«Наука в России» 2005 №5

Институт космических исследований РАН отмечает 40-летие. И хотя срок небольшой, сделано уже очень много: благодаря его ученым наша страна шагнула далеко вперед в познании процессов, происходящих в близком космосе и на далеких астрофизических объектах. Мы подошли к решению проблем, связанных со структурной эволюцией Вселенной, образованием галактик, разработали уникальные методики и приборы. Ныне они участвуют в крупных интернациональных проектах, подготовке отечественных миссий по изучению магнитосферы Земли и планет Солнечной системы. А в перспективе исследование светила с близкого расстояния, новые эксперименты на Международной космической станции и т.п.

Сначала отделы и лаборатории образованного научного центра были разбросаны по всей Москве. Создание же его инфраструктуры развернулось на 14-м километре Старокалужского шоссе — в то время далекой окраине столицы. Первыми сдали в эксплуатацию четыре двухэтажных здания, где разместили дирекцию, административные и вспомогательные службы, некоторые вновь формируемые отделы. А к середине 70-х годов завершилось строительство главного корпуса, затем контрольно-испытательной и летно-испытательной станций — основной лабораторно-стендовой базы ИКИ с уникальным оборудованием, позволяющим проверять бортовую аппаратуру на механические (вибрация, удар, линейные перегрузки), термовакуумные, климатические воздействия, электрическую совместимость и прочность изоляции. По мере развития она стала главным полигоном АН по космическому приборостроению.

В 1967 г. в городе Фрунзе (ныне Бишкек, Кыргызстан) сформировали еще одно крупное подразделение института — Особое конструкторское бюро с опытным производством. После распада СССР оно оказалось за границей, стало акционерным обществом и теперь взаимодействует с ИКИ на договорной основе. В 1978 г. Президиум АН СССР принял решение о создании в городе Таруса (Калужская область) опытного производства приборостроительного профиля. Через 8 лет его преобразовали в Специальное конструкторское бюро космического приборостроения на правах обособленного подразделения института. Такой же статус в городе Евпатория (Крым, Украина) с 1977 г. у Терминальной станции с автоматизированным комплексом обработки и передачи информации при Центре дальней космической связи.

Основные направления работ института — астрофизика высоких энергий и радиоастрономия, изучение планет и малых небесных тел, физика космической плазмы и солнечно-земная физика, дистанционное зондирование Земли, небесная механика и системы управления, оптико-физические исследования, телекоммуникационные сети и системы, космическое приборостроение, а также научно-образовательная деятельность. К этому следует добавить разработку программ космических исследований, создание и испытание комплексов аппаратуры по проектам, принятым РАН, Роскосмосом и включенным в Федеральную космическую программу.

	Главный корпус ИКИ РАН. Первый директор института (с 1965 по 1973 г.) академик Г. И. Петров.

Сотрудники ИКИ участвовали в подготовке отечественных и международных экспериментов, получении и обработке поступающей с космических аппаратов информации. Так, в околоземном пространстве наиболее значимы результаты, полученные в системе солнечный ветер — магнитосфера — ионосфера Земли с помощью высокоапогейных спутников серии «Прогноз». С 1972 по 1983 г. в нашей стране осуществили десять их успешных запусков, тем самым охватив наблюдениями 11-летний цикл активности Солнца*. В итоге накоплен большой объем данных о тесной взаимосвязи происходящих на нем и нашей планете явлений, что показало важность защиты ее атмосферы, биосферы, космических и наземных инженерных систем от выбросов облаков горячей плазмы из солнечной короны.

* См.: Б.М. Кужевский. Объект исследований — Солнце. — Наука в России, 2002, № 4 (прим. ред.).

Новые сведения о плазме в ближнем космосе принесли эксперименты с комплексом приборов, установленных на нескольких орбитальных аппаратах, работающих по единой программе. В 1995—2001 гг. с использованием системы «Интербол» детально исследовали физические процессы в земной магнитосфере во время суббурь (локальных возмущений магнитного поля), диссипацию энергии*, запасенной в ее «хвосте», зонах полярных сияний, ионосфере, что позволило впервые разделить пространственные и временные вариации измеряемых параметров. Удалось проследить крупномасштабную динамику возмущений магнитосферы при выбросе больших масс плазмы из внешних областей Солнца, формирование в ней гигантских «магнитных облаков». Причем благодаря продолжительности экспериментов стало возможным наблюдать глобальную перестройку плазменной оболочки Земли в период, когда межпланетное магнитное поле меняет направление с южного на северное.

* Диссипация энергии — переход части энергии упорядоченных процессов (электрического тока, движущегося тела и т.д.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге — в теплоту (прим. ред.).

Проведенные измерения оказали значительное влияние на представления о физике магнитосфер больших планет, процессах на далеких астрофизических объектах. Теперь специалисты, занятые в программе «Интербол», подключились к анализу информации, поступающей со спутника CLUSTER (Европейское космическое агентство), запущенного с помощью российского носителя «Союз-Фрегат»*.

* См.: Ю.М. Марков. «Фрегат»: скоро в полет. — Наука в России, 1995, № 2 (прим. ред.).

Исследования Венеры и Марса с борта автоматических станций дали удивительные примеры сложившихся там природных комплексов, существенно отличающихся от имеющихся на нашей планете. Совместное их изучение выявило взаимосвязи, специфику формирования каждого и способствовало становлению сравнительной планетологии, от успехов которой будет зависеть понимание подлинных основ происхождения и современного состояния атмосферы Земли*.

* См.: Э.М. Галимов. Перспективы планетоведения. — Наука в России, 2004, № 6 (прим. ред.).

В пресс-центре ИКИ. На экранах мониторов появились первые изображения кометы Галлея, переданные межпланетной станцией «Вега-1».

Большой вклад в космологию внес беспрецедентный проект «Вега»* по изучению кометы Галлея (и попутно Венеры — впервые в мире с помощью аэростатных зондов). В результате получен большой объем информации о составе ее ядра, физических характеристиках, взаимодействии с солнечным ветром, что позволило нарисовать реальную картину этого космического объекта, ранее детально не исследовавшегося.

* См.: Е.В. Горчаков, Б.А. Тверской. Космофизика. — Наука в России, 1995, № 6 (прим. ред.).

Основную задачу проекта «Фобос» (1988—1990 гг.) — анализ вещества данного марсианского спутника, к сожалению, выполнить не удалось*. Однако экспедиция собрала больше

* См.: М.А. Лапина. «Фобос» — повод для раздумий. — Наука в СССР, 1990, № 2 (прим. ред.).

ценнейших сведений о плазменном окружении Марса, чем предыдущие отечественные. В частности, благодаря впервые проведенным масс-спектрометрическим измерениям определили важную в эволюционном плане интенсивность эрозии кислорода Красной планеты, обнаружили плазменный слой в ее магнитном «хвосте», уточнили процессы ускорения ионов при формировании последнего.

	Зал климатических испытаний контрольно-испытательной станции.
Одна из малых термовакуумных камер, объединенная в единый комплекс с имитатором солнечного излучения.

Ученые ИКИ добились значительных успехов и в астрофизических исследованиях. Установленный на спутнике «Прогноз-9» (июль 1983 — февраль 1984 г.) высокочувствительный радиометр «Реликт» открыл новые возможности решения космологических проблем, связанных со структурой, эволюцией Вселенной, образованием галактик. Свыше 7 лет успешно работала на высокоапогейной орбите обсерватория «Астрон» (запущена в марте 1983 г.) и почти 10 сменившая ее «Гранат» (декабрь 1989 г.). С 1987 г. продолжалась практически непрерывная, вплоть до затопления орбитального комплекса «Мир» эксплуатация обсерватории «Рентген» на модуле «Квант»*. Из полученных с ее помощью результатов наибольший интерес представляют наблюдения сверхновой звезды в Большом Магеллановом облаке.

* См.: Познавая Вселенную. — Наука в России, 2005, № 3 (прим. ред.).

В «послужном списке» ИКИ немало уникальных методических и приборных разработок по дистанционному зондированию Земли в оптическом и радиодиапазонах. Многие из них внедрены в практику решения научных, хозяйственных и социальных задач. Так, космические радиолокаторы позволили детально изучить различные процессы в Мировом океане, в частности характеристики крупномасштабной части спектра поверхностного волнения, следы разлива нефтепродуктов, направления крупных течений, выполнить первые эксперименты по изучению эффекта анизотропии*, открытого учеными института еще в 1973 г. На счету его коллектива также выявленный механизм генерации крупномасштабных вихревых структур в воздушной среде с мелкомасштабной спиральной турбулентностью. В настоящее время идет создание базы данных атмосферных вихрей, что позволит развить новые подходы к прогнозу траекторий мощных циклонов на основе их физических предвестников и индикаторов.

* Анизотропия — зависимость свойств физических объектов от направления. Характерна, например, для упругих, тепловых, оптических свойств кристаллов (прим. ред.).

Летно-испытательная станция. Автономные испытания научной аппаратуры проекта «Астрон».

Испытания марсохода на полигоне в городе Таруса. Испытания спутника «Ореол» на космодроме.

В астрофизическом направлении ключевым остается проект «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр-РГ»)*. Его основные задачи — длительные, до нескольких месяцев, наблюдения (координированные с наземными в радио— и оптическом диапазонах длин волн) ряда источников — активных ядер галактик и сверхмассивной черной дыры в центре нашей звездной системы. Необходимые для этого приборы создают при активном сотрудничестве с Великобританией, США, Германией, Италией, Израилем, другими странами.

* См.: Ю.М. Марков. Форум ученых. Наука в России, 2005, № 1 (прим. ред.).

ИКИ участвует и в работе Международной астрофизической обсерватории «Интеграл»*, функционирующей в том же диапазоне энергий, что и «Спектр-РГ». На орбиту она выведена российской ракетой-носителем «Протон», за что отечественные ученые получают 27% общего наблюдательного времени. Так, благодаря этому сотрудничеству они построили детальную карту центральной области нашей Галактики в гамма-лучах с чувствительностью, существенно превышающей достигнутую прежде**. Кроме того, выявили жесткое рентгеновское излучение от галактического молекулярного облака, находящегося на расстоянии «всего» 300 световых лет от вышеупомянутой сверхмассивной черной дыры. Обнаружена также ранее неизвестная популяция источников гамма-излучения, новый класс космических гамма-всплесков с крайне низкой светимостью, количество которых может оказаться значительным (до сих пор это не удавалось сделать из-за недостаточной чувствительности наблюдательных инструментов). Напрашивается вывод, что на самом деле Вселенная гораздо активнее, чем считалось до сих пор.

* См.: Ю.М. Марков. На орбите — «Интеграл». — Наука в России, 2003, № 2 (прим. ред.).

** См.: A.M. Гальперин, Ю.В. Озеров. Солнечные вспышки гамма-излучения. — Наука в России, 1997, № 4 (прим. ред.).

Единственный национальный проект по исследованию Солнечной системы, включенный в Федеральную космическую программу, — «Фобос-Грунт»*. ИКИ подготавливает его вместе с Институтом геохимии и аналитической химии им В.И. Вернадского РАН, Институтом радиотехники и электроники РАН, Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина и др. Он предусматривает создание космического аппарата для полета к спутнику Марса — Фобосу (планируемая дата — 2009 г.), взятие и доставку на Землю образца его грунта. На Фобосе же останется долгоживущая станция, которая продолжит его изучение в автоматическом режиме, мониторинг климата самой Красной планеты и околомарсианского пространства.

* См. статью «От магнитосферы Земли да марсианского спутника» в этом номере журнала (прим. ред.).

Остров Кергелен
(южная часть Индийского океана).
Ракета «Эридан» готова к старту.

Российские ученые активно участвуют в планетных исследованиях и других стран. Так, разработанный в ИКИ нейтронный детектор ХЕНД успешно выполнил одну из основных задач проекта НАСА «Марс-Одиссей» — изучение нейтронного излучения Марса — и до сих пор продолжает измерения на орбите последнего*. С помощью этого отечественного прибора удалось обнаружить огромные запасы воды под его поверхностью и измерить динамику сезонных отложений на ней атмосферной углекислоты.

Весомый вклад внесли сотрудники института и в реализацию экспериментов на американских марсоходах «Спирит», «Оппортьюнити», европейской планетной миссии «Марс-Экспресс»**, задуманной как экспедиция спасения не вышедшего на траекторию полета российского «Марса-96»: ее задачи и состав научной аппаратуры «унаследованы» от погибшей станции. Отечественных специалистов привлекли и к новому проекту Европейского космического агентства — «Венус-Экспресс» — полету к Венере с целью изучения ее с орбиты.

* См.: И.Г. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. — Наука в России, 2002, № 6 (прим. ред.).

** См.: М.Г. Литвак, И.Г. Митрофанов. Времена года на Марсе. — Наука в России, 2004, №4 (прим. ред.).

Космический аппарат «Прогноз».

Говоря о дальнейших планах международной кооперации по планетным исследованиям, прежде всего надо упомянуть программу НАСА МНЛ-2009 (большой долгоживущий марсоход). Для нее выбрали российский комплекс экспериментов, который позволит локально определять содержание водорода в грунте подобно тому, как это делал вышеуказанный прибор ХЕНД с орбиты. Есть у отечественных специалистов и очень интересные предложения для европейской программы «Пастер» — марсоход для поиска жизни или ее следов, а также для европейской миссии к Меркурию «Бепи Коломбо» — российско-японская камера для исследований тончайшей, скорее условной, атмосферы Меркурия в лучах натрия, нейтронный прибор и анализатор плазмы его магнитосферы.

В области физики космической плазмы и солнечно-земных «отношений» чрезвычайно ценным оказался опыт, накопленный институтом в ходе реализации проекта «Интербол». В итоге ученые ближе подошли к пониманию причинно-следственных связей процессов в ближнем и дальнем межпланетном пространстве, что помогает в разработке основ прогноза космической погоды*. Чем важна данная проблема для нашей планеты? Дело в том, что далеко от нее возникают возмущения, напрямую влияющие на наземные технологические комплексы (снижение точности навигационных систем, нарушения коротковолновой радиосвязи, сбои в линиях электропередачи, системах сигнализации транспортных средств, газопроводов и т.п.) и еще значительнее — на космические аппараты (отказы электроники, преждевременный сход с орбиты низколетящих спутников и т.д.). Поэтому мониторинг состояния межпланетной среды «здесь и сейчас» становится неотъемлемым условием дальнейшей успешной практической деятельности по ее освоению.

* Космическая погода — пространственные и временные вариации параметров космоса в зависимости от солнечной активности (прим. ред.).

Ключевой элемент прогноза космической погоды — постоянное слежение за солнечным ветром на его пути к Земле, следовательно, соответствующая система должна быть многоуровневой. Так, в ионосфере, на низких орбитах, эту задачу будут решать институтские микроспутники «Чибис», во внутренней магнитосфере и радиационных поясах

Первая советская обсерватория «Астрон» для астрофизических наблюдений.

— подготавливаемые к запуску «Резонанс». Их основная цель — изучение тонкой динамики радиационного пояса, взаимодействие волн и частиц. Еще один спутник разместят на верхнем «этаже» — примерно в 1,5 млн км от нашей планеты, в точке либрации*, вблизи линии Солнце—Земля, вдоль которой движутся рождаемые светилом опасные «магнитные облака». Такое расположение космического аппарата обеспечит высоконадежный прогноз магнитных бурь за 1 —2 ч до начала.

Для получения более раннего предупреждения (без снижения его точности) земного «посланца» необходимо «отодвинуть» еще дальше. ИКИ разработан проект «Клиппер» предполагающий разместить групп микроспутников в 3—4 млн км от нашей планеты. На каждом планируется установить «парус» из тонкой металлизированной пленки, чтобы силой давления на них света компенсировать избыточное (по сравнению с точкой либрации) притяжение Солнца. Это позволит стабилизировать космические аппараты в определенной точке пространства, при необходимости подвести его ближе к исследуемому объекту, что даст дополнительное время для принятия на Земле мер в случае регистрации ими прохождения «магнитного облака».

На более отдаленную перспективу рассчитан подготавливаемый ИКИ совместно с Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина проект «Интергелиозонд» — изучение с близкого расстояния светила, а в качестве дополнительной задачи — Меркурия. Космический аппарат туда планируется направить с использование гравитационного маневра близ Венеры, причем сначала его орбиту расстоянием до Солнца порядка 60 его радиусов (42 млн км), а затем 30. Тогда появится возможность отслеживать одни и те же детали его поверхности в течение длительного времени (примерно 7 сут). Кстати, с помощью специальных двигателей малой тяги станет реальным изменить наклонение орбиты зонда и «заглянуть» в невидимые с Земли полярные области Солнца.

* В точке либрации небесное тело, движущееся под влиянием притяжения двух других значительной массы (в данном случае — Земли и Солнца), может находить в состоянии относительного равновеа по отношению к ним (прим. ред.).

Другие перспективные проекты — многоспутниковый «Рой» (английское название — Swarm— F) для тонких измерений в критических областях магнитосферы, «Полярно-эклиптический патруль» для глобального обзора Солнца с целью прогноза и контроля космической погоды, «Лунная тень» для ежемесячных наблюдений затмений с борта космического аппарата — пока находятся в начальной стадии.

С участием института составлена достаточно обширная программа исследований на Международной космической станции, запланированных на 2007—2009 гг. и позже. В их числе несколько экспериментов по изучению плазменно-волновых процессов взаимодействия сверхбольших аппаратов с ионосферой, экологический мониторинг низкочастотного электромагнитного излучения антропогенного характера и связанного с глобальными природными катаклизмами. Одна из основных задач этих изысканий — селекция потоков энергии, поступающих в ионосферу «снизу» (с Земли) на фоне воздействия «сверху» (солнечного), призванная существенно повысить эффективность прогнозов космической погоды.

На Международную космическую станцию планируется доставить российский широкоугольный рентгеновский телескоп СПИН-Х для регулярного обзора Галактики (83% сферы) в жестком рентгеновском диапазоне и бортовой телескоп нейтронов БТН-2 для наблюдения соответствующей компоненты радиационного фона внутри самой станции, нейтронного альбедо Земли и регистрации солнечных вспышек и космических гамма-всплесков. Его детектирующим элементом станет запасной летный прибор ХЕНД. А сопоставление измерений последнего с данными, предоставленными его «двойником», работающим на околомарсианской орбите, позволит получить данные по радиационной безопасности будущих пилотируемых полетов к Марсу.

Автоматическая межпланетная станция «Вега».

Основная цель еще одного проекта для Международной космической станции — наблюдения с ее борта атмосфер планет. Для этого идет работа над специализированной обсерваторией с телескопом умеренных размеров (главное зеркало диаметром 400 мм), приемной аппаратурой, действующей в широком спектральном диапазоне. Задача эксперимента с романтичным названием РУСАЛКА (прозаическая расшифровка — ручной спектральный анализатор компонентов атмосферы) — отработка методики определения содержания углекислого газа и метана в воздушном пространстве Земли. До сих пор подобные исследования с космических аппаратов не проводили.

Сегодняшний день ИКИ РАН — внушительный объем работ по обеспечению Федеральной космической программы, 26 темам на основе базового бюджетного финансирования, 35 — по линии Российского фонда фундаментальный исследований, 10 — по зарубежным грантам и т.д. Словом, в год своего юбилея коллектив смотрит в будущее с оптимизмом. Хочется верить, что новые результаты работ российских ученых станут достойным вкладом в познание космоса и нашего места в нем.

Иллюстрации
предоставлены ИКИ РАН