О результатах экспериментальных исследований на МКС

О некоторых результатах экспериментальных исследований на МКС рассказывает
начальник отдела оптико-физических исследований ЦНИИмаша Ю.А. ПЛАСТИНИН (на
фото) — кандидат технических наук, действительный член РАКЦ, старший член
Американского института аэронавтики и астронавтики (АIАА).
Александрович,
—
Юрий
в
ряде
публикаций
об
экспериментах на МКС упоминались исследования в
ультрафиолетовой (УФ) области спектра.
Однако самое
интересное,
как
правило,
в
подробностях…
— Как я понимаю, вас интересует космический эксперимент
«Релаксация». Он имеет свою историю. Когда Г.Ф. Карабаджак, ещё
работая у П.Л. Капицы, сделал прибор для регистрации УФизлучений, академик назвал его умелым экспериментатором, что в
устах нобелевского лауреата было высшей похвалой. Придя в
ЦНИИмаш, Георгий Февзиевич поставил целью внедрить УФдиапазон в повседневную практику космических исследований. Работа его и сотрудников нашего
отдела в этом направлении заняла более 17 лет. Активным сторонником этих начинаний всегда
был Г.Г. Райкунов, их постоянно поддерживает Н.А. Анфимов. В конце 1993 года на станцию
«Мир» была доставлена уникальная высокочувствительная аппаратура оптического диапазона,
которая включала регистрацию явлений в верхней атмосфере и на поверхности Земли в УФобласти с длиной волны от 200 до 400 нанометров (нм), или от 0,2 до 0,4 микрона. Участок
вакуумного ультрафиолета 100-200 нм — область спектра, полностью поглощаемая
молекулярным кислородом атмосферы — не проходит ближе 60 км к поверхности Земли. А УФизлучение в диапазоне 200-400 нм опускается до озонного слоя (высота 15 — 25 км), который
защищает всё сущее на Земле от губительного воздействия УФ-лучей. Правда, ультрафиолет в
области
300-400
нм
полезен
—
он
способствует
синтезу
углеводородов.
— Исследования по «Релаксации» охватывают именно диапазон 200-400 нм?
— Да, и основная цель эксперимента — освоить этот диапазон для мониторинга верхней
атмосферы и самой Земли, выявить возможности его эффективного применения для решения
задач пилотируемой космонавтики. Первое, с чем мы столкнулись: в отличие от видимого и
инфракрасного (ИК) диапазона в УФ-области очень низка интенсивность излучения. Пришлось
создавать прибор, который в основе содержал усилитель яркости изображения. Эти усилители
яркости, работающие на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) с
микроканальным усилением, позволяют получать изображение с хорошим разрешением, при
этом яркость можно увеличить до 103 - 108 раз, фактически дойдя до физического предела,
когда с квадратного сантиметра регистрируемого объекта излучается всего несколько фотонов.
УФ-излучение с помощью ЭОПа преобразуется в видимый, в нашем случае — зелёный свет.
Прибор, сделанный в ЦНИИмаше при содействии ФИАНа с использованием исключительно
отечественной технологии, позволяет в режиме он-лайн получать изображения в космосе.
Технология была отработана на «Мире», а с 2002 года уже новый прибор работает на МКС, и
каждая экспедиция регулярно проводит эксперименты. Космонавты проходят у нас тренировку на
специальном стенде. Аппаратура тщательно калибровалась на стенде, а затем по естественным
Луне
и
источникам
—
звёздам.
проводятся
эксперименты
—
По
направлениям
МКС?
ваши
на
каким
— По самым различным. Очень важное направление — исследование взаимодействия
выхлопов двигателей, в частности, транспортных кораблей «Прогресс» и «Союз», с верхней
атмосферой Земли (высота 300-400 км). Струя выхлопа направлена в сторону пилотируемой
станции. В атмосфере на этой высоте — вакуум, труднодостижимый в лабораторных условиях, а
длина свободного пробега молекул около 16 км. В числе продуктов сгорания есть активные —
Н2, СО, ОН. Скорость станции 7,6 км/с, выхлопа — порядка 3 км/с, суммарная - около 11 км/с.
При этом возбуждаются электронные состояния молекул в УФ-диапазоне. Оказалось, что
область взаимодействия занимает десятки километров. А на высоте от 120 до 700 км атмосфера
состоит в основном из очень активного атомарного кислорода. При скорости 11 км/с плотность
его потока составляет 1015 частиц на см2. Эти активные атомы набегают на продукты выхлопа,
состоящие из Н2О, СО2, СО, Н2 и компонентов несгоревшего топлива, и при их взаимодействии
образуются радикалы NH и ОН. Нашей задачей было определение константы сверхскоростного
взаимодействия атомарного кислорода с продуктами выхлопа. Это значит, что были получены
фундаментальные данные для построения соответствующих моделей взаимодействия.
Обнаружено также, что продукты взаимодействия опускаются в нижние слои атмосферы. Эти
исследования, как и другие, были проведены в тесном контакте с космонавтами, результаты
докладывались на наших и международных конференциях, поддержаны научной
общественностью. Роль космонавтов как исследователей была очень весомой и важной, а часто
и
определяющей.
Другое направление связано с наблюдением объектов и их фрагментов, которые опускаются
на Землю из верхних слоёв атмосферы, причём часто по трудно контролируемым траекториям.
Оказалось, что УФ-диапазон эффективен для наблюдения глобальных оптических явлений,
возникающих при спуске. Это имеет фундаментальное и прикладное значение. Например, одна
из проблем сегодняшней аэродинамики — получение натурных данных для верификации
имеющихся методов расчётов теплообмена. Они базируются на сложной физико-химической
кинетике, проверяются на стендах. Не в последнюю очередь нужна верификация моделей с
помощью натурных экспериментов. В результате наших экспериментов получены данные,
позволяющие достаточно надёжно верифицировать теоретические модели процессов кинетики и
теплообмена.
Часто вход космического аппарата в атмосферу сопровождается взрывами, распадом объекта
с образованием большого количества осколков. Иногда этот процесс бывает неуправляемым.
Ультрафиолет (а в нём все эти явления хорошо наблюдаются) реагирует на сильное излучение
от ударных слоёв, которые определяются скоростью и размером КА или входящего осколка.
Весьма существенно, что вся информация, получаемая посредством нашей аппаратуры,
является цифровой, откалиброванной. Это значит, что её можно использовать уже в
количественном аспекте. Интересно сопоставить наблюдения входа и фрагментации КА,
проводимые в УФ и видимой областях спектра. Видимая область даёт эффектную картину —
огромная полоса пламени от горящего металла, остатков топлива, но сами фрагменты
практически не видны. А в УФ-диапазоне пламя не видно, зато чётко выделяются твёрдые
объекты, которые могут упасть на Землю. Кстати, преимущества нашей методики
подтвердились, когда мы недавно по просьбе ЕКА исследовали вход в атмосферу европейского
грузовика АТV, одновременно в Интернете были опубликованы результаты исследования с
самолёта.
Эти исследования имеют и прикладное значение. На основе наблюдений создаётся база
данных по результатам исследований на пилотируемой станции. Объёмы информации огромные
— за один эксперимент по входу накапливается около 5 Гигабайт. Здесь большое значение
имеет обработка этой информации, чем занимается и наш отдел, и сотрудники отдела Г.Ф.
Карабаджака. Используются самые современные способы обработки видеоизображений в
цифровом формате. Обработку и анализ информации проводят высококвалифицированные
специалисты, среди которых хотелось бы отметить Г.Ф. Сипачева, Б.А. Хмелинина, Е.Ю.
Сженова
и
А .Г.
Хлебникова.
— А есть направление, связанное с дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ)?
— Сейчас в области дистанционного зондирования Земли и атмосферы очень важен переход
к аппаратуре нового поколения, с помощью которой можно осуществлять гиперспектральный
мониторинг. Мониторинг — это ведь не только обзор, но также цифровые снимки и измерения.
Такова тенденция. Гиперспектральный мониторинг отличается от существующего и
применяемого в аппаратуре ДЗЗ тем, что использует не 10-15, а сотни спектральных интервалов.
То есть можно получить изображение на любой длине волны, и чем лучше разрешение, тем
больше информации. А сейчас требуется подробная информация не только о Земле, но и об
атмосфере, поскольку мы смотрим на Землю из космоса через атмосферу - своеобразный
фильтр, и надо точно знать, какие он вносит искажения при наблюдении поверхности Земли. Так
вот, проведение гиперспектральных исследований в УФ-области спектра, в видимой и ближней
ИК-области — одна из таких задач. Аппаратура, которая была у нас внедрена («Фиалка-МВКосмос»), является спектрозональной и включает, кроме УФ-камеры, также автоматизированный
спектрометр. С его помощью в режиме on-line можно получать спектры, которые быстро
регистрируются с достаточно хорошим разрешением от 200 до 900 нм. В этом диапазоне
регистрируется излучение системы «атмосфера-Земля». Получено много интересных
результатов. Хотя и раньше были известны отражательные способности в длинах волн,
характерных для растительности, морей, гор и пустынь, теперь стало ясно, что необходимо раз в
100 увеличивать спектральное разрешение, чтобы повысить точность прогнозов, в том числе в
интересах народнохозяйственных отраслей, и обнаруживать эффекты влияния различных
выбросов на экологию. В частности, обнаружено, что вблизи крупных городов в облаках много
различных экологически нежелательных соединений. Они хорошо обнаруживаются при
гиперспектральном мониторинге.
В УФ-диапазоне можно увидеть заражение почв и
сельскохозяйственных культур,
состояние урожая. Гиперспектральный мониторинг уже
осуществлён нами в районах Тихого океана, Атлантики, Чили, Аргентины, частично Испании...
Накапливаем базис гиперспектральных измерений и ставим задачу сочетать их со
стереонаблюдениями. Это магистральное направление, которое сейчас формируется в мировой
практике
ДЗЗ.
Интересные исследования ведутся и по следующему направлению. Известно, что существуют
слои свечения верхней атмосферы Земли (80 км и выше). С этой высоты начинается область
неоднородности состава атмосферы, нарушаются постоянные пропорции компонентов О2, N2,
СО2, характерные для более низких высот. На больших высотах образуется большое количество
атомарного кислорода, которое вступает в реакции со всеми газами, и получается сложная
смесь. Интересно, что в атмосфере есть два слоя нечётного кислорода — озона О3 с
максимумом на 25 км и атомарного кислорода — на 98 км. Оказалось, что всё пространство от
поверхности Земли до ионосферы — единая система. Бывает, что грозовые явления,
возникающие на высоте 10 км, доходят до уровня 90 км. Есть даже предположение, что эти
явления жизненно важны для обновления атмосферы. Реакции, сопровождающиеся ночным
свечением, приводят к образованию молекул возбуждённого кислорода, который высвечивается
в УФ-диапазоне с максимумом на длине волны 290 нм. Наблюдая горизонт, мы видим этот слой.
Когда результаты его исследования сопоставили с имеющимися теоретическими моделями,
выявилось большое расхождение концентрации кислорода над некоторыми участками Земли с
данными нейтрального состава по известным моделям атмосферы. Например, обнаружено, что
над некоторыми областями Земли происходит образование второго слоя атомарного кислорода
на высоте ~115 км. Этот факт, неизвестный ранее, обнаружен благодаря систематическим
наблюдениям с борта МКС. Такое раздвоение особенно интенсивно над местами разломов
земной коры, в частности, у Африканского (Сомалийского) рога - в районе, где сходятся три
плиты на дне Индийского океана. Здесь и частые землетрясения, и раздвоение слоя атомарного
кислорода. Получено прямое экспериментальное доказательство связи структуры земной коры и
атмосферы.
— То есть ваш метод позволяет обнаруживать из космоса аномалии на дне океана?
— В снятом нами фильме есть впечатляющее зрелище, когда при входе в эту зону слой
раздваивается и при выходе из неё снова смыкается. Ещё один феномен: когда при мониторинге
поверхности подошли к подножию Гималаев, на высоте 98 км стала быстро нарастать
интенсивность свечения. Не ограничиваясь его регистрацией, мы разработали методику, которая
связывает свечение с концентрацией атомарного кислорода по высоте. Наряду с
пространственной структурой свечения мы определили структурные особенности поведения
атомарного
кислорода.
Ещё одно важное направление — исследования на геостационаре (высота 36 тысяч км). Наша
аппаратура позволяет наблюдать с борта МКС выхлопы двигателей и их распространение,
причём разгонные блоки КА работают на большой высоте ~ 35 000 км. Известный учёный Н.В.
Ветчинкин сказал как-то, что один двигатель разгонного блока выбрасывает столько вещества,
сколько его находится на всей геостационарной орбите. Интересно, что при отсутствии
рассеяния солнечного излучения пристыкованные к МКС модули могут создавать глубокую тень
в поле зрения оптической аппаратуры, что позволяет проводить исследования в условиях
сильной солнечной засветки источников весьма низкой интенсивности, например находящихся
далеко, на геостационарной орбите. Подобный эксперимент был проведён при наблюдении
факела струи двигателя разгонного блока «БРИЗ» при выводе КА на геостационарную орбиту.
Очень интересные результаты получены также при исследовании ионосферы. Вообще,
исследования на МКС в ультрафиолетовом диапазоне спектра позволяют получить большой
объём новой космической информации о Земле, атмосфере и околоземном космическом
пространстве и в интересах народного хозяйства, и в деле определения фундаментальных
свойств геосистемы «Земля-атмосфера-ионосфера», особенно учитывая характер современных
глобальных
изменений
климата
на
Беседовал Николай ДОРОЖКИН
Фото автора
Калининградская правда №141, четверг, 11 декабря 2008 года 11.12.2008
планете.