Прощупывая радиационные пояса: 60 лет советской спутниковой программе "Электрон"
Шестьдесят лет назад две пары советских спутников выполнили одну из самых интересных и плодотворных программ исследования околоземного космического пространства с изучением тогда еще недавно открытых радиационных поясов Земли. 13 января 1965 года закончил работу на орбите спутник "Электрон-3", который выполнял работы по одной из самых успешных отечественных научных программ начала космической эры
Лайка и космическая радиация
Изучение радиационного фона в ближнем космосе началось буквально на заре космической эры человечества. Уже второй советский спутник (Простейший спутник-2), запущенный 3 ноября 1957 года, состоял из сферического контейнера - копии первого спутника, под которым стояла гермокабина с собакой Лайкой, а сверху — блок приборов для исследования рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, имелись два детектора космических лучей. Во время полёта по орбите с высотой 215 х 939 км и наклонением 65.1° к экватору, научный инструментарий второго спутника зафиксировал изменение концентрации заряженных частиц в околоземном пространстве. Советские учёные поначалу ошибочно интерпретировали это как следы солнечного излучения.
Лайка - первое живое существо в космосе - погибла через несколько часов полета. Но не от радиации. Система терморегулирования ее гермокабины не была рассчитана на работу спутника без отделения от ракеты-носителя. Температура внутри гермоконтейнера поднялась до неприемлемых значений.
В статье «Исследование космического пространства», опубликованной в газете «Правда» 10 декабря 1957 года под псевдонимом «Профессор К. Сергеев», Сергей Королёв рассказал об итогах полёта ПС-2. Он отметил, что была выявлена чёткая зависимость количества частиц космического излучения от геомагнитной широты, а обработка большого количества измерений энергетического спектра первичных космических частиц позволит исследовать изменения этого спектра с течением времени.
Полноценное зондирование ближнего космоса должна была выполнить создаваемая в ОКБ-1 тяжелая автоматическая лаборатория, насыщенная приборами и призванная обеспечить СССР приоритет во многих областях науки. Постановление правительства о создании неориентированного искусственного спутника Земли («Объект Д») массой 1000-1400 кг с аппаратурой для научных исследований массой 200-300 кг для запуска на ракете Р-7 вышло еще 30 января 1956 года. Однако его реализация запаздывала.
Радиометр зашкаливает
Американцы запустили свой первый спутник Explorer-1 ("Исследователь-1") только 1 февраля 1958 года, через три месяца после начала космической эры. Даже с учетом пустого твердотопливного двигателя (последней ступени), к которому он оставался прикреплен, он был в шесть раз легче первого советского спутника. Миниатюрные транзисторные передатчики, установленные на борту, были менее мощными, чем у советских спутников, но очень экономичными, и позволяли передавать данные от научных приборов, таких как детектор космических лучей, нескольких датчиков температуры, микрофона и кольцевого детектора эрозии для регистрации ударов микрометеороидов.
Когда Explorer-1 двигался вблизи перигея орбиты высотой 360 х 2532 км и наклонением 33.3° к экватору, бортовой детектор космических частиц, разработанный под руководством Джеймса Ван Аллена, профессора физического факультета Университета штата Айова, зарегистрировал ожидаемые 30–40 частиц в секунду.
Однако при подъёме к апогею количество частиц увеличивалось до 35 тысяч в секунду, что приводило к перегрузке датчика.
К сожалению, составить точную картину распределения частиц было затруднительно, поскольку Explorer-1 передавал данные только тогда, когда находился в зоне прямой видимости одной из немногих наземных станций.
Второй Explorer был утрачен из-за аварии ракеты-носителя 5 марта 1958 года. Его оперативно заменили на Explorer-3, который успешно запустили 26 марта того же года на орбиту высотой 190 х 2800 км с наклонением 33.5°. На борту нового аппарата находился детектор частиц, аналогичный тому, что был установлен на Explorer-1, но в этот раз экранированный от «перенасыщения». Имелся также сверхкомпактный магнитофон, который в течение двух часов записывал данные, а затем, пролетая над наземной станцией, за пять секунд сбрасывал информацию.
Интерпретация данных началась летом 1958 года, когда «Исследователи» перестали передавать информацию. Только часть частиц имела достаточную энергию, чтобы их отнести к космическим лучам (в основном, протоны и электроны с низкой энергией).
Сначала американцы предположили, что радиация на орбите вызвана советским ядерным испытанием в космосе. Однако дальнейший анализ показал, что частицы опоясывают Землю в виде сжатого сверху и снизу тора, центральная плоскость которого примерно совпадает с плоскостью магнитного экватора планеты.
Советский «Объект Д» создавался в трех модификациях с комплексом аппаратуры, оправдывая звание первой научной лабораторией в космосе. Запущенный спутник имел 12 научных приборов и первые солнечные батареи, хотя и экспериментальные. Электропитания не хватало, поэтому работу задавало программно-временное устройство. Предполагалось использование бортового магнитофона для записи телеметрии на участках орбиты, недоступных наземным станциям слежения. Планировалось установить один детектор космических лучей, но потом добавили еще два.
Весной 1958 года к запуску были готовы два экземпляра «Объекта-Д». Первый потеряли в результате аварии ракеты-носителя 27 апреля. Второй был успешно запущен 15 мая на орбиту высотой 217 x 1864 км и наклонением 65,2° и стал известен всему миру как «Спутник-3».
К сожалению, третий спутник ушел в космос с неисправным бортовым магнитофоном. Разработчикам показалось, что на Земле сбой вызывали электромагнитные помехи от электроцепей в зале испытаний. Но на орбите прибор также не работал, и данные можно было получать только в зонах прямой радиовидимости. Детекторы «Спутника-3» вновь регистрировали высокие уровни заряженных частиц, но из-за неисправности магнитофона нельзя было определить, были они локальным или глобальным явлением.
Сергей Вернов, руководитель группы ученых МГУ, отвечавшей за эксперимент по регистрации космических лучей, интерпретировал показания детекторов как следы «вторичной эмиссии», вызванной выбиванием электронов из металлической оболочки аппарата под действием высокоэнергетических «первичных» электронов и протонов галактического излучения.
Вскоре стало ясно, что представляет собой «эмиссия». На конференции Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), которая проходила в Европе летом 1958 года, участники пришли к единому мнению: американские спутники обнаружили область, которую обозначили как внутренний радиационный пояс Земли.
Она простиралась на высоту около 4000 км над поверхностью нашей планеты. Эту область назвали «поясом Ван Аллена» в честь ученого, который разработал датчики космических частиц, установленные на американских «Исследователях».
Зонд Pioneer 3, отправленный американцами к Луне 6 декабря 1958 года, совершил уникальный «суборбитальный» полёт продолжительностью 38 часов. Он поднялся на высоту 102 400 км и зафиксировал внешний радиационный пояс, который простирается примерно на 17 000 км.
Программа "Электрон"
Королёв не мог скрыть своего огорчения по поводу лишь частичного успеха советских аппаратов в изучении космической радиации. Спустя несколько лет, в разговоре с одним из участников разработки «Объекта Д», он объяснил, почему решился запустить аппарат с неисправным магнитофоном. По словам известного советского физика Роальда Сагдеева, Сергей Павлович сказал: «Вы думаете, я не чувствую своей вины за всё это? В то утро мне позвонил Хрущёв и сообщил, что итальянские коммунисты убеждали его сделать что-то запоминающееся, например, отправить что-то в космос. На следующий день в Италии должны были состояться парламентские выборы».
Но ни достижения «Исследователей», ни данные «Спутника-3» не вызвали значительного общественного отклика. Получив сведения о радиационных поясах, обе страны — участницы космической гонки — засекретили их, связав с последствиями высотных ядерных взрывов. Тем не менее на встрече в Москве в 1959 году Джеймс Ван Аллен и Сергей Вернов признали открытия друг друга.
Между тем успех американцев стал одним из стимулов для разработки специальной серии советских спутников для углубленного изучения радиационных поясов.
9 мая 1960 года ЦК КПСС и Совмин СССР приняли постановление о создании космических аппаратов «Электрон». Проектирование и изготовление поручалось ОКБ-1 под руководством Сергея Королёва. Проектно-баллистические работы проводились Институтом прикладной механики (ИПМ АН) под руководством Мстислава Келдыша. Сергей Вернов, к тому времени ставший директором Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ МГУ), был научным руководителем проекта и анализировал результаты. Разработка была утверждена правительством 13 мая 1961 года.
В 1963 году Королёв определил цели проекта по изучению радиационных поясов, отметив их научное и практическое значение.
В частности, он хотел найти такие орбиты для космических аппаратов, которые исключали бы или минимизировали прохождение через эти пояса. Исследования позволяли прогнозировать существование радиационных поясов и вокруг других планет.
Спутники «Электрон» должны были изучать как естественные радиационные пояса, так и вызванные ядерными взрывами на большой высоте. Однако после подписания представителями США, СССР и Великобритании Договора о запрете ядерных испытаний в трех средах 5 августа 1963 года эта задача потеряла актуальность.
В сфере исследований на первый план вышли научные задачи. К тому времени о радиационных поясах знали уже достаточно, но всё ещё оставались вопросы об их происхождении и распределении. Предполагалось, что внутренний пояс образовался из нейтронов, которые были выбиты космическими лучами из ядер газов в верхних слоях атмосферы. Затем эти нейтроны распадались на протоны и электроны, которые попадали в ловушку магнитного поля Земли. Однако происхождение частиц внешнего пояса оставалось загадкой.
Планировалось запускать «Электроны» попарно на ракетах «Восток» на разные орбиты. Первый аппарат отделялся на участке работы третьей ступени с помощью небольшого порохового двигателя, чтобы не влиять на точность выведения второго аппарата. «Электрон-1» выходил на орбиту высотой 400 x 7000 км, «Электрон-2» – 450 x 66000 км с наклоном в 60°, чтобы измерения захватывали отдаленные области околоземного пространства. Одновременные измерения в двух точках позволяли изучать динамику явлений в космическом пространстве.
«Электрон-1» массой 355 кг имел шесть панелей солнечных батарей, которые раскрывались на штангах после отделения от ракеты. «Электрон-2» массой 465 кг был оснащён солнечными элементами, расположенными на корпусе и конической юбке аппарата.
Научная программа полёта включала исследование частиц, захваченных магнитным полем Земли, измерение магнитного поля, космических лучей, химического состава околоземного пространства, коротковолнового излучения Солнца и радиоизлучения Галактики, а также микрометеорных частиц. Оба спутника имели записывающие устройства, работавшие в двух режимах: 10-секундные сеансы записи каждые две минуты (общее время записи 20 часов) и 10-секундные сеансы записи каждые восемь минут (общее время — 80 часов). Второй режим использовался, когда спутники находились вне зоны видимости советских наблюдательных пунктов.
На «Электронах» не было активной системы ориентации, хотя солнечные датчики позволяли определять положение аппарата относительно светила. Благодаря радиосистеме «Маяк» наземные станции могли не только точно определять параметры орбиты спутников, но и рассчитывать концентрацию электронов на больших высотах.
«Электрон-2» нес весь комплект приборов для исследования частиц, их пространственного распределения, состава и энергетического спектра, изучения низкоэнергетических заряженных частиц, магнитного поля Земли в районе радиационных поясов, ионного состава атмосферы на высотах от 400 до 3000 км. Выходя за пределы радиационных поясов, аппарат мог регистрировать «первичные» космические лучи.
«Электрон-1» был оборудован сокращенным набором инструментов для исследования электронов с низкой энергией и ионного состава атмосферы на высоте от 400 до 1000 км, а также для обнаружения микрометеороидов.
На борту обоих спутников были установлены приёмники, способные улавливать радиоволны из космоса в диапазоне от 200 до 400 м — они не достигают поверхности Земли, а отражаются обратно в космическое пространство ионосферой.
Защита от космической радиации
Первые два «Электрона» были запущены 30 января 1964 года. Впервые советская ракета не только успешно вывела в космос несколько полезных грузов, но и отправила их на орбиты, которые значительно отличались друг от друга. Параметры выведения были близки к расчётным.
Предполагалось, что «Электрон-1» проработает 75 суток, а «Электрон-2» – 150. Однако, из-за воздействия радиационных поясов, солнечные батареи деградировали быстрее. «Электрон-1» замолчал 27 марта 1964 года после 60 сеансов связи, а «Электрон-2» проработал на два дня дольше – до 30 июня 1964 года, осуществив 68 сеансов связи.
11 июля 1964 года были запущены «Электрон-3» и «Электрон-4». Первый вышел на орбиту высотой 405 х 7040 км, а второй — 459 х 66235 км. Обе орбиты имели наклонение 60°52’.
К тому моменту «Электрон-2» всё ещё продолжал передавать информацию, поэтому запуск новых спутников позволил обеспечить непрерывный поток данных о внешнем радиационном поясе.
Солнечные элементы новых космических аппаратов, защищенные от радиации, и меры по уменьшению энергопотребления позволили увеличить срок службы: «Электрон-3» проработал до 13 января (164 сеанса связи), «Электрон-4» — до 23 мая 1965 года (118 сеансов связи).
На основании полученных данных НИИЯФ МГУ составил «Модель космического пространства», которая позволяла надежно оценивать радиационную опасность при полетах и разрабатывать меры радиационной защиты.
Летом 1965 года прошла первая Всесоюзная конференция, посвящённая физике космического пространства, на которой были подведены итоги исследований в этой области. В большинстве научных работ рассматривались различные аспекты радиационных поясов Земли, обнаруженных «Электронами». Эти спутники стали одними из самых успешных советских научных космических аппаратов, а результаты их работы помогли заполнить важные пробелы в знаниях о нашей планете. и окружающем ее космическом пространстве
Самое популярное
