«Безграничный вакуум окружающего пространства и невесомость в спутнике, — говорил в 1923 г. профессор Герман Оберт*, — делают орбитальный космический аппарат идеальным местом для наблюдений за звездами, Луной, Солнцем, планетами и, главным образом, нашей Землей».

* Герман Оберт — немецкий ученый, один из основоположников ракетной техники и космонавтики. Разработал ряд вопросов теории полета ракет и использования их для исследования атмосферы.

В настоящее время сотни приборов, установленных на спутниках, постоянно обозревают космическое пространство и земную поверхность. Более 80 космонавтов имели возможность наблюдать Землю с орбиты спутника или с поверхности Луны. Беспилотные аппараты позволили провести беспримерные исследования рентгеновского излучения Солнца и других звездных объектов, радиационных поясов Земли и магнитосферы, солнечного ветра и земной короны. Кроме того, значительно улучшились возможности для метеорологических наблюдений и исследования земной поверхности. Программа «Аполлон» показала эффективность деятельности человека на борту космического корабля в качестве пилота, штурмана, инженера, ремонтника и, особенно, в качестве научного исследователя.

Рис.1. Орбитальная станция «Скайлэб» и транспортный корабль «Аполлон»
перед стыковкой на орбите (рисунок).

Первые космические проекты дали для науки и техники результаты, которые превысили все ожидания. Значение космических программ для прогресса человечества можно проследить в следующих направлениях: они открыли для человека новую область исследований, предоставили науке необозримый источник научных знаний, помогают в решении многих земных проблем. Многие пионеры освоения космоса, осознав преимущества орбитальных полетов, стали высказываться в пользу долговременных орбитальных станций. Эти станции должны быть оснащены приборами для наблюдения неба и Земли, радиоприемниками и передатчиками для системы глобальной связи и оборудованием для проведения технологических процессов в состоянии невесомости. Ими должны управлять космонавты, которые способны использовать и обслуживать приборы с эффективностью и гибкостью, недоступной автоматическим устройствам. Орбитальные станции могут эксплуатироваться в течение нескольких лет с заменой их экипажей через несколько недель или месяцев. Вначале для космических полетов использовались высотные исследовательские ракеты, а затем маленькие автоматические спутники. Проекты обитаемых орбитальных станций были тогда неосуществимы. Затем были разработаны мощные системы, способные вывести станции на околоземную орбиту и создать внутри них условия для жизни. Было разработано много приборов предназначенных для наблюдения за астрономическими объектами космической средой и Землей. В начале 60-х гг. были разработаны солнечные батареи, системы связи с космическими кораблями и системы сбора данных, системы контроля параметров орбиты. Таким образом, появились благоприятные условия для разработки обитаемых орбитальных станций и эти планы стали материализовываться*.

* Начало новому этапу в развитии космонавтики положено созданием и полетом первой в мире советской орбитальной станции «Салют», стартовавшей в космос 19 апреля 1971 г. Систематические полеты советских орбитальных станций "Салют" со сменными экипажами обеспечили планомерное освоение околоземного космического пространства (прим. ред.).

Первая обитаемая космическая станция США, названная «Скайлэбом», должна быть выведена на орбиту в мае 1973 г. В ее просторном и комфортабельном помещении экипаж из трех человек выполнит обширную программу космических экспериментов и наблюдений. Некоторые из экспериментов предложены учеными зарубежных стран. НАСА пригласила ученых многих стран для анализа данных, которые будут получены в результате полета станции «Скайлэб» (рис. 1).

2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ВНЕ ПРЕДЕЛОВ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

Земная атмосфера является источником кислорода и двуокиси углерода, необходимых для существования живых существ и растений. Кроме того, она предохраняет от опасной радиации и температурных перепадов космоса. Но с другой стороны, земная атмосфера ограничивает возможности наблюдения за небесными телами с поверхности Земли, так как только малая часть спектра волновые излучений достигает Земли. Эффект рассеяния света атмосферой приводит к образованию фона, который не позволяет телескопам установленным на Земле, регистрировать звезды яркостью ниже 24-й звездной величины. Более того, даже самые лучшие телескопы могут обеспечить лишь ограниченное оптическое разрешение из-за нерезкости изображений, причиной которой является колебания земной атмосферы. Телескопы, установленные вне земной атмосферы, не подвержены этим ограничениям. С помощью нескольких солнечных телескопов на станции «Скайлэб» можно будет наблюдать за Солнцем в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спёктра, что невозможно с поверхности Земли. Эти наблюдения значительно повысят наши знания о Солнце: о механизмах образования и излучения энергии, о радиационных вспышках и частицах в солнечных вспышках, о странном поведении горячей плазмы. Мы узнаем подробнее о влиянии Солнца на погоду, окружающую среду и, следовательно, на всю нашу жизнь на Земле. Звездные телескопы станции «Скайлэб» значительно расширят данные земных обсерваторий, так как можно будет проводить исследования в ультрафиолетовом диапазоне. Частицы космического излучения, не возмущенные земной атмосферой, будут регистрироваться в течение всего полета на эмульсионных пластинках и специальных детекторах; метеоритные частицы будут фиксироваться на сверхчистых пластинах. Специальные оптические датчики будут регистрировать свечение воздуха верхних слоев атмосферы и отражение света от пылевых облаков, обращающихся вокруг Солнца.

3. УСЛОВИЯ НЕВЕСОМОСТИ

На космическом корабле сила тяжести, как известно, нейтрализуется центробежной силой. Результирующая сила равна нулю в центре масс космического корабля. В других точках внутри космического корабля эта сила составляет порядка ±0,000001 от силы тяжести на Земле, знак и величина ее зависят от направления и расстояния от центра масс.

Состояние невесомости на станции «Скайлэб» будет использовано для проведения многочисленных экспериментов, которые предусматривают изучение влияния гравитационных сил на биологические, химические, физические и технологические процессы. Деление клеток и обмен веществ в клетках живых организмов, содержание минеральных солей в костях скелета животных и человека, работа вестибулярного аппарата, распределение давления внутри тела, напряжение мышц, циркуляция крови и даже функционирование эндокринных желез, по-видимому, зависят от силы тяжести. Изучение всех этих вопросов в условиях невесомости поможет нам понять механизмы многих процессов, которые происходят в живых организмах.

Силы тяжести вызывают расслоение растворов, которые состоят из компонентов с различной плотностью. Желаемое смешение некоторых металлов в расплавленном состоянии или химических реагентов часто затруднено и даже невозможно на Земле из-за гравитационного эффекта расслоения. В условиях невесомости растворы могут оставаться тщательно перемешанными длительное время. В этих условиях может быть получена смесь жидких металлов с газами — «пенометалл». Получение вспененных металлов с высоким значением удельной прочности, возможно, будет в будущем одним из важных видов технологических работ, выполняемых на орбитальных космических станциях.

Рост отдельных кристаллов из растворов часто нарушается также из-за явлений, связанных с силой тяжести. Эти явления отсутствуют на орбитальных лабораториях, и отдельные кристаллы с высокой степенью чистоты, возможно, будут получены гораздо больших размеров, чем на Земле. Такие кристаллы представляют огромную ценя ость при производстве полупроводниковых приборов.

Рис. 2. Фотографии гигантских вулканических структур в Центральной Африке: а — мозаика, полученная наложением ряда фотографий, сделанных с борта самолета; б — фотография, сделанная с орбитального космического аппарата «Джемини» Сопоставление этих двух фотографий показывает преимущество обзора с орбиты спутника.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Орбитальная станция «Скайлэб» будет пролетать над 75% площади поверхности Земли. Каждая его 93-х минутная орбита будет повторяться через 5 дней. На корабле будет установлено оборудование для фотографирования в обычном, инфракрасном и микроволновом диапазонах волн. Основное преимущество наблюдений с орбиты спутника Земли состоит в том, что при одинаковых световых условиях охватывается одновременно гораздо большая площадь, чем, например, при наблюдениях с самолета. Проблемы изучения облачного покрова, растительности, ирригации, землепользования, урбанизации, прогнозов урожайности, естественных ресурсов, загрязнения воздуха, циркуляции воды, вопросов топографии, геологии и многие другие проблемы путем сравнения различных участков земной поверхности намного облегчатся благодаря возможности наблюдать несколько объектов одновременно и при одинаковых условиях.

В качестве примера на рис. 2 приведены два фотоснимка одного и того же объекта — вулканической структуры в Центральной Африке. Первый снимок составлен из многочисленных фотографий, сделанных с самолета, второй был сделан со спутника. Преимущество фотографии со спутника очевидно. Это преимущество еще больше возрастает из-за скорости, с которой производятся снимки со спутника и передаются на Землю.

Например, одна из таких систем для фотографирования, установленная на борту спутника по исследованию земных ресурсов, запущенного в июле 1972 г., обладает возможностью передавать фотографии участков Земли площадью 185х185 км² через каждые 25 с с разрешающей способностью порядка 30 м. Одна из фотокамер станции «Скайлэб» будет охватывать площадь 109х169 км² с разрешающей способностью около 11,5 м. Несколько фотокамер станции «Скайлэб» в течение 3-х циклов полета произведут почти 40000 снимков земной поверхности. Сопоставление фотографий с самолетов и наземных станций с этими снимками позволят проанализировать и дать оценку комплексу проблем взаимодействия человека и окружающей среды методами, которые не могли быть использованы наукой ранее.