Путешествие к далеким мирам

Снимок ракеты-носителя первого советского спутника, сделанный 10 октября 1957 года в Пулковской обсерватории с помощью короткофокусного астрографа. Разрыв светящегося следа ракеты сделан для определения момента пролета. Звезды на снимке вышли в виде коротких черточек, а не точек, что объясняется длительностью выдержки при съемке.

Чтобы точно установить закон движения спутника по орбите, необходимы тщательные определения положения спутника на небе в каждый данный момент. Наблюдению за движением спутников у нас в стране уделено большое внимание. Основная роль при этом возложена на специальные станции наблюдения, организованные в разных пунктах страны. Станции снабжены специальными телескопическими широкоугольными трубками, с помощью которых создаются «оптические барьеры» на небе. Трубки располагаются по прямой перпендикулярно ожидаемому направлению полета спутника, а иногда также и по меридиану. Момент пересечения спутником этой невидимой прямой, фиксируемый одним из наблюдателей, отмечается с помощью точных часов. Чтобы облегчить такие же наблюдения, ведущиеся многими астрономами-любителями, по радио каждый час передаются сигналы точного времени.

Исключительно большое значение имеют фотографические наблюдения за спутниками, доступные не только специальным обсерваториям, но и каждому любителю, обладающему фотоаппаратом. Четкие снимки пролетающего спутника в виде яркой полоски, пересекающей небо, с отметкой времени пролета (например, путем разрыва этой полоски перекрыванием объектива) могут принести особенно большую пользу.

Но, конечно, ограничиться только оптическими наблюдениями нельзя. Ведь большую часть суток пролетающий в небе спутник невидим. Поэтому очень важны радиолокационные наблюдения, осуществляемые с помощью особых, весьма сложных установок, так называемых радиолокационных телескопов.

Однако подобные установки еще весьма немногочисленны. Вот почему важно было создать спутник не «пассивный», а «активный», способный передавать на Землю и сообщения о своем местонахождении на небе, и, если можно, другие важные сведения. Как известно, уже первый советский спутник был именно «активным» спутником.

На первом советском спутнике были установлены две передающие радиостанции, работавшие на волнах длиной 7,5 и 15 метров. Вот почему этот спутник был снабжен двумя парами усов-антенн длиной 2,4–2,9 метра. На нем были установлены также и источники электрического тока, необходимые для работы радиостанций. В течение трех недель весь мир слушал сигналы этих станций. Их удавалось принимать на расстоянии до 10 тысяч километров от спутника.

Работа радиостанций на спутнике имела огромное значение и для изучения электрического потолка земной атмосферы — ионосферы. Ведь до сих пор ее изучение осуществлялось с помощью радиоволн, которые излучались с поверхности Земли и отражались различными слоями ионосферы; по характеру этого отражения можно было судить о свойствах ионосферы. Самые отдаленные слои ионосферы удавалось «прощупывать» таким образом лишь с трудом, а может быть, и вовсе не удавалось — по существу, не было известно, где находится верхняя граница ионосферы. Спутник дал возможность посылать радиосигналы из разных точек ионосферы и из областей, лежащих выше нее.

Ценность радиозондирования ионосферы значительно увеличивалась тем, что спутник излучал радиоволны двух различных частот. Накопленные за время работы раций первого спутника сведения, а также сведения, полученные в результате запуска второго и третьего спутников, будут подвергнуты тщательному изучению и помогут не только установить свойства ионосферы, но и улучшить на этой основе дальнюю радиосвязь. Они будут иметь также большое значение при решении проблем радиосвязи с будущими межпланетными кораблями. Еще большее значение для этой цели имеет, конечно, ценнейший опыт, полученный при приеме сигналов радиостанций первой советской космической ракеты, ставшей спутником Солнца. Ведь это были сигналы первого настоящего межпланетного корабля!

При приеме на слух посылаемые первым спутником радиосигналы казались совершенно одинаковыми короткими звуками «пип-пип» (посылаемые спутником сигналы имели вид телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с паузами такой же продолжительности). Однако в действительности чередующиеся с паузами посылки были вовсе не одинаковы. Иногда они становились длиннее, иногда короче. Это вызывалось тем, что на основные сигналы постоянной частоты и длительности накладывались другие сигналы — зашифрованные показания установленных на спутнике приборов.

Принятые земными наблюдательными станциями сигналы спутника записывались и затем расшифровывались. Такая система передачи показаний приборов называется радиотелеметрической. С ее помощью регистрировались, в частности, давление и температура азота, заполняющего шаровидный спутник.

Первый советский искусственный спутник Земли.

Но зачем же в спутнике находился азот?

Прежде всего, он создавал давление внутри герметического шара-спутника. Легко видеть, что это необходимо и для работы приборов спутника, и для уменьшения толщины его стенок. Но не менее важна и вторая роль азота: она связана с регулированием температурного режима спутника.

Двигаясь по своей орбите, спутник то нагревался палящими лучами Солнца, то замерзал, когда для него наступало «солнечное затмение», то есть когда он попадал в конус земной тени. Температура спутника при таких переходах может измениться более чем на 200–250 °C. Может быть, это было бы и не страшно для металлического шара, но заведомо недопустимо для различного научного оборудования, размещенного внутри шара. Поэтому возникла острая необходимость регулировать температуру спутника.

Записанные радиосигналы первого советского спутника. Как видно, они не совсем одинаковые.

Задача эта оказалась очень нелегкой и, главное, совершенно новой — ведь еще никому до сих пор не приходилось регулировать температуру какого-нибудь… небесного тела. А спутник является как раз именно таким телом, его температура определяется лучистым теплообменом с окружающим пространством. Поэтому поверхности спутника были приданы определенные свойства в отношении поглощения и излучения лучистого тепла. Но этого мало. При тепловых расчетах спутника приходилось учитывать и выделение тепла внутри него, как это имеет место, допустим, внутри земного шара. Только Земля подогревается изнутри теплом радиоактивного распада калия, урана и других веществ, а спутник — теплом, выделяющимся в результате работы установленного на нем научного оборудования и радиостанций.

Продолжая эту аналогию между Землей и нашим искусственным спутником, можно было бы указать и еще некоторые сходства и различия. Так, в отличие от Земли, мчащейся в безвоздушном пространстве, спутник движется в земной атмосфере, хоть и очень разреженной. Это заставляет учитывать и некоторое количество тепла, которое спутник получает в результате трения о воздух. С другой стороны, Земля обладает замечательным механизмом для выравнивания температуры по всей ее поверхности — атмосферой. Такой атмосферы спутник лишен. Впрочем, почему лишен?

Вот тут-то мы и встречаемся со второй функцией азота, заполняющего спутник. Если нельзя создать атмосферу, окружающую спутник, то почему бы не устроить ее… внутри спутника? Ведь подобная атмосфера тоже может выравнивать температуру на спутнике. И вот наш спутник приобретает азотную «атмосферу». Но если мы еще пока не в силах управлять ветрами в земной атмосфере и только мечтаем об этом, то никто не мешает нам организовать «ветры» в азотной атмосфере спутника наилучшим образом, чтобы приборы внутри спутника находились в наиболее благоприятных условиях. Вот почему азот в спутнике циркулирует по заданным путям с помощью специальных устройств. Это тоже была нелегкая задача.

Глядя на модель первого советского спутника — блестящий металлический шарик с усами антенн, — впервые показанную на Всесоюзной промышленной выставке, не просто было представить себе все трудности, которые пришлось преодолеть при его создании, все проблемы, которые пришлось решить. Но, конечно, самая большая, самая главная трудность заключалась в том, чтобы доставить этот скромный на вид и такой замечательный по существу шарик на его головокружительную орбиту. Для этого мало было даже создать невиданную, не существующую нигде за рубежом сверхвысотную ракету. Нужно было научиться управлять ракетой так, чтобы она прочертила в мировом пространстве точно предопределенный ей путь.

Долгие месяцы, если не годы, рассчитывали бы ученые этот путь, если бы не прибегли к помощи совершенных электронных счетных машин, — без них такие расчеты были бы вряд ли возможны. Сколько самых различных обстоятельств и влияний пришлось учитывать при выполнении этих расчетов! И вот ракета взлетела. Одно — два неучтенных обстоятельства, выходящая за рамки допустимой производственная погрешность, ничтожная неточность в работе, одна из сотен возможных случайностей — и весь огромный труд пойдет насмарку, ракета не выйдет на заданную орбиту.

Ведь стоит ошибиться в величине конечной скорости ракеты на заданной высоте орбиты на два — три десятка метров в секунду — это при скорости-то в 8 километров в секунду! — и высота спутника над Землей изменится на добрую сотню километров. На столько же изменит положение орбиты спутника и ничтожное, в один градус, изменение направления конечной скорости вверх или вниз. Мы уже не говорим о таких ошибках, которые приводят к гибели ракеты…

Запуск первого советского спутника удалось осуществить сразу, без каких бы то ни было репетиций, и он полностью подтвердил все предварительные расчеты ученых, показал безупречную работу всех двигателей, механизмов, устройств, приборов. Ракета вышла абсолютно точно на заданный курс, спутник стал обращаться вокруг Земли по строго указанной ему орбите. Это поистине блестящий, невиданный успех советской науки и техники!

Конечно, второму советскому спутнику было намного легче — ведь дорожка в Космос была уже проторена, второй раз — не первый! Но зато ему было и много трудней. Достаточно вспомнить хотя бы о том, что он весил в 6 раз больше — только вес его оборудования превосходил полтонны. И вместе с тем забрался этот спутник почти на тысячу километров выше. Но, пожалуй, самое большое его отличие от первого спутника заключается в количестве установленного научного оборудования. Второй спутник — это уже целая научно-исследовательская лаборатория в Космосе.

Все научное оборудование второго спутника установлено непосредственно на ракете-носителе, а не на особом шаровидном спутнике. Это объясняется, главным образом, тем, что задача определения плотности воздуха на больших высотах уже не являлась здесь основной, так что второй спутник мог быть и не шаровым. С другой стороны, расположить все научное оборудование второго спутника в шаре было практически невозможно, такой шар получился бы несоразмерно большим. Вместе с тем, чтобы увеличить срок жизни второго спутника, его орбита была повышена, да и, как оказалось, даже на меньших высотах, соответствующих полету первого спутника, срок жизни ракеты-носителя достаточно велик.

На втором спутнике имелся и шар, похожий на шаровидный первый спутник. В этом шаре были расположены радиостанции с источниками питания, различные измерительные приборы, система циркуляции газа. Радиостанции спутника работали на волнах 7,5 и 15 метров, но на этот раз передачи на волне 15 метров велись, как и раньше, в виде телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с такими же паузами, тогда как станция на волне 7,5 метра излучала сигнал непрерывно. Большая мощность радиопередатчиков позволяла принимать их сигналы на расстояниях до 15 тысяч километров, а в некоторых случаях эти сигналы обходили даже вокруг земного шара.

Спереди, на силовой раме, предназначенной для крепления научной аппаратуры, была установлена «солнечная лаборатория» спутника для исследования коротковолнового солнечного излучения — ультрафиолетового и рентгеновского. О том, что Солнце испускает, кроме видимого света, и такие лучи, стало известно только в последние годы в результате исследований, произведенных с помощью высотных ракет. Эти коротковолновые лучи могут быть обнаружены лишь на огромных высотах, куда залетают ракеты. На меньших высотах и у земли такие лучи в солнечном спектре не обнаруживаются, они полностью поглощаются вышележащими слоями атмосферы; земной поверхности достигают лишь наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лучи, непосредственно примыкающие к фиолетовой части спектра. Объясняется это тем, что коротковолновое излучение Солнца обладает чрезвычайно большой активностью и потому вступает во взаимодействие с верхними слоями атмосферы, вызывая ионизацию молекул воздуха. Ученые считают, что коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца (большая часть этого излучения испускается атомами водорода в хромосфере Солнца и соответствует длине волны 1215 ангстрем) и рентгеновское излучение солнечной короны (так называемые мягкие рентгеновские лучи с длиной волны 3-100 ангстрем) являются главной причиной образования ионосферы.

Схема устройства второго советского искусственного спутника Земли.

Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца очень мала сравнительно с энергией излучаемого им видимого света, однако оно оказывает исключительно большое влияние на земную атмосферу. Уже одно это делает чрезвычайно ценным его изучение. С другой стороны, коротковолновое излучение рождается малоизученными внешними слоями солнечной атмосферы — хромосферой и короной, что только усиливает интерес к нему. Наконец, установлено, что усиление солнечной активности, связанное с появлением так называемых хромосферных вспышек, неизменно приводит к интенсивным процессам в ионосфере, результатом которых являются, в частности, нарушения радиосвязи. Это делает особенно важным как с теоретической, так и с практической точек зрения согласованное изучение ионосферных процессов, солнечной активности и коротковолнового солнечного излучения. Именно для этих целей более всего подходит «солнечная лаборатория» на спутнике, работающая параллельно с земными станциями «службы Солнца».

«Солнечная лаборатория» спутника состояла из трех одинаковых приборов, так называемых фотоумножителей. Три прибора нужны были для того, чтобы один из них был всегда направлен на Солнце при вращении спутника (приборы были расположены под углом 120° друг к другу). Энергия солнечного излучения, проникающего в фотоумножитель, преобразовывалась в электрические сигналы, интенсивность которых была пропорциональна этой энергии; затем сигналы усиливались, зашифровывались и передавались земным наблюдательным станциям радиотелеметрической системой спутника.

Но как добиться, чтобы в фотоумножители поступало излучение только одной длины волны или хотя бы узкого диапазона длин волн? Для этого перед фотоумножителями были установлены вращающиеся диски с окошками разного рода — из тонких металлических и органических пленок, а также из специальных оптических материалов. Каждое из таких окошек-фильтров пропускало волны только определенного диапазона длин. Понятно, что вращение дисков было согласовано со всей системой регистрации показаний прибора, чтобы точно знать, интенсивность какого диапазона излучения измеряется.

Внешний вид второго советского искусственного спутника Земли (защитный конус снят).

На эту автоматику была возложена и еще одна задача — экономия электроэнергии, потребляемой прибором. Зачем расходовать энергию, такую драгоценную на спутнике, на работу прибора, если в него не попадают солнечные лучи? Чтобы избежать этого, питание прибора включалось только в том случае, если в один из трех фотоумножителей попадали солнечные лучи. Это осуществлялось с помощью фотосопротивлений, то есть таких электрических сопротивлений, величина которых изменяется при облучении их светом; они и сигнализировали автоматике, что в прибор попадают солнечные лучи.

Как видите, «солнечная лаборатория» была скромной по размерам, но очень «хитрой» по устройству.

Не менее «хитрой» была и лаборатория, предназначенная для исследования загадочных посланцев Вселенной — космических лучей. Она была смонтирована непосредственно на корпусе ракеты-спутника, как и многие другие приборы и аппаратура.

«Солнечная лаборатория» второго советского спутника.

Если коротковолновое излучение, изучавшееся первой «лабораторией», рождается внешними слоями солнечной атмосферы, то космические лучи, изучавшиеся второй «лабораторией», являются отзвуками каких-то неизвестных пока еще процессов гигантской силы, происходящих где-то в глубинах Космоса. Но одно их роднит — и те и другие не достигают земной поверхности, «гибнут» в атмосфере; кроме того, по крайней мере часть космических лучей каким-то образом, несомненно, связана и с Солнцем.

Изучение космических лучей дает возможность науке проникнуть в тайны процессов, происходящих в глубинах Космоса, может быть, далеко за пределами солнечной системы. Что это за процессы, результатом которых являются потоки частиц колоссальной энергии, не достижимой пока в лаборатории никакими другими методами? Каков состав этих вестников Вселенной, по которому можно судить о химическом составе самой Вселенной? Каким воздействиям подвергаются космические лучи на своем далеком пути? Вот только часть вопросов, которые могут быть прояснены в результате исследований «космической лаборатории» спутника.

Эта «лаборатория» представляла собой два одинаковых прибора для подсчета космических частиц; установлены приборы так, что их оси расположены во взаимно-перпендикулярных направлениях. Как только через один из счетчиков проходит космическая частица, обладающая электрическим зарядом, в счетчике возникает искра. Специальное радиотехническое устройство счетчика, работающее на полупроводниковых электронных «лампах» — триодах, сейчас же регистрирует эту искру. Когда число подсчитанных частиц достигает определенного значения, «лаборатория» посылает об этом радиосигнал на Землю. Так эта «лаборатория» сделала возможным определение интенсивности космических лучей, то есть числа космических частиц, проходящих через счетчик в секунду.

Но как измерить энергию отдельных космических частиц, как установить распределение всего потока частиц по энергиям, то есть энергетический спектр частиц? Для этого необходим какой-то сепаратор частиц, делящий их на группы по величине энергии так же, как сепаратор в виде вращающегося диска с разными окошками служил для разделения коротковолновых лучей по длине волны в «солнечной лаборатории». Но какими должны быть фильтры перед счетчиками космических частиц, если они пронизывают толстенные слои металла, оказывающиеся для них совершенно «прозрачными»? Задача оказалась бы, вероятно, совершенно неразрешимой, если бы не гигантский естественный сепаратор, который, к счастью для исследователей, предупредительно приготовила для них природа.

Прибор для исследования космического излучения, установленный на втором советском спутнике.

Лайка в герметической кабине перед установкой ее на спутник.

Природным сепаратором космических частиц является… Земля. Ведь она представляет собой огромный магнит и, значит, отклоняет электрически заряженные космические частицы к полюсам. Чем меньше энергия частицы, тем сильнее сказывается на ней действие магнитного поля Земли, то есть тем сильнее частица отклоняется к полюсу. Вдали от полюсов, у экватора, можно встретить лишь те космические частицы, энергия которых очень велика. Каждой географической широте соответствует свое минимальное значение энергии космических частиц, способных проникать через «барьер» магнитного поля Земли. Поэтому об энергетическом спектре космических частиц можно судить по распределению их в зависимости от географической (точнее — геомагнитной) широты.

Спутник является, очевидно, идеальным устройством для такого исследования, так как он быстро перемещается на большие расстояния по широте. Конечно, это касается только спутников с орбитой, близкой к меридиональной, какими и являются советские спутники. Вот почему «лаборатория» космических частиц второго советского спутника позволяет определить так называемый широтный эффект, то есть установить распределение космических частиц по их энергиям.

Были на спутнике и другие «лаборатории», занимавшиеся исследованием различных физических явлений. Но, пожалуй, наибольший интерес во всем мире вызвала «биологическая лаборатория»: цилиндрический контейнер с подопытным животным — собачкой Лайкой. Впервые в истории живое существо провело многие часы в полете в мировом пространстве.

Внешний вид третьего советского искусственного спутника Земли.

Понятно, какое огромное значение имели наблюдения за поведением первого межпланетного путешественника — Лайки. Ведь космический полет связан со многими трудностями и опасностями для астронавтов. Тут и инерционные перегрузки при взлете ракеты, связанные с многократным увеличением веса путешественников; и последующая полная потеря веса, когда наступает состояние так называемой динамической невесомости, связанное с прекращением работы двигателя ракеты и начавшимся свободным падением ее на Землю; и вредное действие коротковолнового излучения Солнца; и смертельно опасные космические лучи; и еще многое другое.[49] И, как это было уже не раз в истории науки, человек послал в разведку по неизведанным опасным путям, на этот раз в Космос, своего верного друга — собаку. Будет вполне заслуженно, если у ног астронавта на гранитном постаменте будущего памятника первым межпланетным путешественникам будет лежать их боевой разведчик — небольшая собачка Лайка.

Специальные чувствительные устройства — датчики — регистрировали все основные функции жизнедеятельности Лайки: работу сердца, легких, работу системы кровообращения и другие. Сигналы датчиков преобразовывались радиотелеметрической системой спутника в радиосигналы и передавались на Землю.

Но, конечно, этим задача «биологической лаборатории» не ограничивалась. Ее механические «сотрудники» должны были, в отличие от других «лабораторий» спутника, обеспечить все условия жизни своей подопечной. Создателям спутника пришлось подумать о снабжении Лайки свежим воздухом и удалении продуктов ее дыхания, об утолении голода и жажды, о поддержании заданного давления и температуры и еще о многом другом. Это были очень нелегкие задачи.

Второй советский спутник был намного сложнее и совершеннее первого. Но в еще большей степени он уступал в совершенстве третьему спутнику.

Дело не только в значительно большем весе научного оборудования, установленного на третьем спутнике, — он равнялся 968 килограммам вместо 508 килограммов на втором спутнике. Неизмеримо шире стал круг научных задач, решение которых оказалось возможным возложить на третий спутник. Так что если второй спутник мы назвали научной лабораторией в Космосе, то третий спутник по праву может быть назван целым научно-исследовательским институтом. Если бы для всех исследований, которые осуществлял третий спутник, на нем находился штат научных сотрудников, то вокруг Земли обращалось бы по орбите спутника здание внушительных размеров. Сократить это здание до размеров спутника, имеющего длину 3,57 метра и наибольший диаметр 1,73 метра, удалось только потому, что автоматические «сотрудники» этого космического института занимали ничтожно мало места. Этому в большой степени способствовало исключительно широкое применение полупроводников в научном оборудовании спутника.

Создание третьего спутника представляет собой пример блестящего решения задачи комплексной механизации и автоматизации, которая сейчас стоит перед всей нашей промышленностью. А ведь создать полностью автоматизированный научно-исследовательский институт, да еще находящийся в суровых условиях мирового пространства, — задача не менее трудная, чем сооружение автоматического цеха или даже завода.

Схема установки научной аппаратуры на третьем советском спутнике.

На третьем спутнике автоматы осуществляли самые различные функции. Основную роль играли, конечно, приборы, выполнявшие разнообразные научные наблюдения и измерения. Приборы были как бы станками этого автоматизированного предприятия в Космосе. Чего только не измеряли приборы спутника!

На третьем спутнике снова имелась «лаборатория» по изучению космических лучей, но только значительно более совершенная, чем на втором спутнике. В частности, на этот раз она была приспособлена для поисков пока еще никогда не обнаруженной компоненты космических лучей — именно фотонов, квантов гамма-излучения. Открытие фотонов в космических лучах, которое ожидают многие ученые, означало бы крупнейший скачок вперед в изучении Вселенной, так как позволило бы безошибочно установить источник космического излучения. Ведь фотоны, в отличие от других компонентов космических лучей, представляющих собой электрически заряженные частицы, не отклоняются от прямолинейного пути в электрических и магнитных полях. Кроме того, аппаратура третьего спутника была специально рассчитана на выяснение и другого крайне важного для исследования космических лучей вопроса — она позволяла детально изучить тяжелую компоненту этих лучей, то есть наличие в них ядер наиболее тяжелых атомов.

Имелась на третьем спутнике и «солнечная лаборатория», но в отличие от такой же лаборатории второго спутника она была предназначена для исследования не коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца, а его корпускулярного излучения, то есть того потока частиц вещества, который оно испускает. Таким образом, эта «лаборатория» спутника позволяла осветить один из наименее изученных вопросов, связанных с деятельностью Солнца, оказывающей столь большое влияние на процессы в земной атмосфере.

Но этими двумя «лабораториями» список «научных подразделений» третьего спутника вовсе не ограничивался. Он включал комплекс других «лабораторий», превращавших спутник в чрезвычайно ценную геофизическую наблюдательную станцию в Космосе.

Так, на спутнике были установлены приборы (ионные ловушки), позволявшие впервые в истории науки непосредственно измерить концентрацию заряженных частиц в ионосфере, что должно сыграть исключительно важную роль в понимании происходящих в ней процессов. Другие приборы (масс-спектрометры) также впервые позволяли определить химический состав ионосферы. Точнейшие манометры измеряли давление и плотность атмосферы на огромных высотах — до сих пор эти измерения надежно осуществлялись с помощью ракет лишь до высот порядка 100 километров.

Остроумные и тонкие приборы спутника — флюксметры, опять-таки впервые в истории науки, осуществляли измерения с целью установить наличие и характер электростатических полей на большом расстоянии от Земли, разрешить ряд связанных с этими полями загадок, интригующих в настоящее время науку. В частности, эти измерения должны помочь ответить на вопрос о причинах возникновения большой, в сотни тысяч вольт, разности электрических потенциалов между положительно заряженным земным шаром и отрицательно заряженной атмосферой.

Очень велики надежды, которые ученые всего мира связывают с установленными на третьем спутнике магнитометрами. Задачей этих приборов является изучение магнитного поля Земли на большом расстоянии от нее, что должно помочь раскрыть тайну образования такого поля, а также установить характер его изменений, оказывающих столь большое влияние на поведение компаса, распространение радиоволн и др. Установка магнитометров на спутнике оказалась связанной с очень большими трудностями, зато теперь наша страна оказалась обладательницей не только единственного в мире специального морского судна для магнитных измерений — шхуны «Заря», но и столь же уникального космического «судна».

Вряд ли можно переоценить и значение установленных на спутнике приборов (пьезодатчиков), позволяющих определить число и энергию микрометеоритов — мельчайших небесных камешков, в огромном числе населяющих солнечную систему и врывающихся в земную атмосферу со скоростью до 70 километров в секунду. Эти исследования важны и для понимания ряда атмосферных процессов и, естественно, для будущего астронавтики.

Питание электроэнергией всех этих и других приборов и устройств спутника осуществлялось не только от совершенных аккумуляторных батарей, как на первых двух спутниках, но и с помощью солнечных батарей. Кремниевые полупроводниковые пластины превращали энергию солнечных лучей непосредственно в электрический ток. Главное назначение солнечной электростанции спутника заключалось, конечно, в проверке ее работоспособности в условиях космического полета. Кому не ясно, как заинтересована в этом астронавтика!

Сложным и многообразным было и радиооборудование третьего спутника. Тут и коротковолновая передающая станция «Маяк», непрерывно излучающая телеграфные посылки на волне 15 метров и предназначенная для того, чтобы в наблюдениях за спутником могли принять участие тысячи радиолюбителей всего мира; и радиотелеметрическая аппаратура, преобразующая показания всех приборов спутника в радиосигналы для передачи их на Землю; и специальная радиоаппаратура для измерения координат спутника, то есть местонахождения его в пространстве.

Немалую роль среди «вспомогательных служб» спутника играли устройства, поддерживавшие заданный температурный режим внутри него. Многочисленное оборудование спутника сделало эту задачу более трудной, чем для первых спутников. Поэтому, помимо прежних мер, вроде обеспечения циркуляции азотной «атмосферы» спутника, на третьем спутнике был применен и новый метод, впрочем, предложенный еще Циолковским. Спутник был снабжен поворотными жалюзи с электроприводом, способными то открываться, то закрываться, что изменяло свойства поверхности спутника в отношении поглощения и излучения тепла. Эти автоматические «истопники» спутника поддерживали в нем нужную температуру.

Как же осуществлялось управление всем сложным хозяйством спутника, требующим, как мы видели, самого разнообразного вмешательства? Эта роль была поручена специальному «мозгу» спутника — особому электронному программно-временному устройству. В нужные моменты оно включало и выключало приборы, открывало или закрывало створки жалюзи, «запоминало» показания приборов, а затем «выдавало» их наземным наблюдательным станциям, выполняло различные другие функции.

Каковы же итоги научных исследований, осуществленных с помощью первых советских спутников?

Полная обработка всех результатов проведенных исследований потребует значительного времени и труда больших коллективов ученых. Придется расшифровать сотни и тысячи различных показаний, переданных со спутников, подвергнуть анализу тысячи данных наземных наблюдений за ними. В этой работе будут использованы многочисленные электронно-счетные машины.

Но кое-какие важные выводы можно сделать уже сейчас. Запуск советских искусственных спутников Земли, несомненно, оправдал себя — он дал науке материалы неоценимого научного значения. Все теоретические расчеты и предположения советских ученых полностью подтвердились, научное оборудование спутников работало безупречно. Это является замечательным достижением передовой советской науки и вместе с тем всей мировой науки.

Уменьшение периода обращения первого советского спутника по измерениям, произведенным с помощью радиотелескопа Кембриджской обсерватории (Англия). Точки — данные измерений.

Главные наблюдения, связанные с первым советским спутником, относились к измерениям его орбиты, как и орбиты его ракеты-носителя. Прежде всего это касалось измерений периода обращения этих искусственных небесных тел. Первоначально они имели общий период обращения, равный 96,2 минуты. Затем из-за действия воздушного сопротивления и по другим причинам он стал уменьшаться. С течением времени уменьшение периода обращения становилось все более быстрым. Так, за месяц, с 9 октября по 9 ноября 1957 года, период обращения спутника уменьшился с 96 минут до 94,72 минуты, то есть на 77 секунд, а период обращения ракеты-носителя — с 96 минут до 93,48 минуты, то есть на 151 секунду. Это значит, что период обращения спутника уменьшался за этот месяц в среднем на 2,57 секунды в сутки, а ракеты-носителя — на 5 секунд в сутки. К концу же месяца, то есть 9 ноября, уменьшение периода обращения спутника составляло уже 2,94 секунды в сутки, а ракеты-носителя — 9,24 секунды в сутки.

Это ускоренное уменьшение периода обращения первого советского спутника можно проиллюстрировать, например, графиком, построенным по данным радионаблюдений Кембриджской радиоастрономической обсерватории в Англии. График построен для периода с 8 по 22 октября и отчетливо показывает все более быстрый темп снижения периода обращения спутника по времени.

Уменьшению периода обращения соответствовало и все более быстрое снижение спутника и ракеты-носителя, то есть уменьшение высоты апогея их орбит. В начале движения высота апогея спутника и ракеты-носителя была общей и составляла 947 километров. К 9 ноября высота апогея спутника составляла 810 километров, а ракеты-носителя — 695 километров. Через 58 дней после запуска ракета-носитель перестала существовать, пролетев примерно 39 миллионов километров и сделав 900 оборотов вокруг земного шара. Спутник же прекратил свое существование 4 января 1958 года, сделав примерно на 500 оборотов вокруг Земли больше, чем ракета-носитель, и пройдя на 20 миллионов километров больший путь.

Второй советский искусственный спутник свой тысячный оборот вокруг Земли завершил к 2 часам ночи 13 января 1958 года. За это время он прошел путь, равный 45,4 миллиона километров, то есть на 2,2 миллиона километров больший, чем путь первого спутника за то же число оборотов. Это легко понять: ведь второй спутник двигался по орбите большего радиуса, на большей высоте над Землей. Даже после тысячи оборотов период обращения второго спутника уменьшился лишь на 3,9 минуты, то есть вместо первоначального в 103,7 минуты стал равным 99,8 минуты. Этот период обращения все еще больше, чем первоначальный период обращения первого спутника. Высота апогея второго спутника уменьшилась за это же время на 370 километров, то есть до 1300 километров. 14 апреля 1958 года второй советский искусственный спутник Земли прекратил свое существование, совершив всего около 2370 оборотов вокруг Земли и пройдя путь более 100 миллионов километров.

Интересно продолжить сравнение траекторий первого и второго спутников.

Первый спутник просуществовал 3 месяца, пройдя всего немногим больше 59 миллионов километров. Когда прошло 3 месяца со дня запуска второго спутника (то есть 3 февраля 1958 года), то оказалось, что пройденный им путь равен… 59,3 миллиона километров и лишь немногим больше пути, пройденного за это же время первым спутником. Значит, средняя скорость движения обоих спутников была почти одинаковой. Зато второй спутник сделал за это время лишь 1312 оборотов вокруг Земли, тогда как первый спутник совершил примерно 1400 оборотов. Понятно, почему так: ведь среднее расстояние второго спутника от Земли больше, чем первого. Когда же и второй спутник завершил 1400-й оборот (9 февраля 1958 года), то его путь удлинился примерно на 6 миллионов километров по сравнению с расстоянием, пройденным за то же число оборотов первым спутником.

Точно так же можно сравнить движение второго и третьего спутников. Третий спутник завершил свой двухтысячный оборот вокруг Земли 8 октября 1958 года, пройдя за 147 суток путь в 92,6 миллиона километров, тогда как второй спутник это же число оборотов совершил за 138 суток (21 марта 1958 года), пройдя путь в 89 миллионов километров. Период обращения третьего спутника уменьшился при этом на 2,15 минуты, а второго спутника — на 9,5 минуты. Высота апогея уменьшилась, соответственно, на 195 и 900 километров. Это объясняется как большей начальной высотой апогея третьего спутника, так и его большей поперечной нагрузкой по сравнению со вторым спутником.

Из-за меньшей поперечной нагрузки ракеты-носителя третьего спутника по сравнению с самим спутником она погибла намного раньше спутника — 3 декабря 1958 года, совершив всего 2907 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 130 миллионов километров. Спутник же прекратил существование 6 апреля 1960 года на 10037 обороте, пройдя за 691 сутки свыше 448 миллионов километров.

Наблюдения за изменением периода обращения спутников позволяют уточнить наши знания о плотности воздуха на огромных высотах. В этом отношении советские ученые накопили уже огромный экспериментальный материал, причем определение плотности велось одновременно несколькими методами, дополняющими друг друга. В настоящее время впервые в истории плотность земной атмосферы уверенно определена до высот 600–800 километров. На этих высотах в одном кубическом сантиметре содержится от 2 до 20 миллионов частиц воздуха, то есть примерно в миллион миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. Плотность воздуха на высотах порядка 200 километров оказалась значительно большей, примерно в 5-10 раз, чем это предполагалось до запуска спутников по данным ракетных исследований. Выше оказалась и температура воздуха.

Представляют интерес наблюдения за вращением орбиты спутников. Как известно, плоскость орбиты из-за сплющенности земного шара медленно вращается относительно земной оси в направлении, противоположном вращению Земли, то есть на запад. Эта прецессия орбиты происходила со скоростью 2,5–3 градуса в сутки. Большая полуось эллиптической орбиты спутников также регрессирует, то есть движется против движения спутников по орбите, но с гораздо меньшей скоростью.

Выше уже упоминалось, что наблюдения за переменным блеском ракеты-носителя первого спутника позволили установить период ее обращения вокруг собственного центра тяжести. Он оказался равным одному — двум оборотам в минуту. Удалось установить, что обращается вокруг оси и сам спутник; такой вывод был получен в результате исследования радиосигналов, излучаемых спутником.

Более точно удалось изучить движение вокруг центра тяжести третьего спутника в связи с тем, что на нем был установлен прибор (магнитометр), с помощью которого можно было довольно точно установить ориентацию спутника в пространстве. Оказалось, что движение спутника довольно сложно — он вращается вокруг продольной оси, делая один оборот примерно за 18 минут, и, кроме того, сама эта ось совершает прецессионное движение вокруг оси, наклоненной к ней под углом 84 градуса, как это происходит с волчком. Период прецессии равен примерно 140 секундам. Следует отметить, что со временем под воздействием главным образом атмосферы и гравитационного поля Земли положение оси прецессии в пространстве изменяется, а скорость вращения в результате взаимодействия с магнитным полем Земли уменьшается.