СОВЕТСКО-ФРАНЦУЗСКИЕ ПРОЕКТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

К середине 1979 г. в рамках советско-французского сотрудничества было осуществлено уже свыше 30 экспериментов с использованием 9 спутников и 11 автоматических лунных и межпланетных станций. Подготовка и осуществление этих экспериментов проводится четырьмя совместными рабочими группами по космической физике, метеорологии, спутниковой связи, космической биологии и медицине. Круг вопросов, решаемых первой из этих групп, значительно шире ее официального названия («космическая физика»), он включает в себя такие дисциплины, как радиоастрономия, внеатмосферная астрономия (в ультрафиолетовом, гамма- и рентгеновском диапазонах), геофизика и космические лучи, исследования Луны, планет и межпланетного пространства, наблюдения искусственных спутников Земли в целях геодезии, эксперименты по отработке космической техники, космическое материаловедение.

Радиоастрономия. Советско-французские космические исследования по радиоастрономии начались 28 мая 1971 г. после успешного запуска автоматической межпланетной станции «Марс-3», на которой наряду с другими приборами была установлена аппаратура советско-французского эксперимента «Стерео-1» по исследованию радиоизлучения Солнца.

Солнечные радиоволны метрового и декаметрового диапазонов свободно проходят через земную атмосферу и относительно легко могут быть зарегистрированы наземными средствами. В связи с этим может показаться, что для их изучения нет необходимости в использовании космических аппаратов. Действительно, наземные наблюдения радиоизлучения Солнца проводятся достаточно широко и довольно детально как в Советском Союзе, так и во Франции, США, Австралии, Японии и других странах. Благодаря этим исследованиям удалось определить энергетический спектр солнечного радиоизлучения, его поляризацию и другие характеристики.

Однако в отличие от таких известных оптических явлений на Солнце, как солнечные пятна или протуберанцы, имеющих достаточно большую продолжительность существования, позволяющую надежно проследить их эволюцию и динамику, солнечные радиовсплески чрезвычайно кратковременны, и поэтому весьма трудно получить данные об изменении их интенсивности и перемещении по диску Солнца. Кроме того, интенсивность этого вида солнечного радиоизлучения различна в зависимости от направления. Существуют, например, направления, где интенсивность такого излучения максимальна. Но именно эта фокусировка излучения не наблюдается с Земли, так как наличие только одной точки наблюдения (с Земли) не позволяет получить пространственную структуру рассматриваемого явления.

С целью избежать этого недостатка наземных наблюдений при проведении эксперимента по программе «Стерео» использовался космический аппарат — автоматическая межпланетная станция «Марс-3». Наличие далеко разнесенных в пространстве двух точек наблюдения (с Земли и с борта станции) позволило получить пространственную (стереоскопическую) картину излучения солнечных радиовсплесков (отсюда и название экспериментов — «Стерео»).

Аппаратура «Стерео-1», установленная на борту автоматической межпланетной станции «Марс-3» (рис. 1), состояла из антенны, предусилителя, приемника, блока памяти и системы сжатия данных. Антенна массой около 600 г, аналогичная телевизионной, была смонтирована на одной из солнечных панелей станции. Принимаемый антенной- сигнал на частоте 169 МГц поступал через предусилитель в приемник. Программа работы автоматической межпланетной станции была составлена таким образом, чтобы аппаратура «Стерео-1» могла функционировать 1 ч в сутки. Одновременно с работой бортовой аппаратуры осуществлялись наземные наблюдения радиоизлучения Солнца на частоте 169 МГц в Нанси (Франция) и в обсерватории Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН-СССР.

Рис. 1. Советская автоматическая межпланетная станция «Марс-3». Слева, на солнечной панели, видна антенна прибора «Стерео-1».

В связи с тем что информация передавалась на Землю один раз в неделю, научная аппаратура была дополнена блоком памяти французского производства и системой сжатия данных, разработанной советскими учеными. Система сжатия позволила передавать на Землю всю информацию, регистрируемую аппаратурой «Стерео-1», и сыграла существенную роль в конечном успехе эксперимента «Стерео». Так, например, солнечная активность, проявляемая в радиоизлучении на частоте 169 МГц, имеет довольно длительные периоды «спокойствия», и получаемая в это время информация не представляет особого интереса. Использование же системы сжатия позволяло исключать информацию о периодах «спокойствия», и на Землю передавались только данные, касающиеся радиовсплесков.

Занимаясь обработкой и интерпретацией данных эксперимента «Стерео-1», полученных с помощью станции «Марс-3», специалисты обеих стран одновременно подготавливали новую космическую программу радиоастрономических экспериментов — проект «Стерео-5». Может возникнуть вопрос: почему «Стерео-5», ведь он был только вторым в серии экспериментов «Стерео»? Дело в том, что из проектов «Стерео-2, -3, -4 и -5», предложенных учеными, именно последнему было отдано предпочтение.

В окончательном варианте программа эксперимента «Стерео-5» должна была решить следующие задачи:

1) измерение на Земле и на борту межпланетной станции временных сдвигов радиовсплесков Солнца на частотах 30 и 60 МГц с целью изучить направление движения пучков солнечных частиц;

2) исследование направленности радиоизлучения Солнца на частотах 30 и 60 МГц. Вторая задача аналогична той, которая решалась в ходе эксперимента «Стерео-1», но для нового диапазона частот.

В комплект аппаратуры «Стерео-5», входили две антенны (для приема радиоизлучения на частотах 30 и 60 МГц), предусилители и приемник. Так же как и в «Стерео-1», использовались блоки памяти и система сжатия данных. Аппаратура «Стерео-5» была установлена на советских автоматических межпланетных станциях «Марс-6 и -7», стартовавших 5 и 9 августа 1973 г.

Эксперименты «Стерео-1 и -5» позволили получить ценные результаты, касающиеся свойств солнечных радиовсплесков. В частности, измерение направленности дало возможность построить модель нижней короны Солнца, причем эта модель значительно отличается от предложенных ранее моделей со сферической симметрией.

Таким образом, была реализована качественно новая методика изучения структуры солнечной нижней короны — области, исследование которой с помощью наземных методов пока недостаточно эффективно. Причем анализ распространения радиоволн от радиовсплесков основывался на измерениях, выполняемых одновременно с двух точек наблюдения. Как будет видно из дальнейшего, метод стереоскопических наблюдений широко используется советскими и французскими учеными для исследования излучения Солнца и звезд не только в радио-, но и в других диапазонах (гамма-, рентгеновском и т. д.).

Внеатмосферная астрономия. Из рис. 2 с очевидностью следует, что атмосфера Земли пропускает к своей поверхности только малую часть из всего спектра космического электромагнитного излучения. Появление воздушных (баллоны, самолеты), а затем и космических средств дало в руки исследователей мощное орудие для изучения электромагнитного космического излучения во всем спектральном диапазоне, что представляет огромные возможности для решения фундаментальных проблем астрономии. Особенно важно это для ультрафиолетового, гамма- и рентгеновского диапазонов.

Совместные советско-французские эксперименты в этих новейших областях исследований дали интересные результаты, позволившие понять природу многих физических процессов, протекающих во Вселенной.

Ультрафиолетовая астрономия. Советско-французский эксперимент «Галактика», проведенный с помощью аппаратуры, установленной на автоматических станциях «Прогноз-6 и -7», предназначался для изучения галактических источников ультрафиолетового излучения. В состав прибора «Галактика» входит спектрометр с вогнутой дифракционной решеткой (R = 25 см, 600 штрих/мм, покрытие Al + MgF₂). Спектр в интервале длин волн 100–190 нм получался путем сканирования с шагом 5,3 нм, и за один ход сканирования проводились 14 измерений интенсивности в различных участках спектра. Во время работы приборов на спутниках «Прогноз-6 и -7» было получено около 6000 спектров, в основном излучения области Млечного пути.

Рис. 2. Непрозрачность атмосферы Земли (заштрихованная область) для различных диапазонов длин волн и высоты

Первые результаты показали, что интенсивность излучения атомарного водорода в линии L? (с длиной волны 121,6 нм) меняется от 170 Рл (в апогее) до 430 Рл (в перигее).[5] Однако в области радиационных поясов Земли (между апогеем и перигеем) эта величина может достигать 1200 Рл. Причем было обнаружено, что средняя величина интенсивности излучения для длины волны 150 нм составляет 1,55 10^–8 эрг • с^–1 • см^–2 • ср^–2. А в области созвездия Рыбы (вне Галактики). Для Млечного пути интенсивность фона почти в 3 раза больше.

Кроме своих основных научных целей, эксперимент «Галактика» одновременно предназначался для отработки новой методики космических исследований, являлся как бы начальным этапом подготовки следующих, более сложных советско-французских экспериментов в области ультрафиолетовой астрономии. В нем проверялись правомочность многих технических решений и возможность применения выбранных электронных элементов и светоприемных приборов.

Гамма- и рентгеновская астрономия. Первым совместным экспериментом по изучению солнечного гамма- и рентгеновского излучения стал эксперимент, проведенный в 1972 г. с помощью прибора «Снег-1», установленного на станции «Прогноз-2». Этот прибор представляет собой спектрометр энергии нейтронов и гамма-квантов, в нем регистрировались нейтроны в области энергий 0,981 — 16 МэВ и гамма-кванты в области энергий 0,35–11,8 МэВ. Особо интересная информация в эксперименте была получена во время солнечных вспышек в августе 1972 г.

В середине июля 1972 г. на Солнце отмечалось несколько небольших вспышек, сопровождавшихся возрастанием градиента магнитного поля. В конце июля — начале августа в этой области произошли мощные хромосферные вспышки. Наиболее интенсивные из них наблюдались 2, 4 и 7 августа. Анализ данных, полученных с помощью приборов «Прогноза-2», в частности прибора «Снег-1», позволил советским и французским ученым показать, что наблюдаемые явления связаны с генерацией линейчатого гамма-излучения, указывающего на протекание ядерных реакций на Солнце во время солнечных вспышек. По характеристикам всплесков гамма-излучения удалось определить химический состав и плотность солнечной атмосферы в области вспышки. На основании полученных данных ученые рассчитали качественную модель развития вспышечного события.

Если первый советско-французский эксперимент по гамма- и рентгеновской астрономии посвящался Солнцу, то следующие подобные эксперименты предназначались для обнаружения и локализации дискретных космических источников гамма-излучения. Эти эксперименты получили названия «Снег-2МП», «Снег-2МЗ», «Снег-3». Общее, если можно так сказать, «родовое», название «Снег» происходит от наименования первого прибора, которое является сокращением полного названия: «Спектрометр НЕйтронов и Гамма-излучения». Интересно отметить, что французское название этого же прибора SIGNE не является переводом русского слова «Снег», и также представляет собой аббревиатуру полного французского наименования прибора.

Решение о проведении спутниковых экспериментов по исследованию космического гамма-излучения несолнечного происхождения было принято осенью 1974 г. на очередном ежегодном совещании по советско-французскому сотрудничеству в изучении космоса. Назначение экспериментов «Снег-2МП», «Снег-2МЗ» и «Снег-3» состояло в решении трех основных задач:

поиск гамма- и рентгеновских всплесков и их локализация, определение временной структуры и энергетического спектра;

поиск дискретных гамма- и рентгеновских источников и их классификация;

измерение диффузного гамма- и рентгеновского фона в области энергий более 20 кэВ.

Для проведения такого комплексного эксперимента предполагались наблюдения гамма-излучения на нескольких космических аппаратах, что связано с решением очень сложных организационных задач. Необходимо было осуществить в течение нескольких месяцев запуски трех совершенно различных космических аппаратов — искусственный спутник Земли «Снег-3» на низкую околоземную орбиту, спутник «Прогноз» (рис. 3) на высокоапогейную орбиту и, наконец, межпланетную станцию к Венере. (Конечно, для двух последних исследование космического гамма-излучения не являлось единственной, а тем более основной задачей). Но все трудности были преодолены, и комплексный эксперимент, который иногда называют «ВГС» («Всплеск-Гамма-Стерео»), успешно осуществился.

Первой начала работать научная аппаратура на французском спутнике «Снег-3», выведенном на орбиту с помощью советской ракеты-носителя 17 июня 1977 г. Однако прежде чем запустить французский спутник на требуемую орбиту, необходимо было срочно решить ряд сложных проблем конструктивного характера, в частности, уменьшить вибрационные перегрузки и тепловые потоки, направленные к спутнику после сброса головного обтекателя. С этой целью в Тулузском центре КНЕС для гашения вибраций был изготовлен специальный переходник, через который спутник крепился к последней ступени ракеты-носителя. Переходник имел амортизаторы, предохраняющие спутник от разрушающего действия вибраций. Проблема уменьшения теплового потока к спутнику была также успешно решена: специалисты предложили сбросить головной обтекатель на больших высотах, где меньше плотность атмосферы и, следовательно, меньше тепловой поток.

Рис. 3. Общий вид советского спутника «Прогноз-3»

Значительную часть аппаратуры спутника составляла система направленного детектирования, которая состояла из нескольких сцинтилляторов, снабженных фотоэлектронными умножителями (ФЭУ).

Основной детектор из кристалла иодистого натрия размещается в полом цилиндре из кристаллов иодистого цезия.

Детектор обладает хорошим энергетическим (10 %) и угловым (около 2°) разрешением. Для расширения полосы наблюдений ось детектора составляет с осью вращения спутника 10°, и при поле зрения прибора в 20° за каждый оборот спутника просматривается полоса в 40°. Таким образом, за год можно наблюдать достаточную протяженную область центра Галактики, в котором, как полагают, находятся многочисленные дискретные источники гамма-излучения (рис. 4), а также область галактического антицентра, относительно бедную этими источниками.

Уже предварительная обработка данных эксперимента «Снег-3» позволила получить новые данные об источниках гамма- и рентгеновского излучений. Так, например, были зарегистрированы источники рентгеновского излучения в области центра Галактики (июль 1977 г.) и области Крабовидной туманности (ноябрь, декабрь 1977 г. — январь 1978 г.). Причем в области центра Галактики наряду с большим числом рентгеновских источников низких энергий наблюдали достаточно интенсивные источники (GX3 + 1, GX5 — 1).

В результате эксперимента «Снег-3» получено много данных о всплесках гамма-излучения различной интенсивности. Особое внимание привлек всплеск гамма-излучения 10 ноября 1977 г., который также был зарегистрирован прибором «Снег-2МП» на «Прогнозе-6» и аппаратурой западноевропейской станции «Гелиос». Длительность всплеска гамма-излучения составила около 1 с. Методом триангуляции достигнута локализация источника.

Прибор «Снег-2МП» был установлен на спутниках «Прогноз-6 и -7», выведенных на орбиты соответственно в сентябре 1977 г. и в октябре 1978 г. В состав этого прибора входят три детектора, один из них установлен на верхней плите, а два других — на боковой стороне спутника.

Верхний всенаправленный детектор предназначен для изучения гамма- и рентгеновских всплесков. В качестве чувствительного элемента используется кристалл иодистого натрия диаметром 90 мм и толщиной 37 мм, окруженный пластическим сцинтиллятором. Обе части оптически изолированы и снабжены отдельными ФЭУ. Этот детектор позволяет получить временное и амплитудное распределения гамма-квантов в области энергий 80 кэВ — 3 МэВ.

С помощью двух боковых узконаправленных детекторов регистрировали гамма-излучение в области энергий 20 кэВ — 1 МэВ вблизи плоскости эклиптики (как в солнечном, так и в антисолнечном направлениях). Детекторы содержат анализирующий кристалл иодистого натрия диаметром 38 мм и толщиной 14 мм, окруженный цилиндром из активной защиты (кристаллом йодистого цезия).

Рис. 4. Область неба с зоной, просматриваемой приборами спутника «Снег-3» за год. Указаны некоторые объекты исследований

Три детектора прибора «Снег-2МП», установленного на спутнике «Прогноз-6», зарегистрировали около десятка всплесков гамма-излучения, в том числе всплеск 20 октября 1977 г. (который также наблюдался на космических аппаратах «Гелиос», «Вела-5», «ХЕАО-А»), всплеск 29 октября 1977 г. («Вела-5», «Гелиос») и всплеск 10 ноября 1977 г. («Снег-3», «Гелиос»). В эксперименте «Снег-2МП» наблюдали также большое количество всплесков гамма-излучения солнечного происхождения.

Прибор «Снег-2МЗ», установленный на автоматических межпланетных станциях «Венера-11 и -12», состоит из двух всенаправленных детекторов, по конструкции подобных верхнему детектору «Снега-2МП», но предназначенных для исследований в более узкой области энергий (80 кэВ — 1 МэВ). Они расположены на верхней и нижней плоскостях автоматической станции, с тем чтобы можно было наблюдать всплески гамма-излучения из любой точки небесной сферы. Только за три месяца работы приборов «Снег-2МП» и «Снег-2МЗ» удалось зарегистрировать 50 всплесков гамма-излучения (за предыдущие 10 лет таких наблюдений обнаружено менее 100 всплесков).

Геофизика, космические лучи. Исследованию корпускулярного излучения Солнца и взаимодействию этого излучения с магнитным полем Земли отводилось значительное место в совместных экспериментах советских и французских ученых. Изучению солнечной плазмы с различных расстояний от Солнца были посвящены эксперименты «Калипсо», «Жемо-Т», «Жемо-С», «Жемо-С2».

Прибор, установленный на борту спутника «Прогноз-2» для осуществления эксперимента «Калипсо», представляет собой спектрометр для измерения потоков электронов и протонов в области энергий 0,4 — 17 кэВ в 16 участках энергетического спектра. Измерения ионных и электронных спектров, проводимые прибором «Калипсо» непрерывно, в течение более пяти месяцев позволили получить обширный материал о солнечном ветре, потоках плазмы в переходном слое, положений фронта околоземной ударной волны и о потоках плазмы внутри магнитосферы. Кроме того, в данном эксперименте получена чрезвычайно интересная информация о вспышках на Солнце в августе 1972 г. В частности, впервые наблюдались некоторые необычайно интенсивные явления в межпланетной среде и в околоземном космическом пространстве.

На советских автоматических межпланетных станциях «Марс-6 и -7» была установлена аппаратура для проведения совместных советско-французских экспериментов «Жемо-С и — Т». «Жемо» в переводе с французского означает «близнецы». И это название не случайно. Во-первых, оба проекта близки по задачам и в известной степени дополняют друг друга. Во-вторых, приборы для проведения того и другого эксперимента установлены на двух одинаковых по конструкции космических станциях.

Однако каждый из двух экспериментов имеет свое, пусть и очень короткое, собственное имя — «С» и «Т», «С» — сокращенное обозначение французского города Сакле, где находится Лаборатория электронной физики Центра ядерных исследований, специалисты которой разработали и изготовили приборы для эксперимента «Жемо-С». Первая буква названия французского города Тулуза стала шифром для наименования другого эксперимента. Именно в Центре изучения космических лучей, расположенном в этом городе, подготавливалась аппаратура «Жемо-Т».

Рис. 5. Скорость солнечного ветра и температура, измеренные во время эксперимента «Жемо-Т» (13 августа 1973 г.)

Осуществляя программу «Жемо», ученые СССР и Франции получили данные о свойствах солнечного ветра спокойного Солнца и об изменении этих свойств на расстояниях от 1,0 до 1,52 а. е. от Солнца, т. е. практически за все время движения межпланетных станций. Результаты этих экспериментов дали ценную информацию о распространении межпланетных ударных волн и их связи с солнечными вспышками, а также о соотношениях между характеристиками межпланетной среды, Солнца и магнитосферными явлениями.

Научная аппаратура «Жемо-Т» состоит из двух спектрометров (ионов гелия и протонов), работающих в области энергий 100 эВ — 10 кэВ. Типичный пример полученных в эксперименте «Жемо-Т» характеристик невозмущенного солнечного ветра приведен на рис. 5.

Прибор «Жемо-С», предназначенный для регистрации протонов и электронов в области энергий 3 — 150 МэВ, а также альфа-частиц в области 180–500 МэВ, позволил подробно изучить движение солнечных частиц между Землей и Марсом.

Исследования корпускулярных потоков Солнца были продолжены на спутниках «Прогноз-6 и -7», на которых стояли приборы «Жемо-С2», являющиеся модернизацией прибора «Жемо-С».

В ходе экспериментов «Калипсо» и «Жемо» наряду с исследованием состава и движения солнечной плазмы также изучалось ее взаимодействие с магнитосферой Земли. Кроме этих экспериментов, ученые СССР и Франции осуществили еще ряд совместных экспериментов по изучению земной магнитосферы. Один из них, «Аркад», предназначался для исследования физических процессов в магнитосфере и верхней атмосфере Земли. При этом, в частности, изучался процесс вторжения частиц высоких энергий в атмосферу Земли в области высоких широт (данный процесс вызывает удивительное явление природы — полярные сияния).

В ходе экспериментов, осуществленных с помощью спутников «Ореол» и «Ореол-2», измерялись потоки протонов в области энергий 0,4 — 30 кэВ и 200 кэВ — 1,3 МэВ, а также потоки электронов в области энергий 0,2 — 160 кэВ. Одновременно по согласованной программе проводились наблюдения геофизических явлений в высокоширотных обсерваториях Советского Союза, расположенных на м. Шмидта, в Тикси, в Якутске, на островах Диксон, Хейса (Земля Франца-Иосифа), в Мурманске и в других районах.

Сочетание многочисленных наземных наблюдений и спутниковых измерений позволило построить пространственную и временную картину магнитосферных процессов, определить с большой точностью начальные (не измененные верхней атмосферой) энергетические и угловые распределения вторгающихся в атмосферу протонов.

Орбиты спутников «Ореол», в частности, наклонения орбит (~ 74°), были выбраны так, чтобы спутники пересекали дневной полярный касп — область прямого вторжения плазмы в полярную ионосферу Земли. В частности, было показано, что районы пересечения каспа спутниками группируются около полуденного меридиана на широтах около 78°. Это означает, что приполуденная область в форме некоторого пятна с размерами 200 ? 500 км более легко проходима протонами переходного слоя, чем другие области. Однако измерения, проведенные в экспериментах «Аркад-1 и -2», показали, что иногда спутники пересекали полярную шапку, но не встречали протонов нужных характеристик, т. е., другими словами, дневной полярный касп не представляет собой непрерывной щели, а обладает некоторой «рваной» или «пятнистой» структурой.[6]

Интересные научные результаты экспериментов «Аркад», полученные с помощью спутников «Ореол» (рис. 6) и «Ореол-2», послужили дополнительным стимулом к продолжению спутниковых исследований магнитосферы. В настоящее время ученые обеих стран подготавливают новый комплексный эксперимент — «Аркад-3», планируемый на начало 80-х годов.

Результаты исследований, проведенных с помощью спутника «Ореол-2», также использовались в комплексном советско-французском эксперименте «Самбо». Цель этого эксперимента — определить пространственные и временные характеристики процессов в полярной ионосфере. Решение поставленной задачи требует, с одной стороны, проведения одновременных измерений во многих точках пространства с помощью приборов с близкими характеристиками, с другой — непрерывности и длительности таких измерений в выбранной области пространства.

Рис. 6. Общий вид советского спутника «Ореол»

Главной составной частью эксперимента «Самбо» был запуск высотных аэростатов французского производства с советской и французской научной аппаратурой для изучения тормозного рентгеновского излучения, характеристик электрического поля, свечения полярных сияний. Отсюда и название эксперимента «Самбо» — Синхронные Авроральные Множественные Баллонные Обсерватории. Баллоны запускали с полигона Кируна (Швеция). Несомые ветрами, которые в зимнее время имеют преимущественное направление «запад — восток», аэростаты двигались на высотах 30–40 км над территориями Швеции, Финляндии, Советского Союза. Протяженность их полета составляла около 2000 км. Телеметрическая информация с научной аппаратуры аэростатов принималась сетью наземных телеметрических станций, расположенных вдоль побережья Ледовитого океана — Кируна, Апатиты, Шойна, Нарьян-Мар, Халмер-Ю (Амдерма).

Кроме того, к проведению данного эксперимента были приурочены запуски с о. Хейса двух советских метеорологических ракет МР-12 с аппаратурой для измерения электрического поля. Измерения потоков электронов и протонов различных энергий проводились приборами спутников «Ореол-2» и «Интеркосмос-10».

Программа исследований по эксперименту «Самбо» включала в себя несколько этапов. Первый из них проводился в начале 1974 г., второй — в начале 1979 г. В результате эксперимента «Самбо» получен большой объем данных о процессах входа авроральных частиц в ионосферу в магнитоактивные периоды.

Особую роль в структуре земной магнитосферы играют силовые линии магнитного поля Земли. Все возмущения, связанные с взаимодействием заряженных частиц (электронов, протонов и других) с электромагнитным полем, распространяются вдоль магнитных линий. Поэтому исследования, проводимые в разных, достаточно удаленных точках одной силовой линии, в частности в точках пересечения силовой линии с земной поверхностью на севере и на юге, представляют особый интерес.

Сотрудничество советских и французских ученых по изучению геофизических явлений в подобной паре точек — Архангельская область в Северном полушарии и о. Кергелен (Индийский океан) в Южном полушарии — было начато еще в 1961 г. В основном проводились фотометрические наблюдения полярных сияний, а с 1964 г. — исследования короткопериодических вариаций магнитного поля Земли и излучений очень низких энергий. Развитие советско-французского сотрудничества в области космических исследований, стимулированное соответствующим межправительственным соглашением 1966 г., позволило расширить исследования в магнитосопряженных районах, сделать эти исследования комплексными, привлечь в качестве технических средств как воздушные, так и космические аппараты.

В ходе советско-французского эксперимента «Омега», проведенного в сопряженных районах Архангельская область — о. Кергелен в 1968–1971 гг., был осуществлен широкий спектр измерений различных физических параметров: магнитных вариаций и излучений очень низкой энергии, высотных распределений характеристик ионосферы, степени поглощения в ней волн, интенсивности тормозного рентгеновского излучения. Проект «Омега» был реализован с помощью большой сети наземных пунктов и многочисленных аэростатов-баллонов с французской и советской аппаратурой, запускаемых одновременно в Южном и Северном полушариях.

Другим, очень существенным экспериментом, проведенным в данных магнитосопряженных районах, был эксперимент «Аракс», проведенный в начале 1975 г. Он относится к так называемым «активным» исследованиям.[7]

Цель эксперимента «Аракс» состояла в изучении процессов в магнитосфере и ионосфере Земли, сопровождающих искусственную инжекцию электронов и плазменной струи. Для реализации проекта с о. Кергелен были запущены две французские ракеты «Эридан» с советским ускорителем электронов и на высотах 150–200 км в околоземное пространство инжектировалась струя электронов.

На ракетах был установлен комплекс приборов для детектирования заряженных частиц и волн, которые регистрировались также и наземными приборами. Пуск первой ракеты был произведен в направлении на север, вдоль магнитного меридиана. При этом изучались процессы, связанные с искусственным полярным сиянием, а также результаты взаимодействия волн и частиц. Во время пуска второй ракеты, который был осуществлен на геомагнитный восток, изучался азимутальный дрейф электронов и электрическое поле Земли.

В подготовке и осуществлении эксперимента «Аракс» участвовали многие научно-технические коллективы СССР и Франции. Были организованы наземные станции наблюдения в Архангельской области и на о. Кергелен. Получены весьма ценные данные о процессах, связанных с движением электронов в электрическом и магнитном полях и в плазме околоземного пространства.

Исследование Луны, планет, межпланетного пространства. Исследование Луны. В первом советско-французском эксперименте по изучению Луны использовался лазерный метод наблюдений. При этом решалась задача лазерной локации Луны с целью привязки удаленных пунктов Земли, определения движения полюсов, дрейфа континентов. Однако для осуществления столь обширной программы необходимо было проводить измерения расстояний до Луны во многих точках земного шара, что подразумевает сотрудничество ученых разных стран. Поэтому не удивительно, что уже через год после подписания межправительственного соглашения по космосу ученые Франции и СССР выдвинули предложение осуществить совместную работу по лазерной локации естественного спутника нашей планеты.

После тщательного рассмотрения специалистами обеих стран предложение было принято. Причем оговаривалось, что доставку лазерного отражателя на Луну и его установку там осуществляет советская сторона, а французские ученые обеспечивают изготовление прибора — уголкового лазерного отражателя. Он состоит из нескольких специальных призм и обладает свойством возвращать направленный на него луч обратно к источнику, т. е. поворачивать луч на 180°. Каждая призма представляет «утолок», отрезанный от куба. Входной гранью служит плоскость среза, остальные три грани металлизированы. Призмы изготовлены из специального высокооднородного стекла типа «гомосил», углы выдержаны с точностью 0,2", плоскости с точностью 0,07 мкм. Оптические элементы лазерного отражателя изготовлялись с большой точностью, так как малейшие отклонения затрудняют прием отраженного луча.

Созданный прибор сначала проверяли на Земле: в термо- и барокамерах, имитирующих лунные условия. Однако главное испытание ждало прибор впереди — на Луне. В 1969 г. изготовленный во Франции уголковый лазерный отражатель КНЕС направил в СССР для установки на советском самоходном аппарате «Луноход», который должна была доставить на Луну автоматическая станция «Луна-17» в ноябре 1970 г. Советские специалисты снабдили отражатель крышкой для зашиты от пыли во время посадки на Луну и обеспечили его ориентацию на Землю.

В 1970 г. к моменту доставки на Луну первого лазерного отражателя в Советском Союзе и во Франции подготовили к наблюдениям комплексы наземной лазерно-локационной аппаратуры. В СССР такая аппаратура установлена на 2,6-метровом телескопе Крымской астрофизической обсерватории АН СССР. Во Франции наблюдательный пункт был организован в обсерватории Пик-дю-Миди с использованием телескопа диаметром 1,02 м. В первую же лунную ночь после посадки «Луны-17» советская и французская группы исследователей провели успешные сеансы лазерной локации с помощью отражателя «Лунохода-1».

На совещании в Тбилиси (в сентябре 1972 г.) советские и французские специалисты, подтвердив свою заинтересованность в продолжении лазерных локаций Луны, приняли решение повторить в рамках сотрудничества двух стран эксперимент с уголковым отражателем. Прибор был включен в состав научной аппаратуры «Лунохода-2», доставленного на поверхность естественного спутника Земли советской автоматической станцией «Луна-21» 16 января 1972 г.

Какую же новую информацию могут получить ученые, используя лазерный отражатель? Благодаря его свойствам посланный из обсерватории луч можно поймать через некоторое время аппаратурой той же обсерватории. По времени, прошедшем между посылкой и приемом светового луча, можно определить расстояние от источника света до отражателя, в данном случае — от обсерватории до «Лунохода». Это позволяет с большой точностью рассчитать расстояние от Земли до Луны, судить о движениях земных материков и проводить другие исследования.

В СССР лазерная локация успешно проводится в Крымской обсерватории, французские специалисты работают в обсерватории Пик-дю-Миди. Однако уголковый отражатель может быть использован и другими станциями наблюдения, которые имеют соответствующую аппаратуру. В частности, с помощью отражателя, установленного на «Луноходе-2», успешную локацию Луны осуществили французские и американские ученые с обсерватории Мак-Дональд в США. В свою очередь, советские станции работали с лазерным отражателем «Аполлона-15».

Следует упомянуть также и о другой форме советско-французского сотрудничества в изучении Луны. По просьбе ученых Франции им были переданы образцы лунного грунта, доставленного на Землю советскими автоматическими станциями «Луна-16 и -20». В анализе лунных образцов участвуют девять французских лабораторий. Большое количество информации получено о типе материалов, структуре, химическом составе, возрасте и твердости лунного грунта, о влиянии на него солнечного ветра. Проводились фотометрические и поляриметрические исследования образцов в различных спектральных диапазонах и при различных условиях их освещенности и наблюдения.

Образцы подвергались также анализу в поляризованном свете на электронном микроскопе и просвечиванию рентгеновскими лучами. Осуществлялся масс-спектрометрический анализ, в том числе для определения содержания калия, рубидия, стронция, бария и редкоземельных элементов. Измерение позволило ученым определить возраст твердых лунных пород (время их затвердевания). Так, для образцов «Луны-16» этот возраст определен приблизительно в 3,4 10⁹ лет, а для образцов «Луна-20» — несколько больше. Работы по анализу лунного грунта продолжаются и сейчас.

Исследование планет и межпланетного пространства. Самым распространенным химическим элементом в верхней атмосфере планет является водород. Образующийся в результате диссоциации (распада молекул воды под действием солнечного ультрафиолетового излучения) водород, как самый легкий газ, на больших высотах становится самым обильным, и верхние атмосферы всех планет состоят практически из чистого атомарного водорода. Поэтому для исследования планет широко используются методы ультрафиолетовой астрономия, так как именно в ультрафиолетовом диапазоне легко проявляются наиболее интенсивные спектральные линии излучения атомарного водорода (серии Лаймана) и самая яркая из них — L? — с длиной волны 121,6 нм.

Именно это обстоятельство использовали советские и французские специалисты, подготавливая космические эксперименты по изучению планет Марс и Венера. Первые такие советско-французские исследования (планеты Марс) проводились в 1973 г. с помощью аппаратуры автоматических межпланетных станций «Марс-5 и -7». В эксперименте «УФС» использовался прибор, принцип действия которого основан на методике, предложенной ранее французскими учеными для регистрации излучения атмосферного атомарного натрия.

Эксперимент, проведенный с помощью станций «Марс-5 и -7», позволил определить температуру верхней атмосферы Марса, которая оказалась равной 330 ± 40 К, а также получить высотное распределение концентрации атомарного водорода в окрестностях планеты. Было найдено, например, что на высоте 250 км (граница экзосферы) от поверхности Марса концентрация атомарного водорода составляет 3 103 см^–3.

Кроме результатов, непосредственно связанных с исследованиями Марса, получены интересные данные о межпланетной среде на трассе полета автоматических станций «Марс». Было впервые найдено, что кинетическая температура нейтральной компоненты межпланетной среды составляет Т = 9500 ± 3500 К, а скорость движения Солнца относительно межзвездной среды равняется 17 ± 4 км/с.

Также впервые в результате прямых измерений было подтверждено, что кинетическая температура газа из нейтральных атомов намного выше, чем она должна была быть только за счет диффузного солнечного излучения в линии L?.

На станциях «Венера-9 и -10», запущенных в июне 1975 г., были установлены точно такие же приборы. Помимо предыдущей задачи — определить температуру верхней атмосферы планеты — планировалось найти содержание водорода и дейтерия в этой части атмосферы. Экспериментальные данные показали, что температура атмосферы Венеры на высоте 500 км составляет 450 К, а содержание дейтерия в атмосфере планеты не превышает нескольких долей процента.

Совместные исследования межпланетного пространства в ультрафиолетовой области спектра были продолжены на советских высокоапогейных спутниках «Прогноз-5 и -6». Ультрафиолетовый фотометр МПГ, созданный советскими и французскими учеными, имеет четыре канала, три из которых располагаются перпендикулярно оси вращения спутника, направленной на Солнце. Этот прибор предназначен для исследования ультрафиолетового излучения водорода (длина волны 1216 A), нейтрального (584 A) и однократно ионизованного (304 A) гелия. При вращении спутника были получены картины неба во всех этих трех линиях.

В рамках советско-французского сотрудничества с помощью аппаратуры «Марс-5» проводились исследования по оптической фотометрии и поляриметрии Марса. На борту автоматической межпланетной станции были установлены два фотоэлектрических поляриметра (прибор «ВПМ»), которые позволили провести несколько серий измерений поверхности планет. Полученные данные сравнивались с результатами анализа минералов в лабораторных условиях. Была подтверждена пылевая природа вещества поверхности Марса, однако некоторые аномалии, обнаруженные для отдельных областей Марса, указывают и на возможное существование скоплений глыб горных пород на поверхности планеты. Результаты поляриметрических исследований приводят к заключению, что наряду с пылевыми облаками в атмосфере Марса возможны облачные формообразования из кристалликов льда. Ученые СССР и Франции продолжают изучение полученных данных.

Наблюдения искусственных спутников Земли. Появление искусственных спутников на орбите вокруг Земли и их наблюдения послужили толчком к развитию новых разделов наук о Земле. Наблюдая движения спутников на орбите, можно судить о плотности среды, в которой движется спутник. С другой стороны, что еще более важно, спутник может быть использован в качестве своеобразного визира для целей геодезии. Наличие такого визира, достаточно удаленного от поверхности Земли, позволяет с помощью одновременных его наблюдений из разных точек определять точное расстояние между этими точками. Проведение таких работ стало целью и содержанием космической геодезии.

Советско-французское сотрудничество по этому направлению началось сразу же после запуска первого советского спутника в 1957 г. Оно особенно интенсифицировалось после принятия межправительственного соглашения 1966 г. о советско-французском сотрудничестве в области космоса.

Специалисты обеих стран совместно участвовали в разработке следующих программ по космической геодезии: «Европа — Африка» (1968 г.), «Изажекс» (1971 г.), «Арктика — Антарктика» (1970 г.), «Запад — Восток» (с 1970 г.). Две последние носят общее название «Большие хорды». Наблюдения по программе «Европа — Африка» проводились с шести наблюдательных станций Астрономического совета АН СССР (Рига, Звенигород, Ужгород, Афгой, Каир, Могадишо) и шести наблюдательных станций Национального географического института Франции (Дакар, Афины, Форт-Лами, Гоулт, Сан-Фернандо, Претория). При помощи фотографических камер АФУ-75 (СССР) и ИЖН (Франция) было получено около 250 синхронных снимков для установления геодезических связей между Европой и Африкой.

Программа «Изажекс» была первой обширной международной программой, в ней использовалось около 60 наблюдательных станций, расположенных в различных частях земного шара. Объектами наблюдений служили спутники «Геос-А и — Б», «Эксплорер-22 и -27», «Диадем-1 и -2», «Пэол», «Мидас», «Пагеос». За исключением двух последних, все остальные спутники имели лазерные отражатели, с помощью которых осуществлялась локация спутников лазерными дальномерами, установленными на 11 наблюдательных станциях. При осуществлении программы «Изажекс» решались задачи двух типов: динамические задачи спутниковой геодезии и задачи определения взаимного положения станций, участвовавших в наблюдениях. В ходе выполнения данной программы получено около 200 000 уточненных значений расстояний между наблюдательными станциями, что послужило значительным вкладом в геодезию.

Если общее руководство программой «Изажекс» осуществлял КНЕС, то выполнение программы «Арктика — Антарктика» координировалось Астрономическим советом АН СССР. Как следует из названия, главная задача этой программы заключалась в определении расстояний в меридиональном направлении — от архипелага Шпицберген в Северном полушарии до станции «Мирный» на юге Антарктики. Фотографические и лазерные наблюдения позволили измерить длину элементарных хорд, соединяющих станции на данном направлении, а также результирующую хорду (12 000 км) с точностью до нескольких десятков метров.

Для проведения программы «Арктика — Антарктика» в СССР была создана большая меридиональная сеть наблюдательных станций, оборудованных однотипными фотографическими камерами (АФУ-75). Таким образом, северная часть дуги меридиана обслуживалась наблюдательными станциями достаточно хорошо. Однако в Южном полушарии этих станций было мало, и с целью ликвидации большого разрыва между ними была организована временная советско-французская наблюдательная станция на о. Кергелен.

В последние годы эта станция перенесена с о. Кергелен на о. Новый Амстердам. Для проведения работ, аналогичных программе «Арктика — Антарктика», в широтном направлении осуществляется программа «Запад — Восток». В ней участвуют станции, расположенные от Латинской Америки (на западе) до о. Сахалин (на востоке). В течение ряда лет в рамках этой программы функционировала временная советско-французская станция в Куру (Французская Гвиана).

Особый интерес при реализации программ «Большие хорды» представляет организация синхронных, т. е. одновременных, наблюдений спутников с различных станций. Подобная задача чрезвычайно сложна. Решение ее зависит от многих факторов, в основном метеорологического характера. Синхронные снимки были получены для многих пар достаточно удаленных станций: о. Кергелен — Мирный, о. Кергелен — Афгой, Звенигород — Улан-Батор, Куру — Бамако (Мали), Куру — Сантьяго-де-Куба.

По проблемам космической геодезии советские и французские ученые также проводят совместные теоретические исследования, касающиеся методов обработки получаемой информации, осуществляют сравнительные вычисления.

Эксперименты по отработке космической техники. Космос в наше время стал не только объектом исследования, но и одновременно огромной лабораторией, где в естественных условиях проверяются новые материалы и элементы конструкций, где сама природа создала уникальные возможности для получения веществ с исключительными свойствами. Кроме того, космос является естественным полигоном для отработки космической техники.

Для испытания новой техники в космосе требуется установить на спутник или космическую станцию не только проверяемый элемент, но и большое количество различных датчиков, которые сообщали бы на Землю о различных физических факторах, действующих на элемент, и о работе самого элемента. Таким образом, вместо окружающей среды предметом исследования становится элемент конструкции спутника, вместо физических параметров, не зависящих от человека, изучается оборудование, созданное его руками.

В этой области космической деятельности сотрудничество ученых Советского Союза и Франции тоже успешно развивается и ярким примером этому является осуществление программы «MAC» (Малых Автономных Спутников). Эти спутники небольшой массы (до 40 кг) и низкого энергопотребления (до 10 Вт) предназначены для проверки различных материалов и систем в космосе. Во Франции программа «MAC» имеет название «СРЕТ» (аббревиатура французского наименования «Спутники для Технологических Изысканий и Исследований).

Спутники «MAC» разрабатываются и изготавливаются французскими специалистами. А запуск и вывод их на орбиту осуществляются советской стороной. Впервые предложение о совместных работах по запуску спутников в рамках программы «MAC» обсуждалось на совещании специалистов обеих стран в 1967 г. Причем участники совещания исходили из того, что любой из спутников «MAC» может быть выведен на орбиту одновременно с одним из советских спутников (за счет резерва энергетики советской ракеты-носителя). Окончательная договоренность была достигнута в 1970 г. на совещании в Ереване, после чего конструкторы обеих стран приступили к реализации программы эксперимента.

В основе программы первого «MAC» лежал эксперимент по изучению поведения тонкослойных элементов солнечных батарей в условиях космоса.

На первом спутнике «MAC», который у французских исследователей получил еще дополнительное название «Селлюль солэр» («Солнечные элементы»), установлены тонкослойные сернисто-кадмиевые теллуро-кадмиевые батареи. Они на 20 % легче использовавшихся ранее, обладают более высоким коэффициентом полезного действия, экономически выгоднее.

На этом «MAC» были установлены и обычные кремниевые батареи для энергопитания спутника. Сравнение характеристик этих батарей с характеристиками экспериментальных источников энергии должно было позволить определить скорость износа различных элементов и их защитных покрытий.

Первый спутник «MAC» (масса 15,4 кг) имеет форму многогранника высотой 562 мм. На четырех из восьми рабочих граней спутника смонтированы испытываемые батареи, на других четырех — служебные батареи. Спутник также имеет бортовую телеметрическую систему для передачи на Землю информации в процессе проведения эксперимента.

Проверка и испытание изготовленного французскими специалистами спутника проводились сначала во Франции, с помощью стационарной и переносной аппаратуры. При этом искусственно создавались космический вакуум, солнечная радиация, температурные условия космоса. Затем спутник был доставлен в Москву, где группа советских и французских специалистов вновь по полной программе «проэкзаменовала» малый автономный спутник. И эта, и последующие проверки, уже на космодроме, показали, что спутник готов к космическому рейсу.

4 апреля 1972 г. с помощью одной советской ракеты-носителя на орбиту вокруг Земли были выведены спутник «Молния-1» и французский спутник «MAC». Орбита спутника «MAC» очень вытянута: апогей 39 260 км, перигей 480 км. При движении по такой орбите спутник проходит зоны с меняющимся уровнем радиации, и ученые могут оценить влияние различного воздействия радиации на работу солнечных батарей. Одновременно исследуется и другой фактор орбитального полета — резкое изменение температуры: двигаясь по орбите, спутник то нагревается солнечными лучами, то резко охлаждается, попадая в тень Земли.

Продолжительность активного функционирования спутника «MAC» была рассчитана на один год, однако спутник проработал дольше — до 13 июня 1973 г. В результате эксперимента получена ценная информация о функционировании испытываемых солнечных батарей за время работы спутника.

Основной задачей программы полета спутника «МАС-2» была проверка эффективности пассивной системы охлаждения. Дело в том, что для нормальной работы инфракрасных детекторов на метеорологических спутниках требуется достаточно низкая температура. Конечно, такое охлаждение можно сделать «принудительным», используя вспомогательную систему охлаждения. Но можно пойти по более рациональному пути: применить температурные условия самой космической среды, создав, таким образом, пассивную систему охлаждения.

Система была создана в виде «колодца» в теле спутника, на «дне» которого установлен инфракрасный детектор. Ось «колодца» совпадала с осью вращения спутника. Спутник «МАС-2», на котором испытывалась эта система, был запущен. 5 июня 1975 г. Пассивная система работала нормально до 15 ноября 1975 г. Затем началось резкое повышение температуры, и только после-20 марта 1976 г. система стала вновь достаточно охлажденной. Эти изменения обусловливались разной величиной угла между осью вращения спутника и направлением на Солнце (назовем его угол А). Во время полета он изменялся согласно графику на рис. 7. 15 ноября 1975 г. и 20 марта 1976 г. угол А равнялся 65°, а в промежутке между этими датами был меньше 65°. Если обратить внимание на график температуры в точке установки датчика (рис. 8), то можно увидеть, что между этими же датами температура резко возрастала. Таким образом, можно сделать вывод, что выбранная система охлаждения эффективна, если угол между осью вращения спутника, вдоль которой расположена данная система, и направлением на Солнце больше 65°.

Рис. 7. Изменение угла А во время полета спутника «МАС-2»

Наряду с основной задачей, определением эффективности пассивной системы охлаждения, на спутнике «МАС-2» были продолжены работы по изучению поведения в условиях космоса тонких пленок из различных материалов, начатые еще во время полета «МАС-1».

Космическое материаловедение. 25 марта 1979 г. на борту орбитальной станции «Салют-б» космонавты Владимир Ляхов и Валерий Рюмин начали цикл экспериментов по космическому материаловедению под общим названием «ЭЛЬМА». При этом на советском оборудовании испытывались материалы, подготовленные во французских лабораториях.

На ежегодном совещании в Ленинграде осенью 1976 г. советские и французские специалисты договорились о проведении экспериментов под общим названием «ЭЛЬМА» («Экспериментальное МАтериаловедение») на советских печах «Кристалл» и «Сплав», установленных на орбитальной станции «Салют-6». Подготовку материалов взяли на себя четыре французские лаборатории в Бордо, Медоне и Гренобле. Электропечь «Кристалл» способна обеспечить температуру до 1100 °C. В ней можно получить полупроводниковые материалы в результате действия четырех процессов: направленной кристаллизации, сублимации, газотранспортного переноса, в ходе движения растворителя. В этой печи, установленной внутри орбитальной станции, тепловой режим поддерживается автоматически — с помощью специального электронного блока. При этом работа оператора состоит только в загрузке и разгрузке контейнера с образцом материала.

Рис. 8. Температура в точке установки инфракрасного датчика на спутнике «МАС-2»

В электропечи «Сплав» технологический процесс осуществляется в условиях глубокого вакуума (10^–7 — 10^–8 мм рт. ст.), то есть вне орбитальной станции. Максимальная температура, получаемая в этой печи, достигает 990 °C.

Наличие двух печей и возможность проведения в них одного и того же эксперимента позволяют выяснить наиболее рациональные условия исследуемого технологического процесса. Всего в обеих печах было осуществлено 10 экспериментов по советско-французской программе «ЭЛЬМА»: 8 в печи «Кристалл» и 2 в печи «Сплав». Каждый из них носил название ФК или ФС (первая буква означает «французский», а вторая связана с названием печи).

Первые два эксперимента (ФК-1 и ФС-1) посвящены протекающей в условиях невесомости кристаллизации алюминия (с добавкой меди) и олова (с добавкой свинца). Материалы такого типа давно известны металлургам, но получение их однородных структур — задача чрезвычайно сложная. Часто при этом вместо однородных кристаллов возникают ячеистые или дендритные структуры. Как полагают, они вызваны воздействием конвекции, приводящей к перераспределению компонентов перед фронтом кристаллизации. Проведение эксперимента в условиях невесомости, приводящей к практическому отсутствию тепловой конвекции, позволяет выяснить, насколько справедливо это предположение.

Цель следующей группы экспериментов (ФК-2 и ФК-3) — получение новых магнитных материалов. Совсем недавно считалось, что наилучшими магнитными свойствами обладают никель и кобальт. Но в настоящее время в связи с использованием редкоземельных элементов появляется возможность получить качественно новые магнитные материалы. Создание материалов с повышенными магнитными характеристиками позволило бы заменить электромагниты в электродвигателях на постоянные магниты, что дало бы значительную экономию в потреблении электроэнергии. Постоянные магниты могут найти применение и в других областях техники.

Используемый в этих экспериментах магнитный материал неодим—кобальт (ФК-2) в принципе можно получить в условиях наземных лабораторий, но при этом его структура будет очень неоднородной. Другой материал, марганец—церий (ФК-3) в земных условиях получить не удается: материал разлагается на составляющие до процесса кристаллизации.

Следующая группа экспериментов — ФК-4, ФС-2 (получение кристаллов германия) и ФК-5 (получение кристаллов окиси ванадия) — посвящена изучению чрезвычайно важного процесса кристаллизации: из газообразного состояния. Если газ какого-либо вещества медленно охладить ниже точки плавления и затем в среду ввести кристалл того же вещества («затравку»), то за счет осаждающихся на кристалле частиц он будет расти. Существует и другой способ кристаллизации из газообразного состояния — путем ввода в газовую среду холодного тела (другого состава). Тогда на этом теле будет кристаллизоваться вещество из газовой фазы в точности так же, как иней на почве и на крышах домов в холодные осенние ночи.

Основная задача эксперимента ФК-6 — изучение влияния факторов космического полета на кристаллизацию полупроводников из жидкого состояния. Известно, что в невесомости жидкая масса принимает сферическую форму. При понижении температуры из этой массы образуется кристалл, который в принципе должен также иметь сферическую форму. Эксперименты, посвященные данной проблеме, проводились на космических аппаратах и раньше, но результаты получались различными. В частности, получение кристалла сферической формы было целью и советского эксперимента «Сфера», осуществленного на борту пилотируемой станции «Салют-5». Однако полученные образцы из сплава Вуда приняли форму более или менее удлиненную, со «стрелками» и были похожи на маленькие «ежики» (по выражению космонавта В. М. Жолобова).

Существует ряд возможных объяснений причин отклонения формы кристаллов от правильной сферы, но именно многочисленность таких объяснений требует настоятельной проверки и установления действительной причины явления. В эксперименте ФК-6 одновременно получали сферические кристаллы висмута, теллура, висмут—теллура и индий—сурьмы. Эти вещества в твердом состоянии находились в одном контейнере, который помещался в печь. При разогреве достигалось жидкое состояние этих веществ, которые в условии невесомости принимают форму сферы. В процессе охлаждения происходила кристаллизация образцов.

Исследованию кристаллизации из раствора были посвящены эксперименты ФК-7 и ФК-8. По мнению многих специалистов, материал Ga—As (галлий—мышьяк) представляет большой интерес как перспективный полупроводник. Используемый вместе с кремнием, он позволит получить фотоэлементы с повышенным коэффициентом полезного действия (до 25 %). Надежды специалистов связаны с возможностью получения более совершенного материала Ga—As в условиях космоса. Следует подчеркнуть, что аналогичный советский эксперимент проводился космонавтами Владимиром Коваленком и Александром Иванченковым. Небезынтересно будет сравнить результаты этих двух исследований.

Кристаллизация из раствора тройной композиции галлий—индий—фосфор, или, более точно, состава типа Ga_xIn_1–xP, определяет содержание эксперимента ФК-8. Галлий и индий относятся к III группе периодической таблицы Менделеева и близки по своим физико-химическим свойствам. Фосфор относится к V группе. Вариации соотношения галлий—индий используют для получения полупроводника с оптимальными свойствами. В предлагаемом эксперименте ставилась более скромная задача: определить степень совершенства кристаллов, получаемых в условиях невесомости.

Цикл экспериментов «ЭЛЬМА» был завершен космонавтами Владимиром Ляховым и Валерием Рюминым в начале мая 1979 г. Однако этим закончилась только космическая часть исследований. Теперь полученные образцы переданы в руки специалистов, которые в советских и французских лабораториях проведут всесторонний анализ. Это кропотливая и длительная работа. Результаты ее, несомненно, внесут полезный вклад в развитие космического материаловедения.

Прежде чем перейти к описанию последующих экспериментов нужно подчеркнуть, что всеми рассмотренными нами ранее направлениями советско-французских космических исследований занималась одна рабочая группа специалистов («космическая физика»), тогда как реализацию каждого из трех оставшихся направлений осуществляла своя автономная рабочая группа советских и французских ученых.

Метеорологические исследования. Сотрудничество между СССР и Францией в области спутниковой метеорологии началось еще в 1967 г. Выполненные за последующие годы работы внесли существенный вклад в науку о строении верхней атмосферы и ионосферы. Причем использовалась разнообразная аппаратура, устанавливаемая на спутниках, ракетах и наземных станциях.

Непосредственные спутниковые советско-французские метеорологические эксперименты начались с 1971–1972 гг., когда были проведены одновременные наблюдения облачного покрова Земли с помощью аппаратуры советского спутника «Метеор» и приборов французских привязных аэростатов «Коломб». Эта программа, получившая наименование «КОСКОЛ» (исследования из КОСмоса и с помощью «КОЛомбов»), позволила получить изображения облачного покрова с разных высот, на основе которых специалисты обеих стран разработали теорию конвекции (вертикального перемешивания) воздуха в случае сложных облаков.

В настоящее время специалисты СССР и Франции совместно работают в области изучения облачности по телевизионным и инфракрасным изображениям, полученным с метеорологических спутников. В процессе решения этой проблемы ученым удалось получить новые данные о структуре крупномасштабных вертикальных течений воздуха при различных состояниях воздушного потока и распределения температуры. Проведены расчеты, моделирующие образование облачных систем различной формы. Выяснено наиболее вероятное расположение зон интенсивных осадков в облачных вихрях.

Ведутся совместные работы и по определению параметров» земной атмосферы (также с использованием спутниковых данных). В научных организациях СССР и Франции подготавливают и проверяют различные методики восстановления высотного распределения температуры на основе спектральных измерений. Получены предварительные оценки температуры поверхности моря в разных географических районах.

Если в области спутниковой метеорологии сотрудничество ученых обеих стран проявляется в основном в решении методических вопросов и подготовке программ расчета и обработки данных, то советско-французские исследования с помощью метеорологических ракет направлены на проведение прямых измерений. Главная задача этих экспериментов состоит в — определении параметров верхней атмосферы: температуры, плотности, химического состава и других.

Еще в 1969 г. на полигоне в Ландах, недалеко от г. Бордо, были запущены четыре французские ракеты «Драгон-2Б». На них были установлены советские радиочастотные масс-спектрометры для определения химического состава атмосферы до высот порядка 430 км. Подобные советские масс-спектрометры стояли также на борту французской ракеты «Вероника», запущенной двумя годами позже во Французской Гвиане.

С находившегося поблизости научно-исследовательского судна Гидрометеослужбы СССР «Профессор Зубов» почти одновременно были запущены три советские ракеты «МР-12» с масс-спектрометрами советского и французского производства. В ходе этого эксперимента, принявшего комплексный характер, получены данные о ионном и нейтральном составах, концентрации электронов, температуре и других параметрах атмосферы в диапазоне высот 100–230 км.

Там же, во Французской Гвиане, в 1973 и 1977 гг. проводилась международная программа исследований по сравнению методов и работы приборов для измерения параметров атмосферы. В этих экспериментах участвовало советское научно-исследовательское судно «Академик Королев», с которого запускались метеорологические ракеты М-100.

Регулярно начиная с 1973 г. организуются советские экспедиции по запуску советских метеорологических ракет М-100 на о. Кергелен. В течение одной экспедиции запускают около 20 ракет. Участие французской стороны, кроме предоставления полигона для запуска ракет на о. Кергелен, состоит в проведении геомагнитных и ионосферных измерений. Только при наличии этой информации возможно установить связь геомагнитной активности с параметрами верхней атмосферы. Во время экспедиции 1978 г., шестой по счету, впервые были получены регулярные данные о зимнем режиме верхней атмосферы в средних широтах Южного полушария.

В советско-французских экспериментах в области метеорологии особое место занимают исследования полярной ионосферы. Эти эксперименты, проводимые на о. Хейса (одном из островов Земли Франца-Иосифа) посвящались в основном измерению температуры атмосферы. При этом применялся метод наблюдения резонансного свечения (под действием солнечного излучения) искусственного натриевого облака. Методика этого эксперимента впоследствии использовалась в экспериментах «УФС» и «МПГ» по исследованию ультрафиолетового излучения водорода в атмосферах планет. По ширине резонансной линии можно судить о температуре окружающей среды.

Искусственные натриевые облака создавались взрывом смеси NO₃Na и Аl, который образует облака из частиц Na и AlO. Смесь на требуемую высоту доставляется советской метеорологической ракетой.

Сравнение результатов осенних и весенних наблюдений показало, что температура атмосферы (на высоте 165 км) понижается примерно на 500 К в полярную ночь, и, следовательно, существует сезонная вариация температуры. Также была установлена связь теплового режима полярной атмосферы с 11-летним циклом солнечной активности.

Значительно расширились возможности изучения полярной мезосферы с началом работы на о. Хейса французской лазерной установки. Лазер, излучающий на резонансной частоте натрия, позволяет измерить температуру в диапазоне высот 80 — 100 км с точностью до 5 К. С 1975 г. исследования структуры и физических процессов верхней атмосферы проводились уже и масс-спектрометрическими методами, для чего советские метеорологические ракеты МР-12 оснащались соответствующей аппаратурой советского и французского производства.

Спутниковая связь. Советско-французское сотрудничество в области спутниковой связи проводится в следующих основных направлениях: 1) исследования, связанные с передачей телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения по спутниковым системам связи; 2) исследования, связанные с передачей телефонных сообщений по спутниковым системам связи; 3) исследования вопросов разработки, опытной проверки и возможности создания новых элементов спутниковой связи; 4) уточнение необходимого объема связи между СССР и Францией, изучение экономических проблем использования спутниковой связи.

По первому из этих направлений работы были начаты с организации и отработки космического канала связи для передачи сигналов телевидения, а также сигналов звукового сопровождения между Москвой и Парижем (и обратно) через советский спутник «Молния-1». Проведенные эксперименты позволили обеспечить высококачественные передачи программ цветного телевидения.

Следующим этапом стала подготовка и осуществление экспериментов по аналогичной передаче между Москвой и Парижем через спутники связи «Молния-2» и «Симфония». Следует отметить, что советские спутники «Молния-2» движутся по высокоапогейной орбите (апогей 40 000 км, перигей 500 км), тогда как франко-западногерманский экспериментальный спутник связи «Симфония» геостационарный (первая модель выведена в точку 49° в. д. вторая — 11,5° з. д.).

Во время сеансов связи через эти спутники была проведена отработка системы ручного наведения антенны французской передвижной станции в Племер-Боду и измерены основные параметры качества передачи по видеоканалу. Параметры полностью удовлетворяли международным требованиям. В 1975 г. по линии связи через «Симфонию-1» проводилась передача полной телевизионной программы, подготовленной советским телевидением для Салона авиации и космонавтики в Бурже. По отзывам зрителей, качество передачи было отличным. Одновременно специалисты обеих стран изучали различные методы совмещенной передачи изображения и звукового сопровождения в одном канале. Были экспериментально проверены несколько вариантов такого совмещения.

В области передачи телефонных сообщений ставилась задача установления устойчивой симплексной (односторонней) и дуплексной (двусторонней) телефонной связи между наземными станциями в СССР и Франции. Такая экспериментальная связь была установлена с помощью спутников связи «Молния-1».

Для решения многих из поставленных задач советские и французские специалисты нашли новые технические решения, провели доработку использовавшихся средств для обеспечения совместимости средств связи. Так, они совместно осуществили специальную настройку радиопередатчика на станции в Племер-Боду и регулировку установленного в Париже советского оборудования для модуляции и демодуляции сигналов звукового сопровождения.

На заседаниях данной рабочей группы обсуждаются перспективный необходимый объем спутниковой связи между СССР и Францией и возможность его обеспечения с помощью спутниковых систем связи обеих стран. Дальнейшее развитие советско-французского сотрудничества в области спутниковой связи будет продолжаться не только в областях, перечисленных ранее. Уже в настоящее время специалисты обсуждают новые проблемы, связанные с цифровыми методами передачи телевизионных и звуковых сигналов в спутниковой' системе связи, а также с применением для спутникового телевизионного вещания новой полосы частот — 11–14 ГГц.

Космическая биология и медицина. Сотрудничество ученых и специалистов СССР и Франции по космической биологии и медицине охватывает такие отрасли этих наук, как радиобиология, иммунология и физиология. Кроме того, проводились комплексные исследования влияния факторов космического полета на кинетику клеточного деления.

Первым экспериментом по радиобиологии, реализованным в рамках советско-французского сотрудничества, стал эксперимент «Биоблок», проведенный с использованием советского биологического спутника «Космос-782» (1975 г.). Его целью, также как и следующего эксперимента «Биоблок-2» («Космос-936», 1977 г.), было изучение воздействия космического излучения на биоматериалы. В качестве последних использовались биологические объекты различного уровня организации — дрожжи, яйца Артемия салина (рачок из отряда «Жаброноги»), семена табака, салата и другие.

Аппаратура эксперимента «Биоблок» состоит из трех контейнеров, два из которых содержат биологические объекты, а третий — приборы для регистрации космического излучения. В одном из биологических контейнеров находились при постоянной температуре (8 °C) дрожжи и семена табака. Во втором, нетермостатированном, содержались другие биоматериалы, в частности яйца Артемия салина.

Некоторые результаты, касающиеся развития последних биологических особей, весьма интересны. Оказалось, что наклевывание, вылупление и выживание этих особей (в течение 4–5 суток) остаются теми же, что и в наземном контрольном эксперименте. Кроме того, яйца, находящиеся в контрольном контейнере (вне корпуса спутника) и получившие суммарную дозу радиации порядка 30 рад (у яиц в «Биоблоке-2» — 6000 мрад), имеют практически то же наклевывание и вылупление, что и яйца в «Биоблоке-2» и в контрольном наземном эксперименте. Однако прямая экспозиция контейнера с яйцами Артемия салина в космическом пространстве привела к задержке наклевывания и вылупления (рис. 9), а также к заметному уменьшению способности к выживанию по сравнению с наземным контрольным опытом.

Зерна табака, используемые в эксперименте «Биоблок», имели после полета пониженную степень прорастания и тенденцию к повышению частоты аномалий в развитии. В результате проводимой в настоящее время обработки будет выяснено влияние космического излучения и на другие биологические объекты.

Рис. 9. Процент наклевывания (а) и вылупления (б) Артемия салина из яиц: 1 — в наземных, 2 — в полетных условиях

Совместная программа по иммунологии состоит в изучении изменения иммунологического потенциала во время и после космического полета. Использовался метод определения иммунологического потенциала с помощью клеток крови и клеток селезенки. Наземная отработка метода проводилась на животных (крысах и кроликах). Полетный эксперимент по иммунологии «Улисс» был проведен на советском биологическом спутнике «Космос-936». При этом использовались предварительно иммунизованные крысы. После полета спутника часть биологического материала была отправлена в Париж, в Институт Пастера, а другая оставлена для изучения в Москве.

В области физиологии советские и французские ученые договорились о совместной разработке проекта «Минерва» по изучению мозгового кровообращения у человека в космическом полете. Предполагается измерить линейную и объемную скорость крови в сосудах головы с помощью прибора «Кровоток», использующего эффект Доплера.

Исследованиям по клеточной биологии был посвящен эксперимент «Цитос», осуществленный на космической станции «Салют-6». Цель его — изучить влияние факторов космического полета на кинетику пролиферации (размножения делением) одного из простейших — парамеций (Paramecium aurelia, класс инфузорий). Одна парамеция помещалась в маленький пластиковый мешочек с 1,3 мл питательного раствора и с двумя ампулами, снабженными фиксатором. Блок с несколькими десятками подобных мешочков помещался в контейнер с температурой 8 ± 1 °C, т. е. с такой температурой, которая не убивает парамецию, но подавляет способность ее к размножению.

Рис. 10. Размножение парамеций: 1 — в полетных; 2 — в наземных условиях

Этот изотермический контейнер был доставлен на борт орбитальной станции «Салют-6» с помощью космического корабля «Союз-27». Затем блок с парамециями был помещен в контейнер с температурой 25 ± 0,1 °C, способствующей пролиферации. С тем чтобы получить данные о кинетике размножения клеток, через каждые 12 ч в одном из мешочков разбивалась ампула с фиксатором, который как бы «замораживал» существующее состояние. Через следующие 12 ч разбивалась ампула в другом мешочке, и так далее. Всего было выполнено восемь таких фиксаций, т. е. рассмотрен процесс пролиферации, продолжавшийся в течение 96 ч. Блок с мешочками был возвращен на Землю в спускаемом аппарате космического корабля «Союз-26». Одновременно с полетным экспериментом проводился аналогичный контрольный эксперимент на Земле.

Хотя полная обработка данных еще не проведена, уже получены некоторые интересные результаты о клеточном делении в условиях космического полета. В частности, оказалось, что эти условия стимулируют пролиферацию. Как видно из рис. 10 иногда число парамеций в мешочке на борту космической станции было почти в 2 раза больше числа парамеций в контрольном эксперименте. Кроме того, объем клеток на борту был значительно большим, нежели клеток на Земле. Последнее говорит о том, что космические условия способствуют клеточному метаболизму. Наблюдения, проведенные с помощью электронного микроскопа, указали также на более развитую систему ресничек, которая у простейших служит средством движения и отчасти способствует захвату пищи.

Учитывая все эти результаты, ученые обеих стран договорились о продолжении экспериментов по клеточной биологии в космосе, с тем чтобы выяснить относительное влияние каждого из факторов — невесомости и радиации — на развитие клеток.

Примечания:

5

1 релей (Рл) = 10 фотонов/(с см² • 4?• ср).

6

Более подробно об этом см.: Ю. И. Гальперин. Полярные сияния в магнитосфере. М., «Знание», 1975.

7

Более подробно об этих исследованиях см.: И. М. Подгорный. Активные эксперименты в космосе. М., «Знание», 1974.