Глава VI. Советские космические корабли-спутники

Первый советский корабль-спутник

15 мая 1960 г. в Советском Союзе был осуществлен запуск на орбиту искусственного спутника Земли первого космического корабля. Запуск был произведен с целью отработки и проверки основных систем космического корабля, обеспечивающих его полет и возвращение на Землю.

Общий вес корабля-спутника после отделения от последней ступени ракеты-носителя составлял 4540 кг. На корабле-спутнике была установлена герметическая кабина с грузом, имитирующим вес человека, и оборудованием, необходимым для полетов человека в космическом пространстве. Вес кабины равнялся 2,5 т.

Корабль-спутник был оснащен необходимой бортовой аппаратурой, общий вес которой, вместе с источниками питания, был равен 1477 кг. В состав оборудования корабля входили:

система ориентации, обеспечивающая определенное положение корабля при полете по орбите;

тормозная двигательная установка, предназначенная для уменьшения скорости движения корабля с целью перехода его в заданный момент времени на траекторию спуска;

радиотехническая и радиоэлектронная аппаратура, предназначенная для измерения орбиты корабля, управления работой его бортовых систем, передач на Землю телеметрической информации и осуществления связи с кораблем;

система терморегулирования и кондиционирования и ряд других систем,

Питание бортовой аппаратуры корабля осуществляюсь от химических источников тока и солнечной батареи, автоматически ориентируемой на Солнце.

Установленный на корабле-спутнике радиопередатчик "Сигнал" работал на частоте 19,995 Мгц в телеграфном и телефонном режимах.

Корабль-спутник с помощью мощной ракеты-носителя был выведен на заданную орбиту, близкую к круговой.

Начальное значение высоты перигея орбиты составляло 312 км, а высоты апогея - 369 км. Начальный период обращения корабля-спутника по орбите был равен 91,2 мин., при наклонении орбиты 65°.

После выведения на орбиту корабль-спутник был отделен от последней ступени ракеты-носителя. Последняя ступень двигалась по орбите, близкой к орбите корабля-спутника.

При полете корабля-спутника измерительные наземные пункты, расположенные на территории СССР, осуществляли систематические наблюдения и прием научной информации о работе аппаратуры и оборудования корабля. По завершении программы исследований намечалось осуществить спуск корабля-спутника и отделение от него герметической кабины. При этом возвращение кабины на Землю не предусматривалось. После исследования условий полета в космическом пространстве, проверки надежности функционирования экспериментальной кабины и отделения ее от корабля-спутника, кабина, как и сам корабль-спутник, должна была прекратить свое существование при вхождении в плотные слои атмосферы на траектории спуска.

В соответствии с программой полета 19 мая в 2 часа 52 мин. по московскому времени для осуществления спуска корабля-спутника была передана команда на включение тормозной двигательной установки и отделение герметической кабины.

Тормозная двигательная установка работала нормально. Во время ее работы осуществлялась предусмотренная стабилизация корабля-спутника. Отделение кабины от корабля произошло в заданный момент времени. Зарегистрирована нормальная работа системы стабилизации кабины,

Однако вследствие появившейся к этому времени неисправности в одном из приборов системы ориентации направление тормозного импульса отклонилось от расчетного. В результате вместо уменьшения скорости корабля произошло некоторое ее увеличение и корабль-спутник перешел на новую эллиптическую орбиту, лежащую почти в прежней плоскости, но имеющую значительно более высокий апогей. Перигей орбиты стал равным 307 км, а апогей - 690 км. Период обращения на орбите увеличился до 94,25 мин.

Последняя ступень ракеты-носителя продолжала движение по прежней орбите. 17 июля 1960 г. на 1019 обороте вокруг Земли она вошла в плотные слои атмосферы и прекратила свое существование.

Наблюдение за кораблем-спутником и прием с его борта информации после перехода его на новую орбиту продолжались.

В результате первого запуска корабля-спутника были получены важные данные:

проверен старт и полет по заданной программе мощной ракеты-носителя, обеспечившей вывод космического корабля на заданную орбиту с высокой точностью;

в процессе полета осуществлялось надежное управление кораблем-спутником и его ориентация;

в течение всего полета нормально функционировали системы кондиционирования и терморегулирования;

радиосредства корабля-спутника, предназначенные для передачи команд на борт корабля, контроля его орбиты и передачи телеметрической информации успешно выполнили свои задачи;

впервые проверена работа на космическом аппарате самоориентирующейся солнечной батареи;

связь с кораблем-спутником в телеграфном режиме протекала нормально. В телефонном режиме, при осуществлении ретрансляции через аппаратуру корабля-спутника передач наземных радиостанций, работа проходила в шумах с большими искажениями.

Запуск первого советского корабля-спутника явился началом большой и сложной работы по созданию надежных космических кораблей, предназначенных для полета человека.

Второй советский корабль-спутник

19 августа 1960 г. в Советском Союзе был осуществлен запуск второго космического корабля на орбиту спутника Земли.

Вес корабля-спутника без последней ступени ракеты-носителя составил 4600 кг.

Корабль был выведен на орбиту, близкую к круговой, с перигеем 306 км и апогеем 339 км. Начальный период обращения корабля составлял 90,7 мин., наклон орбиты к плоскости экватора - 64°57'.

Основной задачей запуска корабля-спутника являлась дальнейшая отработка систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека, а также безопасность его полета и возвращения на Землю. При полете предусматривалось проведение ряда медикобиологических экспериментов и осуществление программы научных исследований космического пространства.

Для осуществления полета космического корабля-спутника с живыми существами на борту и возвращения его на Землю потребовалось решить ряд сложнейших научных и технических проблем, обеспечивающих:

управляемый полет корабля и спуск его на Землю с большой точностью в заданный пункт;

условия для нормальной жизнедеятельности живых существ в космическом полете;

надежную радио- и телевизионную связь с космическим кораблем.

Все эти задачи были успешно разрешены. Совершив полет по орбите, космический корабль вместе со своими пассажирами - собаками Белкой и Стрелкой и другими живыми существами благополучно возвратился на Землю.

Это историческое событие приблизило время непосредственного завоевания человеком околосолнечного пространства.

Безупречная работа всех систем, обеспечивающих выведение космического корабля на орбиту, а также высокие конструктивные данные мощной ракеты-носителя позволили получить орбиту, практически не отличающуюся от расчетной.

Устройство корабля-спутника

Космический корабль-спутник состоял из двух основных частей: кабины корабля и приборного отсека. В кабине были расположены:

аппаратура для обеспечения жизнедеятельности животных в полете;

оборудование для биологических экспериментов;

часть аппаратуры для научных исследований (фотоэмульсионные блоки и радиометр);

часть аппаратуры системы ориентации;

аппаратура для регистрации поведения кабины во время спуска (датчики угловых скоростей, перегрузок, температур, шумов и т. д.);

автоматические системы, обеспечивающие приземление корабля;

аппаратура для автономной регистрации данных о работе приборов, а также физиологических данных подопытных животных на участке спуска;

катапультируемый контейнер с двумя собаками.

В катапультируемом контейнере, кроме двух собак, находилось 12 мышей, насекомые, растения, грибковые культуры, семена кукурузы, пшеницы, гороха, лука, некоторые виды микробов и другие биологические объекты.

Вне катапультируемого контейнера, в кабине корабля, были помещены 28 лабораторных мышей и две белые крысы.

В приборном отсеке размещалась радиотелеметрическая аппаратура; аппаратура управления полетом корабля; часть аппаратуры для научных исследований (приборы для изучения космических лучей и коротковолнового излучения Солнца); аппаратура терморегулирования; тормозная двигательная установка.

На наружной поверхности корабля располагались рулевые сопла и баллоны с запасом сжатого газа системы ориентации, датчики научной аппаратуры, антенны радиосистем, экспериментальные солнечные батареи, а также система термоизоляции для предотвращения сгорания кабины на участке спуска. В стенках кабины располагались жаропрочные иллюминаторы и быстрооткрывающиеся герметичные люки.

Газовый состав, влажность и температура воздуха в кабине корабля, необходимые для нормальной жизнедеятельности подопытных животных, обеспечивались системой регенерации и системой терморегулирования.

Передача информации о состоянии подопытных животных, физических условиях в кабине и в приборном отсеке, о работе бортовой аппаратуры осуществлялась с помощью радиотелеметрических систем на наземные измерительные пункты. Радиотелеметрические системы работали в двух режимах:

а) непосредственной передачи телеметрической информации на измерительные пункты в моменты пролета корабля над этими пунктами;

б) запоминания (накапливания) информации с последующим воспроизведением и передачей этой информации при пролете корабля-спутника над измерительными пунктами.

На корабле была установлена радиосистема "Сигнал", предназначенная для оперативной передачи части телеметрической информации и отработки вопросов радиотелефонной связи со спутниками.

Для передачи изображения подопытных животных на борту была установлена специальная телевизионная аппаратура.

Управление кораблем осуществлялось автоматически, а также путем подачи команд с Земли. На борту была установлена система контроля орбиты высокой точности.

Энергопитание бортовой аппаратуры осуществлялось от химических источников тока и от солнечной батареи. Солнечная батарея располагалась на двух полудисках диаметром 1000 млн., ориентирующихся на Солнце с помощью специальной системы, независимо от положения корабля.

Полет корабля и его возвращение на Землю

После выведения корабля на орбиту он отделился от последней ступени ракеты-носителя. Во время полета по орбите осуществлялась работа по заданной программе его основных систем: системы ориентации, телеметрических систем, системы терморегулирования, научной и телевизионной аппаратуры, а также аппаратуры, обеспечивающей жизнедеятельность живых организмов в кабине корабля.

Ориентирование корабля во время полета по орбите и на участке спуска осуществлялось с помощью системы ориентации. При работе системы ориентации одна ось корабля была направлена по местной вертикали другая - перпендикулярно плоскости орбиты, третья (продольная ось корабля) - перпендикулярно к первым двум, вдоль пересечения плоскости местного горизонта и плоскости орбиты.

Наблюдения за полетом корабля-спутника производились наземными станциями, расположенными на территории СССР. Полученная информация по линиям связи автоматически передавалась в вычислительные центры. В результате обработки ее на электронных счетных машинах были получены точные элементы орбиты корабля-спутника, что обеспечило необходимый прогноз дальнейшего движения корабля на орбите и возможность его приземления в заданном районе.

Требования к точности знания элементов орбиты обусловливаются величинами допустимых ошибок при приземлении корабля-спутника, поскольку для приземления в заданный район необходимо выбрать момент времени включения тормозной двигательной установки с учетом реальных величин координат и скорости корабля-спутника в этот момент времени. Ошибка в скорости корабля-спутника на 1 м/сек приводит к отклонению точки приземления почти на 50 км. Ошибка истинной высоты над поверхностью Земли, равная 100 ж, отклоняет точку приземления на 4,5 км, а ошибка в направлении вектора скорости по отношению к поверхности Земли на одну угловую минуту приводит к отклонению точки приземления на 50-60 км.

В соответствии с данными прогноза орбиты, а также телеметрическими измерениями, которые характеризовали работу бортовой аппаратуры, из координационно-вычислительного центра по заранее разработанной программе производилось управление кораблем-спутником в космическом пространстве.

На 18-м обороте с Земли была подана команда на спуск корабля-спутника с расчетом на его приземление в заданном районе (рис. 160).

Рис. 160. Схема полета и посадки космического корабля-спутника: 1 - торможение реактивным двигателем; 2 - траектория спуска; 3 - район приземления кабины космического корабля и катапультируемого контейнера

Для спуска корабля-спутника с орбиты на Землю с помощью тормозной двигательной установки производилось уменьшение его скорости движения на требуемую по расчету величину. Траектория спуска была выбрана так, чтобы перегрузки, возникающие при вхождении спускаемого аппарата в плотные слои атмосферы, и время их действия не превышали допустимые для живых организмов.

После перехода корабля на траекторию спуска было произведено отделение от кабины приборного отсека, который сгорел при входе в плотные слои атмосферы.

На участке спуска кабина тормозилась в атмосфере специальной системой торможения. Снизившись до высоты 7 тыс. м, кабина пролетела с момента начала спуска около 11 тыс. км. Максимальные перегрузки при торможении кабины в атмосфере составляли 10 единиц.

На высоте 7-8 тыс. м по команде от барометрических реле была сброшена крышка катапультного люка и произведено катапультирование контейнера с животными из кабины корабля. Приземление контейнера происходило со скоростью 6-8 м/сек, а кабины корабля - 10 м/сек.

Непосредственно после катапультирования контейнера включились радиопеленгационные системы, предназначенные для пеленгации кабины и контейнера во время спуска и после их приземления. Приземление животных, совершивших полет на корабле-спутнике, могло быть осуществлено непосредственно в кабине корабля, однако с целью отработки системы катапультирования, которая является резервной системой приземления при будущих полетах человека, было осуществлено катапультирование контейнера с животными.

Высокая точность приземления корабля-спутника (отклонение точки приземления от расчетной составило менее 10 км) свидетельствует о совершенстве системы управления кораблем и точности определения элементов орбиты наземным измерительным комплексом, ошибки которого непосредственно влияют на отклонение точки приземления. После приземления кабина корабля и контейнер с животными не имели никаких повреждений, что указывает на совершенство систем приземления.

Обеспечение жизненных условий на корабле

Для нормальной жизнедеятельности животных необходимы определенные атмосферные условия в кабине. Поэтому основными требованиями к герметической кабине корабля-спутника были следующие:

поддержание барометрического давления, близкого к давлению на уровне моря, при концентрации кислорода 20-25% и углекислого газа - не выше 1%;

сохранение температуры воздуха в пределах 15-25° С и относительной влажности в пределах 30-70%;

Очистка воздуха от вредных примесей, выделяющихся при работе оборудования кабины, а также животными в процессе их жизнедеятельности.

Две такие собаки, как Белка и Стрелка, потребляют 8-9 л кислорода в час и выделяют при дыхании 6-7 л углекислого газа в час и 0,25 л воды в сутки. Учитывая, что нормальная жизнедеятельность собаки нарушается при снижении содержания кислорода ниже 18% и повышении концентрации углекислого газа до 2-3%, станет очевидным, что без принятия специальных мер в кабине космического корабля животные могут быстро погибнуть.

Чтобы обеспечить на протяжении всего полета нормальный газовый состав воздуха, его температуру, давление и влажность, в кабине была установлена система кондиционирования воздуха, которая осуществляла поддержание параметров атмосферы внутри корабля в заданных пределах.

Поддержание требуемого газового состава воздуха в герметической кабине корабля осуществлялось специальной установкой, в которой использовались высокоактивные химические соединения, поглощающие углекислый газ и водяные пары из воздуха кабины и выделяющие эквивалентное количество кислорода.

Применение химических соединений для регенерации воздуха в кабинах малого объема встречает, однако, существенные трудности, одна из которых заключается в том, что скорость выделения кислорода не всегда соответствует потребности в нем живых организмов. Для поддержания равновесия между выделением кислорода и потреблением его животными потребовалось создание специальных устройств, автоматически регулирующих скорость поглощения углекислого газа и водяных паров с выделением необходимого количества кислорода. Это автоматическое регулирование процесса регенерации осуществлялось весьма простой и надежной конструкцией чувствительного элемента, реагирующего на изменение режима работы регенерационной установки в целом.

Уменьшение количества кислорода и увеличение концентрации углекислого газа воспринималось датчиком, подающим соответствующие сигналы на телеметрию и на исполнительный механизм. В случае избыточного выделения кислорода также происходило автоматическое срабатывание исполнительного механизма, в результате чего воздух поступал в кабину лишь частично обогащенный кислородом.

В кабине автоматически поддерживалось заданное давление воздуха. Специально разработанные фильтры надежно обеспечивали очистку воздуха кабины в случае загрязнения его вредными химическими примесями, выделяющимися в результате жизнедеятельности животных и при работе аппаратуры.

Данные о срабатывании чувствительных элементов и параметрах воздуха в кабине передавались по телеметрии на Землю.

Многочисленные эксперименты, проведенные в лабораторных условиях, показали, что разработанная система кондиционирования и регенерации надежно обеспечивала поддержание в заданных пределах давления, относительной влажности, а также концентрации кислорода и углекислого газа в воздухе герметической кабины.

Задача создания необходимых условий в кабине включает в себя также поддержание заданной температуры воздуха.

Совершившие полет собаки и другие животные способны переносить довольно большие колебания окружающей температуры. Однако при подготовке полета ставилась задача создания наиболее благоприятных температурных условий. Дело в том, что существенные отклонения условий от нормальных ставят животных в условия более или менее значительной дополнительной нагрузки, требующей соответствующего напряжения физиологических механизмов, регулирующих жизнедеятельность организма. Это, в свою очередь, создало бы неблагоприятный фон для перенесения основных условий космического полета - перегрузок, состояния невесомости и т. д. Поэтому была поставлена задача поддержания заданной температуры воздуха с колебаниями в весьма узких пределах.

При решении этой задачи необходимо было преодолеть ряд трудностей, большинство которых связано с непостоянством скорости выделения тепла животными и аппаратурой. В то же время, чтобы температура воздуха не выходила из заданных пределов, количество отводимого тепла в каждый период времени должно находиться в строгом соответствии с его поступлением.

Для отвода тепла из кабины корабля был применен холодильный агрегат с жидкостно-воздушным радиатором. Жидкий хладоагент поступал в радиатор из системы терморегулирования корабля. Расход хладоагента регулировался в зависимости от температуры в кабине. Такая система обеспечила устойчивое поддержание температуры воздуха в кабине в течение всего полета.

Поддержание заданного температурного режима в приборном отсеке и стабильной температуры хладоагента осуществлялось с помощью радиационного теплообменника и системы жалюзи. Тепло из герметичного приборного отсека, заполненного газом, отводилось непосредственно на радиационный теплообменник, расположенный на корпусе приборного отсека.

Питание и водоснабжение подопытных животных в длительном полете на искусственном спутнике Земли представляет некоторые трудности, связанные главным образом с условиями невесомости. При этом исключается возможность выдачи собаке воды в открытом сосуде, так как жидкость может быть легко унесена и окажется недоступной для животных. Твердая пища, предназначенная для питания в условиях невесомости, не должна крошиться и разламываться на куски.

Простым и эффектным методом преодоления перечисленных трудностей является применение вязкой, желеобразной смеси, содержащей необходимые питательные вещества в достаточном количестве и одновременно требуемое количество воды. Этот метод комбинированного питания животных был впервые использован для обеспечения биологического эксперимента на втором искусственном спутнике Земли с собакой Лайкой.

На основании расчетов и многочисленных экспериментов была разработана соответствующая рецептура комбинированной питательной смеси. Такая питательная смесь имеет студнеобразную консистенцию и обладает достаточным сцеплением со стенками кормушки.

Для выдачи подопытным животным суточных порций пищевой смеси был сконструирован автомат кормления.

Для предохранения пищевой смеси от порчи она подвёргалась стерилизации в автоклаве при температуре 115° С, что обеспечивало ее надежное консервирование.

При испытаниях системы питания животных в наземных опытах было установлено, что собаки, длительное время питающиеся комбинированной смесью из автомата кормления, не теряли в весе и не испытывали жажды. Необходимо отметить, однако, что применение комбинированного питания потребовало длительной и систематической тренировки животных по специальной программе в условиях, приближенных к условиям полета на космическом корабле.

Для мышей и крыс были разработаны специальные клетки. Вдоль их стенок располагались трубки-кормушки, в которых помещались сухие пищевые брикеты, содержащие все необходимые питательные вещества. Вода находилась в особом бачке и поступала в клетку по трубке с фитильком. Мыши и крысы были заранее приучены к такому способу приема пищи.

Катапультируемый контейнер для животных

Катапультируемый контейнер, в котором находились собаки Белка и Стрелка, является одним из вариантов контейнера, разработанного для полетов человека.

Форма контейнера выбрана с таким расчетом, чтобы после катапультирования обеспечить устойчивое положение оси контейнера относительно вектора скорости.

В контейнере были расположены следующие агрегаты и системы:

кабина для животных с лотком, автоматом кормления, ассенизационным устройством, системой вентиляции и т. д.;

катапультные и пиротехнические средства;

радиопередатчики, предназначенные для пеленгации контейнера;

телевизионная камера с системой подсвета и зеркалом;

блоки с ядерными фотоэмульсиями.

Расположение систем указано на рис. 161.

Кабина была выполнена из листового металла. Внутри нее находились лоток, предназначенный для размещения животных, автомат для кормления, ассенизационное устройство. На самом лотке располагались датчики движения и автомат для измерения давления крови животных. На верхнем днище, выполненном в виде съемной крышки кабины, размещались телевизионная камера, система подсвета и зеркало, вентилятор и блок контейнеров с микроорганизмами.

Рис. 161. Герметическая кабина животных в катапультируемом контейнере на борту корабля-спутника: 1 - баллон системы воздухоснабжения; 2 - стреляющий механизм катапультирования; 3 - блок радиопеленгаторного устройства; 4 - специальная аккумуляторная батарея для подогрева пробирок с микробами; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - блоки специальной научной аппаратуры; 7 - катапультируемый контейнер; 8 - датчик движения; 9 - герметическая кабина животного; 10 - микрофон; 11 - антенна радиопеленгаторного устройства; 12 - клапаны вдоха и выдоха; 13 - телевизионная камера; 14 - зеркало; 15 вентиляционная установка; 16 - автомат комбинированного питания

Внутри кабины крепились контейнеры для мелких биологических объектов и микрофон, позволяющий судить об уровне шума в полете.

Все системы катапультируемого контейнера (рис. 162) с кабиной животных были рассчитаны на длительное пребывание его в космическом полете.

Рис. 162. Катапультируемый контейнер с кабиной животных - вид справа

Рис. 162. Катапультируемый контейнер с кабиной животных - вид слева

Телевизионная аппаратура космического корабля

Объективные данные о физиологических функциях подопытных животных трудно в полной мере обобщить, если отсутствует возможность одновременного прямого наблюдения за животными. Телевизионная система корабля-спутника обеспечила физиологам такую возможность. Изображения, передававшиеся с борта в то время, когда корабль-спутник находился в зоне действия наземных приемных пунктов, регистрировались на кинопленку. Одновременно на этой же пленке с точностью до 1 кадра записывались метки времени, синхронные с метками времени, воспроизводимыми на телеметрических пленках. Таким образом, путем сопоставления пленок можно определить, как вело себя животное в данный момент и какие физиологические изменения сопутствовали тем или иным действиям животного.

При конструировании телевизионной аппаратуры возник ряд противоречивых требований. С одной стороны, было необходимо обеспечить высокое качество изображений, с другой - в максимальной степени уменьшить вес, габариты и, особенно, энергопотребление аппаратуры. Поставленная научная задача - передача информации о поведении животных и координации их движений - позволяла существенно снизить параметры телевизионного изображения: число строк разложения, частоту кадров и тем самым резко сузить спектр телевизионного сигнала. Принимались во внимание и технические соображения - в первом эксперименте целесообразно было работать в возможно более узком спектре частот с тем, чтобы гарантировать себя от возможных частотно-фазовых искажений, могущих возникнуть при передаче спектра в несколько мегагерц.

Выбор таких параметров обеспечил возможность создания высокоэкономичного и надежного радиоканала с большим энергетическим запасом при удовлетворительном для поставленной задачи качестве изображения.

На борту корабля размещались две малогабаритные телевизионные камеры. Одна, расположенная непосредственно на люке контейнера, через окно люка осуществляла передачу изображений Белки анфас. Вторая камера была установлена в кабине корабля и через боковое окно контейнера передавала изображения Стрелки в профиль (рис. 163).

Рис. 163. Изображение Белки на экране телевизора

Рис. 163. Изображение Стрелки на экране телевизора

Телевизионная передача началась еще до взлета корабля. Состояние животных наблюдалось на участке взлета, в момент перехода от перегрузок к невесомости и затем на всех оборотах, когда корабль-спутник имел связь с любой из наземных приемных станций (рис. 164). Включение и выключение телевизионных камер и дополнительного освещения осуществлялись по командам с Земли. При этом камеры включались по очереди. Имелась возможность переключения камер в любой момент передачи.

Рис. 164. Белка в различные моменты полета

На наземных пунктах, кроме устройств визуального наблюдения, размещались дублированные регистрирующие устройства, в которых были приняты все меры по обеспечению высоконадежной регистрации.

Полученные телевизионные фильмы имеют большой научный и познавательный интерес, не говоря уже о том впечатлении, которое ощущает зритель, получивший возможность "своими глазами" заглянуть в космос.

Велико также чисто техническое значение первого эксперимента по передаче из космоса изображений движущихся объектов. Он дал весьма ценный опыт, который поможет в дальнейшем развитии и совершенствовании систем космического телевидения.

Медико-биологические исследования

Основными задачами медико-биологического эксперимента на космическом корабле-спутнике были:

изучение особенностей жизнедеятельности различных животных и растительных организмов в условиях космического полета;

исследование биологического действия основных факторов космического полета на живые организмы (перегрузок, длительной невесомости, перехода от пониженной весомости к повышенной и наоборот);

изучение действия космической радиации на животные и растительные организмы (на состояние их жизнедеятельности и наследственность);

исследование эффективности и особенностей функционирования систем обеспечения жизнедеятельности в полете (системы регенерации, терморегулирования, питания и водоснабжения, ассенизации и др.).

Для решения указанных задач в катапультируемом o контейнере и герметической кабине корабля-спутника был размещен ряд биологических объектов.

В герметической кабине корабля-спутника размещались три клетки, в которых находились 2 белые лабораторные крысы, 15 черных и 13 белых лабораторных мышей. В катапультируемом контейнере находились: две собаки, клетка с 6 черными и 6 белыми лабораторными мышами, несколько сот насекомых (плодовая муха-дрозофила), два сосуда с растением - традесканцией, семена различных сортов лука, гороха, пшеницы, кукурузы и нигеллы, специальные сосуды с грибками актиномицетами, одноклеточная водоросль - хлорелла в жидкой и на твердой питательных средах. В 50 патронах находились запаянные ампулы с бактериальной культурой кишечной палочки (тип КК-12, В, "аэрогенес"), палочки масляно-кислого брожения со стафилококковой культурой, двумя разновидностями фага (Т-2 и 13-21), раствором дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), а также культурой эпителиальных опухолевых клеток человека (клетки Хела) и небольшими консервированными участками кожи человека и кролика.

Кроме того, в катапультируемом контейнере находились четыре автоматических биоэлемента с культурой палочки масляно-кислого брожения, при этом два биоэлемента находились в специальном термостате, а два - в неутепленном контейнере.

Эксперименту предшествовала большая подготовительная работа, включающая разработку методов исследования, контрольной и регистрирующей аппаратуры, а также проведение предварительных экспериментов, в которых исследовалось влияние отдельных факторов на состояние животных и растительных организмов, постановку необходимых фоновых и контрольных опытов.

При подготовке биологического эксперимента на космическом корабле-спутнике в качестве основного биологического объекта были использованы традиционные лабораторные животные - собаки, нормальная физиология которых хорошо изучена. Эти животные легко поддаются тренировке и устойчивы к различным физическим воздействиям. Применяемые в настоящее время методы позволяют с достаточной точностью и удобством регистрировать у собак различные физиологические показатели.

К подопытным животным предъявлялся целый комплекс требований. Размеры собак должны были обеспечить достаточную степень свободы движений в кабине; масть - качественное и контрастное наблюдение за движениями животных по телевидению. Предпочтение отдавалось так называемым "беспородным собакам", которые отличаются высокой устойчивостью к действию различных внешних условий. Важное значение придавалось типу нервной деятельности: отбирались собаки сильного, уравновешенного, подвижного типа, у которых легко вырабатывались необходимые для эксперимента условные рефлексы.

Для эксперимента были отобраны взрослые собаки в возрасте от полутора до трех лет. Животные подвергались тщательному физиологическому и клинико-ветеринарному обследованию. Для регистрации артериального давления производилась операция выведения сонной артерии в кожный лоскут на шее. Для надежной регистрации биотоков сердца под кожу были вживлены электроды, изготовленные из специального сплава.

Как известно, при полете на космическом корабле подопытные животные должны были встретиться с целым рядом необычных факторов: большие ускорения, вибрации, шум, длительное пребывание в герметической кабине, получение пищи из автоматических устройств и осуществление естественных отправлений организма в специальной одежде.

В целях подготовки к эксперименту собаки в течение продолжительного времени проходили тренировку в макете кабины корабля-спутника с системой фиксации, позволявшей животным совершать необходимый для нормальной жизнедеятельности объем движений. Время нахождения собак в фиксированном положении постепенно увеличивалось. Собаки приучались к ношению датчиков, фиксирующей одежды и ассенизационного устройства. В программу подготовки животных входила также тренировка собак на питание специально приготовленными смесями из автоматических устройств, к чему, как правило, собаки довольно легко и быстро привыкали.

В ходе подготовки было проведено большое число исследований по определению устойчивости животных к ускорениям. Каждое из отобранных животных несколько раз подвергалось воздействию ускорений на специальном стенде. Результаты опытов позволили констатировать удовлетворительную переносимость подопытными животными перегрузок с незначительными индивидуальными колебаниями физиологических параметров.

Как известно, на участке выведения корабля-спутника на орбиту организм животного подвергается воздействию вибраций, которые могут определенным образом повлиять на его состояние. Для выяснения этого вопроса были проведены эксперименты, по результатам которых можно судить об удовлетворительной переносимости животными ожидаемых в полете вибраций. Помимо этого, в отдельных сериях экспериментов проводилось исследование индивидуальной устойчивости животных к действию ударных перегрузок (имеющих место при катапультировании контейнера), пониженного барометрического давления, повышенной и пониженной температуры.

После завершения всего цикла подготовки и испытаний для участия в летном эксперименте были отобраны собаки Белка и Стрелка (рис. 165).

Рис. 165. Первые путешественницы в космос Белка и Стрелка после возвращения на Землю

Обе собаки удовлетворительно прошли предварительные отборочные испытания и тренировки и затем были поставлены в условия предполетного режима.

Для контроля за состоянием животных в полете и решения физиологических задач эксперимента был разработан специальный комплект медицинской исследовательской аппаратуры. Эта аппаратура обеспечила регистрацию физиологических функций подопытных животных в течение всего полета космического корабля. В полете регистрировались следующие физиологические показатели: артериальное давление, электрокардиограмма, тоны сердца, частота дыхания, температура тела, двигательная активность животных.

Наряду с ними фиксировались сведения о барометрическом давлении, температуре и влажности в герметической кабине, а также контрольные данные о функционировании систем обеспечения жизнедеятельности.

Учитывая, что основной целью экспериментов с животными является подготовка к полету человека в космическое пространство, большое внимание было уделено вопросам, связанным с изучением работы двигательного аппарата животных, и в частности координации произвольных движений. Для этого были использованы телевидение и специальные датчики движения.

Отснятые на Земле телевизионные фильмы позволяют судить о поведении животных в космическом полете. В сочетании с информацией, полученной от датчиков движения, они могут также дать материал для суждения о состоянии высших функций центральной нервной системы и об адаптации (приспособлении) животных к условиям невесомости. Благодаря наличию на пленках телевизионных фильмов отметок системы единого времени каждое движение животного можно связать с большой точностью с имеющимися в данный момент величинами любых физиологических функций.

В кабине с животными в непосредственной близости от собак, а также на одежде Белки и Стрелки были установлены индивидуальные дозиметры для измерения ионизирующей радиации. Возвращенные вместе с животными на Землю дозиметры дали сведения о воздействии на животных заряженных частиц, электромагнитного излучения и нейтронов, входящих в состав космического излучения.

Изучение и оценка биологического действия различных факторов, связанных с космическим полетом, и прежде всего изучение биологического действия космической радиации, представляют собой очень сложную и многогранную задачу, требующую привлечения самых различных методов исследования: физических, обще-клинических, физиологических, биохимических, микробиологических, иммунологических, генетических и др.

Большой интерес представляет исследование изменений обмена веществ. Важно выяснить, имеют ли место при этом легкие, обратимые функциональные изменения или наступают устойчивые сдвиги обмена веществ,

С этой целью был выбран комплекс биохимических показателей, которые характеризуют функции печени, эндокринной и нервной систем и которые значительно изменяются при больших нагрузках на организм, а также под влиянием ионизирующей радиации.

У собак в течение ряда месяцев до полета, а также в условиях тренировки к действию отдельных факторов полета (ускорения, вибрации) изучались следующие показатели: белковые фракции сыворотки крови, сывороточный мукоид, холинэстеразная активность крови, дезоксицитидин в моче.

Серьезной задачей являлось изучение состояния сердечно-сосудистой системы у животных, совершивших полет в космос. Перед полетом животные обследовались в течение нескольких месяцев. У них изучались артериальный и венозный тонус, сосудистая реакция в ответ на компрессию, а также кожная температура. После возвращения на Землю у собак были вновь подвергнуты тщательному изучению их сердечно-сосудистые системы, и в частности состояние периферических сосудов. Обследования собак Белки и Стрелки после возвращения на Землю не обнаружили заметных изменений.

Изучение иммунологической реактивности подопытных собак составляло следующую важную задачу. Необходимо было выяснить, не вызовет ли действие космической радиации и других факторов полета угнетения естественной невосприимчивости к микробам и вследствие этого развития инфекционных процессов. Это тем более важно, что космонавт в будущем в течение продолжительного времени будет находиться в ограниченном объеме космического корабля.

У Стрелки и Белки до и после полета были исследованы фагоцитарная и бактерицидная функция крови, а также бактерицидные свойства и естественная микрофлора кожи. Эти исследования на Земле проводились также в условиях действия на собак ускорений и вибраций.

Для всестороннего изучения различных функциональных изменений, происходящих в живом организме во время полета, желательно получить данные на возможно большем количестве животных. В этих целях, помимо собак, использовались две белые крысы и мыши.

Работа на крысах была начата за несколько месяцев до полета. С помощью условно-рефлекторной методики была исследована высшая нервная деятельность этих животных, определены типологические особенности, проведен анализ крови, снята электрокардиограмма.

Уже первые обследования после возвращения на Землю показали, что крысы, так же как и собаки, успешно перенесли полет. Во время полета они хорошо брали корм, заложенный в кормушках. Тщательный осмотр крыс не обнаружил никаких царапин или ушибов. Животные не потеряли в весе, были нормально подвижны.

Программа биологических исследований на втором корабле-спутнике предусматривала также применение микробиологических и цитологических методов исследования. Эти методы позволяют эффективно решать такие важные проблемы, как определение предельных сроков пребывания живых клеток в космическом пространстве, их рост и развитие в этих условиях. Они применимы также для изучения генетического воздействия факторов космического пространства, в частности космических излучений.

Характеристика генетического воздействия этих излучений должна быть всесторонней, поэтому, наряду с использованием животных (например, мышевидных грызунов, насекомых и т. д.), могут применяться микроорганизмы и живые клетки человеческого тела в культуре ткани. Те и другие обладают некоторым преимуществом в связи с большой скоростью размножения и соответственно быстрой сменой поколений. Кроме того, изучение изменений свойств микроорганизмов, особенно таких постоянных "спутников" человека, как кишечная палочка и стафилококки, имеет важное значение для суждения о поведении их в организме будущих космонавтов.

В современных генетических исследованиях в качестве объекта особенно большое внимание привлекают бактериофаги - сверхмикроскопические живые существа, паразитирующие на бактериях и вступающие с ними в сложные генетические отношения. Особо чувствительными индикаторами генетического воздействия радиации являются так называемые лизогенные бактерии, которые способны при облучении продуцировать бактериофагов. Известный интерес представляло также изучение воздействия на рост и развитие такого рода живых клеток ускорения, невесомости, вибраций и т. д.

В соответствии с этими соображениями на втором корабле-спутнике были размещены разнообразные микробиологические и цитологические объекты. Они были подготовлены специально для этого опыта, причем при выборе объектов руководствовались стремлением подобрать организмы, широко используемые в лабораториях всего мира с целью получить сравнимые результаты. В числе объектов находились культуры кишечной палочки КК-12, для которых исходным штаммом послужили хорошо известные микробиологам бактерии, имеющие наиболее четкую генетическую характеристику.

Это позволяет количественно определять степень генетических изменений и сопоставлять эти величины с уровнем радиации и качеством космических частиц, зарегистрированных на корабле-спутнике физическими приборами.

С помощью длительного и тщательного изучения возвращенных культур можно будет выявить степень изменения числа так называемых индуцированных мутаций, т. е. патологических по большей части изменений наследственных свойств. Кроме того, существует возможность исследовать эти культуры с целью установить влияние радиации на количество продуцируемых ими бактериофагов.

Разновидности кишечных палочек В и "аэрогенес", использованные в опыте, также являются объектами для изучения частоты мутаций.

Для исследования генетических изменений у мельчайших живых существ - бактериофагов был использован штамм Т-2.

Кроме Т-2, был использован штамм бактериофага 13-21, специфически действующий на кишечную палочку типа "аэрогенес". Он намечался для исследования изменений характера лизиса (растворения бактерий, которое наступает в присутствии бактериофага).

Этот процесс для системы фаг 13-21 - кишечная палочка "аэрогенес" был заранее документирован путем цейтраферной микрокиносъемки и электронной микроскопии.

В отношении всех указанных организмов была предварительно получена детальная структурно-физиологическая характеристика с помощью новейших методов. В частности, кишечные палочки и стафилококки, которые также экспонировались на корабле-спутнике, исследовались под электронным микроскопом частично с помощью техники ультратонких срезов.

Что касается использованных в опыте микробов масляно-кислого брожения, то они предназначались только для разработки методов автоматической регистрации жизнедеятельности микроорганизмов. Создание таких методов обеспечивает возможность определения длительности выживания клеток на долголетающих и не возвращающихся спутниках и ракетах. Испытание палочки масляно-кислого брожения в этом отношении полностью себя оправдало.

На этой основе были созданы и апробированы методы и специальные приборы - биоэлементы, которые позволяют регистрировать и передавать на Землю сигналы, характеризующие жизнеспособность и физиологические отправления мельчайших живых существ - бактерий на протяжении любого срока полета ракет.

Биоэлементы после любой экспозиции в полете могут быть приведены в действие по сигналам с Земли или от программного устройства на борту.

На втором корабле-спутнике была сделана также попытка использовать для генетической характеристики космического пространства живые клетки в культуре тканей. Известно, что наследственность у таких клеток под влиянием излучений изменяется в сотни раз легче, чем у микробов. Однако сохранить их жизнедеятельность на протяжении длительных сроков без пересевов на новые питательные среды очень трудно. Для осуществления такой попытки нужно было выбрать хорошо растущие клетки и подходящие питательные среды для них. Учитывая эти соображения, на корабле-спутнике использовались раковые клетки, условно называемые клетками Хела. Эти клетки хорошо растут на искусственных средах и широко применяются для изучения генетических проблем и исследования природы раковой болезни. Для культивирования таких клеток был использован метод, позволяющий получать колонии (скопления) клеток на стенке стеклянных пробирок, в которых осуществляется выращивание.

В предварительных опытах было установлено, что колонии раковых клеток прикрепляются к стенкам стеклянных пробирок и ампул так прочно, что выдерживают вибрации, значительно превышающие те, которые имеют место при запуске современных ракет. Это создает возможность при обработке материала дать морфолого-биологическую характеристику культур, часть цикла развития которых прошла в специально устроенном маленьком термостате на борту корабля-спутника.

На борту корабля-спутника экспонировались также небольшие участки кожи человека и кролика с целью выяснения возможного влияния факторов космического пространства на особо чувствительные клеточные системы.

В наше время биологические, и в том числе генетические, исследования осуществляются в тесной связи с физико-химическими изысканиями. В частности, в последние десятилетия было показано, что химические вещества могут участвовать в передаче наследственных признаков от одной разновидности к другой. Таким химическим веществом является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), входящая в состав ядер клеток животных, растений и микробов. Весьма вероятно, что это соединение в первую очередь будет реагировать на генетические воздействия космической радиации. Учитывая это, на корабле-спутнике были помещены ампулы с дезоксирибонуклеиновой кислотой, полученной из зобной железы теленка, причем часть ампул была наполнена кислородом.

Таким образом, на борту корабля-спутника был осуществлен ряд целеустремленных экспериментов на животных клетках, микроорганизмах, бактериофагах и сложных органических молекулах с целью сделать все возможное для решения вопроса о жизнеспособности клеток и радиогенетической безопасности в космическом пространстве.

Помимо задач выяснения действия факторов космического полета, в первую очередь космической радиации, на физиологию организмов, было положено начало исследованиям по изучению влияния этих факторов на наследственность, а также решению вопроса о генетической опасности космических полетов.

Многочисленными исследованиями советских и зарубежных ученых установлено, что такие виды ионизирующей радиации, как рентгеновские лучи, гамма-лучи, быстрые нейтроны и некоторые другие, представляют собой мощный источник наследственных изменений у всех организмов, в том числе и у человека.

Опыты с облучением тканей человека рентгеновскими лучами показали, что доза в 10 рентген удваивает частоту возникновения мутаций. Выяснено, что разные виды ионизирующей радиации обладают различной биологической эффективностью. Например, быстрые нейтроны вызывают в полтора - два раза больше мутаций, чем рентгеновские или гамма-лучи. Генетический эффект первичной космической радиации до сих пор не было возможности изучить. Полет второго космического корабля-спутника предоставил, наконец, возможность подобного исследования.

Хотя подавляющее число мутаций вредно, некоторые из них в определенных условиях среды могут быть полезными для вида. Такие полезные мутации играют важную роль в эволюции органического мира и в создании новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов и сортов культурных растений. Радиоселекция микроорганизмов и растений в последние годы становится одним из разделов работы селекционеров. Поэтому, наряду с выяснением генетической опасности космического излучения, необходимо выяснить и возможности использования его для целей радиоселекции.

На корабле-спутнике находились следующие виды организмов, намеченные для первоочередных генетических исследований: мыши двух различных линий, плодовые мушки-дрозофилы также двух различных линий, два растения традесканции, семена пшеницы сорта 186, семена трех сортов гороха, отличающихся по радиоустойчивости, двух сортов кукурузы - "немчиновская" и "подмосковная", лука-батуна и нигеллы, грибки-актиномицеты - продуценты антибиотиков.

Чем объясняется выбор именно этих объектов для первых генетических исследований, связанных с космическими полетами?

Мыши и дрозофилы в силу ряда биологических особенностей - быстроты размножения и смены поколений, легкости их разведения, а также вследствие огромного разнообразия их признаков, наследование которых хорошо изучено, очень удобны для генетических исследований. Побывавшие в космосе мыши должны быть подвергнуты детальному цитологическому анализу в целях выяснения тех изменений, которые могли произойти в летках различных тканей под влиянием космических лучей. В первую очередь следует подробно изучить состояние хромосомного аппарата кроветворных органов.

Как было указано выше, в полете участвовали дрозофилы двух линий. Одна из них - линия Д-32 - отличается очень низкой мутабильностью (изменчивостью) в естественных условиях, другая - линия Д-18 - наоборот, очень высокой естественной мутабильностью.

Растение традесканция - классический объект цитологических исследований, так как оно имеет небольшое число хорошо различающихся между собой хромосом. В кабине для животных были специально установлены растения с бутонами, поскольку хромосомные перестройки у традесканции всего легче наблюдать в делящихся при образовании пыльцы клетках.

Сухие семена культурных растений - пшеницы, кукурузы, гороха - использовались для того, чтобы узнать, вызывает ли и какие именно изменения (мутации) космическая радиация у различных видов и сортов растений.

Что же касается лука и нигеллы, то они используются в основном для цитологических исследований.

Ионизирующая радиация широко применяется для получения новых, более продуктивных штаммов актиномицетов, дающих такие ценные антибиотики, как пенициллин, стрептомицин и др. На космическом корабле были размещены два штамма грибков - продуцентов пенициллина, сильно отличающиеся по радиочувствительности. Исследование результатов облучения их в космосе позволит решить вопрос о биологической эффективности космической радиации в отношении данного, очень важного объекта.

Следует указать, что каждый из перечисленных генетических опытов сопровождался строгими контрольными опытами с теми же объектами, находящимися в обычных для них условиях. Это обеспечило объективную оценку результатов генетических исследований.

Познание законов наследственности и управление ими - одна из важнейших задач современного естествознания. Выход человека в космос знаменует начало новой главы в развитии генетики, главы, посвященной познанию закономерностей влияния факторов космических полетов на наследственность и эволюцию, разработке методов защиты от вредных влияний этих факторов и использования их положительных эффектов. Генетические исследования на втором корабле-спутнике - лишь первые шаги в этом направлении.

В плане длительных полетов будущего остро встает проблема регенерации воздуха герметических кабин и обеспечения экипажа корабля пищей. Уже простые расчеты показывают, что использование для этих целей химических реагентов и запасов пищи, взятых с Земли, привело бы к очень большому начальному весу корабля, так как в этом случае взятые с Земли реагенты и пища, по мере их использования в пути, не будут воссоздаваться вновь. Вместе с тем в масштабах всей нашей планеты эти процессы - поглощение углекислоты, выделение кислорода и синтез сложных органических веществ из полностью окисленных - осуществляются в листьях зеленых растений в результате фотосинтеза.

Поэтому возникло предположение о необходимости создания на космических кораблях для целей регенерации воздуха и получения пищи так называемых оранжерей зеленых растений, которые, поглощая выделяемую живым организмом углекислоту, воссоздавали бы пищу и выделяли кислород. Наиболее пригодными для этих целей оказались микроскопические зеленые водоросли, которые очень быстро развиваются, отличаются большой активностью фотосинтеза и рядом других ценных качеств.

Эти соображения определили необходимость изучения влияния условий космического полета на сохранение жизнедеятельности зеленых водорослей. Находившаяся на борту корабля хлорелла была помещена в специальных ампулах в различном физиологическом состоянии: на косом агаре и в жидкой питательной среде при различной плотности суспензий. При этом водоросли находились как на свету, так и в темноте.

Научные исследовании на космическом корабле

При изучении космических лучей весьма существенным является вопрос о количественном соотношении различных групп ядер в первичном космическом излучении. В настоящее время отсутствуют точные данные об отношении потока ядер группы углерода, азота, кислорода к потоку ядер группы лития, бериллия, бора (наиболее интересных с точки зрения происхождения космических лучей). Вследствие этого не представляется возможным сделать окончательный вывод об определенном механизме генерации ядер и процессе движения ускоренных частиц в межзвездном пространстве. Чтобы получить новые сведения в этой области, необходимо знать величину отношения потоков вышеуказанных групп ядер с большой точностью.

На втором космическом корабле была размещена аппаратура, с помощью которой возможно получить данные о составе космических лучей в интервале ядер от гелия до кислорода. Для этой цели использовались черенковские счетчики, управляемые телескопическим устройством из галогенных газоразрядных счетчиков.

При прохождении частиц космического излучения через прибор в заданном телесном угле срабатывала схема совпадений, импульс в которой открывал канал фотоумножителя. С коллектора фотоумножителя снимался сигнал, возникавший при пролете через него ядра. Амплитуда импульса на выходе черенковского счетчика пропорциональна квадрату заряда ядра. С помощью специального устройства сигналы различных амплитуд преобразовывались в сигналы соответствующей длительности, на которые накладывались импульсы от стандарт-генератора. Число импульсов, заполнявших каждый сигнал, подсчитывалось счетной схемой и передавалось на телеметрическую систему.

Параллельно с измерениями указанных групп ядер проводились измерения потоков более тяжелых ядер. Интегральным черенковским счетчиком измерялись потоки ядер с зарядом больше пяти, пятнадцати и тридцати.

Полет второго космического корабля и возвращение его на Землю позволили получить в космическом пространстве фотографии тех процессов, которые происходят в микромире. Для этой цели использовались так называемые ядерные фотоэмульсии. Пролетая сквозь эти эмульсии, частицы космических лучей испытывают столкновения с ядрами атомов. В результате соударения не только разрушаются атомные ядра, но и рождаются новые частицы. Возникшие частицы также испытывают ряд превращений. В эмульсии происходят новые акты взаимодействия частиц, созданных в результате первого столкновения, с атомными ядрами вещества.

С помощью ядерных фотоэмульсий можно получить достаточно подробные фотографии этих явлений. Рассматривая фотоэмульсии в микроскоп, можно восстановить картину процессов, протекавших в течение миллиардных долей секунды.

Известно, что построенные на Земле гигантские ускорители дают возможность получать частицы, обладающие энергией ниже определенного предела. В космических лучах встречаются частицы, обладающие в миллионы раз большей энергией. Подъем ядерных фотоэмульсий в космическое пространство позволит эффективно использовать этот существующий в природе огромный ускоритель.

На втором космическом корабле было размещено несколько блоков из толстослойных ядерных фотоэмульсий, при этом в одном из них предусматривалось непосредственное проявление фотоэмульсий на борту корабля. Проявление фотоэмульсий на борту корабля после заданного времени экспозиции (порядка 10 часов) позволяет более надежно выделить следы отдельных ядер на общем фоне космического излучения.

Автономное программное устройство фотоэмульсионного блока по истечении заданного времени подает команду, по которой находящийся внутри цилиндра поршень раздвигает проэкспонированные слои и одновременно впускает в рабочий объем проявляющий раствор. Проявление продолжается 90 минут, после чего проявитель удаляется возвратным движением поршня. Затем следует команда на вторичное раздвижение слоев и поступление консервирующего раствора. В консервирующем растворе слои могут храниться несколько месяцев, вплоть до начала окончательной обработки фотослоев. При обработке могут быть изучены следы от релятивистских ядер первичного космического излучения и получены сведения о количественном соотношении потоков различных групп ядер.

Кроме описанного фотоэмульсионного блока, на борту космического корабля были установлены еще три блока, заполненные толстослойной ядерной фотоэмульсией, не проявляемой в полете.

Блок ФЭ-2, предназначенный для регистрации элементарных процессов ядерного взаимодействия частиц высокой энергии (в области 10¹²эв и выше), содержал эмульсионную стопку, составленную из многих слоев ядерной фотоэмульсии размером 10 х 10 см. Толщина каждого слоя составляла 400 μ. Между эмульсионными слоями размещались тонкие, порядка 1 млн., "мишени" из легкого вещества.

Наличие в ядерной эмульсии атомов серебра и брома и помещенные "мишени" дают возможность регистрировать случаи взаимодействия нуклонов высокой энергии как с тяжелыми ядрами эмульсии, так и с легкими ядрами "мишеней".

Генерируемые в актах ядерного взаимодействия частиц высокой энергии нейтральные π-мезоны дают начало фотонным ливням, для регистрации которых в блоке ФЭ-2 был установлен специальный детектор, располагавшийся под эмульсионной стопкой. Этот детектор состоял из семи свинцовых пластин толщиной 5 млн. каждая (что соответствует одной лавинной единице длины). Между свинцовыми пластинами помещались ядерная эмульсия и люминесцентные индикаторы ливней, облегчающие обнаружение конкретных актов взаимодействия.

Анализ случаев электронно-фотонных ливней, зарегистрированных в ядерной эмульсии, дает некоторую количественную характеристику их, в том числе и энергию, передаваемую при взаимодействиях π-мезонам. Знание этой энергии, а также анализ соответствующих событий, зарегистрированных в эмульсионной стопке, дает возможность определить отдельные параметры данного ядерного взаимодействия.

Сопоставление полученных количественных характеристик для актов взаимодействия частиц первичного космического излучения с легкими и тяжелыми ядрами позволит выяснить специфику и дать некоторое заключение о механизме этого взаимодействия.

Особый интерес представляет выяснение характера взаимодействия многозарядных частиц высокой энергии, исследование которого не представляется возможным в наземных условиях. Для исследования многозарядных частиц в составе первичного космического излучения на борту были установлены фотоэмульсионные блоки Ф-1 и Ф-2. Блоки Ф-1 и Ф-2 представляли собой эмульсионные стопки объемом 0,8 л каждый.

Одна из микрофотографий типичного ядерного взаимодействия, зарегистрированного в эмульсии, находившейся на борту космического корабля-спутника, показана на рис. 166.

Рис. 166. Микрофотография типичного ядерного взаимодействия, зарегистрированного в эмульсии, находившейся на борту космического корабля-спутника

Наличие в межпланетном пространстве космических лучей и радиационных поясов Земли в ряде случаев может представить реальную опасность для путешественников в межпланетное пространство.

За последнее время экспериментально доказано, что иногда возникает временное увеличение интенсивности космических лучей, связанное, вероятнее всего, с проявлением солнечной активности. Установлено, что в момент вспышек космического излучения интенсивность его возрастает в тысячи раз.

Каких-либо закономерностей о времени вспышек космического излучения установить пока не удается. Однако защита от солнечных вспышек космического излучения представляется вполне реальной.

Как известно, вблизи Земли существуют радиационные пояса, представляющие собой зоны высокоинтенсивного излучения, состоящего из заряженных частиц, пойманных в ловушку, созданную земным магнитным полем.

Исследованиями, проведенными на искусственных спутниках и космических ракетах, установлено, что вокруг Земли имеются две зоны излучений высокой интенсивности. Внешняя зона радиации по составу излучения состоит из электронов широкого энергетического спектра. Поток электронов по всем направлениям составляет 10⁸-10¹⁰ частиц на 1 см² /сек.

Такой поток электронов может создать поверхностную дозу около 10⁶ рентген в час. Однако электроны внешней зоны радиации легко поглощаются, и уже под защитой 1 г легкого вещества на 1 см² поверхности доза радиации в этой зоне будет составлять всего лишь десятки рентген в час.

Экспериментами, проведенными на космических ракетах, установлено, что граница и максимум интенсивности радиации во внешней зоне меняются во времени. Это создает дополнительные трудности в учете влияния радиации при космических полетах. Поэтому одной из важных задач является продолжительное наблюдение за границей внешней зоны и ее радиационной активностью, особенно в области высоких геомагнитных широт.

Частицы, входящие в состав внутренней зоны, - преимущественно протоны с энергией до 10⁸эв. Наблюдаются также электроны, энергия которых не превышает 10⁶эв. Излучение во внутренней зоне более жесткое, чем во внешней. Доза радиации под защитой 1 г легкого вещества на 1 см² поверхности составляет здесь около 10 рентген в час и весьма медленно убывает с увеличением защиты.

Защита от радиации в этой зоне требует применения большого количества вещества. Продолжительные полеты во внутренней зоне без специальной защиты связаны со значительной радиационной опасностью.

Таким образом, нестабильность границ радиационных поясов и случайные увеличения активности космической радиации делают весьма актуальным контроль уровня космической радиации и детальное изучение нижних границ радиационных поясов.

Для решения указанных задач на борту космического корабля была установлена дозиметрическая аппаратура (радиометр). В состав радиометра включены два газоразрядных и два сцинтилляционных счетчика. Один из газоразрядных счетчиков помещен под дополнительным поглотителем (экраном), состоящим из латуни и железа. Сцинтилляционный счетчик с фотоумножителем и кристаллом йодистого натрия размещался в одном блоке с газоразрядными счетчиками. Другой сцинтилляционный счетчик с фотоумножителем и кристаллом йодистого цезия толщиной 2 млн. был расположен снаружи. Для того чтобы на счетчик не действовал видимый свет, кристалл йодистого цезия был покрыт алюминиевой фольгой толщиной 7 μ.

Газоразрядные счетчики, а также сцинтилляционный счетчик с кристаллом йодистого натрия дают информацию о числе частиц, прошедших через них. В то же самое время сцинтилляционные счетчики позволяют судить о суммарной ионизации, вызываемой прошедшими частицами.

Полученная информация о числе прошедших частиц и суммарной ионизации, вызванной этими частицами в кристаллах, даст количественные сведения об уровне (дозе) космической радиации.

Исследование коротковолнового излучения представляет значительный научный и практический интерес. В этой области спектра сосредоточено основное излучение солнечной короны и хромосферы - очень мало изученных внешних оболочек Солнца.

Это излучение вызывает некоторые важные процессы, происходящие в земной атмосфере, в частности образование ионосферы.

На борту космического корабля были установлены два типа аппаратуры для изучения коротковолнового излучения Солнца.

В аппаратуре первого типа приемником коротковолновой радиации являлся электронный умножитель открытого типа с электродами из активированной бериллиевой бронзы. Перед входом электронного умножителя был установлен диск с набором различных фильтров для выделения соответствующих областей коротковолнового спектра излучения Солнца. С помощью механизма реле-искателя через каждую секунду диск делал поворот на небольшой угол, устанавливая перед электронным умножителем новый фильтр. В аппаратуре применялись следующие фильтры:

медная фольга толщиной 0,15 млн. для выделения области спектра от 1,4 до 3 Å;

бериллиевая фольга толщиной 0,06 млн. для выделения области спектра короче 12 Å;

алюминиевая фольга толщиной 0,005 млн. для выделения области спектра от 8 до 20 Å;

пленка из полистирола с нанесенным на нее тонким слоем углерода для выделения области спектра от 44 до 100 Å;

пластинка из фтористого лития толщиной 0,5 млн. для выделения линии Lα с длиной волны 1216 Å;

пластинка из фтористого кальция толщиной 0,5 млн., которая значительно ослабляет проходящее через нее излучение с длиной волны 1216 Å и позволяет оценить фон в районе линии Lα и тем самым более точно измерить интенсивность излучения этой линии;

пластинка из кварца толщиной 0,5 млн. - для выделения излучения с длиной волны больше 1500 Å.

Последний фильтр предназначался главным образом для того, чтобы учесть изменение угла падения излучения на фильтр и приемник, связанное с вращением спутника в неориентированном режиме. Аппаратура имела шесть приемников, установленных в различных местах космического корабля таким образом, что поля зрения их не перекрывались. Это давало возможность увеличить вероятность попадания солнечного излучения на приемники при любой ориентации космического корабля в пространстве. Чувствительность приемников была ограничена в длинноволновой области спектра, для того чтобы уменьшить фон от длинноволнового излучения Солнца. Сигналы от приемников поступали в радиотехническую схему, на выходе которой возникало напряжение, пропорциональное интенсивности излучения, падающего на фотокатод. Результаты измерений передавались на Землю телеметрической системой.

В состав аппаратуры входил блок управления, который обеспечивал включение соответствующего приемника, механизма переброса фильтров и других цепей только в то время, когда они были освещены Солнцем. Кроме того, имелись оптические датчики для определения угла падения излучения на фильтры.

Аппаратура второго типа предназначалась для измерения интенсивности мягкого рентгеновского излучения короны вблизи края спектра, преимущественно во время вспышек. В этой аппаратуре были использованы наиболее чувствительные для изучаемой области спектра приемники радиации - счетчики фотонов, представляющие собой самогасящиеся счетчики Гейгера с входными окнами из бериллиевой фольги, служащей фильтром. Измерения производились в двух спектральных областях - 10÷6 Å и 6÷3 Å. Каждой из этих областей спектра соответствовали шесть счетчиков, которые были сгруппированы в три блока, содержащие по два расположенных под прямым углом друг к другу счетчика для первой и по два счетчика для второй области спектра.

При попадании в счетчик фотона в газе, заполняющем счетчик, возникал кратковременный электрический разряд. Получающиеся импульсы тока поступали в радиоблок. В радиоблоке сигнал усиливался и поступал в пересчетную схему, состоящую из триггерных ячеек. Эта схема подсчитывала число импульсов, прошедших за время экспозиции. Соответствующее число в двоичной системе счисления записывалось на автономное запоминающее устройство, которое хранило все записанные в течение 24 часов числа до момента передачи их на Землю по телеметрической системе. Время экспозиции составляло 180 сек., что обеспечивало регистрацию рентгеновского излучения Солнца с достаточным разрешением по времени.

Для предохранения входных окон счетчиков от рентгеновского излучения, возникающего при бомбардировке этих окон (а также окружающих их частей аппаратуры) быстрыми электронами, имеющимися в радиационных поясах Земли, была предусмотрена система магнитов и диафрагм, расположенных перед каждым счетчиком. Магниты отклоняли в сторону все электроны с энергией, не превышающей 15-25 тыс. эв. Для учета фона, вызываемого электронами больших энергий, на внешней оболочке был расположен сцинтилляционный счетчик электронов.

Получаемые с помощью описанной аппаратуры сведения об изменениях солнечной активности в коротковолновой области спектра сопоставлялись с данными земных наблюдений за ионосферой, видимыми хромосферными вспышками и другими явлениями, связанными с деятельностью Солнца для выявления корреляции между процессами, протекающими во внешних оболочках Солнца и в земной атмосфере.

Дальнейшие запуски кораблей-спутников в Советском Союзе

После успешного полета второго советского корабля-спутника в Советском Союзе в соответствии с планом работ по исследованию космического пространства был осуществлен запуск еще трех космических кораблей с выведением их на орбиту искусственных спутников Земли. Основной задачей этих запусков являлась дальнейшая отработка конструкции корабля-спутника и основных его бортовых систем, обеспечивающих полет и спуск корабля, с целью подготовки космического полета человека.

Запуск третьего советского корабля-спутника был произведен 1 декабря 1960 г. Вес его без последней ступени ракеты-носителя был равен 4563 кг. Высота перигея орбиты составляла 187,3 км, высота апогея - 265 км, период обращения - 88,6 мин.

С целью проведения медико-биологических исследований в условиях космического полета в кабине корабля находились подопытные животные - собаки Пчелка и Мушка, а также другие животные, насекомые и растения. Наблюдения за подопытными животными в полете производились при помощи радиотелевизионной аппаратуры и телеметрических систем. Установленный на корабле-спутнике радиопередатчик "Сигнал" работал на частоте 19,995 Мгц в телеграфном режиме.

К 12 часам по московскому времени 2 декабря 1960 г. корабль-спутник продолжал свое движение по орбите.

К этому времени были полностью выполнены намеченные программой испытания конструкции корабля и его бортового оборудования, а также медико-биологические исследования. Были получены дополнительные данные о надежности конструкции и функционировании отдельных агрегатов и систем корабля в полете.

Результаты обработки телеметрической и телевизионной информации, полученной с корабля-спутника, показали, что собаки, как и во время предыдущего полета, легко перенесли период выведения на орбиту. Основные физиологические показатели, характеризующие состояние подопытных животных, при многочасовом пребывании их в условиях невесомости были близки к обычным значениям. Поведение животных было спокойным, а их движения - координированными.

По получении необходимых данных была подана команда на спуск корабля-спутника на Землю. В связи с тем, что снижение происходило по нерасчетной траектории, корабль-спутник прекратил свое существование при входе в плотные слои атмосферы.

Запуск четвертого корабля-спутника был осуществлен 9 марта 1961 г. Вес его был равен 4700 кг. Корабль был выведен на орбиту с высотой пержгея 183,5 км и высотой апогея 248,8 км. Наклонение орбиты к плоскости экватора составляло 64°56'.

На корабле-спутнике была установлена кабина с подопытным животным - собакой Чернушкой и другими объектами биологического эксперимента.

Вся бортовая аппаратура корабля работала хорошо и обеспечила выполнение заданной программы полета. Отделение корабля от последней ступени ракеты-носителя, включение системы ориентации, включение автоматики на участке спуска производились точно в установленное время. Система терморегулирования обеспечила поддержание стабильной температуры внутри корабля - в пределах +(16-20)°С. Влажность воздуха в кабине составляла 37-40%, а давление 760-770 млн. рт. ст. Чернушка чувствовала себя нормально в течение всего полета. Непосредственно после выведения на орбиту ее пульс составлял 120, а частота дыхания 50-60.

После выполнения намеченной программы исследований в тот же день было произведено приземление корабля-спутника в заданном районе.

25 марта 1961 г. был выведен на орбиту пятый советский корабль-спутник. Вес корабля составлял 4695 кг без учета веса последней ступени ракеты-носителя. Параметры орбиты были близки к расчетным: высота перигея 178,1 км, высота апогея 247 км, период обращения 88,42 мин.

На корабле-спутнике была размещена кабина, в которой находилась собака Звездочка и другие биологические объекты. Вся бортовая аппаратура корабля работала в полете нормально. После выполнения программы полета корабль-спутник в тот же день совершил по команде спуск с орбиты и приземлился в заданном районе Советского Союза.

При пусках кораблей-спутников 9 и 25 марта 1961 г. в кресле пилота находился манекен. Полеты осуществлялись по той же программе, по которой намечался первый полет корабля с космонавтом на борту. Оба полета, прошедшие в точном соответствии с намеченной программой, подтвердили высокую надежность корабля и позволили перейти к осуществлению первого космического полета человека на корабле-спутнике "Восток".