Техника помогает изучать космос

Техника помогает изучать космос

Одной из самых жгучих загадок, во все вре­мена волновавших ум человека, было небо —окружающий Землю космос. Планеты, звезды, туманности, кометы, космические лучи, радио­голоса космоса — какие только проблемы не возникают перед тем, кто дерзко пытается раз­гадать тайны Вселенной!

Бурный расцвет астрономии начался с изо­бретения телескопа. Человек стал видеть неизмеримо дальше, его глаз стал во много раз острее. Точнейшие линзы и зеркала опти­ческих систем современных телескопов имеют диаметр до 5 м. С их помощью удается увидеть галактики, удаленные от нас на огромные рас­стояния — примерно два миллиарда лет идет свет от этих галактик, пока не образует пят­нышко в том месте слоя фотоэмульсии на плас­тинке, куда он попадает, собранный гигантской линзой телескопа.

Улучшается не только оптика. Большую помощь астрономии оказывают такие новые методы и средства, как телевидение, радиоэлек­троника, кибернетика, многие достижения но­вейшей физики и т. п. Благодаря им удается фиксировать на небе все более слабые источни­ки света, разглядывать на поверхности планет более тонкие детали.

И все же возможности оптических приборов в изучении космоса принципиально ограничены тем, что эти приборы находятся на поверхности Земли, на дне величайшего воздушного океана. Рассеяние света атмосферой, придающее наше­му небу такой красивый голубой цвет, резко ограничивает «рабочее» время астрономов, сводя его, как правило, к нескольким ночным часам.

Да и ночью атмосфера мешает. Неизбежные колебания атмосферной толщи, перемешивание ее слоев, в результате чего звезды кажутся по­стоянно мигающими, делают невозможными их детальные исследования.

Не удивительно поэтому, что астрономы стремятся забраться со своими телескопами повыше в горы или пытаются установить их на огромных воздушных шарах — стратостатах. В ряде таких попыток удалось поднимать теле­скопы на высоту более 20 км, получая таким образом фотоснимки неба, невозможные на Земле. В будущем этот метод «стратосферной» астрономии будут, несомненно, развивать и применять все шире.

Но несравненно более радужные перспекти­вы открывают перед астрономами возможности создания астрономических обсерваторий на околоземной орбите, на искусственных спутни­ках Земли, а то и спутниках Солнца и пла­нет. Только там, вне земной атмосферы, ли­цом к лицу с космосом, астрономы смогут, наконец, использовать свою телескопическую технику «до дна». Мало того, в условиях неве­сомости, царящих на таких орбитальных обсер­ваториях, можно будет создать телескопы не­сравненно больших размеров, не боясь того, что вес массивных частей телескопа вызовет их деформацию и исказит изображение.

Заатмосферные обсерватории будут ценны не только этим. Сквозь атмосферу проходит лишь очень небольшая часть всего спектра электромагнитных волн, которые нам шлет космос. Большая часть ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, многие радиоволны, рент­геновские лучи и др. не достигают земной по­верхности, поглощаются в атмосфере. А с около­земной орбиты астрономы будут разглядывать космос на всех участках спектра электромагнит­ного излучения.

Пока еще подобных обсерваторий нет, но их создание не за горами. Ведь на околоземную орбиту уже выводятся первые автоматические, беспилотные спутники, снабженные приборами для астрономических наблюдений. В космичес­кое пространство вышел первый человек в скафанд­ре — А. А. Леонов. Он положил начало новой профессии, профессии будущего — «космических монтажников». Придет время, и на околоземных орбитах будут смонтированы первые большие оби­таемые спутники-обсерватории.

Но это не значит, конечно, что астрономам здесь, на Земле, уже нечего будет делать. Ведь далеко не любое оборудование можно вывести в космос. И прежде всего это касается новых мощных средств изучения космоса — радио­телескопов.

Появление радиоастрономии (эта наука изу­чает космос по излучаемым им электромагнит­ным колебаниям радиочастотного диапазона) было крупнейшим шагом вперед. Радиовол­ны, достигающие земной поверхности, имеют длину от нескольких миллиметров до 10—20 м. Это «окно» в космос значительно шире, чем бо­лее «старое», соответствующее видимому участку спектра, который изучает оптическая астроно­мия. Радиоволны такой длины шлют на Землю многие космические излучатели — межзвезд­ный газ, галактики, туманности, звезды, пла­неты. Радиоволны рассказали ученым уже о многих тайнах космоса и, несомненно, еще больше расскажут в будущем.

Своим успехом радиоастрономия обязана бурному расцвету радиотехники и радиоэлек­троники последних лет. Хотя мощность косми­ческих «радиостанций» часто бывает колоссаль­ной, сигналы от них доходят до Земли ничтожно слабыми, так как радиоволнам приходится преодолевать огромные расстояния. Уловить эти сигналы, принять, найти в общем радио­шуме космоса, пожалуй, не легче, чем услышать одного человека в громко кричащей толпе.

Современные радиотелескопы представляют собой грандиозные и высокосовершенные соору­жения. Так, телескоп, созданный на Окской радиообсерватории Академии наук СССР, имеет крестообразную антенну из двух отрезков пересе­кающихся параболических цилиндров длиной по 1000 м и диаметром 40 м. Поверхность этой антен­ны равна 80000 м²! Но еще больше, чем размеры радиотелескопов, поражают остроумие и техни­ческое совершенство методов усиления и рас­шифровки принимаемых ими радиосигналов космоса.

Прежде всего, конечно, сигнал должен быть принят и зарегистрирован. Но как это сделать, если сигнал ничтожно слаб и безнадежно, каза­лось бы, теряется в различных радиошумах космоса и собственном шумовом «фоне» прием­ной аппаратуры? Задача решается разными путями: создаются совершенные усилители, основанные на новейших достижениях физики; всемерно ослабляется собственный шумовой фон приемной аппаратуры, для чего, в частности, широко используется охлаждение до темпера­туры, близкой к абсолютному нулю; непрерывно увеличиваются размеры антенн и т. д.

Но вот сигнал принят и «очищен», отфильтро­ван. Теперь на арену выступают сложнейшие электронные вычислительные устройства. Их задача — тщательно изучить сигнал. Такой зафиксированный сигнал имеет вид сложной кривой, выражающей за­висимость интенсивности от частоты. Обработ­ка и исследование этих кривых и дают ученым в руки ценнейшие сведения о космосе. Так, например, изучая радиосигнал звездного водо­рода на волне длиной около 21 см, ученые по его интенсивности установили температуру меж­звездного газа, его распределение в галактике и т. д.

В последние годы наряду с пассивными мето­дами радиоастрономии, основанными на реги­страции приходящих из космоса радиосигналов, все большее применение получают активные методы. Эти методы заключаются в использо­вании достижений радиолокацион­ной техники (см. ст. «Радиолокация»). Мощ­ный радиолуч, посланный с Земли, достигает в этом случае поверхности изучаемого небес­ного тела, отражается от него, и радиоэхо при­нимается радиотелескопами. Такое радиозон­дирование небесных тел уже принесло астроно­мии много ценных сведений. Был осуществлен и очень сложный первый опыт межпланетной радиолокационной связи. Посланные по радио с Земли слова «Мир. Ленин. СССР» пере­секли космическое пространство, достигли Ве­неры и, отразившись от нее, возвратились на Землю. Они «пропутешествовали» более 85 млн. км!

Главные успехи радиоастрономии еще, ко­нечно, впереди. И едва ли не самые большие надежды наука связывает здесь с развитием квантовой радиофизики, с совершенствованием квантово-механических гене­раторов и усилителей электромагнитных колебаний — так называемых лазеров, мазеров и т. п. Ведь с их помощью уже сейчас удается, с одной стороны, во много раз усиливать самые слабые радиосигналы, а с другой — посылать электромагнитные лучи с невиданной концент­рацией энергии, что обеспечивает их проникно­вение на колоссальные расстояния (см. статьи раздела «Радиоэлектроника»).

Но если радиолокационные методы — один из способов активного изучения космоса, то в еще большей мере это относится к методам, основанным на достижениях ракетной техники и космонавтики (см. ст. «Ракеты, космические корабли, космодромы»), Ведь благодаря им ученые впервые получили возможность изучать космос с помощью прибо­ров, находящихся в космическом пространстве. Не говоря уже об огромном значении полетов космонавтов — особенно, конечно, когда в космос уходят многоместные корабли с целыми коллекти­вами исследователей. В будущем космические корабли, пилотируемые и беспилотные, т. е. автоматические, обследуют все околосолнечное пространство, а потом станут совершать и поле­ты к звездам. Но уже сейчас, в эти первые годы штурма космоса, достигнуты замечательные успехи, сделаны многие фундаментальные науч­ные открытия.

Эти открытия касаются и верхних слоев атмосферы, играющей столь большую роль во всей нашей жизни, и Солнца, и других небес­ных тел, и межпланетной среды, и еще многого другого. Некоторые из таких открытий были совершенно неожиданными для науки. Напри­мер, открытие водородной «геокороны» — ман­тии из атомов водорода, окутывающей Землю на высоте 20 000 км, или радиационных поясов, другого околоземного ореола, состоящего из заряженных частиц, электронов и протонов, движущихся в нескольких зонах на высотах от 500 до примерно 80 000 км. Удалось устано­вить отсутствие подобных радиационных поясов, как и собственного магнитного поля, у Луны, получить фотоснимки невидимой с Земли лун­ной поверхности, открыть существование «сол­нечного ветра» и т. д. (Более подробно обо всем этом рассказано в статьях раздела «Мир небес­ных тел» в т. 2 ДЭ.)

В большинстве случаев все эти открытия сделаны с помощью беспилотных геофизических ракет, искусственных спутников Земли, меж­планетных станций, зондов и других автома­тических космических летательных аппаратов, на борту которых устанавливаются самые раз­нообразные приборы и устройства. Все лучшие достижения радиоэлектроники, приборной тех­ники, автоматики и телемеханики, пневматики и гидравлики, теплотехники и кибернетики ставятся в этом случае на службу науки, изу­чающей космос. Чаще всего приборы для косми­ческих аппаратов приходится создавать, по существу, заново. И не удивительно — ведь раньше в них просто не было нужды. Это отно­сится, например, к датчикам, регистрирующим удары микрометеоритов по обшивке спутника, различного рода ловушкам и приборам, анали­зирующим состав газов в верхних слоях атмо­сферы. Можно назвать также точнейшие магни­тометры для измерений магнитного поля в кос­мосе, приемники коротковолнового солнечного излучения, аппаратуру, с помощью которой была произведена фотосъемка невидимого лика Луны с последующей передачей изображений на Землю.

Для осуществления многих научных иссле­дований спутник или автоматическая межпла­нетная станция должны быть предварительно ориентированы определенным образом в про­странстве. Часто оказывается необходимым и поддержание заданной ориентации в течение длительного времени, т. е. так называемая ста­билизация. Без такой стабилизации искусствен­ные небесные тела обязательно будут кувыр­каться и вращаться, вообще окажутся очень неустойчивыми.

Предложено и создано много самых различ­ных, иной раз весьма хитроумных систем ориен­тации и стабилизации в космосе. Все они вклю­чают в себя датчики положения, т. е. чувстви­тельные элементы, определяющие положение аппарата относительно известных космических ориентиров — звезд, Солнца, Земли, гравита­ционного или магнитного поля и т. п.; вычисли­тельные устройства, устанавливающие харак­тер необходимых действий для придания аппа­рату должной ориентации и ее поддержания; командные приборы, посылающие соответствую­щие сигналы исполнительным органам. Во мно­гих случаях исполнительными органами слу­жит система реактивных сопел, из которых в нужный момент вытекает струя газа или пара.

Так современная техника в содружестве со многими другими отраслями знаний помогает человеку в осуществлении его древнейшей меч­ты — в изучении и покорении космоса.