«Гамма»: уникальная история и достижения советской астрофизической обсерватории

Космическая обсерватория «Гамма» — это советский проект астрофизической обсерватории, предназначенной для изучения Вселенной в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне. Партнером СССР по проекту выступала Франция, институты которой внесли значительный вклад в создание научной аппаратуры.

Запуск обсерватории «Гамма» состоялся 11 июля 1990 года с площадки №1 «Гагаринский старт» космодрома Байконур. На орбиту ее вывела ракета-носитель «Союз-У2». После трех коррекций, проведенных собственным двигателем С5.80 в течение трех суток, обсерватория вышла на рабочую круговую орбиту высотой 438х419 км наклонением к плоскости экватора 51,6 градуса и периодом обращения 93 минуты.

История создания астрофизической обсерватории «Гамма»

Есть косвенная информация, что идея создания крупного внеатмосферного гамма-телескопа зародилась еще в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия»), которым руководил Сергей Королёв. В то время шли работы над созданием супер-ракеты Н-1 и разрабатывались варианты ее полезной нагрузки, причем не только для полетов к Луне и планетам, но и для запуска Тяжелой орбитальной станции. Один из ее модулей мог бы быть астрономическим.

К 1972 году в ЦКБЭМ (бывшее ОКБ-1) был разработан эскизный проект Многоцелевого орбитального комплекса (МОК, 19К), ядром которого должна была стать Многоцелевая космическая база (говоря современным языком, базовый блок). Проект предполагал наличие трех специализированных модулей, которые выполняли бы научные исследования и проводили технологические эксперименты в автономных полетах, но периодически пристыковывались к МОК для обслуживания космонавтами.

Вот какие модули предполагалось создать:

• Модуль 19К А10 «Аэлита» с инфракрасным телескопом;

• Модуль 19К А20 для технологических экспериментов в условиях микрогравитации;

• Модуль 19К А30 «Гамма» с рентгеновским и гамма-телескопами.

Такое решение позволяло во время автономных полетов с большой точностью наводить телескопы на нужные объекты и длительное время поддерживать необходимую ориентацию.

В то время гамма-астрономия высоких энергий была на острие науки, но требовала сложнейших технологий (например, создания искровых камер для фиксации траекторий частиц). Видимо, поэтому проект модуля 19К А30 «Гамма» оказался наиболее продвинутым. Тогда же конструкторы начали проектирование телескопа «Гамма-1».

В 1965 году между СССР и Францией началось потепление. Завязались контакты и в космической сфере: в области спутникового цветного телевидения, в области исследования верхних слоев атмосферы метеорологическими ракетами, в области метеорологии, в области запуска французских спутников советскими ракетами и обмена научными данными.

В 1974 году советская сторона предложила французским коллегам из Центра ядерных исследований в Сакле (Saclay) и Центра изучения космических излучений в Тулузе объединить усилия в создании гамма-телескопа для установки на этот модуль. Французские ученые с энтузиазмом согласились, поскольку это давало им редкую возможность при серьезной экономии средств не тратиться на спутник и дорогую ракету «Ариан», а бесплатно с помощью СССР запустить на орбиту очень тяжелый и мощный прибор и получать с него результаты.

Постановлением правительства по орбитальным станциям ДОС-7К № 7, 8 от 17 февраля 1976 года было предусмотрено создание автономного модуля для астрофизических исследований в гамма-диапазоне с целью выяснения механизма генерации космического гамма-излучения с помощью комплекса нового поколения телескопов, устанавливаемых на астрофизическом модуле. Эскизный проект астрофизического модуля «Гамма« (19КА30) в 1978 году был перепроектирован в 174 отделе.  Конструкторскую документацию сгенерировали в отделах 281, 282, 285 и 017. Эксплуатационные документы выпустили специалисты отдела 381 НПО «Энергия». В 1979 году ведущим конструктором проекта был П.Н. Полежаев.

Первоначальный проект не предусматривал стыковку модуля 19КА30 «Гамма» со станциями типа ДОС. К модулю, совершающему автономный полет, должен был раз в полгода пристыковываться корабль типа «Союз» с космонавтами для возврата фотопленок с результатами исследований, а также для проверки состояния научно-исследовательской аппаратуры и обслуживающих ее бортовых систем.

В 1982 году в НПО «Энергия» началась активная фаза проектирования многомодульной орбитальной станции «Мир». Руководство космической отрасли подсчитало ресурсы и пришло к заключению, что все строящиеся корабли «Союз» будут полностью задействованы для обеспечения работы станции «Мир». Выделять каждые полгода корабль и ракету-носитель ради обслуживания «Гаммы» стало невозможно.

Инженерам пришлось экстренно перепроектировать весь комплекс научной аппаратуры модуля 19КА30. Все пленочные системы фиксации результатов наблюдения заменили на электронные (телевизионные и цифровые искровые камеры), чтобы передавать данные на Землю по радиоканалу с помощью французской регистрирующей аппаратуры «Видикон».

Возникали проблемы и с главным инструментом — телескопом «Гамма-1». Он требовал создания прецизионных газонаполненных искровых камер, которые улавливали траектории гамма-квантов. Технология была новой и крайне капризной. При наземных испытаниях собранных прототипов регулярно происходили утечки рабочего газа, пробои высокого напряжения и сбои в электронике. Советским инженерам приходилось раз за разом дорабатывать деликатную конструкцию телескопа, что постоянно сдвигало сроки окончательной сборки аппарата в НПО «Энергия».

Когда во второй половине 1980-х годов технические проблемы с электроникой были решены, проект столкнулся с экономическими и организационными трудностями позднего СССР. Финансирование научных космических программ стало сокращаться в пользу прагматичных военных и чисто пилотируемых программ. Приоритет в графике пусков с Байконура неизменно отдавался модулям станции «Мир» (таким как «Квант», «Квант-2» и «Кристалл») и программе «Буран», из-за чего запуск чисто научной «Гаммы» постоянно сдвигали в конец очереди.

Но был в такой многолетней задержке и некоторый плюс. По сравнению с первоначальным проектом гамма-телескопы нового поколения «Гамма-1» (основной телескоп) и «Диск М» стали обладать существенно лучшими характеристиками и большей чувствительностью при регистрации космического гамма-излучения. А установка рентгеновского телескопа «Пульсар Х-2» завершала сформирование комплекса телескопов, способных проводить исследования в широком диапазоне электромагнитного спектра от 104 до 1010 эВ.

11 июля 1990 года обсерватория, наконец, была доставлена на орбиту. Но не обошлось без казусов. Спешка и многократные переделки приборов и систем дали о себе знать: на борту возникли проблемы с электропитанием. Из-за этого с помощью телескопа «Гамма-1» не смогли провести запланированное детальное картирование неба, что снизило эффективность его работы. Тем не менее ученые адаптировали программу исследований и все же получили уникальные данные.

Конструкция астрофизической обсерватории «Гамма»

Космический аппарат «Гамма» (19КА30) был разработан Головным конструкторским бюро НПО «Энергия» (ныне РКК «Энергия» имени С. П. Королёва) в подмосковном Калининграде (сейчас город Королёв). Производство и сборка базовой платформы, а также монтаж научных приборов происходили на Заводе экспериментального машиностроения.

Главным конструктором космического аппарата и орбитальных станций до 1987 года был Юрий Семёнов (будущий академик и с 1987 — генеральный конструктор РКК «Энергия»). Руководителем создания основного научного прибора — гамма-телескопа «Гамма-1» — был Михаил Добриян (главный конструктор СКБ КП ИКИ РАН, город Таруса).

wikimedia.orgОбсерватория «Гамма» была изготовлена на основе грузового корабля «Прогресс». Из базовой конструкции исключили отсек компонентов дозаправки и грузовой отсек

Конструктивно космический аппарат «Гамма» был изготовлен на основе грузового корабля «Прогресс» (11Ф615). Из базовой конструкции исключили отсек компонентов дозаправки и грузовой отсек. В итоге модуль стал состоять из трех основных отсеков:

• герметичного отсека научной аппаратуры малого и большого диаметра;

• герметичного приборного отсека, внутри которого поддерживалось постоянное давление и температура. В нем была установлена управляющая электроника, бортовой вычислительный комплекс и системы регистрации данных;

• негерметичного агрегатного отсека. В нем размещалась маршевая двигательная установка С5.80 для коррекции орбиты, баки с топливом, исполнительные органы системы ориентации и другие бортовые системы.

Электричество вырабатывалось двумя большими панелями солнечных батарей, раскрывавшимися по бокам центрального корпуса.

Всего на модуле 19КА30 было более десятка систем (управления движением, навигации, электропитания, радиосвязи, телеметрических измерений, обеспечения теплового режима, комбинированная двигательная установка и др.), связанных в единый бортовой комплекс. Большинство из них являлось модернизированными системами уже отработанных и показавших высокую надежность систем космических кораблей «Союз Т» и «Прогресс», а также базового блока орбитального комплекса «Мир».

Надо отметить уникальность системы ориентации. Дело в том, что гамма-астрономии требовалось длительное время удерживать аппарат направленным на одну точку неба с очень высокой точностью. На «Гамме» была реализована прецизионная трехосная система стабилизации. Для точной привязки к координатам использовались датчики Солнца и Земли и высокоточные звездные датчики «Телезвезда», которые фиксировали опорные звезды. Исполнительные механизмы в виде шести силовых гиродинов осуществляли плавный разворот и поддержание ориентации многотонной машины без расхода топлива с точностью до 1–2 угловых минут. Благодаря совершенству этой системы 60–65% полетного времени каждого витка использовалось для проведения наблюдений.

Емкость бортового запоминающего устройства 160 Мбит позволяла накапливать информацию с научных приборов и сбрасывать ее на наземные пункты связи во время пролета над СССР.

Расчетный срок службы — 1 год (фактически аппарат проработал 1 год 7 месяцев).

Массовые характеристики:

• Полная стартовая масса аппарата — 7320 кг;

• Масса всего комплекса научной аппаратуры — около 1700 кг.

Габаритные размеры:

• Длина корпуса обсерватории — 7,7 м;

• Максимальный диаметр корпуса — 2,7 м.

Энергетические характеристики:

• Размах раскрытых панелей солнечных батарей — 8,5 м;

• 2 панели кремниевые солнечные батареи общей площадью около 15 м²;

• Среднесуточная генерируемая мощность — около 1 КВт;

• Максимальная мощность — 3 КВт.

Параметры орбиты после запуска:

• Тип орбиты — круговая, низкая околоземная;

• Высота перигея — 328 км;

• Высота апогея — 339 км;

• Наклонение орбиты — 51,6° (стандартное для запусков с Байконура);

• Период обращения — 91,2 минуты.

Система управления и целевые характеристики:

• Высота орбиты поддерживалась маршевым двигателем С5.80;

• Запас топлива — 880 кг.

Научное оборудование астрофизической обсерватории «Гамма»

Основной целью проекта являлось детальное картирование неба, изучение активных галактик, пульсаров и природы космических гамма-всплесков.

В разработке и изготовлении научной аппаратуры принимали участие Институт космических исследований АН СССР (Р.З. Сагдеев), Московский инженерно-физический институт (руководитель работ В.Г. Кириллов-Угрюмов), Ленинградский физико-технический институт (технический руководитель Е.И. Чуйкин), Физический институт АН СССР (технический руководитель Л.В. Курносова), французские Центр ядерных исследований (г. Сакле) и Национальный центр космических исследований (г. Тулуза), а также польская Академия наук.

1. Телескоп «Гамма-1» (СССР, Франция). Предназначен для регистрации гамма-излучения с энергиями от 50 МэВ до 5ГэВ. Использовал искровые камеры, газовый черенковский счетчик и сцинтилляторы для фиксации направления движения гамма-квантов. Главной инженерной особенностью конструкции телескопа «Гамма-1» было наличие подвижного теневого коллиматора (маски). Металлическая решетка периодически перекрывала поле зрения телескопа. Это позволяло ученым математически отсекать фоновое космическое излучение от полезного сигнала конкретной звезды, что увеличивало угловое разрешение телескопа.

2. Звездный датчик «Телезвезда» (Польша). Жестко соединенный с корпусом основного телескопа «Гамма-1», позволял определять фактическое положение его оси в пространстве с точностью до 2'.

3. Телескоп «Диск М» (СССР). Вспомогательный прибор для регистрации менее энергичного (мягкого) гамма-излучения и рентгеновских лучей.

4. Телескоп «Пульсар-X-2» (СССР). Рентгеновский телескоп для наблюдения исследуемых объектов в жестком рентгеновском диапазоне.

5. Система «Люлинь» (Болгария). Медико-биологический дозиметрический комплекс для измерения радиационной обстановки на орбите.

Все телескопы жестко крепились на раме аппарата так, чтобы их оси были параллельны друг другу в пределах 5', формируя тем самым единое направление обзора.

Результаты полета астрофизической обсерватории «Гамма»

Модуль «Гамма» работал на орбите 12 месяцев, на семь месяцев больше запланированного срока.

Главным научным достижением космической обсерватории «Гамма» стало глубокое исследование солнечной активности, пульсаров и диффузного излучения Галактики.

Ниже приведены ключевые результаты и открытия, сделанные на основании данных, полученных с приборов «Гаммы» за время ее работы 1990–1992 гг.

1. Исследование солнечных вспышек. Полет астрофизического модуля «Гамма» совпал с очередным максимумом солнечной активности, и телескоп «Гамма-1» продолжительное время был единственным орбитальным прибором, с помощью которого проводились исследования вспышек на Солнце 26 марта, 15 июня, 30 октября 1991 года и регистрация их гамма-излучения.

2. Обнаружение гамма-излучения высокой энергии. Телескопы зафиксировали испускание Солнцем гамма-квантов с энергией более 1 ГэВ.

3. Загадка долгоживущего излучения. Ученые обнаружили, что гамма-излучение после вспышки продолжалось аномально долго — более одного–двух часов. Это доказало, что высокоэнергетические протоны могут удерживаться в магнитных петлях короны Солнца гораздо дольше, чем считалось ранее.

4. Наблюдение известных пульсаров. Благодаря резервным режимам работы телескопа «Гамма-1» и соосному рентгеновскому телескопу «Пульсар-X-2», обсерватория успешно исследовала знаменитые космические «маяки». Например, был детально зафиксирован фазовый профиль пульсара в Крабовидной туманности (Crab Pulsar), или измерен энергетический спектр гамма-излучения пульсара Паруса (Vela Pulsar) в диапазоне 50–300 МэВ. Такие наблюдения заложили основу для последующего детального картирования неба в жестких диапазонах энергий. Данные «Гаммы-1» доказали существование протяженных областей диффузного гамма-излучения в плоскости Млечного Пути.

5. Телескоп «Диск М» успешно зарегистрировал пространственное распределение и спектральную эволюцию нескольких спонтанных космических гамма-всплесков.

6. С помощью телескопа «Пульсар-X-2» проведены десятки сессий наблюдения за пульсирующими рентгеновскими источниками в районе центра плоскости нашей Галактики и фиксации их периодической изменчивости.

7. Болгарский прибор «Люлинь» непрерывно измерял дозы радиации и потоки заряженных частиц на низких околоземных орбитах. Полученные им данные при прохождении аппарата над Южно-Атлантической магнитной аномалией использовались для расчета радиационной безопасности последующих пилотируемых экспедиций на станцию «Мир».

8. Наконец, обсерватория «Гамма» приняла участие в масштабной международной кампании по изучению загадочного источника под названием «объект Геминга» (Geminga), который излучает в гамма-диапазоне, но «молчит» в радиоэфире.

Мировое признание проекта астрофизической обсерватории «Гамма»

Полученные экспериментальные данные были доложены на Всесоюзных и международных конференциях, опубликованы в научной периодической печати и были признаны мировой научной общественностью.

Вон некоторые из них:

• регистрация потоков гамма-излучения с энергией более 1 ГэВ;

• регистрация долгоживущих гамма-вспышек, продолжающихся в гамма-диапазоне более одного часа;

• регистрация вспышек, демонстрирующих наличие гамма-излучения от распада пи-ноль-мезонов;

• регистрация вспышек в центре солнечного диска (26 марта 1991 года) и кратковременных отдельных вспышек гамма-излучения длительностью в несколько десятков миллисекунд. Это во многом изменило представления физиков о поведении протонов в магнитных петлях короны Солнца.

Анализ временных, пространственных и энергетических характеристик потока гамма-излучения солнечных вспышек позволил сделать важный вывод о возможном механизме ускорения частиц в солнечной вспышке.

Техническое достижение астрофизической обсерватории «Гамма»

В процессе разработки и летных испытаний модуля-обсерватории 19КА30 «Гамма» конструкторами НПО «Энергия» был получен большой опыт в области создания автономных долговременных орбитальных космических аппаратов и высокоточной системы ориентации, которая обеспечила выполнение всех типовых режимов перенацеливания и поддержания с требуемыми точностями не только на четырех, а на шести гиродинах, причем без привлечения двигателей ориентации, т.е. без расхода топлива.