ТРЕТИЙ СОВЕТСКИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ

Ключ на старт

ТРЕТИЙ СОВЕТСКИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Орбита спутника и наблюдения за его движением

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство третьего советского спутника

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

Общий вид третьего спутника

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная аппаратура третьего советского искусственного спутника Земли

1 — магнитометр;

2 — фотоумножители для регистрации корпускулярного излучения Солнца;

3 — солнечные батареи;

4 — прибор для регистрации фотонов в космических лучах;

5 — магнитный и ионизационный манометры;

6 — ионные ловушки;

7 — электростатические флюксметры;

8 — масс-спектрометрическая трубка;

9 — прибор для регистрации тяжелых ядер в космических лучах;

10 — прибор для измерения интенсивности первичного космического излучения;

11 — датчики для регистрации микрометеоров;

Схема отделения спутника от ракеты-носителя

1 — спутник;

2 — ракета-носитель;

3 — отделяющийся защитный конус;

4 — отделяемые от спутника щитки

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

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

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

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

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

Изучение ионосферы

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

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

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

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

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

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

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

Измерение концентрации заряженных частиц

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

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

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

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

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

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

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

Исследование состава ионосферы

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

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

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

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

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

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

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

Исследование электростатических полей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Измерения магнитного поля Земли

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Изучение космических лучей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследование корпускулярного излучения Солнца

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Измерение давления и плотности атмосферы

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

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

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

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

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

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

Исследование микрометеоров

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

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

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

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

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

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

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

Источники электропитания аппаратуры

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

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

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

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

«Правда», 18 мая 1958 г.