Становлення космічних досліджень у Кримській астрофізичній обсерваторії АН СРСР та перші експериментальні здобутки

РОЗДІЛ II

НАУКОВО-ДОСЛІДНА РОБОТА ВЧЕНИХ З ВИВЧЕННЯ СОНЦЯ, ЙОГО СТРУКТУР ТА УТВОРЕНЬ

Становлення космічних досліджень у Кримській астрофізичній обсерваторії АН СРСР та перші експериментальні здобутки

У 60-х рр. XX ст. у зв'язку зі становленням нового напряму досліджень в астрономії – позаатмосферних досліджень – у Кримській астрофізичній обсерваторії АН СРСР (КрАО АН СРСР) почала проводитися відповідна наукова робота. Технічне оснащення для здійснення експериментів поза атмосферою Землі було суттєво обмежено, в основному, можливостями космічних носіїв астрофізичних приладів. Штучні супутники Землі (ШСЗ) або орієнтувалися по одній осі обертання, або взагалі не були орієнтовані. Завдання для таких експериментів не відрізнялися масштабністю: вони зводилися до вимірювання заданих величин з великим полем зору, до визначення мінімальних і максимальних значень, до порівняння спостережуваних значень з обчисленими на основі відомостей про спектральний склад, чисельність і яскравість зірок, туманностей в Галактиці, даних про світіння зодіакального світла.

Першою спробою провести позаатмосферні дослідження в КрАО АН СРСР було створення в 1958 р. ракетного спектрометра. Експеримент не відбувся через технічні труднощі, які не дозволили провести роботу у відведені терміни. У грудні 1959 р. короткохвильовий спектрометр КДС-1, розроблений завідувачем відділу експериментальної астрофізики В.К. Прокоф'євим, був запущений на третьому кораблі-супутнику і зареєстрував спектр Сонця у вузькій спектральній області 30,3–30,5 нм (лінії Не II 30,4 нм) [ 1, с. 58 ]. Прилад був розрахований для роботи на неорієнтованому супутнику і забезпечений автономною системою двокоординатної астроорієнтації на Сонці, яка, за допомогою плоского поворотного дзеркала, відбивала світло на нерухому вхідну щілину спектрометра. В якості диспергуючого елемента в спектрометрі використовувалася увігнута дифракційна решітка, яка працювала в схемі Роуланда. Сканування спектру здійснювалося рухом по колу Роуланда вихідної шілини спектрометра, яка пропускала світло на розташований за нею фотоприймач. В якості фотоприймача використовувався розроблений в Державному оптичному інституті ім. С.І. Вавилова вторинний електронний помножувач відкритого типу, що не мав ні скляної колби, ні вхідного вікна і використовував при роботі природний вакуум космосу.

16 червня 1967 р. запущений модернізований КДС-2 на ШСЗ «Космос-166», першій спеціалізованій сонячній обсерваторії для дослідження ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання Сонця. Наукова апаратура супутника складалася з рентгенівського фотометра, дифракційного ультрафіолетового спектрометра і рентгенівського геліографа [ 2]. У приладі КДС-2 був модернізований спектрограф: розширено діапазон реєстрації випромінювання Сонця 90,0–110,0 нм. Була також розроблена нова електронна система управління орієнтацією. Запуск проводився з полігону «Капустін Яр», біля м. Волгограда [ 1, с. 61]. Прилад працював 20 діб і передав на Землю 1000 записів спектрів. Даний матеріал дозволив простежити динаміку розвитку багатьох спалахів, визначити потік і спектральний склад випромінювання, розміри і локалізацію областей, де виникали спалахи, вивчити фізичні умови в області спалаху і в прилеглих активних ділянках корони. Реєстрація спектрометром лінії іонізованого гелію дала інформацію про стан сонячної атмосфери під спалахом. Співробітниками КрАО АН СРСР виявлено збільшення ультрафіолетового випромінювання із збільшенням площі активних утворень на Сонці. Результати експерименту представляли великий інтерес для з'ясування природи рентгенівських і оптичних спалахів та можливості їх прогнозування.

У 1967 р. і 1968 р. з ініціативи та за активною участю Фізичного інституту АН СРСР здійснено запуск перших радянських супутників для дослідження Сонця: «Космос-166» і «Космос-230». Спеціально для цього експерименту в лабораторії КрАО АН СРСР були розроблені і створені рентгенівські геліографи і фотометри оригінальної конструкції, що дозволили отримати більше 1000 зображень Сонця в п'яти спектральних діапазонах з кутовим розділенням близько 20 секунд. У ході експерименту отримані істотно нові дані про структуру рентгенівських спалахів, зокрема вперше простежено динаміку їх розвитку, а по заходу активної області за лімб оцінена її висота – близько 20 тис. км над фотосферою.

У цей же період були розпочаті перші експерименти з отримання спектрів Сонця в короткохвильовій області за допомогою дифракційних решіток і брегівських кристалів. В ході них отримана перша в світі фотографія рентгенівського спектра в області довжин хвиль коротше 9,5 Å, а всього зареєстровано спектри до довжини хвилі 1,7 Å і отримане унікальне розділення λ/Δλ ~ 10⁴. Це дозволило уточнити чисельність елементів в атмосфері Сонця, а також виявити макроскопічні рухи в корональних конденсаціях зі швидкістю по променю зору до 100 км/сек. В спектрах спалахів були виявлені лінії іонів MgXI, FeIX, FeX і FeXVII.

ОСТ

У другій половині XX ст. невивчена ультрафіолетова область сонячного спектра вважалася найбільш інформативною для дослідження фізичного стану верхніх шарів атмосфери Сонця. Для вдалого рішення даного питання був створений орбітальний сонячний телескоп (ОСТ-1) з високим просторовим розділенням. Найбільш сприятливим часом для дослідження процесів на Сонці є пік його активності. Оскільки такий припадав на 1969–1970 рр., заявка від співробітників КрАО АН СРСР на проведення експерименту «ОСТ-1» була подана у вищевказаний період. Згідно з даними репрезентативних документів, вдалому проведенню дослідження передувала низка менш ефективних спроб.

Відповідно до програми дослідження навколоземного космічного простору 6 червня 1971 р. о 7 год 55 хв за московським часом в Радянському Союзі стартував ракетоносій з космічним кораблем «Союз-11». О 8 год 04 хв корабель «Союз-11» виведено на розрахункову орбіту супутника Землі. Космічний корабель пілотував екіпаж у складі командира корабля підполковника Г.Т. Добровольського, бортінженера В.М. Волкова, інженера-випробувача В.І. Пацаєва. 7 червня 1971 р. о 10 год 45 хв за московським часом, після успішно виконаного стикування Транспортного космічного корабля «Союз-11» з науковою станцією «Салют», яку виведено на орбіту 19 квітня 1971 р., екіпаж корабля перейшов у приміщення наукової станції [ 3, c. 61–62 ]. Перший запуск не дав очікуваних результатів. Відсік наукової апаратури, в якому знаходився телескоп, на період виведення на орбіту закривався алюмінієвою кришкою-обтічником. Обтічник в свою чергу прикріплювався до станції двома рядами піроболтів. З двох рядів піроболтів спрацював лише один, що призвело до блокування роботи ОСТ-1. В.І. Пацаєву було доручено перевірити ланцюги піроболтів і підірвати їх [3, c. 62]. Ланцюги виявилися несправні, звільнитися від обтічника не вдалося. У результаті нештатного відкриття клапана відбулося швидке падіння тиску в кабіні корабля, що призвело до трагічної загибелі космонавтів у спусковому відсіку «Союзу-11».

Орбітальна космічна станція «Салют-2» була виведена на орбіту ракетою-носієм «Протон-К» 3 квітня 1973 р. з космодрому Байконур за програмою військових орбітальних пілотованих станцій СРСР «Алмаз». На тринадцяту добу сталася розгерметизація відсіків станції, а 25 квітня перестала надходити телеметрична інформація. Станція, пробувши на орбіті 54 дні, закінчила свою роботу 28 травня 1973 р. у результаті природного гальмування у верхніх шарах атмосфери і впала в океан біля Австралії. Другий примірник ОСТ-1 був втрачений разом зі станцією.

Для проведення астрофізичних досліджень на орбітальної космічної станції «Салют-3» співробітниками КрАО АН СРСР виготовлено третій примірник ОСТ-1. Станція виведена на орбіту ракетою-носієм «Протон» 26 червня 1974 р. З 16 щодобових витків навколо Землі, які робив «Салют-3», 3–4 перебували поза «зоною видимості» наземних телеметричних станцій. В один із днів, коли станція вийшла з глухих витків, передана з її борту інформація не була одразу розшифрована. Коли телеметрія була зрозуміла, співробітники обсерваторії встановили, що станція оберталася з великою швидкістю, систему орієнтації запустити неможливо. До некерованої станції транспортний корабель пристикуватися не міг. Пробувши на орбіті 213 діб і забезпечивши пілотований політ з першим екіпажем («Союз-14») упродовж 13 діб, станція завершила свою роботу 25 січня 1975 р. [ 4, с. 340–344].

У 1973 р. США запустили орбітальну наукову лабораторію «Skylab». Напружене суперництво в галузі освоєння космосу між СРСР і США привело до підготовки наступного, четвертого, примірника орбітальної космічної станції «Салют». Співробітники КрАО АН СРСР у свою чергу приступили до створення ОСТ-1. До середини 70-х рр. XX ст. дефіцитними були заготовлені елементи до телескопа, серійні заводські комплектуючі деталей. Деякі креслення були загублені. Проте розробники за чотирирічний період повністю увійшли в суть виконуваної кожним з них роботи і чітко уявляли її місце в загальному комплексі. Кожен наступний екземпляр телескопа вдосконалювався. Орбітальна космічна станція за програмою цивільних пілотованих станцій СРСР «Довгострокова орбітальна станція» була виведена на орбіту ракетою-носієм «Протон-К» 24 грудня 1974 р. 12 січня 1975 р. на борт «Салюта-4» прибув перший екіпаж у складі командира корабля О.О. Губарєва і бортінженера Г.М. Гречко. У червні 1975 р. на борт орбітальної космічної станції прибула друга експедиція космонавтів: командир корабля І.І. Климук і бортінженер В.І. Севастьянов [ 5, с. 241]. Наглядовий робочий день у космонавтів на орбіті тривав 4 год, робочі дні за програмою робіт з ОСТ-1 тривали 2–3 дні на тиждень. Після стикування і переходу космонавтів у станцію «Салют-4» вона почала своє функціонування. Основне призначення телескопа згідно з метою експерименту «ОСТ-1» – отримання стигматичних ультрафіолетових спектрів від обраних ділянок сонячної поверхні. Приладом керував космонавт, який відповідно до переданої із Землі програми спостереження знаходив для дослідження на Hα-зображенні Сонця зазначені астрофізиками об'єкти, встановлював їх на щілину спектрографа і спектрографував у діапазоні 90–140 нм.

Керівництво над експериментом «ОСТ-1» було покладено на М.В. Стешенко, конструктором призначений А.В. Брунс. При створенні ОСТ-1 вчені КрАО АН СРСР врахували низку вимог для проведення позаатмосферних експериментів: 1) здійснення конструкторського компонування комплексу апаратури без деформації готової конструкції станції; 2) дотримання точності орієнтації супутника для забезпечення максимальної функціональності телескопа; 3) пошук прозорих матеріалів, придатних для виготовлення оптичних деталей для застосування фотографічного методу реєстрації в діапазоні коротше 1050 Å. Розробники ОСТ-1 вирішили основні з перерахованих проблем в конструкції телескопа. Всі механічні та оптичні частини телескопа спроектовані і зроблені в КрАО АН СРСР, за винятком решіток. При довжині телескопа більше 3 м його установка не викликала труднощів завдяки основний конструктивній ідеї. Система поділялась на окремі блоки, що включали в себе від одного до декількох оптичних елементів. Повна оптична схема комплексу створювалася при відповідному розташуванні блоків на поверхні відділення наукової апаратури, корпус якого фактично виконував роль несучої конструкції. Використання для точного наведення обертаючогося плоского дзеркала дало можливість встановити телескоп на орбітальну станцію з точністю орієнтації 1°. При цьому вся система телескопа розташовувалася нерухомо щодо корпусу станції, що дозволило вирішити проблему доставки фотокасет з відкритого космосу.

Весь комплекс апаратури поділено на дві основні частини: вимірювальну, що включала телескоп з дифракційним спектрографом, і систему управління і візуального контролю положення зображення. Телескоп складався з двох дзеркал. Головне, увігнуте, дзеркало діаметром 250 мм, вкрите германієм і сірчистим цинком, що мало форму позавісної параболи, будувало зображення Сонця розміром ~ 24 мм на відстані 2 м вхідної щілини спектрографа [ 6, c. 35]. Зворотно-поступальний рух дзеркала, що забезпечується електроприводом, дозволяв під час роботи здійснити точне фокусування. Така конструкція надавала можливість досить легко перетворити камерну частина спектрографа в шлюзову камеру безпосередньо з житлового відсіку станції, витягувати зі спектрографа касети з відзнятою фотоплівкою, а також встановлювати нові [1, c. 65 ]. Слідкувальне плоске дзеркало, покрите фтористим літієм (з тонким захисним шаром MgF₂), поверталось навколо двох взаємно перпендикулярних осей електроприводом, посилало відбите світло на головне, забезпечуючи за допомогою гіда всі режими роботи телескопа: наведення на Сонце, наведення на активне утворення і стабілізацію зображення. При цьому головне дзеркало, спектрограф і вся інша оптична схема залишалися стаціонарними щодо станції. Дводзеркальна система телескопа мала перевагу над однодзеркальною щодо конструктивного виконання. У ній поєднувалися автономна високоточна система орієнтації та нерухоме положення реєструючої станції астрофізичного комплексу щодо корпусу «Салют-4».

Науковцями КрАО АН СРСР створена оригінальна високоточна двоступенева система орієнтації телескопа, автономна від станції. Першим працював перший ступінь – грубий, який направляв сонячне світло в телескоп на головне дзеркало. Потім включався другий ступінь – точний, який мав власні датчики і здійснював донаведення і стабілізацію зображення. Для спрощення процедури установки телескопа за складною технологією, з підрахунком часу руху від упору, астрофізиками розроблено нову просту методику: кожен раз перед заходом в тінь станція орієнтувалася в просторі певним чином за відношенням до Сонця, потім телескоп наводився на центр Сонця, і його двигуни вимикалися. У цьому випадку, після виходу з тіні і відновлення орієнтації станції, телескоп опинявся автоматично спрямованим на центр Сонця.

Згідно з даними репрезентативних джерел, при першому включенні ОСТ-1 на орбіті вітчизняні астрофізики встановили, що грубий датчик наведення на Сонце вів слідкуюче дзеркало від осі телескопа на такий кут, що сонячний пучок зовсім не потрапляв на головне дзеркало. Перегляд всієї системи через ілюмінатор показав, що датчики засвічувалися помилковим сонячним пучком, відбитим від одного з приладів, з якого була частково зірвана теплоізоляційна обшивка. Щоб направити сонячний пучок в телескоп при вимкненому датчику грубого наведення розроблено методику повороту слідкувального дзеркала на потрібний кут за часом його руху за кожною координатою, починаючи від одного з крайніх положень дзеркала [ 7, с. 5 – 6 ]. При цьому двигуни повороту дзеркала включалися вручну. Після того, як сонячний пучок був наведений на головне дзеркало, включалися датчики точного утримання Сонця, телескоп починав працювати в повному обсязі.

В результаті технічно грамотно виконаної роботи співробітниками КрАО АН СРСР спектрограф забезпечував отримання достатньо стигматичного спектра для широкої ділянки довжин хвиль від 970 до 1420 Å; можливість підвищення освітленості на фотоплівці при вхідному відносному отворі 1:10 і вихідному відносному отворі 1:5; побудову стигматичного спектра двома оптичними елементами – сферичними решітками [8, c. 58 ]. Ці конструкторські рішення дозволили уникнути зайвих втрат ультрафіолетового випромінювання на відображуючих поверхнях. Спектрограф був зібраний за видозміненою схемою Водсворта і містив дві увігнуті дифракційні решітки. У фокусі першої з них перебувала вхідна щілина, що здійснювала попередню монохроматізацію і одночасно виступала коліматором для другої решітки. Пов'язане із збільшенням довжини хвилі збільшення втрат світла у спектрографі створювало корисне вирівнювання ефективності системи при реєстрації сонячного спектра, в якому науковцями КрАО АН СРСР фіксувалося істотне наростання інтенсивності в довгохвильовій області спектра.

Оскільки спектрограф працював тільки в ультрафіолетовій області спектра, то обидві його решітки виготовлено з тришаровим покриттям Al + Gе + ZnS, яке дозволило суттєво знизити рівень розсіяного світла. Вченими КрАО АН СРСР встановлено, що в області 6563 Å, використаної в системі візуального контролю, ефективність дзеркала знижувалася до 30%. Тому нанесення на обидва дзеркала телескопа цього покриття надзвичайно послабило б область спектра, необхідну для роботи датчиків фотогід і системи візуального контролю. Для нанесення тришарового покриття призначено тільки одне, головне, дзеркало. Слідкувальне дзеркало було вкрите алюмінієм і захисним шаром LiF. У свою чергу шар LiF захищався від впливу вологи шаром МgF₂. Це покриття добре відображало у видимій області, хоча мало порівняно гірший коефіцієнт відбиття в області λ 1000 Å [6, c. 35 ].

З метою проведення досліджень поза атмосферою Землі співробітникам КрАО АН СРСР було необхідно удосконалити систему термостатування. Для спостереження на диску Сонця наявних активних утворень необхідно розглядати його через вузькосмуговий інтерференційно-поляризаційний фільтр, так званий Н_α-фільтр. Даний прилад, виготовлений з оптичних кристалів ісландського шпату і кварцу, володів високою чутливістю до температури і повинен був працювати при постійній фізичній величині, стабілізованою з точністю 0,1 ° С. Функціонально він складався з двох частин: оптичного блоку і системи термостатування. Оптична частина була розрахована і виготовлена ​​А.Б. Сєвєрним і фахівцем з Інституту кристалографії АН СРСР А.Б. Гільваргом в 1948 р. в єдиному екземплярі [ 3, c. 63–64]. Працювала в системі терморегулювання ланцюжок елементів (вимірювач температури (терморезистор), електронний підсилювач і підключений до нього дротяний електронагрівач) вчені припускали застосувати для ОСТ-1.Однак із зникненням ваги припинявся конвективний теплообмін і повітряний прошарок теплоізольовані від нагрівача вузли, що підлягають нагріванню. Тому в пристрої термостатування Н_а-фільтра була застосована примусова циркуляція повітря за спеціальною замкнутій системі, яка охоплювала простір, що оточує оптичні елементи фільтра. Система регулювання температури передбачала роботу в трьох режимах і управлялася трьома датчиками. При першій подачі напруги включався форсований режим нагріву. Після досягнення температури 28° С відбувалося перемикання на режим прецизійного управління. При відмові системи терморегулювання в силу будь-яких причин автономна аварійна система відключала напругу живлення при досягненні температури 38° С [6, c. 47].

Для ефективної роботи оптичних елементів при проведенні позаатмосферних досліджень, крім отримання ефективних оптичних покриттів, науковці КрАО АН СРСР ставили метою зберегти відображають властивостей цих покриттів упродовж усього часу з моменту їх нанесення до закінчення роботи на орбіті. Було передбачено три групи заходів для виконання вищеописаних завдань. Перша група заходів здійснювалася на етапі проектування. Проектування велося з урахуванням вимог вакуумної техніки, зокрема увагу співробітників обсерваторії було звернуто на правильний вибір матеріалів конструкції, а саме оправ дзеркал та інших оптичних елементів, на обробку поверхонь металевих конструкцій. В результаті обробки поверхні не ставали пористими і шорсткими. Перевага віддавалася полірованим поверхням, що легко піддається очищенню. З моменту виготовлення апаратури до запуску проводилася друга група заходів, яка передбачала заходи по захисту оптичних елементів при проведенні всіх видів юстувальні-регулювальних робіт і випробувань, включаючи випробування на технічній позиції. Третя група заходів щодо захисту оптичних поверхонь виконувалася під час перебування на орбіті.

Серед особливих досягнень розробників ОСТ-1 слід відзначити унікальне технологічне рішення. Вітчизняними вченими вперше в світі реалізований метод нанесення свіжих покриттів в космосі спеціально сконструйованими установками для термомолекулярного напилення алюмінію з метою запобігання впливу контамінації на відображуючі властивості дзеркал. Стан оптичних елементів на космічному телескопі визначався ступенем утворення нальоту за рахунок конденсації на них різних речовин, що входять до мікроатмосфери космічного апарату. Вченими КрАО АН СРСР було прийнято рішення розробити і встановити на ОСТ-1 пристрій для термомолекулярного нанесення на дзеркала нових відображуючих шарів в процесі їх експлуатації на борту орбітальної космічної станції. Крім співробітників обсерваторії виявив бажання керувати проектом В.В. Бенюх. Заступник директора з наукової роботи М.В. Стешенко оголосив конкурс проектів, який завершився явною перевагою основного варіанту. Відповідно до проекту виготовлено ​​бортову установку для термомолекулярного напилення алюмінію. Кожне дзеркало ОСТ-1 забезпечувалось випарником алюмінію, керованим з пульта управління бортінженера. Це дозволило приблизно в 12 разів збільшити відбиття від щічок щілини, які не мали окремого захисту під час виведення корабля на орбіту. Космонавтами першої експедиції зроблено напилення алюмінію на головне дзеркало, другої експедиції – на слідкувальне дзеркало телескопа. Як показали вимірювання, відображуючі властивості шару алюмінію, напиляного в космосі, виявилися практично такими ж, як у багатошарових покриттів, виконаних в лабораторії. У той же час на дзеркалах телескопа співробітниками КрАО АН СРСР не зафіксовано перевагу в коефіцієнті відбиття в ультрафіолетовій області спектра через швидке окислення алюмінієвого покриття атомами кисню, присутніми в малих кількостях навколо корабля.

Телескоп не мав власної несучої конструкції, а був виконаний у вигляді окремих блоків. Блоки розташовувалися на зовнішній та внутрішній поверхнях відсіку наукової апаратури таким чином, що утворювали оптичну схему телескопа. Після їх установки на відповідні посадочні місця необхідне було додаткове юстирування, яке проводилося в два етапи: спочатку центр дзеркала поєднувався з оптичною віссю спектрографа, а потім дзеркало поверталось на необхідний кут. Для вивірки положення центру дзеркала використовувався прицільний елемент, встановлений на бічній поверхні спектрографа. Розробка, виготовлення, налагодження, випробування і робота на орбіті сонячного телескопа ОСТ-1 підтвердили правильність загальних принципів, покладених вченими КрАО АН СРСР в основу його конструкції. Блочна будова всього комплексу значно полегшила його вагу, зменшила габарити і спростила розміщення на орбітальній станції, яке звелося до установки у відсіку наукової апаратури п'яти окремих блоків. Таке конструктивне рішення дозволило проводити дослідження у прямому фокусі головного дзеркала при великих фокусних відстанях.

Ще одним вдалим технічним удосконаленням є пряма оптична передача зображення зі щілини спектрографа у візирний пристрій, розташований в кабіні. Камерна частина спектрографа була герметизована при нерухомому розташуванні приладу на корпусі станції. Дане конструктивне рішення дозволило вченим обсерваторії мати доступ до касети з кабіни станції і тим самим вирішити проблему зміни фотоплівки. При зміні екіпажу космонавтів результати спостережень доставлялися на Землю, оцінювалося їх якість і коректувалася програма роботи наступного екіпажу. Кожен з екіпажів відзняв по дві касети спектрографа, проводячи для їх установки і зміни по три операції шлюзування.

До вдосконалень у останній моделі ОСТ-1 слід віднести застосування в спектрографі інтегруючого фотоекспонометра. У дифракційної решітці, що будувала одночасно два спектри (перший праворуч від нормалі до неї, другий – ліворуч), один зі спектрів фотографувався на фотоплівку, інший прямував на люмінофор. Ультрафіолетовий світловий потік, перевипромінений люмінофором у видимій області спектра, реєструвався фотопомножувачем інтегруючою системою реєстрації. Завдяки такій конструкції з'явилася можливість задавати величину експозиції при фотографуванні двома способами: за часом, що відлічував за електронним секундоміром, і за кількістю енергії, зареєстрованої за допомогою експонометра.

Оскільки надійність ракетоносія «Протон», що виводив «Салют», була істотно нижчою, ніж у транспортного корабля, колектив астрофізиків наполіг на доставці фільтра не зі станцією «Салют», а разом з космонавтами на транспортному кораблі, причому з кожним екіпажем фільтр повинен літати в обидва кінці. Виготовити подібний фільтр, придатний для роботи на орбіті, вчені могли тільки в одному екземплярі. Необхідність доставки фільтра на транспортному кораблі визначала його конструктивне оформлення з двох роздільних частин – рятувальної і стаціонарної [ 3, c. 63-64 ]. У рятувальної вузол, що мав мінімальну масу, входив блок оптичних елементів, поміщених в оправу, із закріпленим на ній датчиком температури. Система термостатування розміщувалась окремо і входила в стаціонарну частину фільтра.

Великою перевагою ОСТ-1 на «Салют-4» у порівнянні з аналогічним телескопом Skylab була наявність стигматичних зображень спектра, що дозволило астрофізикам КрАО АН СРСР встановити наявність тонкої структури в активних областях Сонця. Упродовж двох періодів (січень-лютий і червень-липень 1975 р.) двома експедиціями космонавтів отримано понад 600 спектрограм активних областей Сонця, включаючи спалахи, флокули, протуберанці, плями і спокійні області диска, досліджені близько 80 різних активних утворень на Сонці. Щоб отримати яскраві лінії спектра з нормальною для фотометрії щільністю, кожну активну область фотографували з 5–6 різними експозиціями від 0,25 с до 2 хв. Звичайні експозиції для протуберанців тривали 2 год 10 хв [7, c. 8]. Після спостереження кожної активної області фотографувався спектр необуреної частині центру диска Сонця. Крім космічної, всі активні області спостерігалися наземними обсерваторіями, зокрема в КрАО АН СРСР. З метою вибору активних областей для спостереження постійно підтримувався контакт між астрономами і космонавтами. Перша експедиція космонавтів працювала з різними комбінаціями експозицій. Після обробки фотоплівок на Землі було встановлено, що для фотографування активних утворень оптимальний набір складався з п'яти експозицій: 0,5; 2, 8, 32, 128 сек [ 5, c. 293 ]. Цей набір був заданий як основний для другої експедиції.

Активність Сонця під час спостережень у січні-лютому і червні-липні 1975 р. була низькою. Незважаючи на дану обставину астрофізикам вдалося сфотографувати орбітальним сонячним телескопом з просторовим розділенням 3–5" і спектральним 0,3 Å стигматичні спектри двох спалахів і низки флокулів. За різними спектрограмами спалахів і флокулів в області від 970 до 1430 Å виявлено 145 емісійних ліній. Так, у слабкому спалаху 02 лютого 1975 р. (13^h50^mUТ) спостерігалось більше 100 ліній, у спалаху 11 липня 1975 р. (19^h00^mUТ], а також у яскравому західному флокулі 12 грудня 1975 р. (18^h45^mUТ) – більше 90 ліній [7, c. 8].

Саме аналіз стигматичних спектрів вченими КрАО АН СРСР показав, що верхня хромосфера і перехідна область між хромосферою і короною в області спалахів і флокулів мала настільки ж тонку структуру з розподілу інтенсивності і спрямованих швидкостей руху, як і спостережувана наземними телескопами [ 9, с. 39]. Це відкриття пояснювало природу сонячної активності: магнітне поле, яке є основним носієм сонячної активності, у верхніх областях спалахів і флокулів зосереджено в тонких, розміром у кілька секунд і менше, джгутах.

Астрофізиками-дослідниками встановлено, що інтенсивність ліній в області спокійного Сонця істотно флуктувалась уздовж лінії. Яскравість ліній іонів і більшості слабких ліній змінювалася в 2 і більше разів, що вказувало на сильну неоднорідність верхньої хромосфери [ 9, с. 40]. Для сканів в області спокійного Сонця вибиралися середні за яскравістю ділянки. Це давало можливість досить правильно співставити вимірювання з інтенсивностями ліній, отриманих з меншим просторовим розділенням.

Посилення інтенсивностей ліній активної області відрізнялося для різних ліній. Вчені КрАО АН СРСР встановили, що найбільш посилені у спалахах лінії 1402,7 і 1393,8 Å Si IV. Їх інтенсивність в 21 раз перевищувала ту ж усереднену величину в області спокійного Сонця. У спалаху 2 лютого 1975 р. зазначені лінії посилювались однаково, що свідчило про те, що в даному спалаху вони залишалися оптично тонкими [ 7, c. 14 ].

Лінії 1242,8 і 1238,8 Å NV посилені у спалаху 2 лютого в 7,7 і 5,8 рази. Більш яскрава лінія цього дублета посилена трохи менше, ніж слабка лінія. Астрофізики припустили, що дані показники вказували на самопоглинання в центральній частині лінії 1238,8 Å. В інших вивчених активних утвореннях ці лінії посилювалися приблизно в однакове число разів (в 12 разів у спалаху 11 липня і в ~ 6 разів під флокули) [6, с. 40].

Значному впливу самопоглинання піддавалися лінії 1335,7 і 1334,5 Å С II. У спокійній області Сонця співвідношення їх інтенсивностей приблизно дорівнювало 1,5, а у спалаху 2 лютого вони посилилися відповідно в 6,4 і 9,3 рази, і яскравість їх стала майже однаковою. Подібна картина спостерігалася також у флокулах, але лінії дублета там посилювалися відповідно тільки в 2,6 і 3,5 рази. У найбільш інтенсивних частинах спалахів і флокулів, де L_а мала найбільш протяжні крила, була зафіксована досить яскрава лінія 1204,5 Å S V. В інших частинах активної області та на необуреному диску ця лінія не видна, отже, у спалаху вона посилилася в 4 рази в порівнянні зі спокійним Сонцем. Істотно посилилася (в 9 разів) у спалаху 2 лютого лінія 1218,3 Å О V. У флокулі її яскравість збільшилася тільки в 3,1 рази, ніж на необуреному диску. У 6 разів посилилася у спалаху лінія 1031,9 Å О VI і приблизно так само збільшена яскравість лінії 1037,6 Å О VI. Слід зазначити, що в окремих невеликих ділянках (розміром близько 10") яскравих флокулів співвідношення інтенсивностей зазначених ліній досягало 0,93, що, відповідно до гіпотези астрофізиків, вказувало на подібні фізичні умови в перехідному шарі над спалахами і локальними областями яскравих флокулів. Лінії нейтральних атомів, за винятком дуже яскравих ліній О I, посилювалися, як правило, в 1,5–3 рази [7, c. 14]. Співробітники КрАО АН СРСР встановили, що найбільшому посиленню у спалахах піддавалися лінії високоіонізованих атомів. Іони середнього ступеня іонізації посилювалися помірно, а нейтральні атоми – слабко. Дана властивість була спільною для всіх спалахів. Дані, отримані вітчизняними вченими, підтверджувались матеріалами спостережень на «Skylab». Вимірювання відносних інтенсивностей ліній іонів в ультрафіолетовій області дозволило також зробити висновок про те, що електронна густина в області спалаху перевершувала 1012 см^-3; це узгоджувалося з даними, отриманими по лінії L_α [ 10, c. 15]. Стигматичні спектри, отримані співробітниками КрАО АН СРСР, на відміну від астигматичних, отриманих на американській станції «Skylab», не були засвічені сусідніми ділянками Сонця, що особливо важливо для надійного визначення фактичних фізичних умов у плазмі активної області, яка мала розмір менший, ніж астигматичні розширення ліній поперек спектру.

Наземні спостереження флокулів не відображали сильних рухів цих утворень: швидкості зазвичай не перевищували кілька кілометрів в секунду, рідко досягаючи 10 км/с. Стигматичні ультрафіолетові спектри дозволяли отримати більше інформації про рух плазми у флокулі, так як найбільш сильні, резонансні лінії, що виникали в перехідному шарі між хромосферою і короною, концентрувались у цій області спектра.

Важливі відомості про швидкості руху плазми містить серія ультрафіолетових спектрограм яскравого компактного флокула, знятого 2 лютого 1975 р. о 14^h10^mUТ, розташованого в східній частині диска Сонця (флокул № 13465 за класифікацією Національної обсерваторії Кітт-Пік, США). Вчені КрАО АН СРСР спостерігали характерні зигзаги, що вказували на різні доплеровські зрушення емісійних ліній в різних частинах флокула. Величина зсуву варіювала від лінії до лінії, для деяких ліній зрушення було відсутнім. Величини зсуву ліній були виміряні на мікроскопі-компараторі щодо положень ліній сусідньої ділянки спокійного Сонця. Точність вимірювань швидкостей становила близько 5–10 км/с. Лінії нейтральних атомів (за винятком L_а водню) показували невеликі швидкості руху, а деякі слабкі лінії (утворилися в нижній хромосфері) вказували на рух плазми, спрямований в протилежну сторону по відношенню до руху іонів.

Більшою мірою була зміщена центральна частина лінії L_а, дуже яскравих резонансних ліній 1206,5 А Si III; 1175,7 та 977 Å С III. Оптично тонкі лінії і лінії проміжної оптичної товщі показували чітко виражену залежність збільшення швидкості плазми у верхніх шарах хромосфери, де зафіксована більш висока температура. Даний факт астрофізики проінтерпретувати як рух плазми уздовж петлі, основа якої пов'язувала області флокула протилежної полярності фотосферного магнітного поля. Залежність швидкості руху від температури для плазми виражена нечітко, проте зворотна тенденція (зниження швидкості з висотою) простежувалась.

Кримські астрофізики встановили, що водневі лінії лаймановської серії мали дуже протяжні крила з надмірною яскравістю червоного крила в порівнянні з синім. Це могло вказувати на стиск плазми в певній частині спалаху. Вивчення профілів ліній L_а і L_b слабких спалахів і флокулів показало, що крила ліній розширені головним чином за рахунок штарк-ефекту і загасання випромінювання. В області утворення крил цих ліній електронна концентрація у спалахах і флокулах n_е = 2 × 10¹³ см^-3, кількість атомів водню в основному стані у стовпі перетином 1 см² N₁ = 4 × 10²⁰см^-2. В активних областях n_е в 10–100 разів більше, а N₁ в 10–100 разів менше, ніж у спокійній хромосфері. Отже, іонізація в активній області (слабкі спалахи, флокули) в 10²–10⁴ разів більше, ніж у спокійній хромосфері [7, c. 3].

Під час дослідження активних областей Сонця щілина спектрографа перетинала області різної полярності магнітного поля. Вивчення доплеровських зрушень ліній у флокулі показало, що області протилежної полярності фотосферного магнітного поля пов'язані між собою через хромосферу і перехідну область між хромосферою і короною петлями, по яких плазма перетікала з однієї частини активної області в іншу. Згідно космічним і наземним спостереженнями, швидкість спрямованих рухів, а також хаотичних («турбулентних») рухів в нижніх частинах флокулів становила близько 10 км/сек, а у верхніх внаслідок зростання висоти – 80–100 км/с [7, c. 27].

Проведення астрофізичного експерименту «ОСТ-1» було ускладнене мінімальною сонячною активністю. На поверхні Сонця вченими спостерігалася мала кількість активних утворень. Ще більш рідкісними були такі явища як спалахи. За проведення експерименту та отримання вагомих результатів у галузі астрофізики присуджена урядова нагорода – Орден Трудового Червоного Прапора. «За досягнуті успіхи в розвитку народного господарства» два учасники експерименту нагороджені золотими, один срібною і десять бронзовими медалями ВДНГ. Експеримент «ОСТ-1» значився як головний в програмі орбітальної космічної станції «Салют-4», і називався астрофізичний експеримент №1. Згідно з «табелем про ранги» подібні, успішно проведені основні експерименти космічних запусків відзначалися Державною премією [3, c. 85 – 86]. Для нагородження премією складався список вчених, розробників і космонавтів орбітальних космічних станцій. Для включення до такого вчених КрАО АН СРСР відбулася зустріч директора обсерваторії А.Б. Сєвєрного та керівника розробки «Салюта» К.П. Феоктистова. Андрій Борисович не підтримав Костянтина Петровича, оскільки науковці обсерваторії вже були задіяні у створенні «Щита Батьківщини» і за участь в проекті могли бути удостоєні Ленінської премії. КрАО АН СРСР, що мала досвід у розробці космічних телескопів, висунула пропозицію розробити новий оптичний прилад з дзеркалом більшого діаметру, придатний для спостереження за ракетами в космосі. Вчені мали за мету створити зоряний телескоп, подібний запушеному до того часу телескопу «Коперник», а потім використовувати розробку як дзеркальний об'єктив для цілей розвідки. Прилад, здатний заздалегідь побачити «рейгеновські» ракети, спрямовані на СРСР, планували створити за 2–3 роки. Через досить короткий термін після отримання Державної премії тривалістю в кілька років дослідники не змогли б бути гідними Ленінської премії. Парадоксально, але Комітет у справах винаходів і відкриттів не виявив в експерименті елементи новизни. Універсальність «ОСТ-1», яка полягала в розміщенні на станції «Салют-4» блоків телескопа на поверхні станції без власної несучої конструкції, не була визнана.

Проте вчені КрАО АН СРСР внесли великий вклад у розвиток космічної науки на території Кримського півострова. Ними був розроблений і сконструйований найбільший в світі керований космонавтами сонячний телескоп з фокусною відстанню 2, 5 м і робочої апаратурою 490 см², який працював в широкому спектральному інтервалі від вакуумного ультрафіолету до інфрачервоної області. Унікальний астрофізичний комплекс «ОСТ-1» відрізнявся від усієї створеної раніше оптичної апаратури для проведення позаатмосферних експериментів. Він не мав власної єдиної механічної конструкції, складався з низки окремих блоків, що містили логічно завершені частини оптичної системи. У конструкцію H_α-камери був вперше впроваджений інтерференційно-поляризаційний фільтр з оригінальною системою терморегулювання. Елемент забезпечував при довжині хвилі фільтра λ = 656, 3 нм смугу 0, 05 нм, повноцінно функціонував на орбіті штучного супутника Землі. Низькоабераційний ультрафіолетовий спектрограф з подвійною монохроматизацією у поєднанні з ОСТ-1, який давав високоякісне зображення Сонця, вперше дав можливість отримати стигматичні короткі ультрафіолетові спектри, в яких ділянки спектральних ліній за висотою спектра належали відповідним точкам зображення, переданим вхідною щілиною.

Запуск астрофізичного комплексу «ОСТ-1» ознаменував початок широкого освоєння нового спектрального діапазону в прикладній науці, а саме далекого ультрафіолету, включаючи вакуумний. Вивчення співробітниками КрАО АН СРСР ультрафіолетових спектрів сонячних утворень дозволило дати об'єктивну оцінку фізичних умов в останніх на рівні верхньої хромосфери і перехідної зони між хромосферою і короною. В системі був вперше застосований тіньовий датчик орієнтації, що дозволив істотно спростити механічну частину системи і тим самим підвищити її загальну надійність. До досягнень вчених КрАО АН СРСР можна віднести успішне проведення експериментів з нанесення нових відображаючих шарів на обидва дзеркала телескопа. Космонавтами першої експедиції О.О. Губарєвим і Г.І. Гречко нанесено нове відбиваюче покриття на головне дзеркало, а космонавтами другої – П.І. Климуком і В.І. Севастьяновим – алюміновано слідкувальне дзеркало.

Дані досліджень, отримані у двох експедиціях на космічній станції «Салют-4», систематизовано, бортові журнали і записи впорядковано. Матеріали досліджень послужили основою для розробки методів оперативного і довгострокового прогнозування та визначення радіаційного положення в атмосфері в навколоземному космічному просторі. За результатами експерименту «ОСТ-1» співробітниками КрАО АН СРСР створено каталог фотографій спектрів, опубліковано більше 12 друкованих праць у вітчизняних та зарубіжних журналах, зроблено шість доповідей на Міжнародних симпозіумах і конференціях і чотири повідомлення на внутрішньосоюзних конференціях [ 1, c. 65]. Вдале проведення експерименту «ОСТ-1» зумовило початок робіт над проектом «Астрон» під керівництвом О.О. Боярчука.

Інтеркосмос

Вивчення сонячної корони за допомогою ультрафіолетового спектрометра розпочато в КрАО АН СРСР у 1974 р. Після невдалого експерименту з «Салют-3» співробітники обсерваторії почали підготовку до першого в практиці наукової установи міжнародного радянсько-шведського космічного експерименту. Дослідницька робота проводилася за програмою «Інтеркосмос». Науковими представниками від СРСР були І.А. Житник (Фізичний інститут АН) та А.В. Брунс, В.К. Прокоф'єв (КрАО АН СРСР), керівником від Швеції призначений астрофізик Ян Олафф Стенфло. Експеримент за кордоном здійснювала корпорація Swedish Space Corporation, розробкою приладу займалися фірми Jungner Instrument АВ і SААВ-SCANIA.

Головним завданням дослідницького проекту було вивчення магнітного поля Сонця шляхом вимірювання його впливу на лінійну поляризацію випромінювання на сонячному лімбі. Для проведення спостережень в діапазоні довжин хвиль 120–150 нм вченими КрАО АН СРСР розроблений прилад спектрометр-поляриметр, який встановлювався на супутник «Інтеркосмос-16», запущений 26 липня 1976 р.

Основою оптичної схеми приладу була плоска об'єктивна дифракційна решітка, що мала 2400 штр/мм і дзеркало-камера Шмідта без корекційної пластини. Поле зору приладу становило 3–4 градуси і визначалося вхідною маскою, розташованою на плоскій решітці, що знаходилась у фокусі дзеркала. Решітка висвітлювалася сонячним світлом через систему двох дзеркал, які виконували функцію поляроїдів для ультрафіолетової області спектра. Відзеркалювальна поверхня кожного з плоских дзеркал поділялася на дві частини із золотим і алюмінієвим покриттями відповідно. Вчені КрАО АН СРСР передбачили зворотню послідовність покриттів по траєкторії проходження променів через дзеркала. Перший оптичний канал першого дзеркала, що мав золоте покриття, на другому дзеркалі відповідав алюмінієвому покриттю. Кут падіння променів на перше дзеркало дорівнював 60°, що відповідало максимальній поляризації світла, відбитого від золотого покриття. Друге дзеркало було розмежовано на дві зони з різним покриттям, тому кут падіння для нього з конструктивних міркувань становив 35° [ 1, с. 114–115 ].

У приладі науковцями передбачений двокоординатний датчик для точного визначення положення Сонця в його полі зору. Сканування по спектру відбувалося в результаті дрейфу орієнтації супутника в межах 2-х градусів в площині дисперсії. Рух супутника перпендикулярно площині дисперсії перемішав зображення Сонця в полі зору. Так як рух супутника був некерованим, при обробці даних спостережень співробітники КрАО АН СРСР першочергово перетворювали шкалу в лінійну, прив'язавши її до координат, які подавались датчиком.

Позаатмосферний експеримент «Інтеркосмос-16», здійснений на останньому апараті в серії малих супутників, дозволив отримати астрофізикам дані про спектри високого розділення рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання Сонця в період мінімуму сонячної активності, що дало певне уявлення про будову сонячної атмосфери. Також вітчизняними вченими вивчені динаміка, спектр і поляризація рентгенівського випромінювання Сонця. Проведені спостереження дали необхідний матеріал для вирішення проблемних питань в астрофізиці, підготувавши основу для здійснення низки фундаментальних космічних досліджень КрАО АН СРСР.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: