Issuu on Google+


Лаборатория Красного яра Научные ответы на космические вопросы

Красноярск 2011


УДК 521.1 ББК 22.6 Л12

Л12

Лаборатория Красного яра. Научные ответы на космические вопросы  / составители текстов Е. С. Задереев, А. Ю. Яковлева.  — Красноярск : ООО «Издательство Поликор», 2011. — 132 с., ил. ISBN 978-5-91502-050-3

Что мы знаем о космосе и грозит ли Земле опасность с небес? Что нужно для того, чтобы полететь к далёким планетам? Какие космические технологии уже сегодня облегчают жизнь человеку? В нашей книге ты найдёшь ответы на эти и другие вопросы. О современных достижениях астрофизики и космонавтики тебе расскажут известные учёные и конструкторы. Люди, которые уже сегодня исследуют Вселенную, проектируют спутники и космические аппараты, решили поделиться своими знаниями и прогнозами. Открой книгу — и таинственный космос станет тебе ближе и понятнее. УДК 521.1 ББК 22.6 ISBN 978-5-91502-050-3

© Агентство «Вертикаль», 2011 © ООО «Издательство Поликор», 2011


Вместо предисловия Дорогой друг! Как сказал поэт, «большое видится на расстояньи», иными словами — истинное значение событий можно понять только по прошествии времени, зачастую немалого. Однако случаются события, огромное значение которых не вызывает сомнений с того самого момента, как они происходят. 12 апреля 1961 года с космодрома Байконур стартовал космический корабль с человеком на борту. Первым покорителем космоса в истории человечества стал советский лётчик-космонавт Юрий Гагарин. После полёта Юрий Алексеевич объехал десятки стран, и везде его встречали как героя. Нам, людям XXI века, повседневно использующим спутниковые навигаторы, видевшим прямые трансляции с Международной космической станции, сложно в полной мере оценить то значение, которое имел тогда для жителей Земли первый полёт человека в космос. Можно только пытаться представить себе, каким загадочным и притягательным тысячи лет назад было для наших предков усыпанное звёздами ночное небо. Для того чтобы оторваться от Земли, сначала нужно было понять, чтó нас окружает вне её границ. Понять, что такое космос. Познания о неизведанной Вселенной ограничивались фантазиями, нашедшими своё отражение в древнем фольклоре. Ты, наверное, помнишь миф об Икаре. Он разбился, потому что его крылья, сделанные из воска, расплавились от жара Солнца, когда герой поднялся слишком высоко в небо. Сегодня мы знаем, что Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, и гораздо раньше, чем с солнечным жаром, Икар столкнулся бы с космическим вакуумом и невесомостью, где бесполезно махать

крыльями и нечем дышать. Шаг за шагом к началу ХХ века наука в целом уже пришла к пониманию того, как устроена Солнечная система, и формулировала теории об устройстве Вселенной — теории, которые необходимо было проверить на практике. Требовались усилия гениальных конструкторов для того, чтобы создать аппараты, способные преодолеть притяжение Земли и выйти за пределы околоземного пространства. Спустя годы такие аппараты были построены. Но оставался вопрос — как поведёт себя живое существо в столь необычных для него условиях? Первый полёт человека в космос был дерзким шагом в неизвестность, и его успех ознаменовал главное достижение — мы преодолели земное притяжение, и теперь нашим домом гипотетически может стать любая точка во Вселенной. На страницах нашей книги о прошлом, настоящем и будущем человека и космоса тебе расскажут известные учёные и  конструкторы. Именно они сегодня проектируют летательные аппараты и запускают их в космос, исследуют самые дальние уголки Вселенной с помощью современных телескопов и смотрят на Землю «глазами» спутников. Мы обратились к ним с вопросами от твоих сверстников, таких же школьников, как и ты. Почему учёные отвечают на эти вопросы? Потому что любой профессионал хочет, чтобы его дело развивалось, а лучший способ добиться этого — поделиться своими знаниями и планами с теми, кто может прийти на смену. Переверни страницу — и перед тобой откроют свои двери космические лаборатории, познакомившись с которыми ты узнаешь, как далеко за пределы неба заглянул пытливый ум человека.


Лаборатория дальнего космоса

Дотянуться до звёзд Государству не может быть инако, яко к пользе и славе, ежели будут такие в нём люди, которые знают течение тел небесных и времени…; чего ради иметь надлежит первой класс академиков, который состоять должен из астрономов… Регламент Императорской Академии Наук и Художеств в Санкт-Петербурге, 1747 г.


Вопрос

— Многие фантастические фильмы и книги рассказывают о том, что когда-нибудь Земля примет сокрушительный удар из космоса, и наступит конец света. Скажите, насколько реальна для нашей планеты угроза из космоса? Как мы можем узнать о приближении астероида или другой опасности? Что делают учёные для того, чтобы разобраться с устройством Вселенной и быть готовыми к любым космическим сюрпризам? Александр Крутей, Заозёрный


Ликбез Философский космос Слово «космос» пришло к  нам из  Древней Греции и  изначально обозначало общий порядок мироус т р ойс т в а   — в   п р о т и в ов е с хаосу. В этом смысле космос был не только научным, но и философским понятием. Упорядоченное мироздание, стремящееся к  гармонии, — так воспринимал космос известный математик и  философ Пифагор. Сейчас  же под космосом мы обычно подразумеваем Вселенную. Это научное понятие, описывающее весь окружающий мир. Мы знаем, что за  пределами Земли существуют планеты, звёзды, кометы, астероиды, галактики, туманности, возможно — чёрные дыры и многие другие космические объекты, составляющие Вселенную. Ближайшая к нам её область — околоземное пространство и планеты Солнечной системы — получила название «ближний космос», остальное пространство — «дальний космос». Этими терминами мы пользуемся, отдавая себе отчёт, что грань между ближним и дальним космосом провести непросто.

Наука об устройстве Вселенной Изучением космоса занимается наука астрономия. В её задачи входят как исследование самих космических объектов, так и создание теории их образования, существования, развития и взаимодействия. Столь обширная область исследований приводит к возникновению узких специализаций. В астрономии выделяют несколько основны х ра зделов и  на пра влений: астрофизика, астрометрия, космология, небесная механика  — которые в  свою очередь делятся на подобласти по способам исследования и  применяемым методам (например, радиоастрономия, звёздная астрофизика, теоретическая астрометрия, палеоастрономия). Все эти направления взаи модейс т ву ю т д ру г с  д ру г ом и  базиру ются на  достижениях физических наук. В  то  же время некоторые области астрономии могут опираться и на другие дисциплины, включая гуманитарные. Например, палеоастрономия

7

связана с  историей, археологией и даже лингвистикой. В  целом изучение космоса как Вселенной неотделимо от мировой науки и плотно вплетено в общую структуру знаний. Изучая космос, мы изучаем мир.

Телескоп — это оптический прибор, который позволяет увидеть тусклые или невидимые невооружённым глазом небесные объекты. Современные телескопы не только «видят» в оптическом, рентгеновском, гамма-, ультрафиолетовом и дальнем инфракрасном диапазонах, но и «ловят» космические частицы. А находиться они могут не только на Земле или в космосе, но и под водой.


Дотяну ться до звё

зд

Телескопы — на Земле, в воздухе и под водой

са. Ликбез ьнего космо л а д я и атор Лабор

8

Сегодня в  арсенале исследователей Вселенной имеются самые разные инструменты. И  прежде всего — всевозможные телескопы. В привычном понимании телескоп  — это опти ческ ий прибор, который позволяет увидеть тусклые небесные объекты, а также рассмотреть детали, невидимые невооружённым глазом. Однако когда человек смотрит на  небо при помощи обычной оптики, он наблюдает лишь узкую часть электромагнитного излучения, испускаемого различными объектами Вселенной. Космос же полон и других излучений. Многие из них не доходят до поверхности Земли — их поглощает атмосфера. Чтобы зафиксировать такие излучения и  представить более полную картину, человек создаёт особые устройства и выводит их в космос. Это тоже телескопы  — но они работают в рентгеновском, гамма-, ультрафиолетовом, дальнем инфракрасном диапазонах. Некоторые «телескопы» вообще удивительны: они находятся… под землёй или под водой. Такие телескопы-детекторы используют для наблюдений за  элементарными частицами нейтрино.

Нейтрино — частицы, не имеющие электрического заряда и очень слабо взаимодействующие с веществом. До  сих пор учёным неизвестна точная масса нейтрино, однако изу чение свойств этих частиц (в  частности, энергетического спектра солнечных нейтрино)

помогает лучше проследить динамику астрофизических процессов и важно для понимания того, как устроена наша Вселенная. Один из  самых больших в  мире нейтринных телескопов находится в  озере Байкал, на  глубине более километра.

Космический телескоп «Хаббл»


Time line

II тыс. до н. э. — у шумеров появился лунный календарь. 134 год до н. э. — Гиппарх сос��авил первый звёздный каталог, разбив 850 звёзд на 6 классов по видимому блеску. 46 год до н. э. — введён юлианский календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном. 1530 год — Николай Коперник завершил свой главный труд «О вращении небесных сфер». 1609 год — Галилео Галилей проводит первые научные телескопические наблюдения с помощью инструмента собственного изготовления. 1609—1619 годы — Иоганн Кеплер в своих трудах формулирует законы, позволяющие описать строение Солнечной системы. 1687 год — Исаак Ньютон формулирует закон тяготения и выводит из него все три закона Кеплера. 1781 год — английский учёный Уильям Гершель открывает седьмую планету Солнечной системы — Уран. 1837 год — впервые надёжно измерен годичный параллакс звезды (годичные параллаксы являются показателями расстояний до звёзд). 1846 год — открытие «на кончике пера» (на основании математических расчётов) Нептуна — восьмой планеты Солнечной системы. 1850 год — первая фотография звезды Вега. 1859—1962 годы — Р. Бунзен и Г. Кирхгоф разрабатывают основы спектрального анализа, позволившего получать информацию о химическом составе небесных тел. 1874 год — опубликован первый фотографический атлас Луны. 1922 год — наблюдения Эдвина Хаббла позволяют установить факт наличия во Вселенной многих галактик. 1922—1924 годы — Александр Фридман создаёт космологическую теорию расширяющейся Вселенной. 1929 год — установлен закон Хаббла.

Начало 1930-х годов — Фриц Цвикки делает заключение о существовании во Вселенной скрытой массы. 1951 год — доказана спиральная структура нашей Галактики. 1959 год — получены первые фотографии обратной стороны Луны. 1965 год — открытие реликтового излучения, первые фотографии поверхности Марса («Маринер-4»). 1970 год — доставка на Землю лунного грунта в автоматическом режиме с помощью космического аппарата «Луна-16». 1970 год — первая мобильная автоматическая лаборатория на Луне «Луноход-1» (доставлена с помощью космического аппарата «Луна-17») . 1971 год — первая мягкая посадка на Марс (космический аппарат «Марс-3»). 1975 год — первая фотопанорама поверхности Венеры (космические аппараты «Венера-9», «Венера-10»). 1977 год — запуск аппарата «Вояджер-2», пере9 давшего неоценимую информацию о внешних планетах (Юпитер, Сатурн — 1981 год; Уран, Нептун — 1989 год). 1986 год — исследование кометы Галлея с помощью автоматических межпланетных станций «Вега» и «Джотто». 1990 год — на орбиту выведен телескоп «Хаббл»; за годы работы «Хаббл» получил более одного миллиона изображений тысяч небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. 1998 год — открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых. 2009 год — обнаружен самый дальний объект во Вселенной — телескопы зафиксировали гигантский взрыв суперновой, которая расположена от нас на расстоянии 13,14 миллиарда световых лет. Это не означает, что дальше ничего нет, просто мы пока ещё не имеем инструментов, которые могут зафиксировать более далёкие объекты.


я дальнего космоса. Дотяну ться до звёзд Лаборатори

Астрономию по праву можно отнести к одной из первых наук. Легко представить, как человек, осознавший себя разумным существом, посмотрел на ночное небо и задался вопросом: а что такое звёзды? От первых наблюдений и веры в неразрывную связь между событиями в космосе и жизнью людей до теории относительности Эйнштейна и телескопов на орбите астрономия прошла длинный путь. Но и сегодня Вселенная хранит очень много тайн…

Р Иаззидсетлории Была астрология, стала астрономия Жрецы-астрономы Человек всегда смотрел в  небо, пытаясь разгадать его тайны. Почти у всех древних цивилизаций Земли мы находим свой взгляд на устройство Вселенной. Шумеры, китайцы, индейцы Южной и Северной Америки, египтяне  — все они вели наблюдения за звёздами и планетами, постигая окружающий мир и  его законы. Естественно, в  те времена разделения на  ближний и дальний космос ещё не было. Господствовавшие представления древних народов сложно на звать нау чными теори ями. Как правило, это были мифологические сюжеты, связанные с жизнью и рождением богов, «создававших мир». Именно боги «отвечали» за  восход Солнца, смену времён года и многие другие циклические

В середине XX века учёными были открыты пульсары — нейтронные звезды, которые испускали узконаправленные потоки радиоизлучения. Первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (сокращение от Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Учёные не исключали, что регулярное повторение импульсов может иметь искусственное происхождение. Но вскоре стало понятно, что вспышки обладают естественной природой и не имеют никакого отношения к инопланетянам.

явления, которые древние люди нау чились систематизировать, соста вл я я первые ка лендари. Не удивительно, что в  большинстве цивилизаций ответственными за наблюдения и, по сути, астрономические работы были жрецы. Первыми цивилизациями, организовавшими регулярное наблюдение за  звёздами, стали древние Вавилон и  Китай. В  обязанности вавилонских жрецов и китайских чиновников входило описание всего необычного, происходящего на небе, составление календарей и… предсказание будущего. Ведь в то время считалось, что звёзды непосредственно влияют на все земные события, и  духовно-мистическая составляющая наблюдений играла важную роль в принятии решений. В  Вавилоне была создана подробная карта созвездий и выделен зодиак. Жители Междуречья составили множество астрономических таблиц, создали солнечный и лунный календари, научились точно предсказывать затмения. Похожим путём развивалась наука


и  у  других древних цивилизаций (Египта, Индии, Южной и  Центральной Америки), оставивших свой след в исследованиях космоса.

Основатели астрономии Изу чение космоса полу чило особое развитие у  древних греков. Именно они заложили основы астрономии как научной дисциплины, и её развитие происходило долгие годы на базе трудов греческих учёных. Среди достижений античной науки — создание первых угломерных астрономических инструментов (гномон, астролябия, армиллярная сфера), объяснение природы многих астрономических явлений (например, солнечных и  лунных затмений), составление первых точных звёздных каталогов, открытие шарообразности Земли, прецессии и  многое другое. Но  всё  же главным вкладом греков стоит считать то, что они применяли в исследовании звёзд математический аппарат и последовательную методологию. Греки не  только внимательно наблюдали за небесными телами — они пытались объяснить их движение. Синтез наблюдений и математического аппарата породил первые стройные космологические теории. Наиболее известной из  них стала геоцентрическая система мира Аристотеля, на которой базировались

11


зд Дотяну ться до звё

з истории о космоса. И г е н ь л а д атория Лабор

12

работы Гиппарха и его последователя Птолемея. Вплоть до  конца Средневековья идеи древних греков — в первую очередь Аристотеля и Птолемея — господствовали как в Европе, так и в исламском мире. Развитие астрономии происходило в сторону улучшения астрономических приборов и  накопления новых наблюдений. Теория же, хоть и  подвергалась сомнениям многими учёными и богословами, стояла незыблемо. Казалось, ничто не может поколебать древнее учение. Однако качественный скачок всё  же случился. И  связано это с изобретением телескопа.

От астролябии до телескопа Одним из древнейших астрономических инструментов — а также астрологических, так как в древние времена астрономия развивалась благодаря огромной популярности астрологии, — можно считать гномон. Вертикальный шест, позволяющий по  минимальной длине тени в полдень определить угловую высоту Солнца, хоть и был прост, но тем не менее дал старт появлению целого ряда угломерных инструментов. Точность гномона была невысока и зависела от его длины. Поэтому начали создавать более точные

измерительные инс т ру менты. Армиллярная сфера, которая отображала небесную сферу и использовалась для измерения координат небесных светил, стала следующим шагом. Точность её тоже оказалась невелика, но именно на её основе была создана астролябия — основной измерительный прибор, ставший незаменимым для астрономов и путешественников на долгие годы. Лишь в XVIII веке астролябию как основной навигационный инструмент вытеснил секстант. Все вышеперечисленные приборы роднит то, что они, позволяя вычислять положение или рассчиты-


вать координаты небесных светил, являлись довольно простыми угломерными инструментами, «зависящими» от человеческого глаза. Звёзды было необходимо приблизить. До сих пор идут споры, кто первым в мире создал подзорную трубу, впоследствии ставшую телескопом. Но это не особо и важно. Главное, что изобретение очень быстро попало в  нужные руки. Великий учёный эпохи Возрождения Галилео Галилей первым понял, какую огромну ю пользу астрономии может принести новый прибор. В 1609 году он конструирует свой первый телескоп и направляет его на небо. Уже самые первые наблюдения приносят важные открытия. Горы на Луне, спутники Юпитера, Млечный путь как с��опление множества звёзд  — эти и  другие поразительные результаты наблюдений Галилея дают мощнейший толчок новым астрономическим исследованиям. Телескопы развивались. Появились первые обсерватории. Всё больше и больше новых открытий происходило в  астрономической науке. Со временем стало понятно, что телескопы, работающие в оптическом диа па зоне, позвол яют зафиксировать лишь часть доступной о Вселенной информации. Люди научились измерять и фиксировать

13

и другие электромагнитные волны. Вскоре после открытия радио астрономия воспользовалась техническим прогрессом и стала применять радиотелескопы. А  далее, с выходом человека в околоземное космическое пространство, появились и телескопы на орбите Земли. Орбитальные приборы стали вести наблюдения не только в оптическом, но и в рентгеновском, гамма-, ультрафиолетовом и дальнем инфракрасном диапазонах.

А всё-таки она вертится В Средние века в Европе господствовала модель Аристотеля  — Птолемея, поддержанная церковью и  видными богословами. Однако наступившая эпоха Возрождения, повлёкшая за  собой интерес к наукам и, как следствие, развитие и совершенствование наблюдений за небом и улучшение астрономических приборов, заставила задуматься о незыблемости старых знаний. Всё больше и больше учёных


д Дотяну ться до звё з

з истории о космоса. И г е н ь л а д атория Лабор

14

находили нестыковки в устройстве геоцентрической системы. Вносимые поправки временно улучшали дело, но круг вопросов расширялся. Пришло время новых теорий, и они не заставили себя ждать. Появились первые труды учёных, которые не считали Землю центром Вселенной и  допускали как множественность миров, так и бесконечность космоса. Несмотря на то, что подобные взгляды разделяли и некоторые учёные Древней Греции, для Европы это был прорыв. И в конце концов произошло очень важное для развития астрономии событие — появилась новая гелиоцентрическая система мира Николая Коперника, в  основе которой лежал тезис о том, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Революционная по  тем временам теория немедленно вызвала отклик у астрономов Европы. Галилео Галилей, проводя наблюдения с помощью телескопа, обнаруживает спутники Юпитера, что становится важнейшим доводом против сторонников геоцентризма. Изучая инерцию, Галилей опровергает тезис Аристотеля о противоположности «земного» и «небесного» и показывает, что законы движения для земных и небесных тел едины. В  это  же самое время, дополняя идеи Коперника, Иоганн Кеплер

создаёт свою теорию устройства Вселенной, в которой отказывается от  основного постулата предыдущих систем — движения по окружности, допуская существование эллиптических орбит для небесных тел. Система Коперника — Кеплера становится самой передовой в мире и продолжает развиваться. Стоит отметить, что у  Галилея с Кеплером были разногласия по  поводу устройства Вселенной и  что кроме системы Кеплера  — Коперника существовали и другие системы, совмещающие постулаты как гео-, так и гелиоцентрической теорий. Но первый шаг к современному пониманию Вселенной был сделан. Оставалось получить ответы от другой области науки — физики. В начале XVIII века происходит событие, кардинально повлиявшее на развитие всей науки: выходят в свет труды Исаака Ньютона. Законы механики и  всемирного тяготения заставляют учёных пересмотреть взгляды на  устройство Вселенной.

Разлетающаяся Вселенная Работы Ньютона и Кеплера дают мощнейший толчок для развития астрономии на  многие годы вперёд, вплоть до наших дней. Создаются точные методы вычисления

расстояний межд у небесными телами. Расчёт траектории движения тел с учётом гравитационного взаимодействия приводит к открытию новых объектов. Предсказывается существование чёрных дыр. Развитие ньютоновской механики Альбертом Эйнштейном рождает теорию относительности, которая даёт учёным новые возможности для понимания устройства окружающего мира. Применив уравнения Эйнштейна ко всей Вселенной, в 1922—1924 годах наш соотечественник Александр Фридман создаёт космологическую теорию расширяющейся Вселенной, предвосхитившую магистральные идеи современной астрофизики. Несколько лет спустя Эдвин Хаббл открывает знаменитый закон пропорциональности, описывающий связь между скоростью удаления галактик и расстоянием до них. Связь между развитием различных областей науки и  изучением космоса, проявлявшаяся в истории уже не раз, снова даёт о себе знать, когда ученик А. Фридмана Георгий Гамов применяет к объяснению космических явлений законы ядерной физики и в 1948 году создаёт теорию Большого взрыва. По этой теории в пространстве должно существовать так называемое реликтовое излучение, которое обнаружили


Нейтронная звезда — пульсар

в  60-х годах прошлого столетия. Кроме того, список объектов дальнего космоса пополняется квазарами, открытыми в  конце 1950-х. Но  и  это ещё не  всё. В  1967  году учёные фиксируют новое явление в дальнем космосе — гамма-всплеск. Предположительно это луч мощного излучения, который испускает быстро вращающаяся массивная звезда, когда превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру.

Маленькие зелёные человечки В 1967 году были открыты пульсары. Пульсар  — это нейтронная звезда, испускающая узконаправленные потоки радиоизлучения. Когда нейтронная звезда вращается, поток излучения попадает в  поле зрения наблюдателя через равные промежутки времени. Относительно простое объяснение этому космическому явлению астрофизики нашли не сразу. Первому открытому пульсару присвоили имя LGM-1 (сокращение от Little Green Men — «маленькие зелёные человечки»). Тогда учёные не исключали, что импульсы, повторяющиеся строго периодически, могут иметь искусственное происхождение. Очень скоро, однако, исследователи обнаружили большое

15

число подобных объектов. Стало очевидно, что радиоимпульсы обладают естественной природой и  не  имеют никакого отношения к внеземным цивилизациям. Н а   с е г од н я н а м и з в е с т н о около дву х тысяч нейтронных звёзд — пульсаров. Нельзя не  сказать и  о  том, что в середине прошлого века в изучении дальнего космоса случился ещё один эпохальный прорыв — человечество проникло в космос. И пусть межзвёздные перелёты случатся

ещё нескоро, но исследования с  помощью автоматических зондов и вывод мощнейших телескопов в космос уже дали человечеству новые знания, копилка которых будет только пополняться. Что таит в себе дальний космос? Как устроена чёрная дыра? Какова природа таинственных гаммавсплесков? В чём состоит природа тёмной материи? Что представляет собой тёмная энергия? Учёные сейчас ищут ответы на  эти вопросы. Появляются новые теории, новые методы исследований.


я дальнего космоса. Дотяну ться до звёзд Лаборатори

Современные представления о Вселенной настолько поразительны и даже в чём-то невероятны, что трудно ожидать от писателейфантастов откровений. Для многих космос — лишь антураж для людских драм. Познавая дальний космос, встречаясь с другими цивилизациями, сталкиваясь с необъяснимыми явлениями, герои книг изучают в первую очередь себя, свои творческие и моральные качества. И расширяют наши горизонты.

В научной фантастике Космос — великий и ужасный Космос манит, космос пугает Тайны космических глубин вдохновляли не только учёных-исследователей. От космоса часто ждали беды: неслучайно картины гибели цивилизации восходят к описанному в Откровении Иоанна Богослова (конец I в. н. э.) Дню гнева — судному дню расплаты человечества за свои грехи, когда на Землю падают звёзды, небо становится как свиток, Луна как кровь, а Солнце как власяница… Одним из самых известных произведений научной фантастики об угрозе из космоса является роман «Война миров» (1897) Герберта Уэллса, который описывает вторжение марсиан на Землю. С этим романом произошла интересная история. Сейчас многие слушают

Одним из самых известных произведений научной фантастики об угрозе из космоса является роман «Война миров» Герберта Уэллса. В 1938 году стилизованный под репортаж в прямом эфире радиоспектакль по этому роману вызвал панику в некоторых районах США. Ситуация повторилась через восемь месяцев в столице Эквадора. Жители сначала запаниковали, а когда поняли, что испугались радиопостановки, разгромили радиостанцию.

аудиокниги, а раньше были популярны радиопостановки, в  которых актёры читали по радио сцены из  романа по  ролям. В  1938  году знаменитый американский режиссёр Орсон Уэллс подготовил радиоспектакль по книге «Война миров», стилизовав его под «репортаж в прямом эфире» об инопланетном вторжении. Многие радиослушатели приняли это за чистую монету. Постановка вызвала панику в ряде районов США. Ситуация повторилась через восемь лет в столице Эквадора. Жители сначала запаниковали, а когда поняли, что испугались радиопостановки, разгромили радиостанцию. Погибло шесть человек. Пожалуй, страх перед угрозой из  космоса действительно сидит где-то в  глубине нашей ду ши. Стоит лишь дать ему повод выйти наружу, и паники не из��ежать. И  в  то  же время космос всегда ма нил к  себе людей. Именно по э т ом у п ис ател и с  да вн и х пор отпра вл я ли т у да свои х героев. Сначала на  ближайший


косми ческ ий объект  — Лу н у (книги Фрэнсиса Годвина «Человек на Луне», 1638, и Сирано де Бержерака «Иной свет, или Государства и  империи Луны», 1650; романы Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут», 1865, и «Вокруг Луны», 1869; повесть К. Э. Циолковского «На Луне», 1893, и др.). Потом — на планеты Солнечной системы, прежде всего Марс (среди первых фантастических произведений о Красной планете — повесть А.  Н.  Толстого «Аэлита», 1923). А затем и дальше — к звёздам.

Декорация для героя Бу м , в ы з в а н н ы й н а ч а л о м полё т ов в   около з е м но е п р о странство, породил самые разные жанры и  на пра вления в  фантастической литературе  — от  постапокалиптических ужастиков (например, выходившей в 1967—2005 годах серии «Берсеркер» Ф. Саберхагена про уничтожающие всё живое в  Галактике корабли-убийцы) до  практически фэнтезийных космических опер (цикл Э. Гамильтона «Звёздные короли», 1947—1969). Однако большинство этих книг роднит лишь место действия  — космос. Оказалось, что тема исследования дальнего космоса интересна

17


18

писател ям преж де всего с точки зрения изучения поведения человека в экстремальной, невозможной на  Земле с и т у а ц и и. В о ору жён н ые квантовыми гиперпереходами и  ионными двигателями герои решают в первую очередь социальные задачи, а  дальний космос является при этом лишь декора ци я м и, на  фоне ко торы х ра зворач и ваются события. Яркими примерами такой литературы являются произведения братьев Аркадия и  Бориса Стругацких, посвящённые миру Пол у д н я (19 62 —19 8 6 , начало цикла  — повесть «Пол день. X X II  век»), и эпопея «Люди как боги» (1966—1977) Сергея Снегова. Знаковым произведением подобного рода является социально-философска я комму нистическая утопия «Туманность Андромеды» (1957) Ивана Ефремова. Эта книга считается одним из самых ярких достижений мировой фантастики середины XX  века. В  ней есть и  межзвёздные пе р е лё т ы, и   г р а н д ио зн ые


нау чные эксперименты, и  преображённая общим трудом человечества прекрасная Земля, вступившая в Великое Кольцо населённых миров Галактики. Однако в центре романа находятся судьбы, чувства и взаимоотношения нескольких героев: их понимание любви и дружбы, ответственность за принятие решений, методы воспитания подрастающего поколения, отношение к истории и так далее.

Разумный океан Особо в  литерат у ре след ует выделить тему контакта с  внеземной цивилизацией. Существуют ли другие обитаемые миры вообще? Как могут выглядеть инопланетяне? Эти вопросы не устают задавать себе не  только учёные. Их  рассматривают и  писатели, предлагая читателям своё видение иных миров и  свои решения. Один из наиболее значимых романов на эту тему — «Солярис» (1961) Станислава Лема. Землянеисследователи космоса оказываются неготовыми к  тому, что обнаруженная ими цивилизация кардинально не  похожа на  привычные земные формы жизни. Планета Солярис экономически непривлекательна, её атмосфера непригодна для свободного дыхания, на ней нет привычных живых

орга низмов. Стра нный океа н, покрывающий практически всю поверхность планеты, оказывается органической материей, но долгое время земные биологи считают его примитивной, ч удовищно огромной жидкой клеткой, хотя эта структура способна особым образом влиять на  орбиту планеты, не  позволяя ей стать жертвой сил притяжения двойного солнца. Позже учёные приходят к выводу, что океан — мыслящее существо, протоплазменное моремозг. Люди в  поисках объяснений перебирают земные аналоги: одни считают Солярис замкнутым на себе «космическим йогом», дру гие  — «океа ном-дебилом», сошедшим с ума от космического одиночества, третьи  — «богомнеудачником», который не может понять ни  пришельца-человека, ни своих собственных созданийфантомов. Герои книги, пытаясь войти в контакт с протоплазмой, ната лкиваются на  неординарну ю реакцию мыслящего океана: каждый раз она оказывается за гранью возможного и ожидаемого. С. Лем комментировал свой замысел так: «Феномен очередных появлений Хари использовался мною для реализации определённой концепции, которая восходит чуть  ли не  к  Канту. Существует

ведь Ding an sich, Непознаваемое, Вещь в себе, Вторая сторона, пробиться к  которой невозможно». Именно поэтому для человека оказываются одинаково проигрышными и стратегия прямого воздействия, и стратегия описательного наблюдения. А что же порекомендовать тем, кто интересуется проблемой преимущественно с технической точки зрения? Научно-популярную литературу. Например, книги учёногопопуляризатора Стивена Хокинга «Краткая история времени» (1988) и «Вселенная в ореховой скорлупке» (2001). Не менее увлекательным чтением окажется классическая работа советского учёного Иосифа Шкловского «Вселенная. Жизнь. Разум» (1987) — даже несмотря на то, что с точки зрения современной астрофизики ряд сведений в ней существенно устарел. Также актуальную информацию об  астрономической науке можно почерпнуть из  энциклопедии «Астрономия. Век XXI» (выпущена издательством «Аванта+» в  2008  году). Не  стоит забывать и об Интернете: на таких сайтах, как elementy.ru, astronet.ru, astronomy.ru, можно и пообщаться с   а с т р оно м а м и-л ю би т е л я м и, и задать вопросы лучшим российским учёным.

19


я дальнего космоса. Дотяну ться до звёзд Лаборатори

Что же известно современной астрономии? Осталось ли в ней место для астрономовлюбителей, или для любого открытия нужны сверхточные приборы? Об этом и о многом другом рассказывает кандидат физикоматематических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ Сергей Борисович Попов.

Языком науки Время переписывать учебники

Австралийский любитель астрономии Терри Лавджой (Terry Lovejoy) модифицировал стандартные цифровые камеры под нужды любительской астрофотосъёмки слабо светящихся объектов и с помощью одной из своих камер открыл комету, носящую теперь его имя. Среди молодых российских любителей, добившихся больших результатов, можно упомянуть имена Андрея Самохвалова и Станислава Короткого, известных своими наблюдениями переменных звёзд и других небесных тел.

Как поймать комету? Если вы хотите совершить астрономическое открытие, есть два основных пути (не считая того, что открытие вдруг чудесным образом само свалится вам на голову): или регулярные самостоятельные наблюдения, или обработка данных в рамках определённой программы. Организация самостоятельных наблюдений, которые могли бы дать интересный научный результат, — довольно сложное дело. Такое под силу хорошим кружкам и клубам, в одиночку школьнику будет очень трудно. К тому же чтобы, например, самостоятельно открывать астероиды, потребуются не только личные усилия, но и недешёвое оборудование. В мире (в том числе и в нашей стране) есть единичные примеры того, как одиночки с большим опытом достигали достаточно высокого уровня, чтобы получать хорошие научные результаты не  случайно и не однажды. Из  всех доступных самостоятельных наблюдений, которые могут с  высокой вероятностью


Астероид вблизи

дать научный результат, наибольшей популярностью у  любителей пользуются наблюдения переменных звёзд  — светил, меняющих свой блеск. Количество интересных объектов этого типа настолько велико, что даже автоматические обзоры не позволяют собрать всю информацию. Это  классический пример ситуации, в которой работа любителей важна и востребована. Для публикации результатов существуют и  узкоспециализированные издания, например электронный журнал «Переменные звёзды» (http://www.astronet.ru/db/varstars/). Существует группа любителей — ловцов комет. Известные небесные тела, открытые ими, — это комета Хиакутаке и  комета Хейла-Боппа (Томас Бопп  — астроном-любитель). Некоторые из ловцов проводят наблюдения самостоятельно, на своём оборудовании. Но в этой с ф е р е , д а же п о т р ат и в г од ы на довольно регулярные наблюдения и  имея хорошую аппаратуру, можно ничего не открыть. Более успешны те, кто использует данные крупных профессиональных проектов. В первую очередь это данные американского спутника SOHO, который отслеживает Солнце. Кометы, приближаясь к нашей звезде на расстояние в  несколько солнечных радиусов

В 2010 году аппарат Европейского космического агентства «Розетта» приблизился к астероиду Лютеция на расстояние 3 170 километров (это очень близко по космическим меркам) и сделал ряд снимков поверхности в разных спектральных диапазонах. Астероид Лютеция входит в пояс астероидов — область Солнечной системы, расположенную примерно между орбитами Марса и Юпитера. В этом поясе находится множество небольших планетоподобных объектов разных размеров. Сама Лютеция, а точнее её состав, долгое время была загадкой для астрономов. Обычно астероиды такого типа в основном состоят из металлов. Но на поверхности Лютеции, как показывали дистанционные методы исследования, металлы в больших количествах не обнаруживались. Снимки с «Р��зетты» позволили разгадать почему. Выяснилось, что поверхность астероида покрыта толстым 600-метровым слоем реголита, который возникает на поверхности многих космических объектов (например, Луны) в результате дробления, перемешивания и спекания пород при падениях метеоритов и микрометеоритов. Измерения, выполненные «Розеттой», позволили определить массу астероида и температуру на его поверхности. Оказалось, что Лютеция — это каменная глыба диаметром около 100 километров и общей массой 21 1 700 триллионов тонн. Максимальная температура на её поверхности достигает –28 °С. Как видим, человек уже сегодня может исследовать достаточно удалённые от Земли космические объекты. Пока это единичные экспедиции, цель которых — не только узнать больше о конкретном астероиде или планете, но и проверить наши технические возможности.

Этот снимок астероида Лютеция, выполненный спу тником «Розетта», был опубликован в научном журнале Science в конце октября 2011 года. Трудно представить, что где-то недалеко от Земли, по космическим меркам, летают такие каменные глыбы. К счастью, орбита Лютеции не пересекается с орбитой Земли. Однако астрономы постоянно исследуют небо в поисках потенциальной опасности.


и  попадая в  поле зрения приборов спутника, активно испаряются и становятся легко заметными. Счёт кометам, открытым с  помощью SOHO, перевалил в 2010 году за две тысячи. Среди первооткрывателей есть и астрономы-любители.

Дотяну ться до звё з

д

Открытие кликом мышки

ом науки осмоса. Язык к о г е н ь дал атория р о б а Л

22

Взаимодействие четырёх скоплений галактик, видимых в оптическом диапазоне. Красным показан горячий газ, наблюдаемый в рентгеновском диапазоне http://chandra.harvard.edu/photo/2011/a2744/

Сей час всё больш у ю поп улярность приобретают проекты, в  которых все желающие могут использовать данные профессиональных наблюдений, обрабатывая их по предложенным алгоритмам при помощи специально написанных компьютерных программ. На  Западе появился даже специальный термин — citizen scientists (отечественного аналога этого термина пока не существует; возможно, подошло  бы название «учёныелюбители»). Два самых известных таких проекта  — это Galaxy Zoo (galaxyzoo.org) и  Einstein@Home (einstein.phys.uwm.edu). Обе  программы предлагают несколько задач разного типа, и участники каждой из  них могут похвастаться интересными публикациями о  своих открытиях в  ведущих журналах (в  этом случае, разумеется, удачливые любители являются равноправными соавторами профессионалов). Оба  проекта планируют расширяться.


Проект Galaxy Zoo начинался со  стремления классифицировать галактики, используя данные профессионального обзора всего неба. Такую задачу нельзя целиком выполнить с  помощью программного обеспечения — нужны люди. Любители с удовольствием просматривали огромное количество изображений и «раскладывали галактики по полочкам». Но не только. В  процессе работы был открыт новый тип галактик (так называемые «зелёные горошины») и обнаружено несколько интересных объектов, природа которых сейчас активно обсуждается профессиональными астрофизиками. В  настоящее время Galaxy Zoo развивается. Например, появилась задача по классификации вспыхивающих объектов. Работа над ней может привести к  обнаружению новых интересных типов сверхновых и  других взрывов. Поле деятельности в этой области огромно. Проект Einstein@Home был вдохновлён инициативой SETI@Home (в  ней предлагалось загрузить на  свой компьютер программное обеспечение, которое в  фоновом режиме обрабатывало данные с  радиотелескопов, ищущих сигналы других цивилизаций). Первоначально задачи Einstein@Home предполагали обработку данных

с детекторов гравитационных волн. Но, к  сожалению, пока чувствительность детекторов недостаточно велика — и открытий не последовало. Крупные установки по наблюдению гравитационных волн сейчас находятся в стадии обновления. Тогда проект Einstein@Home нашёл себе другую, более реальную на сегодняшний день задачу  — поиск радиопульсаров. И здесь уже любители (в том числе и россияне) сделали несколько интересных открытий.

Всё чудесатее и чудесатее Астрономия (или, лучше сказать, астрофизика) — бурно развивающаяся наука. Связано это с тем, что мы пока ещё можем строить всё более и  более совершенные телескопы, работающие в разных диапазонах электромагнитного спектра, а также создавать приборы для регистрации других видов частиц и излучения (нейтринные детекторы, детекторы гравитационных волн, установки для изучения космических лучей). Сейчас в  области астрофизики появляется несколько десятков

оригинальных нау чных статей в день. Конечно, не все они содержат революционные результаты. Но тем не  менее это огромный поток информации, основанный на новых наблюдательных данных. Из этого объема информации следует, что совсем недавно мы знали намного меньше, чем сейчас. Всего лишь 20 лет назад мы и понятия не имели об экзопланетах — планетах, которые вращаются не вокруг Солнца, а вокруг какойнибудь другой звезды, — а  сейчас нам известны сотни таких объектов. Оказалось, что наша Солнечная система представляет собой всего лишь один из типов звёздных систем с планетами. В нашей системе относительно близко к  центру расположены небольшие каменные планеты, а газовые гиганты находятся в несколько раз дальше, на расстоянии в  миллиарды километров от звезды. Это не самый типичный случай. Среди экзопланет очень распространены так называемые «горячие юпитеры». Это  большие планеты, по массе и размерам похожие

Радиопульсар — это нейтронная звезда с сильным магнитным полем и быстрым вращением. Такие объекты — периодические источники радиоимпульсов. Период равен времени, за которое звезда делает оборот вокруг своей оси.

23


зд Дотяну ться до звё

ыком науки космоса. Яз о г е н ь л да атория р о б а Л

24

на Юпитер, но находящиеся очень близко от своих звёзд — они делают оборот иногда менее чем за  земные сутки! Удалось даже получить прямые изображения некоторых гигантских экзопланет (конечно, в этом случае речь идёт о планетах, расположенных далеко от  своей звезды, — иначе яркий свет мешает их обнаружению). На сегодняшний день рекордом является получение изображений сразу четырёх планетгигантов в одной системе. Задача обнаружения планет, подобных Земле, на  расстоянии от  звезды, примерно равном расстоянию от  Земли до  Солнца, технически является очень сложной. Тем  не  менее сейчас открывают и такие планеты. Последние исследования показывают, что они не являются очень редкими.

Куда бегут галактики? Всего лишь 15 лет назад мы не знали, что Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее, а сейчас космологи ломают голову над природой тёмной энергии, заставляющей наш мир раздуваться с ускорением. Вначале наблюдения далёких сверхновых, а потом и реликтового излучения и  скоплений галактик в больших масштабах показали, что около пяти миллиардов лет назад замедленное расширение Вселенной

сменилось ускоренным. За изменения может отвечать какое-то неизвестное поле — а может, это является свойством вакуума. Дальнейшие наблюдения и  исследования должны будут дать ответ, в чём причина такого явления.

Остаточный диск вещества, из которого формировалась звезда и планетная система

Взрывы в космосе Лишь 15 лет назад мы поняли, что гамма-всплески, не  дававшие покоя астрофизикам около 30 лет, происходят на космологических расстояниях в сотни миллионов и миллиардов световых лет, то есть связаны с колоссальными выбросами энергии, превосходящими энергию от  вспышек сверхновых. Открытые в конце 60-х годов с помощью спутников-шпионов, предназначенных для слежения за ядерными испытаниями, гамма-всплески до конца 90-х оставались загадкой. До тех пор исследователям не  удавалось обнаружить одновременную вспышку в других диапазонах энергии и точно измерить координаты источника. Это получилось лишь благодаря спутнику BeppoSAX, а после наземные наблюдения с  помощью больших оптических телескопов показали, что всплеск имел место в далёкой галактике. Стало ясно, что это колоссальные взрывы, происходящие

Планета

Север

Восток

Экзопланета около звезды Бета Живописца


на космологических расстояниях. Но детали механизма взрывов остаются неясными.

Частицы издалека

Размер орбиты Сатурна в Солнечной системе

Расположение звезды Бета Живописца Центральная часть рисунка (голубой круг) специально обработана, чтобы на фоне излучения яркой звезды и диска можно было увидеть слабую планету

Ещё 10 лет назад мы не  знали, откуда летят частицы космических лучей сверхвысоких энергий: то ли они рождаются после распадов массивных частиц в нашей Галактике, то ли ускоряются в каких-то космических ускорителях, находящихся в  десятках миллионов световых лет от нас. Сейчас мы точно знаем, что верен второй вариант, так как достоверно измерен дефицит частиц с самыми высокими энергиями. Он возникает из-за того, что частицы теряют свою энергию по мере движения от  далёкого источника к  нам из-за  взаимодействия с  фотонами реликтового излучения. Это удалось показать, введя в строй новую установку — обсе��ваторию имени Пьера Оже в Аргентине. Благодаря огромной площади и  комбинации разных методов регистрации удаётся собрать хорошую статистику по событиям с самыми высокими энергиями и точно эту энергию измерить.

Потерянная планета Рисунок: ESO/A.-M. Lagrange et al

За  орби той Неп т у на к ру пные тела начали открывать уже

в  X XI  веке (Эрида, Макемаке, Хаумеа). Это привело к тому, что в августе 2006 года Плутон потерял статус планеты и вместе с другими объектами (например, Церерой) стал называться «карликовой планетой». Транснептуновые объекты формируют Пояс Койпера, открытый менее 20 лет назад. Сей час в  нём извес тно более 1 000  объектов, но  исследования показывают, что число крупных (более 100 километров) тел может достигать 100 000. Для  разных типов вновь открытых малых планет пришлось вводить новые термины: плутоиды, плутино и  так далее. Таким образом, за  небольшой промежуток времени (меньший, чем человек тратит на образование от начальной школы до окончания аспирантуры) были сделаны открытия, которые заставляют переписывать главы учебников.

Открытия ближайшего будущего Будучи наблюдательной наукой, астрономия в своём развитии сильнейшим образом зависит от совершенствования наблюдательной техники. Прогресс в  компьютерных технологиях также очень важен: и для обработки данных наблюдений, и для моделирования.

25


Дотяну ться до звё з

д

Несмотря на большой прогресс, остаётся множество важных и интересных научных задач. Какие-то, возможно, будут решены в ближайшие годы, какие-то — не ранее чем через десятки лет.

Языком науки

26

Из крупных задач, которые можно надеяться решить в ближайшие несколько лет, выделю следующие четыре. 1. Лабораторная регистрация частиц тёмного вещества. Есть серьезные основания полагать, что установки следующего поколения позволят зарегистрировать сигнал от  взаимодействия частиц тёмной материи с обычным веществом. Это  позволит решить значимую задачу не только астрономии, но и всей физики: наконец-то важный элемент картины мира станет чётким и ясным. Для этого надо и  увеличивать размеры детекторов, и совершенствовать методику регистрации сигнала. Современные установки пока позволяют отбросить лишь некоторые обсуждаемые теоретиками

наборы параметров неуловимых частиц. Новые эксперименты, чертежи которых уже лежат на столах, должны обеспечить долгожданный прорыв и  позволить учёным непосредственно зарегистрировать частицы тёмного вещества. Кроме лабораторной регистрации, по  всей видимости, удастся зафиксировать и сигналы, связанные с аннигиляцией (взаимоуничтожением) частиц тёмного вещества. Это можно будет сделать или с помощью гамма-телескопов, или с помощью детекторов космических лучей на  спутниках. Астрономы ищут сигнал в областях Вселенной, где, с одной стороны, велика плотность вещества, а с другой — мало гамма-излучения, возникающего по  другой причине. Например, ищут сигнал от карликовых галактик — спутников нашей галактической системы. 2. Природа космических лучей сверхвысоких энергий. Сейчас, в  первую очередь благодаря обсерватории имени Пьера Оже, мы уверены, что частицы

Тёмным называют вещество, присутствие которого пока удаётся заметить лишь по его гравитационному воздействию. Например, изучая вращение галактик или движение галактик и газа в скоплениях, учёные заметили, что видимого вещества (звёзды, газ) не хватает для объяснения измеренной массы. Предполагается, что тёмное вещество — это особый вид элементарных частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом.

самых высоких энергий прилетают к  нам с  космологических расстояний. Они  имеют энергию почти в миллиард раз выше, чем у частиц в Большом адронном коллайдере. Но мы не знаем, что это за частицы (например, протоны или ядра железа), какие источники их испускают и как частицы ускоряются. Про источники мы мало знаем не только потому, что трудно точно определить направление прихода частиц. Дело в том, что заряженные частицы отклоняются магнитным полем. Поэтому частица прилетает к  нам не  совсем с  того направления, в котором она была испущена. Тем  не  менее увеличение статистики и точное измерение энергий даст возможность продвинуться в вопросе о происхождении частиц сверхвысоких энергий. Продолжение работы обсерватории Оже, а  также строительство аналогичной установки в Северном полушарии позволят внести ясность в эти вопросы. 3. Первые звёзды и галактики. Современные сценарии эволюции Вселенной говорят, что примерно через 100—200 миллионов лет после начала расширения стали образовываться первые звёзды. Они были не совсем похожи на более поздние поколения светил, потому что в них практически отсутствовали


Автоматическая станция для астрофизических наблюдений «Астрон»

Международная орбитальная обсерватория «Интеграл»

Международная астрофизическая обсерватория «Гранат»

Диаметр зеркала телескопа, располагавшегося на борту советской автоматической станции для астрофизических наблюдений «Астрон» и проработавшего 6 лет (с марта 1983 года), составлял 80 сантиметров. В своё время это был крупнейший телескоп, который работал в УФ-диапазоне. Ещё один важный проек т в сфере исследования звёзд и галактик — Международная астрофизическая обсерватория «Гранат», разработанная совместно СССР, Францией, Данией и Болгарией. Она была запущена на орбиту в декабре 1989 года и работала более 9 лет. Семь инструментов обсерватории покрывали диапазон энергий от оптического (прибор «Подсолнух») до гамма-излучения (приборы «Фебус» и «Конус-Б»). Один из основных инструментов обсерватории — телескоп SIGMA — впервые позволил построить изображение 27 области центра Галактики с беспрецедентным для таких больших энергий (40 килоэлектронвольт — 1 мегаэлектронвольт) угловым разрешением 15 угловых минут. Телескоп с кодирующей маской АРТ-П впервые провёл глубокий обзор обширной области балджа галактики, открыв более десятка неизвестных ранее чёрных дыр и нейтронных звёзд. Приборы WATCH и «Фебус» составили подробные каталоги гамма-всплесков. Сегодня в космосе работает международная орбитальная обсерватория «Интеграл», предназначенная для изучения галактических и внегалактических объектов в жёстком рентгеновском и гамма-диапазоне. «Интеграл» — совместный проект Европейского космического агентства (ЕКА) в сотрудничестве с Роскосмосом и НАСА.


зд Дотяну ться до звё са. Ликбез ьнего космо л а д я и атор Лабор

28

Остатки сверхновой RCW 86 (взорвался белый карлик) в составном инфракрасном и рентгеновском изображениях, полученных космическим телескопом имени Спитцера и спутником WISE http://chandra.harvard.edu/photo/2011/rcw86


элементы тяжелее гелия. В  молодой Вселенной синтез элементов не пошёл существенно дальше второго элемента таблицы Менделеева — не хватило времени: Вселенная остыла и  стала недостаточно плотной. Те элементы, из которых мы с вами в основном состоим (углерод, кислород, кальций…), нарабатывались уже в звёздах — в течение их жизни, а  также во  время взрывов сверхновых. Особая роль тут принадлежит первым звёздам, поскольку именно они создали первое поколение тяжёлых (тяжелее гелия) элементов, после чего смогли возникать звёзды следующих поколений и экзопланеты вокруг них. Согласно современным сценариям лишь потом, после первых звёзд, появились первые галактики. Они также были не похожи на то, что мы видим вокруг сейчас. Современные крупные галактики образовались в результате многочисленных слияний более мелких. Но пока это только модели. Мы  не  видим эти первые объекты — ни звёзды, ни галактики. Слишком уж они далеко, слишком давно это было. Нужны телескопы нового поколения. Сейчас строится несколько крупных инструментов (это и космические телескопы, и  гигантские наземные, и  большие системы радиотелескопов),

которые должны позволить увидеть первые звёзды и  галактики. Особое место среди них занимает следующий большой космический телескоп  — JWST (James Webb Space Telescope). Он будет наблюдать космическое пространство в основном в инфракрасном диапазоне, используя гигантское раскладывающееся зеркало диаметром более шести метров. Столь большие телескопы ещё не запускались в космос. 4. Земноподобные планеты в зонах обитания. Прогресс в изучении экзопланет впечатляет. Открыты сотни таких объектов. Уже работающие инструменты должны привести к обнаружению земноподобных (по  массе и  размеру) планет в  так называемых зонах обитания  — то есть не слишком близко и не слишком далеко от звезды, чтобы вода могла существовать на поверхности планеты в жидком состоянии. Открыть небольш у ю п ланету с  периодом обращения вокруг звезды порядка года трудно и потому, что такие планеты очень малы, и  потому, что нужны длительные наблюдения, так как надо проследить несколько оборотов планеты. Сейчас благодаря работе космических спу тников «Кеплер» и CoRot, а также нескольких

наземных программ (в  первую очередь  — HARPS) обнаружено несколько интересных кандидатов. Кроме того, известен ряд земноподобных (по массе и радиусу) планет, находящихся близко от своих звёзд. Конечно, одного лишь измерения массы, радиуса и  расстояния от  звезды недостаточно для того, чтобы серьёзно надеяться, что на планете может быть жизнь. Для этого понадобятся новые данные (состав атмосферы, наличие больших открытых водных пространств, возможно, что-то ещё), пол у ченные с  помощью более серьезных инструментов. Но  это задача ближайших десятилетий, а  не  лет. Пока астрономы могут изучать лишь спектры крупных планет, подобных Юпитеру. Есть ещё множество интересных направлений, где можно ожидать прогресса в ближайшие годы. Это  и  анализ природы тёмной энергии, и  продвижение в  доказательстве наличия горизонта (а  не  поверх ности) у  кандидатов в  чёрные дыры, и  изучение механизмов взрыва сверхновых, и исследование поведения сверхплотного вещества в  недрах нейтронных звёзд и  сверхсильных магнитных полей вокруг них. Так что работы хватит — и открытия будут.

29


него космоса. Дотяну ться Лаборатория даль до звёзд

Почти с самого начала космической эры человек начал думать об автоматических станциях, которые могут сами изучать отдалённые космические объекты. О том, чего удалось добиться российским учёным в плане прямых исследований планет Солнечной системы, и о планах на будущее рассказывает доктор технических наук, генеральный конструктор и генеральный директор ФГУП «НПО имени С. А. Лавочкина» Виктор Владимирович Хартов.

Языком науки Как добраться до Марса

Среди летающих во Вселенной комет и астероидов есть и такие, которые потенциально угрожают Земле. Один из таких астероидов — Апофис. В планах учёных — отправить в космос автоматические космические аппараты, которые установят на нём радиомаяк и другие приборы для того, чтобы знать точную траекторию его полета. А исследование структурных и физических свойств астероида поможет спланировать возможные варианты воздействия на него.

Удалённые глаза и уши Одна из  задач человечества  — иметь гарантированный доступ на все соседние космические тела для контактных и бесконтактных исследований. Мы  должны знать своих соседей. Это в некотором роде задача безопасности. Людям как биологическим объектам, на  мой взгляд, там пока делать нечего, а  вот виртуальное присутствие человека обязательно. Автоматические космические аппараты  — это, собственно говоря, просто органы чувств человека с «удалённым доступом»: камеры — органы зрения, сенсоры — датчики осязания… Они не требуют пищи, кислорода, устойчивы к перегрузкам и радиации. Есть, правда, один нюанс. Специфика космоса требует, чтобы эти виртуальные органы человека были способны на быстрое принятие решений. Это серьёзная задача. Даже от ближайшего нашего соседа, планеты Марс, когда она находится в самой дальней зоне своей орбиты (примерно 400 миллионов


километров), сигнал до Земли идёт 22 минуты. Если всё управление осуществляется с Земли, то аппарат получит ответ на свой запрос только через 44 минуты. Это очень долго. Поэтому мы должны предусмотреть и  прописать нашему посланнику всевозможные алгоритмы действий и обучить его принятию решения на основе алгоритмов, что является непростой задачей. В этом аппараты пока проигрывают человеку. Но мы работаем над этой проблемой. Космическая промышленность стóит очень дорого. Себестоимость автоматических аппаратов огромна. Однако она всё же меньше, чем себестоимость тех же исследовательских аппаратов, объединённых с системами обеспечения жизнедеятельности человека в космосе. Важно помнить: все знания, которые у нас есть, касаются только 4 % массы Вселенной. 96 % — это таинственные тёмные энергии, тёмные материи, и мы пока не знаем, что это такое. В космосе много загадочного, и это надо изучать.

СССР, которая длилась с 1965 года до конца 80-х годов прошлого века, уделялось особое внимание разработке и совершенствованию автоматических аппаратов для фундаментальных научных исследований. Было создано несколько поколений аппаратов и завоёвано немало мировых приоритетов.

Прежде всего стоит отметить луноходы. В 1966 году космический аппарат «Луна-9» совершил мягкую посадку на поверхность Луны. В  том  же году станция «Луна-10» стала первым искусственным лунным спутником. В 1970 году было осуществлено в  автоматическом режиме взятие проб грунта Луны

Лунные автоматические аппараты Искусственный спутник Земли «ПС-1»

КА «Луна-9» КА «Луна-16» 31

Лунный жук Первый автоматический космический аппарат назывался «Спутник-1», или «ПС-1». Этот искусственный спутник Земли был запущен на  орбиту в  СССР 4  октября 1957 года. В космической программе

Луна, естественный спутник Земли КА «Луна-17» транспортирует «Луноход-1»


д Дотяну ться до звё з

и  доставка его на  Землю («Луна16»). Тогда же космический аппарат «Луна-17» доставил на поверхность Луны мобильную автоматическую лабораторию «Луноход-1». Аппарат проработал там почти 10 месяцев и успешно провёл многочисленные научные и инженерно-технические исследования.

Негостеприимная Венера Е щё од н и м п риори т е т н ы м на п ра влением д л я сове тск и х у чёны х с та ла Венера. Да вление  — 50  атмосфер, температура на  поверхности  — 500 градусов, кислотная среда. В 1967 году космическая станция «Венера-4» провела

Космические аппараты для исследования Венеры КА «Вега-1» КА «Венера-4»

ом науки осмоса. Язык к о г е н ь дал атория р о б а Л

32

КА «Вега-2» и хвост кометы Галлея

непосредственное измерение физических и химических характеристик планеты. В 1970 году была осуществлена мягкая посадка на поверхность Венеры и получена информация с её поверхности по распределению температуры и  давления. В  1975  году спускаемый аппарат автоматической межпланетной станции «Венера-9» соверши л м ягк у ю посадку и передал на Землю панорамы поверхности с места посадки. В 1984 году космические аппараты «Вега-1» и «Вега-2» продолжили контактные исследования элементного состава грунта Венеры, состава облаков. В атмосферу Венеры были выведены аэростатные зонды для сбора данных о циркуляции воздушных потоков. Вдоль трассы измерялись температура, давление, вертикальные порывы ветра и освещённость. После завершения исследований аппараты подлетели с  орбиты Венеры к комете Галлея и передали на Землю изображения ядра кометы, данные по  химическому составу ядра и хвоста кометы. Исследовалось также взаимодействие кометной плазмы с солнечным ветром.

Марс гостей не любит Венера

На Марсе первенство всегда держали американцы. Однако и наши аппараты там побывали. Например, в  1971  году мягкую посадку


на  поверхность Красной планеты совершила космическая станция «Марс-3». В 1996 году был запущен космический аппарат «Марс-96», не имевший аналогов среди существующих автоматических космических средств. В проекте участвовало более 20 стран и Европейское космическое агентство. Этот аппарат состоял из нескольких автономных модулей и предназначался для выполнения уникального объёма научных исследований. Но экспедиция не состоялась, потому что после старта с Земли произошла авария разгонного блока «Д» ракеты космического назначения «Протон». В 2011 году Россия предприняла ещё одну рискованную попытку достичь Марса. На конец года был запланирован полёт российской автоматической межпланетной станции «Фобос-Грунт». Целью проекта ставилось исследование Марса и  его спутника Фобоса и, самое главное, доставка на Землю грунта с марсианской «луны». Планировалось, что станция долетит до  Марса и  сначала станет искусственным спутником этой планеты. Затем аппарат должен был перейти на орбиту 10 000 километров (на этой орбите вокруг Марса летает Фобос) и осуществить стыковку со спутником. После посадки на  поверхность Фобоса аппарат

должен был в течение месяца вести работы, а  потом взять образцы грунта, покинуть спутник и направиться к Земле. Мы не летали к дальним планетам более 20 лет и вот решились на прорывной проект. При  этом пошли непривычным путем. Обычно наработки делаются постепенно, каждый следующий аппарат производится на основе предыдущего, с его усовершенствованием. Например, сейчас мы создаём аппарат для полёта к Луне вместе с Индией. А следом на  его основе уже будет сделан аппарат с  большим «Луноходом». При разработке станции для полёта к Фобосу мы рискнули создать современный аппарат с использованием новейших разработок не поэтапно, а сразу. «Фобос-Грунт» был выведен ракетой-носителем на  орбиту Земли 9  ноября. Он  сориентировался на  Солнце и  штатно отработал почти 2 часа, успешно выполнив все предусмотренные операции по приведению себя в рабочее состояние. Потом аппарат вышел из зоны видимости российских станций и должен был автономно провести сеанс ориентации по звездам, после чего, включив маршевый мощный двигатель, перейти на более высокую орбиту. По непонятным причинам этого не произошло. Сбой в системе

Космические ошибки То, что на земле покажется мелочью, для космического аппарата станет фатальной ошибкой. Малейшая неточность в траектории полёта или последовательности команд может привести к его гибели. Так, первый американский спутник, отправленный к Венере — Mariner-1 (1962 год), — взорвался при запуске из-за… точки вместо запятой. На самом деле есть несколько версий неудачи. По одним д анным, это был пропущенный дефис, по другим — точка вместо запятой в программе, которая 33 управляла его движением. В любом случае масштаб ошибки и её цена несопоставимы. Ещё более курьёзная авария произошла с американским аппаратом для исследования Марса Mars Climate Orbiter в 1999 году. Он был потерян уже после того, как благополучно долетел до Марса. Причина аварии очень простая — при разработке аппарата на земле одно подразделение, участвовавшее в проекте, считало параметры посадки в дюймах, а другое — в метрах. В результате программа оказалась с ошибкой.


Космическое окно

Основные служебные модули космического комплекса «Фобос-Грунт» Спускаемый аппарат Возвращаемый аппарат

са. Ликбез ьнего космо л а д я и атор Лабор

Дотяну ться до звё

зд

Полёт к другим планетам — это пока ещё очень сложная задача. Учитывая, что большая часть веса космического аппарата приходится на топливо, мы вынуждены использовать для полёта так называемые «баллистические окна». Как известно, планеты вращаются в космосе вокруг Солнца. В разные моменты времени они находятся на разном расстоянии друг от друга. Есть моменты сближения, есть моменты расхождения. Можно рассчитать запуск ракеты так, чтобы её траектория полёта к Марсу или Венере была оптимальной, то есть она преодолела минимальное расстояние. Кроме расчёта расстояния важны также относительные положения планет по отношению к Солнцу. В ходе своего путешествия космический аппарат может использовать силу притяжения Солнца или других планет для ускорения или движения в заданном направлении без использования собственного топлива. Таким образом, баллистическое окно — это сложная комбинация взаимных положений и скоростей планет. Конец 2011 года был вполне удачным с точки зрения отправки аппаратов к Марсу. Этой возможностью хотели воспользоваться и российское, и американское космические агентства. Российская миссия «Фобос-Грунт», о которой мы уже говорили, к сожалению, потерпела неудачу. А вот американцы 34 осуществили запуск «в окно». 26 ноября с американского мыса Канаверал к Красной планете стартовал аппарат Curiosity («Любопытство»). Согласно планам он должен долететь до Марса за 9 месяцев и в августе 2012 года приземлиться в одном из марсианских кратеров. Цель миссии — поиск следов жизни на Марсе и изучение геологической истории планеты. Сейчас пока сложно говорить, будет ли успешен американский проект. Старт и выход на заданную орбиту важны, но впереди ещё месяцы полёта и посадка. Если же говорить об оптимальном времени для полёта на Марс, то «наилучшее окно» последних десятилетий ожидается в 2018 году. В это время Марс и Земля сблизятся на минимальное расстояние и настанет идеальный момент для отправки пилотируемого космического корабля, ведь время в пути тоже будет минимальным. Решит ли хоть одна страна мира воспользоваться такой возможностью, покажет время. Космический комплекс «Фобос-Грунт»

Перелётный модуль

ДУ выведения


управления, нештатная поломка, повреждение во  время полёта от  Земли на  орбиту  — пока мы не знаем причин неудачи. В результате нештатной ситуации выйти на связь с «Фобос-Грунтом» оказалось сложно. Радиокомплекс аппарата рассчитан на  работу в  дальнем космосе, что требует большого интервала времени для передачи команд. Но после вывода «Фобоса» на орбиту он превратился в спутник Земли и по инерции, которую придала ему ракета-носитель, делал виток за  витком вокруг планеты. В  такой ситуации доступное для сеанса связи время составляет всего 6—7  минут на  один виток. Ежедневно многие станции и  в  России, и за её пределами (мы просили об этом наших коллег за рубежом) пытались связаться со спутником для того, чтобы узнать, что с ним случилось, и  попробовать запустить программу полёта к  Марсу. Но «Фобос-Грунт» «заговорил» лишь после двух недель молчания. Он принял сигнал с Земли и передал лишь некоторую часть телеметрической информации. Нам ещё предстоит детально изучить её и понять, что же произошло с аппаратом. В любом случае даже такая досадная неудача является источником данных для развития космической отрасли. Этот опыт  — тяжёлый

опыт. Когда ты первый — а в космонавтике пока каждый шаг означает движение вперёд, — учиться очень часто приходится на собственных ошибках.

Планы на завтра Все межпланетные экспедиции, которые могут осуществляться в автоматическом режиме в настоящее время и в обозримом будущем, можно разделить на четыре вида: — экспедиции с проведением дистанционных исследований; — экспедиции с проведением контактных исследований; — экспедиции с доставкой на Землю образцов инопланетного вещества; — комплексные экспедиции. Приоритетные на пра вления остаются теми же. Это исследование близлежащих космических тел (Луна, Венера, Марс и его спутники) и исследование дальнего космоса. Приведу в пример аппараты, над которыми НПО им. С. А. Лавочкина работает сейчас. В январе 2011 года был запущен геостационарный гидрометеорологический спутник нового поколения «Электро-Л». Он с помощью аппаратуры проводит съёмку в видимом и инфракрасном диапазонах с разрешением 1 и 4 километра соответственно. Периодичность съёмки — 30 минут. Также на  космическом

аппарате установлен гелиогеофизический аппаратурный комплекс для измерения параметров космического излучения. Предполагается, что спутник проработает на орбите не менее 10 лет. В июле 2011 года запущена орбитальная астрофизическая обсерватория «Спектр-Р» («Радиоастрон»). Это международный проект. Аппарат предназначен для изучения галактик и квазаров, окрестностей массивных чёрных дыр, нейтронных звёзд, межзвёздной плазмы, определения фундаментальных космологических параметров. Это очень сложный инструмент: 2,5 тонны научного оборудования, сложная орбита и уникальный телескоп. Кроме спутников и космических аппаратов мы разрабатываем космические платформы для современных орбитальных аппаратов. Платформа «Навигатор» успешно проходит лётные испытания в составе КА «Электро-Л». На её базе в настоящее время создаются другие космические аппараты — орбитальные астрофизические обсерватории «Спектр-РГ» и «Спектр-УФ». Они будут изучать Вселенную: одна  — в  рентгеновском и  гамма-спектральном диапазонах электромагнитного излучения, другая — в ультрафиолетовом диапазоне. Это тоже результат международного сотрудничества.

35


зд Дотяну ться до звё

ыком науки космоса. Яз о г е н ь л да атория р о б а Л

36

Например, на  «Спектр-РГ» стоят два телескопа — производства России и Германии.

исследование высокоэнергетичных корпускулярных потоков и электромагнитного излучения.

Найти воду на Луне

Изучить планеты и астероиды

В перспективе мы думаем о развитии лунных программ. Цель двух первых полётов, запланированных на 2013—2014 годы, — вернуться к тем умениям, которые удалось наработать в советское время. А дальше планируется сделать большие шаги вперёд. В районе полюсов на  Луне с  помощью российского прибора, который летал на американском спутнике (многие космические программы — международные: различные страны, купив место, могут установить свои приборы на спутнике, изготовленном другой страной), был обнаружен лёд, поэтому сейчас любопытно понять, что такое этот лунный лёд. Если это в самом деле лёд в земном понимании, его обнаружение в  корне меняет ситуацию. Это означает, что на Луне есть кислород и водород. Осуществлять первые полёты будут аппараты «Луна-Ресурс» и  «Луна-Глоб». Задачи первого  — разведка природных ресурсов Луны и доставка мобильной исследовательской станции-лунохода. Задачи второго — получение результатов о внутреннем строении Луны и кратера на  южном полюсе, а  также

По-прежнему интересна учёным и  Венера. Космический аппарат «Венера-Д» будет вести измерения химического состава атмосферы планеты, делать съёмку поверхности на этапе спуска и после посадки, вести работы по определению минерального состава вещества поверхностного слоя, замерять температуру и давление, потоки излучения, характеристики аэрозольной среды. Это целый комплекс с орбитальным аппаратом, спускаемым аппаратом и атмосферными зондами. В  рамках исследования Марса наиболее интересный проект  — «Экспедиция-М». Мы  планируем провести подробный мониторинг климата, взаимодействия атмосферы, солнечного излучения, исследовать поверхность Марса. Предполагаются полёты к Юпитеру и его спутнику Европе, а также полёт к Меркурию. Кроме того, необходимо изучать наших временных соседей — кометы и астероиды. Например, астероид Апофис, который может угрожать Земле. Мы планируем, что автоматические космические аппараты

уточнят траекторию астероида, установив на нём радиомаяк и другие маркеры для высокоточного сопровождения, и исследуют структурные и физические свойства астероида с целью изучения возможных вариантов воздействия на него.

Собрать спутник в космосе И,  наконец, ещё одна задача  — на далёкую перспективу. Человеч��ство вывело в космос очень много аппаратов. Многие уже не работают. Это прекрасные металлы, пластики, углепластики… На них затрачены огромные ресурсы. Нам необходимо научиться их перерабатывать. Вообще принципиально новая фаза колонизации космоса будет возможна, только если на  орбите удастся достигнуть саморепликации космических аппаратов. Мы не можем бесконечно сжигать ресурсы Земли. Нам  необходимо научиться создавать технические «зародыши», которые, используя ресурсы, уже имеющиеся в космосе, смогут разрастаться до автоматической станции. Это не локальная задача. Но это то, над чем надо работать. Тем  более что, научившись такой нетривиальной вещи, как репликация механизмов, мы сможем применить такие технологии и в земной жизни.


Посланцы человека в дальнем космосе

КА «Луна-Глоб»

КА «Луна-Ресурс-2»

КА «Луна-Ресурс»

Человек запустил несколько космических аппаратов, которые удаляются от Земли и продолжают передавать информацию о своих наб лю д ения х . С амый уд а лённый от центра Солнечной системы аппарат Voyager-1 запущен американцами в 1977 году. За время своего полёта он передал на Землю снимки Юпитера и Сатурна. На борту Voyager-1 находится позолоченный видеодиск с информацией о Земле, 37 человеке, нашей науке и культуре. Сейчас дистанция между ним и Солнцем составляет уже 17,5 миллиарда километров. Это гигантское по земным меркам расстояние в космических масштабах равняется всего лишь 16 световым часам. На втором месте по удалённости — аппарат Pioneer-10, улетевший на 15,4 миллиарда километров от Солнца. Самая близкая к Земле звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4,22 световых лет (или почти 40 000 миллиардов километров) от Солнца. Если Voyager-1 будет лететь к Проксиме Центавра с такой же скоростью, как сейчас, он достигнет её через 77 533 года.


Дотяну ться до звё з

д

Космическая платформа

ом науки осмоса. Язык к о г е н ь дал атория р о б а Л

38

Космическая платформа — необходимый шаг к массовому производству спутников. Сначала все спутники и космические аппараты создавались индивидуально. То есть весь процесс проектирования, начиная от корпуса аппарата и заканчивая его модулем полезной нагрузки, каждый раз выполнялся с самого начала. Такой подход, конечно же, очень дорого обходился. Поэтому пришло понимание необходимости создания космических платформ — спутников, включающих все требуемые элементы, кроме модуля полезной нагрузки. Например, производители автомобилей используют одну и ту же основу (ходовую часть, двигатель) для производства совершенно непохожих моделей. Автомобили, созданные на одной основе, могут различаться в разы и по стоимости, а также по степени комфорта, вместимости, другим параметрам. Но их разработка, производство и обслуживание будут очень похожи. Точно так же и с космическими аппаратами. Одна и та же основа — системы энергоснабжения, управления движением, терморегулирования; двигатель; бортовой комплекс управления — может использоваться для создания самых разных спутников. Переход к космическим платформам при построении космических аппаратов уменьшает расходы на проектирование и производство, а также увеличивает надёжность спутников.

КА «Спектр-Р»

КА «Спектр-РГ»

КА «Спектр-М»

КА «Спектр-УФ»


А если немного пофантазировать

Читательский дневник

КА «Электро-Л»

Космическая платформа «Навигатор»

Мы узнали, в чём загадка тёмной материи, и знаем природу излучений далёких звёзд. В далёком космосе мы видим планеты, близкие по размеру и условиям обитания к Земле. Наши космические аппараты исследовали все ближайшие планеты и всё дальше и дальше удаляются от Солнечной системы. Изменится ли что-то в нашей жизни? Вопрос непростой. Казалось бы, от знаний о том, что на космических расстояниях от нас есть планета, похожая на Землю, или о том, что в составе грунта далёкой планеты содержатся микроскопические количества воды, жизнь человечества не изменится. Но кроме удовлетворения присущего человеку любопытства к устройству окружающего мира мы должны понимать, как устроена Вселенная, для своей же безопасности. Наша планета — крошечная песчинка в безбрежном океане космоса, и мы должны знать, не угрожает ли нам какая-нибудь неведомая опасность в виде неизвестного излучения или летящего ас терои д а. Во-в торых , рес у рсы нашей планеты небезграничны. Рано или поздно человечество прист упит к колонизации космоса. И сегодняшний сбор информации о том, что окружает нас, — подготовительный этап. Хотя большинству учёных, исследующих тайны Вселенной, конечно же, в первую очередь просто интересно понять, как она устроена. Ведь астрономия, пожалуй, одна из самых красивых наук. В этом легко убедиться, посмотрев на фотографии космоса, сделанные с помощью современных телескопов.

К космическим аппаратам, которые возвращаются с других планет и прочих космических объектов, учёные предъявляют очень жёсткие требования безопасности. А что будет, если мы завезём на Землю неизвестный вирус или вид жизни? Конечно, на сегодня нам не удалось обнаружить жизнь вне Земли. Неизвестно, есть ли она в доступном для нас космическом пространстве или нет. Но многие опасаются, что космический аппарат вполне может заразить Землю. Тогда наши благие намерения познать космос обернутся трагедией. Можно развернуть фантазию ещё дальше. А вдруг наши радиотелескопы, направленные в космос, привлекут внимание какой-нибудь злоб- 39 ной и развитой цивилизации, представители которой прилетят и сотрут нас в порошок? Не совсем понятно, зачем им это делать, но такой сценарий популярен у современного кинематографа. Утешает лишь то, что, согласно предположениям многих учёных, цивилизация, которая смогла овладеть межзвёздными перелётами, должна находиться на другой ступени развития и не может быть агрессивной. Ведь для прогресса науки и техники требуется очень много средств. Сегодня на Земле на войны и усовершенствование вооружений тратится намного больше денег, чем на исследования космоса и вообще на все научные исследования вместе взятые. Представь, какого прогресса мы сможем добиться, если откажемся от военных расходов в пользу мирных исследований.


Лаборатория ближнего космоса

Весь мир как на ладони Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества. C. П. Королёв, 1964 г.


Вопрос

— Говорят, что сейчас для управ ления транспор том используют навигационные спутниковые системы — за передвижением машин и автобусов следят прямо из космоса. Каждый год тысячи людей пропадают без вести. Можно ли сделать так, чтобы эти системы помогали и в поиске любого исчезнувшего человека или какой-либо ценности? Что для этого необходимо и как эти системы работают? В каких повседневных делах нам уже помогает космос? Иван Шадеров, Красноярск


Ликбез ГЛОНАСС — птица высокого полёта Действительно, сегодня с помощью отечественной Глобальной на ви г а ц ион ной с п у т н и ков ой системы (ГЛОНАСС) можно очень эффективно контролировать транспортные потоки, да и  не  только и х . Пе рв у ю н а в и г а ц ио н н у ю систему начали разрабатывать в  Советском Союзе ещё в  1970-х годах (1979 год — создана навигационная система первого поколения «Цикада»). Тогда её использовали для нужд военной отрасли, и обычному человеку космическая разработка была недоступна. Сегодня же гриф секретности с этой технологии снят, и каждый из нас при желании может с  помощью ГЛОНАСС получить точные координаты своего местонахождения в любой точке Земли. ГЛОНАСС состоит из трёх обязательных сегментов. Во-первых, космического. Это  группировка спутников, находящихся на высоте 19 100 километров и  излу чающих навигационные сигналы в  двух диапазонах длин волн: 1 200 и 1 600 мегагерц. Спутники

ра змещен ы на  од ной ор би т е в  трёх орбитальных плоскостях (по  восемь  спутников в  каждой). Во-вторых, это наземный сегмент  — стационарные станции, которые контролируют положение спутников, а также их техническое состояние. Третий сегмент называют пользовательским, под ним подразумевают людей, использующих спутниковые приёмники для определения своего местоположения на земной поверхности.

Как работает навигатор? Предположим, ты отправился вместе с родителями в автомобиле на загородную прогулку и в пути вы немного сбились с  ку рса… Не  беда! У  вас ведь есть маленький помощник — приёмник навигационных сигналов. Приёмник автоматически измеряет расстояния до  видимых ему спу тников ГЛОНАСС (для корректной работы навигатора необходимы как минимум четыре спутника в зоне видимости) и скорость их движения, сравнивая время между

моментом излучения и моментом приёма радиосигнала. Одновременно с  проведением измерений в  приёмнике происходит обработка содержащейся в  каждом на вига ционном ра диосигна ле цифровой информации, которая описывает положение того или иного спутника в  пространстве и  времени. Схема расположения спутников на околоземной орбите называется альманахом. На основе альманаха и  проводятся вычисления мес��оположения вашего автомобиля. Само собой, по мере передвижения машины координаты приёмника меняются, поэтому сигнал от спутников обновляется и пересчитывается каждые несколько секунд. За  счет этого можно отследить перемещения объекта, вычислить его скорость и пройденный путь. Даже после выключения навигатор держит альманах в  своей памяти. Это избавляет его от необходимости каждый раз искать спутники заново. Если прибор стабильно используют на протяжении

Области применения навигационных спутниковых систем очень разнообразны: спутники помогают людям и в воздухе, и на суше, и на море. Например, при строительстве тоннеля под проливом Ла-Манш строители начинали копать грунт с противоположных сторон, определяя своё местоположение при помощи GPS. Благодаря этому 1 декабря 1990 года они встретились в условленной точке.

43


ГЛОНАСС состоит из трёх обязательных сегментов

Российская

1. Космический сегмент группировка спутников, находящихся на высоте 19 100 км и излучающих навигационные сигналы

Весь мир как на ла дони

12 октября 1982 г. — начало развёртывания 24 сентября 1993 г. — принятие в эксплуатацию в составе 12 спутников

оса. Ликбез жнего косм и л б я и атор Лабор

44

3. Пользовательский сегмент

В составе группировки спутники «Глонасс-М»

2. Наземный сегмент стационарные станции, которые обеспечивают контроль положения спутников

люди, использующие спутниковые приёмники для определения своего местоположения на земной поверхности

Срок службы 7 лет Стартовая масса 1 415 кг

«Глонасс-К»

Срок службы 10 лет Стартовая масса 935 кг


спутниковая система навигации ГЛОНАСС Командные станции слежения

Орбита — средняя круговая

ПетропавловскКамчатский

Воркута Санкт-Петербург

плоскость

Положение спутников на октябрь 2011 г.

Якутск Енисейск

Улан-Удэ

на-Амуре

Средства выведения спутников Ракета-носитель на орбиту «Протон-М»

Ракета-носитель «Союз-2» под обтекателем разгонный блок «Фрегат» и один спутник

Первый запуск с «Бриз-М» 2001 г. Первый пуск 2006 г.

длина 52—58 м, диаметр 7,4 м

Доступность ГЛОНАСС: по России. . . . . . .100 % глобально . . . . . .100 % Точность ГЛОНАСС: в плоскости . . . . .3,5 м по высоте . . . . . . .9,03 м

длина 44 м, диаметр 3 м

под обтекателем разгонный блок «Бриз-М» и три спутника

45


Весь мир как на ла дони

дня, то привязка к спутникам осуществляется буквально в течение минуты. Это  называют «горячим стартом». При самом первом включении устройства поиск спутников может занимать 10—20 минут. Это «холодный старт».

оса. Ликбез жнего косм и л б я и атор Лабор

46

Долгожитель GPS Главным конкурентом ГЛОНАСС в  сфере мировой спутниковой навигации является американская система GPS (англ. Global Positioning System — глобальная система позиционирования). Сейчас именно она является самой популярной спутниковой навигационной системой, которую применяют в  большинстве стран мира. Лидерство GPS на мировой арене во многом связано с тем, что GPS гораздо раньше начали использовать в гражданских целях, в то время как у нас система навигации находилась в  ведении Министерства обороны и  была засекречена. Принципы работы американских и  российских навигаторов очень похожи: основное отличие системы ГЛОНАСС от  GPS состоит в  том, что спутники ГЛОНАСС в  своём орбитальном движении не  имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли — это обеспечивает им бóльшую стабильность. Поэтому космические аппараты ГЛОНАСС

не  требуют дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования.

«Скорую вызывали?!» Области применения навигационных спутниковых систем очень разнообразны: спутники помогают людям и в воздухе, и на суше, и на море. Например, при строительстве тоннеля под проливом Ла-Манш строители начинали копать грунт с противоположных сторон, определяя своё местоположение при помощи GPS. Благодаря этому 1 декабря 1990 года они встретились в  условленной точке на глубине 40 метров от дна пролива. В середине 1980-х годов в Японии навигационное оборудование установили на всех без исключения автомобилях. В случаях происшествий навигаторы передавали сигналы диспетчеру, который направлял к  месту аварии экстренную службу. Аналогичный проект разрабатывается для стран Евросоюза: к 2013 году на всех новых автомобилях будут установлены навигационно-коммуникационные устройства, которые срабатывают при аварии и передают по каналам связи информацию об автомобиле и его координатах на ближайший пункт обработки вызовов.


Time line

Спутник «Глонасс-М» на орбите

1687 год — Исаак Ньютон в монографии «Математические начала натуральной философии» описывает огромную пушку, с помощью которой можно было бы запустить ядро на постоянную орбиту вокруг Земли. 1945 год — выходит статья Артура Кларка «Внеземные ретрансляторы», в которой автор предполагает, что спутник будет размещён на круговой экваториальной орбите на высоте 35 803 километра над Землёй. 1957 год — советские учёные под руководством Сергея Королёва запускают на орбиту первый искусственный спутник Земли. 1967 год — на орбиту выводят первый советский навигационный спутник «Космос-92». 1972 год — запущен первый спутник программы Landsat (США) — одной из самых продолжительных и успешных программ по получению фотоснимков Земли. 1973 год — в США стартует программа DNSS, позже переименованная в NAVSTAR-GPS, а затем — в GPS. 1974 год — на орбиту выводят первый тестовый амери- 47 канский навигационный спутник. 1979 год — в Советском Союзе создана навигационная система первого поколения «Цикада», в состав которой входят четыре низкоорбитальных спутника. 1983 год — президент США Рональд Рейган разрешает частичное использование системы навигации для гражданских целей. 1995 год — группировка спутников ГЛОНАСС развёрнута до штатного состояния — 24 спутника. Правительство РФ издаёт постановление, в котором Министерству обороны предписывается обеспечить услугами ГЛОНАСС «отечественных военных и отечественных гражданских потребителей и зарубежных гражданских потребителей». 2006 год — запущен российский спутник дистанционного зондирования Земли «Ресурс-ДК». 2011 год — запуск первого навигационного космического аппарата «Глонасс-К».


Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на л адони

Идея создания искусственного спутника Земли возникла очень давно. Однако самой большой проблемой для учёных на протяжении веков был следующий вопрос: каким образом отправить спутник на орбиту? Только во второй половине XX века советские учёные во главе с гениальным конструктором Сергеем Королёвым смогли осуществить задуманное. Это событие дало старт настоящей космической гонке между СССР и США.

Из истории Спутниками хотели стрелять из пушек Первая космическая… Английский учёный Исаак Ньютон в монографии «Математические начала натуральной философии» (1687) в качестве примера к своим рассуждениям приводил описание огромной пушки, с  помощью которой можно было бы запустить ядро на постоянную орбиту вокруг Земли. Ньютон задумывал найти высочайшую гору, пик которой находится за пределами атмосферы, и установить на её вершине пушку, которая стреляла  бы в  горизонтальном направлении. «Чем более мощный заряд используется при выстреле, тем дальше от горы будет улетать ядро, — так рассуждал прославленный учёный. — При достижении некоторой мощности заряда ядро разовьёт такую скорость, что не упадёт на Землю вообще и будет

Изначально GPS разрабатывалась только для военных. Но после того как в 1983 году был сбит отклонившийся от курса и вторгшийся в воздушное пространство Советского Союза самолёт корейских авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации в гражданских целях. В России подобное решение было принято лишь в 1995 году.

вращаться вокру г нашей планеты…» Кстати, в наше время такую скорость называют «первой космической»: для Земли она составляет 7,91 километра в секунду.

Не важно — что, главное — как С  предложениями о  запуске искусственного спутника Земли часто выступали и теоретики космонавтики. Например, ещё в 1896 году наш соотечественник  — великий учёный Константин Циолковский — предлагал запустить на  круговую орбиту ракету с экипажем, чтобы сразу начать освоение космоса человеком. Однако средство доставки спутника на  орбиту построить никак не  удавалось. О  создании большой пушки, способной выстрелить в  космос, и  речи не  шло. Уже в начале ХХ века стало ясно, что для выхода в космос нужно создавать ракеты. Однако перипетии истории первой половины прошлого века таковы, что заказ на ракеты мог поступить только от  военных. К  концу Второй мировой


войны в  Германии были созданы боевые ракеты, способные за шесть минут достичь Великобритании. Но  задачу выхода в  космос перед инженерами тогда никто не ставил. Из-за  отсутствия надёжного носителя на свет появлялись очень смелые и порой экзотические проекты. Например, в 1944 году генерал-майор Георгий Покровский опубликовал статью «Новый спутник Земли», в которой предложил запустить металлический спутник способом направленного взрыва. Он  понимал, что после взрыва на орбиту вый��ут только «неорганизованные массы металлов», но был уверен, что и такой опыт окажется полезен человечеству.

Прошлое от будущего отделил радиосигнал В 1953 году главный конструктор советской ракетной техники Сергей Королёв всерьёз заговорил о создании спутника: тогда разворачивались работы над межконтинентальной ракетой «Р-7», и специалистам было ясно, что она способна достичь первой космической скорости. В мае 1954 года Королёв послал докладную записку «Об искусственном спутнике Земли» в Центральный комитет КПСС и в Совет министров СССР. Ответ был отрицательным: от Королёва прежде всего

Первый искусственный спутник Земли в космосе

Ракета-носитель «Спутник» 8К71, созданная на базе баллистической ракеты Р-7 (на заднем плане) для вывода первого спутника Земли на орбиту

49


Весь мир как на ла дони

Из истории го космоса. е н ж и л б атория Лабор

50

ждали создания боевой ракеты, которая долетит до Америки. Спустя год Академия наук СССР всётаки поддержала идею Королёва, и 30 января 1956 года было принято Постановление Совета министров, которым предусматривалось создание первого советского спутника. Королёв немедленно приступил к работе над своим проектом. Будущий спутник ограничили по массе: она не  должна была превышать 100 килограммов. Конструкторы поняли, что наиболее оптимальная форма для первого спутника Земли  — шар. Внутри спутника решили разместить два радиопередатчика с  рабочими частотами 20,005 и 40,002 мегагерц, для того чтобы космический аппарат смог подтвердить успешный выход на  орбиту. За  полгода до  запуска в  журнале «Радио» была опубликована статья, в которой сообщались параметры орбит спутника и частота, на которой радиолюбители могли бы поймать его сигналы. 4  октября 1957  года в  22:28 по московскому времени в космос запустили ракету-носитель «Спутник» 8К71. Через 295 секунд после старта она вышла на орбиту высотой 947 километров. А на 314,5 секунде после старта произошло отделение спутника, и он начал подавать сигналы.

В  20:07 минут по  нью-йоркскому времени радиостанция компании РСА в Нью-Йорке приняла позывные советского спутника, и  вскоре радиостанция «Эн-би-си» уже предлагала всем желающим «послушать сигналы, которые навеки отделили старое от нового». Первый спутник, открывший для человечества космическую эру, летал 92 дня, до 4 января 1958 года, совершив 1 440 оборотов вокруг Земли и преодолев около 60 миллионов километров.

Трагедия сделала навигаторы доступными Когда в  Советском Союзе запустили первый искусственный спутник, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером обнаружили, что частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Учёные поняли, что если точно знать свои координаты на Земле, то можно измерить положение и скорость спутника, а  зная расположение спутника, легко определить собственные координаты. Эту идею американцы воплотили в жизнь в 1973 году, когда была инициирована программа DNSS, позже переименованная в  NAVSTAR-GPS,

Искусственные спутники на орбите Земли в наше время


а  затем  — в  GPS. Первый тестовый спутник был выведен США на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, — в 1993-м. Так система встала на вооружение. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Сначала GPS разрабатывалась только для военных. Но после того как в  1983  году был сбит отклонившийся от курса и вторгшийся в  воздушное пространство Советского Союза самолёт корейских авиалиний с 269 пассажирами на борту, президент США Рональд Рейган разрешил частичное использование системы навигации в гражданских целях.

Семейство «Цикады» Первый отечественный навигационный спутник «Космос-92» вывели на орбиту 27 ноября 1967 года, а  в  1979  году была создана навигационная система первого поколения «Цикада», в состав которой входили четыре низкоорбитальных спутника. В  ответ на  создание американцами NAVSTAR советские военные начали разрабатывать систему ГЛОНАСС. В 1982 году были запущены её первые спутники — спутники первого поколения «Глонасс». Из-за нестабильной

экономической ситуации в стране в  годы реформ 1990-х годов программу ГЛОНАСС неоднократно сворачивали, однако власть осознала важность этого перспективного направления не  только для стратегической обороны, но и для гражданских целей. Так, в 1995 году правительство издало постановление, в котором Министерству обороны предписывалось обеспечить услугами ГЛОНАСС «отечественных военных и отечественных гражданских потребителей и зарубежных гражданских потребителей». В  1995  году количество космических аппаратов «Глонасс» было доведено до  двадцати четырех. В 2003 году в космос начали выводить спутники второго поколения «Глонасс-М». Сегодня  же российские инженеры ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» создали уже третье поколение навигационных спутников системы ГЛОНАСС, которые называются «Глонасс-К». От  своих предшественников они отличаются увеличенным сроком службы (до 10 лет) и высокой точностью определения координат, а также сниженной массой самого космического аппарата. А за счет добавления 3-й частоты в L-диапазоне точность навигационных определений повышается вдвое.

51


Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на лад они

Найти явные прообразы искусственных спутников Земли на страницах произведений фантастической литературы прошлого довольно сложно — писатели мечтали сразу отправить человека в космос на каком-либо летательном аппарате, и примеров таких полётов более чем достаточно. Как это часто бывает, писатели предсказывали научные открытия задолго до учёных.

В научной фантастике Телевизор, который следил за зрителем Вымысел или предвидение? Например, знаменитый французский фантаст Жюль Верн предсказал многое из того, что теперь существует на  самом деле. Так, в  его романе «С  Земли на  Луну» (1865) тяжёлая ракета отрывается от поверхности планеты и отправляется на  Луну. Ракета стартует из пусковой установки во Флориде, неподалёку от  мыса Канаверал, путешественники парят в невесомости, используют антиперегрузочный гидравлический бак и успешно прилуняются. Писатель даже правильно указал начальную скорость, необходимую для того, чтобы преодолеть земное притяжение. В 1893 году подписчики журнала «Вокруг света» среди приложений получили книгу К. Э. Циолковского

Писатели сомневались в пользе изобретений для человечества, подобных навигационным спутникам, и рассматривали их как средство тотальной слежки государственного аппарата за людьми, как помощников в подавлении свободы личности. Так, например, в романе-антиутопии «1984» за любыми действиями людей следит Большой Брат — лидер государства, чьи изображения находятся повсюду.

«На Луне». Это было первое выступление учёного в  роли писателяфантаста, однако он не смог описать, как именно происходил полёт на  Луну,  — герой произведения очутился в  лунном мире простым способом: он перенёсся туда во  сне. Герои следующей повести К. Э. Циолковского  — «Вне Земли» (1896) — покидают планету уже на  ракетном корабле. В  этом произведении учёный стремился наглядно представить, как произойдёт первый вылет за атмосферу, как сможет протекать путешествие на спутнике-корабле и начнёт осваиваться околосолнечное пространство. Это книга, о которой Юрий Гагарин после первого полёта в космос сказал: …Сейчас, вернувшись из полёта вокруг Земли, я просто поражаюсь, как правильно мог предвидеть наш замечательный учёный всё то, с чем только что довелось встретиться, что пришлось испытать на  себе. Многие, очень многие его предположения оказались совершенно правильными.


На Землю — только за продовольствием Тема космических путешествий была одной из основных и в фантастике XX века. Алексей Толстой использовал её в романе «Аэлита». Сергей Граве в  повести «Путешествие на  Луну» (1926) описал лунный перелёт на ракете «системы Циолковского». А Сергей Григорьев создал фантастический рассказ «За метеором» (1932), посвящённый полёту двух ракет. Герои отправлялись на  них охотиться за  астероидами, которые планировалось использовать в качестве сырья. Александр Беляев затронул космическую тему не только в романах «Прыжок в  ничто» и  «Звезда КЭЦ» и  очерке «Гражданин Эфирного острова», но и в других, менее известных произведениях. Он  написал научно-фантастический роман для детей «Небесный гость», который был напечатан в ленинградской газете «Ленинские искры» в 1937—1938 годах (в послевоенное время произведение было переиздано на Украине в сборнике «Небесный гость»). В раннем романе Герберта Уэллса «Война в воздухе» (1928) мы находим упоминание о летающем городе — внеземной станции. Фантастический город мог неопределённо долгое время находиться

вдали от  Земли, посылая к  ней небольшие «суда» для пополнения запасов продовольствия.

Кларк не верил своей фантазии Появление искусственного спутника также пред��казали фантасты. Правда, это было сделано в форме строгой научной работы. В  1945  году в  статье «Внеземные ретрансляторы» писатель Артур Кларк предположил, что спутник, размещённый на  круговой экваториальной орбите, на высоте 35 803 километра над Землёй, будет иметь период обращения вокруг нашей планеты, равный 24 часам. Такие спутники применяются сейчас во всём мире для ретрансляции телесигнала. В честь писателя экваториальную орбиту назвали «Поясом Кларка». Впоследствии на  вопрос, почему он не  запатентовал свою идею (что было вполне возможно), Кларк отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная теория должна приносить пользу всему человечеству.

Большой брат смотрит на тебя Что  же касается применения на ви г а ц ионн ы х с п у т н и ковы х

систем, то писатели сомневались в  пользе подобных изобретений для человечества и  рассматривали их как средство тотальной слежки государственного аппарата за  людьми, как помощников в  подавлении свободы личности. На каждой площадке со стены глядело всё то  же лицо. Портрет был выполнен так, что, куда бы ты ни стал, глаза тебя не отпускали. БОЛЬШОЙ БРАТ СМОТРИТ НА ТЕБЯ — гласила подпись. Дж. Оруэлл, «1984» Именно так описывается непог решимый лидер гос у дарства Океания в  популярном английском фантастическом романе-антиутопии 1949 года. Лицо Большого Брата изображается на  многочисленных плакатах, развешанных по всему Лондону. Черноусый мужчина в возрасте около 45 лет, с грубой, но по-мужски привлекательной внешностью смотрит на людей с  телеэкранов и  плакатов, расположенных повсюду. Каждое действие человека совершается под его взглядом. Существует ли Большой Брат как личность, или он является лишь образом, созданным пропагандой, неизвестно. Главный герой книги Уинстон Смит спрашивает

53


Весь мир как на ла дони

антастике космоса. В ф о г е н ж и бл атория р о б а Л

54

своего палача: «Существует он в  том смысле, в  каком существую я?» — и получает ответ: «Вы не существуете. <…> Впрочем, это вряд  ли имеет значение. Большой Брат существует и бессмертен — как олицетворение партии». После выхода романа имя Большой Брат стало нарицательным для государства или другой подобной системы, стремящейся установить контроль над своим народом. А в 1998 году была учреждена ежегодная «Премия Большого Брата» за  самое грубое нарушение свободы граждан государством или компанией. Действие шведского футуристического рассказа «Метропия» (2009) Тарика Салеха, Фредрика Эдина и Мартина Хультмана происходит в Европе 2024 года, когда природные ресурсы Земли исчерпаны, а гигантская сеть метро компании «Трекс Груп» связывает под землёй различные европейские города. Главный герой рассказа Роджер, живущий в  пригороде Стокгольма с  девушкой Анной, работает в  компании «Суперзвонок» и предпочитает передвигаться на  велосипеде, избегая метро. Когда он приходит с работы, Анна, как правило, смотрит телевизор. В это же время кто-то наблюдает за её комнатой с противоположной стороны телевизионного экрана.


Так может выглядеть спутник-шпион, наблюдающий за Землёй

55


ладони

Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на

Что такое спутники, как их делают, испытывают и запускают в космос, нам расскажут специалисты ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Это предприятие, расположенное рядом с Красноярском, уже более 50 лет выпускает различные космические аппараты не только для России, но и для других стран мира. За прошедшие годы на предприятии изготовлено около 1 200 спутников различного назначения.

Языком техники Связь в любой точке мира

Для такой огромной страны, как Россия, крайне важна спутниковая ретрансляция информации. Уже сегодня у нас действует система спутниковой навигации ГЛОНАСС. А для обеспечения связи на северных территориях реализуется программа «Арктика». Не за горами то время, когда многие технологические задачи будут решаться с помощью спутников.

Николай Алексеевич Тестоедов. Генеральный конструктор и генеральный директор ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники

Костры в космосе Что такое телекоммуникационный спутник? Прежде всего  — ретранслятор. Если трансляцией называется передача информации, то ретрансляцией — её приём и передача. Приведём простейший пример передачи информации. В степях Калмыкии или Монголии за местностью наблюдали с холма. Увидев сверху приближение опасности, на холме зажигали костёр. Этот костёр замечали в том месте, куда нужно было передать сообщение. Очень красочно такой способ ретрансляции сигнала показан в фильме «Властелин колец». В Африке информацию ретранслировали с помощью громкого звука барабана под названием


«тамтам». Информация (неважно, об  опасности или любая другая) передавалась звучанием громкого гонга от деревни к деревне. То  же самое делает спутник. Только он находится над Землёй на высоте 36 000 километров — то есть, по  сути, играет роль высокой башни. Вообще, идея ретрансляционного спутника возникла у  английского фантаста Артура Кларка и была описана им в годы Второй мировой войны. Кларк занимался вопросом покрытия территории Англии ретрансляционными вышками. Было понятно, что чем выше вышка, тем дальше она видна на ровной поверхности и тем на большее расстояние может быть передан сигнал. В конечном итоге писатель спрогнозировал, что самой высокой вышкой может быть спутник, который, вращаясь одновременно с Землёй, для наземного наблюдателя всегда висит в одной точке. Допустим, планета развернулась на 10 градусов — и спутник пролетел путь, соответствующий 10 градусам. Тогда для наблюдателя на Земле он кажется просто неподвижной точкой. Орбита спутника в этом случае называется геостационарной. Над экватором, на высоте 36 0 0 0 к и ломе т ров, на  та кой орбите спутники совершают движение вокруг Земли по  ходу её

вращения с  такой  же, как у  неё, угловой скоростью. Сегодня мы выпускаем космические аппараты, которые являются виртуальными вышками. Наша планета, как известно, имеет форму, близкую к форме шара. Если расставить спутники в космосе на угловом расстоянии друг от друга в 120 градусов (в сумме получается 360 градусов  — полная окружность), то в поле их зрения попадает почти вся поверхность планеты. Современный уровень развития техники (радиотехника, оптика, иные приложения) позволяет передавать разные сигналы (радио, телевидение, СМС) в огромных количествах. Если с помощью костра или барабана мы могли отправить лишь очень простую информацию в формате «да/нет», то сейчас это может быть одновременная передача сигнала, в  котором зашифрованы 100 программ телевидения или поддерживается двухсторонняя телефонная связь между несколькими тысячами абонентов. Сегодня спутники перестали быть экзотикой, хотя прошло всего 65 лет после того, как Артур Кларк — кстати, не учёный, а просто фантаст — изложил своё предвидение. Для  такой огромной страны, как Россия, спутниковая ретрансляция информации имеет особую важность. Огромная

территория, малая плотность населения — другие виды связи создавать очень дорого. Информацию, конечно, можно передавать и по проводам, и по кабелю, но это требует вложения бóльших денег. А так мы запускаем в космос один «огромный костёр», который виден всем. Передаём сигнал, например, из Москвы с пакетом программ Центрального телевидения в точку на геостационарной орбите, которая находится на меридиане Красноярска. Отсюда можно распространить сигнал практически на  всю территорию России, от Калининграда до Сахалина. А  вот Камчатку и  Чукотку с  этого спутника уже не  видно, нужен космический аппарат, который находится дальше, и  на  него требуется подавать сигнал с другой точки, то есть ретранслировать его.

Как обеспечить связь на полюсе? Мы уже выяснили, что для обеспечения связи спутники летают на геостационарных орбитах на расстоянии 36 000 километров от поверхности Земли. На  такой орбите спутник для наблюдателя с Земли висит в одной точке над экватором. Поскольку Земля — это почти шар, в экваториальном положении спутник не  видит полярных областей. Для  того чтобы обеспечить связь

57


Весь мир как на ла дони ом техники осмоса. Язык к о г е н ж бли атория р о б а Л

58

в приполярной области, в Арктике или в Антарктиде, есть два варианта. Первый  — использовать спутники, летающие по эллиптическим орбитам. Эллипс  — это геометрическая фигура, которая имеет два фокуса. На  каких принципах устроена эллиптическая связь? Спутник запускают на орбиту, при которой Земля находится в одном из двух фокусов эллипса. Для того чтобы осуществлять связь, например, в Арктике, космический аппарат запускают так, чтобы наиболее низкая его орбита находилась над Южной Америкой. Спутник пролетает над этим континентом на высоте от 500 до 1 000 километров за пару часов, а потом движется по длинной траектории над Северным полуш��рием. Со своей орбиты он видит Северный полюс и все приполярные области, а также территорию вплоть до  южной границы России. Такие аппараты и  обеспечивают связь в приполярных областях. Система «Молния», которой уже больше сорока лет, была построена как раз на высокоэллиптических спутниках, и за время работы предприятия мы изготовили 162 аппарата такой модификации. Сегодня на смену «Молниям» пришли другие спутники. Второй вариант — использовать много низко летающих спутников. Спутник, движущийся по низкой

орбите, совершает витки вокруг Земли и  не  всегда находится над нужной точкой. Но  если таких космических аппаратов много, то в каждый конкретный момент времени найдутся спутники, которые будут лететь над полярной областью и принимать или передавать сигнал. У американцев есть система Iridium, в которой за связь над полярными территориями отвечает 66 космических аппаратов. В России сейчас развивается система «Гонец». В ней может быть от 12 до 24 спутников. Чем  больше их количество, тем шире и  надёжнее зона покрытия.

Программа «Арктика» На северных территориях России, в Арктике, наши спутники обеспечивают потребности Министерства обороны. А для гражданских нужд утверждена программа «Арктика». Она  подразумевает, во-первых, создание системы дистанционного зондирования Земли. Летающие над нашей планетой на высоте примерно 600 километров спутники будут непрерывно получать информацию о  состоянии её поверхности: разливах нефти, почвенном покрове, подвижках почвы. Во-вторых, в  программу «Арктика» входит запуск двух спутников на эллиптических орбитах, которые будут производить непрерывный


сбор информации о  погоде  — облачности, скорости и направлении ветра, циклонах, влажности и прочем. Дело в том, что Арктика является «кухней погоды». Если вы посмотрите на карту, которая снята со спутника, то увидите, что север весь покрыт облаками. Там непрерывно формиру ются вла жные фронты, которые потом влияют на погоду всего полушария. И,  наконец, третий компонент «Арктики» — система связи. В неё входят аппараты на высокоэллиптической орбите, которые, находясь в высокой части своего витка, обеспечат нас связью, телевидением, радио, передачей данных, управлением самолётами, пролетающими через полюс или около него. Эти спутники будут работать и в интересах корпорации, и в интересах государства. Поэтому мы называем эту программу частногосударственным партнёрством. «Арктика» полностью обеспечит Север телекоммуникациями. Сегодня мы делаем это с помощью геостационарных спутников примерно до 70-й параллели: дальше спутник просто не видит поверхность Земли. Мы предполагаем, что система «Арктика» будет работать и  на нужды персональной мобильной связи  — этот перспективный сегмент тоже заложен в  программу.

Когда у вас есть спутниковый телефон, вы можете в  любой момент связаться с  любой точкой мира и не привязаны к тому, есть ли рядом вышка мобильного оператора. Сейчас программа находится на стадии проработки. А её реализация будет определяться финансами и зависит от амбиций корпораций и государства.

Умный трубопровод В современном мире возникает всё больше потребностей в дистанционном управлении самыми разными функциями. Многие слышали о  концепции умного дома. Она заключается в том, что в квартире, где много электроники, хозяева могут дистанционно, то есть по  радиосигналу, который трансформируется в  электрический, включить/выключить холодильник, изменить температуру, дать команду батареям. Отправить сигнал легко из любой точки планеты — технически это абсолютно простая вещь. Теоретически до  такого уровня можно автоматизировать и  производство. Во  многих отраслях промышленности это уже происходит. Представьте себе трубопровод. Очень важно знать состояние подобного сооружения  — в  нём не  должно быть трещин и  утечек нефти или газа. Для  сбора такой

информации на трубопроводе через определённые расстояния устанавливают станции-автоматы, которые по косвенным признакам (падение давления, наличие газа в воздухе) делают вывод о том, есть течь или нет, и сообщают об этом на диспетчерский пункт. Ничто не  мешает пойти дальше и поставить на ближайшую задвижку исполнительный орган. Допустим, с датчика пришла информация, что на определённом участке трубопровода есть проблема, — и система автоматически отправит сигнал на задвижку, которая перекроет поток. Таких систем и технологий в ближайшем будущем появится всё больше и больше.

Измерить расстояние с точностью до миллиметра Самый древний навигационный прибор — Солнце. Когда я иду в тайгу, то не беру с собой компас и ориентируюсь по Солнцу, поэтому мне сложно, если на  небе облака и идёт дождь. Компас тоже не всегда срабатывает в условиях магнитных аномалий  — около залежей руды или когда на  Солнце магнитные бури. Компас, Солнце, звёзды — это важнейшие навигационные ориентиры, но они дают лишь примерное представление о направлении. Сегодняшние навигационные приборы, например российская

59


Весь мир как на ла дони

ком техники осмоса. Язы к о г е н ж бли атория р о б а Л

60

система ГЛОНАСС, при той группировке спутников, которая уже развёрнута, определяют координаты на Земле с точностью до двух-трёх метров. Этого вполне достаточно для грубого определения своего местоположения. Хотя для использования в  автомобильной навигации такой точности может уже не хватить. Могу привести примеры из  своего опыта: я  еду по  незнакомому городу с  навигатором, подъезжаю к перекрёстку, смотрю на экран, и оказывается, что я стою на нужном перекрёстке, но с другой стороны улицы. То  есть точности ГЛОНАСС иногда не хватает, поэтому сейчас ведутся дальнейшие работы по её повышению. Мероприятия, которые мы выполняем, — это, во-первых, увеличение количества спутников, во-вторых, увеличение точности спутниковых приборов и, в-третьих, расширение возможностей наземной аппаратуры, которая пересчитывает сигналы со спутников и даёт необходимые поправки. В   п р о г р а м м е ГЛОН АС С до 2020 года запланировано определение точности местоположения до 80 сантиметров без использования специальных систем коррекции. Если есть возможность поставить рядом станцию поправки спутникового сигнала и дать время, сутки или двое, на  его статистическую

обработку, то можно и сейчас получить координаты с  точностью до  сантиметра. Мы  такие данные уже получали, например, когда показывали премьер-министру Российской Федерации Владимиру Путину в 2008 году сдачу объездного моста под Красноярском. Поставили датчик ГЛОНАСС и станцию коррекции, которая набирала статистику двое суток. В результате показания оказались такими точными, что было видно, как мост дрожит и прогибается при движении по  нему автотранспорта. Выходит, что проводить регулярные инспекции не требуется: достаточно поставить такой датчик и наблюдать нагрузку и колебания моста в любой момент. В 2010 году произошла нашумевшая история с танцующим мостом в Волгограде. Из-за ошибок в проектировании при постоянном ветре мост начал сильно раскачиваться. Но  если  бы на  нём стоял датчик ГЛОНАСС, то ещё во время строительства стало бы ясно, что податливость моста превышает заложенную в техническом задании и проект требуется корректировать.

Куда девается космический мусор В о к р у г З е м л и л е т а е т у же несколько тысяч спутников. Судьба их разная. Спутники, которые мы

называем низкоорбитальными (высота орбиты 400—600 километров), рано или поздно падают на Землю. Атмосфера по мере приближения к планете становится всё менее и менее разрежённой. Кроме того, летящая в космосе Земля оставляет за собой своеобразный хвост. Сотни тысяч молекул, которые являются остатками атмосферы, тормозят движение спутника: он теряет скорость и начинает снижаться. В  начале жизни летательный аппарат имеет на  борту запасы топлива, которые используются для коррекции орбиты — её подъёма на  прежнюю высоту. Спутники, которые отработали свой срок, со временем падают и сгорают в атмосфере. Спутник влетает в атмосферу со скоростью восемь километров в  секунду, разогревается и частично сгорает. Так как Земля имеет гигантские размеры по сравнению с искусственным небесным телом, вероятность падения спутника на человека или жилой объект ничтожна. И ещё ни разу на нашей планете не случалось такого, чтобы на кого-то из людей упал спутник. Спутники на  высокой орбите, например на  геостационарной, высотой в 36 000 километров, могут существовать очень много лет. Когда спутником перестают управлять, он начинает дрейфовать на  своей


орбите под действием притяжения Луны, Солнца и  других факторов. Для  того чтобы «пенсионер» не  мешал другим спутникам, оставшееся в нём топливо используют для того, чтобы поднять его на 200 километров выше: отправить спутник на  так называемую орбиту захоронения. Там он находится бесконечно долго.

Наземные антенны для связи со спутниками

Почему спутники не сталкиваются? Представим себе, например, группировку спутников ГЛОНАСС. Сейчас в  ней работают 24 спутника, расположенные на  средних круговых орбитах. Расстояние между ними составляет 20 000 километров. А размах крыльев солнечных батарей спутника  — 15 метров. Понятно, что друг для друга они опасности не представляют. Что касается самих орбит, то почти каждая точка в ближнем космосе имеет своего хозяина. В Швейцарии расположена штаб-квартира Международного союза электросвязи, который отвечает за распределение точек на  геостационарной орбите: каждая из них принадлежит либо некой организации, либо стране, в том числе и России. Точки на орбите считаются национальным достоянием и  природным ресурсом. Расстановка спутников по геостационарной орбите регламентирована, и  другие страны

61


Весь мир как на ла дони

Ионный двигатель

не  имеют права запускать свой спутник в чужую точку. В  одной точке може т быть несколько спутников, но тогда они работают в  разных диапазонах, чтобы не мешать друг другу. Минимальное расстояние между космическими аппаратами — 36 километров, хотя для земного наблюдателя они находятся в одной точке. Имея разные частоты вещания и приёма, спутники не  мешают друг другу и с точки зрения электромагнитной совместимости.

Могут ли спутники сами летать в космосе? В 2014 году на борту МКС пройдут испытания магнитно-плазменного двигателя с регулируемым удельным импульсом

ком техники осмоса. Язы к о г е н ж бли атория р о б а Л

62

Генератор электроснабжения двигателя первой стадии Сверхпроводящие магниты Высокочастотный ускоритель для нагрева и ускорения плазмы

Бак с аргоном

Антенна источника плазмы. Использует электромагнитную энергию для создания плазмы из газа

Газ

Генератор электроснабжения двигателя второй стадии

П ла з

ма Р а зо п л а з г н анная ма

Выход в  космос требует большого количества энергии и использования ракеты-носителя. Возьмём ракету «Протон». Её вес — 700 тонн. На  низк у ю к ру гову ю орби т у (200  километров над Землёй) она может вывести 20 тонн. А на геостационарную орбиту, которая, как мы помним, находится на  высоте 36 000  километров, ей под силу доставить всего 3 200 килограммов. Разница между первоначальным весом и  весом выведенного на  орбиту полезного груза  — это в основном топливо. Сейчас мы делаем спутники с  электрореактивными двигателями, которые могут разгонять потоки ионизированного газа


до  30—40  километров в  секунду. В  электрореактивном двигателе из  атомов ксенона сначала создаются ионы. Для этого нужно забрать у ксенона часть электронов в специальном ионизаторе. Далее ионы разгоняются в  магнитном поле и  вылетают из  сопла с  огромной скоростью. Для работы такого двигателя используется очень маленькое количество вещества, буквально граммы. Однако этого хватает для того, чтобы корректировать положение спутника на орбите. Если требуется перевести спутник из точки над Москвой в точку над Владивостоком — это делается очень просто. Включается двигатель, спутнику придаётся первоначальный направленный импульс — и он летит дальше, в нужную точку, со скоростью 2—3 градуса в сутки. При подходе спутник тормозят, стабилизируют, и он начинает работу на новом месте. Можно перевести спутник и с одной орбиты на другую. Но  это очень энергоёмкий переход, который осуществляют крайне редко. Например, для спутников дистанционного зондирования Земли, когда нужно изменить расстояние для фотографирования. А на большинстве искусственных небесных тел двигатели используются только для поддержания существующей орбиты.

Как продлить срок службы спутника? Чем определяется срок активного существования спутника? Раньше он «зависел» от  срока службы электронной начинки. Во всём мире эта часть была «слабым звеном», и  сп у тник ж ил не больше 10 лет. Сегодня электроника стала долговечной. Поэтому теперь срок активного существования спутника определяется запасом топлива. Сейчас мы совместно с  канадскими коллегами прорабатываем концепцию спутниказаправщика. Это спутник, у которого нет никакой аппаратуры  — ни связной, ни навигационной, он представляет собой просто большой бак. Такой аппарат подлетает к  другому спутнику, стыкуется с ним и заправляет его топливом. Эта  идея проста и  понятна, хотя ещё ни разу не была реализована. Что касается ремонта спутников в  космосе, то здесь ситуация намного сложнее. Простой пример: допустим, на спутнике вышла из  строя панель солнечной батареи. Если вы хотите её отремонтировать, то должны быть реализованы максимально простые варианты отстыковки старой панели и  крепления новой. В  сегодняшней конструкции спутника ремонт в космосе невозможен. Если задача

починки спутников всё-таки будет поставлена, потребуются специальные мероприятия по  системам стыковки отдельных частей. Те  части, которые потенциально требуют замены, должны быть: а) расположены снаружи и б) иметь абсолютно простые устройства стыковки и расстыковки. Надо сказать, один такой космический аппарат всё же был создан — это космический телескоп «Хаббл». Ег о  р емон т и р ов а л и т ри ж д ы. Однако надо помнить, что «Хаббл» стоит огромных денег: в такой ситуации ремонт оправдан. Как это ни парадоксально, возможность и необходимость ремонта определяются скоростью прогресса. Сегодня никому в голову не придёт, например, ремонтировать наши спутники «Горизонт», запущенные 15 лет назад. Как раз в нынешнем году последний аппарат этой серии был переведён на  орбиту захоронения. Есть спутники, которые устаревают морально. Поэтому нужно считать, насколько ремонт спу тника экономически выгоден. Что дороже: запустить новый спутник или отправить к старому ракету с  ремонтным модулем? В  любом случае усилия по  созданию уникального спутника-заправщика или ремонтника — это тоже не бесплатная вещь.

63


Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на л адони

Языком техники «В огне не сгорит и в воде не утонет» О том, как устроен спутник, что с ним делают перед запуском в космос и могут ли злоумышленники взять спутник под свой контроль, рассказывает Сергей Иванович Опенько, главный конструктор электрического проектирования и испытаний космических аппаратов.

Спутники-роботы в космосе Спутник, в  отличие от  космического корабля или космической станции, путешествует в  космосе совершенно один. И его приходится строить так, чтобы он, как робот, мог работать автономно. У  спутника много систем, которые обеспечивают его работу в космосе, — это система электропитания, снабжающая спутник электрической

Любым спутником «руководит» бортовой комплекс управления. Это компьютер, рассчитанный на высокую степень автономности. Но до того как спутнику «доверят» стать автономным — отправят в космос, он должен пройти долгие наземные испытания. В течение нескольких месяцев сам спутник или его элементы трясут и нагревают, помещают в вакуум и подвергают воздействию радиации.

энергией, система терморегулирования, отвечающая за комфортные условия для функционирования бортовой аппаратуры, система ориентации и стабилизации, которая определяет правильное положение спутника в космическом пространстве, и  многие другие, без которых спутник не сможет выполнять поставленные задачи. Управляет спутником отдельная система  — бортовой комплекс управления. Его  главная задача  — координировать работу всего оборудования и систем. Каким  бы автономным ни  был спутник, но и за ним нужен контроль, им необходимо управлять. Для этих целей на земле создаётся наземный комплекс управления (или, как его ещё называют, Центр управления полётом). Он с помощью радиолинии связан со  спутником и может получать всю необходимую информацию о  работе космического а ппарата и  его систем, а также выдавать команды на управление им. В бортовом комплексе управления есть специальные приборы, которые организуют канал связи с наземным комплексом управления. Каналы связи проектируются специально: таким образом, чтобы любопытный хакер туда не влез. Для того чтобы связаться со спутником, нужны протоколы,


а  незнакомый сигнал он просто проигнорирует. Когда в  боевиках показывают, как какие-нибудь преступники перехватили управление спутником, это не вызывает ничего, кроме улыбки. Принять информацию со спутника можно: это не составляет большого труда. Нужно лишь иметь антенны и приёмное оборудование, чтобы улавливать сигналы в  соответствующем диапазоне длин волн. Но после приёма сведения нужно правильно интерпретировать. Дело в том, что вся информация со спутника идёт цифровым пакетом в виде набора единичек и ноликов. Каждому цифровому значению единицы или нуля может быть присвоено какоето значение. Для того чтобы любой желающий понял принятую таким образом информацию, ему нужен трафарет, который можно наложить на полученный пакет и «прочитать», какие данные были переданы. Трафарет, естественно, нигде не публикуется. О нём знают только разработчики аппарата и специалисты наземного комплекса управления. Получив данные со  спутника, в центре управления накладывают на  них трафарет и  видят всё, что происходит с  аппаратом в космосе. Передачу информации выполняет командно-измерительна я

65

Сборка спутника «Глонасс-К»


Весь мир как на ла дони

66

система, обеспечивающая постоянный контакт спутника с Землёй. Эта система позволяет наземному комплексу управления подавать в космос любые команды. Как правило, все такие команды имеют наивысший приоритет, то есть должны исполняться во что бы то ни стало. Таким образом, Центр управления при желании может вмешаться в  работу спутника. Была у  нас такая история. Зарубежные коллеги заказали спутник, мы сделали аппарат с  довольно хорошей степенью автономности. Но на Западе технология управления спутником немного другая: это непрерывный процесс. И наши коллеги, получив новый спутник, решили немного «порулить». В результате

Бортовой компьютер «Салют-1»

спу тник перешёл в  состояние, из которого его пришлось выводить принудительно. Почему так случилось? Сотрудники наземного комплекса перевели аппарат в  неправильный режим, сделав ошибку в расчётах. Обычно спутник сам рассчитывает многие параметры. Но  тут, получив неверные данные, автономная система управления восприняла их как угрозу для жизнедеятельности аппарата и принялась переводить его в  режим выживания. В  Центре у правления полётом поднялся переполох. Разобравшись с  проблемой, мы спросили, почему иностранцы не пользовались автономной системой управления. Они ответили: «Мы решили

попробовать ру ка ми». Ну  вот и попробовали! Как правило, большинство проблем со спутниками возникает от  ненужных вмешательств. Чем меньше спутники трогают, тем лучше они работают. Вторая задача, которую реализует бортовой комплекс управления, — регулирование работы всего оборудования спутника. Центр управления, каким  бы хорошим он ни был, не может выдавать команды каждую секунду. Спутник должен быть автономным. Если взять коммерческие спутники, которые делают за рубежом, то для них есть требование — аппарат должен по крайней мере 24 часа работать без контакта с Землёй. Для наших спутников требование иное — спутник должен работать без контакта с Землёй как минимум две недели. Полмесяца он должен сохранять ориентацию, выполнять коррекцию орбиты, диагностировать своё оборудование, при необходимости переключать его на резервные комплекты, чтобы восстановить работоспособность. По сути, спутник — это робот с зачатками искусственного интеллекта. И третья задача, которую выполняет бортовой комплекс управления,  — согласование работы оборудования, которое установлено на спутнике. Например, для


того чтобы запустить двигательную установку, нужно открыть клапан и подать топливо в двигатель. Понятно, что компьютер при всём своём умении сам это сделать не  сможет. Ему  нужен какой-то интерфейсный блок, который получил команду от компьютера выдать сигнал на  то, чтобы этот клапан открылся. Если говорить на более понятном сегодня компьютерном языке, для каждого механизма или прибора на  спутнике есть свой драйвер, который и  должен быть установлен в системе управления.

Есть ли у спутника мозг? Мозг комплекса у правления спутником — это бортовой компьютер. На нашем предприятии используется компьютер производства Ижевского радиозавода — «Салют 32-М». Предпочтение отдаётся отечественным приборам, поскольку мы всё про них знаем и можем разобраться во всех тонкостях. Кроме того, важно развивать собственное производство. Одно время мы работали с немецкими компьютерами: это было требование заказчика разрабатываемого спутника. Применили такую электронику один раз и больше её не ставим. Это был неп лохой ком п ью те р, но  м ы не нашли в нём никаких преимуществ по сравнению с нашим.

Блок управления КА «Глонасс-К» обеспечивает раскрытие панелей солнечных батарей, ориентацию аппарата на Солнце и Землю

Ещё одна забавна я история. Несколько лет назад приехали к  нам специалисты одной японской компании. Они очень настойчиво рекламировали свои бортовые компьютеры. У нас же тогда использовался компьютер «Салют-4»  — разработка ещё советского времени. Японцы представили свой компьютер и  спросили  — а  что у  ваших спутников на борту? Мы опубликовали все характеристики нашего ком пьютера, за  иск лючением одной. Когда иностранцы ознакомились с ними, то минут на десять лишились дара речи. Получалось, что прибор, который они только планировали сделать, у нас летал уже с  80-х годов прошлого века! Потом, придя в  чувство, гости

задали вопрос: почему же тогда вы хотите заменить такой хороший компьютер? Мы ответили — извините, забыли привести одну характеристику: вес — 100 килограммов. «Салют-4» полетел в космос где-то в 1981—1982 годах, а работа над ним начиналась в 70-х годах прошлого века. Это была чисто отечественная разработка, без единого импортного элемента, которая по многим характеристикам на  многие годы превзошла все мировые аналоги.

Что происходит после взлёта? Спутник спроектирован таким образом, что система управления им включается до старта. После разделения с ракетой система управления

67


Весь мир как на ла дони

ком техники осмоса. Язы к о г е н ж бли атория р о б а Л

68

без команд с Земли начинает приводить спутник в  рабочее состояние  — запускает компьютер, загружает соответствующие програ ммы. Сп у тник раскрывает всё, что надо: панели солнечных батарей, антенны. Затем он начинает готовить двигательную установку к работе. В это время также включается система ориентации, которая «успокаивает» спутник — ведь, отделившись от носителя, он кувыркается, как брошенный в воздух камень. В режиме успокоения включаются двигатели и маховики, спутник начинает терять угловые скорости и в конце концов замирает в одном положении. Всё это время питание спутника осуществляется от аккумуляторных батарей, которые заряжаются ещё до  запуска. Понятно, что запас энергии в батареях ограничен, и необходимо как можно скорее сориентировать космический аппарат таким образом, чтобы его панели солнечных батарей были направлены в  сторону Солнца. Для этого система управления поворачивает спутник до тех пор, пока Солнце не начнёт светить на панели солнечных батарей и его питание не переключится на этот источник. В таком режиме космический аппарат в состоянии находиться длительное время, однако выполнять свои задачи он не может,

так как его антенные системы ещё не сориентированы на Землю. После того как режим поиска Солнца заканчивается, спутник начинает направлять свои антенны на  Землю. Так  как они жёстко закреплены на  корпусе космического аппарата, он ориентируется в  сторону Земли, а  для того, чтобы обеспечить спутник электроэнергией, начинают вращаться панели солнечных батарей, причем вращение осуществляется с такой скоростью, чтобы обеспечить их освещение Солнцем. В зависимости от того, на какой орбите на ход ится косм и ческий аппарат, он может попадать и в теневые участки, где тень от Земли или тень от Луны закрывает Солнце. На геостационарной орбите максимальная длительность тени от  Земли составляет 72  мину ты. Спу тник попадает в эту тень два раза в год — весной и осенью. Длительность тени изначально маленькая, но с  каждым днём она всё увеличивается и увеличивается, достигая максимального значения, после чего начинает у меньшаться до  полного исчезновения. Когда космический аппарат находится в тени, он продолжает работать, а  питание его осуществляется от аккумуляторной батареи.

Настройка антенного блока навигационного космического аппарата


69

Испытания на вибростенде КА «Глонасс-М»


Весь мир как на ла дони

Космический аппарат «Глонасс-К» в сборочном цехе

оса. Ликбез жнего косм и л б я и атор Лабор

70

Подготовка к запуску блока космических аппаратов «Глонасс-М» на космодроме


Сам себе ставит диагноз, сам себя лечит Что происходит, если на  спутнике что-то ломается? На этот случай в  систему управления заложены инструменты диагностики. Их задача — контролировать работу летательного аппарата. Например, при работающем электропитании система диагностики в  каждый момент времени знает, от  какой батареи спутник получает энергию  — аккумуляторной или солнечной. Когда система диагностики обнаруживает, что спутник почемуто перешел на  аккумуляторную батарею, она проверяет, почему это произошло. Если спутник находится в теневом участке и потому действительно должен перейти на  а к к у м у л яторн у ю батарею, система может решить: ладно, подождём 72 минуты, — она всегда знает, сколько нужно ждать. Если же вдруг смена источника питания происходит на  солнечном участке, то понятно: что-то произошло с ориентацией спутника. В этом случае система управления пытается восстановить ориентацию — она переключает бортовые датчики, которые контролируют положение спутника в пространстве. Если это не действует, она может сама перезагрузить бортовой компьютер и заново запустить всё программное обеспечение.

Если не помогает и перезагрузка, система управления включает аварийный режим. В  этом режиме задача спу тника  — сохранить питание на борту. Панели ставятся в определённое положение, и включается совершенно независимый блок, который начинает управлять положением аппарата для того, чтобы панели улавливали лучи Солнца. Конечно же, в наземный комплекс управления сразу отправляется сигнал вызова.

Зачем спутник помещают в печку Прежде чем запустить спутник в  космос, его нужно проверить. В общей сложности все испытания идут около девяти месяцев. Сначала на спутнике проверяют всю электронику, затем подвергают его всем мыслимым и немыслимым воздействиям: тестируют на  механические, акустические и температурные нагрузки. А потом снова проверяют все электрические характеристики. И всё это делается с одной целью — убедиться, что спутник изготовлен качественно, что в  нём нет ни одного дефекта или даже намёка на  то, что какой-то из  элементов может сломаться. В  космосе спутник подвергается многим агрессивным воздействиям, в  частности воздействию

радиации и тяжёлых заряженных частиц. Очевидно, что проверять на  устойчивость к  радиации весь спутник целиком нельзя: если поместить его в реактор для такого тестирования, то после него аппарат придётся выбросить как уже получивший предельную дозу. Поэтому испытания способности работать в  условиях радиационного излучения каждому из  элементов спутника устраивают отдельно. Для этого, например, испытатели покупают заведомо большее количество радио элементов. Часть из них помещается в реактор и подвергается облучению, а затем проверке. В результате можно сделать вывод — раз эти элементы выдержали, значит, и  другие из  той  же партии смогут работать в космосе. В ходе ещё одних — термовакуумных — испытаний проверяется, сможет ли спутник нормально работать в вакууме при крайних значениях температур. Когда в космосе спутник попадает на Солнце, он нагревается до ста градусов, а оказываясь в тени, остывает до минус ста градусов. Бывает и так, что одна сторона спутника обращена к Солнцу, а другая находится в тени, и тогда с одного его бока температуры положительные, а с другого — отрицательные. Для того чтобы спутник мог выдержать такие нагрузки,

71


Весь мир как на ла дони ом техники осмоса. Язык к о г е н ж бли атория р о б а Л

72

работая не один десяток лет, при его создании применяются особо прочные материалы. Мы  используем по большей части материалы отечественного производства. Испытания спутников на механические нагрузки состоят из двух этапов. Первый  — это вибрация. Аппарат ставится на  вибростенд, и  его начинают трясти. Датчики регистрируют, как такое воздействие отражается на  спутнике. После этого его помещают в акустическую камеру, где подвергают шумовому воздействию. Громкость звука при этом составляет 140 дБ. Для сравнения: реактивный самолёт Ту-154 производит шум в 110 дБ. Спутник должен легко выдержать этот свист. После того как космический аппарат проверили на устойчивость ко всем воздействиям, его отправляют на электрические испытания. Проверяют, работает  ли оборудование внутри, как раскрываются солнечные батареи, а  также все остальные характеристики. После этого испытания мы можем сказать  — да, всё хорошо, спутник готов к запуску в космос. На самом деле ещё до проверки спутник проходит долгий этап отработочных испытаний. Обнаружить какую-нибудь грубую неисправность или непрочную деталь на уже готовом аппарате было  бы очень

обидно и  глупо. Поэтому сначала делается макет спутника, например корпус без приборной начинки. Эту конструкцию начинают трясти, сжимать, крутить, пытаясь понять, когда  же она разрушится. Изначально макеты проверяются на соответствие заданным нагрузкам, которые определяются исходя из того, как спутник будут выводить на орбиту. Разные ракеты-носители имеют свои характеристики и определяют разные уровни механических нагрузок, так же как, например, автомобили. Представьте, что вы садитесь в «Жигули»: тогда на разгон до  100  километров в  час вам потребуется 16 секунд. А на «Феррари» можно уложиться и в 5 секунд. Поэтому, когда заключается контракт на  изготовление спутника, сразу определяется, с  помощью какого носителя его будут выводить на орбиту. И проектирование аппарата осуществляется под конкретную ракету — например, «Протон».

Поехали… После того как мы испытали спутник на заводе, он грузится в особый контейнер, в котором созданы специальные условия — температура, влажность, амортизация. Спутник самолётом везут на  космодром. В процессе транспортировки все его параметры фиксируются

специальным оборудованием, установленным в транспортировочном контейнере. Космический аппарат привозят на полигон и проверяют условия его доставки. Любые повреждения или нарушения, полученные в  результате неправильной перевозки, приходится исправлять. Дальше спутник готовят уже на  полигоне. Наша технология не предусматривает при этом какихто больших работ: проводится только заправка двигательной подсистемы, поскольку по нормам безопасности заправленный спутник возить нельзя. Также снимаются предохранительные устройства, которые оберегают элементы спутника от  повреждения в  процессе транспортировки. По  завершении заправки спутник стыкуется с разгонным блоком. Затем на него надевают специальный обтекатель — защитное устройство для прохождения приземных слоёв атмосферы. После этого конструкция стыкуется с ракетой-носителем и проводится проверка: всё ли работает, доходят ли сигналы от ракетыносителя и  от  разгонного блока до спутника. Только потом ракету с установленным под головным обтекателем спутником вывозят на старт, ещё раз проверяют все системы, заправляют ракету компонентами топлива  — и  отправляют в полёт.


Ракету-носитель «Союз-2» со спутником под обтекателем готовят к старту

73


Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на ла

дони

Языком техники Жёстче, прочнее, легче… О том, из каких материалов делают спутники и что такое углепластик, зачем спутнику был нужен контейнер и почему ему на смену пришли соты, рассказывает профессор Владимир Иванович Халиманович, заместитель генерального конструктора по механическим системам космических аппаратов — директор Отраслевого центра крупногабаритных трансформируемых механических систем.

Скелет для спутника Мы разрабатываем механические конструкции, на которых размещаются все системы спутника. Что  представляет собой такая конструкция? Раньше её главной составляющей был герметичный контейнер, где располагалась

Корпуса спутников, которые летали в космос 20 лет назад, были из алюминия, титановых и бериллиевых сплавов. Сейчас всё большее применение находят углепластиковые композиционные материалы. Дальнейшая эволюция материалов для спутников будет связана с применением нанотехнологий. В структуру металла начнут внедрять наночастицы, которые увеличат его прочность и жёсткость.

основная аппаратура, создавалась газовая среда, обеспечивающая комфортные условия эксплуатации: температуру, влажность, защиту от  космических излу чений  — это были практически цеховые условия. Гермоконтейнер изготавливался из металлических сплавов по  оригинальным технологиям, обеспечивающим многолетнюю герметичность. Со временем аппаратура, которая используется на  спутниках, стала более совершенной, работоспособной в  условиях открытого космоса, и гермоконтейнер больше не понадобился. Констру кция аппарата приобрела другой облик, но её функциональное назначение осталось. Кроме решения задач размещения аппаратуры или, как говорят конструкторы, компоновки, необходимо обеспечить тепловой режим при её эксплуатации, прочность, жёсткость, позволяющие спутнику выдержать нагрузки как при перевозке на полигон запуска, так и при выведении ракетой-носителем в рабочую точку на орбите. Спутник долго эксплуатируется на орбите: 15 лет для аппарата связи  — это норма, и  в  течение этого времени необходима геометрическая стабильность конструкции, от  которой зависят


Сборка космического аппарата «Глонасс-М»

75

Силовая конструкция корпуса будущего космического аппарата


Весь мир как на ла дони

оса. Ликбез жнего косм и л б я и атор Лабор

76

Многослойная сотопанель космического аппарата

выходные параметры аппарата. Самое важное — это её вес. Вместе с  другими механическими системами так называемой вторичной конструкции он составляет более 30 % от  общего веса аппарата. Это немногим меньше массы полезной нагрузки спутника. Поэтому проблема снижения веса конструкции всегда была актуальной и решалась большим коллективом специалистов по материаловедению, прочности, теплу и др. Сегодня основные положительные результаты получаются при использовании в  конструкции спутника полимерных композиционных материалов. Они состоят из двух компонентов: связующего и наполнителя. В быту многие сами создают композиционные материалы, используя ткань из стекловолокна и эпоксидную смолу. Очень распространены такие изделия при изготовлении корпусов яхт, лодок, да и «самоделкины» часто применяют эти материалы для ремонта автомобилей, изготовления прочных и жёстких деталей сложных конфигураций при создании моделей кораблей, самолётов. В  космическом исполнении всё намного сложнее: в качестве наполнителя используются угольные волокна, которые получают в результате сложного технологического процесса из органических волокон.


Характеристики волокон по жёсткости и прочности намного превышают аналогичные для металлических сплавов. После смешивания с эпоксидной смолой из них получаются углепластиковые композиционные материалы. Чем они хороши? Тем, что их удельный вес всего лишь в полтора раза превышает удельный вес дерева, а  жёсткость в  полтора раза больше, чем жёсткость самых лучших сортов стали, — словом, они очень лёгкие и очень прочные. Использование полимерных композитов  — главный путь уменьшения веса космических аппаратов. Уже сейчас спутники, которые мы производим, на  60 % сделаны из композитных материалов. Кстати, они применяются уже и в производстве автомобилей, а через несколько десятков лет, по  прогнозам, композитными будут 30 % корпусов самолётов. У композитного материала, кроме малого веса, есть ещё один огромный плюс. Когда спутник находится в космосе, то на его солнечной стороне температура может быть плюс 100, а в тени — минус 100 градусов по Цельсию, и на поверхности возникают температурные деформации. Величина деформации материала под действием температуры называется коэффициентом термического расширения. Композит

в 50 раз меньше реагирует на перепады температуры, чем алюминий. Это  одна из  причин, по  которой композитный материал используется в космосе. Однако у  композитов есть ряд недостатков, о которых надо знать. Например, на Земле этот материал может впитывать влагу, а когда спутник выйдет в космос, влага высохнет, и изделие деформируется. Существует много разных приёмов, как избежать этого. Самое главное  — изготавливать детали в  условиях, приближенных к космическим.

Сэндвич и соты — несъедобная обшивка спутника Конс т ру к ци я современного спутника выглядит одновременно как слоёный пирог и  как пчелиные соты. Соты, или шестигранные ячейки, уложенные на углепластиковые или алюминиевые листы, позволяют создать очень прочные, жёсткие и лёгкие конструкции. Так создаётся то, что называется сотопанелью («сэндвич-панелью»). На  сэндвич-панелях крепится аппарату ра, котора я выделяет много тепла. Обеспечение требуемой температуры определяет структуру панели. Полимерные композитные материалы тепло проводят крайне плохо. Поэтому там,

где нужно отвести от поверхности очень много тепла, используют алюминиевые сэндвич-панели. А там, где нужна прочность, применяют углепластиковые. Как же выглядит в итоге панель? В том месте, где к ней крепится оборудование, используются тонкие, толщиной 0,3 миллиметра, алюминиевые листы, через которые передаётся тепло. Дальше идут соты, в которые встроены тепловые трубы. Потом следует обшивка, покрытая с наружной стороны специальными материалами, отражающими солнечный свет. Это специальные зеркальца, очень тоненькие, толщиной 0,1 миллиметра, и более качественные, чем те, которые висят дома. Дальнейшее совершенствование материалов для изготовления спутников будет связано с нанотехнологиями. Кстати, при изготовлении спутников мы давно занимались напылением на поверхности тонкого слоя частиц, поскольку чем тоньше слой, тем лучше его характеристики (правда, тогда ещё это не называли нанотехнологиями). Однако чтобы увеличить прочность и жёсткость, добиться улучшения свойств материала, надо заниматься внедрением наночастиц в  саму его структуру. Тогда меняются кристаллическая решётка и  свойства материала. Но пока всё это — дело будущего.

77


Лаборатория ближнего космоса. Весь мир как на л адони

Языком науки О том, как с помощью анализа спутниковой информации учёные исследуют процессы, протекающие на суше и в океане, рассказывает доктор технических наук, профессор, заместитель директора Института биофизики СО РАН Анатолий Петрович Шевырногов.

Человечество вооружилось макроскопом

Несмотря на безрадостные прогнозы писателей-фантастов, сегодня спутники используют во благо человечеству. Так, на основе данных с космических аппаратов красноярские учёные разрабатывают программы для быстрого обнаружения пожаров в тайге, прогноза урожайности, оценки экологического ущерба от работы промышленных предприятий. Кроме того, учёные исследуют со спутников изменения температуры в Мировом океане и концентрацию растительных пигментов по всему земному шару.

Плёнка жизни на Земле Почему возникла потребность изучения Земли из космоса? Земля представляет собой удивительное создание природы. А жизнь, которую мы видим, — это тончайшая плёнка на поверхности нашей планеты. В  силу того что эта плёнка очень мала и распределена по всей земной площади, долговечность её тоже оказывается под сомнением. Иногда даже непонятно, почему она вообще существует и  сохраняет свою устойчивость. Для того чтобы понять, где мы живём и как мы живём, надо присмотреться к  нашей планете, к  нашей биосфере — что же это такое? Поверхность Земли на две трети покрыта Мировым океаном. Обитающие в нём мельчайшие клеточки живого вещества — одноклеточные водоросли (или фитопланктон) — постоянно продуцируют хлорофилл и  другие фитопигменты, необходимые для фотосинтеза. В  процессе фотосинтеза они вырабатывают кислород. Однако активные жизненные процессы в  океане


происходят лишь в  верхнем слое воды толщиной 100—150  метров, а глубже царят вечная ночь и холод. Одна треть поверхности нашей планеты — это суша, которая далеко не  одинаково покрыта тонким слоем жизни. Почти безжизненные пространства — это пустыни Африки и  Азии, горы Памира и  Тянь-Шаня и  другие высокогорные районы. Наиболее зелёные районы Земли — это джунгли Южной Америки и бореальные леса Европы, Азии и Канады. Это зоны, которые дают возможность дышать всему живому, вырабатывая кислород в процессе фотосинтеза. Они же являются особо чувствительными к изменениям в окружающей среде и особо важными для того, чтобы их исследовать и сохранять. Растения в процессе фотосинтеза производят не просто кислород — на самом деле из неживого вещества они производят живое вещество. Этот процесс называется первичной продукцией. Почему первичной? Потому что фотосинтез — начало всего живого на Земле, первое звено всех пищевых цепей. Если прекратится фотосинтез, нынешняя жизнь исчезнет автоматически. В глубинах океанов есть организмы, способные синтезировать органическое вещество без света, но это очень малая часть современной биосферы.

Контроль первичной продукции всей Земли является для человечества задачей номер один. Многие этого не понимают. А учёные, которые занимаются исследованием биосферы, очень хорошо знают, насколько всё на  нашей планете взаимосвязано. Без учёных принятие эффективных решений в условиях нестабильности невозможно.

Чем измерить биосферу? Есть один важный методологический принцип, относящийся к  любой науке, говорим  ли мы о  физике или о  биологии. Объект изучения нужно исследовать такими средствами, которые могут дать какие-то конкретные знания, то есть объект изучения и методы изучения должны соответствовать друг другу. Допустим, мы задались целью посмотреть, что такое биосфера. Можем ли мы просто выйти в поле и понять, как она функционирует? Ответ однозначный: нет, не можем. Почему? Потому что если человек встанет и  посмотрит вокруг, то дальше горизонта он не увидит ничего. Можно взять одну пробу, десяток или даже тысячу, но это даст информацию лишь о  какойто малой части земной поверхности. А  дальше-то что? Как  работает биосфера в  целом? Этот

методологический тупик до определённого времени обойти было невозможно. Но время идёт вперед, и появились новые виды техники, которые позволили посмотреть на планету в целом. Это космические средства наблюдения Земли. Они могут быть расположены на спутниках, выведенных либо на низкую орбиту — высотой порядка 300 километров над поверхностью, либо на высокую, геостационарную, когда спутник, запущенный на 36 000 километров вверх, как бы висит над Землёй и смотрит в одну и ту же точку. Такие средства наблюдения дали возможность увидеть биосферу в целом. Спутник, выведенный на  низкую орбиту, каждые 90 минут облетает Землю, и аппарату ра, установленная на  нём, может «разглядеть» практически любой её уголочек. Следом возникает другая проблема: как хранить эту информацию? Представьте себе, что каждые 90 минут в течение многих лет спутник крутится над Землёй. Куда помещать собранные сведения? Тут в дело вступают компьютерные технологии и новые методы обработки информации — специально созданные геоинформационные системы, программы для упаковки и хранения данных. Тут  и  происходит качественный

79


переход. Качественный скачок в познании того, что такое биосфера и как она живёт.

Весь мир как на ла дони

Водоросли расскажут про климат

ыком науки космоса. Яз о г е н ж бли атория р о б а Л

80

Происходят ли с нашей планетой какие-либо изменения? И зачем нам нужно знать об этом? Благодаря раскопкам мы имеем ��нформацию, что когда-то на Земле жили динозавры. Знаем, что жили на ней и мамонты. И те, и другие вымерли, в том числе в  результате крупнейших климатических изменений, которые происходили на планете. И эти климатические изменения естественным образом влияли на  всю биосферу в целом. А что происходит сейчас и куда мы движемся? Может, впереди нас ждёт ещё один ледниковый период или, наоборот, невыносимая жара? Здесь вступают в игру новые методы анализа длинных временных рядов. Это  можно сравнить с  предсказанием погоды. Мы понимаем, что если на дворе август, то завтра вряд ли похолодает до минус двадцати. Анализируя более длительный временной период, мы точно знаем, что с высокой вероятностью после лета будет осень, а потом зима. Конкретные значения температур через полгода мы предсказать не сможем, но то, что зима будет, знаем наверняка.

Такие же периодические процессы происходят и с биосферой. Но они ещё до конца не изучены, потому что биогеографические закономерности пока не познаны в полной мере. Мы  находимся в  начальной точке познания планеты как единой системы, в которой биосфера связана с климатом. Не с ежедневными изменениями погоды, а  с  долговременными изменениями климата на планете. Чем  же определяется климат на  Земле? Во-первых, циркуляцией атмосферы и  кру пнейшими океанскими течениями. Океан занимает 2/3  поверхности Земли, и  крупные течения охватывают практически всю планету. Это  огромная тепловая машина. В океане есть реки шириной в сотни километров, которые переносят тепло из тропиков на север, а холод, наоборот, с севера в тропики. Эти гигантские потоки тепла и определяют земной климат. Достаточно измениться интенсивности и направлению океанских течений — и сразу же это отразится на суше. Океан, хоть и находится от нас, красноярцев, далеко, за тысячи километров, прямо влияет на наш климат. Например, он определяет устойчивость сибирского антициклона. Благодаря ему несколько лет назад у  нас зимой стояли рекордные морозы. С  чем это связано? С  глобальной циркуляцией атмосферы. А с чем связана она?


Цветение фитопланктона в Мировом океане по данным спутника MODIS. Видно повышенное развитие фитопланктона (ярко-бирюзовый цвет) вдоль побережий континентов

С глобальной циркуляцией океанской воды. Удивительная вещь: возникновение течения Эль-Ниньо в южной части Тихого океана, например, повышает пожароопасность Северного полушария. А то, что у нас леса горят, — это известно всем. Тогда при чём же здесь биология? Фитопланктон  — мельчайшие клеточки жизни в океане — живёт в этой среде и приспосабливается к ней. И поэтому в  одном месте его больше, в другом — меньше. Если идешь по океану на корабле, то внешне всё кажется одинаковым: голуба я вода и  больше ничего. Но если посмотреть из космоса на динамику изменения численности клеток фитопланктона, то оказывается, что биологические частички являются маркером, который очень чётко показывает границы океанских течений, их устойчивость и колебания. Ока зывается, что, гл яд я на  океан из  космоса и  обрабатывая увиденное определённым образом, можно «проявить» гидрологическую структуру океана. А если так, то и динамику течений. А в этом случае — и динамику климата. И значит, можно оценить влияние изменений климата на тайгу, на другую растительность, на сельское хозяйство по  всей громадной территории нашей страны, в том числе и в Красноярском крае.

История исследований в Красноярске В  Красноярске ме тода ми дистанционного зондирования занимается несколько организаций  — институты биофизики и леса Сибирского отделения Российской академии наук. Работы в этом направлении ведутся в Сибирском федеральном университете, аграрном и аэрокосмическом университетах. В Институте биофизики СО РАН, где я  работаю, подобные исследования идут уже около сорока лет. Сначала нами создавались экспрессные приборы, устанавливаемые на кораблях, для определения концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона. В нашем институте разрабатывали и оптические приборы, которые даже на сегодня по своим техническим характеристикам не хуже, а иногда и лучше современных зарубежных аналогов. А  затем был период, когда мы более десяти лет летали на  самолёте со своими приборами, созданными в Институте биофизики, над лесами и морями России. С самолёта измерялись характеристики растительности — это тоже дистанционное зондирование. И, наконец, последние 15 лет  — это измерения из космоса и попытка понять

81


Весь мир как на ла дони

ом науки осмоса. Язык к о г е н ж бли атория р о б а Л

82

природу биологической продуктивности нашей планеты с использованием самых разнообразных космических аппаратов. В  Красноярске работы велись в  рамках деятельности российско-американской рабочей группы наук о  Земле. С  нашей стороны партнёром была в  то время Академия наук СССР (сейчас это Российская академия наук). С  американской стороны  — НАСА, космическое агентство, которое обеспечивает полёты в  космос обитаемых и  необитаемых аппаратов. В  течение многих лет мы очень активно работали вместе, вплоть до  того, что американцы поставили у нас в Академгородке первую станцию для приёма спутниковой информации. Сейчас мы тоже вовлечены в международное сотрудничество. Регулярно участвуем в международных конференциях и обмениваемся научными данными. Наши исследования, особенно по  динамике биологической продуктивности океана, вызывают высокий интерес. Дело в том, что мы используем собственную методологию, уделяя особое внимание изменчивости. Это является главной особенностью работы красноярских биофизиков в сравнении с исследованиями других научных центров.

Аномальный океан В результате многолетнего изучения распределения микроводорослей в  океане нами выявлены так называемые квазистационарные зоны — территории со схожей сезонной динамикой фитопланктона. Эти зоны наносят на карту океана, и  можно выявить всю структуру океанских течений и их устойчивость. Удалось нам выявить и  тренды биологической продуктивности в океане. Допустим, про какую-то точку Мирового океана мы говорим: здесь число клеток микроводорослей растёт из года в год. А в другой точке оно всё время падает. Подобное поведение, например постоянное увеличение, можно назвать трендом. В  океане нами обнаружена ещё одна интересная вещь — аномалии в росте фитопланктона. Что значит «аномалия»? Допустим, у нас есть какой-то определённый тип динамики фитопланктона, его концентрация в разное время года становится то меньше, то больше — происходит колебательный процесс. Но  вдруг ни  с  того ни  с  сего раз в несколько лет возникает биологический взрыв, когда интенсивность фотосинтеза по сравнению с обычной вырастает на порядок. Из космоса этот взрыв продуктивности виден как яркое пятно.

Задача поиска таких аномалий возникла не  случайно. Во  время одной из экспедиций по океану нас разбудили и  говорят: немедленно делаем отборы проб и проверяем, что происходит за бортом, потому что там резко поменялись все характеристики воды. Измерения показали необычайный рост всего живого. Потом, вернувшись домой, мы решили выяснить, случайно ли наткнулись на такую точку в океане. И тогда была поставлена задача: проанализировать всю поверхность Мирового океана день за  днём, найти такие точки и обозначить их на океанской карте. В итоге выяснилось, что вероятность появления подобных аномалий в  некоторых районах Мирового океана выше, чем в других: образовалась пятнистость аномалий. Это просто удивительное явление. И ничем, кроме измерений из космоса, определить такое было бы невозможно. Все эти результаты: и карты аномалий, и тренды продуктивности, и квазистационарные зоны — позволяют нам приблизиться к прогнозу общей продуктивности океана. Для анализа поведения таких огромных поверхностей, как океан, требуется сочетание космических наблюдений и  новых информационных технологий, новых математических методов. Только все вместе они


дадут возможность понять такой сложнейший объект, как биосфера.

Спутник с модулем MODIS

Главный спутник для красноярских учёных Наиболее часто используемые сегодня данные красноярские исследователи получают с американских спутников от спектрорадиометров MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer — спектрорадиометр среднего разрешения). Станцию по приёму спутниковой информации в красноярском Академгородке установили ещё в 1993 году. С  тех пор к  нам стали регулярно поступать данные с  космических аппаратов. Спектрорадиометр MODIS имеет 36 спектральных каналов и принимает информацию в видимом, ближнем, среднем и тепловом инфракрасном диапазонах. Для  того чтобы понять, какие данные мы получаем с помощью подобных приборов и на чём основаны принципы дистанционного зондирования, надо вспомнить основы оптики и физики. Мы с вами видим в относительно узком диапазоне электромагнитного спектра — так называемом видимом свете в диапазоне длин волн от 380 (фиолетовый цвет) до 780 (красный) нанометров. Свет с  более к��роткой или длинной длиной волны мы не видим. Однако невидимые нами

83


А что ещё можно увидеть со спутников? Получаемые с них данные используются почти во всех сферах человеческой деятельности. Рассмотрим примеры. Космическая справ ка за одн у мину ту

Узнать о пожаре до его начала

ыком науки космоса. Яз о г е н ж бли атория р о б а Л

Космические данные используются и для прогноза пожароопасности. Уже сегодня на территории России и Красноярского края мониторинг пожаров в обширной тайге и прогноз возможных очагов возгорания ведутся на основании анализа спутниковой информации. Как это делается, ты, наверное, уже представляешь. Сам пожар увидеть относительно просто. Вспомним, каким видел окружающий мир Хищник из одноимённого фильма. Люди для него представляли собой ярко-красные пятна на чёрном фоне. Тёплые объекты испускают инфракрасное излучение. Чем выше температура, тем оно интенсивнее. Значит, спутник, принимающий 84 информацию в инфракрасном диапазоне, увидит пожар как яркие красные пятна на относительно тусклом или даже чёрном фоне. Но как предсказать вероятность возникновения пожара? Здесь вступают в дело отражающие способности растений. По спутниковым данным можно определить, насколько сухой является растительность. Опыт прошлого подсказывает, при какой степени высыхания леса пожар наиболее вероятен. А карты плотности населения на территории позволяют сказать, где наиболее высока вероятность поджога или возгорания. Люди, как известно, любят жечь костры в лесу, которые очень часто и становятся причинами пожаров. В довершение всего к прогнозной модели добавляются карты погоды и вероятности грозовых явлений — ведь многие возгорания начинаются с удара молнии. Безусловно, точного времени и места пожара ни одна модель не определит. Но вероятность возникновения стихийного бедствия она может предсказать достаточно точно. Как только на карте появляются районы

с высокой пожароопасностью, можно смело готовить пожарные команды для оперативного вылета. Как известно, успех тушения лесного пожара зависит от скорости. Удалось потушить пожар в зародыше — отлично. Огонь охватил огромную территорию — жди ливневых дождей, справиться с ним своими силами будет сложно. Данные из космоса, позволяющие оценить пожароопасность, учёные Красноярска начали получать с 1993 года, когда в Академгородке была установлена собственная станция приёма спутниковой информации. Активное участие в разработке методики прогнозирования и обнаружения пожаров принимала группа учёных из красноярского Инстит у та леса им. В. Н. Сукачёва СО РАН под руководством кандидата физико-математических наук Александра Сухинина. На сегодня результаты исследований учёных, в том числе и красноярских, доступны всем. С 5 апреля 2011 года на интернет-портале МЧС России размещаются космические снимки территорий Российской Федерации, отражающие пожароопасную обстановку. Снимки обновляются ежедневно. На спутниковых фотографиях отмечены все очаги возгорания, включая контролируемые профилактические отжиги сельхозугодий, несанкционированные палы сухой травы, костры, горение мусора и т. д. Зайди на сайт МЧС вот по этой ссылке: http://www.mchs.gov.ru/news/detail. php?ID=281961. При желании, изменяя дату поиска, в интерактивном режиме можно проследить динамику возникновения пожаров на любой интересующей тебя территории.


электромагнитные волны могут нести в  себе много информации. Спутники измеряют как отражённый от поверхности, так и излучаемый поверхностью Земли свет с разной длиной волны. Если это длина волны в  видимом нам диапазоне спектра, то получаемая картинка — привычная для нас фотография. Картинка в  инфракрасном диапазоне даст информацию о температуре излучающих объектов. Изучая особенности отражённого или излучённого поверхностью электромагнитного спектра, можно сказать многое о том, что находится на Земле.

Лист дерева с точки зрения спутника Попытаемся разобраться, что нужно для того, чтобы проанализировать состояние леса со спутника. Поверхность растения (для простоты будем говорить о листе) может отражать, поглощать и пропускать падающее на него электромагнитное излучение. Отражение или поглощение зависят как от концентрации основных поглощающих компонентов (хлорофилл, вода, сухое вещество), так и от внутреннего/поверхностного отражения листа. Лист больше всего отражает свет в  зелёной (именно поэтому для нас растительность — зелёного цвета) области спектра, а  меньше

всего  — в  красной. Кроме того, у листа резко увеличивается отражение в ближней инфракрасной, уже невидимой для нас части спектра. Почему лист не отражает красный и синий участки спектра? Потому что большая доля (70—90 %) солнечных лучей синего и  красного участков спектра поглощается пигментами листьев растений, прежде всего хлорофиллом, и преобразуется в энергию, необходимую для фотосинтеза. Различные «стрессы» (засолённость почвы, повреждение вредителями, болезни и т. п.) снижают содержание хлорофилла, что приводит к  уменьшению поглощения листьями в этих областях спектра. Такие листья кажутся желтоватыми и сильнее отражают свет, особенно в красной области. Вот и основа для того, чтобы определять здоровье растений со спутника. Вода, присутствующая в листьях, также влияет на видимый со спутника отражённый электромагнитный спектр. Вода поглощает свет в инфракрасном, очень узком диапазоне длин волн. Чем  влажнее растительность, тем больше инфракрасного света она поглотит. И наоборот, сухая листва не будет поглощать свет на этих длинах волн. Анализируя отражённый инфракрасный свет, можно судить о том, хватает растению влаги или нет.

85


Весь мир как на ла дони

ом науки осмоса. Язык к о г е н ж бли атория р о б а Л

86

Не  нужно забывать, что спутник «видит» не каждый листок или дерево в отдельности, а цельный массив как единую точку. Размер массива зависит от  разрешающей способности спутниковых снимков. Чаще всего учёные работают с  относительно крупными снимками (то есть снимками, полученными со спутников с низкой разрешающей способностью). Так, например, на снимке с разрешением 250 метров квадрат (пиксель) размером 250 на 250 метров будет иметь один цвет. Два  пикселя разного цвета могут означать, что на одном участке размером 250 на 250 метров было больше деревьев, а на другом — меньше. Цвет пикселя будет зависеть от типа и влажности почвы и, конечно же, от погоды. Задача ещё больше усложняется, если учесть, что на отражающую способность влияет и возраст растительности. В  течение сезона в растениях меняются содержание фотосинтетических пигментов, их влажность, размер и  количество листьев. Всё это необходимо учесть при анализе космических снимков. Что мы имеем в итоге? С одной стороны, кажется, что многие свойства растительности можно легко оценить по их спектральному портрету. Однако в  реальности это непростая задача, так как число факторов, влияющих на  отражённый

массивом растительности электромагнитный спектр, велико. Поэтому, например, для того, чтобы оценить урожайность на  основании спутниковых данных, для начала надо выполнить привязку данных, получаемых со  спутника, к  местным условиям. Как это делается? Допустим, нас интересует урожайность зерновых. Для того чтобы прогноз был надёжным, программу нужно обучить и  настроить. Для  этого требуется собрать данные по динамике роста зерновых на конкретных полях за  несколько лет. Сравнить эти данные с показаниями спутника в те же самые даты, когда мы собирали наземные данные. И  только затем настроить модель так, чтобы она могла предсказывать урожайность на конкретных полях. Таким образом, ключевыми для анализа спутниковых данных являются не  только доступ к  космической информации и  умение её обработать, но и наземные исследования, которые связывают данные со спутников с конкретной местностью.

Как измерить здоровье леса Много лет мы занимались океанской тематикой. Однако первые цифры о динамике роста растений, полученные ещё с самолётов, были по  тайге. Мы  летали и  собирали

данные над тайгой в районе Ангары, над лесами в районе Абакана, вокруг города Красноярска. Эти леса очень неоднородны по  своему составу: лиственные, тёмнохвойные, светлохвойные и т. п. У каждого типа леса есть собственная динамика роста. Отсюда возникла новая идея. Представьте: вы полетели на самолёте и смотрите сверху на лес. Кругом всё зелёное. Для анализа состояния лесной растительности из космоса мы должны понять, чем леса отличаются друг от друга. На первый взгляд вроде бы никаких особых отличий нет: просто хвойные леса имеют один цветовой оттенок, лиственные — другой. Как при этом понять, каково состояние этих лесов или лугов, травяной или сельскохозяйственной растительности? Тогда была выдвинута ещё одна очень хорошая идея. Если посмотреть на Северное полушарие зимой, то мы увидим снег и почти чёрные, для глаза человека, хвойные леса. Что  происходит весной? Земля поворачивается, снега тают, и идёт наступление зелени. С юга на север. И  когда тепло доходит до  нас  — доп ус тим, до  Краснояр��ка,  — у  растений начинается вегетационный период. Хвойные деревья просыпаются, у лиственных появляются листочки. С приходом осени всё происходит в обратном порядке.


Проследи сам за тигром и черепахой Мы у же говорили о системах позиционирования и о том, как их можно использовать для слежения за людьми или автомобилями. Эти же методы сегодня активно применяются как для наблюдения за вымирающими или редкими животными, так и для многих биологических исследований. Совсем недавно такой мониторинг стал возможным и с использованием данных со спутников российской системы ГЛОНАСС. Навигаторы ГЛОНАСС сейчас используются для слежения за такими исчезающими видами, как снежные барсы, амурские тигры и белые медведи. Этих животных на планете осталось немного, и информация о передвижениях редкого хищника позволит лучше узнать и понять его привычки и места обитания, что в конечном итоге должно помочь в сохранении вида. Использование GPS-навигаторов для схожих целей — распространённая практика. В России с их помощью уже давно отслеживают передвижения уссурийских тигров. 87 А особенно много подобных исследований посвящено передвижению морских черепах, многие виды которых относятся к вымирающим. Жизненный цикл морских черепах включает впечатляющие даже по меркам человека миграции. Маленькие черепашки рождаются на побережье Америки, затем преодолевают гигантские расстояния в несколько тысяч километров, но к концу жизни возвращаются обратно и откладывают яйца на том же самом пляже, где они когда-то родились. С многочисленными исследованиями сложных черепашьих маршрутов с помощью миниатюрных GPS-навигаторов можно ознакомиться на специально созданном сайте «Морская черепаха» (http://www.seaturtle.org/). На сайте ведётся учёт проектов по отслеживанию передвижений не только черепах, но и других рептилий, птиц, млекопитающих и рыб. Эти данные общедоступны и могут быть использованы в образовательных целях. Попроси своего учителя биологии или географии зарегистрироваться, скачать специально подготовленные карты и фотографии, и ты сам сможешь проследить за миграциями акул, морских львов, орлов и, конечно, черепах.


Как увидеть воду под землёй?

оса. Ликбез жнего косм и л б я и атор Лабор

Весь мир как на ла дони

Пару лет назад американские и итальянские учёные с помощью спутника выполнили оценку запасов… подземных вод! Наличие и количество воды под землёй можно определить путём измерения гравитационных неоднородностей. Что такое гравитационные неоднородности? Все мы знаем, что тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Гравитационное поле у крупных объектов, таких как наша планета, неоднородное. То есть один и тот же предмет, висящий над поверхностью Земли, над разными местами будет притягиваться к ней с неодинаковой силой. Различия в гравитационном поле планеты вызваны тем, что плотность земной коры тоже меняется. Где-то над поверхностью возвышаются горы, где-то располагаются выходы плотных пород. Представим себе, что у нас есть местность с большими запасами грунтовых вод, и мы знаем, каково гравитационное поле над 88 ней. Если на этой территории численность населения высокая и люди активно потребляют грунтовые воды, то запасы воды будут уменьшаться. Но уменьшение количества воды под землёй приведёт к изменению плотности земной коры в этой местности и вызовет изменение гравитационного поля. Учёные отслеживали сит уацию с количеством пресной воды на севере Индии. Для этой территории подземные воды — почти единственный источник пресной воды. При расчётах были использованы данные по измерению гравитационного поля над Северной Индией за последние шесть лет. В результате анализа учёные пришли к выводу, что уровень подземных вод в этом регионе снижается со скоростью 4 сантиметра в год. Если учесть, что речь идёт о больших территориях, то даже столь незначительное снижение приводит к колоссальным потерям. За 6 лет суммарные потери составили почти 110 кубических километров воды. Это в полтора раза больше полного объёма Красноярского водохранилища. А ведь на исследуемой территории проживает больше ста миллионов человек! Для них подземные запасы — основной источник воды и для бытовых нужд, и для полива растений. Если темпы истощения сохранятся, то социальные и экономические проблемы, вызванные нехваткой пресной воды в этом регионе, неизбежны.

Спутниковый снимок показывает инфракрасное изображение (в центре) улиц и домов в древнем, погребённом под землёй городе Танис (Египет)


Листва опадает, и вся зелёная биомасса, которую деревья наработали в  течение лета, попадает в  почву. Совершается цикл, который мы когда-то назвали «зелёной волной». Потому что зелень — она как будто наступает с юга на север. А потом, по окончании летнего периода, снова уходит на юг. За это время создаётся бóльшая часть биологической субстанции в нашем полушарии. Есть другой тип функционирования лесных экосистем — тропический. В таких лесах растут вечнозелёные растения, листва и зелень опадают и перерабатываются постоянно. В  тропических экосистемах скорости круговорота веществ очень высоки и  относительно постоянны. Но мы находимся на  другой широте. На  средних и  северных широтах работает «зелёная волна». На  разных типах растительности она идёт с  разными скоростями и  динамическими характеристиками. Для  примера можно рассмотреть весенний период развития берёзовых лесов. Во-первых, скорость их развития может быть разной в  зависимости от  состояния. Если лес здоровый, скорость прироста одна, лес болеет — скорость другая. Во-вторых, рост может начинаться в разное время. Начало сезона зависит от  типа

почвы, влажности, климатических и природных изменений в конкретной местности. Эти динамические характеристики и  являются наиболее интересными для того, чтобы оценивать здоровье растительности. Проследить за этим на большой территории можно только из космоса. Есть ещё один специфичный вид лесной динамики, связанный с нашествием вредителя  — шелкопряда. Эти насекомые буквально выедают леса. Если ехать на  автомобиле в Тыву, можно увидеть целые рощи абсолютно голых, с  высохшими стволами деревьев. Потери от шелкопряда для наших лесов совершенно фантастические, сопоставимые с пожарами. И этот вид потерь тоже хорошо заметен из  космоса: можно зафиксировать начало эпидемии, когда шелкопряд лишь начал своё развитие, и  бороться с  насекомыми, пока они ещё не распространились на большой территории. Мы совсем не  коснулись темы сельского хозяйства, а  ведь здесь методы космического мониторинга могут принести огромные выгоды. Не  всегда у  нас есть точные данные о  площадях обработанной пашни, о  брошенных землях. Всё это может быть зарегистрировано из космоса. Вот один интересный пример из  истории дистанционного зондирования. Одно время

Россия покупала пшеницу в Канаде. Покупка пшеницы осуществляется на  торгах, и  посредники, ответственные за  закупку зерна, говорили, что у нас в стране с урожаем всё хорошо и  мы покупаем зерно только потому, что канадская пшеница более вкусная. На самом деле с  помощью дистанционного зондирования было обнаружено, что на колоссальных территориях европейской части России и  Украины была засуха. И нашей стране просто не хватало пшеницы. На основании измерений и данных космической съёмки цены на  канадскую пшеницу были подняты, что вылилось для нас в  экономические потери, а для продавцов — в прибыли.

Вовремя посеять и собрать урожай В прошлом году мы зарегистрировали специальную компьютерную программу по изучению динамики растительности. В разработке этого программного комплекса активно участвовала молодежь. В нашу работу вовлечены не только у чёные Инстит у та биофизики СО  РАН, но и  кафедра экологической информатики Сибирского федерального университета. Около пятнадцати-шестнадцати лет назад было одновременно образовано две структуры: кафедра экологической

89


Весь мир как на ла дони

ыком науки космоса. Яз о г е н ж бли атория р о б а Л

90

информатики в  Красноярском государственном политехническом институте и  лаборатория в Институте биофизики СО РАН. В  результате такого подхода все ведущие учёные Института биофизики СО РАН преподавали в Техническом институте, а  студенты проходили практику и  писали дипломы на базе Института биофизики СО РАН. Образовался очень интересный союз опытных учёных и молодых ребят. Подход, который мы использовали при разработке программы, достаточно простой, но эффективный. Для  анализа состояния растительности с  помощью спутниковых данных учёные подсчитывают так называемые вегетационные индексы. Вегетационный индекс — это характеристика того, насколько активно растение развивается в данный момент. Если мы возьмём какой-то участок на земле, измерим вегетационный индекс в разное время и нанесём эти данные на график, то получим вегетационную кривую  — зависимость вегетационного индекса от  времени. Для наших широт вегетационная кривая сначала будет расти, потом  — держаться на  каком-то постоянном уровне, а затем значение индекса упадет до нуля. Площадь под этой кривой пропорциональна

урожайности зерна на исследуемой территории. Но самое интересное не  в  том, чтобы посчитать площадь кривой после того, как мы уже убрали урожай. Важнее проанализировать такие кривые за разные годы и  научиться определять урожайность не в конце сезона, а, допустим, в его середине. Сопоставив данные за несколько лет, мы можем предсказывать по форме кривой и скорости изменения индекса, когда, например, закончилось накопление биомассы, когда растения готовы для сборки урожая, какой будет урожайность. Есть ещё одна значимая вещь — для высокого урожая очень важно вовремя посеять зерно. Сделаешь это, когда на полях ещё лежит снег, — плохо. Посеешь, когда влага уже ушла из почвы, — тоже плохо. Но ведь со спутника видна и влажность почвы, и  её температура. С  помощью компьютерной программы можно буквально давать оперативные данные: на поле № 25 уже пора сеять, а на другой участок лучше поехать через два-три дня. Фактически дистанционные космические измерения удобно использовать на всех стадиях сельскохозяйственного цикла. И в будущем все аграрии станут пользоваться такой информацией.


Читательский дневник

А если немного пофантазировать Прошло немного времени, и вот уже спутниковые навиг ационные системы могут определить абсолютно точное местонахождение любого человека: у каж дого из нас ес ть микрочип, пере д ающий сигналы в космос. Представляешь, как это будет здорово? Ни один человек никогда не пропадёт без вести. За шедеврами мирового искусства также следят из космоса, и преступник, задумавший похитить картину из музея, будет пойман с поличным всего через несколько минут после кражи. Сотни и даже тысячи спу тников постоянно передают информацию о сос тоянии планеты. Эти данные обрабатываются с помощью суперкомпьютеров, которые стали своеобразным коллективным разумом человечества. Мы наконец-то научились предупреждать заранее такие стихийные бедствия, как пожары, наводнения, землетрясения, цунами. Спутники регулируют транспортные потоки, обеспечивают своевременный полив и уборку урожая, предсказывают погоду. Согласись, что жить в таком защищённом мире будет гораздо спокойнее и интереснее.

Но вдруг то, чего боялись писатели-фантасты, всё-таки станет реальным благодаря спутникам — и о нашей свободе, наших тайнах узнают злодеи, нечистые на руку политики, которые захотят поработить весь мир? Мы будем жить и чувствовать, что находимся под одним гигантским микроскопом, и препятствовать этому не сможем — каждый наш шаг стану т контролировать издалека, а несогласных с таким положением дел начнут ловить с помощью всё тех же навигаторов. Или, например, в системе 91 произойдет сбой, и информация о перевозимых ценных грузах попадёт в руки преступникам… Подумай, ну жно ли всем нам становиться участниками такого м а с ш т аб н о г о р е а ли т и- ш о у ? И что можно сделать для того, чтобы изобретения с лу жили только во благо человеку?


Лаборатория человека в космосе

В космосе как дома

Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели.

К. Э. Циолковский, 1911 г.


Вопрос

— Очень часто можно услышать, что рано или поздно человеку станет тесно на Земле. Скажите, когда простые люди начнут путешествовать в космосе, отправятся осваивать Марс и другие далёкие планеты? Будут останавливаться по пути к звёздам в космических домах и гостиницах? Что для этого делают наши учёные сегодня? Наталья Кузьминых, Красноярск


Ликбез Голубое пятнышко Мир, который нас окружает, кажется огромным, даже необъятным. Горы, поля, леса, глубокие океаны, мегаполисы — за всем этим многообразием мы забываем, что живём на крошечной планете, маленькой точке посреди бесконечного космоса. В  1990  году НАСА направило зонду «Вояджер-1», находившемуся тогда на расстоянии 6 миллиардов километров от Земли, команду сделать фотографии планет Солнечной системы. На одном из получившихся снимков видно маленькое голубое пятнышко  — это и  есть наш дом в космосе. Астроном Карл Саган, убедивший НАСА сделать эту фотографию, так описывал её: Взгляните ещё раз на эту точку. Это здесь. Это наш дом. Это мы. Все, кого вы любите, все, кого вы знаете, все, о ком вы когда-либо слышали, каждый когда-либо существовавший человек прожил свою жизнь на ней. Вокруг этого голубого пятнышка  — огромные неизведанные пространства. Человечество

веками влекло к  звёздному небу, люди мечта ли о  нём, слага ли легенды. Но космос не столь гостеприимен, как нам хотелось бы. Сегодня мы точно знаем, что открытый космос и человек — понятия несовместимые. Можно выделить три характеристики космического пространства, которые делают эту среду смертельной для живых организмов: ваку ум, радиация и гравитация.

Давление воздуха Что такое атмосфера в привычном для нас понимании? 78 % азота, 21 % кислорода, примерно 0,5 % паров воды, небольшое количество других веществ — такая смесь окружает нас, ею мы дышим. Ключевой для жизни человека газ — кислород. Каждый вдох насыщает им нашу кровь. Кровь разносит кислород по телу, где он используется для различных окислительных реакций. Однако «правильный» газовый состав атмосферы — это ещё не всё. Для  поддержания жизни важно и  атмосферное давление: процесс

дыхания возможен в том числе благодаря ему. В  космосе атмосферы нет. Значит, и  дышать там нечем. Нет  за  пределами Земли и  атмосферного давления. Что же произойдёт с человеком, если он попадёт в  космический ваку ум? Первая опасность — это давление воздуха в  лёгких и  кишечнике, которое может привести к  смертельным травмам (разрыву лёгких). Однако если человек не будет задерживать дыхание, а  резко выдохнет, этой угрозы удастся избежать. Опасность вторая: вода в мягких тканях начнёт вскипать (в вакууме вода не  может находиться в  жидком состоянии). Из-за  этого тело раздуется. Примерно через минуту артериальное и венозное давление сравняются, и в организме прекратится циркуляция крови. Вода будет испаряться через открытые поверхности (рот, нос). В местах испарения начнёт падать температура. Всё это произойдёт достаточно быстро, но  всё  же не  мгновенно. Считается, что человек будет оставаться в  сознании в  открытом космосе

Оторвавшись от земной поверхности всего лишь на несколько сотен километров, человек попадёт в смертельно опасную среду — космический вакуум, ионизирующее излучение, невесомость. К таким условиям живое существо с Земли не приспособлено. Однако, несмотря на все трудности, человечество приступило к освоению космоса, и, похоже, его уже ничто не остановит.

95


В космосе как дом а

около 10—15 секунд. И даже после того как попавший в открытый космос потеряет сознание, его ещё можно будет спасти. Если до остановки сердца и наступления летальных повреждений, в течение одной-полутора минут, человека вернуть в условия земного давления, есть шанс сохранить здоровую жизнь.

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

96

То в жар, то в холод Сам по  себе открытый космос с точки зрения физики температуры не имеет. Он не холодный и не горячий  — просто пустой. Известно, что вакуум — отличный изоляционный материал. Это его свойство используется в обычных термосах. Внутри колбы воздух откачивается, то есть создаётся подобие вакуума (полный вакуум создать на Земле невозможно). Раз  в  пространстве нет молекул, то нечему и передавать энергию от более горячего содержимого термоса к  прохладному окружению. Тепло возникает, когда молекулы вещества поглощают энергию падающих на  них электромагнитных волн. Так, например, солнечные лучи (по  сути, электромагнитные волны), которые светят на твою руку, нагревают её, увеличивая кинетическую и внутреннюю энергию атомов. В  межзвёздном пространстве практически нет вещества, поэтому там не имеет смысла говорить о температуре.


Электромагнитные волны свободно пронизывают пространство, не находя себе точки приложения. А  что произойдёт в  космосе с живым человеком? Раз вакуум — идеальный изолятор, то температура тела в первое время особо не изменится. Энергия может передаваться тремя способами: теплообменом, конвекцией и излучением. Первые два способа связаны с наличием в окружающем пространстве вещества. В  космосе нет частиц, которые заберут энергию и  тем самым остудят тело. Значит, и температура тела будет понижаться только за  счёт излучаемого человеком тепла, а это процесс относительно медленный. Более того, в  космосе человек даже может получить ожог. Если предположить, что у него есть приспособления для дыхания и  жизнедеятельность организма какимто образом поддерживается, то открытой коже, попавшей под поток солнечной радиации, ожога не  избежать. Впрочем, прохладу человек всё равно почувствует  — за счёт того, что с поверхности его тела начнёт испаряться вода, которая и  будет уносить тепло. Речь, конечно, идёт о  первых секундах в  космосе. Уже  через несколько десятков секунд человек погибнет от удушья.

Космическая радиац��я

Помимо обеспечения кислородом и  поддержания давления, земная атмосфера выполняет ещё одну важную функцию  — она задерживает опасные для жизни ультрафиолетовые лучи и ионизирующую радиацию. Космос — это безграничное пространство, полное энергии. Его заполняют электромагнитные волны самой разной частоты и длины. Некоторые из них (как, например, видимый свет) бе зобидны для человека. Другие, как ультрафиолет, опасны, но от них легко защититься. А есть и такие, которые очень опасны, и лишь атмосфера и магнитное поле Земли ослабляют их непрерывный поток. Гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение); протоны и  другие ядерные частицы, летящие от далёких галактик; заряженные частицы, которые выбрасывает наше Солнце во время вспышек, — все эти виды излучения относятся к  ионизирующим. При прохождении через тело человека такие частицы взаимодействуют с  молекулами, из  которых сделаны наши клетки. В результате взаимодействия молекула может потерять или приобрести электрон и, соответственно, получить заряд. Тогда она превращается в так называемый активный радикал.

Заряженные молекулы внутри клеток живого организма повреждают белки и  нуклеиновые кислоты, вызывают м у тации, массову ю гибель клеток и такие заболевания, как рак. Чем больше ионизиру ющи х частиц прошло через тело человека, тем больший уровень облучения он получил. Поэтому время пребывания людей в космосе во многом ограничено предельно допустимой дозой облучения. Корпус космического корабля, скафандр или специальная одежда не могут уберечь от  всех ионизирующих частиц. Космическая радиация — это одна из главных проблем на пути колонизации космоса человеком.

Вверх ногами

Ещё одно отличие условий космоса от условий жизни на Земле — отсутствие привычной для нас силы тяжести, или пониженная гравитация. Гравитация является одним из видов фундаментальных взаимодействий. Согласно современным представлениям, все объекты во Вселенной, имеющие массу, притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так звучит всем известный закон Ньютона.

97


В космосе как дом а

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

98

Наш организм привык жить в  условиях земной гравитации. Проч ность костей, циркуляция жидкостей в  организме, равновесие, перемещения в пространстве — многие физическ ие процессы в нашем теле зависят от постоянного притяжения Земли. Помести неподготовленного человека в  условия пониженной гравитации  — и  он будет беспорядочно кувыркаться. Даже растения не будут знать, где верх, а где низ и куда расти. В космосе проведён не один эксперимент по исследованию развития различных организмов в условиях невесомости. Скорее всего, человек, родившийся и выросший в космосе, так и не сможет ступить на Землю: его организм не  выдержит таких нагрузок.

Космическая защита

Несмотря на все опасности, люди давно приступили к покорению внеземного пространства. От враждебного космоса космонавта защищает космический корабль или скафандр (при выходе в  открытый космос). Создать условия, в точности копирующие земные, на орбите не получится. Но  можно максимально приблизить их к таковым, для того чтобы обеспечить человеку комфортное и относительно безопасное пребывание в космосе.

Внутри корабля поддерживаются приемлемый газовый состав и давление. Для  того чтобы организм не  привык к  невесомости, космонавты регулярно выполняют специальные упражнения. Для дальних полётов в космосе придётся создавать условия искусственной гравитации. Этого можно добиться, сделав космическую станцию, например, в виде тора (бублика) и придав ей вращение. Наименее решённая проблема — воздействие радиации. В день члены экипажа Международной космической станции получают дозу радиации, близкую к той, что человек на Земле получает за год. И это ещё небольшие дозы облучения. Ведь на низких орбитах, на которых летает космическая станция, остаётся заметен защитный эффект магнитного поля Земли. Но  даже там тяжёлые заряженные частицы, летящие из  космоса, взаимодействуют с  обшивкой космического корабля и порождают поток более лёгких частиц, опасных для здоровья космонавтов. Поначалу специалисты предлагали делать внутри космического корабля специальную кабину с  очень толстыми стенками  — чтобы космонавты прятались в ней во  время мощных выбросов космической радиации. От этой идеи

пришлось отказаться. Для  того чтобы добиться существенного эффекта (по сравнению с той защитой, которую сейчас предоставляет корпус корабля), капсула должна быть слишком тяжёлой. Более того, сама капсула достаточно быстро станет радиоактивной, и  её придётся заменять на новую. Если мы удалимся от Земли и её защитного магнитного поля, то поток радиоактивных частиц станет ещё интенсивнее. Особую опасность для космонавтов будут представлять вспышки на  Солнце  — выбросы энергии жёсткого коротковолнового электромагнитного излучения и  ионизирующих частиц. С использованием нынешних методов защиты долететь даже до Марса без тяжёлых последствий для своего здоровья человек не  сможет. Учёными обсуждаются разные способы создания защиты от радиации. Это  могут быть и  искусственные магнитные поля, и  специальные материалы обшивки космического корабля. И  даже «модификации» тела человека, сводящие к минимуму эффекты ионизирующей радиации. Пока это лишь проекты и околонаучные фантазии. Но, стремясь к покорению дальнего космоса, проблему защиты организмов от  действия космической радиации придётся решать уже в ближайшем будущем.


Time line

1903 год — российский учёныйсамоучка Константин Эдуардович Циолковский опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. 16 марта 1926 года — американский учёный Роберт Годдард осуществил запуск первой жидкостной ракеты, которая взлетела на высоту около 12 метров. 1944 год — в Германии при испытании боевая баллистическая ракета «Фау-2» достигла высоты 190 километров. 4 октября 1957 года — в Советском Союзе в космос запущен первый искусственный спутник Земли — «Спутник-1». 9 августа 1960 года — первое благополучное возвращение на Землю космического аппарата с живыми существами на борту — собаками Белкой и Стрелкой. 12 апреля 1961 года — Юрий Гагарин становится первым человеком, совершившим полёт в космос. 16 июня 1963 года — на корабле «Восток-6» космический полёт совершила Валентина Терешкова, став первой женщиной в космосе. 18 марта 1965 года — Алексей Леонов впервые в истории вышел в открытый космос. 16 июля 1969 года — американский корабль «Аполлон-11» впервые совершил посадку на Луне. Нил Армстронг 20 июля 1969 года становится первым человеком, ступившим на Луну.

1972 год — после 7 лет экспериментов в Институте биофизики (Красноярск) создана система жизнеобеспечения БИОС-3. Начат самый продолжительный эксперимент с экипажем из трёх человек, который продлился 180 дней. 1981 год — совершён первый полёт космического корабля многократного использования — шаттла «Колумбия». 1986 год — запущен базовый блок советской космической станции «Мир». 1991 год — в США начался двухгодичный эксперимент в американской замкнутой экологической системе «Биосфера-2». 1995 год — завершился самый продолжительный на сегодня полёт человека в космос. Россий- 99 ский космонавт Валерий Поляков провёл на борту станции «Мир» 438 дней. 1998 год — началось строительство Международной космической станции. 2000 год — на борт МКС доставлен экипаж первой основной экспедиции. 2001 год — американец Деннис Тито стал первым космическим туристом. 2003 год — состоялся полёт первого китайского космонавта Ян Ливэя. Китай стал третьей космической державой. 2011 год — завершил свой последний полёт американский многоразовый транспортный космический корабль «Атлантис». Эта экспедиция стала последней в программе «Спейс шаттл».


я человека в космосе. В космосе как дома Лаборатори

Для человека покорение Вселенной только началось. Вполне возможно, что жизнь есть и на других планетах. Однако люди стали осознанно думать о возможности полёта в космос лишь около ста лет назад. Потом человечество прошло через горнило двух мировых войн. Стартовала гонка космических держав, космические полёты совершили десятки животных. И вот всего через четыре года после вывода на орбиту первого искусственного спутника Земли в космос полетел человек.

Из истории Дорогу в космос проложили мечтатели и… обезьяны Фантазёры-мечтатели

Космонавтика началась с  фантазёров. Эти  сумасбродные мечтатели воображали космические полёты, когда в  современной им реа льности ещё не  с у ществовало даже телевидения, обычным транспортным средством была запряжённая лошадью повозка, а  по  железным дорогам ездили не высокоскоростные поезда, а деревянные вагоны с паровозами. К. Э. Циолковский ещё в  конце XIX века выдвинул теорию ракетного движения, и многие его идеи стали основой современной кос��онавтики. Он  писал про многоступенчатые ракеты, орбитальные станции и даже придумал космический лифт. Хотя этот вид транспорта

В 1963 году Франция провела успешный запуск ракеты с кошкой Фелисеттой на борту. После этого французы предприняли ещё одну — на этот раз неудачную — попытку отправить кошку в орбитальный полёт и успокоились. Больше коты в космос не летали. Многие считают, что причина — в их независимом характере, но мы уверены, что кошки просто понимают: на Земле им живётся гораздо лучше.

и сейчас кажется научной фантастикой, уже разрабатываются реальные проекты доставки грузов на орбиту при помощи натянутого от поверхности нашей планеты до космической станции троса. Другой известный мечтатель, Юрий Кондратюк (это его псевдоним, а настоящее имя — Александр Шаргей), долгие годы жил и работал в Новосибирске, проектировал зернохранилища на Алтае и ветряные электростанции в  Крыму, а свободное время посвящал своей страсти — космонавтике. Он сформулировал несколько революционных идей, которые были мало кому интересны в 1930-е и реализовались лишь спустя долгие годы после смерти Кондратюка, погибшего на фронте в Великую Отечественную войну, в  1942  году. Он, к примеру, рассчитал оптимальную траекторию полёта к Луне, которая была использована в  американской лунной программе. Первый человек на Луне, астронавт Нил


Армстронг, даже приезжал в Новосибирск, чтобы отдать дань памяти Юрию Кондратюку и взять горсть земли у дома, где он работал. Конечно, пионеры космических исследований жили не только в России. Интересна судьба словенского инженера Германа Поточника. Он  жил примерно в  одно время с Кондратюком и занимался похожими темами. Германа интересовали ракетные двигатели, геостационарные спутники, орбитальные станции. Он  первым придумал дискообразную орбитальную станцию, вращение которой вокруг своей оси создавало бы искусственную гравитацию — много лет спустя эту идею будут активно использовать авторы научно-фантастических фильмов. Как  и  Кондратюк, Поточник умер молодым, так и не увидев практической реализации своих замыслов.

Первые космонавты

Первыми космонавтами были не люди, а животные. Их запускали в  космос, чтобы проверить, как невесомость и перегрузки влияют на живой организм. Многие погибали при запусках или во  время полёта, но некоторые отважные существа приземлялись живыми и здоровыми. Можно сказать, что именно они открыли человечеству дорогу в космос.

В 1950-х годах советские исследовател и ос у щес т ви л и около 30  запусков геофизических ракет с  собаками на  борту. Бóльшая часть испытаний были успешными, а  некоторые четвероногие космонавты совершили по  несколько полётов. В  экспериментах участвовали только беспородные и  бездомные собаки — они оказались выносливее, послушнее и сообразительнее породистых питомцев. 19 августа 1960 года собаки Белка и Стрелка стали первыми живыми существами, совершившими орбитальный полёт и  благополучно вернувшимися на  Землю. Одного из щенков Стрелки потом подарили жене американского президента.

Хэм, покоритель космоса

Первым гоминидом (семейство прогрессивных приматов, включающее в том числе и людей) в космосе был не человек, а обезьяна, шимпанзе по кличке Хэм, запущенный американским космическим агентством в 1961 году. На фотографиях, сделанных до старта, мы наблюдаем любопытную и  взволнованную обезьянку, на снимках из кабины во время полёта видна испуганная гримаса — только представьте себя на  месте Хэма! Зато после успешного приземления Хэм определённо наслаждался

твёрдой поверхностью под ногами, довольно улыбался и  даже пожал руку капитану спасательного корабля, подобравшего его капсулу.

Кошка, которая гуляет сама по себе

Если собак и обезьян запускали в космос разные страны и по много раз, то кошка совершила космический полёт лишь однажды. В 1963 году Франция провела успешный запуск ракеты с представителем семейства кошачьих на борту. Изначально «астрокотом» должен был стать Феликс, но он сбежал незадолго до старта, и его заменили кошкой Фелисеттой. После этого французы предприняли ещё одну — на этот раз неудачную — попытку отправить кошку в  орбитальный полёт и успокоились. Больше коты в  космос не  летали. Многие считают, что причина — в их независимом характере, но мы уверены, что кошки просто понимают: на Земле им живётся гораздо лучше.

108 минут в космосе

После всех успешных и не очень экспериментов с  ж ивотными наста ла очередь людей покорять космическое пространство. Имя первого человека в космосе вам хорошо знакомо. 12 апреля 1961 года 27-летний Юрий Гагарин на борту

101


В космосе как дом а

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

102

космического корабля «Восток-1» стартовал с космодрома Байконур и  вышел на  околоземную орбиту. В  течение 108  минут полёта, пока его корабль выполнял один виток вокруг Земли, Гагарин проводил простейшие эксперименты  — он ел, пил и делал записи карандашом. В  ходе приземления первый космонавт выдержал десятикратную перегрузку, а обшивка спускаемой капсулы раскалилась до пяти тысяч градусов. Полёт Юрия Гагарина показал всему миру, что для научно-технического прогресса и личного мужества нет преград. Человечество сделало первый шажок в космическое пространство и  не  захотело останавливаться на этом. За прошедшие после полёта Гагарина полвека в космосе побывало около 500 человек, выполнявших — и продолжающих выполнять — важнейшие научные исследования. Космические полёты позволили нам лучше понять физиологию человека, устройство нашей планеты, они показали нам самые далёкие уголки Вселенной.

Люди на Луне

Через неделю после полёта Гагарина американское правительство решило достойно ответить на  достижения советской космонавтики. Президент Кеннеди (тот

самый, жене которого подарили щенка собаки Стрелки) выпустил меморандум, в  котором потребовал от  своих подчинённых ответов на ряд сложных вопросов: как можно опередить СССР в космосе, каких ресурсов это потребует, на каких направлениях исследований нужно сконцентрироваться. Спустя ещё восемь дней президент получил ответ: стержнем американской космической программы дол жен с т ат ь п и ло т и руем ы й полёт на Луну. Президент Кеннеди пообещал соотечественникам, что американцы высадятся на поверхность спутника Земли до  конца десятилетия. Так  и  слу чилось: 20 июля 1969 года астронавты Нил Армстронг и  Базз Олдрин стали первыми людьми на  Луне. За  их высадкой наблюдало полмиллиарда человек во всём мире.

Космический дом-лаборатория

Исследования космоса  — вещь дорогая, очень немногие страны могут позволить себе собственные космические программы. Например, после завершения американской серии полётов на Луну в 1972 году ни одна страна мира не отправляла больше пилотируемые экспедиции на спутник Земли — слишком больших затрат требует такой проект.

Поэтому часто разные государства объединяют усилия и создают программы совместного изучения космоса. Самым известным и самым дорогим подобным проектом стала Международная космическая станция (МКС). МКС эксплуатируется с 1998 года, в  её создании принимали участие 15 стран. До этого опыт разработки орбитальных станций был только у СCCР, запустившего первую в мире орбитальную станцию «Салют» в 1971 году и позже — станцию «Мир», и у США с их станцией «Скайлэб». На самом деле МКС оказалась продолжением двух национальных проектов  — советского «Мир-2» и американского «Фридом». МКС стала лабораторией для международных научных исследований в  биологии, физике, астрономии и метеорологии. Иногда на станции проводятся и  довольно забавные исследования. К примеру, в 2009 году японский астронавт Коити Ваката провёл серию экспериментов, предложенных простыми гражданами. Астронавт попытался «поплавать» в  невесомости, используя стили кроль и баттерфляй, но сдвинуться с места ему так и не удалось.

Глаза и уши в космосе

Другой пример успешного международного сотрудничества  —


орбитальный телескоп «Хаббл», совместный проект НАСА и  Европейского космического агентства. Выведенный на орбиту в 1990 году, «Хаббл» предоставил астрономам Земли удивительные возможности — из-за отсутствия влияния атмосферы его разрешающая способность в 7—10 раз больше, чем у  аналогичных земных телескопов. Интересно, что аппаратурой, установленной на «Хаббле», пользовались не только профессиональные астрономы. За первые семь лет работы телескопа было произведено 13 наблюдений по программам, предложенным астрономами-любителями. «Хаббл» распахнул для нас окно в самые далёкие уголки Вселенной, он передал на Землю больше миллиона изображений и позволил изучать кометы, туманности, галактики. Телескоп «Хаббл» показал землянам, насколько прекрасный и удивительный мир окружает нас. Но «Хаббл»  — не  единственный телескоп, работающий на  орбите. Его дополняют рентгеновская обсерватория «Чандра» и  инфракрасный телескоп «Спитцер». Недавно на орбиту был выведен и российский радиотелескоп «Радиоастрон» — часть большого междуна��одного проекта с  таким  же названием, который включает работу сети наземных телескопов. Чувствительность всей системы позволит, в частности, наблюдать явления, происходящие вблизи чёрных дыр.

В этом модуле запускали на орбиту мелких живых существ

103


я человека в космосе. В космосе как дома Лаборатори

Колонизация космоса, по мнению фантастов, зачастую приводит к конфликтам. Иногда они связаны с тем, что колония людей на другой планете объявляет войну Земле ради своей независимости. Порой это война между жителями Земли и мутантами, приспособившимися к жизни в космосе и потерявшими сходство с людьми. Впрочем, чаще всего фантасты отправляют землян воевать с инопланетянами в попытке построить галактическую империю.

В научной фантастике Марс изменит… яблочное семечко Чёрно-белый космос

Почти с самого рождения кинематограф обратился к теме покорения человеком космоса. Невероятно, но самый первый фильм о полёте на Луну был снят больше ста лет назад, в 1902 году. Он назывался «Пу тешествие на  Лу ну», а  снял его гениальный режиссёр Жорж Мельес. В  «Путешествии на  Луну» использовались удивительные для того времени спецэффекты, которые и  сегодня поражают воображение. Много лет спустя в  честь Мельеса назвали российскую интернет-кинопремию «Жорж», котору ю, к  примеру, четыре раза получал Джонни Депп. В 1935 году на киностудии «Мосфильм» был снят немой фильм «Ко с м и чес к и й р ейс»  — од и н

Фантастическая литература и кинематограф отправили человека в космос задолго до первых физических попыток преодолеть земное притяжение. Однако немногие готовы в своих фантазиях решать или хотя бы описывать реальные сложности, стоящие перед покорителями космического пространства, — начиная от гигантских расстояний и заканчивая чужеродностью внеземной среды.

из  первых нау чно-фантастических фильмов о полётах в космос. По сюжету фильма на борт гигантского ракетоплана пробирается юный изобретатель, после чего космолёт отправляется к  Луне, п ри л у н яе тс я на  тём ной с то роне спутника и через некоторое время благополучно возвращается на Землю. Специально для съёмок «Космического рейса» К. Э. Циолковск ий ра зработа л чер теж и ракетоплана. За  семь лет до  этого в  Германии сняли кинофильм «Женщина на Луне», в котором группа исследователей отправляется на  Луну искать золото. В этом фильме впервые был показан предстартовый обратный отсчёт. Он  был придуман как драматический приём, а потом стал использоваться и при реа льны х ракетны х зап уска х. Кстати, техническим консультантом фильма был инженер Герман Оберт, современник К. Э. Циолковского и учитель Вернера фон Брауна, «отца» американской космической программы.


Есть ли жизнь на Марсе?

Хоть мы и говорим, что открытый космос — среда, враждебная для жизни, даже на Земле есть организмы, которые способны сохранять жизнеспособность в таких условиях. Несколько лет назад на Международной космической станции был начат эксперимент по оценке выживаемости цист водорослей и покоящихся яиц ракообразных. Что такое покоящиеся яйца или цисты? Многие виды организмов, начиная от бактерий и заканчивая млекопитающими, способны впадать в состояние покоя. Всем известна спячка медведя — это пример состояния покоя у взрослой особи. Обитающие в водоёмах маленькие рачки, известные любителям аквариумных рыб как дафнии, впадают в состояние покоя на стадии эмбриона (зародыша). Эмбрион в таком состоянии покрывается специальной плотной оболочкой, которая делает его практически неуязвимым к внешним воздействиям. Его можно высушить, заморозить и… забыть на несколько лет. Достаточно потом бросить такую капсулу в воду, и из неё через день-другой вылупится маленький рачок. У одноклеточных водорослей всё ещё проще — клетка покрывается специальной оболочкой и превращается в цисту. Опять же мороз, жара, засуха ей нипочём. Для начала цисты водорослей и капсулированные яйца рачков отправили на космическую станцию. Перегрузки при взлёте, стандартная атмосфера космической станции — люди в таких условиях выживают. Выжили и покоящиеся яйца. После возвращения на Землю их поместили в благоприятные условия, и они оказались «всхожими». Второй этап был жёстче. Полгода в открытом космосе! Перепады температур, радиация, отсутствие кислорода — суровые условия. Но для покоящихся яиц они не стали смертельными.

На Земле почти из всех яиц вылупилось вполне жизнеспособное потомство. Планы российских учёных включали и следующий этап. В рамках миссии «Фобос-Грунт» среди прочих научных планов была доставка до спутника Марса россыпи покоящихся яиц. Ожидалось, что они полежат полгода на почти марсианской поверхности, а потом вернутся на Землю, и мы проверим, смогут ли простые земные раки вынести такие испытания. К сожалению, станция «Фобос» после запуска не вышла на заданный курс, и запланированные эксперименты сорвались. Как переживут пребывание на Фобосе раки, пока неизвестно, а вот многие земные бактерии не испугаются таких условий. Своими исследованиями это подтвердили учёные. Они взяли несколько видов бактерий, обнаруженных в Антарктиде, заморозили их до темпера- 105 туры –79 °C и направили на них гамма-лучи. Мощность излучения была подобрана таким образом, чтобы сымитировать дозу облучения, которую получили бы бактерии, закопанные на глубину 30 сантиметров в грунт Марса. Считается, что популяция бактерий погибает, когда из миллиона клеток в живых остаётся одна. Так вот, попав на Марс, популяция бактерий, живущих в Антарктиде, просуществует больше ста тысяч лет. А кто же чемпион по выживанию в экстремальных условиях? Вполне возможно, что это тихоходки — крошечные беспозвоночные, обитающие практически везде. На сегодня известно, что в покоящемся состоянии тихоходки способны переносить длительную засуху; замораживание почти до абсолютного нуля (–272,8 °C); нагревание до 151 °C; космический вакуум; гаммаи рент геновское излучение в летальных для других видов дозах. На Марсе тихоходки точно выживут, правда, не в активном состоянии, а в покоящейся стадии.


осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

В космосе как дом а

Так учёные представляют космические поселения

106


Звёздные империи и войны

В  современном к инематографе космос — привычное место обитания человека. В  космосе возникают галактические союзы и  бушуют масштабные сражения («Звёздные войны» Джорджа Лукаса). Гигантские корабли пересекают космические пространства и встречают ужасных инопланетян с едкой кислотой вместо крови и жаждой убить людей как чуждую расу (серия фильмов на  тему «Чужие», к  которой приложили руку т а к ие мас тера к и но, ка к Ридли Скотт, Джеймс Кэмерон и Дэвид Финчер). Боевые корабли патрулируют космос, богема отдыхает в  огромных космических отелях, но зло в виде гигантского каменного шара, летящего к  Земле, способно остановить только чудо («Пятый элемент» Люка Бессона). В этих и других фильмах проблема адаптации человека к условиям космоса и принципы преодоления огромных расстояний серьёзно не обсуждаются. По сути, космос здесь играет лишь роль площадки, на которой может вволю развернуться фантазия сценаристов и режиссёров. В сказках прошлого человек с помощью магии

боролся с драконами. В современных сказках он делает то же самое: борется с инопланетянами с помощью фантастического оружия. Не  отстаёт от  кинематографа и книжная фантастика. Сейчас даже принято выделять такие жанры, как космическая опера и космический боевик. Всё это захватывает и будоражит воображение, но чаще всего почти не имеет отношения к реальности, современным достижениям науки и  возможностям человека на  ближайшие десятки, а  может, и сотни лет.

Зелёная планета

В рассказе «Зелёное утро» из знаменитой серии «Марсианские хроники» американский фантаст Рэй Брэдбери романтично говорит об  освоении человеком дальних планет. Герой рассказа прилетает на  Марс, где организованы первые колонии людей. На  планете очень мало кислорода, и жить там могут не все. Фантасту пришлось приукрасить действительность. На  самом деле выжить на  Марсе без специальной защиты и запаса воздуха не может ни один человек. Свой поэтический приём писатель использует для того, чтобы показать, что и на нашей планете комфортные условия для жизни появились не сами по себе — они

во многом стали результатом деятельности растений. Итак, прилетевший на Марс Бенджамен Дрисколл решает, что он будет сажать деревья. Деревья вырастут и начнут производить кислород. Он выписывает мешки семян и  отправляется в  долгое пешее путешествие, по  пути занимаясь посадками. Когда солнце зашло, он присел возле тропы и приготовил нехитрый ужин; потом, кладя в  рот еду и  задумчиво жуя, слушал, как потрескивает огонь. День был похож на тридцать других: с утра пораньше вырыть побольше аккуратных ямок, потом сыпать в них семена и носить воду из прозрачных каналов. Сейчас, скованный свинцовой усталостью, он лежал, глядя, как в небе один оттенок темноты сменялся другим. Его звали Бенджамен Дрисколл, ему был тридцать один год. Он мечтал о том, чтобы весь ��арс зазеленел, покрылся высокими деревьями с густой листвой, рождающей воздух, больше воздуха… И тут природа Марса делает ему подарок. После того как Дрисколл прошагал много миль, начинается ливень. А наутро вся долина, что он засадил семенами, зеленеет, и выросшие за ночь деревья наполняют атмосферу планеты кислородом.

107


я человека в космосе. В космосе как дома Лаборатори

Для того чтобы фантазировать о покорении космоса, нужно знать, что собой представляет космонавтика сегодня. А кто, как не человек, не раз побывавший в космосе, может лучше всех рассказать об этом? О международной космической станции, которая сегодня является единственным обитаемым домом для человека в космосе, и о буднях космонавтов рассказывает Герой Российской Федерации, директор Мемориального музея космонавтики, лётчиккосмонавт Александр Иванович Лазуткин.

Языком науки Будни космонавта

Эгоистов среди космонавтов нет — не выживут. В замкнутом пространстве станции особенности других людей чувствуются очень остро. На Земле, если ты с кем-то поссорился, то можешь этого и не заметить: разругался — и ушёл. В космосе никуда не уйдёшь: поссорился — а всё равно останешься с этим человеком в одной комнате. И всё будет напоминать о конфликте. Драться тоже нельзя. Так что волей-неволей придётся находить общий язык.

Международный дом на орбите

Международная космическая станция (МКС) начала свою деятельность в  1998-м, когда Россия запустила в космос первый элемент станции — блок «Заря». Уже через два года на  МКС полетел первый экипаж. Станция представляет собой комплекс из модулей, состыкованных друг с другом. Она называется международной, потому что создавалась разными государствами — всего их 15, в том числе США, Россия, ряд стран Западной Европы, Канада, Япония и Бразилия. Сама идея объединения национальных программ витала в воздухе давно. Космос — это место для проведения исследований в интересах всех жителей нашей планеты, и  объединение усилий  — разумный ход, ведь вместе можно решать поставленные задачи значительно эффективнее. Первым шагом стала российско-американская программа «Мир»  — «Шаттл», в  рамка х


которой решались самые разные вопросы: и  технические (американский многоразовый корабль производил стыковку с  российской орбитальной станцией «Мир»), и вопросы совмещения систем подготовки (американцы приобрели опыт долговременных космических полётов). Пришлось притираться друг к  другу. Мы  начали учить английский язык, американцы  — русский. В течение более чем пяти лет американцы привозили к нам своих людей, а мы ездили к ним. Я летал на станции «Мир» по программе «Мир» — «Шаттл» и застал тот период сотрудничества между нашей страной и США. Поначалу разница в  подходах была ощутимой. Американцы оказались совершенно не готовы к тому, что у нас на весь экипаж ложится одинаковая нагрузка и всем необходима основательная подготовка. У них члены экипажа  — узкие специалисты по определённым системам. Соответственно, уровень подготовки для тех или иных задач у астронавтов неодинаков. Было много различий и в области контроля знаний и  умений: наши экзамены казались сложными американцам, а мы долго не могли сориентироваться в их требованиях. Бывало, что из-за непонимания партнёры считали, что наш специалист

не совсем готов к экзаменам. Однажды я  сам попал в  такую ситуацию: проявлял недостаточную, с их точки зрения, активность на занятиях, не  задавал лекторам дополнительных вопросов. В результате американский куратор группы, ориентируясь на стандартные для него критерии, счёл, что я материал не понял. А я недоумевал, почему мне так тщательно «разжёвывают» понятный материал и никак не могут назначить экзамен.

Сколько учат на космонавта

К своему полёту в космос я готовился пять лет. Это не самый короткий срок, но и  не  самый длинный. Сейчас в отряде космонавтов на  земле есть люди, которые уже десять лет ждут своего полёта. Срок подготовки и  потом ожидания в  первую очередь зависит от  частоты полётов. Космическая станция всего одна, и  много космонавтов она не  вмещает. Нельзя исключать и фактор везения. Подготовку к полёту можно разбить на несколько этапов. Сначала ты проходишь двухгодичный «курс молодого бойца»: изучаешь основы космонавтики и ракетной техники. Люди приходят с разных предприятий: кто-то из  космической отрасли, кто-то

с  военным образованием, — так что нужна общекосмическая подготовка. Этот этап длится два года. Когда ты начинаешь понимать физические законы, определяющие траектории движения космических кораблей, принципы устройства систем корабля и космической станции и имеешь общее представление о  том, как ими управлять, начинается второй этап  — более глубокое изучение этих систем. Он  тоже длится около двух лет. В  конце обу чения необходимо сдать экзамены. Контроль строгий. Неуспевающих отсеивают. Тех, у кого обнаруживаются проблемы со здоровьем, — тоже. После прохождения полного курса тебя зачисляют в  экипаж, и начинается подготовка к полёту: уже ясны задачи, которые ты будешь выполнять, и  в  целом определена научная программа. В космос можно попасть и после ускоренного курса обучения. Речь идёт о так называемых космических туристах. Это люди, которые летают на орбиту не в рамках какой-то космической программы, а за деньги — можно сказать, из  любопытства. Курс обучения для них короче. В полёте им почти не дают поручений. В основном космические туристы проходят физическую и  психологическую подготовку, чтоб их

109


Станция «Мир»

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

В космосе как дом а

Космическая с т анция «Мир» была создана в Советском Союзе, а окончила свою жизнь уже в XXI веке, будучи российским аппаратом. Проект станции утвердили в 1978 году, базовый блок был выведен в космос в 1986-м. Станция собиралась по модульному принципу. То есть в космос в разные годы выводили различные модули (например, жилой, экспериментальный, технический), которые пристыковывали друг к другу и таким образом создавали большой космический дом. 110 Всего на станции имелось шесть модулей. «Мир» был первой постоянной станцией в космосе. В целом на ней побывало 104 космонавта из 12 стран. Именно там был установлен рекорд по продолжительности пребывания вне Земли: российский космонавт Валерий Поляков провёл в космосе 438 суток. В конце 1990-х годов на станции начали возникать многочисленные неполадки — стал подходить к концу срок жизни многих деталей. Так как космический ремонт — дело дорогостоящее, было принято решение вывес ти «Мир» из эксплуатации. 23 марта 2001 года станция была затоплена в южной части Тихого океана.

организм и психика не пострадали во  время путешествия. Также их учат обслуживать себя (например, пользоваться системой подогрева пищи и  космическим туалетом) и  обу чают навыкам поведения в случае нештатных ситуаций.

Как долго человек может находиться на МКС?

Если мы полетим на  Марс, то полёт туда и обратно плюс работы на  этой планете займут два года. На сегодня врачи решили, что человек без особого ущерба для здоровья может два года находиться в условиях невесомости и что по истечении двух лет они могут обеспечить его возврат к  нормальной жизни. Дальше эксперименты не  идут, потому что нет таких задач. Вообще, жизнь в  невесомости сильно влияет на человека. В фантастической литературе встречаются герои, которые родились и долгие годы прожили на космическом корабле и лишь в зрелом возрасте ступили на Землю. Уже сегодня человек может спокойно родиться, развиваться и жить на МКС. Но на Землю он не вернётся, потому что весь его организм будет настроен на жизнь в невесомости. Его сердечно-сосудистая, мышечная, костная системы будут функционировать только в  услови я х микрог ра вита ции


и  не  смогут нормально работать в условиях гравитации земной. К о г д а р е б ё н о к р ож д а е т с я на  Земле, на  него постоянно действует сила тяжести. Весь его организм подстраивается под неё. От  этого, например, напрямую зависит крепость костей: меньше сила  — кости тоньше, больше сила — кости крепче. Мы боремся с  факторами невесомости: надеваем специальные костюмы, которые заставляют сопротивляться наши мышцы и  нагружают костный аппарат, занимаемся физкультурой, бегаем на специальных тренажёрах  — и  делаем это в  обязательном порядке. А как заставить работать в земном режиме организм только что родившегося ребёнка?

Космические эксперименты

Космонавты летают в  космос в первую очередь для того, чтобы проводить там различные эксперименты. Если говорить обо мне лично и о моём полёте, то мы занимались исследованиями в  самых разных областях: тех нологий, медицины, биологии, астрономии и астрофизики. Например, осуществили порядка двухсот медицинских экспериментов. Были и технологические эксперименты: мы получали материалы из различных сплавов

металлов. Вели наблюдения поверхности Земли. Был интересный биологический эксперимент: выращивали растения, смотрели, как они цвели, как давали плоды. Мы полетели с земными семенами, на орбите ��олучили новые семена, космические, посадили их и наблюдали, как меняется урожайность и вообще — что меняется в поколениях растений, выросших в космосе. Естественно, человек не  может быть специалистом во всём. Нам расписывали эти задачи алгоритмически и  готовили к  конкретным экспериментам. Вообще, профессия космонавта отличается от  многих именно тем, что требует множества знаний. Если мы занимаемся медицинскими экспериментами, нам приходится быть немного врачами  — нужно хотя бы разговаривать с ними на одном языке. Поэтому мы проходим медицинскую подготовку. Если мы разговариваем с учёными, которые занимаются материаловедением, мы должны иметь знания и в материаловедении. Так постепенно мы становимся специалистами широкого профиля. Этим и трудна наша профессия, этим же она и интересна. Космонавта можно сравнить с артистом, который играет разные роли, проживает разные жизни. Изучается на орбите и влияние факторов космического полёта

на человека. Казалось бы, мы знаем об этом всё. Но каждый раз появляется новая аппаратура, которая позволяет регистрировать более тонкие и мелкие изменения. Эксперименты повторяются, рождаются новые. Развитие получили и психологические исследования. Когда мы проводим исследования, то результаты обычно отправляем на Землю, и специалисты уже решают, удался эксперимент или нет. Но иногда мы замечаем что-то по ходу и выдвигаем предложение, чтобы провести эксперимент немного по-другому. К  нам прислушиваются. Хотя иногда и говорят, чтобы мы продолжали, как прописано в инструкции. Безусловно, у каждой страны есть свои задачи, поэтому на МКС всё сделано так, чтобы была возможность и работать по национальным программам, и в то же время решать международные проблемы. Иногда случается конфликт интересов, но экипажи он не затрагивает. Всё решается в ходе подготовительной работы. Количество экспериментов, которые хотят выполнять на станции, огромно. Специалистов, которые хотят в них участвовать, тоже много, и  они соревнуются между собой. Когда подключают экипаж, уже известно всё: эксперимент будет

111


Международная космическая станция (МКС) МКС размером с футбольное поле единовременно способна вместить 6 астронавтов. Космическая станция весом 350 тонн сможет работать в космосе до 2020 года. После завершения американской программы «Шаттл» она полностью зависит от российских грузовых кораблей. 108,6 м

В космосе как дом а

79,9 м

4

1

5

6

3

2 9 8

11 10

7 15

112

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

16

МКС тор Эква

Солнце

Орбита МКС находится примерно на высоте 360 километров над Землёй. Станция путешествует со скоростью 28 000 километров в час, выполняя 15,7 оборота вокруг Земли в сутки


Российские модули 13

Модули США

1 Стыковочный узел

8 Стыковочный модуль

2 Стыковочный и грузовой узел

9 Стыковочный переходник

3 Функциональный модуль «Заря»

10 Соединительный модуль

4 Многоцелевой научный модуль

11 Лаборатория Destiny

5 Служебный модуль «Звезда»

12 Несущие конструкции

6 Стыковочный отсек «Пирс»

13 Солнечные панели

Канадский модуль 7 Мобильная сервисная

Европейский модуль 14 Лаборатория Colombus

система — манипуляторы для разгрузки Японские модули транспортных кораблей и пере15 Лаборатория Kibo мещения внешнего 16 Исследовательская оборудования платформа Kibo

12

14

Спальное место Вентиляция Кухонный стол

5

Служебный модуль «Звезда» В модуле располагаются системы управления полётом, системы жизнеобеспечения, энергетический и информационный центр, а также каюты для шести космонавтов — членов экипажа. Площадь модуля около 50 квадратных метров, вес 24 тонны.

Отсек по переработке отходов Стыковочный узел

Датчик дыма

Количество калорий в день — не меньше 3 000. 500 из них «съедят» физические упражнения 08:00 — завтрак: Творог с орехами, десерт из яблок, печенье «Восток», молоко коровье, кофе с сахаром 13:00 — обед: Суп харчо, мясо цыплят в белом соусе, крекер «Визит», сок яблочно-чёрносмородиновый с мякотью, чай без сахара 16:00 — полдник: Курица в кисло-сладком соусе, вареники по-итальянски, фруктовая смесь, арахис глазированный, чай зелёный 20:00 — ужин: Салат куриный с ананасом, лепёшка, чай зелёный

Время подготовки космонавтов Самая длительная подготовка требуется командиру экипажа и бортинженеру. В среднем до 7 лет для впервые летящих операторов, включая и этап дублирования.

Камеры, линзы

Беговая дорожка

Велотренажёр

Иллюминаторы

Стыковочный узел

Примерное меню российских космонавтов

Пост управления станцией и аппаратура контроля

Для космонавта-исследователя достаточно подготовки в 1,5—2 года. Ему нужно обязательно знать конструкцию и эксплуатацию некоторых систем корабля и станции. Плюс работа по научной программе. Всё, что нужно уметь туристу, можно свести, по сути, к трём вещам: уметь есть и пить в невесомости, пользоваться туалетом и не мешать работе основного экипажа.


В космосе как дом а

ком науки космосе. Язы в а к е в о чел атория р о б а Л

114

проводиться в  такое-то время, в  такой-то последовательности. Есть очень жёсткий график. Если эксперимент меж д у народный, экипаж проходит специальную подготовку в стране, отвечающей за  проект: например, если эксперимент японский, космонавты едут на подготовку в Японию, если корейский — в Корею. В дальнейшем, вероятно, исследования будут более специализированными. Невозможно заниматься всем сразу и готовить специалиста, который окажется докой во всём. Но  и  у ниверса льность терять нельзя. Так  что предпочтения будут отдаваться узким специалистам, которым придётся расширять кругозор.

Космический обед и распорядок дня

Нельзя сказать, что бытовая жизнь на  космической станции принципиально отличается от быта на  Земле. Хотя визуально отличий много. Нет у нас там кастрюль, тарелок, чайников и чашек. Вся еда расфасована. Воду в кружку налить нельзя, а если и нальёшь, то выпить её без трубочки невозможно. В трансляциях из космоса все, наверное, видели, как космонавты выплёскивают воду прямо в  воздух, и  она летает в виде шариков. Если взять

трубочку и приложить её к шарику, то его можно выпить. Пища в основном сублимированная (то есть обезвоженная), в специальных вакуумных упаковках. Обычно космическую еду представляют упакованной в тюбики наподобие зубной пасты, но на  самом деле таких блюд очень мало. Разнообразие рациона достаточно большое, ведь станция международная: есть и  русские продукты, и  американские, и европейские, и даже блюда японской кухни. Когда я был в космосе, то не страдал от отсутствия земной пищи. Ощущение было такое, как будто нахожусь в  длительном походе. На  Земле я  понял, что соскучился по  земной еде. Но понял это только после возвращения. Во время полёта для всех вне зависимости от  национальности установлен общий режим. Еда  четыре раза в день, сон в одно и то же время. Что важно для жизни в космосе — это коммуникабельность и умение жить в коллективе. Эгоистов среди космонавтов нет — не выживут. Психологические нагрузки, в принципе, сходны с  теми, что мы встречаем в обычных коллективах, но в замкнутом пространстве станции особенности других людей чувствуются очень остро. На Земле, если ты с кемто поссорился, ты можешь этого

даже и не заметить: поссорился — и  ушёл. А  там никуда не  уйдёшь: поссорился — и будешь жить рядом с этим человеком, находиться с ним в одной комнате. И всё будет напоминать о  том, что вы поссорились. Драться тоже нельзя. Так что волей-неволей приходится выкручиваться, находить общий язык. Для жизни на  орбите нужны не только еда, распорядок дня и уважение друг к  другу. На  станции есть то, что называется элементами системы жизнеобеспечения. Системы, которая обеспечивает космонавтов нормальными жизненными условиями (воздух, питание), на  МКС хватает для шестерых человек. Этим и определяется максимальный размер экипажа. На короткий промежуток времени количество человек на  станции может доходить до  13  — бывало, к  нам и  гости прилетали. Но  для долговременного полёта запасов воздуха, воды и питья хватает лишь на шестерых. Для жизни человека возд у х и вода требуются в больших количествах. Невозможно привезти с  Земли столько чистого воздуха и воды, сколько нужно для жизни, допустим, в течение года. Поэтому на станцию доставляется запас элементов, необходимых для обеспечения жизни, а потом они с помощью


физико-химических реакций постоянно восстанавливаются. Например, кислород, которым дышат космонавты, изначально находится в баллонах. Его привозят на станцию с Земли. Кроме того, на станции есть системы, которые разлагают воду на  водород и  кислород, и системы, которые эту воду получают. Человек выдыхает пары воды и  углекислый газ. Аппарат собирает пары воды, и получается чистая вода. Если чистую воду разложить, можно получить чистый кислород. Кислород можно получить и  расщепив углекислый газ на кислород и углерод. Таким образом, на станции находится относительно постоянный запас водорода и кислорода, из которых и получаются чистая вода и кислород для дыхания. Эта система работает автоматически, но человек должен за ней следить: ежедневно космонавты проверяют все параметры атмосферы, проводят осмотр всех датчиков. Потому что если произойдёт сбой, например, в  системе выделения чистого кислорода, то экипаж через какое-то время задохнётся. В фантастических фильмах часто показывают, что на  космических станциях образуются целые города. Технически это достижимо, но это дело далёкого будущего.

115

21-я экспедиция на МКС (18 ноября 2009 года) Российский космонавт Роман Романенко и американский астронавт Майк Форман (на заднем плане) в стыковочном узле МКС http://spaceflight.nasa.gov/home/index.html


я человека в космосе. В космосе как дома Лаборатори

Языком науки О том, что такое замкнутая система жизнеобеспечения, как она может помочь людям в освоении космоса, каких успехов уже добились учёные и что ещё предстоит сделать, рассказывает директор Института биофизики СО РАН, академик Российской академии наук, доктор физикоматематических наук Андрей Георгиевич Дегерменджи.

Космический бункер, или Как сделать Землю в космосе

Первая задача, которую решили учёные при создании биологических систем жизнеобеспечения, — собрали устройство, которое восполняло затрачиваемый человеком кислород. Таким устройством стал водорослевый культиватор — бак, в котором растут одноклеточные водоросли. Поначалу система была очень простой: человек в герметичной кабине дышал кислородом, который выделяли водоросли. Объём герметичной кабины был всего 12 м3, а объём культиватора с водорослями — 20 литров.

Что такое круговорот и как он может помочь космонавту

Несмотря на  то, что проект, о  котором я  буду рассказывать, выполнялся на  Земле, он имеет самое прямое отношение к  космосу. Цель проекта была простой — создать условия для жизни человека вне Земли. Есть два варианта того, как это сделать. Первый, условно мы называем его лёгким, — взять с собой запасы пищи, воды и  воздуха и  жить на  этих запасах. Понятно, что при таком варианте запасы нужно постоянно пополнять. Второй вариа нт  — создать на  другой планете модель Земли. Всё живое на нашей планете существует за счёт круговорота веществ. Мы  потребляем кислород, который выделяют растения в  процессе фотосинтеза, и  выдыхаем необходимый для жизни растений углекислый газ. Всё, что мы едим, также растёт на Земле и использует для роста вещества, которые


в  конечном итоге возвращаются в круговорот. Красноярские учёные решили создать такой круговорот искусственно. Представим себе лабораторную модель с круговоротом вещества: поместим в  замкнутое пространство человека и в противовес ему  — небольшой кусочек биосферы. Такая система сможет долгое время существовать без запасов. И вот основатели системы академики Леонид Васильевич Киренский, Иосиф Исаевич Гительзон и Иван Александрович Терсков пошли к  куратору космической программы в  Советском Союзе Сергею Королёву. После того как они объяснили ему свой замысел, Королёв сказал: «На такой проект я  дам денег». А  на  вопрос, когда такая система должна быть готова, он ответил: «Вчера!» Это было время первых космических успехов и энтузиазма, и Королёв планировал, что вскоре на Луне будут построены первые поселения. Давайте разберёмся, сколько нам нужно веществ, чтобы прож ить в  за мк н у том прост ра нстве. За  год человек потребляет примерно две тонны воды, газа и  пищи. Д л я  хара ктеристик и замкнутых систем жизнеобеспечения используют так называемый коэффициент замыкания.

Сч и т ае тся, ч то коэффи ц иен т замыкания биосферы, котора я является огромной системой жизнеобеспечения, близок к  100 %. Это  означает, что для поддержания жизни нет необходимости получать вещество извне. Всё, что нужно, уже есть на  нашей планете. Представим систему, в которой находится один человек: если необходимые для жизни две тонны мы возьмём снаружи, то коэффициент замыкания такой системы будет равен нулю. Мысленно поместим в систему растения, которые потребляют весь углекислый газ, выделяемый человеком, и  преобразуют его в кислород. Количество вещества, которое требуется взять снаружи, сразу снизится до 1 700 килограммов. Если предположить, что и вся вода в системе тоже многократно используется, то количество запасов сократится до  200  килограммов. Если мы затем добавим в систему растения, которые растут, производят кислород, помогают очищать воду и при этом служат пищей человеку, то количество запасов сократится ещё вдвое. Получается, что за счёт создания круговорота возду ха, воды и пищи мы уменьшаем объём необходимых запасов и  повышаем коэффициент замкнутости системы.

Как в Красноярске делали маленькую биосферу

Сразу после разговора с  Королёвым в  Красноярске началось создание замкнутой биологической системы жизнеобеспечения. Сначала нужно было решить вопрос, чем человек будет дышать. Первым устройством, которое восполняло затрачиваемый кислород, стал водорослевый культиватор — большой бак, в  котором растут водоросли. Одноклеточная водоросль хлорелла поглощала углекислый газ и обеспечивала человека кислородом. Первый вариант системы был очень простой — испытуемый сидел в  герметичной кабине и  дышал через трубочку. Объём кабины был 12 м3, а объём культиватора с водорослями  — 20  литров. В  кабине было выполнено несколько экспериментов. Самый короткий длился 12 часов, самый длинный — 90 суток. Тогда ещё молодой И.  И.  Гительзон, медик по образованию, первым провёл в кабине целую ночь, дыша кислородом, вырабатываемым водорослями. Это был огромный риск, поскольку точного газового состава выделений хлореллы не знал никто: газометрические приборы были очень примитивными. После этого эксперимента у учёного появилось моральное и  медицинское право

117


В космосе как дом а

ком науки космосе. Язы в а к е в о чел атория р о б а Л

118

разрешить длительные опыты с экипажем. Нет  необходимости говорить, что без водорослей в герметичной комнате похожего размера человек задохнётся через несколько часов. Самое обидное, что кислород из  такого помещения никуда не исчезает. Человек вдыхает кислород, а  выдыхает углекислый газ. Каждая молекула углекислого газа содержит два атома кислорода, которые организм использовать уже не может. В системе с круговоротом всё, что человек выдыхал, поступало в культиватор, где находились водоросли, которые «обменивали» углекислый газ на  кислород. Затем в  этот  же культиватор водорослям стали добавлять часть жидких выделений человека. Как известно, в моче содержится много азота, который нужен растениям для роста. Когда водоросли используют азот и другие минеральные вещества из «грязной» воды, её легче очистить. После того как были созданы культиваторы, которые могут снабжать человека кислородом, систему стали усложнять. В  неё добавили высшие растения  — пшеницу и овощи. Если представить физические размеры системы, то к первой комнате размером 2 метра в длину, 3 метра в ширину и 2 метра в высоту доба вили комнат у ра змера ми

2 х 2 х 2 метра. В этой добавочной комнате как раз и находились растения. Это сделали, чтобы повысить замкнутость системы: одноклеточную водоросль хлореллу человек есть не  мог (хотя поначалу такие планы были), а  вот пшеница или овощи — еда привычная. Так как растений в системе стало больше, в  эксперименте смогли участвовать уже два человека. Было проведено два основных эксперимента длительностью 30 и 73 суток. В  результате удалось доказать возможность длительной жизни искусственной экосистемы «человек — микроводоросли — высшие растения». В конце концов было решено организовать относительно комфортные и приемлемые для жизни человека условия. И вот в начале 1972 года была создана новая установка, получившая название БИОС-3. Она  имела объём 300  м 3 (можно сказать, как большой загородный дом) и  включала четыре больших помещения одинаковых размеров: жилой модуль с индивидуальными каютами для трёх испытателей и три модуля с растениями для воспроизводства пищи и восстановления атмосферы и воды. В системе, конечно, были и туалет с душем — из-за экономии места не очень большие, но всё же вполне похожие на те,

которыми мы пользуемся в повседневной жизни. В БИОС-3 было проведено несколько экспериментов. Самый длинный из  них продолжался 180 дней. Почти полгода три человека провели в изолированном от окружающей среды герметичном бункере. Система обеспечивала экипажу жизнь. Не  только вода и  воздух циркулировали между человеком и  маленьким кусочком биосферы, — вся растительная диета тоже была частью процесса круговорота. Конечно, без мясных и ряда других продуктов обойтись не удалось. Согласно расчётам коэффициент замыкания по  пище составил 50—75 %. То  есть примерно половина всех потребностей в еде удовлетворялась за счёт того, что вырастало на  грядках закрытого бункера. Остальная половина была взята в начале эксперимента в виде запаса — тюбиков «космической» пищи. До  настоящего времени результат 1972 года не превзойдён нигде в мире.

Умная теплица

Кто-то скажет, что система жизнеобеспечения — это просто теплица под крышей. Однако нужно помнить, что это оранжерея, в которой удобрения, соли, вода поступают только от живущих в ней же людей.


Поэтому для создания полноценной системы нужны очень точные расчёты. Растения должны расти ровно с той скоростью, с которой человек потребляет кислород и пищу. Начнёт человек потреблять проду кты быстрее, чем они образуются, — система не сможет поддерживать его жизнь, и он умрёт. Начнут растения производить кислород и свои плоды быстрее, чем нужно для человека, — он тоже погибнет. Ведь мы говорим о  замкнутой системе, где все элементы должны с заданными скоростями переходить от одних организмов к другим. Поэтому любое рассогласование приведёт к её гибели. А если мы вспомним, что человеку для роста нужны витамины, продукты разного качества и состава, то поймём, что уравновесить систему по  всем веществам  — это очень непростая задача. Каждый химический элемент (углерод, фосфор, азот или любой другой) нужен каждому организму в  разных пропорциях. И эти пропорции и скорости роста у разных живых существ должны быть подобраны так, чтобы в каждый момент времени всем всего хватало. С  технической стороны создание такой системы — тоже непростая задача. Для того чтобы получать высокие урожаи, в замкнутом пространстве были установлены

119

Биологическая система жизнеобеспечения БИОС-3: вверху: макет системы, в центре: «шлюз» для бесконтактного обмена материальными объектами с участниками эксперимента


Жизнь за стеклом

осе. Ликбез века в косм о л е ч я атори Лабор

В космосе как дом а

Самый масштабный эксперимент по имитации земных условий в замкнутом пространстве провели американцы, создав в пустыне Аризона комплекс «Биосфера-2». Американцы знали о результатах сибирских учёных, и разработчики БИОС-3 консультировали американских исследователей. Тем не менее подход к конструированию «Биосферы-2» был другим. БИОС-3 разработан с применением детальных расчётов рационов людей, скоростей роста разных видов, жёсткого контроля всех процессов. При создании «Биосферы-2» было решено построить объёмную систему с большим количеством видов в надежде, что эти виды подстроятся друг к другу, как в природе. Так, под огромным стеклянным куполом были воссозданы пустыня и джунгли, степь и «океан». Люди жили в удобных каютах, у них были огород и домашние животные. Максимальный срок проживания людей в «Биосфере-2» составил около двух лет. Эксперименты проходили не очень гладко. Был момент, когда пришлось 120 закачивать кислород — внутри бункера резко увеличилась концентрация углекислого газа и снизилась концентрация кислорода. В системе развелись в огромных количествах муравьи и тараканы. Запомнился эксперимент и скандалами внутри экипажа — долгая жизнь в тесном коллективе дала о себе знать. Американский опыт содержал в себе и элемент шоу, поскольку, строго говоря, он не был научным экспериментом. «Биосферу-2» посещали туристы, которые могли через стекло смотреть на бионавтов. Однако и этот проект принёс важные научные результаты. Стало понятно, что, поместив большое количество разных видов внутрь замкнутого объёма, трудно добиться сбалансированного круговорота веществ. На нашей планете круговорот уравновешен за счёт того, что планета большая и видов очень много. Уменьшая же размер системы (а на чужой планете быстро построить огромный бункер невозможно), мы вынуждены подходить к её проектированию с научной точки зрения. Необходимо тщательно подбирать виды, которые будут жить в системе, и постоянно контролировать все процессы, происходящие в ней.


мощные лампы. Так как БИОС был герметичным, а лампы очень мощными, требовалась специальная система охлаждения: без неё внутри не выжил бы никто. Все растения росли не  на  почве, а  на  гидропонике. Наверное, все знают, что такое керамзит. Пористые камешки, которые многие добавляют в домашние цветы. Так  вот, в  нашей системе вместо почвы был только керамзит, на который подавался питательный раствор. Для системы также подбирали или выводили специальные культуры растений. Мы  помним, что любое вещество должно быть частью круговорота. Любая несъедобная часть растения (например, ствол пшеницы или ботва редиски) — это масса, которую нужно переработать и вернуть в круговорот в  виде минеральных веществ для роста новых растений. Поэтому специально для БИОСа вывели особый сорт пшеницы, у которого стебелёк был очень короткий, а колос непропорционально длинный. На Земле мы привыкли к тому, что сажаем растения весной, а осенью собираем урожай. При жизни в  замкнутой системе времён года нет, зато есть необходимость постоянно получать свежие продукты. Поэтому для каждого растения у нас было по несколько делянок.

Допустим, сегодня мы посеяли пшеницу на первой делянке. Через две недели — на второй. Ещё через две недели — на третьей. В результате и урожай мы будем собирать почти постоянно: сначала с  первой делянки, потом со второй и так далее. На протяжении всего эксперимента у бионавтов были свежие овощи. Ежедневно они мололи муку из выращенного зерна и выпекали свежий хлеб. БИОС-3 разрабатывался с прицелом на устройство поселений человека на Луне, где световой режим отличается от  земного. Четырнадцать дней там светит Солнце, а четырнадцать дней длится ночь. Перед разработчиками стояла задача поиска режимов выращивания растений при лунном свете. Её удалось решить профессору Генриху Михайловичу Лисовскому с сотрудниками. Ими были найдены условия, позволявшие вырастить растения и при таких режимах освещения. Кстати, именно Генрихом Михайловичем был выведен особый сорт короткостебельной пшеницы, у которой около 50 % от общей биомассы приходится на зерно. Свой огород решил ещё одну важную проблему длительного пребывания человека в замкнутом пространстве. Существует понятие психофизиологического комфорта.

Если есть зелёный огород, у испытуемых возникает ощущение, что они живут нормальной жизнью. Совсем недавно в  Москве проводили эксперимент «Марс-500», в котором люди находились в замкнутом пространстве в течение 520 дней. Эксперимент моделировал длительное пребывание человека в замкнутом пространстве в небольшом и постоянном коллективе. А вот в БИОСе проблема поведения почти не  стояла. Жизнь экспериментаторов была расписана по минутам, для конфликтов просто не оставалось времени. За  здоровьем бионавтов, безусловно, был организован постоянный медицинский контроль не только во время эксперимента, но и долгое время после него. Все медицинские наблюдения проводили московские учёные из  Института медико-биологических проблем человека. Ни во время эксперимента в БИОС-3, ни после последствий для здоровья людей выявлено не было.

Солёный огурец на грядке

После кратковременного спада интереса к  системам жизнеобеспечения эти работы вновь обрели новое дыхание. Главная задача для учёных всё та же — повышать коэффициент замыкания. Есть элементы

121


В космосе как дом а

ком науки космосе. Язы в а к е в о чел атория р о б а Л

122

и  соединения, для которых очень трудно организовать кру говорот. Одно из таких соединений — натрий хлор, или обычная соль. Жидкие выделения человека содержат очень много солей, и напрямую подавать их растениям для полива нельзя. С другой стороны, в растительной биомассе нет того количества соли, которое нужно человеку. Что делать? Есть такие растения — солеросы, которые могут расти на очень солёных растворах и накапливать в себе соль. У некоторых видов содержание соли в биомассе достигает 50 %, то есть наполовину такое растение состоит из  соли. В шутку мы называем его солёным огурцом на грядке. Если высушить стебелёк такого растения и потом растереть, получится почти чистая и вполне съедобная соль. Используя такие виды, можно повысить замкнутость системы. Нужное человеку для еды соединение будет накапливаться в  растениях, потребляться в пищу, выделяться в  виде жидких отходов и вновь поступать в растения уже в очищенном виде.

Где же взять мясо?

Для того чтобы повысить коэффи ц ие н т з а м ы к а н и я, н у ж но учиться перерабатывать несъедобные части растений. Сейчас,

как это ни странно, мы вернулись к почве, которую сначала изгоняли из системы. Всем казалось, что раз в  почве много микроорганизмов, они начнут размножаться и будут у г рожать здоровью человека. Но  оказалось, что там, где почва есть, микроорганизмов в  воздухе совсем немного. Они поглощаются почвой и в каком-то смысле контролируются ей. Сейчас мы работаем над искусственной почвой  — это сложная система из известных видов микроорганизмов, фрагментов растительной пищи и  червей, которые не  только перерабатывают растительные остатки, но и  могут служить источником животного белка. Черви  — это не  самый «аппетитный» вариант, но теоретически после обработки их мясо можно использовать в качестве пищевой добавки. Нужно понимать, что согласно экологическим законам любому животному для роста требуется в  десять раз большее количество пищи. Хотите вырастить один килограмм крольчатины — вырастите сначала 10 килограммов капусты. В замкнутую систему жизнеобеспечения мясо, конечно, нужн�� каким-то образом вводить. Черви в  почве  — один из  вариантов.

Китайские исследователи предлагают использовать гусениц тутового шелкопряда. Но мало того, что есть гусениц неприятно, это ещё и затратно с точки зрения поддержания круговорота. У каждого вида животных или растений имеются свои потребности в  пище и  продукты выделения. Новый вид требует целой цепочки видов, которые будут его уравновешивать. Поэтому сейчас мы рассматриваем варианты трансгенных растений. Очень скоро достижения молекулярной биологии позволят нам проводить манипуляции с генами и, например, так изменить геном пшеницы, чтобы в  зёрнах содержались и  животные белки. Такой вариант пока ещё выглядит как фантазия. Но фантазия ближайшего будущего.

Космические поселения нужны и на Земле

Сначала мы делали систему жизнеобеспечения для космоса. А потом поняли, что результаты могут пригодиться и на Земле. Например, есть проект под названием «экологический дом». Что такое система жизнеобеспечения? Автономная система, которая практически не производит отходов. А теперь представим себе дом с  её элементами. В  первую очередь автономизация может касаться систем очистки воды


и выращивания растений. То есть мало того, что вы сможете снабжать себя пищей сами, так ещё и перестанете загрязнять воду. Жильё с круговоротом веществ даст возможность резко уменьшить нагрузку на окружающую среду. Второе приложение, с  одной стороны, сугубо научное, а с другой — нужное всем жителям Земли. Замкнутая система  — это миниатюрная модель для проверки устройства всей биосферы. Многие слышали об экологическом кризисе, о том, что человек загрязняет планету, но никто не знает последствий этих загрязнений. Мы не  можем делать эксперименты со  всей планетой. А  если попробуем, то в  случае неудачи сами  же и  пострадаем. А  вот с  маленькой замкнутой системой легко вытворять что угодно и смотреть, как она откликается на разные воздействия. Например, можно повысить температуру или увеличить концентрацию каких-то соединений и проследить, как это влияет на  круговорот веществ в  системе и  её устойчивость. Так  как принципы замыкания биологического круговорота что на  всей планете, что в маленькой системе похожи, то и выводы, полученные в лаборатории, не исключено, помогут спасти человечество.

МАРС-500 Российский эксперимент «Мар с-5 0 0 » пр ов о д и лс я д ля имитации пилотируемого полёта на Марс. Шесть человек провели 520 дней в специально разработанном замкну том бункере с искусственно созданными условиями полёта. Люди общались с внешним миром с помощью радиосвязи, которая приходила с задержкой, — ведь при удалении от Земли мгновенный обмен информацией будет невозможен. С собой у них был запас продовольствия. Все психологические или ме дицинские проблемы экипаж должен был решать сам. 123 В программу полёта входили различные эксперименты, высадка на Марс, поверхность которого была сымитирована в специальном модуле, нештатная ситуация с травмой одного из членов экипажа. За всеми экспериментаторами велись пристальные медицинские наблюдения. В первую очередь проект был нацелен на исследование здоровья и работоспособности экипажа при д лительной изоляции от внешнего мира и ограниченном наборе ресурсов. Эксперимент был успешно закончен 4 ноября 2011 года. Это ещё один маленький шажок к выходу человека в дальний космос и колонизации планет.


я человека в космосе. В космосе как дома Лаборатори

Несмотря на все успехи человека по исследованию околоземного пространства, о выходе человека в дальний космос речь пока не идёт. О ближайшем будущем космонавтики и оптимальных с точки зрения науки стратегиях исследования дальнего космоса рассказывает доктор физикоматематических наук, заведующий лабораторией теоретической биофизики Института биофизики СО РАН Сергей Игоревич Барцев.

Языком науки Виртуальная реальность в космосе

Из всех известных на Земле информационных систем человек обладает наилучшей способностью реагировать на внезапные обстоятельства и принимать решения, основанные на интуиции. Кроме того, он отличается максимальными чувствительностью, пропускной способностью сенсорных каналов и эффективностью первичной переработки информации. Так почему бы тогда не использовать человека для исследований нового, неведомого и неожиданного?

Найди то, не знаю что…

Сегодня человек исследует дальний (за  пределами орбиты Луны) космос исключительно с  использованием автоматов. Аргументы против пилотируемых полётов просты и понятны: пилотируемая экспедиция обходится в несколько раз дороже беспилотной; при осуществлении пилотируемых полётов велик риск гибели людей; автомат можно безвозвратно отправить куда угодно, а  доступными для непосредственного присутствия человека являются только Марс и спутники планет-гигантов. Ка жется, что с  этими арг ументами невозможно спорить. Но любая дискуссия имеет смысл, когда задан контекст обсуждения. И  пилотируемые, и  беспилотные космические экспедиции  — это лишь средства изучения космического пространства. А каковы цели космических исследований? Цель номер один дальних космических исследований, которая официально почти не озвучивается, но всеми подразумевается, — это


Человек или робот? поис к нов ог о, не и з в е с т ног о и неожиданного. В противном случае в дальних космических полётах нет нужды: то, что можно изучить с меньшими затратами на Земле или в околоземном пространстве, незачем искать в космосе. А можем ли мы использовать автоматы при поиске неизвестного?

Медленный робот

Автоматы дл я космически х исследований делятся на два типа — автоматы с искусственным интеллектом и  автоматы, управляемые с  Земли. Если говорить об  автономных роботах с  искусственным интеллектом, то в обозримом будущем от  них можно ожидать не  слишком многого: они смогут работать только в известных ситуациях. Можно с уверенностью утверждать, что роботы, обладающие интуицией и способные к незапрограммированным действиям, появятся очень нескоро. Другой вид роботов — это автоматы, управляемые с Земли. Такие роботы ограничены в  своих функциях. Скорость распространения сигнала не  превосходит скорости света. Для робота, который находится на  Марсе, в  зависимости от расположения обеих планет сигнал будет идти от  8 до  22 минут. В  такой ситуации у правление

Космические аппараты или пилотируемая космонавтика? Спор о том, какой из двух вариантов дешевле и надёжнее, ведётся давно. Эту дилемму иронично разрешил американский фантаст Дж. Дж. Хемри в рассказе «Если легонько подтолкнуть…». Действие происходит в близком будущем, а возможно, и в настоящем. Американцы посылают на Марс несколько поколений межпланетных роботизированных зондов подряд. «Cегодня Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства объявило об успешном запуске первого роботизированного межпланетного зонда, сконструированного в соответствии с новой концепцией освоения Солнечной системы под девизом “лучше, быстрее, дешевле”. В процессе исследования поверхности Марса “Ровер-I” выполнит те же задачи, что ранее планировались для миссии астронавтов, однако при весьма существенном снижении общих затрат». Первый зонд застревает в марсианском песке, у второго не рас- 125 крывается антенна, третий не может выбраться из посадочного модуля, четвёртый разбивается при посадке… Каждый раз причиной аварии служит какая-нибудь мелочь или случайность. Наконец разработчики программы отправляют вместе с межпланетным зондом «Ремонтную Мастерскую Передового Разворачивания». Это маленький космический корабль, в котором находится человек. Ему отказывают в гордом звании астронавта и называют «присутствующим техником-ремонтником». Участие человека в полёте к Марсу не упоминается в документах и официальных разговорах. Наконец пятый зонд добирается до Марса и… застревает из-за мелкой поломки. «Недовольно жужжащий “Ровер-V” сидел, как уродливый жук, посреди раскинувшихся лепестков посадочного модуля. Мрачно разглядывая беспомощную машину, Холстед заметил, что одна из фиксировавших её защёлок так и не отстегнулась. Он вытащил из кармана скафандра длинную отвёртку, неуклюже наклонился, подсунул своё орудие под запор и слегка поддёрнул. Защёлка немедленно отскочила, и освобождённый робот, деловито скатившись с пандуса, радостно устремился в просторы Красной планеты».


Роскосмос и Европейское космическое агентство (ЕКА) разрабатывают программу «Экзомарс», которая доставит на Красную планету первое полностью автоматическое устройство В космосе как дом а

с  Земли не  предполагает неожиданностей. Даже для того, чтобы рассмотреть объект на Марсе, случайно промелькнувший по  краю поля видимости телекамеры робота, управляемого с  Земли, потребуется в среднем больше часа. Такая система пригодна для изучения только неподвижных объектов. Стоит отметить, что управление планетоходами с Земли осуществлялось всего лишь один раз, в конце 60-х — начале 70-х годов прошлого века. Такой режим был реализован в Советском Союзе в проектах «Луноход-1» и «Луноход-2». Центр управления полётами находился в Евпатории. Члены команды, пребывавшие в  центре управления, несмотря на  то, что не  покидали Землю, имели статус космонавтов.

ком науки космосе. Язы в а к е в о чел атория р о б а Л

126

Человек — самая эффективная информационная система

Робот должен выполнить широкий спектр работ, в частности бурение поверхности планеты на глубину до двух метров

Кто  же обладает наибольшей среди известных информационных систем способностью реагировать на  неожиданные обстоятельства и  принимать решения, основанные на  интуиции? Конечно человек! Кроме того, человек способен к  выполнению действий, которые находятся за  пределами возможностей его сенсорной системы.


Например, меткая стрельба или игра в  бильярд требуют большей разрешающей способности, чем та, которой обладает человеческий глаз. Мозг человека ухитряется «вынимать» нужную информацию из  всего комплекса поступающих к нему первичных данных. Значит, наиболее эффективный вариант поиска и  изучения неизвестного — присутствие человека в зоне контакта с этим неизвестным. Однако человек может существовать за  пределами земной атмосферы только в ограниченном числе мест. Кроме того, ко всем космическим полётам есть важнейшее требование — максимальная безопасность экипажа. Налицо противоречие: человек должен присутствовать в зоне контакта с неизвестным — и одновременно его не должно там быть. Это противоречие снимается, если исследователь участвует в контакте через подвижного человекоподобного робота-манипулятора, работающего в реальном времени в режиме так называемой виртуальной реальности. Режим виртуальной реальности можно обеспечить, оснастив робота системой, передающей всё, что видят, слышат и  ощущают органы робота. Сегодня в компьютерных игра х у же применяют

«виртуальную реальность». Однако при исследованиях космоса копировать движения человеческих конечностей будет не виртуальный игрок в компьютере, а робот, находящийся в  зоне контакта с  неизвестным (на поверхности планеты, в открытом космосе, в подлёдном океане Европы — спутника Юпитера). Для обеспечения необходимого в  этом случае интенсивного двунаправленного потока информации требуется присутствие человека в радиусе не более 12 000 километров от зоны контакта. Например, находясь на орбите Марса, космонавт сможет осуществлять управление роботом на  поверхности планеты.

Космический странник

Какой же вариант для исследований дальнего космоса в ближайшем будущем можно предложить, если опираться на достижения современной космонавтики и науки? Отмечу, что под ближайшим будущим мы понимаем достаточно большой срок — возможно, в несколько десятков лет. Доставку и длительное присутствие человека неподалёку от  робота-манипулятора может обеспечить комплекс: космический корабль на электроракетной тяге и хорошо экранированная автономная биологическая система

ж и зне о б е с пе че н и я эк и п а ж а . Для такой космической конструкции мы с коллегами придумали поэтическое название «Космический странник». Человек не  сможет опуститься, например, на Венеру с её температурой в сотни градусов и давлением в десятки атмосфер; но он сумеет побывать там в режиме «перенесённой реальности» с помощью роботаманипулятора. Всё, что воспримет робот, будет записано для дальнейшего изучения и  популяризации космических исследований. Сенсорные ощущения робота, зафиксированные на  другой планете, можно сделать доступными любому желающему. Это вовлечёт огромные массы людей в сам процесс познания космического пространства. Формально сегодня человек располагает всеми элементами для создания «Космического странника». Другое дело, что они пока в  разной степени готовности. Например, почему в качестве движущей силы такого корабля мы рассматриваем ракеты на электрической тяге? Потому что по своим характеристикам они превосходят ракеты с двигателем, работающим на  основе химических реакций горения топлива, и даже ядерные термические ракеты. Это  значит, что относительно малой массы

127


В космосе как дом а

ком науки космосе. Язы в а к е в о чел атория р о б а Л

128

взятого на ракету рабочего вещества будет достаточно для длительного полёта. Уже сегодня такие двигатели используются для перемещения спутников на орбите. Как может выглядеть освоение дальнего космоса, когда разработают элементы «Космического странника»? Сначала к  Марсу отправляется беспилотный транспортный корабль, который доставляет на  орбиту необходимое оборудование, космический катер для посадки людей и  набор роботовманипуляторов для сканирования поверхности планеты. Этот транспортный корабль в идеале должен представлять собой космическую станцию с биологической системой жизнеобеспечения. Во время полёта к Марсу система жизнеобеспечения находится в неактивном состоянии. После выхода на орбиту она автоматически включается и  выходит на рабочий режим как раз ко времени появления космонавтов, доставляемых «космической яхтой». Така я орбитальна я станция может служить базой для длительного исследования Марса и дальнего космоса (в  первую очередь, пояса астероидов) с помощью «космических яхт», которые будут заправляться рабочим веществом на  этой базе. При  необходимости орбитальная станция может быть

возвращена к Земле и затем выведена на  новую орбиту  — вокруг Луны или Венеры. Давайте попробуем перечислить все преимущества нашего плана на будущее 1. В предлагаемом варианте человек сможет исследовать все тела Солнечной системы. Режим «виртуальной реальности» позволит проникнуть в недоступные для людей места и собрать максимальное количество информации. Полученные записи дадут ощущение участия каждому желающему. Заинтересованность широких кругов общественности в  такой информации может частично окупить некоммерческие исследовательские полёты. 2. «Космический странник» является кораблём многократного использования, и, вероятно, для первоначальных исследований области от Меркурия до Марса будет достаточно флотилии из двухтрёх кораблей. Как электрические двигатели малой тяги, так и солнечные батареи или солнечные концентраторы весьма надёжны. Кроме того, их использование является, по сравнению с ядерными реакторами, экологически чистым процессом, и сборка корабля на орбите не  представляет опасности даже в случае аварии грузовой ракеты.

3. Реализация такого плана пригодится и для земных целей. Разработка систем жизнеобеспечения на базе замкнутых экологических систем будет полезной для понимания законов, по которым живёт земная биосфера. Высокоэффективные роботы-манипуляторы найдут применение и на Земле в экстремальных и опасных условиях. В завершение отмечу, что освоение космоса — это, в первую очередь, освоение самого безвоздушного пространства. В  своё время К. Э. Циолковский писал: Мы можем достигнуть завоевания Солнечной системы очень доступной тактикой. Решим вначале легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости от  Земли в  качестве её спутника… Поселившись тут, получим надёжную и  безопасную зону, освоившись хорошо с жизнью в эфире (в материальной пустоте), мы уже более лёгким путем будем удаляться от  Земли и  Солнца, вообще разгуливать, где нам понравится. Ещё сто лет назад Циолковский считал приоритетным обеспечение длительного и автономного нахождения человека в  космическом пространстве. А это возможно лишь при помощи биологических систем жизнеобеспечения длительного использования и  кораблей с большим запасом свободного хода.


А если немного пофантазировать

Читательский дневник

Учёных часто ругают за раздутые бюджеты космических программ. Но космонавтика — это шанс обеспечить долгосрочное выживание человечества. Перенаселение, экологические катастрофы, падение метеоритов или комет — любая из этих опасностей может привести к повторению людьми судьбы динозавров и других вымерших видов. Чтобы выжить, нам необходимо колонизировать космос. Какие проекты будущего приблизят нас к покорению Вселенной? Развитие орбитальных станций. Сегодня космонавты месяцами живут в условиях невесомости. Возможно, в будущем орбитальные станции смогут генерировать гравитационное поле, что сильно упростит работу вне Земли. При этом станции будут строиться не только за счёт государств — уже разрабатываются проекты коммерческих «космических отелей», пожить в которых за большие деньги сможет любой желающий. Коммерциализация космоса удешевит космические исследования, так как конкуренция заставит разработчиков искать более эффективные решения. Исследование дальнего космоса автоматическими аппаратами. Автоматические межпланетные станции и космические телескопы позволят найти пригодные для обитания людей миры, если, конечно, они существуют. Колонизация Луны. Вряд ли спутник Земли можно считать запасной 129 площадкой для человечества, но такая колонизация позволит опробовать технологии, которые можно будет применять при освоении других планет. Луну можно использовать и как сырьевую базу для добычи металлов и газов, и как перевалочный пункт для запуска межпланетных миссий. Не стоит забывать и о туристах. «Каникулы на Луне» звучит более привлекательно, чем «отпуск в Сочи». Пилотируемые межпланетные полёты. Будем надеяться, что к середине XXI века люди ступят на поверхность Марса и марсианские колонии станут реальностью уже для наших правнуков. Венцом всех проектов будущего должно стать терраформирование пригодной для жизни планеты. Терраформирование может включать повышение температуры на планете путем создания парникового эффекта. На Земле человечество уже научилось его вызывать, так что на других планетах повторить это «достижение» будет несложно. Чтобы пополнить атмосферу планеты водой и газами, придётся, вероятно, бомбардировать её астероидами и кометами. После этого можно засеять выбранный мир неприхотливыми мхами, которые будут вырабатывать кислород и образовывать плодородную почву. Конечно, весь процесс займёт тысячи лет, так что на скорый переезд на Марс рассчитывать не стоит.


Вместо эпилога Шаг за шагом

130

«Чтобы что-то узнать, нужно уже что-то знать», — эти слова талантливого писателя-фантаста и футуролога Станислава Лема точно и ёмко передают идею, благодаря которой эта книга появилась на свет. Наши знания о Вселенной постоянно пополняются. В последние дни подготовки книги к печати на огромном расстоянии от Солнечной системы, в другой галактике, с помощью недавно запущенного космического телескопа «Кеплер» были открыты планеты, похожие на Землю размером и расстоянием до своей звезды. Как видишь, новые технологии и открытия не заставляют себя ждать, появляясь изо дня в день. Именно поэтому мы не планировали ответить на все твои вопросы. Нашей задачей было рассказать тебе, как учёным удалось сделать доступным то, что ты сейчас знаешь о Вселенной, звёздах и планете Земля. Мы хотели подчеркнуть, что для каждого нового шага, приближающего человечество к пониманию неизведанного, очень важны знания, полученные ранее, и живой научный интерес, побуждающий двигаться дальше. Начать свой путь к  звёздам каждый может уже со школьной скамьи. Все делают первый шаг по-своему: для одного это может быть поездка на школьную научную конференцию, для другого — интересный открытый урок или самодельный телескоп, красочная научнопопулярная книжка или фильм… На страницах нашей книги ты познакомился со многими учёными, которые ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» www.iss-reshetnev.ru

добились больших успехов в своей работе. Но ведь когдато, в самом начале пути, каждый из них был таким же школьником, как и ты. Читая книгу, ты, наверное, обратил внимание, что Красноярск занимает не последнее место в истории освоения космоса русскими учёными и  конструкторами. Многие из тех космических аппаратов, что сейчас находятся на орбите, были созданы специалистами ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», которое находится в  закрытом городе Железногорске, ранее называвшемся Красноярск-26. В самом Красноярске расположен Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва. Михаил Фёдорович Решетнёв был основоположником сибирской космической науки и  талантливым конструктором, который многое сделал для развития российских систем спутниковой связи и спутниковой навигации. Сегодня Сибирский государственный аэрокосмический университет является одним из ведущих вузов Красноярска. У  этой книги открытый финал  — ведь несмотря на то, что очень многие области космического знания уже не окутаны тайной и неизвестностью, во Вселенной остаётся ещё много чёрных дыр и белых пятен. Они ждут того часа, когда к ним обратятся новые молодые умы, полные смелости и решимости, движимые интересом к расширению границ научного знания. И, возможно, одним из них будешь именно ты! Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва www.sibsau.ru


Содержание Лаборатория дальнего космоса Дотянуться до звёзд

Ликбез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Из истории. Была астрология, стала астрономия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 В научной фантастике. Космос — великий и ужасный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Языком науки. Время переписывать учебники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Языком науки. Как добраться до Марса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Лаборатория ближнего космоса Весь мир как на ладони

Ликбез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Из истории. Спутниками хотели стрелять из пушек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . В научной фантастике. Телевизор, который следил за зрителем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Языком техники. Связь в любой точке мира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Языком техники. «В огне не сгорит и в воде не утонет» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Языком техники. Жёстче, прочнее, легче… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Языком науки. Человечество вооружилось макроскопом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 48 52 56 64 74 78

Лаборатория человека в космосе В космосе как дома

Ликбез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Из истории. Дорогу в космос проложили мечтатели и… обезьяны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 В научной фантастике. Марс изменит… яблочное семечко . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Языком науки. Будни космонавта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Языком науки. Космический бункер, или Как сделать Землю в космосе. . . . . . . . . . . . . . .116 Языком науки. Виртуальная реальность в космосе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124


УДК 521.1 ББК 22.6 Л12 Л12

Лаборатория Красного яра. Научные ответы на космические вопросы / составители текстов Е. С. Задереев, А. Ю. Яковлева. — Красноярск : ООО «Издательство Поликор», 2011. — 132 с., ил. ISBN 978-5-91502-050-3 УДК 521.1 ББК 22.6

ISBN 978-5-91502-050-3

© Агентство «Вертикаль», 2011 © ООО «Издательство Поликор», 2011

ЛАБОРАТОРИЯ КРАСНОГО ЯРА Научные ответы на космические вопросы

Авторы научных статей и научные консультанты: С. И. Барцев, А. Г. Дегерменджи, В. В. Ефанов, А. И. Лазуткин, С. И. Опенько, С. Б. Попов, Н. А. Тестоедов, В. И. Халиманович, В. В. Хартов, А. П. Шевырногов Идея проекта Е. В. Щелканова Концепция проекта Р. Ф. Байбурин, Д. В. Рогов, М. В. Пальчик, С. В. Патриев, А. Ю. Яковлева Руководитель проекта А. Ю. Яковлева Научный редактор Авторы литературных текстов Литературные редакторы Концепт-дизайн Редакторы Корректор Вёрстка и цветокоррекция Дизайнеры Бильд-редакторы

Е. С. Задереев Т. В. Воронцова, Е. С. Задереев, И. С. Трофимов, И. С. Кабанов Т. И. Алёшина, Ю. И. Борисенко А. В. Сапрыкин В. И. Кузьминых, Д. В. Черноус, А. Ю. Яковлева Ю. И. Борисенко А. В. Сапрыкин, Д. В. Рогов А. В. Сапрыкин, Д. В. Рогов А. В. Сапрыкин, Д. В. Рогов

Выражаем благодарность всем участникам проекта за самоотдачу и профессионализм, проявленные при работе над книгой. В качестве иллюстраций использовались фотоматериалы из архивов ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М. Ф. Решетнёва» и ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина», а также фотографии и другие графические материалы из открытых источников.

Подписано в печать 30.10.2011. Формат 72х104 1/12 Гарнитура Minion Pro. Печать офсетная. Бумага мелованная. Усл. печ. л. 15,25 Тираж 3 000 экз. Заказ № 27043 Отпечатано в ООО «Поликор» 660049, г. Красноярск, ул. Дубровинского, 58, тел. (391) 227-77-53


Лаборатория Красного Яра: научные ответы на космические вопросы (Поликор, Красноярск)