На третьем спутнике автоматы осуществляли самые различные функции. Основную роль играли, конечно, приборы, выполнявшие разнообразные научные наблюдения и измерения. Приборы были как бы станками этого автоматизированного предприятия в Космосе. Чего только не измеряли приборы спутника!
На третьем спутнике снова имелась «лаборатория» по изучению космических лучей, но только значительно более совершенная, чем на втором спутнике. В частности, на этот раз она была приспособлена для поисков пока еще никогда не обнаруженной компоненты космических лучей — именно фотонов, квантов гамма-излучения. Открытие фотонов в космических лучах, которое ожидают многие ученые, означало бы крупнейший скачок вперед в изучении Вселенной, так как позволило бы безошибочно установить источник космического излучения. Ведь фотоны, в отличие от других компонентов космических лучей, представляющих собой электрически заряженные частицы, не отклоняются от прямолинейного пути в электрических и магнитных полях. Кроме того, аппаратура третьего спутника была специально рассчитана на выяснение и другого крайне важного для исследования космических лучей вопроса — она позволяла детально изучить тяжелую компоненту этих лучей, то есть наличие в них ядер наиболее тяжелых атомов.
Имелась на третьем спутнике и «солнечная лаборатория», но в отличие от такой же лаборатории второго спутника она была предназначена для исследования не коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца, а его корпускулярного излучения, то есть того потока частиц вещества, который оно испускает. Таким образом, эта «лаборатория» спутника позволяла осветить один из наименее изученных вопросов, связанных с деятельностью Солнца, оказывающей столь большое влияние на процессы в земной атмосфере.
Но этими двумя «лабораториями» список «научных подразделений» третьего спутника вовсе не ограничивался. Он включал комплекс других «лабораторий», превращавших спутник в чрезвычайно ценную геофизическую наблюдательную станцию в Космосе.
Так, на спутнике были установлены приборы (ионные ловушки), позволявшие впервые в истории науки непосредственно измерить концентрацию заряженных частиц в ионосфере, что должно сыграть исключительно важную роль в понимании происходящих в ней процессов. Другие приборы (масс-спектрометры) также впервые позволяли определить химический состав ионосферы. Точнейшие манометры измеряли давление и плотность атмосферы на огромных высотах — до сих пор эти измерения надежно осуществлялись с помощью ракет лишь до высот порядка 100 километров.
Остроумные и тонкие приборы спутника — флюксметры, опять-таки впервые в истории науки, осуществляли измерения с целью установить наличие и характер электростатических полей на большом расстоянии от Земли, разрешить ряд связанных с этими полями загадок, интригующих в настоящее время науку. В частности, эти измерения должны помочь ответить на вопрос о причинах возникновения большой, в сотни тысяч вольт, разности электрических потенциалов между положительно заряженным земным шаром и отрицательно заряженной атмосферой.
Очень велики надежды, которые ученые всего мира связывают с установленными на третьем спутнике магнитометрами. Задачей этих приборов является изучение магнитного поля Земли на большом расстоянии от нее, что должно помочь раскрыть тайну образования такого поля, а также установить характер его изменений, оказывающих столь большое влияние на поведение компаса, распространение радиоволн и др. Установка магнитометров на спутнике оказалась связанной с очень большими трудностями, зато теперь наша страна оказалась обладательницей не только единственного в мире специального морского судна для магнитных измерений — шхуны «Заря», но и столь же уникального космического «судна».
Вряд ли можно переоценить и значение установленных на спутнике приборов (пьезодатчиков), позволяющих определить число и энергию микрометеоритов — мельчайших небесных камешков, в огромном числе населяющих солнечную систему и врывающихся в земную атмосферу со скоростью до 70 километров в секунду. Эти исследования важны и для понимания ряда атмосферных процессов и, естественно, для будущего астронавтики.
Питание электроэнергией всех этих и других приборов и устройств спутника осуществлялось не только от совершенных аккумуляторных батарей, как на первых двух спутниках, но и с помощью солнечных батарей. Кремниевые полупроводниковые пластины превращали энергию солнечных лучей непосредственно в электрический ток. Главное назначение солнечной электростанции спутника заключалось, конечно, в проверке ее работоспособности в условиях космического полета. Кому не ясно, как заинтересована в этом астронавтика!
Сложным и многообразным было и радиооборудование третьего спутника. Тут и коротковолновая передающая станция «Маяк», непрерывно излучающая телеграфные посылки на волне 15 метров и предназначенная для того, чтобы в наблюдениях за спутником могли принять участие тысячи радиолюбителей всего мира; и радиотелеметрическая аппаратура, преобразующая показания всех приборов спутника в радиосигналы для передачи их на Землю; и специальная радиоаппаратура для измерения координат спутника, то есть местонахождения его в пространстве.
Немалую роль среди «вспомогательных служб» спутника играли устройства, поддерживавшие заданный температурный режим внутри него. Многочисленное оборудование спутника сделало эту задачу более трудной, чем для первых спутников. Поэтому, помимо прежних мер, вроде обеспечения циркуляции азотной «атмосферы» спутника, на третьем спутнике был применен и новый метод, впрочем, предложенный еще Циолковским. Спутник был снабжен поворотными жалюзи с электроприводом, способными то открываться, то закрываться, что изменяло свойства поверхности спутника в отношении поглощения и излучения тепла. Эти автоматические «истопники» спутника поддерживали в нем нужную температуру.
Как же осуществлялось управление всем сложным хозяйством спутника, требующим, как мы видели, самого разнообразного вмешательства? Эта роль была поручена специальному «мозгу» спутника — особому электронному программно-временному устройству. В нужные моменты оно включало и выключало приборы, открывало или закрывало створки жалюзи, «запоминало» показания приборов, а затем «выдавало» их наземным наблюдательным станциям, выполняло различные другие функции.
Каковы же итоги научных исследований, осуществленных с помощью первых советских спутников?
Полная обработка всех результатов проведенных исследований потребует значительного времени и труда больших коллективов ученых. Придется расшифровать сотни и тысячи различных показаний, переданных со спутников, подвергнуть анализу тысячи данных наземных наблюдений за ними. В этой работе будут использованы многочисленные электронно-счетные машины.
Но кое-какие важные выводы можно сделать уже сейчас. Запуск советских искусственных спутников Земли, несомненно, оправдал себя — он дал науке материалы неоценимого научного значения. Все теоретические расчеты и предположения советских ученых полностью подтвердились, научное оборудование спутников работало безупречно. Это является замечательным достижением передовой советской науки и вместе с тем всей мировой науки.
Главные наблюдения, связанные с первым советским спутником, относились к измерениям его орбиты, как и орбиты его ракеты-носителя. Прежде всего это касалось измерений периода обращения этих искусственных небесных тел. Первоначально они имели общий период обращения, равный 96,2 минуты. Затем из-за действия воздушного сопротивления и по другим причинам он стал уменьшаться. С течением времени уменьшение периода обращения становилось все более быстрым. Так, за месяц, с 9 октября по 9 ноября 1957 года, период обращения спутника уменьшился с 96 минут до 94,72 минуты, то есть на 77 секунд, а период обращения ракеты-носителя — с 96 минут до 93,48 минуты, то есть на 151 секунду. Это значит, что период обращения спутника уменьшался за этот месяц в среднем на 2,57 секунды в сутки, а ракеты-носителя — на 5 секунд в сутки. К концу же месяца, то есть 9 ноября, уменьшение периода обращения спутника составляло уже 2,94 секунды в сутки, а ракеты-носителя — 9,24 секунды в сутки.
Это ускоренное уменьшение периода обращения первого советского спутника можно проиллюстрировать, например, графиком, построенным по данным радионаблюдений Кембриджской радиоастрономической обсерватории в Англии. График построен для периода с 8 по 22 октября и отчетливо показывает все более быстрый темп снижения периода обращения спутника по времени.
Уменьшению периода обращения соответствовало и все более быстрое снижение спутника и ракеты-носителя, то есть уменьшение высоты апогея их орбит. В начале движения высота апогея спутника и ракеты-носителя была общей и составляла 947 километров. К 9 ноября высота апогея спутника составляла 810 километров, а ракеты-носителя — 695 километров. Через 58 дней после запуска ракета-носитель перестала существовать, пролетев примерно 39 миллионов километров и сделав 900 оборотов вокруг земного шара. Спутник же прекратил свое существование 4 января 1958 года, сделав примерно на 500 оборотов вокруг Земли больше, чем ракета-носитель, и пройдя на 20 миллионов километров больший путь.
Второй советский искусственный спутник свой тысячный оборот вокруг Земли завершил к 2 часам ночи 13 января 1958 года. За это время он прошел путь, равный 45,4 миллиона километров, то есть на 2,2 миллиона километров больший, чем путь первого спутника за то же число оборотов. Это легко понять: ведь второй спутник двигался по орбите большего радиуса, на большей высоте над Землей. Даже после тысячи оборотов период обращения второго спутника уменьшился лишь на 3,9 минуты, то есть вместо первоначального в 103,7 минуты стал равным 99,8 минуты. Этот период обращения все еще больше, чем первоначальный период обращения первого спутника. Высота апогея второго спутника уменьшилась за это же время на 370 километров, то есть до 1300 километров. 14 апреля 1958 года второй советский искусственный спутник Земли прекратил свое существование, совершив всего около 2370 оборотов вокруг Земли и пройдя путь более 100 миллионов километров.
Интересно продолжить сравнение траекторий первого и второго спутников.
Первый спутник просуществовал 3 месяца, пройдя всего немногим больше 59 миллионов километров. Когда прошло 3 месяца со дня запуска второго спутника (то есть 3 февраля 1958 года), то оказалось, что пройденный им путь равен… 59,3 миллиона километров и лишь немногим больше пути, пройденного за это же время первым спутником. Значит, средняя скорость движения обоих спутников была почти одинаковой. Зато второй спутник сделал за это время лишь 1312 оборотов вокруг Земли, тогда как первый спутник совершил примерно 1400 оборотов. Понятно, почему так: ведь среднее расстояние второго спутника от Земли больше, чем первого. Когда же и второй спутник завершил 1400-й оборот (9 февраля 1958 года), то его путь удлинился примерно на 6 миллионов километров по сравнению с расстоянием, пройденным за то же число оборотов первым спутником.
Точно так же можно сравнить движение второго и третьего спутников. Третий спутник завершил свой двухтысячный оборот вокруг Земли 8 октября 1958 года, пройдя за 147 суток путь в 92,6 миллиона километров, тогда как второй спутник это же число оборотов совершил за 138 суток (21 марта 1958 года), пройдя путь в 89 миллионов километров. Период обращения третьего спутника уменьшился при этом на 2,15 минуты, а второго спутника — на 9,5 минуты. Высота апогея уменьшилась, соответственно, на 195 и 900 километров. Это объясняется как большей начальной высотой апогея третьего спутника, так и его большей поперечной нагрузкой по сравнению со вторым спутником.
Из-за меньшей поперечной нагрузки ракеты-носителя третьего спутника по сравнению с самим спутником она погибла намного раньше спутника — 3 декабря 1958 года, совершив всего 2907 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 130 миллионов километров. Спутник же прекратил существование 6 апреля 1960 года на 10037 обороте, пройдя за 691 сутки свыше 448 миллионов километров.
Наблюдения за изменением периода обращения спутников позволяют уточнить наши знания о плотности воздуха на огромных высотах. В этом отношении советские ученые накопили уже огромный экспериментальный материал, причем определение плотности велось одновременно несколькими методами, дополняющими друг друга. В настоящее время впервые в истории плотность земной атмосферы уверенно определена до высот 600–800 километров. На этих высотах в одном кубическом сантиметре содержится от 2 до 20 миллионов частиц воздуха, то есть примерно в миллион миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. Плотность воздуха на высотах порядка 200 километров оказалась значительно большей, примерно в 5-10 раз, чем это предполагалось до запуска спутников по данным ракетных исследований. Выше оказалась и температура воздуха.
Представляют интерес наблюдения за вращением орбиты спутников. Как известно, плоскость орбиты из-за сплющенности земного шара медленно вращается относительно земной оси в направлении, противоположном вращению Земли, то есть на запад. Эта прецессия орбиты происходила со скоростью 2,5–3 градуса в сутки. Большая полуось эллиптической орбиты спутников также регрессирует, то есть движется против движения спутников по орбите, но с гораздо меньшей скоростью.
Выше уже упоминалось, что наблюдения за переменным блеском ракеты-носителя первого спутника позволили установить период ее обращения вокруг собственного центра тяжести. Он оказался равным одному — двум оборотам в минуту. Удалось установить, что обращается вокруг оси и сам спутник; такой вывод был получен в результате исследования радиосигналов, излучаемых спутником.
Более точно удалось изучить движение вокруг центра тяжести третьего спутника в связи с тем, что на нем был установлен прибор (магнитометр), с помощью которого можно было довольно точно установить ориентацию спутника в пространстве. Оказалось, что движение спутника довольно сложно — он вращается вокруг продольной оси, делая один оборот примерно за 18 минут, и, кроме того, сама эта ось совершает прецессионное движение вокруг оси, наклоненной к ней под углом 84 градуса, как это происходит с волчком. Период прецессии равен примерно 140 секундам. Следует отметить, что со временем под воздействием главным образом атмосферы и гравитационного поля Земли положение оси прецессии в пространстве изменяется, а скорость вращения в результате взаимодействия с магнитным полем Земли уменьшается.
Очень важным является вывод относительно гораздо меньшей метеоритной опасности для искусственных спутников и межпланетных кораблей, чем это предполагалось. За все время движения спутников был отмечен лишь один случай попадания в них значительного метеорита. Это случилось 6 мая 1958 года с третьим американским спутником: он был пробит метеоритом при прохождении через метеорный поток Акварид. Следует, однако, заметить, что число зарегистрированных столкновений спутников с микрометеоритами очень велико — для третьего спутника оно превосходило 600 в час на 1 квадратный метр его поверхности.
Наблюдения за ионосферой, выполненные во время работы радиостанций спутников, с несомненностью установили наличие волноводных каналов в ионосфере, а также позволили измерить концентрацию электронов на больших высотах, что очень ценно для будущего радиосвязи. Важные сведения получены по наблюдению так называемого эффекта Допплера (изменение частоты колебаний, принимаемых от движущегося излучателя), что также имеет большое научное и практическое значение, в том числе и для астронавигации. В частности, установлено, что с помощью этого эффекта можно с большой точностью измерять координаты спутника, то есть его положение на небе.
Исследования верхней атмосферы Земли, как и произведенные на третьем спутнике измерения ионного состава ионосферы, степени ионизации верхней атмосферы и другие, являются, без сомнения, одним из важнейших результатов исследований, выполненных с помощью искусственных спутников Земли. Они позволяют построить более правильную, чем раньше, модель земной атмосферы, играющей столь большую роль во всей нашей жизни. В частности, установлено, что земная атмосфера простирается на значительно большую (до 2–3 тысяч километров) высоту, чем предполагалось ранее.