Рис. 1. Приборный контейнер после приземления
«Вестник АН СССР» 1957 №6, с.25-32
В программе работ Международного геофизического года значительное место отводится исследованию верхних слоев атмосферы с целью расширения и уточнения имеющихся сведений о плотности и давлении воздуха, его составе и движении в верхних слоях земной атмосферы, об электрических свойствах ионосферы, космическом излучении, ультрафиолетовом участке солнечного спектра, солнечной радиации во всех ее проявлениях, о твердой компоненте космического вещества, земном магнитном поле.
Помимо познавательного значения эти исследования представляют и большой практической интерес, позволяя усовершенствовать службу и прогнозы погоды, уточнить вопросы дальней радиосвязи, получить необходимые сведения для разрешения проблемы межпланетных сообщений.
Методы исследования верхних слоев атмосферы принято разделять на косвенные и прямые, понимая под первыми исследования, проводимые с земной поверхности, а под вторыми — исследования с помощью приборов и аппаратуры, находящихся непосредственно на исследуемых высотах.
Современная ракетная техника обеспечила науке широкую возможность проведения прямых методов исследования земной атмосферы путем размещения соответствующей аппаратуры как на самих ракетах, так и в специальных контейнерах, доставляемых ракетами на нужную высоту, а затем отделяемых от ракеты. Развитие последнего способа, параллельно с ростом скорости полета ракет, привело к возможности создания искусственных спутников Земли, что в свою очередь существенно расширяет границы исследований во времени, поскольку подъем исследовательской аппаратуры на самих ракетах позволял осуществлять лишь относительно кратковременную регистрацию изучаемых явлений и процессов.
Выполненные за последние годы широкие исследования в этой исключительно интересной области науки и техники дали возможность наметить большую программу работ по изучению верхних слоев атмосферы с помощью ракет во время Международного геофизического года.
Изучение космического излучения при помощи ракет было начато в СССР в 1947 г. коллективом научных работников под руководством члена-корреспондента АН СССР С. Н. Вернова. В 1949 г. был осуществлен подъем специально приспособленной ракеты, позволившей получить некоторые данные о состоянии атмосферы на высотах до 100 км. На основании результатов этого эксперимента удалось сформулировать четкие требования к методике исследований н аппаратуре для них. Были разработаны специальные ракеты по заданию Академии наук СССР, а затем так называемые «метеорологические ракеты» по заданию Центральной аэрологической обсерватории, и с 1951 г. эти ракеты стали применяться для систематических исследований атмосферы. За 1951—1956 гг., по мере накопления опыта, проводилась конструкторская работа по модификации ракет и усовершенствованию приборов, и в настоящее время советская наука располагает достаточно совершенными техническими средствами для выполнения во время Международного геофизического года всех намеченных исследований.
В работах по изучению верхних слоев атмосферы принимали участие коллективы научных работников как академических, так и других научно-исследовательских учреждений, причем общая координация осуществлялась Академией наук СССР.
Физический институт им. П. Н. Лебедева (С. Н. Вернов, П. В. Вакулов, М. И. Фрадкин, В. И. Соловьева, А, Е. Чудаков и др.) занимался исследованиями состава и свойств первичного потока космических лучей. При этом ставились задачи измерения полного потока заряженных частиц, потока незаряженных частиц, измерения ионизации, создаваемой частицами первичного излучения в верхних слоях атмосферы, измерения потока многозарядных частиц, изучалось также взаимодействие частиц с плотным веществом. Результаты измерений передавались с борта ракеты по каналам радиотелсметрической системы. Таким путем были получены достаточно точные данные об изменении интенсивности излучения с высотой и о составе первичного космического излучения.
Группа исследований, проводившихся геофизиками Академии наук СССР (И. А. Хвостиков, В. И. Красовский, Б. А. Миртов, В. В. Михневич и др.), охватывала определение состава воздуха, измерение его плотности, величины атмосферного давления, температуры.
Опыты 1949 г. показали необходимость избавиться от искажений, вносимых самой ракетой при ее полете. Было установлено, что состав отбираемых проб воздуха загрязняется следами газов, которые несет с собой ракета. Поэтому при всех последующих измерениях, кроме приборов, устанавливаемых на ракете, использовалась аппаратура, собранная в специальном контейнере, помещавшемся в мортире на борту ракеты. Контейнер выстреливался из мортиры на восходящей ветви траектории ракеты (после окончания работы двигателя) под некоторым углом к оси ракеты и совершал самостоятельный полет. При падении контейнера, на высоте около 4 км, вскрывался отдельный отсек, содержащий парашютную систему, чем обеспечивалось приземление контейнера со скоростью, гарантируюшей целость приборов.
По мере накопления опыта контейнер подвергался конструктивной модификации, была отработана амортизация для ослабления удара в момент приземления. Последний образец контейнера при приземлении оставался в вертикальном положении, вонзаясь специальными штыками в грунт. Такая конструкция предохраняла стеклянные баллоны с пробами воздуха от повреждения при падении контейнера на бок.
Получение проб воздуха с различных высот представляло одну из весьма сложных технических задач. Для этой цели применялись стеклянные баллоны, в которых устанавливался вакуум порядка 10-6 мм. Для уничтожения каких-либо включений на внутренних слоях оболочки проводилась предварительная специальная обработка. Баллоны снабжались герметическим затвором, устанавливавшим сообщение их внутренней полости с внешней средой по истечении заданного времени с момента старта ракеты и вновь герметически закрывавшимся через несколько секунд. На отработку надежно действующих затворов, исключающих примешивание паразитных газов и имеющих герметизирующую смазку, гарантирующую от какого-либо химического воздействия на пробу воздуха, было затрачено много труда. В каждом контейнере монтировалось несколько баллонов для взятия проб воздуха на различных высотах при каждом эксперименте. В табл. 1 (см. стр. 28) приведены некоторые данные, полученные в результате анализа доставленных на землю в разное время проб воздуха. Как видно из таблицы, состав воздуха на этих высотах не имеет существенного отличия от приземного состава.
Высота забора проб воздуха исчислялась в каждом эксперименте на основе обработки данных о скорости полета ракеты в момент выброса контейнера и траектории контейнера, фиксировавшейся кино-теодолитами в функции времени. Атмосферное давление регистрировалось при помощи двух тепловых манометров Пирани (на высоте 50—70 км) и четырех газоразрядных манометров (два на высотах 70—90 км и два на высотах 90— 110 км.)
Таблица 1
| Высота, на которой взята проба воздуха (км) | Содержание в % | ||
| O2 | N2 | Ar | |
| 65 80 82 82-85 82-85 | 19 19,5 21,9 24,5 20,4 | 80 80 78 74 78 | 0,91 0,85 0,80 0,77 0,79 |
В разное время были получены приведенные ниже данные об изменении давления с высотой.
Таблица 2
| Высота (км) | Давление в мм ртутного столба | ||||
| эксперименты | |||||
| № 1 | № 2 | № 3 | |||
| 50 60 70 80 90 100 110 | 6,8·10-1 2,3·10-1 5,8·10-2 1,1·10-2 1,3·10-3 - - | 6,6·10-1 2,5·10-1 6,2·10-2 8,9·10-3 1,1·10-1 1,8·10-4 5,2·10-5 | - - - - 5,3·10-3 - 6,9·10-5 | ||
Аналогичные измерения были проведены другой группой научных работников с помощью метеорологической ракеты Центральной аэрологической обсерватории (Г. И. Голышев, А. М. Касаткин, Е. Г. Швидковский, Г. А. Кокин и др.). Эта ракета — меньшего веса и размеров, но также имеющая отделяемый в полете приборный отсек, позволяла производить зондирование атмосферы до высоты 80 км. Атмосферное давление измерялось по всему вертикальному разрезу атмосферы: давления выше 10 мм ртутного столба регистрировались мембранными реостатными манометрами, а в пределах от 5 до 5·10-3 мм — тепловыми манометрами Пирани. Температура манометров контролировалась термометрами сопротивления.
Не лишены интереса материалы о распределении температуры в атмосфере. Несмотря на расхождение отдельных данных о температуре, полученных в разное время суток и года, следует отметить надежно зафиксированное положение максимума температуры на высоте около 46 км, колеблющегося в пределах 280°—307°К, и минимума — на высоте около 80 км. Выявлена также устойчивость градиента температуры в пределах высот 50—70 км (2,5 гр/км).
Исследование воздушных течений на разных высотах было организовано Институтом прикладной геофизики (Т. Н. Назарова). Определение вектора скорости ветра проводилось главным образом при помощи кинотеодолитного наблюдения за движением дымовых облаков, поставленных одновременно на различных высотах. Для этого был создан специальный кйнтейнер, также выстреливаемый из мортиры, установленной на стороне ракеты, противоположной той, на которой закреплялась мортира приборного контейнера. Второй, контейнер был снаряжен пятью дымообразующими зарядами, которые взрывались последовательно через установленные интервалы времени при падении контейнера. Первый взрыв происходил при достижении контейнером вершины его траектории. Такой способ давал возможность уверенно следить за движением небольших, но резко очерченных облаков до высот 80 км в течение 15 сек., после чего наблюдения становились менее точными вследствие размывания облаков. При исчислении скорости движения воздуха учитывалось отставание облака от течения. Выше 80 км этот способ не давал надежных результатов из-за быстрого размыва облаков.
Для определения воздушных течений применялся акустический метод. Для той же цели был испытан также другой способ, заключающийся в наблюдении за столбом дыма, испускаемого непрерывно при падении контейнера, начиная от вершины траектории.
Из других исследовании следует упомянуть регистрацию солнечного спектра в ультрафиолетовой его части (А. В. Яковлева, Н. А. Павленко) при помощи специального спектрографа, укрепляемого в носовой части ракеты. Как известно, ультрафиолетовая часть спектра поглощается слоем озона и потому недоступна при наблюдениях в нижних слоях атмосферы.
При полете ракеты регистрировались встречи с микрометеоритами. Были испытаны приборы для измерения ионной концентрации в ионосфере.
 Рис. 3. Спектрограф, укрепляемый в носовой части ракеты |
Широкому изучению подверглись физиологические условия полетов на ракетах, что имеет большое значение для разрешения проблемы космических путешествий (А. В. Покровский, В. И. Яздовский).
В опытах, проводившихся в течение 1951—1956 гг., использовались собаки. В первых экспериментах две собаки помещались в герметической кабине в головной части ракеты, где жизненно необходимые условия обеспечивались системой регенерации воздуха. Во время полета регистрировались температура и давление воздуха в кабине, измерялась кожная температура животных, частота пульса и дыхания. Поведение животных в кабине изучалось путем автоматической киносъемки в течение всего полета. Перед полетом и после него производилась электрокардиография и рентгенография животных. Предварительная тренировка проводилась в барокамере и в самой ракете на стенде.
На первом этапе исследований животные поднимались на высоту до 100 км, причем скорость полета достигала 1170 м/сек, ускорения не превышали 5,5 g. В вершине траектории кабина с животными отделялась от ракеты и свободно падала до высоты 3—4 км, затем автоматически вводилась в действие парашютная система, обеспечивавшая надежный спуск и безопасное приземление.
В последующих экспериментах животные помещались в негерметическом отсеке ракеты; жизненные условия обеспечивались с помощью специальных скафандров со съемным прозрачным шлемом и системой кислородного питания. Животные были привязаны к тележкам, на которых размещалась вся регистрирующая аппаратура и парашютная система. Запас кислорода в 900 л был рассчитан на пребывание собаки в скафандре в течение двух часов. Давление воздуха в скафандре на высоте поддерживалось в 440 мм рт. ст. В шлем скафандра был вмонтирован клапан, автоматически устанавливавший сообщение с внешней атмосферой при спуске (на высоте 3-4 км). Во время полета велась регистрация частоты дыхания, пульса, максимального и минимального артериального давления и температуры животного.
В вершине траектории (на высоте 100—110 км) головная часть ракеты отделялась, после чего в период ее свободного падения на высоте 85— 90 км происходило катапультирование тележки с одной собакой при скорости падения около 700 м/сек; через 3 сек. после катапультирования раскрывался парашют. Спуск на парашюте продолжался 55—65 мин. Вторая собака продолжала оставаться в падающей части ракеты до высоты 35—50 км, после чего тележка катапультировалась (при скорости падения около 110 м/сек) и продолжала свободное падение до высоты 4 км, где производилось автоматическое раскрытие парашюта. Освобожденный от животных отсек с киноаппаратурой и некоторыми другими приборами также спускался на парашюте.
Как установлено, изменения величины артериального давления, частоты дыхания и пульса носят умеренный характер. В период активного участка полета (во время работы двигателя) как максимальное, так и минимальное давление несколько повышается, по окончании работы двигателя наблюдается понижение давления, однако не ниже исходной величины (перед полетом).
В период свободного падения не наблюдается какой-либо закономерности в изменении давления (у некоторых животных — незначительное повышение, у других — незначительное понижение). На активном участке полета наблюдалось как учащение, так и снижение частоты пульса, а также и практическая его неизменность. При этом в одном и том же полете у разных собак оказывались и различные изменения; при повторном полете эти изменения повторялись, что указывает на зависимость этих изменений не от параметров внешних раздражителей, а от индивидуальных особенностей животных.
В период движения по инерции у большинства животных отмечалось снижение частоты пульса на 7—24 удара в минуту и лишь у двух собак частота пульса снизилась на 36—46 ударов. Снижение частоты пульса на 8—24 удара наблюдалось и в период свободного падения. Частота дыхания в подавляющем большинстве случаев сначала практически неизменна, затем незначительно снижается; при парашютировании закономерных изменений частоты дыхания не отмечалось.
По данным киносъемки, животные чувствуют себя во время полета относительно спокойно; некоторое беспокойство проявлялось при повышенной вибрации; в отдельных случаях животные спали. Кинофильмы позволяли наглядно проследить за вращением отделившейся от ракеты кабины, благодаря перемещению на ее стенке светового пятна от проникающих через иллюминатор солнечных лучей.
После полетов животные чувствовали себя нормально, пищевые рефлексы не изменялись. При повторных полетах отрицательных реакций со стороны животных на помещение их в ракету не наблюдалось.
Таким образом, установлено, что во время пребывания в верхних слоях атмосферы длительностью до 1 часа в условиях ракетного полета каких-либо существенных сдвигов в поведении животных и состоянии основных функций их организма не происходит. Безопасность полета может быть вполне обеспечена.
Описанные выше работы позволили значительно расширить возможности дальнейших исследований. Например, в области изучения космических лучей предстоящие запуски искусственных спутников Земли снимут ограничения, накладываемые кратковременностью измерений на высотных ракетах, что позволит изучить вариации интенсивности космических лучей во времени, применить более тонкую исследовательскую аппаратуру.
Проводя исследования атмосферы при помощи высотных ракет по программе Международного геофизического года, мы вместо разрозненных экспериментов сумеем провести серию научных исследований, хорошо увязанных во времени и пространстве. Подъемы высотных ракет будут проводиться на территории СССР приблизительно вдоль одного меридиана, начиная от Заполярья, в средних широтах, а также в Антарктике (район обсерватории Мирный). Существенно расширяется диапазон исследований атмосферы по высоте. Подъем контейнеров с приборами будет осуществлен на большие высоты, чем в предыдущих исследованиях (на 100, 200 км и более).
Совершенствуется и методика ракетных исследований. Например, для анализа состава атмосферы в верхних слоях будет применяться радиочастотная масс-спектрометрическая аппаратура. Расширяется изучение корпускулярных солнечных потоков. Особенно интересные результаты можно будет получить, если удастся осуществить подъемы ракет во время хроносферных вспышек на Солнце, а также в высоких широтах — в зонах максимума интенсивности полярных сияний.
Разработанная в настоящее время аппаратура позволит регистрировать не только количество встреч с микрометеоритами, но и определять их энергетические показатели. Будет уделено внимание изучению влияний процессов, происходящих в верхней атмосфере, на тропосферные явления, важные для климатологии, службы погоды. Широко будет использована фотосъемка земной поверхности и облачных масс с больших высот.
Будут продолжены и физиологические исследования жизнедеятельности живых организмов в условиях ракетного полета с целью более всестороннего ее изучения.