«Стихия». Имя прилагательное от этого слова обычно связано с существительным «бедствие». Стихийные бедствия – природные явления, с которыми человеку не удаётся справиться. Правда, бывают и вроде бы не опасные стихийные явления. И даже красивые. Жители высоких широт довольно часто могут наблюдать фантастические зрелища – полярные сияния. Однако это только видимая часть стихии. А с остальной частью – много неприятностей.

Проблемы, рождённые вспышками на Солнце

На Солнце регулярно появляются тёмные пятна, в которых накапливается энергия магнитного поля. В какой-то момент происходит выброс солнечной плазмы. Если взглянуть на график изменения количества солнечных пятен с 1938 года (со времени рождения автора статьи), то на нём хорошо просматриваются закономерности: максимумы количества пятен приходились на 38-й, 48-й, 57-й годы. И так далее, в таком же порядке.

Время возмущение Солнца и вероятность возникновения магнитной бури научились предсказывать за несколько дней. Основной удар приходится на полярные широты, но и остальным достаётся: обостряются сердечно-сосудистые и другие недуги.

Угрозу представляет не столько рентгеновская вспышка, а и поток частиц, в основном, протонов. Существует гипотеза, что перед сильным землетрясением над эпицентром за день или два концентрация электронов в ионосфере возрастает. А для того, чтобы обвинять магнитные бури в авариях и других бедах, научных исследований пока недостаточно.

Известно, что явления, которые протекают в околоземном космическом пространстве, могут повлиять на работу электроники, качество теле- и радио- передач, систем управления ракетами и спутниками.

Например, 9 ноября 2011 года запустили космическую межпланетную станцию «Фобос-грунт». Аппарат успешно вышел на низкую орбиту Земли, откуда должен был направиться к Марсу, но связь с ним прервалась. Безуспешно пытались передать команды модулю. По официальной версии, из-за мощного космического излучения вышел из строя бортовой компьютер космической станции. Есть предложения отказаться от водителей, заменить их роботами, а ведь нарушения в ионосфере могут привести и к трагедии.

Поэтому очень важно знать о надвигающемся стихийном явлении и его отрицательном воздействии. А для точного прогноза необходимо зондирование. В том числе и полярных сияний.

Процессы, которые сопровождают эти грандиозные явления, воздействуют на верхнюю атмосферу сильнее всего в полярных областях, но затрагивают также средние и низкие широты. Поэтому здесь важно проведение одновременных измерений в различных точках земного шара.

В ноябре 1965 года учёные СССР на совещании представителей стран Совета Экономической Взаимопомощи предложили совместно изучать полярные сияния с помощью советских спутников и геофизических ракет.

14 октября 1969 года к трём космическом кораблям «Союз» в просторах Вселенной присоединился «Интеркосмос-1» – спутник с аппаратурой, разработанной и изготовленной в Чехословакии, Болгарии, Венгрии, Германской Демократической Республике, Польше, Румынии и СССР.

Изучение полярных сияний оказалось важнейшим этапом в освоении околоземного космического пространства. В этом грандиозном геофизическом явлении можно наглядно наблюдать поведение плазмы в магнитном поле в таких масштабах, которые невозможны в лабораторных условиях.

Было установлено, что полярное сияние связано с магнитными бурями, сопровождается громадным выделением энергии, разогревом и вздутием верхних слоёв атмосферы. При этом разрушается нормальная структура ионосферы. Однако, исследования с помощью спутников и ракет всё же не были достаточно эффективны. Аппараты слишком быстро проскакивали через зону сияния; поперечник светящихся образований иногда не превышает сотни метров, и область исследований часто оказывалась вне орбиты спутника.

И тогда родилась идея создать искусственное полярное сияние.

Технологический прорыв в Космос

О первой в мире космической технологии – сварке мы уже рассказывали. Вспомним. В Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством академика Бориса Евгеньевича Патона была разработана универсальная установка «Вулкан», на которой 16 октября 1969 г. космонавты В.Н. Кубасов и Г.С. Шонин на борту космического корабля «Союз-6» впервые в мире осуществили сварку и резку металлов в условиях космоса.

Тогда исследования показали, что наилучшим источником нагрева для сварки, пайки, напыления, расплавления и резки металлов является электронный луч. В этом направлении и продолжали работать учёные, конструктора, инженеры ИЭС им. Е.О. Патона, НИИ Машиностроения.

С новыми аппаратами на космических кораблях и станциях проводились уникальные эксперименты. В исследованиях участвовали космонавты Польши, Венгрии. Болгарии, ГДР, Индии, Монголии, Вьетнама.

Поработать в космосе попросились и американские астронавты. Корабли «Союз-19» и «Аполлон» состыковались 17 июля 1975 г. в 19 часов 12 минут. В ходе совместного полёта кроме основной программы космонавты Алексей Архипович Леонов и Валерий Николаевич Кубасов познакомили астронавтов Томаса Стаффорда, Вэнса Бранда и Дональда Слейтона с технологическими экспериментами.

За 46 часов 36 минут полёта в состыкованном состоянии  было проведено несколько научных и технических экспериментов. В их числе:

1) искусственное солнечное затмение – изучение с «Союза» солнечной короны при затмении Солнца «Аполлоном»;
2) изучение влияния невесомости на некоторые кристаллохимические и металлургические процессы в полупроводниковых и металлических материалах в универсальной печи.

Неожиданно в этот исторический ход развития космических технологий врываются «посторонние» задачи.

Успехи ИЭС им. Е.О. Патона в разработке космических технологий послужили основой для проведения в дальнейшем фундаментальных исследований по другим научным направлениям. Разработанная впервые в мире для целей сварки малогабаритная, надёжно работающая в космосе электронно-лучевая аппаратура оказалась необходимой для исследования магнитосферы Земли и околоземной плазмы путём инжекции электронных пучков.

Долгосрочная программа геофизических экспериментов в космосе была разработана Институтом космических исследований и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, а аппаратура для исследований была создана в ИЭС им. Е.О. Патона.

В СССР было проведено два космических эксперимента – «Зарница-1» (май 1973 г.) и «Зарница-2» (июнь 1975 г.), которые позволили проверить некоторые модели строения земной магнитосферы и поведения в ней частиц, полей и плазмы.

Анализ результатов, полученных в ходе эксперимента «Зарница-1», позволил приступить к планированию и осуществлению небывалого эксперимента – возбудить полярное сияние, проверить гипотезу о роли электронов в возбуждении полярного сияния.

Для проверки этой гипотезы нужно было запустить на магнитную силовую линию Земли пучок электронов. Такие линии проходят от одного магнитного полюса к другому. Исходной точкой эксперимента Международная комиссия выбрала остров Кергелен вблизи Антарктиды. Отсюда в ионосферу должен запускаться источник электронов. Сопряжённая точка, находится на севере СССР. Здесь, над небом Костромской и Вологодской областей и должно обнаружиться полярное сияние.

Однако эксперимент срывался. Проверка гипотезы натолкнулась на организационно-технические трудности. Остров Кергелен принадлежал Франции. И Франция хотела, чтобы аппаратура была запущена французской ракетой. Это желание быть полноправным участником исторического эксперимента было понятно.

Был разработан проект советско-французского эксперимента «Аракс - Аraks». Но на острове нет стационарных пусковых установок, а ракеты «легкого класса» не могут поднять технологические источники питания, аппаратуру управления и электронно-лучевую пушку. Их масса превышает полезную грузоподъемность французской ракеты «Эридан».

АRАКS – УПРАВЛЯЕМЫЙ ИЛИ ЗАГАДОЧНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ?

В Институте электросварки им. Е.О. Патона ещё продолжали технологические исследования и совершенствование электронно-лучевой пушки, когда к Б.Е. Патону обратились Председатель Совета «Интеркосмос» директор Института космических исследований Академии наук СССР академик Борис Николаевич Петров с просьбой принять участие в геофизических исследованиях Земли.

Для инжекции электронного луча в ионо- и магнитосферу и возбуждения северного сияния впервые в мире в ИЭС им. Е.О. Патона был создан гораздо более мощный инжектор электронов (30 кВт при ускоряющем напряжении 15 кВ) и соответствующая ему аппаратура электропитания, управления и телеметрии.

Эксперименты готовили специалисты ИЭС им. Е.О. Патона, Института космических исследований АН СССР и французские ученые: Б.Е. Патон, Ю.Н. Ланкин, О.К. Назаренко, Ф. Камбу, Ж. Лаверньо, В.В. Мигулин, А.И. Морозов, Р. Пелла, А.Х. Писицы, А. Рем, Р.З. Сагдеев, В.Р. Шелдон, И.А. Жулин и другие.

26 января и 15 февраля 1975 г. с острова Кергелен (70° 2' вост. долготы и 49° 35' южн. широты) были запущены две ракеты «Эридан». (Группой наладки и управления от ИЭС руководил Ю.Н. Ланкин).

Последняя ступень каждой ракеты включала две взаимодействующие друг с другом экспериментальные системы: электронно-лучевую пушку, устройства непрямого изменения потенциала, детекторы потока частиц и отделяемый конус. На этом конусе были размещены антенны, предназначенные для выявления радиоволн, создаваемых электронным лучом при его взаимодействии с ионосферой.

Были созданы многие наземные измерительные стенды, выполнены оптические и радарные измерения в Северном полушарии, в магнитно-сопряжённой точке о. Кергелен, а также сверхнизкие и сверхвысокие частотные измерения в обеих точках. Кроме того, непосредственно перед пуском ракеты «Эридан» над о. Кергелен на высоте 80 км на парашютах помещались рентгеновские датчики, доставленные туда ракетой «Агсаs».

Для определения влияния магнитосферных электростатических полей на траектории частиц выбрали два значения энергии – 15 и 27 КЭВ. Три угла инжекции электронного луча (0°, 70°, 140°) были использованы для создания искусственного северного сияния и изучения следующих явлений: обратного отражения частиц атмосферой в сопряжённой точке; магнитного отражения в зеркальной точке; обратного рассеяния атмосферой инжектированных электронов в Южном полушарии.

Переменную длительность импульсов (0,02, 1,28, 2,56 с) выбрали с целью получения либо точного определения угла инжекции, либо большого количества энергии, вводимой в атмосферу.

Одна из ракет была запущена на геомагнитный восток для компенсации кривизны и градиентного дрейфа отражённых электронов в магнитном поле. Вторую ракету запустили в направлении на север (26 января), во-первых, для того, чтобы уменьшить размер участка воздействия луча в сопряжённой точке и таким образом облегчить наблюдение за световыми явлениями, во-вторых, для получения большей информации от наблюдения за эмиссией луча благодаря лучшей траектории конуса относительно головной части ракеты.

Изучение ионизации и видимых явлений (сияния) в магнитно-сопряжённой точке с местом пуска заключалось в исследовании динамики инжектированных частиц, в изучении радиоволн, создаваемых электронным лучом, а также влияния волн с частицами на сам луч.

Климатические условия затрудняли наземные наблюдения за оптическими эффектами в атмосфере. Тем не менее, искусственное сияние чётко выявлялось в магнитно-сопряжённых областях при помощи радиолокационных станций в Костромской и Вологодской областях (в течение всего первого полёта и последней трети второго полёта).

Было измерено развитие во времени волнового спектра и обнаружено, что временная структура радиоимпульса точно повторяет структуру импульса пушки.

Кроме того, впервые были обнаружены и другие явления. Так, интенсивные потоки электронов (Е > 8 КЭВ) были отмечены на ракете широкоугольными детекторами в процессе работы пушки. Как и предполагалось, электронный луч генерирует радиоволны при проникновении в плазму.

Так электронно-лучевые пушки, созданные в ИЭС им. Е.О. Патона, пригодились для исследования ионо-магнитосферы Земли. И впервые в мире при совместном французско-советском эксперименте «Аракс» было возбуждено полярное сияние.

Успешное проведение этих работ подтвердило большую перспективность использования в космической физике управляемых (активных) экспериментов для наблюдения процессов в околоземном космическом пространстве.

Созданное в ИЭС им. Е.О. Патона оборудование и методика открыли широкие возможности для зондирования не только околоземного космического пространства, но и для исследований планет, дальнего Космоса.

Секретное развитие электронно-лучевой технологии

Б.Е. Патон ещё до недавнего времени играл в большой теннис. Поэтому для пояснения идеи «самолета-невидимки» (для радаров) воспользуемся не совсем научным пояснением.

Если бросить в стену теннисный мячик, он отскочит и вернётся обратно. Так же и сигнал радиолокационной станции отражается от самолёта и возвращается на приёмную антенну. Самолёт обнаружен. Если у стенки угловатые грани и наклонены они в разные стороны, то мячик отскочит куда угодно, но назад не вернётся. Сигнал потерян.

На этом принципе основаны американские «стелс». Самолёт становится малозаметным для радаров. Но! У него не аэродинамичные формы. Это возврат к началу прошлого века. Он не годится для войны.

Директор Исследовательского центра им. Келдыша Российской академии наук академик Анатолий Сазонович Коротеев рассказал: «Мы приняли решение делать «невидимки» по технологиям, основанным на принципиально новых физических принципах. Всё дело в генераторах плазмы. Любой автомобиль, самолёт, оборудованный генератором плазмы, по своим характеристикам оставит позади широко разрекламированные и безумно дорогие американские самолеты «стелс».

Экран из плазмы, обволакивая маскируемый объект, делает его малозаметным для излучения радиолокаторов. Потребовался небольшой лёгкий излучатель…электронов. Установка создавала мощные пучки электронов. Воздух ионизировался, и образовывалась плазма с необходимыми характеристиками».

Продолжим пояснения: если обложить стенку мягкими матами и кинуть в них мяч, то он просто шлёпнется об неё, потеряет энергию и упадёт рядом со стенкой. Так же и плазменное образование поглощает энергию радиоволн.

Но это уже другая тема.

Литература:
Петров Г.И. Космические исследования в СССР. – М.: Знание, 1970. – 46 с.
Петров Г.И.  Избранные труды. Аэромеханика больших скоростей и космические исследования. – М.: Наука, 1992. – 306 с.
Активные эксперименты в околоземном космическом пространстве / Б.Е. Патон, Д.А. Дудко, В.К. Лебедев и др. //Автоматическая сварка. – 1999. – №10. – С. 74-80
Космонавтика. Энциклопедия. / Под ред. В.П. Глушко /– Москва: Советская энциклопедия, 1985. – 585 с.
Союз и Аполлон. / под ред К.Д. Бушуева / Москва: Политиздат, 1976. – 272 с.
Хмельницкий А.Г., Митасов М.М. «Лола» для «Союза-Аполло» // Наука в Сибири: газета Сибирского отделения Российской академии наук, 2011. – № 14. –С. 3,7.

А.Н. Корниенко, кандидат технических наук, ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины