Искусственные спутники земли

О запуске первого спутника в СССР начали думать еще в ту пору, в то время, когда шли работы над баллистической ракетой Р?7. Во второй половине 50-ых годов двадцатого века была образована группа исследователей во главе с академиком Мстиславом Келдышем, которой было поручено разрабатывать программу научных опытов для первого неестественного спутника Почвы.

По окончании предварительного анализа всех бортовых совокупностей, которыми должен был быть снабжен данный спутник, выходило, что никак нельзя уложиться в массу, меньше чем 1250 кг (масса одной оболочки составляла 250 кг, совокупность энергопитания — 450 кг; помимо этого, громадный вес имели массивные антенны). Существовавшие тогда ракеты не могли сказать первую космическую скорость (около восьми километров/с) такому тяжелому аппарату.

Тогда в конце 1956 года один из сотрудников Королева, Михаил Тихонравов, внес предложение проект более несложного и легкого спутника с массой около 80 кг. В июне 1957 года готовьсячертежи окончательной компоновки этого спутника, а в последних числахАвгуста начались его опробования.

Для выведения спутника на орбиту КБ Королева на базе Р?7 создало особую двухступенчатую ракету с неспециализированной массой 267 тысячь киллограм, складывавшуюся из четырех боковых ракетных блоков ЖРД РД?107 и одного центрального блока ЖРД РД?108. Все двигатели при старте включались в работу в один момент. Спустя 120 секунд по окончании старта боковые блоки отбрасывались (вторая ступень к этому времени достигала высоты 50 км и имела скорость 2, 3 км/с).

Центральный блок работалеще 180 секунд.

На высоте 200 км центральный блок отключался, по окончании чего спутник отделялся от него посредством пружинного толкателя, сбрасывал защитный тепловой экран и начинал свободный полет. Успешный старт ракеты состоялся 4 октября 1957 года. Данный сутки открыл начало новой космической эры в истории Почвы.

Первый спутник знаменовал собой узловой пункт развития техники. С одной стороны, он символизировал завершение сложного этапа развития баллистических ракет, а с другой — являлся тем зародышем, из которого выросла вся позднейшая космическая техника.

Спутник имел форму шара диаметром 580 мм. Масса его равнялась 83, 6 кг. На внешней поверхности шара были установлены антенны радиопередатчиков в виде четырех стержней.

Протяженность двух из них составляла 2, 4 м, остальных — 2 м. Стержни соединялись с антенными изоляторами, закрепленными на корпусе спутника посредством шарниров, что давало им возможность поворачиваться на некий угол.

Вся аппаратура вместе с источниками энергии размещалась в герметическом корпусе из алюминиевого сплава. Перед пуском спутник был заполнен газообразным азотом. Для поддержания стабильной внутренней температуры была создана совокупность принудительной циркуляции азота.

К антеннам подключались два радиопередатчика, излучавшие любой на собственной частоте одинаковый сигнал, похожий на телеграфный. В корпуса размещались чувствительные датчики, каковые пара поменяли передаваемый сигнал (частоту передаваемых импульсов и их продолжительность) при трансформации давления и температуры в спутника. Мощность радиопередатчиков была достаточна для уверенного приема их сигналов всеми радиолюбителями земного шара.

Источник питания должен был снабжать работу всей аппаратуры в течение 20 дней.

Уже 3 ноября 1957 года в космос был выведен второй коммунистический спутник массой 508, 3 кг. Он воображал собой последнюю ступень ракеты носителя, на которой в нескольких контейнерах размещалась научная отсек и измерительная аппаратура с собакой Лайкой.

В передней части спутника был спектрограф для изучения Солнца, сферический контейнер с радиопередатчиками и герметическая кабина с собакой. В корпусе ракеты размешались два прибора для изучения космических лучей. По собственной конструкции сферический контейнер был подобен первому ИСЗ.

Тут не считая передатчиков пребывали различные датчики и источник питания.

Герметическая кабина, в которой помещалась Лайка, имела вид цилиндра. На ее съемном дне был устроен иллюминатор из оргстекла. В кабине, изготовленной из алюминиевых сплавов, имелись приспособление для кормления, кондиционер, система терморегулирования и регенерационные установки.

Регенерация происходила посредством химических элементов, каковые поглощали углекислоту и выделяли кислород. Особые датчики регистрировали пульс, дыхание и давление собаки. Все это, и информация о температуре и давлении в кабине сообщалось на Землю посредством особой аппаратуры, которая включалась часовым программным устройством.

Программа наблюдений была запланирована на семь дней, но и затем полет спутника длился еще большое количество дней. Лишь 14 апреля 1958 года, совершив около 2370 оборотов, второй спутник сгорел в воздухе.

Сейчас в космосе летал уже третий спутник — американский «Эксплорер?1». Обстоятельство, по которой американский ИСЗ был в космосе не первым а также не вторым, имеет не только техническую подоплеку. В 1955 году, в то время, когда руководство США решило о подготовке к запуску спутника, были предложены три соперничающие программы, за каждой из которых стояло собственный могущественное военное ведомство: Армия, ВМФ и ВВС.

Предпочтение в итоге было дано проекту ВМФ «Авангард», что и взял привилегированное финансирование. В это же время армия уже в то время располагала лучшей американской ракетой «Редстоун», созданной под управлением Брауна. (Браун в то время управлял Редстоунский арсенал, где и была создана эта ракета.) В сентябре 1956 года Армия осуществила успешный запуск четырехступенчатой баллистической ракеты «Юпитер?C», в которой в качестве первой ступени употреблялась брауновская «Редстоун», а в качестве второй, третьей и четвертой — твердотопливные ракеты «Бэби Серджент».

Три ступени данной ракеты были натуральные, а четвертая вместо топлива несла в баках песок. Эта ступень достигла высоты 1094 км. Позднее много раз старались доказать, что, если бы четвертая ступень была заправлена горючим, она в полной мере имела возможность бы стать первым ИСЗ, и космическая эра началась бы на год раньше.

Но, как бы то ни было, этого не произошло.

В это же время проект «Авангард», что сначала преследовали неудачи, закончился скандальным провалом: при запуске 6 декабря 1957 года ракета «Авангард», чуть оторвавшись от стартового стола, упала на землю в пределах стартовой площадки и сгорела. Затем для спасения престижа было решено произвести запуск спутника на базе ракеты «Редстоун». Спутник «Эксплорер?1» создавался в чрезвычайной спешке в Лаборатории реактивного перемещения Калифорнийского технического университета.

Вес спутника составлял 8, 21 кг, причем на аппаратуру приходилось 5 кг. Не считая счетчика Гейгера на его борту размешался микрофон для регистрации метеоритных частиц, датчики температуры, источники и радиопередатчики питания. Запуск состоялся 31 января 1958 года и был успешным.

Спутник проработал на орбите восемь недель. Не обращая внимания на собственные миниатюрные размеры, «Эксплорер?1» разрешил сделать серьёзные наблюдения.

Как раз благодаря его сообщениям был обнаружен пояс радиации, окружающий Почву на высоте более 1000 км.

В том же году, 15 мая, СССР запустил собственный третий спутник. Его уже возможно было назвать настоящей автоматической научной станцией. Протяженность спутника составляла 3, 5 м, диаметр — 1, 5 м, вес — 1327 кг, причем на научную аппаратуру приходилось 968 кг.

конструкция и Устройство этого спутника были проработаны значительно тщательнее, чем двух первых. Для автоматического управления работой всей научной и измерительной аппаратурой на нем было установлено электронное программно?временное устройство, выполненное полностью на полупроводниковых элементах.

Не считая бортового источника питания, спутник был снабжен солнечной батареей. Напряжение, создаваемое данной батареей, было больше, чем у бортового аккумулятора, исходя из этого на солнечной стороне вся аппаратура питалась от нее. Именно поэтому третий спутник эксплуатировался намного продолжительнее, чем два первых — он пребывал в полете 691 сутки, и последний сигнал с него был принят 6 апреля 1960 года.

Первые космические аппараты отличались собственной индивидуальностью. Кроме того не вникая глубоко в их конструкцию, по одному лишь внешнему виду возможно было сходу заявить, что это совсем различные устройства. Но аппараты, изготовляемые любой раз по личному заказу, обходились дорого.

Исходя из этого в последующие годы в СССР было решено перейти от личного производства спутников к серийному. Таким серийным советским спутником стал «Космос». 16 марта 1962 года был запущен первый спутник данной серии.

ЛАЗЕР

Не обращая внимания на относительно простое устройство лазера, процессы, лежащие в базе его работы, очень сложны и не поддаются объяснению с позиций хороших законов физики. Со времен Максвелла и Герца в науке утвердилось представление о том, что электромагнитное и, например, световое излучение имеет волновую природу. Эта теория прекрасно растолковывала большая часть замечаемых оптических и физических явлений.

Но уже в конце XIX столетия были взяты кое-какие экспериментальные эти, не доходившие под эту теорию. (К примеру, совсем непонятным с позиций хороших представлений о волновой природе света появилось явление фотоэффекта.) В 1900 году узнаваемый германский физик Макс Планк, пробуя растолковать природу этих отклонений, сделал предположение, что испускание электромагнитного излучения и, например, света происходит не беспрерывно, а отдельными микроскопическими порциями. В 1905 году Эйнштейн, разрабатывая теорию фотоэффекта, подкрепил идею Планка и убедительно продемонстрировал, что электромагнитное излучение вправду испускается порциями (эти порции нарекли квантами), причем в будущем, в ходе распространения, любая порция сохраняет собственную «индивидуальность», не дробится и не складывается с другими, так что поглотить ее возможно лишь всю полностью.

Из этого описания получалось, что кванты во многих случаях ведут себя не как волны, а как частицы. Но наряду с этим они постоянно естьволнами (к примеру, квант не имеет массы спокойствия и существует лишь двигаясь со скоростью 300000 км/с), другими словами им свойствен определенный дуализм.

Квантовая теория разрешила растолковать многие прежде непонятные явления и, например, природу сотрудничества излучения с веществом. Заберём несложной пример: из-за чего тело при нагревании испускает свет? Нагревая, скажем, на газовой горелке гвоздь, мы увидим, что сперва он получает малиновый цвет, позже станет красным.

В случае если продолжать нагревание, то красный цвет переходит в желтый и после этого в ослепительно белый. Так, гвоздь начинает излучать не только инфракрасные (тепловые), но и видимые лучи. Обстоятельство этого явления следующая.

Все тела (и а также отечественный гвоздь) складываются из молекул, а молекулы складываются из атомов. Любой атом представляет собой маленькое весьма плотное ядро, около которого вращается большее либо меньшее количество электронов.

Эти электроны движутся около ядра не как попало, но любой из них находится на своем совершенно верно установленном уровне; соответственно одни уровни находятся ближе к ядру, а другие дальше от него. Эти уровни именуются энергетическими, поскольку любой из расположенных на них электронов владеет собственной определенной, характерной лишь этому уровню, энергией. До тех пор пока электрон находится на своем стационарном уровне, он движется, не излучая энергии.

Такое состояние атома может длиться сколь угодно продолжительно. Но в случае если атому сообщается извне какое?то определенное количество энергии (как это происходит при нагревании гвоздя), атом «возбуждается». Сущность этого возбуждения пребывает в том, что электроны поглощают кванты излучения, пронизывающего вещество (в отечественном примере инфракрасное тепловое излучение газовой горелки), покупают их энергию и именно поэтому переходят на более большие энергетические уровни.

Но на этих более больших уровнях электроны смогут пребывать только весьма незначительное время (тысячные а также миллионные доли секунды). По окончании этого времени любой электрон снова возвращается на собственный стационарный уровень и наряду с этим испускает квант энергии (либо, что то же самое, волну определенной длины).

Среди этих волн кое-какие приходятся на видимый диапазон (эти кванты видимого света именуются фотонами; излучение фотонов возбужденными атомами мы и замечаем как свечение нагретого гвоздя). В отечественном примере с гвоздем испускания и процесс поглощения квантов протекает хаотически. В сложном атоме отмечается много переходов электронов с верхних уровней на нижние, и при каждом из них происходит излучение со своей частотой.

Исходя из этого излучение идет сходу в нескольких спектрах и в различных направлениях, причем одни атомы испускают фотоны, а другие поглощают их.

Совершенно верно так же происходит испускание квантов любым нагретым телом. Каждое из этих тел (будь то Солнце, дуговая сварка либо нить лампы накаливания) испускает в один момент множество волн различной длины (либо, что то же самое, квантов различной энергии). Как раз исходя из этого, какой бы идеальной линзой либо второй оптической совокупностью мы ни владели, нам ни при каких обстоятельствах не удастся сфокусировать испускаемое нагретым телом излучение в строго параллельный пучок — он постоянно будет расходиться под некоторым углом.

Это и ясно — так как любая волна будет преломляться в линзе под своим собственным углом; следовательно, ни в каком случае мы не сумеем добиться их параллельности. Но уже основоположники квантовой теории разглядели и другую возможность излучения, которая не имеет места в естественных условиях, но в полной мере возможно смоделирована человеком.

В действительности, если бы удалось возбудить все электроны вещества, находящиеся в собствености к одному определенному энергетическому уровню, а позже вынудить их разом испустить кванты в одном направлении, то возможно было бы взять очень замечательный и одновременно с этим только однородный импульс излучения. При фокусировании для того чтобы пучка (потому, что все волны, его составляющие, имеют одну и ту же длину) возможно было бы добиться практически совершенной параллельности луча. В первый раз о возможности для того чтобы, как он его назвал, стимулированного излучения написал в 1917 Эйнштейн в работах «поглощение и Испускание излучения по квантовой теории» и «К квантовой теории излучения».

Стимулированное излучение возможно, например, достигнуто следующим методом. Представим себе тело, электроны которого уже «перевозбуждены» и находятся на верхних энергетических уровнях, и предположим, что их облучают новой порцией квантов. В этом случае происходит процесс, напоминающий лавину.

Электроны уже «перенасыщены» энергией. В следствии дополнительного облучения они срываются с верхних уровней и переходят лавинообразно на нижние, испуская кванты электромагнитной энергии. Причем фаза и направление колебаний этих квантов сходится с фазой и направлением падающей волны.

Случится как бы эффект резонансного усиления волны, в то время, когда энергия выходной волны будет многократно превосходить энергию той, что была на входе.

Но как именно добиться строгой параллельности излучаемых фотонов? Выясняется, это возможно сделать посредством очень несложного приспособления, которое именуется открытым зеркальным резонатором. Он складывается из активного вещества, помещенного в трубке между двумя зеркалами: простого и полупрозрачного.

Испускаемые веществом фотоны, попадая на полупрозрачное зеркало, частично проходят через него.

Остальные отражаются и летят в противоположном направлении, после этого отражаются от левого зеркала (сейчас уже все) и снова достигают полупрозрачного зеркала. Наряду с этим поток фотонов по окончании каждого прохода через возбужденное вещество многократно улучшается.

Усиливаться, но, будет лишь та волна, которая перемещается перпендикулярно зеркалам; все остальные, каковые падают на зеркало хотя бы с малым отклонением от перпендикуляра, не взяв достаточного усиления, покидают активное вещество через его стены. В следствии выходящий поток имеет весьма узкую направленность. Как раз таковой принцип получения стимулированного излучения лежит в базе действия лазеров (само слово лазер составлено из первых букв британского определения light amplification by stimulated emission and radiation, что свидетельствует: усиление света при помощи стимулированного излучения).

Созданию этого превосходного устройства предшествовала продолжительная история. Любопытно, что изобретением лазера техника обязана экспертам на первый взгляд далеким как от оптики, так и от квантовой электродинамики, в частности — радиофизикам. Но в этом имеется собственная глубокая закономерность.

Прежде уже говорилось, что В первую очередь 40?х годов радиофизики всей земли трудились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона волн, потому, что это разрешало существенно упростить и уменьшить аппаратуру, в особенности антенные совокупности. Но скоро обнаружилось, что прошлые ламповые генераторы чуть ли возможно приспособить для работы в новых условиях.

С их помощью еле удавалосьгенерировать волны в 1 мм (наряду с этим частота электромагнитных колебаний в этих генераторах достигала нескольких миллиардов за одну секунду), но создание генераторов для еще более маленьких волн выяснилось неосуществимым. Нужен был принципиально новый способ генерации электромагнитных волн.

Именно сейчас советские радиофизики Александр Николай и Прохоров Басов занялись изучением весьма занимательной неприятности — поглощением радиоволн газами. Еще на протяжении войны было найдено, что волны некоей длины, испущенные радаром, не отражаются, как другие, от окружающих предметов и не дают «эха». К примеру, пучок волны длиной 1, 3 см как будто бы растворялся в пространстве — оказалось, что волны данной длины деятельно поглощаются молекулами пара.

Позднее стало известно, что любой газ поглощает волны определенной длины так, как будто бы его молекулы как?то «настроены» на него. От этих опытов был лишь ход до следующей идеи: в случае если молекулы и атомы способны поглощать волны определенной длины, значит, они смогут и излучать их, другими словами выступать в роли генератора.

Так появилась идея создать газовый генератор излучения, в котором бы вместо электронных ламп в качестве источников излучения употреблялись миллиарды молекул особенным образом возбужденного газа. Возможности таковой работы казались весьма заманчивыми, потому, что появлялась возможность освоить для потребностей радиотехники не только диапазон микроволновых волн, но и значительно более маленьких, к примеру, диапазон видимых волн (протяженность волн видимого света 0, 4?0, 76 микрон, что соответствует частоте порядка тысяч миллиардов колебаний в секунду).

Наиболее значимая неприятность на этом пути заключалась в том, как создать активную среду. В качестве такой Прохоров и Басов выбрали аммиак. Дабы обеспечить работу генератора, нужно было отделить активные молекулы газа, атомы которых были в возбужденном состоянии, от невозбужденных, атомы которых были ориентированы на поглощение квантов.

Схема установки, созданная для данной цели, представляла собой сосуд, в котором был создан вакуум.

В данный сосуд впускался узкий пучок молекул аммиака. На их пути был установлен конденсатор большого напряжения. Молекулы громадных энергий вольно пролетали через его поле, а молекулы малых энергий увлекались в сторону полем конденсатора.

Так происходит сортировка молекул по энергиям.

Активные молекулы попадали в резонатор, устроенный так же, как тот, что был обрисован выше.

Первый квантовый генератор был создан в первой половине 50-ых годов XX века. Он имел мощность всего в одну миллиардную ватта, так что его работу имели возможность зарегистрировать лишь правильные устройства. Но в этом случае значительно серьёзнее было то, что подтвердилась принципиальная правильность самой идеи.

Это была победа, открывшая новую страницу в истории техники. В те же дни в Колумбийском университете несколько американского радиофизика Чарльза Таунса создала подобный прибор, названный «мазер». (В 1963 г. Басов, Прохоров и Таунс за собственный фундаментальное открытие взяли Нобелевскую премию.)

мазер и Басова — Квантовый генератор Прохорова Таунса еще не были лазерами — они генерировали радиоволны длиной 1, 27 см, а лазеры испускают электромагнитные волны видимого диапазона, каковые в десятки тысяч раз меньше. Но принцип работы обоих устройств однообразен, исходя из этого создателем лазера предстояло дать добро лишь частные задачи.

Во?первых, нужно было отыскать подходящее активное вещество, которое имело возможность бы переходить в возбужденное состояние, по причине того, что не всякое вещество владеет таким свойством. Во?вторых, создать источник возбуждения, другими словами такое устройство, которое владеет свойством переводить активное вещество в возбужденное состояние при помощи сообщения ему дополнительной энергии.

В?третьих, требовался открытый резонатор чтобы вынудить принимать участие в возбуждении все возбужденные частицы активного вещества, и чтобы усилить лишь те колебания, каковые распространяются на протяжении продольной оси активного вещества. В?четвертых, был нужен источник питания чтобы подпитывать энергией источник возбуждения, в противном случае лазер не стал бы трудиться. Разрешить все эти неприятности возможно различными методами.

Работы производились многими учеными сходу в нескольких направлениях. Но раньше вторых посчастливилось достигнуть заветной цели американскому физику Теодору Мейману, что в первой половине 60-ых годов двадцатого века создал первый лазер на рубиновой базе.

Сущность работы лазера на рубине пребывает в следующем. Энергия от источника питания преобразуется источником возбуждения в электромагнитное поле, которым облучается активное вещество. В следствии этого облучения активное вещество переходит из состояния равновесия в возбужденное состояние.

Внутренняя энергия активного вещества существенно возрастает. Данный процесс носит название «накачки» либо «подкачки» активного вещества, а источник возбуждения именуется источником «накачки» либо «подкачки».

В то время, когда атомы активного вещества перейдут в возбужденное состояние, достаточно одному электрону сорваться по каким?или обстоятельствам с верхнего уровня, дабы он начал испускать фотон света, что, со своей стороны, скинет пара электронов с верхнего уровня, чем вызовет лавинообразное энерговыделение остальными возбужденными электронами. Открытый резонатор направит и усилит излучение активного вещества лишь в одном направлении. В качестве активного вещества Мейман применял неестественный рубин (рубин представляет собой кристаллическое вещество, складывающееся из окиси алюминия, в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, что особенно принципиально важно, поскольку в поглощении света участвует далеко не весь материал, а лишь ионы хрома).

Генератор возбуждения складывался из трех блоков: излучающей головки, блока запуска и блока питания. Излучающая головка создавала условия для работы активного вещества. Блок питания снабжал энергией заряд двух конденсаторов — главного и вспомогательного.

Главным назн