Исторической датой 4 октября 1957 г., когда был запущен первый советский искусственный спутник Земли, открывается эпоха завоевания космоса. Вес первого спутника составлял 83,6 килограмма.

Через месяц, 3 ноября 1957 г., взлетел второй советский искусственный спутник, на борту которого находились более сложная научная аппаратура и подопытное животное — собака Лайка. Этот спутник весил 508,3 килограмма.

15 мая 1958 г. вышел на орбиту третий спутник весом 1327 килограммов, представляющий собой подлинную летающую научную лабораторию.

Следующий крупный успех был достигнут советскими учеными, конструкторами, инженерами и рабочими 2 января 1959 г., когда была запущена первая космическая ракета. Пройдя на небольшом расстоянии от Луны, ракета удалилась навсегда от Земли, став спутником Солнца, первой искусственной планетой. Эти успехи основываются на достижениях советской ракетной техники.

Напомним кратко основные параметры спутников. Первый спутник просуществовал 92 дня, второй — 162 дня, третий — будет существовать до осени 1959 г. Начальный период обращения первого спутника вокруг Земли — 96,2 минуты, второго — 103,7 минуты, третьего — 105,95 минуты. Высота апогея (точка наибольшего удаления от Земли) первого спутника — 950 километров, второго — 1670 километров, третьего — 1880 километров. Высота перигея (точка наименьшего удаления от Земли) первого спутника — 227 километров, второго — 225 километров, третьего — 226 километров.

Орбиты всех советских спутников наклонены к плоскости экватора примерно под одним и тем же углом, равным 65°. Вследствие сопротивления воздуха орбиты спутников во время полета постепенно изменялись как по своим размерам, так и по форме. Они становились все менее вытянутыми и все более приближались к поверхности Земли. Так как длина большой оси орбиты систематически убывала, то в соответствии с третьим законом Кеплера непрерывно сокращался период обращения спутников вокруг Земли. Быстрота изменения периода обращения зависит от интенсивности торможения спутника атмосферой. Детальный анализ изменения периода обращения спутников позволил определить некоторые физические параметры атмосферы и выявить их суточные и широтные вариации.

Изучение показаний приборов, установленных на спутниках, позволило исследовать характер движения спутников относительно их центра масс, что необходимо при анализе результатов измерений.

Многоступенчатая космическая ракета, запущенная 2 января 1959 г., впервые в истории совершила полет в район Луны, прошла на расстоянии около 5000 километров от нее, вышла из сферы земного притяжения и превратилась в первую искусственную планету солнечной системы. Вес научной аппаратуры и источников питания на космической ракете составлял 361,3 килограмма. Общий вес последней ступени космической ракеты после израсходования топлива — 1472 килограмма.

Интересно отметить, что запуск ракеты в направлении Луны с территории Советского Союза труднее, чем запуск с меньших широт. Территория СССР не может пересекаться плоскостью орбиты Луны, лежащей в настоящую эпоху примерно между 18° северной и 18° южной широты, что исключает возможность использования для полета в район Луны весьма выгодных траекторий, лежащих в плоскости лунной орбиты. Эти траектории позволяют осуществлять разгон космической ракеты в наиболее благоприятных условиях, когда направление ее полета на участке разгона мало отклоняется от местного горизонта. Важно также, что при движении ракеты в плоскости лунной орбиты для пролета вблизи Луны на заданном расстоянии требуется меньшая точность системы управления ракетой.

Отметим, что не все дни месяца равноценны для старта космической ракеты. При запуске с территории СССР наиболее благоприятным является положение Луны на орбите, когда ее склонение минимально и составляет около 18° южной широты. Значительные отклонения от этого условия влекут за собой существенное уменьшение веса полезного груза, а следовательно, снижают количество научной аппаратуры или даже делают осуществление полета невозможным. Для запуска космической ракеты был выбран такой день, чтобы при полете ее вблизи Луны положение последней мало отличалось от оптимального.

Макет последней ступени космической ракеты на монтажной тележке. Половина носового конуса снята, виден отделяемый шаровой контейнер с аппаратурой.

По мере приближения точки старта к плоскости лунной орбиты значение выбора оптимальной для полета даты уменьшается.

Успехи, достигнутые Советским Союзом в развитии космических полетов, стали возможными благодаря тому, что созданные у нас ракеты отличаются высоким конструктивным совершенством. При их проектировании и изготовлении использованы новейшие достижения отечественной науки и техники. Создание совершенных ракет-носителей потребовало больших научных исследований и опиралось на высокий уровень нашей промышленности. У нас созданы мощные высокоэффективные ракетные двигатели, использующие высококалорийное топливо. Созданы системы автоматического управления ракетой в полете, обеспечивающие стабилизацию положения ее в пространстве и точное следование по заданной траектории на участке разгона. Для выведения искусственного спутника на орбиту с заданными параметрами или для осуществления космического полета заданного назначения необходима чрезвычайно высокая точность, с которой должны быть выдержаны расчетные значения координат и компонент скорости в конце разгонного участка. Успешное решение этой сложнейшей проблемы при запусках советских спутников и космической ракеты является выдающимся достижением современной автоматики.

Запуск советских искусственных спутников Земли и космической ракеты позволил получить результаты фундаментального научного значения по исследованию верхних слоев атмосферы и космического пространства.

Ниже излагаются по материалам доклада президента Академии наук СССР академика А. Н. Несмеянова на общем собрании АН СССР в марте 1959 года результаты тех опытов, по которым в большей степени закончена обработка научных данных.

Работы в области изучения космических лучей, проведенные за последние годы, дали много интересных результатов как для решения вопроса о взаимодействии элементарных частиц при сверхвысоких энергиях, так и для решения проблемы происхождения космических лучей. Развиваемая советскими физиками и астрофизиками теория происхождения космических лучей при вспышках сверхновых звезд связала воедино такие явления, как космическое радиоизлучение и космические лучи, и дала новый подход к решению проблемы происхождения космических лучей. Для проверки и дальнейшего развития теории происхождения космических лучей, для расширения наших представлений о свойствах межзвездного и межпланетного пространства нужны новые, более точные сведения о первичных космических лучах, о потоках частиц на таких расстояниях от Земли, где уже можно пренебречь влиянием земной атмосферы и земного магнитного поля. Необходимо также получить сведения об изменении со временем интенсивности потоков частиц, об их «химическом» составе и энергетическом спектре входящих в них частиц.

Такие задачи ставили перед собой физики — исследователи космических лучей при проведении опытов на первых искусственных спутниках Земли. Результат, однако, оказался неожиданным: на больших высотах наряду с первичными космическими лучами была обнаружена весьма интенсивная радиация, состоящая из частиц относительно небольшой энергии.

На втором советском искусственном спутнике Земли были впервые проведены длительные исследования космических лучей за пределами земной атмосферы. 7 ноября 1957 года в 4 часа 36 минут по московскому времени, когда спутник пролетал в районе 55° геомагнитной широты, было зарегистрировано увеличение интенсивности излучения на 50 процентов. В этот же момент наземные станции не зарегистрировали какого-либо увеличения интенсивности. Следовательно, этот эффект был вызван частицами малых энергий, которые не достигают поверхности Земли.

На третьем советском искусственном спутнике Земли была установлена значительно более чувствительная аппаратура — люминесцентный счетчик. К настоящему времени обработано большое число записей, сделанных при полете спутника на разных высотах и над различными районами земного шара. Оказалось, что во всех без исключения случаях при попадании спутника в пояс геомагнитных широт 55°-65° как в северном, так и южном полушариях наблюдается резкое возрастание интенсивности рентгеновского излучения. Анализ полученных данных показывает, что регистрируемое прибором излучение создавалось электронами, бомбардирующими корпус спутника. Энергия этих электронов порядка 100 килоэлектрон-вольт и меньше. В этих же опытах обнаружено, что интенсивность наблюдаемой радиации растет при удалении от Земли.

Этот факт показывает, что частицы поступают не непосредственно из космического пространства, а совершают колебания вдоль силовых линий магнитного поля. Магнитное поле Земли является для заряженных частиц небольшой энергии своеобразной «ловушкой», в которой частицы могут двигаться по практически замкнутым траекториям в течение весьма долгого времени.

Как видно из экспериментальных данных, эти условия не выполняются на магнитных силовых линиях, пересекающих Землю на геомагнитных широтах, больших 65°, и поэтому районы, прилегающие к полюсам, оказываются свободными от излучения. Область пространства, занятого излучением, о котором шла речь, получила название внешней зоны.

Наиболее подробные данные о внешней зоне были получены при полете космической ракеты 2 января 1959 года. На рисунке 1 представлены показания одного из приборов (измеряющего ионизацию) в зависимости от расстояния до центра Земли. Расстояния даны по горизонтальной оси в радиусах Земли. По вертикальной оси показана интенсивность излучения в электрон-вольтах в секунду.

По мере удаления от Земли интенсивность радиации сначала возрастает в сотни раз, достигая максимума на расстоянии четырех радиусов от центра Земли, а затем сильно уменьшается. За пределами 10 радиусов Земли достигается постоянный уровень, который соответствует космической радиации в межпланетном пространстве.

Приборы космической ракеты позволили не только уточнить расположение внешней зоны в пространстве, но и получить новые сведения о составе заряженных частиц в этой зоне. Эффективная энергия электронов в районе максимума составляет около 25, а на границе зоны около 50 килоэлектрон-вольт. После выхода ракеты из внешней зоны на расстоянии около 10 радиусов Земли эти же приборы с высокой точностью измерили интенсивность первичных космических лучей, а также жесткой электромагнитной радиации (рентгеновского и гамма-излучений) в межпланетном пространстве.

Рис. 1. Кривая изменения интенсивности радиации в зависимости от расстояния от Земли.

Помимо описанной выше внешней зоны высокой интенсивности радиации, существует и вторая — внутренняя зона. Опыты на американских спутниках обнаружили высокую интенсивность радиации в районе экватора на высоте более 1000 километров.

С помощью третьего советского спутника были получены подробные данные об этом явлении. Оказалось, что заряженные частицы внутренней зоны заполняют на высоте около 1000 километров область от 35° южной геомагнитной широты до 35° северной геомагнитной широты. Высота нижней границы внутренней зоны оказалась различной в восточном и западном полушариях: в восточном — 1500 километров, а в западном — 500 километров. Это обстоятельство обусловлено смещением магнитного диполя относительно центра Земли.

В отличие от внешней зоны во внутренней зоне обнаружены частицы высокой энергии. Анализ данных, полученных на третьем спутнике, показал, что этими частицами являются протоны с энергией порядка 100 миллионов электрон-вольт.

На рисунке 2 штриховкой показана открытая советскими физиками наиболее отдаленная от Земли внешняя зона. Черным изображена зона протонов высокой энергии.

На третьем искусственном спутнике Земли и на космической ракете была сделана также попытка зарегистрировать частицы, обладающие очень малым пробегом. Наблюдались мощные потоки таких частиц. Это электроны, обладающие энергией около 10 килоэлектрон-вольт. Они движутся, как правило, вблизи направлений, перпендикулярных к магнитным силовым линиям. Интенсивность этого излучения, по-видимому, увеличивается от экватора к полярным областям. Оно простирается до расстояний, равных нескольким радиусам Земли. Открыто явление, которое, надо полагать, прольет свет на ряд процессов, происходящих в верхней атмосфере. До сих пор нет удовлетворительного объяснения явления полярных сияний. Обнаруженные мощные потоки частиц могут дать ключ к пониманию этого явления. Действительно, вблизи Земли всегда запасена значительная энергия в виде быстро летящих электронов. Часть этих электронов может периодически врываться в нижележащие слои, и, возможно, это вызывает полярные сияния.

Рис. 2. Конфигурация окружающих Землю зон повышенной радиации. Сплошная линия — траектория движения космической ракеты.

Быстрые электроны, сталкиваясь с атомами и молекулами верхней атмосферы, создают рентгеновские лучи, в особенности в зоне максимального распространения полярных сияний. Атмосфера Земли становится источником рентгеновского излучения. Это излучение, проникая на высоты, меньшие 100 километров, вызывает ионизацию более плотных слоев атмосферы.

Другая часть рентгеновского излучения уходит во внешнее пространство. Таким образом, Земля, а возможно, и другие планеты могут явиться источником рентгеновских лучей.

Вопрос о природе и происхождении ореола частиц около Земли находится в центре внимания физиков, геофизиков и астрофизиков. Прошло слишком мало времени с момента открытия этого нового явления. Поэтому нельзя еще сделать выбор между различными гипотезами, предложенными для его объяснения.

На проходившей летом прошлого года в Москве ассамблее специального комитета Международного геофизического года была выдвинута следующая гипотеза. Под действием космических лучей Земля, как и всякое другое небесное тело, становится источником нейтронов. Эти нейтроны возникают в результате разрушения космическими лучами ядер атомов, входящих в состав земной атмосферы. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны беспрепятственно удаляются от Земли, проходя сквозь ее магнитное поле. Вблизи Земли часть нейтронов распадается с образованием электрически заряженных частиц — электронов и протонов. Обладая сравнительно малыми энергиями, эти частицы оказываются запертыми в магнитном поле Земли. Они не могут ни попасть в земную атмосферу, ни улететь в межпланетное пространство. Следовательно, они будут очень долго блуждать в магнитном поле на расстоянии порядка тысяч и десятков тысяч километров от Земли. Количество атомов, существующих на таких расстояниях от Земли, очень мало. Поэтому столкновения с атомами крайне редки, а следовательно, энергия рассматриваемых частиц будет убывать весьма медленно. За этот большой промежуток времени их накопится много, и интенсивность излучения будет высокой. В настоящее время можно считать установленным, что именно этот процесс создает протоны высокой энергии во внутренней зоне.

Для полного объяснения структуры внутренней зоны необходимо установить, какие процессы утечки частиц из зоны обусловливают ее ограниченность в пространстве.

На этот счет предложены две гипотезы, одна из которых предполагает резкое возрастание утечки протонов высокой энергии на больших высотах за счет ослабления магнитного поля. Другая гипотеза предполагает утечку за счет быстрых колебаний магнитного поля на геомагнитных широтах более 35°.

Для объяснения происхождения внешней зоны наиболее перспективными являются гипотезы, в которых явление приписывается воздействию потоков заряженных частиц, идущих от Солнца. Во время повышения активности Солнца из него извергаются сгустки заряженных частиц. В этих сгустках также уносятся и части магнитного поля Солнца. Магнитные поля этих сгустков могут явиться ловушками, в которых накапливается значительное количество образовавшихся на Солнце частиц. Эти частицы могут затем «впрыскиваться» в ловушку, образованную магнитным полем Земли. В результате вблизи Земли появляются частицы, перенесенные от Солнца.

Наконец, следует упомянуть, что если продукты атомных взрывов попадут на большие высоты, то они создадут там интенсивные потоки заряженных частиц. Так как энергия этих частиц мала, то они оказываются запертыми в магнитной ловушке. Следовательно, атомные взрывы могут приводить к «загрязнению» прилегающих к Земле областей космоса.

Хотя с момента запуска первого спутника Земли 4 октября 1957 года прошло немногим более полутора лет, полеты спутников и космических ракет принесли выдающиеся открытия. Казавшееся пустым пространство вокруг Земли представляется теперь ареной явлений, чрезвычайно существенных в практическом и научном отношениях.

Можно сделать предсказание, имеющее фундаментальное значение для астрофизики, что такой же ореол частиц будет окружать всякое небесное тело, обладающее магнитным полем. Свойства космоса существенно меняются вблизи планет, причем это имеет место на расстояниях, во много раз больших, чем размеры атмосферы этих небесных тел.

Согласно данным, полученным на космической ракете, космические лучи в межпланетном пространстве не могут оказывать катастрофически вредных воздействий на организмы будущих астронавтов. Правда, следует оговориться, что этот вывод относится лишь к относительно спокойному состоянию космоса, которое было во время полета космической ракеты.

В районе максимума излучения вблизи Земли интенсивность его очень велика. Поэтому при прохождении космического корабля вблизи Земли, а возможно и других планет, надо учитывать бомбардировку корпуса корабля быстрыми частицами. Это может привести к возникновению лучевой болезни у живых существ.

Возможна ли защита от этих излучений? Полученные данные говорят о том, что во внешней зоне защита возможна, хотя она и потребовала бы увеличения веса космического корабля. Во внутренней зоне, где энергия частиц весьма высока, устройство эффективной защиты потребовало бы гораздо большего увеличения веса. Поэтому траектории ракет, на которых полетят будущие астронавты, должны быть выбраны с таким расчетом, чтобы пребывание корабля внутри зон, особенно внутренней, не было бы длительным.

На третьем искусственном спутнике Земли был помещен прибор для исследования вопроса о наличии в космических лучах сверхтяжелых ядер. Черенковский детектор регистрировал ядра с кинетической энергией больше 300 миллионов электрон-вольт на нуклон. Прибор был настроен на регистрацию двух групп ядер: с зарядом больше 15 и с зарядом больше 35. Обработка данных показала, что через прибор в среднем проходило за минуту около одной частицы, обладающей зарядом больше 15. За девять суток был отмечен лишь один случай срабатывания канала, настроенного на регистрацию более тяжелых ядер. Таким образом, следует считать, что поток тяжелых ядер весьма мал. Этот факт имеет существенное значение для дальнейшей разработки теории происхождения космических лучей.

Одна из главнейших, задач, которая ставится при запуске спутников и ракет, — это изучение структуры верхней атмосферы — области, простирающейся примерно от 200 километров до внешней границы атмосферы. Исследование верхней атмосферы связано с решением ряда труднейших проблем.

Одна из таких проблем — это вопрос о тепловом балансе верхней атмосферы. На высоте 200 километров температура окружающей среды равна 800-1000 градусов и затем возрастает до 2000-3000 градусов. Высокое значение температуры приводит к сравнительно медленному спаданию плотности атмосферы с высотой. Какие же источники поддерживают столь высокий нагрев верхней атмосферы? Некоторые указания по этому вопросу дают новые результаты, полученные с помощью спутников и ракет, о которых говорилось выше.

Не меньшие трудности возникают при попытке истолкования баланса ионизации в верхней атмосфере, т. е. процесса установления равновесия между возникновением свободных электронов и ионов и их нейтрализацией. Результаты опытов расходятся с теоретическими расчетами в тысячу — десять тысяч раз, если исходить из того, что процесс нейтрализации происходит путем присоединения электронов к положительным ионам за счет энергии световых квантов. Выяснилось, что явления здесь протекают более тонко, при участии других частиц, сильно ускоряющих процесс, подобно катализаторам.

Для того, чтобы эти частицы регулировали процесс нейтрализации электронов, достаточно, чтобы они составляли лишь одну десятитысячную или одну стотысячную долю числа нейтральных частиц или свободных электронов. Такими катализаторами могут служить, например, положительные ионы окиси азота, которые были обнаружены на высоте более 200 километров с помощью масс-спектрометра, установленного на третьем советском спутнике.

Велика роль всех этих исследований для практики. Всем хорошо известно, что именно благодаря электромагнитным свойствам ионосферы радиоволны распространяются на большие расстояния.

В этой связи можно указать на одно интересное явление, которое было известно и ранее, но особенно ярко проявилось при наблюдениях за сигналами советских спутников Земли. Явление это названо антиподным эффектом и состоит в следующем: мощность принимаемых сигналов увеличивается в точке, расположенной в антиподе передающей радиостанции. По записям результатов приема радиосигналов первого спутника в Антарктике, в Мирном, видно, как принимались радиосигналы спутника на частоте 20 мегагерц, когда он был в районе поселка Мирный и в антиподе к нему. Такие случаи, когда в течение длительного времени в ионосфере осуществляются благоприятные условия для «стекания» радиоволн к диаметрально противоположной точке Земли, представляют большой интерес.

Но известна и отрицательная для практики роль ионосферы. Влияние ее может, например, привести при использовании радиометодов для управления будущими межпланетными кораблями к погрешностям при определении их координат, скорости и т. п. Для исключения этих погрешностей важно знать структуру ионосферы. В свете сказанного выше будет более понятно значение вновь полученных советскими учеными научных результатов.

Важное место в исследовании верхней атмосферы занимает определение ее плотности. К моменту запуска первого советского спутника были получены достаточно надежные данные лишь до высот 150-180 километров. До высоты 250 километров данные о плотности, полученные разными методами, были крайне противоречивы, а какова плотность атмосферы выше 300-350 километров, фактически было неизвестно.

Советскими учеными изучалась плотность атмосферы различными путями. По изменению времени обращения спутников вокруг Земли, вследствие их торможения, можно достаточно точно определить в перигее орбиты величину, пропорциональную плотности атмосферы.

На третьем спутнике были впервые установлены специального типа манометры, с помощью которых была измерена плотность в области высот 225-500 километров.

Кроме того, средний ход плотности верхней атмосферы на высотах 320-1000 километров был рассчитан на основании результатов определения электронной концентрации по радиосигналам первого и второго спутников. Был также использован оригинальный метод, основанный на наблюдении за расплыванием облака паров натрия, образованного на высоте 430 километров при запуске высотной ракеты. По характеру расплывания этого облака была рассчитана на основе теории диффузии плотность атмосферы на указанной высоте. Подобное облако было в дальнейшем использовано для создания искусственной кометы на советской космической ракете.

Рис. 3. Кривая изменения плотности нейтральных частиц с высотой, полученная различными методами. На рисунке — • — результаты определения плотности по изучению торможения советских спутников. О — результат определения плотности по диффузии натриевого облака. * — данные, приведенные в мировой литературе, по изучению торможения советских и американских спутников. Сплошные линии — соответствуют результатам, полученным с помощью манометров, установленных на третьем советском спутнике, и по радиосигналам первого советского спутника.

Результаты определения плотности приведены на рис. 3. На этом графике плотность пересчитана, по современным данным, на число нейтральных частиц в кубическом сантиметре.

Эти исследования, взаимно согласующиеся между собой, позволили впервые уверенно определить плотность атмосферы до высот 600-800 километров. Они показали ошибочность ряда существовавших до запуска спутников представлений, на основе которых строились модели атмосферы. Регулярные наблюдения за торможением спутников позволили выявить широтные и суточные изменения плотности. По торможению спутника были получены также некоторые данные о температуре верхней атмосферы. На высотах 228 и 368 километров, соответственно, температура изменяется в пределах 800-1500 градусов.

С помощью масс-спектрометра, установленного на третьем спутнике, было получено большое количество массовых спектров положительных ионов, характеризующих химический состав ионосферы на высотах 226-1000 километров. Измерения производились в интервале массовых чисел от 6 до 48 атомных единиц. В результате масс-спектрометрических измерений было установлено, что ионы с массовым числом 16 являются преобладающими и, следовательно, от высоты 226 километров до высоты, по крайней мере, 800 километров основной газовой компонентой, существованию которой обязана ионосфера, является атомарный кислород.

Помимо ионов атомарного кислорода, были зарегистрированы ионы атомарного азота. Обнаружены также тяжелые частицы с молекулярным весом 28 и 30 атомных единиц. Ионы с массой 30 можно отождествить с ионами окиси азота, и в свете сказанного выше обнаружение их на высотах до 350 километров является очень интересным событием и сможет помочь, при дальнейшем уточнении этих сведений, решению вопроса о балансе ионизации верхней атмосферы.

Относительное содержание атомарного азота по отношению к атомарному кислороду меняется от 1 до 10 процентов, в зависимости от высоты и географической широты, а также изменяется по времени. Относительное содержание тяжелых ионов окиси азота и молекулярного азота резко падает с увеличением высоты. Число ионов окиси азота на высоте 230 километров составляет 25-40 процентов по отношению к атомарному кислороду.

Большое количество полученного материала позволило выявить определенную зависимость всех обнаруженных компонент ионосферы от географической широты. В частности, на высотах 226-260 километров наблюдается резкое увеличение содержания ионов атомарного азога в области около 60° северной широты.

Данные, полученные с помощью масс-спектрометра, позволили установить, что спутник в дневное время имел отрицательный потенциал в среднем порядка 5 вольт.

Важные результаты получены по определению концентрации заряженных частиц. Различные радиометоды позволяют изучать наземными средствами распределение электронной концентрации лишь до высоты главного максимума ионосферы, изменяющейся в различных условиях в пределах примерно 300-400 километров. Вопрос же о ходе электронной концентрации выше главного максимума оставался до запуска первого спутника по существу открытым, хотя некоторые исследователи считали, в частности на основании данных, полученных с помощью американских ракет, что выше главного максимума электронная концентрация быстро падает.

В Советском Союзе вопрос этот исследовался различными путями. Анализ траекторий радиосигналов первого спутника Земли позволил определить средний ход электронной концентрации внешней ионосферы выше главного максимума на высотах 320-650 километров.

При вертикальном запуске советской геофизической ракеты 21 февраля 1958 г. было впервые непосредственно измерено распределение электронной концентрации до высоты 470 километров. В течение 1958 г. были получены аналогичные данные при запуске других ракет.

На третьем спутнике впервые измерена прямыми методами концентрация положительных ионов вдоль орбиты спутника до высоты 900-1000 километров. Эти измерения проводились с помощью так называемых ионных ловушек. Они позволили получить обширные экспериментальные данные. Так как в верхней атмосфере концентрация положительных ионов близка к концентрации электронов, то тем самым эти опыты дают сведения по электронной концентрации. Опыты с помощью ловушек позволили также измерить отрицательный электрический потенциал спутника относительно окружающей среды. На освещенных Солнцем участках орбиты он оказался равным 1-7 вольтам.

Рис. 4. Кривая изменения концентрации положительных ионов с высотой, полученная с помощью установленных на третьем советском спутнике ионных ловушек 19 мая 1958 г. (около 11 часов московского времени). Сплошная линия — данные измерений. Пунктир — интерполированные данные.

Рис. 5. Кривые изменения электронной концентрации с высотой, полученные в результате обработки записей радиосигналов первого советского искусственного спутника Земли 5-8 октября 1957 г. от 7ч. 40 м. до 9 ч. 40 м. (сплошная линия) и при пуске высотной геофизической ракеты 21 февраля 1958 г. в 11ч. 40 м. (двойная линия). Пунктиром отмечены экстраполированные данные. По горизонтали — число электронов в кубическом сантиметре.

Величину отрицательного потенциала спутника, по-видимому, можно интерпретировать, как результат воздействия на него быстрых электронов, энергии которых значительно превышают среднюю энергию частиц атмосферы.

Результаты исследования концентрации заряженных частиц выше главного максимума ионосферы приведены на рис. 4 и 5. Спадание электронной концентрации выше главного максимума происходит медленнее, чем ее рост в нижней части ионосферы.

Экстраполяция этих данных в сторону больших высот приводит к предположению, что на высоте 2000-3000 километров электронная концентрация должна достигать значений, не меньших нескольких сотен электронов в кубическом сантиметре, т. е. равна предполагаемому значению ее плотности в межпланетном газе. Атмосфера Земли, по-видимому, простирается по крайней мере до 2000-3000 километров, и следует отказаться от прежнего представления, что ее граница проходит примерно на высоте 1000 километров.

На советской космической ракете был поставлен первый опыт по прямому изучению газовой компоненты межпланетного вещества.

Установленная на космической ракете аппаратура была предназначена для проведения первого этапа исследований, а именно — попытки прямого экспериментального обнаружения ионизированного межпланетного газа в области, лежащей между Землей и Луной. Эта аппаратура имела четыре трехэлектродные ловушки положительно заряженных частиц (протонов), сетчатые оболочки которых были заряжены до различных потенциалов относительно корпуса контейнера. Такие приборы не давали возможности учитывать в полной мере влияние электрического потенциала контейнера относительно окружающей среды на проводимые измерения. Поэтому с помощью этих приборов нельзя было точно измерить концентрацию положительных частиц (такие измерения будут поставлены в дальнейшем), а можно было лишь получить первые оценки, основанные на величинах зарегистрированных токов. Эти токи, создаваемые положительными частицами в цепях коллекторов ловушек, характеризуют концентрацию частиц ионизированного газа на пути ракеты.

Результаты эксперимента в настоящее время еще обрабатываются. Тем не менее сейчас можно привести некоторые данные, представляющие значительный интерес.

По предварительным данным, концентрация положительно заряженных частиц на высоте 1500 километров в неосвещенной области атмосферы имеет порядок 1000 частиц в одном кубическом сантиметре. При увеличении высоты до 2000 километров (также в неосвещенной области) концентрация положительных частиц падает примерно в 1,5 раза. На расстоянии 21-22 тысяч километров от поверхности Земли концентрация положительных частиц оказывается примерно равной концентрации в затененной области на высоте 2000 километров. На расстояниях НО-150 тысяч километров зарегистрированы токи в ловушках, позволяющие считать, что на этом участке пути ракеты концентрация положительных частиц имеет порядок 300-400 частиц в одном кубическом сантиметре.

Постановка этого опыта впервые позволила оценить концентрацию ионизированного газа в межпланетном пространстве не на основе косвенных наземных наблюдений, допускающих неоднозначные толкования, а путем непосредственных измерений.

Знание земного магнитного поля на больших высотах над земной поверхностью имеет важное значение для ряда проблем земного магнетизма. В результате анализа магнитограмм, полученных с помощью магнитометра, установленного на третьем советском искусственном спутнике Земли, можно сделать ряд выводов фундаментального геофизического значения.

В соответствии с современными представлениями о характере суточных вариаций магнитного поля Земли можно ожидать, что эффекты магнитных возмущений могут быть лучше всего прослежены в том случае, когда спутник дважды пролетает вдоль одной и той же дуги земного шара, один раз при спокойном, а другой раз при возмущенном состоянии поля, притом по возможности в разные часы суток. Измеренные значения поля в этих случаях должны отличаться на величину, равную эффекту внешней токовой системы или ее части. Более того, эти разности должны иметь противоположные знаки для соответствующих отрезков траектории на утренней и вечерней сторонах Земли, так как положительные и отрицательные вихри магнитных возмущений существуют одновременно, а спутники их пересекают в течение 12-15 минут.

Магнитные исследования на третьем советском спутнике убедительно доказывают наличие ионосферных источников, вызывающих вариации, связанные с возмущением магнитного поля Земли. При анализе магнитограмм, полученных со спутника, обнаружены 20 случаев кратковременных (5-8 секунд) отрицательных и положительных пиков изменения магнитного поля. Их можно отнести за счет пространственных неоднородностей в ионосферных токовых системах локального характера, пересекаемых спутником.

Эти результаты имеют большое значение для построения физической модели ионосферы, а также количественной теории магнитных возмущений.

Новые ценные данные получены при исследовании постоянного магнитного поля Земли. Наиболее интересные данные получены при пролетах спутника над районом Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии, так называемым «Азиатским максимумом напряженности геомагнитного поля». Анализ магнитограмм и сопоставление их с ходом наземных кривых напряженности магнитного поля вдоль трассы полета спутника указывают на медленное убывание аномалии. Этот факт имеет важное значение для решения вопроса о глубине залегания источников мировых аномалий и о природе и структуре магнитного поля Земли. Из него можно сделать вывод о глубинном происхождении источников Восточно-Сибирской магнитной аномалии.

Исключительно важные по своему значению результаты получены при измерении магнитного поля Земли с помощью космической ракеты. На расстоянии примерно двух радиусов от центра Земли становится весьма заметной и затем нарастает величина расхождения между измеренными значениями поля и значениями, вычисленными теоретически (рис. 6).

Истинное поле убывает быстрее и на расстоянии примерно 20 800 километров от центра Земли оно имеет минимум, примерно равный 400 гаммам, т. е. порядка одной сотой доли напряженности поля на поверхности. Затем наблюдается рост напряженности поля до максимального значения 800 гамм на расстоянии 22 тысячи километров и его последующее убывание. Такое изменение магнитного поля Земли может быть объяснено только при предположении, что ракета пересекла на высотах 20-21 тысячи километров токовый слой. Таким образом, измерения на космической ракете указывают на реальность существования внеионосферной токовой системы.

Этот факт имеет фундаментальное значение для теории магнитных бурь и полярных сияний и, в частности, для критической оценки существующих в настоящее время объяснений этих явлений.

Рис. 6. Кривая изменения напряженности магнитного поля Земли с высотой. Кружком отмечен эффект внеионосферного токового кольца, обнаруженного при полете советской космической ракеты. По вертикали — напряженность магнитного поля Земли в гаммах. Пунктир — вычисленные значения напряженности магнитного поля Земли. Сплошная линия — данные измерений.

Другим значительным обстоятельством является тот факт, что эффект токового слоя обнаружен в совершенно спокойный в магнитном отношении день, а ближайшее по времени большое магнитное возмущение (магнитная буря) имело место почти за месяц до этого. Система внеионосферных токов, возникающая в наиболее интенсивный период магнитных бурь, очевидно, может существовать в течение длительного времени.

Полученный экспериментальный материал, несомненно, явится предметом теоретических исследований как в области геомагнетизма, так и граничащих с ним разделов геофизики и физики плазмы. Представляет большой интерес выяснение связи между измеренным максимумом магнитного поля и ореолом заряженных частиц.

Магнитометр, установленный на третьем спутнике, позволил, помимо измерения магнитного поля Земли, получить данные об ориентации спутника в пространстве и изучить движение его относительно центра тяжести. Эти данные необходимы при расшифровке результатов большинства экспериментов, одновременно проводившихся на спутнике.

Для регистрации метеорных частиц на третьем советском искусственном спутнике Земли была установлена аппаратура, позволяющая регистрировать число ударов частиц и их энергию. Она определялась по величине импульса материала датчика, выбрасываемого при взрыве метеорной частицы на его поверхности.

Если исходить из теоретической зависимости между энергией метеорной частицы и импульсом и предположить, что средняя скорость частиц равна 40 километрам в секунду, то за время работы аппаратуры были зарегистрированы удары частиц с массами от одной восьмимиллиардной до двухсотмиллионной доли грамма, обладающих энергией порядка от десяти тысяч до ста тысяч эрг.

15 мая 1958 года, как сообщалось на V ассамблее МГГ, было отмечено увеличение числа ударов по сравнению с последующими днями. В этот день на один квадратный метр в секунду приходилось от 4 до 11 ударов, 16 и 17 мая число ударов уменьшилось в четыре тысячи раз, затем в пятьдесят тысяч раз и, наконец, стало меньше в 600 тысяч раз, чем 15 мая.

Числовое значение коэффициента пропорциональности между импульсом, регистрируемым датчиком, и энергией частицы окончательно будет определено экспериментально (путем моделирования).

Из эксперимента на космической ракете можно сделать вывод о том, что частицы с массой около одной миллиардной доли грамма могут встретиться с поверхностью ракеты один раз за несколько часов.

Как видно из результатов измерений на третьем советском искусственном спутнике и на космической ракете, метеорная и микрометеорная опасность мала.

Рис. 7. Кривая частоты сердечных сокращений собаки «Лайка» в различные моменты полета.

В настоящее время наметилось формирование новой отрасли знания — космической биологии. Одной из главных ее задач является обеспечение безопасности полета человека в мировое пространство.

Исследования, проведенные на ракетах, показали, что подопытные животные вполне удовлетворительно переносят воздействие на организм различных по своему характеру и природе факторов в полете. Накопленный материал

в настоящее время позволяет прийти к выводу о том, что в условиях, приближенных к космическому полету, в состоянии основных физиологических функций экспериментальных животных не происходит заметных нарушений. Пожалуй, наиболее сложной проблемой оказалось обеспечение спуска животных на Землю.

В настоящее время в этом направлении удалось достигнуть известного успеха. Экспериментальные животные благополучно спускались с высоты в несколько сотен километров. Большие возможности дают искусственные спутники Земли, условия на которых, с биологической точки зрения, наиболее близки к условиям космического полета.

Подробный анализ научной информации со второго спутника позволил получить ряд новых и интересных данных. Прежде всего это относится к продолжительному действию невесомости.

Рис. 8. Запись электрокардиограммы собаки «Лайка» в состоянии невесомости, полученная на втором советском искусственном спутнике Земли.

Весьма важным оказалось то обстоятельство, что при невесомости не было отмечено каких-либо неблагоприятных реакций со стороны вегетативных функций животного. При этом животное не проявляло значительного двигательного беспокойства.

На рис. 7 представлена динамика изменений деятельности сердца собаки «Лайка» в различные моменты полета спутника. Кривая на графике показывает изменение частоты сердечных сокращений. Нетрудно заметить, что ускорения, вибрации и шум при выведении спутника на орбиту вызвали резкое увеличение частоты сердцебиений, достигающее предельной величины. В условиях невесомости частота пульса постепенно вернулась к исходному уровню.

Характер зубцов электрокардиограммы (рис. 8), дыхательные движения и двигательная активность не показывают заметных отклонений от нормы.

Интервалы электрокардиограммы изменялись в общем в соответствии с изменением частоты сердечных сокращений. Это свидетельствует о том, что функция проводимости сердечной мышцы не страдала.

В целом оценка полученных результатов с очевидностью показала, что условия, приближенные к космическому полету, переносятся высокоорганизованными животными вполне удовлетворительно.

Выдающуюся роль в запуске искусственных спутников Земли и космической ракеты, с помощью которых стало реальным непосредственное изучение космического пространства, сыграли советские ученые, конструкторы, инженеры, рабочие, испытатели. Огромная заслуга принадлежит нашим математикам, механикам, физикам самых различных специальностей. По существу нет ни одной области точного естествознания, которая в той или иной мере не участвовала бы в решении грандиозной проблемы исследования космического пространства. Этот синтез науки и техники принес замечательные результаты, которые уже сейчас позволяют предвидеть, какими путями пойдет дальше развитие космических полетов.

Развитие космических полетов в ближайшем будущем пойдет по ряду направлений. Одним из таких направлений являются полеты спутников вблизи Земли, другим направлением — решение задач, связанных с полетами к Луне и освоением Луны. Третье направление — это исследование околосолнечного пространства, планет солнечной системы и полеты на другие планеты.

Искусственные спутники позволяют решить широкий круг научных и прикладных задач. Уже первые советские спутники позволили провести большое число исследований, изучить ряд явлений в верхних слоях земной атмосферы и в примыкающих областях космического пространства.

Дальнейшее развитие работ по созданию спутников пойдет как в направлении расширения круга научных исследований, так и в направлении решения с помощью спутников чисто прикладных задач.

Целесообразно создание искусственных спутников, ориентированных определенным образом в пространстве. Ориентация нужна для решения многих научных задач. Так, для ряда исследований, связанных с Солнцем, желательно, чтобы спутник был ориентирован на Солнце. Для исследований, связанных с Землей и атмосферой, наиболее подходящей является, по-видимому, ориентация, когда одна из осей спутника направлена к Земле, а другая совпадает с направлением движения его по орбите. Для астрофизических исследований, видимо, разумно иметь спутник, сохраняющий неизменное положение относительно неподвижных звезд. Важнейшим этапом является освоение полетов человека на спутниках, для чего потребуется решение большого числа сложнейших проблем, связанных с обеспечением безопасности и созданием необходимых условий для жизнедеятельности человека как в период взлета и спуска при действии больших перегрузок, так и в период полета по орбите в состоянии невесомости. Эксперимент с подопытным животным, осуществленный на втором советском искусственном спутнике Земли, является первым значительным результатом в этом направлении, давшим научный материал о воздействиях условий космического полета на живой организм.

Многократно высказывалась идея о возможности использования системы специальных спутников для ретрансляции телевизионных передач, что могло бы обеспечить дальние передачи на волнах ультракоротковолнового диапазона без сооружения радиорелейных линий и кабельной сети.

С помощью спутников можно организовать постоянную службу для наблюдения за корпускулярным излучением Солнца, которая сможет обеспечить прогноз важнейших явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы.

Трудно предсказать сейчас все возможности использования спутников для целей науки и практики подобно тому, как на заре авиации невозможно было предсказать многообразие областей применения и разносторонний прогресс авиации в настоящее время.

Вторым направлением развития космических полетов представляется круг вопросов, связанных с освоением Луны. Полет советской космической ракеты знаменует собой начало эпохи полетов к Луне и полетов в пределах околосолнечного пространства.

Можно представить себе в дальнейшем, быть может еще не в столь близком будущем, полет человека на Луну с посадкой и с последующим возвращением на Землю. Проблема посадки аппарата на поверхность Луны является достаточно сложной. Не меньшие трудности представляет задача последующего старта с Луны и возвращения на Землю.

В еще более отдалённом будущем в процессе освоения Луны может мыслиться создание на Луне специальных станций, подобных тем научным станциям, которые организуются в труднодоступных районах Земли, например в полярных областях. Необходимо вместе с тем указать на чрезвычайную сложность подобного предприятия. Осуществление его станет возможным лишь в результате существенного прогресса ракетной техники и решения огромного числа научных и технических проблем. Но может статься, что проекты, кажущиеся сегодня совершенно фантастическими и несбыточными, осуществятся значительно быстрее, чем это можно представить себе на первый взгляд.

Третьей группой проблем, образующей самостоятельное направление в развитии космических полетов, являются проблемы, связанные с исследованием околосолнечного пространства и планет солнечной системы.

Одной из целей полетов в пределах солнечной системы явится непосредственное изучение межпланетной среды. Зондирование межпланетного пространства с помощью научной аппаратуры позволит установить плотность межпланетного газа на различных расстояниях от Солнца, определить химический состав межпланетного газа, даст новые чрезвычайно интересные данные о распределении интенсивности и составе космического излучения в различных районах солнечной системы, позволит исследовать различные виды солнечного излучения, исследовать магнитное поле Солнца и его влияние на явления в межпланетной среде.

Особый интерес представляет исследование планет солнечной системы, в первую очередь Венеры и Марса. Как показывает анализ, полет к планетам солнечной системы целесообразно осуществлять в течение определенных промежутков времени, когда взаимное расположение Земли и планеты позволяет осуществить полет с минимальными энергетическими затратами на разгон ракеты.

Посылка к планетам ракет, снабженных автоматическими приборами, позволит исследовать их магнитное поле, пояс радиации, получить детальные изображения их поверхности. Можно будет исследовать атмосферу планет -определить ее плотность, химический состав, степень ионизации, а также исследовать структуру поверхности планет и ее температуру. Наконец, заманчивой представляется перспектива исследования форм жизни на других планетах. Полет человека на планеты является делом будущего, однако день этот, безусловно, наступит.

Развитие космических полетов ставит перед наукой и техникой большое число сложнейших проблем как научно-исследовательского, так и инженерно-конструкторского характера.

Для определения параметров траекторий, передачи на Землю результатов измерений и сведений о работе аппаратуры, а также для передачи команд с Земли важнейшей проблемой является проблема дальней радиосвязи. При запуске первой советской космической ракеты впервые в истории была осуществлена радиосвязь на расстоянии около 500 тысяч километров от Земли.

При полетах в пределах солнечной системы надо осуществить радиосвязь и передачу изображения на расстояния порядка десятков и сотен миллионов километров. Ввиду этого особое значение приобретает задача создания легкой, малогабаритной и весьма экономичной бортовой радиоаппаратуры, а также мощных передающих и достаточно чувствительных приемных устройств на Земле.

Вся аппаратура космических ракет должна быть не только максимально легкой и экономичной, но и чрезвычайно надежной, способной безотказно работать в течение многих месяцев и даже нескольких лет. Длительность такого порядка является характерной для полетов в пределах солнечной системы, и в этом нет ничего удивительного, если вспомнить продолжительность периодов обращения планет. Специфика работы аппаратуры в космосе определяется также воздействием космического излучения и наличием глубокого вакуума, окружающего космический корабль. Важным обстоятельством является необходимость поддержания определенного теплового режима, необходимого для нормальной работы аппаратуры. Одной из серьезных проблем космического полета является защита от метеоритов.

Круг задач, связанных с расчетом движения космических кораблей, составляет новое направление в небесной механике. Впервые в истории астрономии проводятся расчеты движения искусственных небесных тел, в том числе и таких необычных небесных тел, которые сами могут активно воздействовать на характер своего движения. Изучение движения этих искусственных тел позволит получить новые данные об астрономических постоянных солнечной системы и гравитационных полях. Мы являемся свидетелями зарождения новой главы астрономии, которую можно назвать экспериментальной небесной механикой.

Прогресс в развитии космических полетов — этой совершенно новой области человеческой деятельности — предъявляет весьма высокие требования к науке и технике: применения всего самого нового и передового, создания новых научных и технических направлений.

Не подлежит сомнению, что советские ученые, конструкторы, инженеры, рабочие, вдохновленные величественной программой построения коммунистического общества в нашей стране, выдвинутой XXI съездом Коммунистической партии Советского Союза, с честью справятся с решением этой интереснейшей проблемы современности, и все мы явимся свидетелями новых блестящих достижений Советского Союза в области освоения космического пространства.

«Правда» от 15 июля 1959 г.