообращения, которое может иметь место в результате воздействия ускорений.
После того, как спутник выходит на заданную орбиту, действие ускорении, связанных с нарастанием скорости, исчезает, исчезает и сила земного притяжения, и животное вступает в новые, чрезвычайно своеобразные условия — полной невесомости. Влияние невесомости, на живой организм, помимо кратковременных опытов при подъеме собак на ракетах, изучалось также и при полетах самолетов по специально разработанному режиму. Установлено, что в большинстве случаев кратковременное пребывание в состоянии невесомости не вызывает каких-либо существенных нарушении физиологических функций живого организма. Однако устойчивость организма к воздействию невесомости различна. Иногда при этим наблюдается расстройство в координации движений, нарушается кровообращение, возникают различного рода иллюзорные ощущении. Интересно, что при повторном многократном пребывании организма в условиях невесомости человек постепенно приспосабливается к этому необычному для него состоянию, начинает достаточно свободно ориентироваться в пространстве и приобретает способность совершать точно координированные движения.
Для того, чтобы находящееся в герметичной кабине спутника животное могло более безболезненно перенести воздействие ускорений и длительное время находиться в условиях невесомости, наиболее целесообразно его поместить в лежачее положение, закрепив корпус ремнями на специальном лотке, но таким образом, чтобы оно могло, свободно дышать головой и принимать пищу.
На высотах, где происходит движение спутника, атмосферное давление, по сути дела, отсутствует (составляя миллиардные доли миллиметра ртутного столба). Поэтому поддержание в кабине второго спутника необходимого газового состава осуществлялось с помощью высокоактивных химических соединении, выделяющих необходимый для дыхания кислород и поглощающих углекислоту и избыток водяных паров. Количество вещества, участвующее в этих химических реакциях, автоматически регулировалось с помощью специального устройства. Поскольку в условиях невесомости перемешивание воздуха отсутствует, потребовалось создание системы принудительной вентиляции, А поддержание внутри кабины определенного температурного режима осуществлялось специальной системой терморегулирования.
Не менее существенна проблема кормления животного в условиях космического полета. Ведь для поддержания нормального функционирования организма животному необходима жидкая пища. В условиях невесомости жидкость, как известно, не падает вниз в определенном направлении и может поэтому легко распространиться по всей кабине. Выдача отдельных порции пищи через заранее точно определенные промежутки времени может быть, например, осуществлена с помощью особого программного механизма и специальных релейных устройств.
Первое животное, совершившее длительный космический полет вокруг Земли, прошло серьезную предварительную тренировку. Оно приучалось к длительному пребыванию и специальной одежде в герметичной кабине малого объема. Постепенно у собаки выработалась устойчивость к действию вибрации и перегрузок, В результате этой тренировки, а также благодаря тому, что в герметичной кабине были созданы все необходимые условия, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность животного, оно хорошо перенесло длительное воздействие ускорений при выходе спутника на орбиту и последующее состояние невесомости.
Программа научных исследований, связанных с получением данных со второго спутника, была рассчитана на семь суток, после чего радиостанция спутника и бортовая телеметрическая аппаратура прекратили свою работу.
Полученные за эти семь дней медико-биологические данные об условиях существования живых организмов при длительных космических полетах, материалы по интенсивности солнечного излучения и космических лучей, о распространении радиоволн, температурах и давлениях представляют исключительный интерес для науки. В настоящее время все эти материалы подвергаются тщательной обработке и изучению.
Очень важное значение для изучения условий распространения радиоволн в ионосфере имеют измерения напряженности принимаемых со спутника сигналов. Результаты приема радиосигналов и измерение их уровней показывают, что на волне 15 метров эти сигналы зачастую принимались на громадных расстояниях, превышающих 15 тысяч километров. В некоторых случаях радиоволны приходили в приемник не по кратчайшему расстоянию, а путем обхода земного шара по более длинной дуге; в отдельных случаях наблюдалось явление кругосветного эха радиосигналов. Все эти явления указывают на наличие ионосферных радиоволноводов, а положение спутника вблизи области максимальной ионизации создает особо благоприятные условия для их использования.
Однако этим отнюдь не ограничивается круг вопросов, связанных с изучением верхней атмосферы и космического пространства. Новые автоматические лаборатории, которые, несомненно, появятся в Космосе, позволят произвести более детальные измерения давления и плотности высоких слоев атмосферы, определить степень ионизации и исследовать состав ионизированных слоев, измерить напряженность магнитного поля Земли и исследовать корпускулярные потоки Солнца. Большое значение для изучения условий будущих космических полетов имеет также исследование потока метеорных частиц, приходящих в земную атмосферу из межпланетного пространств. Успешный запуск в СССР первых двух искусственных спутников Земли, проведенные на них исследования верхних слоев атмосферы, а также длительный полет в космическом пространстве высокоразвитого живого существа — огромный вклад советской науки в дело успешного решения важнейших проблем, связанных с познанием Вселенной и покорением ее Человеком.
