Б. А. МИРТОВ,
кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией
Института прикладной геофизики Академии наук СССР.

Эта космическая лаборатория, как и первые спутники, была восторженно встречена людьми доброй воли, которые видят в новой советской звезде символ торжества человеческого разума, все шире и полнее проникающего в тайны Вселенной.

Кроме советского спутника-гиганта, в настоящее время, как известно, вокруг Земли вращаются и американские спутники-малютки, выведенные наконец на свои орбиты после многих неудачных попыток. Поэтому, прежде чем перейти к рассказу о третьем спутнике, небезынтересно провести некоторые общие сопоставления между советскими и американскими спутниками.

Первое, что бросается в глаза при таком сравнении,— это громадное преимущество советских спутников в весе. Вес самого большого, третьего американского спутника не превышает 14 кг, тогда как вес нашего первого спутника составлял уже 83,6 кг , а вес третьего —1 327 кг, то есть почти в 100 раз больше американского.

Какой же вывод можно сделать из этого сравнения? Прежде всего оно показывает превосходство советской ракетной техники, могучая сила которой смогла поднять на нужную высоту и сообщить должную скорость спутнику весом почти в полторы тонны. Далее, большой вес и размеры означают возможность размещения на спутнике множества научных и вспомогательных приборов, тем самым значительно расширяя возможности исследования. И, наконец, это дает возможность значительно продлить срок жизни всей научной аппаратуры, так как может быть увеличен запас источников питания (батареи, аккумуляторы).

Большие размеры советских спутников позволяют свободно и в нужных положениях размещать научную аппаратуру и избежать нежелательного влияния одних измерительных или передающих приборов на другие. Кроме того, полет крупного по размерам тела можно наблюдать простыми оптическими методами, что дает богатейший материал для изучения орбиты спутника и в пространстве и во времени.

Таково соотношение размеров третьего советского и американского спутников.

Вопрос об орбитах спутников представляет самостоятельный интерес, и здесь выявляется еще одно фундаментальное преимущество наших спутников перед американскими. Как правило, спутники движутся по более или менее вытянутым эллиптическим орбитам, в одном из центров которых находится Земля. Это значит, что во время своего полета спутник то приближается к Земле, входя в плотные слои атмосферы, то удаляется от нее, фактически выходя за пределы воздушного океана. Та точка орбиты, которая расположена ближе всего к Земле, называется перигеем, точка наибольшего удаления — апогеем. Для геофизических исследований интересно иметь сильно вытянутую орбиту, причем особый интерес представляет малый перигей, так как в этом случае спутник захватит большую толщу атмосферы. К сожалению, плотность атмосферы на малых высотах ставит предел той высоты, до которой может спускаться спутник. Точка перигея не может располагаться ниже высоты 200 км, ибо тогда из-за большого сопротивления среды на этих высотах спутник быстро потеряет свою скорость и упадет на Землю. Что касается апогея, то величина его, превосходящая 1 500— 2 000 км, представляет интерес лишь для очень немногих экспериментов. Для нашей ракетной техники в настоящее время достижение очень больших апогеев, если это станет необходимым, не представит сколько-нибудь существенных трудностей. Поэтому, хотя сейчас апогей третьего американского спутника (2 700 км) превышает апогей третьего советского спутника (1 880 км), превосходство это кажущееся, ибо в научном отношении оно не дает никаких преимуществ, тем более, что американский спутник несет на себе минимум научной аппаратуры, не нуждающейся в таких высотах.

Основное различие в движении между нашими и зарубежными спутниками заключается не в вытянутости их орбит, а в той плоскости, в которой располагаются эти орбиты. Для того, чтобы несколько облегчить взлет своих маломощных ракет и упростить управление ими, американцы запускают спутники почти параллельно экватору. Благодаря этому скорость вращения Земли складывается наиболее выгодным образом со скоростью запускаемой ракеты. Однако это приводит к тому, что спутник пролетает лишь над небольшой частью земной поверхности вблизи экватора. Путь же наших спутников составляет большой угол к плоскости экватора, благодаря чему они имеют возможность побывать почти над всеми точками земного шара и получить значительно более полную и интересную информацию об изменении того или иного измеряемого параметра (плотность, ионизация, космические лучи и т. п.) в зависимости от долготы и широты места.

Такого рода сравнения можно было бы продолжить, но и сказанного достаточно для того, чтобы ясно представить не только количественное, но и качественное превосходство нашего спутника над американским.

Третий искусственный спутник Земли поразил всех не только своими гигантскими размерами, но и тем обилием научной аппаратуры, которая предназначена для всестороннего исследования верхних слоев атмосферы и различных излучений, приходящих из мировых глубин.

Научную аппаратуру, размещенную на спутнике, можно подразделить на три группы. Одна группа приборов измеряет свойства верхних слоев земной атмосферы: давление, ионный состав, концентрацию положительных ионов. Другая — определяет космические факторы: интенсивность корпускулярного излучения Солнца, состав и вариации первичного космического излучения, распределение фотонов и тяжелых ядер в космических лучах, микрометеоры, а также электростатическое и магнитное поля Земли. И, наконец, третья группа приборов ведет измерения процессов, развивающихся на самом спутнике при его стремительном движении вокруг Земли: температуры на поверхности и внутри спутника, его собственный заряд. Эти измерения хотя и не имеют прямого отношения к геофизическим исследованиям, однако играют весьма существенную роль для правильного истолкования получаемых геофизических данных, а также для выяснения режимов, в которых работают приборы, размещенные на спутнике.

Но измерить те или иные параметры на громадных высотах еще далеко не достаточно, полученные измерения необходимо передать на Землю. Для этого на спутнике установлена мощная многоканальная телеметрическая система с запоминающим устройством. Последнее предназначено для сохранения информации, полученной в отдаленных районах, и передачи ее затем на земную станцию в тот момент, когда спутник будет пролетать над ней.

Измерительные приборы, их усилительные электронные блоки и особенно мощная телеметрическая установка требуют электрического питания. Поэтому много веса и объема спутника занимают источники электроэнергии (аккумуляторы, сухие батареи).

Вообще вопрос об источниках питания на спутнике стоит очень остро, так как срок службы электрохимических источников тока неизмеримо меньше времени существования самого спутника. Выходом из такого трудного положения может служить использование солнечной энергии, обильно поглощаемой поверхностью спутника, когда последний не находится в тени Земли. Кремниевые батареи — вот будущие источники питания для приборов искусственных спутников и межпланетных кораблей. Эти батареи могут неограниченное время перерабатывать солнечную энергию непосредственно в электрическую, обеспечивая тем самым непрерывную и длительную работу научных приборов и телеметрических систем. Такие кремниевые батареи в качестве пробных образцов стоят уже на третьем спутнике Земли и дают ток, использующийся в некоторых экспериментах.

Траектория полета советских (тонкие линии) и американских спутников. Наглядно видно территориальное преимущество траектории советского ИСЗ.

Солнечная полупроводниковая батарея размещена и виде отдельных секций и носовой части.

Третий советский спутник — это поистине настоящая космическая лаборатория: автоматические «наблюдатели» следят за развивающимися процессами в космосе, автоматические «центры» собирают информацию, а автоматические «операторы» передают ее на Землю. Четко и аккуратно работает «штат» высококвалифицированных «сотрудников» этой необычной лаборатории. Бесперебойно поступают на Землю сведения, проливающие новый свет на различные стороны существования и жизни верхних слоев атмосферы и на явления, разыгрывающиеся в заатмосферном пространстве.

Научные исследования, поставленные на третьем спутнике, чрезвычайно многообразны. В данной статье мы остановимся лишь на тех проблемах, которые представляют широкий интерес,

На больших высотах над земной поверхностью часть молекул, составляющих атмосферу, ионизирована. Повышенная проводимость этих слоев делает возможным распространение радиоволн на огромные расстояния, благодаря чему осуществляется радиосвязь между любыми точками Земли.

Ионосфера играет теперь первостепенную роль в практической жизни человека. И все же она изучена еще совершенно недостаточно. Объясняется это, с одной стороны, тем, что ионосфера находится высоко над Землей, в труднодоступных областях атмосферы, с другой — сложностью самого явления. До сих пор неясен, например, состав ионосферы, ее поведение и жизнь в полярных областях, особенно во время длинной полярной ночи, когда отсутствует основной ионизирующий агент — ультрафиолетовая радиация Солнца и многое другое.

В последнее время пошатнулись даже, казалось бы, твердо установившиеся представления о слоистом характере ионосферных образований. Последние ракетные исследования ионосферы и особенно подъем советской геофизической ракеты в феврале этого года на высоту почти 500 км дали совсем неожиданные результаты. Измерения электронной концентрации, то есть числа электронов в 1 см³ (которое не может сильно отличаться от числа ионов в 1 см³), в высоких слоях атмосферы, вплоть до высоты 500 км, не указали на наличие слоев. Эти исследования свидетельствовали о том, что на высоте от 60—70 км до максимально достигнутой высоты простирается массив ионизированного газа. На месте предполагавшихся слоев были заметны лишь небольшие усиления электронной концентрации.

Если это действительно так, то ученым предстоит пересмотреть свои теории образования ионосферы и по-другому решать целый ряд практических вопросов.

Третий советский спутник должен будет значительно прояснить эту проблему. Для этого на нем установлены различные приборы, исследующие ионосферу: радиочастотный масспектрометр и прибор по определению концентрации положительных ионов. Кроме того, добавочные сведения дадут приборы по изучению корпускулярного излучения Солнца, а также наблюдение над распространением радиоволн, излучаемых спутником. Радиочастотный масспектрометр позволит изучить химический состав ионосферы: изменение этого состава с высотой, от времени суток (день, ночь), — а также выявить широтно-долготный эффект в изменении состава.

Масспектрометр представляет собой своеобразную электронную лампу, в которой, под влиянием наложенных полей, ионы сортируются по массам. В данный момент времени ионы только определенной массы, например, ионы водорода, поступают на коллектор прибора, и по величине тока во внешней цепи прибора судят о количестве этих ионов в атмосфере. В следующий момент благодаря изменению режима работы прибора на коллектор попадают ионы другой массы (скажем, ионы азота), которые также дадут ток в цепи прибора и т. д. Все эти процессы идут достаточно быстро, так что за 1—1,5 секунды получается запись полного спектра ионов, находящихся в атмосфере.

Для того, чтобы знать общую плотность (концентрацию) ионов в ионосфере (число их в 1 см³), на спутнике установлены ионные ловушки. Ловушка представляет собой небольшой металлический шарик (коллектор), окруженный сферой из металлической сетки. Между коллектором и сферой создается электрическое поле, заставляющее ионы атмосферы проникать сквозь наружную сетку и устремляться к коллектору прибора. Ток в ловушке, как и в радиочастотном масспектрометре, пропорционален концентрации ионов в атмосфере. Заранее проградуированный прибор дает возможность определить истинную плотность ионов в ионосфере.

Большую роль в формировании ионосферы в высоких широтах играют, по-видимому, корпускулы (заряженные частицы), выбрасываемые Солнцем. Для исследования этих частиц на спутнике имеются индикаторы корпускул; флуоресцирующий экран прикрывается тонкой алюминиевой фольгой. Если корпускула пробивает алюминий, то на экране появляется вспышка, которая и регистрируется соответствующим прибором. В полете идет счет таких вспышек, что дает представление о плотности корпускулярных потоков и некоторое представление об энергии их частиц.

Наконец, изучение характера распространения радиоволн, пронизывающих толщу ионосферы, поможет сделать определенные заключения о концентрации электронов в тех слоях, где эти волны распространяются.

Проблема космических лучей уже давно волнует ученых. Из неизведанных глубин Вселенной в атмосферу Земли со всех сторон врываются потоки заряженных частиц, обладающих громадной энергией. Эти частицы, встречаясь с молекулами и атомами верхней атмосферы, раскалывают последние или раскалываются сами, создавая так называемое вторичное излучение, которое доходит до земной поверхности. Спутник призван решать вопросы о первичном космическом излучении. Исследователи должны знать состав и энергию этих частиц с тем, чтобы определить, что же является их источником и где находятся те элэктромагнитные поля, которые сообщают частицам столь высокие энергии.

Некоторые исследования, проводимые третьим советским спутником: измерение корпускулярного излучения, микрометеоров, космических лучей и фотонов, плотности и химического состава ионосферы, магнитного поля Земли на больших высотах.

Уже ранее, по измерениям на воздушных шарах, было известно, что основную долю в космических лучах составляют протоны (ядра водорода) и ядра гелия — альфа-частицы. Значительно меньше наблюдается других, более тяжелых частиц и уже совсем мало частиц с атомарным весом, превосходящим тридцать. При измерении на спутнике, за пределами атмосферы, количество тяжелых ядер может оказаться значительно большим, а так как в среднем во Вселенной таких ядер мало, а пробеги их в межзвездном газе невелики, то обнаружение заметного количества таких частиц говорило бы о близости их источника. Несомненный интерес представят также исследования различных вариаций космического излучения и связь этих вариаций с явлениями на Солнце и земными магнитными возмущениями.

Кроме космических лучей, в атмосферу Земли вторгаются и частицы твердой межзвездной материи — микрометеоры. По современным подсчетам, их вторжение в земную атмосферу составляет около 5 тысяч тонн межзвездного вещества в сутки! В основном это очень маленькие частицы, диаметром в несколько микронов, более крупные встречаются реже. Летя с очень большими скоростями, в среднем 40—50 км в секунду (скорость спутника на орбите — 8 км в секунду), и обладая заметной массой, эти частицы имеют большую разрушительную силу. Благодаря атмосфере они не долетают до поверхности Земли, сгорая в верхних слоях воздушного океана. Изучение микрометеоров за пределами воздушного океана является важной задачей с точки зрения безопасности движения спутников или будущих межпланетных кораблей. Кроме проблемы «метеорной опасности», которая, по-видимому, все же очень незначительна, микрометеоры интересуют ученых как фактор, влияющий на состояние верхних слоев атмосферы. Испаряясь в ней, частицы межзвездной материи оставляют в атмосфере продукты своего сгорания, которые, прежде чем выпасть на поверхность Земли, долгое время могут находиться во взвешенном состоянии. А так как вторжение микрометеоров идет непрерывным потоком, то в атмосфере непрерывно должны существовать и продукты их распада, что, без сомнения, должно сказаться на свойствах последней.

Для обнаружения микрометеоров на спутнике установлены кристаллические пьезодатчики; когда частица ударяется о поверхность такого датчика, получается импульс тока, который после соответствующего усиления и преобразования передается на Землю. Как и при исследовании космических лучей, здесь производится счет частиц во времени.

Одним из важных и трудных исследований является попытка измерения плотности газа на очень больших высотах. А между тем эта проблема интересна и важна, ибо от плотности газа зависят многие процессы, протекающие на больших высотах (ионизация, фотохимические реакции, сопротивление среды и т. п.). Трудность данного эксперимента обусловлена необходимостью измерять исчезающие малые плотности газовой среды, составляющие стомиллионные и миллиардные доли плотности воздуха на уровне моря. К тому же на подобные измерения оказывают большое влияние как огромная скорость движения спутника, так и те газы, которые постоянно выделяются с его поверхности.

Для измерения плотности на спутнике применяется два типа манометров: магнитный и ионизационный. Оба они работают на принципе искусственной ионизации газа в полости прибора и измерении ионного тока, появляющегося в результате такой ионизации. Ионизация в этом случае пропорциональна плотности окружающей среды. В магнитном манометре ионизация между электродами достигается благодаря наличию высокого напряжения и постоянного магнитного поля; в ионизационном — благодаря бомбардировке молекул или атомов окружающей среды электронами, испускаемыми накаленной нитью.

На спутнике проводятся также измерения магнитных и электрических полей Земли. До сих пор еще нет удовлетворительного ответа на вопрос о природе этих явлений, но ученые с помощью спутника надеются получить дополнительные факты для решения этих проблем.

Итак, третий спутник в полете! Исследования, запланированные учеными, идут по полной программе, и нет сомнения, что они обогатят мировую науку новыми, доселе неизвестными фактами.