Международные экипажи в космосе

Общие принципы формирования научной программы полетов международных экипажей

Как подчеркивалось в предыдущей главе, основная задача международных экипажей в космосе — проведение научных исследований и экспериментов, подготовленных совместно учеными и специалистами социалистических стран — участниц программы «Интеркосмос».

Научная программа для международных экипажей была весьма обширной. В общей сложности ими было проведено более 150 экспериментов (включая выполненные повторно). По каждому полету эта общая цифра распределяется следующим образом: СССР — ЧССР — 6 экспериментов, СССР-ПНР — 10, СССР-ГДР — 15, СССР-НРБ-19[17], СССР-ВНР — 20, СССР-СРВ — 17, СССР-Куба-22, СССР-МНР — 25 и GCCP-CPP — 18 экспериментов. Для выполнения экспериментальной программы полетов международных экипажей учеными социалистических стран было специально сконструировано и изготовлено свыше 30 научных приборов и устройств.

Каковы же основные характерные особенности этой научной программы?

Во-первых, научная программа каждого полета, а следовательно, и вся исследовательская программа этого этапа включала эксперименты, которые являлись естественным продолжением исследований, Проводимых до этого в течение десятилетия в рамках программы «Интеркосмос». Более того, исследовательскую работу международных экипажей следует рассматривать как часть общей программы совместных работ в космосе, принятой в 1967 г. девятью социалистическими странами, как неразрывную цепь исследований, осуществляемых с тех пор в пяти основных областях сотрудничества.

Во-вторых, и это сразу бросается в глаза, исследовательская программа от полета к полету имела тенденцию к расширению, к включению в программу работ экипажа на орбите все большего числа экспериментов. Так, если первый (советско-чехословацкий) международный экипаж выполнил в ходе своего полета 6 экспериментов, то программа полета, например, советско-монгольского экипажа включала 25 экспериментов.

Это было вызвано тем, что к подготовке исследований для международных экипажей подключалось все большее число стран — участниц сотрудничества, ученые и специалисты которых стремились реализовать как можно больше научных идей, проверить те или иные методы исследований, получить ответы на те или иные вопросы. Кроме того, наличие на борту станции «Салют-6» разнообразной научной аппаратуры, и в частности той, которая оставалась от предыдущих полетов, расширяло возможности для исследований последующих экипажей, чем, естественно, не преминули воспользоваться составители научных программ.

В-третьих, космонавты-исследователи на борту станции «Салют-6» выполняли эксперименты непосредственно по заданиям ученых своих стран, что придавало их научной работе своеобразную окраску, накладывало национальный колорит традиционно сложившихся научных школ на исследования в рамках интернациональной программы.

В-четвертых, большая часть экспериментов, выполненных международными экипажами, приходится на исследования в области космической медицины, космического материаловедения, изучение Земли и ее атмосферы, т. е. на исследования, сулящие непосредственную практическую отдачу в ближайшем будущем. Это отражает тенденцию все большей практической направленности совместных работ в космосе, проводимых в рамках программы «Интеркосмос», в интересах различных отраслей народного хозяйства социалистических стран.

Наконец, в-пятых, при подготовке как общей исследовательской программы полетов международных экипажей, так и экспериментов для каждого конкретного полета важную роль играли комплексность и преемственность проводимых исследований. Повторение некоторых экспериментов, по мнению специалистов, позволяет получить более надежные результаты, накопить статистические данные, выявить как индивидуальные особенности, так и общие закономерности изучаемого явления. Так, например, медики сосредоточили свои усилия на экспериментах в целях изучения комплексной проблемы адаптации человека к условиям космического полета в наиболее ранний, так называемый острый период адаптации на орбите.

Заключая рассуждения общего характера, остается сказать, что всю совокупность проделанной международными экипажами научной работы можно разбить на четыре основных направления: эксперименты в области космической медицины и биологии, изучения поверхности Земли и ее атмосферы, астрофизики и изучения физических свойств космического пространства, космического материаловедения: Ниже будет также сказано о нескольких технических экспериментах, не выделяемых авторами в отдельное направление.

Эксперименты в области космической медицины

Медико-биологические эксперименты — непременная составная часть исследовательской работы космонавтов во всех пилотируемых космических полетах.

Сегодня доказано, что человек может жить и работать в космосе несколько месяцев. Но любой шаг, даже самый небольшой, в сторону увеличения сроков пребывания человека в космосе — это шаг в неизведанную область. Поэтому среди наиболее актуальных задач космической биологии и медицины — изучение влияния факторов космического полета на живые организмы, включая организм человека, в том числе таких факторов, как невесомость, космическое излучение, нервно-эмоциональное напряжение, и воздействия искусственной среды обитания на условия работы и жизни. Кроме того, в последние годы важное значение приобрели проблемы острого периода адаптации человека к условиям космического полета. Это вызвано тем, что практика пилотируемых космических полетов требует достижения космонавтом нормальной работоспособности уже в первые часы и дни пребывания на орбите. Таким образом, один из «центров тяжести» медико-биологических исследований в наши дни переносится на проблему нормализации и повышения работоспособности экипажа в полете, а также в область психологических реакций космонавта.

Именно учитывая перманентную важность медико-биологических исследований в космосе, ученые стремятся использовать каждый полет человека в космос для проведения тех или иных экспериментов.

Не стали исключением и полеты международных экипажей по программе «Интеркосмос». Более того, половина из общего числа проведенных космонавтами социалистических стран экспериментов приходится на медико-биологические исследования.

Начнем наш краткий обзор исследований в этом направлении с экспериментов «Опрос» и «Досуг», которые проводились почти всеми международными экипажами.

В эксперименте «Опрос» космонавты в ходе полета отвечали на вопросы специального медико-психологического опросника о состоянии здоровья и воздействии внешней среды на психическую деятельность, о выполнении поставленных перед ними задач. Каждому вопросу сопутствует пятибалльная шкала оценки. Космонавт выбирает (подчеркивает) балл, наиболее соответствующий его состоянию на момент обследования. На основе такой самооценки изучаются характеристики движения в условиях невесомости, особенности выполнения знакомых операций и формирования новых трудовых навыков, особенности ощущения аппетита и характер сна, характер взаимодействия членов экипажа, особенности общения с помощью речи, жестов и т. д. Материалы этого эксперимента позволяют оценить изменения в субъективной сфере человека, адаптирующегося к необычным факторам окружающей среды, индивидуальные особенности психологической адаптации человека (эмоционально-волевой сферы, потребностей самовосприятия, двигательных навыков и др.) к факторам среды обитания в космическом полете; эти материалы уже используются и будут использоваться в дальнейшем при совершенствовании космической техники и улучшении условий проживания и деятельности человека в замкнутом пространстве.

Эксперимент «Досуг» был посвящен исследованию эффективности воздействия зрелищно-музыкальных программ на работоспособность экипажа во время полета, а также изучению психологических аспектов адаптации космонавтов к необычным условиям космической среды обитания. Космический полет, особенно длительный, оказывает явное влияние на психофизиологическое состояние космонавтов из-за воздействия таких факторов, как сенсорное голодание и социальная изоляция. Данные наземных экспериментов, связанных с длительным пребыванием операторов в условиях замкнутой среды обитания, подтверждают это и свидетельствуют о развитии астении, что вызывает снижение работоспособности человека. В этих случаях рациональная организация досуга с просмотром рекомендуемых зрелищно-музыкальных программ рассматривается как путь оптимизации функционального состояния нервно-психической сферы в условиях информационного дискомфорта.

Эксперимент «Досуг» проводился с использованием бортового видеомагнитофона и бортовой видеотеки, которая обязательно включала зрелищно-музыкальные программы, подготовленные специально для данного экипажа. Разумеется, такие программы отражали национальные традиции и особенности и вкусовые пристрастия космонавтов.

Подготовленные программы просматривались космонавтами по выбору во время отдыха. Контролем эффективности предложенных программ служили экспертные оценки функционального состояния и работоспособности членов экипажа во время полета, а также данные самооценок и впечатлений, отраженных в медико-психологическом опроснике, и сообщения в послеполетной беседе.

По методике проведения к этим экспериментам примыкает эксперимент «Анкета», выполненный тремя международными экипажами (СССР-СРВ, СССР-МНР и СССР-СРР). Суть эксперимента заключалась в следующем.

В ранее проведенных космических полетах у членов экипажей наблюдались различные сенсорные и вегетативные симптомы в первые сутки полета, причем до настоящего времени они остаются еще недостаточно изученными. Противоречивые мнения о влиянии отдельных факторов на причины и механизм развития иллюзорных ощущений и болезни движения в определенной мере объясняются отсутствием систематизированных анамнестических данных[18] о предрасположенности к укачиванию в обычных условиях.

Цель эксперимента «Анкета» — изучить симптомы вестибулярных расстройств в полете, а также в период реадаптации и попытаться выявить определенные связи с чувствительностью к вестибулярным раздражителям в предполетных условиях. Для этого подготавливался специальный перечень вопросов, на которые космонавты отвечали до, во время и после полета. Вопросник предусматривал получение следующих сведений: как, например, переносил космонавт вестибулярные тренировки? через сколько времени после наступления невесомости началось ощущение прилива крови к голове (если оно возникало)? какого характера иллюзорные ощущения испытал космонавт (положение перевернутого тела, смещение предметов)? когда они появились? что способствовало их появлению? сколько времени они продолжались? и т. п. Вопросы помогали экипажам сосредоточить внимание на динамике своих ощущений, связанных с развитием болезни движения, и на зависимости их возникновения от конкретных условий полета и характера деятельности.

Польские медики предложили эксперимент «Вкус», который был проведен тремя международными экипажами (СССР-ПНР, СССР-ГДР, СССР-ВНР). В ходе этого эксперимента был выполнен цикл интересных исследований по изучению порога вкусовой чувствительности человека в условиях космического полета. В задачу эксперимента входило изучение механизмов, которые ответственны за нарушения вкусовых ощущений, наблюдающиеся у космонавтов во время космических полетов.

Высказывались различные, зачастую противоречащие друг другу гипотезы для объяснения причин этих нарушений. Выдвигалось, например, предположение, что указанные аномалии вызваны изменениями в восприимчивости у периферического рецептора вкусовых ощущений, возникающими в результате перемещения крови от нижних к верхним частям тела. Искались причины и в характере пищи, и в психологической сфере космонавта.

Для проведения эксперимента использовался специальный прибор — «электрогустометр», сконструированный в Варшавском институте авиационной медицины и приспособленный для работы на борту орбитального комплекса. Он представляет собой электронный прибор небольшого размера, состоящий из генератора пилообразного напряжения (позволяет получать между электродами ток в пределах от 0 до 300 мкА), цифровой измерительной системы и двух электродов (пассивного и активного). Для количественного анализа в эксперименте «Вкус» использовалось электрическое раздражение вкусовых рецепторов. Этот метод обеспечивает высокую объективность и точность измерений, а также быстроту получения результатов и возможность многократного повторения наблюдений. Перечисленные достоинства метода оказались решающими при его выборе для данных исследований.

При измерениях использовался самый простой электрический раздражитель — постоянный ток между двумя электродами: пассивный электрод космонавт держал в руке, а активным прикасался к языку в местах наибольшей концентрации вкусовых луковиц. По мере роста электрического напряжения у космонавта появляется металлический или кислый вкус во рту, что происходит вследствие возбуждения вкусовых луковиц и появления ионов Н и ОН благодаря электролизу жидкости в полости рта. Результат измерения можно было прочесть на цифровом индикаторе. Данные эксперимента «Вкус», полученные космонавтами, указывают на существование определенных закономерностей в изменениях вкусовых ощущений.

Чехословацкие медики предложили два эксперимента — «Кислород» и «Теплообмен»; эксперимент «Кислород» выполнили три международных экипажа (СССР-ЧССР, СССР-ПНР, СССР-ВНР), эксперимент «Теплообмен» проводился двумя международными экипажами (СССР-ЧССР, СССР-ПНР).

Для эксперимента «Кислород», который проводился с целью изучения кислородного режима в тканях человека, находящегося в условиях невесомости, чехословацкие специалисты создали прибор «Оксиметр». Эксперимент проводился следующим образом.

У человека и животных для сохранения и поддержания достаточного количества энергии непрерывно должны протекать процессы окисления, требующие постоянного притока кислорода. Длинный и сложный путь поступления кислорода в ткани организма определяется согласованной функцией легочного дыхания и кровообращения. И если динамика поступления кислорода в легкие и его перенос кровью изучены достаточно хороша, то паука мало что знает о том, где и как происходит «стыковка» кислорода с тканями живого организма и как используется кислород тканевыми ферментами. Важнейшим показателем взаимодействия этих двух процессов является так называемый уровень напряжения в ткапях организма.

В условиях невесомости наступает перераспределение крови из нижних участков тела в верхние, возникает переполнение кровью сосудов головы и верхней части тела. Это может сказаться на кислородном снабжении различных участков тела и изменении кислородного насыщения крови, а следовательно, и тканей организма. В эксперименте «Кислород» и выяснялось с помощью прибора «Оксиметр», как изменяется уровень напряжения кислорода в тканях во время космического полета и изменяется ли в процессе полета доставка кислорода в ткани организма. Кроме того, изучался характер потребления кислорода тканями в полете.

В ходе этого эксперимента была получена информация, позволяющая оценить интенсивность окислительных процессов в тканях космонавта в условиях невесомости, т. е. тех процессов, которые являются показателем интенсивности энергетического обмена в организме. Эти данные, в свою очередь, имеют существенное значение для оценки эффективности профилактических мероприятий, проводимых на борту пилотируемых космических аппаратов.

Эксперимент «Теплообмен» был посвящен изучению охлаждающих свойств среды, в которой обитают в полете экипажи космических кораблей и орбитальных станций. Проблема эта возникает в связи с тем, что в условиях невесомости процесс охлаждения тел претерпевает значительные изменения, вызванные «выпадением» из процесса теплообмена важнейшего компонента — теплоотдачи за счет естественной конвекции. Поэтому отсутствие естественной конвекции в условиях невесомости компенсируется созданием принудительных потоков воздуха с помощью вентиляторов. Однако такой метод не может считаться идеальным, поскольку теплоотдача при естественной конвекции является процессом саморегулируемым.

В условиях космического полета в обитаемых отсеках космических аппаратов, где состав и давление воздуха могут отличаться от земных параметров, а также в условиях интенсивной искусственной конвекции необходимо учитывать значительное количество различных характеристик среды, иными словами, в комплексе оценивать охлаждающие свойства воздушной среды. Чехословацкие специалисты для такой комплексной оценки предложили специальный прибор — электрический динамический кататермометр.

Первые исследования в этом направлении были начаты на биологическом спутнике «Космос-936», имевшем на своем борту автоматический кататермометр, также изготовленный в ЧССР. Результаты этого эксперимента подтвердили целесообразность расширенных исследований с участием космонавтов.

Основным элементом кататермометра является датчик, температура которого с помощью протекающего через него электрического тока доводится строго до 37 °C. При этом чем выше охлаждающие свойства среды, тем большая мощность электрического тока требуется для сохранения заданной температуры прибора. Замеряя потребляемую датчиком мощность, можно получить комплексный показатель охлаждающих свойств среды, учитывающий все ее основные характеристики. Прибор позволяет также производить объективную оценку теплового состояния космонавта прямым измерением температуры его кожного покрова в шести точках тела.

В процессе эксперимента изучалась степень корреляции между показаниями обычного термометра и кататермометра, а также между объективным и субъективным тепловыми состояниями космонавта. При положительных результатах эксперимента, т. е. если бы подтвердилось предположение о лучшей степени корреляции тепловых ощущений и состояния космонавта с показаниями кататермометра, этот, прибор можно было бы рекомендовать для использования в системе терморегулирования пилотируемых космических аппаратов вместо традиционных термометров.

Результаты эксперимента «Теплообмен» показали, что существует хорошее согласие между средними значениями температуры кожи, полученными различными приборами. В контрольных экспериментах на Земле и на 5-й день полета в невесомости эти значения были заключены в пределах 33–34 °C, а это свидетельствует о нормальном тепловом режиме. Однако достижение таких показателей по оптимальному тепловому режиму в условиях космического полета требует большего охлаждающего воздействия среды, чем на Земле.

Три интересных эксперимента были подготовлены совместно учеными ГДР и СССР и выполнены несколькими международными экипажами (СССР-ГДР, СССР-ВНР и СССР-МНР); это — «Аудио», «Время» и «Речь».

В эксперименте «Аудио» выяснялось влияние невесомости на порог слухового восприятия космонавта. Как оказалось, шумы на начальной стадии полета воспринимаются сильнее и интенсивнее, нежели на Земле. Для того чтобы ответить на вопрос, какую роль при этом играют объективные факторы, а какую — субъективные, космонавты измеряли порог слухового восприятия в предельные моменты времени с помощью ручного аудиометра «Эльба», разработанного народным предприятием «Прецитроник» в Дрездене. Прибор позволял точно измерять шум в диапазоне частот 500 Гц—6 кГц.

Одновременно проводились опыты с использованием прецизионного измерителя уровня импульсных шумов. Прибор, изготовленный народным предприятием измерительной техники «Отто Шен» (Дрезден), был самым миниатюрным в мире прибором подобного класса и обладал высокими эксплуатационными характеристиками. С его помощью исследовались рабочие шумы в различных местах станции, а также регистрировался уровень шумов во время записи аудиограмм для того, чтобы можно было провести более точную научную обработку данных.

В наземных условиях слух человека исследуется в специальных звуконепроницаемых кабинах. На орбитальной станции таких условий для исследований слуха пока получить нельзя. Поэтому в эксперименте «Аудио» применялись наушники, разработанные специально для использования в космосе и имеющие особо высокую звукоизоляцию. Полученные аудиограммы каждого из членов трех международных экипажей сопоставлялись с данными измерений, проведенных в наземных условиях. Предварительная обработка результатов эксперимента «Аудио» указывает на изменяемость акустических характеристик, однако для окончательных выводов эксперименты подобного рода следует продолжить.

В эксперименте «Время» исследовались поведенческие реакции человека, а также динамика субъективного чувства времени у членов международного экипажа в условиях космического полета.

Известно, что у человека в той или иной мере развита способность ориентироваться во времени без помощи каких-либо контрольных приборов. Эта способность помогает человеку в его практической деятельности, а в ряде профессий, в частности у летчиков и космонавтов, признается важным профессиональным качеством.

Многочисленные данные наземных экспериментов свидетельствуют о том, что индивидуальные временные параметры деятельности человека подвержены колебаниям в зависимости от его функционально-психического состояния и от условий, в которых эта деятельность протекает. Получение информации о динамике указанного параметра в период адаптации космонавтов к условиям невесомости представляется важной научной и практической задачей.

В проведении эксперимента «Время» одновременно участвовали два члена экипажа, которые поочередно выступали то в роли испытателя, то в роли испытуемого. В качестве измерительного прибора использовался специально приспособленный для космических условий кварцевый электронный секундомер «Рула», разработанный на народном предприятии «Часовой завод Рула» (ГДР). Прибор имеет индикатор на светодиодах, выносной пульт управления и автономное электропитание. В трех сериях эксперимента были получены данные, свидетельствующие о субъективном ощущении времени космонавтом и быстроте и правильности его реакции.

В эксперименте «Речь» учитывался тот факт, что человеческий голос способен передавать не только деловую информацию, но обладает тембром, громкостью, темпом и другими характеристиками, по которым можно судить об эмоциональном состоянии человека, степени его возбужденности. При проведении эксперимента ученые имели возможность получить объективные данные о душевном состоянии космонавта, о выдерживаемых им нагрузках и его психологической устойчивости. Причем это делалось без применения на борту дополнительных технических средств: в Центре управления полетом на магнитной ленте фиксировались переданные космонавтами индексы и сообщения, которые затем анализировались с целью определения качественных и количественных характеристик частотно-амплитудных спектров.

Вот как, например, З. Йен рассказывал о проведении эксперимента «Речь» (этот рассказ еще раз свидетельствует о сердечной товарищеской атмосфере, царившей на орбитальной станции): «Я должен был произносить индекс «2-26», который в немецком языке содержит пять гласных. Это не так-то просто — по запросу Центра управления полетом оторваться от текущей работы, «подплыть» к микрофону и произнести этот индекс. Это имело неожиданный стимулирующий эффект: каждый раз запрос порождал у экипажа волну веселья. Мои товарищи попытались даже подменить меня и передавали мой индекс, стараясь произносить его по-немецки без акцента. Но специалистов на Земле нельзя перехитрить: они тотчас же «выуживали» помощника. Все данные были зарегистрированы… и был получен богатый материал для дальнейших исследований».

Три интересных медицинских эксперимента были предложены венгерскими учеными. Это — «Интерферон», «Работоспособность» и «Доза»; они проводились не только советско-венгерским, но и другими (СССР-МНР, СССР-СРР) международными экипажами.

Интерферон — это белок, который образуется в организме человека при заражении вирусом и выполняет естественную защитную функцию: он препятствует размножению вируса и повышает сопротивляемость организма к инфекции. Обнаруженный около 20 лет назад интерферон известен как один из самых активных биологических препаратов. Так, даже в количестве 0,000000001 мг (одной миллиардной миллиграмма) он сохраняет противовирусное действие. Интерферон возникает в организме не только при вирусном заражении, но и под воздействием многочисленных внешних и внутренних раздражителей.

Микробиологическая исследовательская группа Академии наук ВНР уже давно занимается изучением интерферона. Медики научились не только определять, как образуется этот белок в организме человека, но и получать его в искусственных условиях для того, чтобы при необходимости использовать его в профилактических или лечебных целях; так, введение препарата интерферона помогает человеку быстрее справиться с вирусным заболеванием.

В полете советско-венгерского экипажа эксперимент «Интерферон» распадался на три части. В первой части («Интерферон-1») изучалось влияние факторов космического полета на образование этого белка в клеточной структуре человека. Для этого в пробирках прибора, разделенных однонаправленными клапанами, были помещены культуры клеток человека и различные вещества, стимулирующие образование интерферона. Сразу после перехода на станцию Б. Фаркаш соединил оба компонента в каждой из пробирок и затем поместил их в термостат, где температура поддерживалась на уровне температуры человеческого тела — около 37 °C. Ученых в данном случае интересовало, будет ли в космосе. образование интерферона более интенсивным, чем на Земле. В случае положительного ответа можно надеяться на то, что со временем на борту орбитальных станций будет организовано производство этого полезного и очень ценного вещества.

В эксперименте «Интерферон-2» выяснялось, влияют ли условия космического полета на препарат интерферона, приготовленный в виде лекарственных форм. Для этого космонавты взяли с собой на станцию лекарственные препараты интерферона в виде порошков, мазей, эмульсий. В эксперименте «Интерферон-3» у космонатов до и после полета были взяты пробы крови. В пробах инициировалось образование интерферона. Поскольку образование интерферона в крови характеризует иммунологические механизмы организма, таким путем можно анализировать влияние больших нагрузок, воздействующих на организм человека в условиях космического полета.

Приборы для экспериментов «Интерферон» были изготовлены на заводе венгерской фирмы «Медикор». В итоге этих экспериментов ученые получили позитивные результаты, что открывает новые перспективы в предупреждении и лечении вирусных заболеваний, в частности тех, которые могут возникнуть у космонавтов в длительных космических полетах.

В эксперименте «Работоспособность» исследовалась умственная работоспособность космонавтов, при этом оценивались основные характеристики человека-оператора: скорость и точность реакции, помехоустойчивость, объем перерабатываемой информации и другие. Эти показатели отражают состояние психических и двигательных функций космонавта на конкретном этапе полета, при этом они могут претерпевать изменения в зависимости от функционального состояния человека и состояния его вегетативной нервной системы, психических особенностей личности и особых условий космического полета.

Эксперимент «Работоспособность» выполнялся с помощью специального прибора «Балатон», созданного венгерской фирмой «Медикор»; его размеры и потребляемая электроэнергия соответствуют космическим условиям, а масса составляет всего 420 г. Прибор питается от бортовой электросети.

«Балатон» работает по автономной программе, задавая космонавту четыре задачи, требующие принятия решений. Прибор оценивает время, прошедшее до принятия решения, частоту пульса (по кожно-гальваническому сопротивлению), точность и скорость решения, резервы организма и скорость обработки информации, изменение умственной деятельности и уровень усталости. Показатели времени и результативность выводятся на табло прибора. При помощи сигналов помех можно оценить при-спосабливаемость нервной системы на данный момент.

Прибор предоставляет возможности и для оптимального восстановления нервной системы. В этом случае звуковой сигнал различной высоты, слышимый в наушниках космонавта, информирует его о частоте пульса и величине сопротивления кожи, и космонавт может привести себя в так называемое расслабленное (релаксированное) состояние.

В эксперименте «Доза» изучалась радиационная обстановка в отсеках станции «Салют-6» и измерялись индивидуальные дозы излучений, воспринятых космонавтами. Такого рода исследования имеют большое значение для оценки радиационных воздействий на организм космонавта в длительных полетах.

Проблема радиационной безопасности человека в космическом полете всегда актуальна и важна. Атмосфера и магнитное поле, окружающие нашу планету, надежно защищают нас, людей, живущих на Земле, от космических излучений. При удалении от поверхности Земли защитное действие атмосферы ослабляется, соответственно возрастает интенсивность космического излучения. На космическом корабле или орбитальной станции космонавты получают в обычных условиях приблизительно такую дозу облучения, которая допускается, например, в изотопных лабораториях, — такая доза практически безвредна для здоровья человека.

При усилении солнечной активности или изменении магнитного поля интенсивность ионизационного излучения может значительно увеличиться. Полученные дозы уже могут угрожать здоровью и жизни космонавтов. Поэтому обеспечение радиационной безопасности космонавтов требует регулярного количественного измерения таких доз.

Эксперимент «Доза» проводился с помощью разработанной в Центральном институте физических исследований в Будапеште дозиметрической аппаратуры «Пилле», включающей набор термолюминесцентных датчиков и бортовой измерительный пульт. Аппаратура имеет широкий диапазон измерений и высокую точность.

Количество энергии, получаемое в результате облучения, определяется по изменению внутреннего состояния веществ в дозиметре, ее следы в них можно обнаружить даже через несколько лет. При нагревании вещества, излучая, возвращают свои первоначальные свойства, причем количество испускаемого излучения пропорционально воспринятой дозе радиации.

Нам остается в этом разделе рассказать о нескольких медицинских экспериментах, проведенных четырьмя международными экипажами, завершающими этот этап программы. Ряд экспериментов был проведен с целью изучения различных аспектов приспособления человека к специфическим условиям космического полета на начальном этапе, в так называемый острый период адаптации. Это — «Кровообращение», «Пневматик», «Баллисто», «Рео», «Воротник» и другие.

В эксперименте «Кровообращение» (СССР-СРВ, СССР-Куба, СССР-МНР) изучалась реакция системы кровообращения человека в условиях невесомости. Адаптация человека к экстремальным условиям космического полета связана со значительным напряжением организма и сопровождается некоторым снижением функциональных возможностей, прежде всего сердечно-сосудистой системы. Одним из основных процессов, которым характеризуется изменение функционального состояния организма в первые часы и дни пребывания в невесомости, является перераспределение крови в организме и связанная с этим симптоматика.

Установлено, что самочувствие космонавтов и их работоспособность в этот период в значительной мере зависят от степени выраженности гемодинамических сдвигов, проявляющихся главным образом в перераспределении крови в сосуды верхней половины тела и головы. По мнению ученых, такое перераспределение крови может быть одной из причин развития у космонавтов вестибулярных нарушений и иллюзий положения тела в пространстве.

Глубокое изучение механизмов реакции организма человека в условиях невесомости, а также поиски оптимальных бортовых профилактических средств и методов их использования являются наиболее актуальными задачами в теории и практике современной космонавтики. С этой целью наряду с медицинским обследованием членов экипажа в состоянии покоя используются различные функциональные (нагрузочные) пробы, позволяющие изучать течение процесса адаптации организма к невесомости и прогнозировать его состояние после возвращения в условия нормальной земной гравитации.

К настоящему времени накоплены данные, свидетельствующие, что даже кратковременные космические полеты (2–8 суток) вызывают изменения в функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы космонавта, проявляющиеся в снижении его устойчивости к физическим нагрузкам. Имеются также данные о том, что выполнение физической работы на велоэргометре или «бегущей дорожке» в остром периоде адаптации к невесомости способствует уменьшению ряда субъективных ощущений, связанных с перераспределением жидких сред организма.

Эксперимент «Кровообращение» проводился для более полного понимания механизмов реакции организма на физическую нагрузку в условиях невесомости, уточнения возможности использовать работу на велоэргометре как высокоинформативную функциональную пробу и профилактическое средство в остром периоде адаптации к невесомости. Кроме изучения реакций сердечно-сосудистой системы, эксперимент позволил также судить и оценивать кардиореспираторную систему космонавта при выполнении определенной физической нагрузки, что в конечном счете дает возможность сделать вывод об изменении физической работоспособности.

Пробы проводились до полета, два раза во время полета и в первые сутки после окончания полета. При проведении пробы регистрировался ряд параметров, характеризующих состояние сердечно-сосудистой и дыхательной систем (ЭКГ, кинетокардиограмма, флебограмма, реограмма, пневмограмма, жизненная емкость легких, минутный объем дыхания и другие) в зависимости от скорости вращения педалей велоэргометра.

К эксперименту «Кровообращение» примыкают эксперименты «Пневматик», «Баллисто» и «Рео», проведенные в ходе полета советско-румынского экипажа. В эксперименте «Пневматик» были получены данные об эффективности изделия «Пневматик-1» и уточнены режимы его работы.

Как показали исследования, депонирование крови в нижних конечностях с помощью комплекта пережимных манжет «Пневматик-1» уменьшает кровенаполнение головы и сократительный объем сердца, улучшает венозный отток из полости черепа и снимает неблагоприятную субъективную симптоматику в острый период адаптации. В процессе эксперимента регистрировались: кинетокардиограмма (регистрация вибраций грудной стенки для выявления изменений сердечной деятельности), флебограмма (исследование вен), тетраполярная реограмма (исследование кровенаполнения сосудов) головы и туловища, жизненная емкость легких.

Эти данные необходимы для улучшения в дальнейшем метода депонирования крови в нижних конечностях с помощью пережимных манжет.

Другой эффект перераспределения крови в верхнюю половину тела в условиях невесомости ведет к усилению работы правых отделов сердца вследствие усиленного притока крови в легочные сосуды. Возникающий дисбаланс между деятельностью левых и правых отделов сердца постепенно уменьшается или полностью сглаживается по мере адаптации организма к условиям невесомости.

Этот эффект был предметом исследования в эксперименте «Баллисто», в ходе которого выяснялась степень возникающего в острый период адаптации к невесомости геодинамического дисбаланса и быстрота его уменьшения. Это важно не только для изучения механизмов адаптации системы кровообращения, но и для прогнозирования функционального состояния организма.

Используемый в эксперименте метод баллистокардио-графии позволяет непосредственно судить о сократительной функции сердца, проводить интегральную оценку гемодинамики, а также выявлять те или иные функциональные нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы: ослабление силы сердечных сокращений, нарушение их координации, уменьшение или увеличение венозного притока и другие.

В эксперименте «Рео» проводилось реографическое исследование состояния мозгового, центрального и периферического кровообращения как в условиях покоя, так и во время функциональных нагрузок.

Интересный эксперимент по изучению и предупреждению болезни движения в первые дни космического полета был осуществлен двумя международными экипажами (СССР-МНР, СССР-СРР). Практика пилотируемых полетов свидетельствует о том, что в невесомости в острый период адаптации у многих космонавтов развиваются признаки болезни движения (головокружение, тошнота, иногда рвота), что неблагоприятно отражается, в частности, на их работоспособности.

На сегодня существуют две основные гипотезы, объясняющие возникновение болезни движения в космическом полете. Одна связывает развитие болезни с сенсорным конфликтом (поступление в центральную нервную систему необычных сигналов от анализаторов), другая — с перемещением жидких сред организма в направлении верхней половины тела и головы (это вызывает повышение внутричерепного давления, что также может изменить состояние рецепторов вестибулярного аппарата).

Однако есть и другие факторы, которые могут способствовать развитию болезни движения. В частности, еще недостаточно оценено влияние снижения тонуса антигравитационной мускулатуры отдельных мышечных групп у космонавтов, особенно шейной мускулатуры. Одним из способов борьбы с нарушениями взаимодействия анализаторов и профилактики болезни движения может стать создание нагрузки — давления на шейный отдел позвоночника, усилия — напряжения шейной антигравитационной мускулатуры и ограничение движений головой в острый период адаптации. Этот способ и проверялся в эксперименте «Воротник».

В эксперименте использовался профилактический шейный амортизатор, который космонавты носили (кроме часов сна) в первые три дня в зависимости от самочувствия. В итоге эксперимента были получены обнадеживающие результаты.

В ходе полетов были проведены также медицинские эксперименты: «Кардиолидер», «Чибис» (СССР-ПНР), «Дыхание», ««Оператор» (СССР-НРБ, СССР-СРВ), «Кортекс», «Суппорт», «Антропометрия», «Координация», «Восприятие» (СССР-Куба), «Биоритм», «Чацаргана», «Нептун» (СССР-МНР), «Информация», «Иммунитет» (СССР-СРР). Читателей, которые хотели бы получить более подробные и основательные сведения об этой стороне исследовательской деятельности международных экипажей, мы отсылаем к дополнительной литературе, список которой приведен в конце книги.

Биологические эксперименты

Значение биологических экспериментов для развития наших представлений о жизненных процессах в условиях космического полета трудно переоценить. Всего было проведено семь экспериментов: «Хлорелла» (СССР-ЧССР), «Метаболизм бактерий», «Культура ткани», «Рост бактерий» (СССР-ГДР), «Азола» (СССР-СРВ), «Атуэй», «Мультипликатор» (СССР-Куба). Здесь мы подробно остановимся на трех экспериментах.

В эксперименте «Хлорелла» изучалось влияние невесомости на рост одноклеточной водоросли. Хлорелла получила широкую известность как «космическая водоросль». Эти одноклеточные организмы способны поглощать углекислый газ и давать взамен кислород, которым может пользоваться экипаж в длительных космических полетах. Кроме того, хлорелла может использоваться как продукт питания, поскольку она примерно на 60 % состоит из белка. Наконец, эта одноклеточная водоросль является удобным объектом для исследования особенностей биологии растений при воздействии невесомости.

В данном случае культура водорослей применялась исключительно как модель быстрорастущего организма. В оптимальных условиях роста количество клеток удваивается через каждые 4 ч. Таким образом, в течение одной недели космического полета образуется несколько поколений водорослей. Основное значение эксперимента заключается в том, что специалисты смогли получить данные об организмах, несколько поколений которых последовательно развивалось в условиях невесомости. При этом следует подчеркнуть, что пока самые длительные космические полеты человека представляют собой лишь незначительную часть средней продолжительности жизни одного поколения людей.

Космонавты доставили на борт «Салюта-6» четыре контейнера с популяциями водорослей (в запаянных ампулах) и органической питательной средой. В первых трех контейнерах помещалось по две ампулы с одним и тем же видом водорослей. Причем водоросли были доставлены на орбиту в нерастущем, покоящемся состоянии, и только на станции космонавты осуществили подачу к ним подготовленной питательной среды.

Эксперимент «Хлорелла» начался с того, что в каждом из трех контейнеров было раздавлено по одной ампуле, тем самым культура водорослей была введена в питательную среду, в которой она в дальнейшем размножалась в отсутствие света. Другие ампулы в контейнерах остались для контроля в нераздавленном состоянии: находившиеся в них в неактивном состоянии водоросли были возвращены на Землю. Контрольные варианты водорослей были одновременно высеяны в наземной лаборатории, по возможности в идентичных условиях, за исключением, естественно, невесомости.

Сразу после завершения полета в каждом из контейнеров часть суспензии водорослей была законсервирована специальным фиксатором для дальнейшего подробного анализа состояния культуры (в конце сравнительного эксперимента), а часть транспортировалась в наземные лаборатории в живом состоянии для изучения разного рода воздействий факторов космического полета на культуры водорослей. Это позволило в отличие от ранее проводившихся в космосе экспериментов с хлореллой непосредственно сравнить результаты воздействия невесомости как на активно растущие, так и на покоящиеся клетки водорослей. В значительной степени такое сравнение стало возможным благодаря тому, что космонавты принимали активное участие в проведении эксперимента во время полета.

В четвертом контейнере находились три ампулы с разными видами водорослей, которые использовались и в трех первых контейнерах. На «Салюте-6» все три ампулы были раздавлены одновременно, и в питательной среде оказалась культура, состоящая из трех различных видов водорослей. При этом предполагалось изучить проявление конкуренции различных форм в процессе их роста и возможное в конечном итоге преобладание одних форм над другими.

Эксперимент «Хлорелла» дал очень интересные результаты. В частности, он показал, что состояние невесомости никак не влияет на скорость роста популяции водорослей. Принципиальных различий между свойствами популяций, выращенных из этих клеток и из тех, которые сохранялись во время полета в состоянии покоя на Земле, также не было обнаружено.

В биологическом эксперименте «Метаболизм бактерий» ученые сделали попытку проверить следующую научную гипотезу. Существует предположение, что с возрастанием уровня организации живых организмов увеличивается доля энергии, необходимой для сохранения их структуры при воздействии силы тяжести. Поскольку все организмы вынуждены тратить часть энергии, полученной в результате обмена веществ, на сохранение своей структуры, можно считать бактерии, обладающие простой клеточной структурой, живыми существами, находящимися как бы в нулевой точке соответствующей шкалы. Задача эксперимента «Метаболизм бактерий» и состояла в том, чтобы выяснить, соответствуют ли бактерии такой нулевой точке.

Бактерии в этом эксперименте культивировались в приборе «Йена», разработанном в ГДР и состоящем из пяти камер, которые содержали питательный раствор разной концентрации, споровую суспензию бактерий и средства их консервации. В определенный момент времени космонавты произвели перемешивание споровых суспензий с питательными растворами, и начался рост культур бактерий.

Различная концентрация культуры клеток зависит не только от того, сколько питательных веществ имеется в камере, но и от количества энергии, получаемой в результате обмена веществ и идущей на рост, размножение и сохранение структур. Соотношение образовавшейся биомассы и использованных питательных веществ определяет так называемый коэффициент выхода. Сравнение коэффициентов выхода, полученных в земных условиях и в космосе, показывает, влияет ли гравитация на обмен веществ, необходимый для поддержания структуры клеток. Эксперимент дал обнадеживающие результаты.

В биологическом эксперименте «Азола» (СССР — СРВ) были получены данные о влиянии невесомости на процессы роста и развития, а также морфологическую структуру высшего растения Азолы пиннаты.

Азола пинната — водный папоротник; является уникальным растением, представляющим особый интерес для космической биологии, из-за чего и был предложен вьетнамскими учеными в качестве объекта исследований. Азола относится к самым мелким из высших растений: взрослое растение, имеющее вид вытянутого диска, составляет в длину 3 мм. Благодаря этому в приборе ИФС-2, который ранее использовался для выращивания водорослей в невесомости, можно разместить 10–20 штук растений, что обеспечивает получение достоверных данных. Азола также исключительно быстро размножается, что дает возможность за реальный срок полета провести полную смену поколений.

Азола имеет еще одну интересную особенность — в ее воздушных пазухах живет и размножается сине-зеленая микроскопическая водоросль Anabena, способная усваивать атмосферный азот и превращать его в азотсодержащие соединения, пригодные для питания растений. Благодаря этому размножающаяся на рисовых полях Asola способствует повышению плодородия почвы без расхода азотных удобрений. Кроме того, эта ее особенность позволяет одновременно изучать не только поведение высшего растения в невесомости, но и простейшую экологическую систему.

Эксперименты по изучению поверхности Земли и ее атмосферы

Примерно треть (около 50) из общего числа экспериментов, проведенных международными экипажами по программе «Интеркосмос», имеет отношение к исследованиям земной атмосферы и поверхности Земли в целях изучения ее природных ресурсов. И это не случайно.

За последнее десятилетие это направление космических исследований стало одним из важнейших. Уже сейчас оно приносит весомый экономический эффект, а в будущем с его развитием связывают надежды на создание глобальной космической службы природоведения и природоохраны. Необычайно широка сфера народнохозяйственного применения дистанционного зондирования Земли из космоса: обнаружение районов, перспективных на поиск полезных ископаемых; исследования в интересах сельского и лесного хозяйства, гидрологии, землепользования, океанографии, мелиорации, метеорологии; изучение акваторий Мирового океана. Исследования в этом направлении позволят также улучшить контроль за загрязнением окружающей среды, что приобретает в наши дни актуальнейшее значение. С каждым годом все большее число сугубо «земных» природоведческих дисциплин обращаются за помощью к космической информации, привлекают для своего развития космические средства.

Для проведения экспериментов по изучению атмосферы и поверхности Земли на орбитальной станции «Салют-6» находилась разнообразная научная аппаратура. Это, во-первых, многозональная фотоаппаратура МКФ-6М, разработанная специалистами СССР и ГДР и изготовленная в ГДР. О МКФ-6М, ее конструктивных и эксплуатационных достоинствах много писалось в советской печати[19]. Отметим только такой факт: за 10 суток работы на орбитальной станции камера МКФ-6М может сфотографировать в шести зонах спектра такую же площадь, которую методом аэрофотосъемки можно было бы отснять лишь за 10 лет.

Во-вторых, это болгарская аппаратура — ручной спектрофотометр «Спектр-15» и электрофотометр «Дуга», созданные специально для международных экипажей и отлично зарекомендовавшие себя при использовании их космонавтами на орбитальной станции «Салют-6», а также визуальный поляризационный анализатор ВПА-1, созданный специалистами СССР. В-третьих, это фотоаппараты «Практика-ЕЕ2», «Пентакон-6М», КАТЭ-140, «Киев»; они использовались, в частности, с поляризационными фильтрами.

Совокупность экспериментов по изучению Земли и ее атмосферы достаточно условно можно разбить на четыре группы. К первой группе относятся эксперименты по исследованию ряда физических процессов, которые протекают в верхних слоях земной атмосферы, связанных как с локальными аэрономическими процессами, так и с воздействием магнитосферй на ионосферу. К этой группе в основном относится серия экспериментов, проведенных с помощью прибора «Дуга» («Экватор», «Полюс», «Эмиссия», «Свечение»). К этой группе тесно примыкают некоторые эксперименты по изучению физических свойств космического пространства, о которых речь пойдет в следующем разделе.

Ко второй группе следует отнести эксперименты по изучению атмосферы — ее структуры, состава, происходящих в ней физических процессов и т. п. Результаты этих экспериментов равно интересны для геофизики, метеорологии, климатологии, решения задач атмосферной оптики и других.

К третьей группе мы относим эксперименты, специально предназначенные для исследования атмосферы как среды, разделяющей при дистанционном зондировании Земли измерительный прибор и объект измерений. К этой же группе целесообразно отнести эксперименты по определению загрязнения атмосферы аэрозолями, продуктами промышленных отходов и т. п., поскольку это прямо влияет на передаточную функцию атмосферы.

Наконец, к четвертой группе относятся эксперименты, непосредственное назначение которых — дистанционное зондирование поверхности Земли в целях изучения ее природных ресурсов.

Первая группа экспериментов была посвящена исследованиям оптических явлений в верхней атмосфере (полярные сияния, среднеширотные красные дуги, экваториальное свечение и другие). В последнее время эти явления вызывают повышенный интерес, так как они имеют непосредственную связь с важными физическими процессами в магнитосферно-ионосферной плазме. Кроме наземных наблюдений, за последние два десятилетия был осуществлен ряд спутниковых и ракетных измерений этих явлений, в результате была получена информация о пространственной структуре свечений, их спектральном составе.

Наблюдения проводились с помощью прибора «Дуга», при этом с борта орбитальной станции наблюдались свечения верхней атмосферы в области экватора и экваториальных дуг в слое ионосферы (эксперимент «Экватор»), вертикальная структура основных эмиссионных линий в полярных сияниях («Полюс»), исследовалось широтное распределение основных атмосферных эмиссий («Эмиссия») наблюдалось свечение стабильных авроральных дуг («Свечение»).

Следует подчеркнуть, что эксперименты по изучению атмосферы и поверхности Земли проводились почти всеми международными экипажами. Так, переходя ко второй группе экспериментов, отметим, что четыре международных экипажа выполнили эксперименты «Заря», «Терминатор», «Поляризация» (СССР-ВНР, СССР-СРВ, СССР-Куба, СССР-МНР), последний эксперимент был проведен также международным экипажем СССР-ГДР.

В серии экспериментов «Поляризация» проводились визуально-инструментальные исследования поляризации солнечного света, рассеянного атмосферой и отраженного Землей. Поляризация наряду с другими оптическими явлениями — «тонкий инструмент» исследования природы, состава и структуры твердых, жидких, газообразных сред, их смесей, характера их поверхностей и динамики взаимодействия. Именно поэтому в течение более 70 лет с поверхности Земли ведутся систематические поляризационные исследования атмосферы, эти исследования имеют большое значение для атмосферной оптики, метеорологии, а в последние годы для дистанционного зондирования Земли из космоса.

Поляризационные исследования атмосферы и подстилающей поверхности (ландшафты) с космических кораблей и орбитальных станций начались сравнительно недавно[20]. В отличие от наземных наблюдений, которые ведутся из неподвижной точки в условиях неизменной ландшафтной ситуации и, как правило, при отсутствии облачности в пределах горизонта, исследования из космоса проводятся из перемещающейся на орбите точки наблюдения на фоне быстро меняющихся атмосферно-ландшафтных ситуаций и при облачности в пределах видимого горизонта. Все это усложняет измерения, к тому же разграничение множества взаимосвязанных явлений требует разработки специальных методик исследований и накопления большого статистического материала. Но наблюдения из космоса обладают важными преимуществами: они охватывают значительно большие поля обзора и обеспечивают получение уникальной информации о влиянии практически всех возможных атмосферно-ландшафтных ситуаций на исследуемые параметры. Иными словами, такие исследования крайне необходимы для надлежащей коррекции информации о природных ресурсах Земли, получаемой из космоса.

В эксперименте «Поляризация» ученые ставили перед космонавтами задачу накопления сведений, необходимых для автоматизации определения атмосферных ситуаций в целях повышения эффективности изучения природных ресурсов Земли из космоса. Кроме того, проводились прямые визуальные измерения степени поляризации зодиакального света и других, доступных глазу световых явлений в верхней атмосфере.

Важную информацию о структуре атмосферы могут дать исследования солнечного света, рассеянного земной атмосферой во время захода (или восхода) Солнца. Наблюдения восхода и захода Солнца с борта космических кораблей и орбитальных станций «Салют» показали их большую перспективность для решения задач атмосферной оптики и дистанционного зондирования, изучения Земли и земной атмосферы из космоса. Поэтому члены нескольких международных экипажей с помощью фотоаппарата, снабженного поляризационными фильтрами, и ручного спектрометра «Спектр-15» выполнили наблюдения восхода и захода Солнца и дневного горизонта (эксперимент «Заря»), а также последовательное фотографирование в двух симметричных точках солнечного меридиана, причем одна из точек лежит в области восхода (или захода) Солнца, а другая — в области земной тени (эксперимент «Терминатор»).

Важное значение имели эксперименты «Контраст», «Атмосфера», «Улан-Батор», «Солонго», «Иллюминатор» (СССР-НРБ, СССР-ВНР, СССР-СРВ, СССР-Куба, СССР-МНР). Известно, что при дистанционном зондировании Земли с целью изучения ее природных ресурсов объект исследования (земная поверхность) и измерительный инструмент, а точнее, чувствительный элемент, воспринимающий информацию (например, пленка фотоаппарата, находящегося на орбитальной станции), разделены несколькими средами: это, во-первых, атмосфера, во-вторых, оптика измерительного прибора, иллюминатор, через который производятся измерения, и т. п. Эти среды вносят искажения в результаты измерений, поэтому их необходимо корректировать.

Так, при изучении природных ресурсов Земли из космоса используются характеристики отраженной от земной поверхности солнечной радиации и собственное излучение природных образований. Так как солнечная радиация и собственное излучение земных объектов трансформируются при прохождении через атмосферу, то при корректировке измерительной информации о природных ресурсах необходимо учесть атмосферные эффекты. Трансформация излучения в атмосфере связана с поглощением и рассеянием электромагнитных волн атмосферными газовыми составляющими и аэрозольными частицами. Эти процессы изменяют спектральное, угловое и пространственное распределение радиации. Кроме того, за счет рассеяния и собственного излучения самой атмосферы на излучение исследуемого объекта накладывается фон, который искажает структуру исходного сигнала, а также несет информацию о самой атмосфере. Для учета атмосферных эффектов был предложен некий обобщающий параметр — передаточная функция атмосферы. С целью определения этой передаточной функции, а также с целью исследования оптических характеристик атмосферы на основе измерений угловой структуры излучения и спектральной яркости Земли и проводился эксперимент «Атмосфера».

Изменение передаточной функции атмосферы в зависимости от ее загрязнения над районами крупных городов и промышленных центров, которые находятся вблизи водных бассейнов, исследовалось в эксперименте «Контраст», а также в примыкающих к нему экспериментах «Улан-Батор» и «Болонго». К сожалению, развитие транспорта и интенсивный рост промышленности приводят к неуклонному повышению уровня загрязненности атмосферы, особенно вблизи крупных индустриальных центров. У них характерно наличие так называемых куполов загрязненности, высота которых иногда достигает километра. У водных бассейнов вблизи очага загрязненности наблюдается оптическая потеря резкости границы «вода — суша», что обусловливается главным образом загрязненностью атмосферы.

Результаты этого эксперимента, кроме определения изменения передаточной функции атмосферы, позволяют классифицировать загрязненность по виду и составу, исследовать динамику загрязненности воздушных бассейнов и прибрежных вод промышленными отходами, классифицировать промышленные центры по виду и составу загрязнителей и т. п.

В итоге длительного функционирования научной станции «Салют-6» происходит загрязнение (помутнение) оптических поверхностей иллюминаторов. Следовательно, информация, полученная на станции через иллюминатор, определенным образом искажается. Устранить это явление сложно, но можно его учесть, если количественно оценить изменения по времени спектрального пропускания иллюминатора. Именно для этого проводился эксперимент «Иллюминатор», при этом измерялось спектральное пропускание иллюминатора в видимой и близкой инфракрасной частях спектра. В качестве источника света использовалось Солнце, излучение которого по спектральному составу известно и постоянно.

Непосредственно дистанционному зондированию Земли в целях изучения ее природных ресурсов были посвящены эксперименты «Земля» (СССР-ПНР), «Радуга-М» (СССР-ГДР), «Антияс» и «Тропико-3» (СССР-Куба), «Эрдэм» (СССР-МНР) и «Биосфера», которые проводили все международные экипажи, за исключением двух (СССР-ЧССР, СССР-СРР).

При выполнении этих экспериментов ключевую роль играли съемки с помощью многозональной фотоаппарат туры МКФ-6М. Эксперименты являлись составными частями долговременной и обширной программы, осуществляемой социалистическими странами и предназначенной для решения ряда задач научного и народнохозяйственного значения.

Съемка больших поверхностей целых регионов путем многозонального фотографирования стала принципиальным шагом в изучении Земли из космоса. Этот метод позволяет исследовать динамические процессы на поверхности Земли, в Мировом океане и атмосфере, достаточно часто или даже регулярно наблюдать всю поверхность Земли, включая труднодоступные районы.

В результате съемок фотоаппаратурой МКФ-6М была получена огромная по объему и интереснейшая по значению информация. Она получила высокую оценку ученых и специалистов (достаточно указать на совместный труд ученых СССР и ГДР по итогам этой работы[21]).

Следует отметить, что эксперименты по дистанционному зондированию Земли в целях непосредственного изучения ее природных ресурсов велись одновременно с работой наземных экспедиций и исследовательскими полетами самолетов-лабораторий, оборудованных соответствующей аппаратурой. Измерения на «трех этажах» значительно повышали эффективность и качество исследовательской работы космонавтов.

Каждый международный экипаж при проведении экспериментов по дистанционному зондированию Земли имел свои конкретные задачи. Естественно, что эти задачи во многом были похожими, а отличия определялись главным образом специфическими условиями природной среды страны, ученые которой ставили эти задачи. В самом деле, природные условия, например, Кубы и Монголии контрастно различны, поэтому задачи, которые ставились в экспериментах «Биосфера-К», «Антияс» и «Тропико-3» (СССР — Куба) и экспериментах «Биосфера-Мон» и «Эрдэм» (СССР — МНР) существенно различны, хотя и для одной и для другой страны природоресурсная информация чрезвычайно важна.

Так, Монгольская Народная Республика, территория которой составляет 1,56 млн. км² по площади равна Великобритании, Франции, Испании и Италии, вместе взятым. Горы и возвышенности, пустыня Гоби, по всей видимости, скрывают богатейшие залежи полезных ископаемых.

Наблюдения и съемки в экспериментах «Биосфера-Мон» и «Эрдэм» дали возможность получить информацию, которая позволит изучать кольцевые структуры, рифтовые зоны и другие природные образования на территории страны, исследовать несколько особо сейсмичных зон в целях прогноза сейсмичности территории МНР, исследовать естественные пастбища, ледниковые, горные системы страны, определить границы сухостепной и полупустынной зон и другие геолого-географические характеристики. Такого рода информация имеет огромное значение для народного хозяйства МНР.

Несколько подробнее следует сказать об экспериментах «Биосфера». Цель этих экспериментов состояла в том, чтобы путем визуально-инструментальных наблюдений получить новую информацию о гео- и биосфере и о физических свойствах природных образований на поверхности Земли. При этом перед космонавтами ставилась задача выявить долговременные природные процессы и проследить за их динамикой.

В этих экспериментах космонавты наблюдали необычные атмосферные явления, облачные структуры, ландшафты, интересные метеорологические явления. В области геологии особый интерес представляли наблюдения зон разлома, зон перехода от суши к морю, а также явлений эрозии и засоления почвы, обнаружение определенных тектонических признаков. Для нужд океанологии космонавты вели наблюдения прибрежных зон, окраски отдельных водных пространств, восходящих потоков и т. п. В интересах охраны окружающей среды они собирали данные об облаках вредных веществ, о пылевых и дымовых образованиях, исходящих из промышленных центров, загрязнениях атмосферы и морских зон. Таким образом, сфера визуально-инструментальных наблюдений с орбиты достаточно широка. В чем их значение?

Несмотря на то что в последнее время ведутся интенсивные разработки автоматизированных фотосъемочных средств исследования Земли из космоса, визуальные наблюдения остаются важной частью научной работы на борту пилотируемых космических аппаратов. Высокая ценность визуальных наблюдений объясняется совершенством человеческого глаза и способностью человека практически мгновенно перерабатывать воспринимаемые изображения, способностью отделять существенное от несущественного, подмечать новые черты в известном процессе, улавливать загадочные и неизвестные явления.

Избирательная способность и логический анализ наблюдаемых данных вооружают человека таким комплексным восприятием окружающих явлений, которое в настоящее время никакой аппаратурой не может быть достигнуто. Поэтому программа работ международных экипажей на орбитальной станции «Салют-6» предусматривала, помимо фотографирования, и визуальные наблюдения Земли, атмосферы и околоземного пространства. В связи с этим представляет интерес оценка, данная летчиком-космонавтом ГДР З. Йеном визуальным наблюдениям Земли из космоса: «…несмотря на мою подготовку и рассказы советских космонавтов о том, как выглядит Земля из космоса, я изумился отчетливости, с которой была видна поверхность Земли со столь значительной высоты. Во всяком случае в некоторых отношениях, как мне показалось, даже лучше, чем с высот 10 и 20 км, которые я знаю по полетам на самолете. И все же это удивительное явление.

Безусловно, большую роль играют такие факторы, как зрительная способность космонавта, его способность воспринимать и перерабатывать информацию, разрешающая способность сетчатки глаз, быстрота распознавания и реакций, чувствительность его глаза к свету и цветоощущение. За восемь дней полета у меня не было заметных изменений остроты зрения, световой или контрастной чувствительности глаз».

Результаты экспериментов «Биосфера» подтвердили, что визуальные наблюдения представляют собой важное и необходимое дополнение к фотосъемкам и другим техническим способам исследований.

Эксперименты в области астрофизики и изучения физических свойств космического пространства

К этому разделу мы относим всего пять экспериментов.

Два эксперимента — «Сияние» (СССР-ПНР) и «Полярное сияние» (СССР-ГДР) — тесно примыкают к исследованиям, о которых речь шла в предыдущем разделе. Космонавты наблюдали такое интересное и во многом еще загадочное явление в верхней атмосфере, как полярные сияния. Помимо фотосъемок этого явления, они также зарисовывали его, чтобы зафиксировать индивидуальное восприятие цветовых оттенков и структурных особенностей у полярных сияний.

В эксперименте «Экстинкция» (СССР-ЧССР) космонавты наблюдали за изменением яркости звезд при их заходе за ночной горизонт Земли. Такие наблюдения проводились ранее и советскими, и американскими космонавтами, которые обратили внимание на тот факт, что яркость звезд уже на расстоянии приблизительно 100 км от горизонта Земли постепенно слабеет. При этом звезды меняют свой цвет или мерцают, после чего они на мгновение вновь вспыхивают, чтобы, наконец, исчезнуть в плотных слоях атмосферы.

Это явление до сих пор подробно не изучено, ему не найдено удовлетворительного объяснения, а различные гипотезы требуют экспериментального подтверждения. В частности, одна из гипотез связывает данное явление с поступлением в верхнюю атмосферу межпланетного вещества (мельчайших пылевых частиц — микрометеоритов) из окружающего Землю пространства. Это вещество оказывает влияние на оптические свойства атмосферы, и в этом случае теория указывает, что на высотах около 100 км образуется (главным образом в результате прохождения метеорных роев) слой с повышенной концентрацией таких частиц космического происхождения. С целью подтверждения наличия на высотах 80—100 км пылевого слоя, образованного микрометеоритами, и проводился эксперимент «Экстинкция».

Космонавтами А. А. Губаревым и В. Ремеком был получен визуально-наблюдательный материал, который послужил основой для разработки и изготовления фотоэлектронного фотометра для прецизионных измерений параметров этого явления в космических условиях. Такой фотометр впоследствии был создан специалистами ЧССР, доставлен на орбитальную научную станцию «Салют-7» и использован космонавтами А. Н. Березовым и В. В. Лебедевым в своей научной работе.

В эксперименте «Излучение» (СССР-МНР) космонавты с помощью диэлектрических детекторов исследовали интенсивность ядерной компоненты космических лучей в области малых энергий.

Систематическое изучение космических лучей непосредственно в космосе началось с полетов первых советских спутников Земли и проводилось самыми разнообразными методами, в основном с помощью автоматических приборов, данные с которых передавались на Землю по телеметрическим каналам. В последнее десятилетие стали применяться методы, требующие возвращения детекторов излучения на Землю. Примером может служить эксперимент, осуществленный учеными социалистических стран на спутнике «Интеркосмос-6», когда комплекс научной аппаратуры, в том числе большая стопка ядерной фотоэмульсии, был возвращен на Землю.

Для регистрации атомных ядер космических лучей в эксперименте «Излучение» использовались диэлектрические детекторы. Тяжелые атомные ядра, попадая в детектор, на своем пути разрушают его структуру. Если такой детектор обработать по специальной технологии, в нем в местах прохождения частиц появляются микроскопические тоннели и воронки, параметры которых позволяют определить заряд и энергию зарегистрированных детектором ядер. Преимуществом диэлектрических детекторов является их простота и возможность применения для длительных экспозиций, недостатком — отсутствие информации о времени регистрации частиц.

Метод диэлектрических детекторов для регистрации атомных ядер космических лучей использовался также в эксперименте «Астро» (СССР-СРР). Для выполнения эксперимента использовались два прибора, созданных румынскими специалистами, в которых применен для регистрации ядер чувствительный материал — нитрат целлюлозы.

Один прибор был установлен в шлюзовой камере и, таким образом, экспонировался в открытом космосе; он позволял регистрировать атомные ядра с энергиями в диапазоне 5—70 МэВ. Второй прибор «Астро» был расположен внутри станции. В этом приборе использовался блок детекторов, состоящий из четырех неподвижных и одного подвижного детектора, синусоидальное движение которого синхронизировано с перемещением станции по широте. Это позволяло осуществить привязку регистрируемых потоков космических лучей к географической широте.

Большой научный интерес эксперимента «Астро» был связан, в частности, с поиском и идентификацией новых форм существования ядерной материи, а именно не полностью ионизированных атомов в космических лучах или ядер с большим числом нейтронов.

Эксперименты в области космического материаловедения

О перспективности этого направления космических исследований, сулящего в будущем буквально революционные преобразования в технологии изготовления традиционных и новых материалов, писалось и пишется достаточно много. Как известно, основная цель космической технологии — использование факторов космического полета, главным образом невесомости, для получения полезных и подавления вредных влияний на процесс изготовления веществ и создание новых, технологически перспективных материалов.

В настоящее время трудно указать те рубежи, на которые выйдет промышленное производство в космосе благодаря созданию орбитальных технологических комплексов. Нам еще предстоит выявить технический потенциал невесомости, и пройдет немало лет, прежде чем человечество в полной мере воспользуется преимуществами и возможностями новой среды. Но и сейчас можно утверждать, что перед космической технологией, космическим материаловедением с созданием орбитальных станций открываются невиданные, фантастические перспективы.

А пока идет накопление фактов, кропотливое изучение различных сторон течения технологических процессов в невесомости, поведения в космосе материалов, экспериментальное производство и анализ выращенных на орбите кристаллов. В ряду этих исследований находятся и эксперименты, проведенные международными экипажами.

Большая часть исследований в области космического материаловедения была проведена международными экипажами на советских электронагревательных установках «Сплав» и «Кристалл». Описание этих установок было дано в отечественной печати[22].

Рассмотрим далее эти эксперименты в той последовательности, в которой они выполнялись международными экипажами. Следует отметить, что если судить по названиям, то технологических экспериментов было всего 15. На самом деле большинство из них представляли собой серии исследований, часто весьма существенно различавшихся по целям, исходным материалам, условиям проведения эксперимента и т. п. Поэтому правильнее будет говорить о нескольких десятках экспериментов, проведенных на станции «Салют-6» космонавтами социалистических стран.

В серии экспериментов «Морава» (СССР-ЧССР) исследовались новые материалы, полученные в состоянии почти полной невесомости (микрогравитации), выяснялись связи между условиями проведения эксперимента и характером кристаллизации, выявлялось воздействие микрогравитации на структуру и другие физические характеристики конденсированных систем.

В других экспериментах серии изучался процесс затвердевания (кристаллизации) расплава двух веществ, представляющего эвтектику[23]. При этом один из компонентов содержался в избытке. В этом случае процесс затвердевания проходил в два этапа: кристаллизация из расплава основного компонента и последующее отвердевание остаточной эвтектики.

В качестве основного компонента в первом эксперименте был выбран анизотропный кристалл хлорида свинца (РbСl₂), поскольку на нем проще проследить влияния температурного перепада и гравитационного поля. Вторым изучаемым веществом стали хлорид меди (GuCl) и хлорид серебра (AgCl). Во втором эксперименте исследовалась кристаллизация бромида одновалентной ртути (Hg₂Br₂) из раствора в эвтектическом расплаве с бромидом двухвалентной ртути (HgBr₂), обладающим чрезвычайно высокими значениями параметра связи в кристаллической решетке.

В третьем эксперименте изучалось затвердевание и образование стекловидной системы, представленной полупроводниковым стеклом с тетраэдрической структурой решетки (в состав системы входили атомы германия, сурьмы и серы). Цель этого эксперимента заключалась не только в определении условий образования стекла в состоянии невесомости, но также в изучении процессов зародышеобразования и разделения фаз, протекающих в стеклянной матрице, и определении влияния этих процессов на основные физические характеристики получаемых материалов.

Коротко об условиях проведения экспериментов. Установка «Сплав» была размещена вблизи корпуса орбитальной станции, неподалеку от центра тяжести всего научного комплекса. В ходе экспериментов весь орбитальный комплекс ориентировался так, чтобы его продольная ось была направлена к центру Земли.

Для повышения «чистоты» эксперимента в наиболее ответственные периоды кристаллизации на орбитальном комплексе выключались все системы и агрегаты, вызывающие колебания станции, сводились к минимуму даже перемещения космонавтов. Поэтому в эти решающие для эксперимента периоды времени сила тяжести по всем трем направлениям была несущественной и составляла не более 10^-6—10^-7 g.

Образцы исследуемых материалов находились в кварцевых ампулах (в условиях вакуума), размещенных в контейнере, представляющем собой герметичный стальной цилиндр длиной 172 мм и диаметром 17 мм. После помещения контейнера в цилиндрическую полую печь установки начиналось нагревание образцов с таким расчетом, чтобы температура в контейнере росла до тех пор, пока не достигала величины выше точки плавления исследуемых материалов.

Максимальный нагрев в экспериментах «Морава» достигал 500 °C. После достижения максимальной температуры началось ее регулируемое снижение. Причем максимальная температура достигалась примерно через 24 ч после начала эксперимента, а затем в режиме охлаждения возникал процесс затвердевания. Охлаждение длилось около 20 ч со скоростью примерно 11 °C в час. Таким образом, весь рабочий цикл составлял около двух суток.

Одновременно в ЦПК им. Ю. А. Гагарина специалисты СССР и ЧССР провели наземную часть экспериментов. Она по своей сути обратна космической: если в космосе нужно было свести к минимуму силу земного тяготения, то здесь с помощью центрифуги исследовались рост и направленное затвердевание кристаллических материалов при различных перегрузках. Располагая контейнер с исходным веществом то по вектору углового ускорения, то перпендикулярно ему, специалисты сравнивали структуру и свойства материалов, полученных при различных направлениях перегрузки.

Наземный эксперимент на центрифуге был осуществлен на установке «Кристалл», работающей по методу направленной кристаллизации. Однако в отличие от установки «Сплав» процесс здесь происходит в условиях фиксированного теплового поля, а изменение зон нагрева достигается перемещением ампулы с материалом, которое осуществляется механически в соответствии с требуемой программой. Сопоставление результатов всего комплекса экспериментов «Морава» помогло определить зависимость свойств материалов от гравитационных условий их получения и выработать рекомендации по созданию перспективных технологических соединений.

Микроскопическое исследование структуры материалов, полученных одновременно в условиях космического полета и на Земле (при прочих идентичных условиях), показывает, что кристаллы, выращенные в космосе, меньше, чем аналогичные кристаллы, полученные на Земле. Причина заключается в том, что в космосе миграция ионов в расплаве происходит лишь путем диффузии: именно такое влияние оказывает невесомость на процесс зародышеобразования и роста кристаллов из жидкой фазы. Влияние же невесомости на эвтектические растворы противоположно: кристаллы обеих фаз эвтектики больше, чем полученные на Земле.

Процесс затвердевания кристаллов в космосе подвержен влиянию микрогравитации. И хотя она была мала в этом эксперименте, но все же на внешней поверхности образца можно заметить следы воздействия радиальной составляющей микрогравитации, зарегистрированной в ходе эксперимента. Оказывается, что поле тяготения порядка 10^-6 g достаточно, чтобы повлиять на конфигурацию атомов в исследованной расплавленной системе, а также на процесс затвердевания.

В экспериментах «Сирена» (СССР-ПНР) изучался процесс направленной кристаллизации в полупроводниковых материалах, получаемых из жидкой фазы в условиях невесомости. В качестве исследуемых материалов в экспериментах «Сирена» были выбраны тройные полупроводники «ртуть — кадмий — теллур» (CdHgTe), «кадмий-ртуть — селен» (CdHgSe) и «свинец — селен — теллур»;(PbSeTe).

Эти материалы в течение многих лет тщательно изучаются в Институте физики Академии наук ПНР, сотрудники которого много сделали для выяснения физических характеристик материалов этого типа и возможностей их применения. Полупроводники, в состав которых входят названные элементы, характеризуются высокой чувствительностью и малой инерционностью. В настоящее время они считаются наилучшими детекторами инфракрасного излучения, способными работать в диапазоне длин волн около 10 мкм, т. е. в пределах так называемого «атмосферного окна». Имеет перспективы и использование этих материалов в лазерных устройствах с перестраиваемой частотой.

Однако получение однородных полупроводниковых сплавов данного типа в наземных условиях существенно затрудняется процессами конвекции, обусловленной действием силы тяжести, поскольку химические элементы — ртуть, кадмий и теллур — значительно отличаются по массе. В свою очередь, однородность и структурное совершенство полупроводниковых материалов, полученных в космосе, обусловливает их особые физические свойства и возможности применения. Если в лабораторных условиях на Земле достигается степень однородности кристаллов этого типа порядка 12 %, то полупроводники, полученные в экспериментах «Сирена» в условиях невесомости, характеризуются значительно более высокой степенью однородности — около 60 %.

Следует отметить, что эксперимент по направленной кристаллизации тройного полупроводника «ртуть — кадмий — теллур» из жидкой фазы проводился дважды, поскольку в распоряжении международного экипажа находились две ампулы с исследуемыми веществами. Первая ампула была нагрета до температуры около 900 °C, после чего она подверглась регулируемому охлаждению со скоростью 11,4 °C в час; на проведение эксперимента ушло 46 с. Затем эксперимент был повторен, но с иной программой охлаждения: вторая ампула хотя и нагревалась аналогичным образом, но охлаждалась пассивно, т. е. без автоматической регулировки температуры. В этом случае скорость снижения температуры была значительно выше — порядка 145 °C в час; эксперимент закончился через 16,5 ч.

Технологические исследования «Беролина» (СССР— ГДР) представляли собой, по сути дела, серию из шести экспериментов. Эти эксперименты были подготовлены совместно с советскими специалистами учеными Университета имени А. Гумбольдта, Институтом электроники Академии наук ГДР и специалистами завода «Шотт и Ген» в Йене.

Из шести экспериментов серии «Беролина» четыре были посвящены плавкам и последующему выращиванию полупроводниковых монокристаллов. Это одна из ключевых задач космического материаловедения. Требуемая для промышленного получения изделий современной электроники структура полупроводников может быть получена только специально разработанным способом выращивания кристаллов, а условия космоса для такого производства весьма благоприятны. Освоение процессов выращивания кристаллов и создание новых материалов с заданными свойствами — необходимые предпосылки для быстрого развития промышленности полупроводников и полупроводниковой электроники.

В качестве исходных материалов в этих экспериментах были выбраны кристаллы полупроводниковых соединений «свинец — теллур» и «висмут — сурьма». Из первого соединения изготавливаются полупроводниковые диоды для лазеров; во втором соединении оба вещества химически сходны, но даже небольшие изменения их концентрации в кристалле приводят к значительным изменениям его электрофизических свойств.

При проведении экспериментов принимались особые меры для поддержания микрогравитации на уровне не более 10^-6 g: в это время не допускалось включение двигателей, а если печи установок уже работали, то космонавты не должны были делать гимнастических упражнений, в частности пользоваться велоэргометром и бегущей дорожкой, и даже перемещения космонавтов были ограничены, поскольку любые сотрясения установки ухудшали бы рост кристаллов.

Специалисты ожидали, что в результате будут получены материалы с более равномерным составом смешиваемых компонентов и более совершенной структурой монокристаллов. И эти ожидания в целом оправдались.

Пятый эксперимент в серии «Беролина» — плавка (в течение 20 ч) и последующая кристаллизация бериллиево-фторидного оптического стекла на установке «Сплав». Специалисты стекольного завода «Шотт и Ген» (ГДР) связывали с этим экспериментом большие надежды. Дела в том, что направленными технологическими процессами можно улучшить качество высокоточных оптических приборов, и исследования полученных образцов показали большую ценность данного эксперимента. В частности, было установлено, что, в то время как на Земле наблюдающаяся аномалия в распределении пузырей при плавлении такого стекла имеет однородное распределение вследствие термической конвенции, в условиях микрогравитации пузыри располагаются вдоль оси цилиндрического образца винтообразно.

Шестой эксперимент в серии «Беролина» должен был дать информацию об условиях «космической» кристаллизации, подтвердить правильность и применимость термодинамических расчетов для получения материалов выделением их из газообразной фазы. В эксперименте, таким образом, изучались основополагающие физико-химические процессы в газообразном веществе.

В качестве исходного вещества был взят германий, превращающийся в газ под воздействием высоких температур и переносимый веществом-носителем в область низких температур. Специалисты Центрального института физики твердого тела в Дрездене (ГДР) подготовили контейнер с пятью ампулами, заполненными германием и веществом-носителем (йодом), в которых обеспечивался химический перенос при закладке контейнера в установку «Сплав» (при пяти определенных давлениях газа).

В эксперименте предполагалось проверить важную научную гипотезу. Дело в том, что в аналогичных экспериментах в наземных условиях перемещение вещества через газообразную среду осуществляется диффузионными и конвективными потоками, причем доля конвекции возрастает при повышении давления газа. Однако оба вида потоков в условиях земного тяготения разделить трудно. В космических условиях конвекция, обусловленная силой тяжести, очень мала, диффузия доминирует и ее влияние может быть хорошо изучено при получении кристаллов методом химического переноса.

Эксперимент дал фундаментальные результаты, которые подтвердили ожидания ученых. Было установлено, что в космосе массовый перенос при более высоком давлении газа (до 0,7 МПа) определяется чистой диффузией, при этом результаты эксперимента соответствуют термодинамическим расчетам.

В аналогичном наземном эксперименте вследствие конвекции при давлении выше 0,3 МПа происходит ускоренный перенос массы. Сравнением скоростей переноса впервые были сделаны однозначные выводы о доле переноса (в наземных и космических условиях), обусловленного диффузией и конвекцией. Эти выводы корректируют заключения, сделанные, в частности, по данным американских экспедиций на «Скайлэбе» и во время полета космических кораблей «Союз» и «Аполлон».

Мы довольно подробно остановились на первых трех сериях экспериментов в области космического материаловедения, чтобы читатели имели ясное представление не только о существе этих экспериментов, но и о типичном характере такого рода опытов и условиях их проведения. Теперь коротко остановимся на остальных технологических исследованиях, проведенных международными экипажами.

В серии экспериментов «Пирин» (СССР-НРБ) исследовались морфологическая устойчивость монокристаллов цинка при их росте из газовой фазы в присутствии малых количеств водорода или аргона, углы смачивания на материалах «цинк — кварц» и «селен — теллур — кварц», анализировалась диффузия и термодиффузия теллура и селена, железа и цинка. Кроме того, в серию входил эксперимент по получению пеноалюминия путем вспенивания расплава алюминия с помощью газоотделяющего вещества — гидрида титана.

Серии экспериментов «Этвеш» и «Беалуца» (СССР-ВНР) отличались друг от друга технологическими режимами (температурой нагрева, длительностью выдержки, скоростью протяжки, охлаждением — регулируемым или пассивным) или исходными веществами.

В серии «Этвеш» выращивались из расплавов-растворов монокристаллы различных полупроводниковых соединений (арсенида галлия, легированного хромом, антимонида индия и антимонида галлия). Эти материалы широко используются при создании микроэлектронных приборов, и улучшение их характеристик имеет большое значение для этой отрасли техники. По результатам экспериментов была дана качественная оценка особенностей роста кристаллов в условиях микрогравитации в отсутствие тепловой конвекции и проверена возможность получения полупроводниковых материалов с улучшенными электрофизическими и структурными параметрами. При выполнении экспериментов «Этвеш» были получены монокристаллы антимонида галлия, значительно превосходящие по своим размерам и по физическим свойствам монокристаллы, которые выращиваются в наземных условиях. В двух сериях экспериментов «Беалуца» изучалась диффузия меди в алюминий (первая серия) и технология получения сплава алюминия с 4 % меди (вторая серия). В первой серии использовалась цилиндрическая заготовка высокочистого алюминия с вкладышем в виде проволоки из меди, во второй — сплав алюминия с медью. Результаты экспериментов «Беалуца» используются для улучшения технологии непрерывной разливки стали и сплавов, разливки в формы для изготовления специальных изделий (инструментов, деталей для теплоэнергетических машин и т. п.), улучшения технологии и оборудования серийного производства.

В экспериментах «Халонг» (СССР-СРВ) выращивались полупроводниковые кристаллы трехкомпонентной системы «висмут — сурьма — теллур», а также кристаллы фосфида галлия в условиях микрогравитации. Были получены более совершенные, чем на Земле, твердые растворы трехкомпонентной системы.

Три технологических эксперимента выполнил советско-кубинский экипаж: «Карибе», «Сахар», «Зона». И если эксперимент «Карибе» являлся составной частью традиционных работ по космическому материаловедению в рамках программы «Интеркосмос», то эксперименты «Сахар» и «Зона» были новым направлением исследований в этой области для ученых социалистических стран.

Эксперимент «Карибе» был посвящен выращиванию кристаллов германия, легированного индием, а также получению эпитаксиальных пленок из арсенида галлия, легированного алюминием. Цель эксперимента — поиск оптимальных условий получения этих материалов.

В экспериментах «Сахар» и «Зона» исследовалась кинетика роста монокристаллов сахара и моделировался процесс зонной плавки сахарозы при наличии градиента температуры в монокристаллах. Они имеют громадное практическое значение для кубинской промышленности, поскольку могут способствовать решению одной из центральных народнохозяйственных задач республики — обеспечению полной и эффективной переработки сахарного тростника.

Три технологических эксперимента (два — под названием «Алтай», третий — «Эрдэнэт») провели члены советско-монгольского экипажа. В первом эксперименте «Алтай» исследовались процессы диффузии и массопереноса в расплаве металлов (на примере свинца и олова) и влияния на эти процессы конвективных потоков, возникающих в градиентном температурном поле. Во втором эксперименте «Алтай» выращивались монокристаллы пятиокиси ванадия в условиях микрогравитации. Кристаллическая пятиокись ванадия относится к активным полупроводникам и используется для изготовления термисторов, а также является хорошим катализатором при получении многих органических соединений. Структура, электрические и оптические свойства кристаллов, получаемых в наземных условиях, изучены довольно подробно. Ставя этот эксперимент, ученые полагали, что кристаллы пятиокиси ванадия, выращенные в условиях микрогравитации и отсутствия конвекции, будут обладать более совершенной структурой.

В эксперименте «Эрдэнэт» с помощью специального устройства изучались процессы диффузии и перераспределения примесей при растворении в воде и последующей кристаллизации сернокислой соли меди.

Остроумная Идея была положена в основу эксперимента «Нановесы» (СССР-СРР), в котором изучалось воздействие космической среды на материалы, находящиеся в открытом космосе. Для исследований была выбрана тонкая пленка двуокиси кремния. Этот материал широко применяется в космосе, в частности, защитные слои двуокиси кремния покрывают поверхности активных оптических элементов, например элементов солнечных батарей. Слой двуокиси кремния отличается особой химической прочностью и стойкостью к воздействию факторов космической среды (излучений, вакуума и т. д.). Его преимущество состоит также в том, что он прозрачен в очень широком спектральном диапазоне.

Один из основных процессов, воздействующих на материалы в открытом космосе, — так называемое «сухое» испарение, или сублимация. При сублимации масса исследуемого материала постепенно уменьшается. Измерить это уменьшение массы и должны были космонавты в ходе эксперимента «Нановесы». Как известно, измерение массы в условиях невесомости представляет определенные трудности, особенно если ее изменение, как в данном случае, очень незначительно. Поэтому был выбран остроумный косвенный способ измерения.

Тонкая пленка двуокиси кремния была нанесена на поверхность кварцевого резонатора, включенного в специальную измерительную электрическую схему. Частота резонансных колебаний зависит от толщины пленки, и таким образом, измеряя частоту колебаний, можно определить изменение толщины пленки и соответственно ее массы в ходе эксперимента.

С целью разработки технологии получения в космических условиях монокристаллов заданного профиля с помощью капиллярных сил был выполнен эксперимент «Капилляр». Изучение влияния сил поверхностного натяжения на равномерность распределения примесей по всей длине расплава в плоскости капилляра проводилось впервые в истории космического материаловедения.

Методика получения монокристаллов заданного профиля с использованием сил поверхностного натяжения заключается в следующем. В капсулу с исходным материалом вставляется матрица с продольным капиллярным разрезом (сечение 1–2 мм). Расплавленный материал проникает в капиллярную полость и под действием сил поверхностного натяжения поднимается по капилляру. В земных условиях достигнутая высота подъема обратно пропорциональна ускорению силы тяжести. Если высота самого капилляра над расплавом выбирается меньше, чем высота, на которую может под действием сил поверхностного натяжения подняться расплавленный материал, то он заполняет капилляр целиком и небольшое избыточное его количество распространяется по верхней поверхности матрицы. Далее при помощи затравки вызывается кристаллизация расплавленного материала в плоскости капилляра, и в итоге получается монокристалл, профиль которого воспроизводит внутреннюю поверхность матрицы.

Качество получаемых при этом кристаллов и производительность метода зависят от достигнутой высоты подъема материала в капилляре и от однородности «питания» через капилляр.

При выращивании кристаллов с примесями (например, в случае полупроводников) очень важно, чтобы примесь была равномерно распределена по всему кристаллу. Установлено, что на равномерность распределения примесей влияет гравитация. При использовании вышеописанного метода даже в земных условиях наблюдается некоторое улучшение распространения примесей в кристалле вследствие капиллярного эффекта. В условиях же значительного уменьшения гравитационного ускорения (остаточная гравитация на борту станции «Салют-6» составляет одну миллионную от гравитации на поверхности Земли) специалисты ожидали значительного увеличения высоты подъема расплава в капилляре и существенного улучшения распределения примесей, а также повышения однородности питания через капилляр, что позволит получить кристаллы с однородными свойствами. Как показал этот эксперимент, ожидания в целом оправдались. В эксперименте «Капилляр» эффект изучался на примере чистого германия и германия, легированного галлием, в молибденовой матрице.,

Давая общую оценку научной работе, проделанной международными экипажами в космосе, можно со всей очевидностью утверждать, что ее итоги позволили нам продвинуться вперед в понимании условий существования человека в космическом пространстве, глубже проникнуть в существо протекающих в космосе процессов, наметить новые рубежи, к которым в ближайшие годы будет устремлена экспериментальная научная мысль.

В заключение отметим, что данная глава, будучи самой большой в книге, тем не менее не вместила полного и подробного рассказа о всех научных экспериментах. Но надеемся, что любознательный читатель получил хотя бы общее представление о научной деятельности международных экипажей на орбите и заинтересовался ею настолько, что обратился к списку дополнительной литературы в конце книги.