Для того чтобы стать искусственным спутником Земли, любое материальное тело должно
разогнаться до скорости около 8 км/с. Ещё чуть-чуть — 11 км/с, и оно улетит от нашей планеты
совсем. Разогнаться до такой скорости — почти 29000 км/ч — можно только при помощи
ракетного двигателя.
ОГНЕННОЕ СЕРДЦЕ
В принципе ракетный двигатель — устройство для разгона и отбрасывания рабочего тела, в
результате чего создаётся реактивная тяга. Это может быть газ, жидкость и т. д. На практике
применяют два способа разгона: с помощью электромагнитного поля или химической реакции в
ёмкости с повышенным давлением — камере сгорания.
Камера сгорания получила такое название потому, что чаще всего давление в ней поднимают до
требуемых величин путём сжигания химического топлива. Как правило, топливо состоит из двух
компонентов — горючего и окислителя. Если их смесь твёрдая, двигатель называется
твердотопливным (РДТТ); если жидкая (или когда система её подачи устроена так, будто она
жидкая) — жидкостным (ЖРД). Возможен вариант, когда один компонент жидкий, другой —
твёрдый; тогда двигатель именуется гибридным.
Рассмотрим на примере ЖРД, как устроен ракетный двигатель. Форсунки, через которые
подаются топливные компоненты, расположены в передней части камеры сгорания, а задняя —
представляет собой сужающуюся часть сопла.
Сопло состоит из двух участков. Первый из них — сужающийся. В нём реактивная струя
движется с дозвуковой скоростью, разгоняясь по мере уменьшения площади сечения сопла. В
самой узкой его части — критическом сечении — скорость газов достигает скорости звука, и
характер их течения радикально меняется. Теперь уже скорость струи повышается с увеличением
сечения, поэтому во втором участке сопло имеет колоколообразную форму.
Эффективность двигателя тем выше, чем больше температура в камере сгорания. Но
возможности материалов далеко не безграничны, и поэтому во всех современных агрегатах
применяется охлаждение: холодные компоненты топлива, прежде чем поступить в камеру,
проходят через её двойные стенки. Ещё один обязательный элемент ЖРД — турбонасосный агрегат. Приводом для него служат газовые турбины, работающие либо на продуктах сгорания основных топливных компонентов, либо на специальном топливе (например, перекиси водорода).
Рабочим телом ракетных двигателей служат газообразные продукты сгорания. Они обычно весьма ядовиты, кроме того, имеют большую молекулярную массу, а, следовательно, меньшую, чем хотелось бы, скорость истечения (она определяет энергетическое совершенство двигателя). Поэтому уже давно были предложены и испытаны на стендах ядерные ракетные двигатели (ЯРД), в которых рабочее тело, например водород, нагревается в атомном реакторе. А в космосе успешно работают электроракетные плазменные двигатели. Они с огромной скоростью выбрасывают поток ионизованных атомов
ксенона, ускоренных электрическим полем. Источником питания плазменных двигателей служат
солнечные батареи. Но мощность этих двигателей мала, и взлететь с Земли на них невозможно.
Их используют только для стабилизации искусственных спутников и космических станций на
орбите и для перехода с одной орбиты на другую. Очень удобны они и для межпланетных
перелётов. Для полёта на Марс, например, понадобится всего-навсего несколько сот
килограммов ксенона вместо десятков тонн жидкого топлива.

Философы Древней Греции космосом считали гармоничную Вселенную, в которой царит
порядок и всё подчиняется законам природы (в отличие от хаоса, где царствует слепой случай).
Современные исследователи понимают под космосом примерно то же самое, но их интересует
вопрос: а какие законы управляют Вселенной? Чтобы понять это, космос изучали при помощи
различных наземных устройств — радио- и оптических телескопов, счётчиков заряженных
частиц и прочей научной аппаратуры.
4 октября 1957 г. Советский Союз осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
Устройство, сделанное руками человека, впервые было выведено в космос. С тех пор
исследование Вселенной стало одной из основных задач космической техники. К этой технике
относят, во-первых, ракеты-носители, доставляющие научные приборы в околоземное и
космическое пространство. Сегодня с их помощью выводят на орбиту спутники и межпланетные лаборатории массой в десятки и сотни тонн. Во-вторых, мощнейшую вычислительную аппаратуру, позволяющую рассчитывать траектории полёта к планетам Солнечной системы и режимы посадки на них. В-третьих, сами научные приборы, способные безотказно работать в условиях вакуума, космического холода, в потоках ионизирующего излучения. В-четвёртых, служебные системы и агрегаты, которыми оснащаются космические станции.
Космические исследования обходятся недёшево. Например, орбитальный телескоп диаметром 1 м стоит в сто раз дороже наземного. Создание космического телескопа «Хаббл» с зеркалом диаметром 2,4 м обошлось американцам более чем в 6 млрд. долларов. Но на эти траты приходится идти. Научная аппаратура сегодня приносит не менее половины всей астрофизической информации, поступающей в распоряжение учёных.
Главная причина, заставляющая выводить научную аппаратуру в космос, — влияние земной атмосферы. В ней распадаются заряженные частицы, прилетающие из глубин Вселенной и от Солнца, рассеиваются и поглощаются излучения. Атмосфера никогда не бывает спокойной: воздух дрожит, размывая изображение звёзд в телескопах. Приборы в космосе не испытывают воздействия атмосферы и поэтому позволяют получить гораздо больше научной информации, чем наземные.
Но существуют задачи, которые в принципе невозможно решить без космической техники. Это непосредственное изучение атмосферы планет Солнечной системы и их поверхности, исследование межпланетного пространства.
Научные приборы, предназначенные для орбитальных и межпланетных лабораторий, создаются с учётом условий космоса. Зеркала оптических телескопов делают не из простого стекла, а из ситалла, продукта объёмной кристаллизации стекла разного состава. Ситалл очень прочен, а главное — практически не подвержен тепловому расширению. К телескопу подключаются различные регистрирующие системы:
спектральные приборы, фотоумножители и так называемые приборы с зарядовой связью
(матрицы ПЗС) — устройства, создающие полноцветное изображение исследуемого объекта.
Изображение в цифровой форме вводится в компьютер и передаётся на Землю; по качеству оно
не уступает фотографическому. Космические телескопы позволяют вести наблюдения в
видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Инфракрасный диапазон
особенно труден для наблюдения: сам телескоп и приёмники излучения приходится охлаждать
почти до температуры абсолютного нуля, чтобы их собственное тепловое излучение не мешало
измерениям. Несмотря на технические сложности, инфракрасную аппаратуру удалось сделать очень чувствительной: она способна с околоземной орбиты обнаружить горящую на Луне спичку. Ещё труднее измерять энергию радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые буквально пронизывают Вселенную, образуя постоянный фон. Эти радиоволны возникли одновременно с нашей Вселенной и несут сведения о первых секундах её существования. Обычные антенны здесь бесполезны, и для работы на специализированных спутниках были созданы особые рупорные антенны и чувствительные приёмники-радиометры. Для регистрации рентгеновского и гамма-излучения применяют счётчики и детекторы самых разных типов. Кванты этих излучений несут очень большую энергию; в зависимости от типа счётчика они или ионизуют атомы газа, или вызывают световую вспышку в кристалле, или рождают цепочку искр, отмечающую траекторию их движения. Так регистрируют потоки заряженных частиц, приходящие из глубин космоса и от Солнца. Из нескольких детекторов собирают рентгеновский или гамма-телескоп — устройство, с большой точностью определяющее направление на источник излучения.
Совсем иную аппаратуру несут станции, предназначенные для исследования других планет. Их оснащают приборами для измерения магнитного поля планеты, анализаторами атмосферных газов, радиолокаторами для просвечивания плотной облачности. Для спуска на поверхность планеты такие станции снабжены системами мягкой посадки — тормозными двигателями, амортизаторами и парашютами. На станциях монтируют стереоскопические (от греч. «стерео'с» — «твёрдый», «объёмный», «пространственный» и «скопе'о» — «смотрю») камеры для панорамной съёмки, компактные буровые установки и манипуляторы для отбора проб грунта. Бортовые лаборатории проводили химические анализы грунта и ставили опыты по отысканию органической жизни на Марсе. По Луне и Марсу уже разъезжали телеуправляемые экипажи — отечественные «Луноходы» и американский марсоход «Соджорнер». Функционирование космических лабораторий обеспечивают различные системы и агрегаты. Источниками электроэнергии здесь служат панели солнечных элементов и аккумуляторы, которые от них подзаряжаются, а станции, уходящие далеко от Солнца, снабжаются вдобавок и атомными батареями. Система телеметрических (от греч. «те'ле» — «вдаль», «далеко» и «метро» — «измеряю») измерений следит за тем, чтобы все устройства работали в установленном режиме. Результаты научных измерений вводятся в запоминающее устройство и передаются на Землю по радио во время сеанса связи. Особо выделена радиолиния,
позволяющая по командам с пункта управления
включать и выключать приборы, ориентировать станцию, маневрировать. Бортовой компьютер
координирует работу систем и агрегатов станции и управляет ею по заданной программе или
по командам с Земли, а связанный с компьютером эталон времени осуществляет привязку
работы станции к земным часам с точностью до 0,001 с. Система терморегуляции поддерживает на борту требуемую температуру. Станцию во время полёта ориентируют так, чтобы её антенны были направлены на Землю, а научные приборы — телескопы, счётчики заряженных частиц, фотоприёмники — на исследуемый объект: звезду, туманность, планету или её спутник. Высокую точность наведения приборов обеспечивают компьютеры (на борту и на Земле), которые производят сложные расчёты. Разворачивают станцию и удерживают её в нужном положении исполнительные механизмы: двигатели малой тяги и тяжёлые волчки-гироскопы, называемые гиродинами (от греч. «ги'рос» и «ди'намис» — «сила»). Ось раскрученного волчка стремится сохранить своё направление в пространстве, и достаточно массивный гироскоп препятствует самостоятельному повороту всей космической станции. Орбитальный комплекс «Мир», например, стабилизируют сразу шесть гиродинов.
Сейчас, когда вы читаете эту книгу, пределы Солнечной системы впервые покинула американская межпланетная станция «Пионер-10». Она направляется к звезде Альдебаран в созвездии Тельца и прилетит к ней через 2 млн. лет, принеся земное послание иным мирам.
Запуски искусственных спутников и межпланетных лабораторий продолжаются. Начался монтаж первых блоков международной космической станции. На базе морской платформы для добычи нефти в России создана стартовая площадка в низких широтах, удобных для выведения спутников связи. Техника космических исследований становится совершеннее, и с её помощью мы всё больше узнаём о Солнечной системе, о Галактике, о Вселенной.

Исследуют атмосферу даже с помощью ракет. Пример подобной метеорологической техники — российская двухступенчатая твердотопливная неуправляемая ракета М-100Б. Первая её ступень имеет диаметр 250 мм, длину 4,1 м и работает 5 с. Вторая ступень того же диаметра длиной 1,5 м работает 4,5 с. При запуске из установки ракета закручивается со скоростью 3,5 оборота в секунду.
Отделение первой ступени происходит механически после возгорания пороха во второй ступени. Головная часть ракеты с приборами и блоками питания (батареями и аккумуляторами) на активном участке траектории (пока работает двигатель) закрыта обтекателем; на высоте 50 км он сбрасывается. Головная часть отделяется на высоте 65—70 км. Одновременно раскрывается парашют площадью около 40 м , который стабилизирует полёт на верхнем отрезке траектории свободного падения, а в плотных слоях атмосферы (ниже 50—40 км) резко замедляет скорость снижения и заставляет ракету дрейфовать в соответствии с силой и
направлением ветра.
Скорость ветра на больших (до 100 км) высотах измеряют, наблюдая с помощью наземного
радиолокатора за движением металлизированных надувных шаров, лент или стеклянных игл,
которые ракета выбрасывает по команде с Земли. Температуру атмосферы определяют
четырьмя термометрами сопротивления, сделанными из тончайшей вольфрамовой проволоки.
Действие этих приборов основано на способности металлов изменять электрическое
сопротивление в зависимости от температуры. При этом вводятся поправки, учитывающие
скорость движения ракеты, солнечное излучение, тепловую инерцию проволоки и др.
Для определения концентрации озона применяют хемилюминесцентный метод. При движении
ракеты через её бортовой проточный реактор, защищенный от света ловушками-лабиринтами, течёт воздух. Озон, взаимодействуя с поверхностью диска из пористого стекла, покрытого люминофором, вызывает его свечение, которое регистрируют чувствительные фотоприёмники В других приборах используют реакции, позволяющие измерять концентрации окислов азота и атомарного кислорода, слой которого расположен на высоте 90—100 км.
Испытывают такие ракеты на установках, моделирующих условия верхней атмосферы, и в аэродинамических трубах, где создают сверхзвуковые потоки разрежённого газа.

Воздушную среду изучают не только с Земли, но и из космоса. Со спутников следят за температурой, плотностью и химическим составом средней (10—100 км от поверхности Земли) и верхней (более 100 км) атмосферы. Самой современной аппаратурой для подобных исследований является CRISTA (Германия). Это три инфракрасных телескопа-спектрометра, которые улавливают тепловое излучение газов. Чтобы определить, как распределяются газы, проводят зондирование (сканирование) атмосферы по высоте. Три телескопа направлены под углами 162°, 180° и 198° к траектории движения спутника, так что вся воздушная среда разделяется на три полосы по 200 км шириной. Каждую полосу наблюдает один телескоп. Весь участок необходимо измерить за 1 с. На борту CRISTA (так называют и сам спутник) содержится 600 л жидкого гелия, имеющего температуру -270 °С. Он охлаждает высокочувствительные инфракрасные детекторы и оптические устройства, чтобы их собственное тепловое излучение не мешало измерениям. За 16 оборотов спутника вокруг Земли в течение суток можно получить картину распределения в атмосфере соединений углерода, азота, хлора, фтора и других элементов. Такая условная карта состоит из более чем 9 тыс. квадратов размером 200x200 км каждый.
В 60-х гг. XX в. американские спутники неожиданно начали фиксировать всплески гамма-излучения, подобные тем, что возникают при ядерных испытаниях. Но никаких испытаний там, где заметили подобные явления (над Африкой, Индонезией, океанскими просторами), быть не могло. Вскоре выяснилось, что аппаратура регистрирует не взрывы, а мощные грозы. С помощью высокочувствительных кинокамер, спектрографов и приёмников гамма-излучения, размещённых в самолёте-лаборатории, удалось заснять необычные электрические разряды — восходящие молнии в средней атмосфере. Природа этого относительно редкого явления до сих пор неясна. В среднем на 500 обычных молний приходится одна, бьющая в ионосферу, при том что в год на земном шаре происходит около 10 млрд. грозовых разрядов.

Воздушная среда вокруг нашей планеты, или атмосфера, очень сложна для изучения. Она находится в динамическом равновесии с океаном, внутренней Землёй (откуда постоянно выделяются газы и изливается магма), космосом и биосферой. Исследует механизм этого равновесия и прогнозирует изменение климата метеорология (от греч. «метеора» — «атмосферные явления» и «логос» — «учение») — наука об атмосфере. Столь серьёзную работу без специальной аппаратуры проводить невозможно: с помощью приборов определяют направление движения воздушных масс, состав газовой среды, получают данные о химических реакциях, происходящих под воздействием солнечного и космического излучений, и о многих других процессах. НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые метеорологические приборы появились, вероятно, очень давно. До нашего времени сохранились трактаты учёных Античного мира с описанием прибора, который указывал направление ветра (тогда считалось, что погоду во многом определяет именно ветер). Позже это устройство назвали флюгером (от голл. vleugel — «крыло»). Прибор, измеряющий скорость ветра, — анемометр (от греч. «а'немос» — «ветер» и «ме'трон» — «мера») — создали только в XVII столетии в Англии.
Идея термометра (от греч. «те'рме» — «тепло» и «ме'трон»), барометра (от греч. «ба'рос» — «тяжесть» и «ме'трон») и дождемера принадлежала итальянскому учёному Галилео Галилею. Термометр Галилей изобрёл в 1597 г. Он представлял собой стеклянный шар с
трубкой, один конец которой был погружён в воду. Изменение уровня воды в трубке
свидетельствовало о повышении или понижении температуры (о способности воздуха
расширяться при нагревании знали ещё в древности). К середине XVII в. термометры
значительно усовершенствовали: их стали наполнять спиртом и снабдили шкалой. А вот
барометр создал ученик Галилея — Эванджелиста Торричелли: он воплотил идею своего
учителя в жизнь.
КАК ИССЛЕДУЮТ АТМОСФЕРУ
В конце XX в., как и несколько столетий назад, важно знать, каковы температура воздуха,
атмосферное давление, влажность. Однако о процессах, протекающих не у поверхности Земли,
а на высоте в десятки километров, простые термометр и барометр рассказать не могут. Здесь на
помощь приходит сложная техника.
Чтобы получить подобные данные, используют радиозонды — приборы, включающие в себя
датчики температуры, влажности и давления, указатель высоты и радиопередатчики. Зонд
прикрепляют к наполненному водородом небольшому шару и запускают. Поднимаясь, он
непрерывно передаёт сведения о состоянии атмосферы на разных высотах (до 40 км и более).
Каждый год в мире отправляют в полёт около 300 тыс. таких шаров-зондов.
Для отбора проб воздуха и измерения интенсивности потоков заряженных частиц используют
большие шары-баллоны — грузоподъёмностью до 1 т. Запускают их часто с палубы корабля.
Чтобы не мешал сильный ветер, оболочку наполняют гелием в специальном контейнере — его
форма повторяет форму шара. Когда контейнер раскрывается, шар устремляется ввысь вместе с
необходимой аппаратурой. Современные технические устройства могут определять, что происходит в воздушном пространстве, и на расстоянии. Их работа строится по следующей методике. Излучатель (радиолокатор, лазер, звуковой генератор) посылает сигнал в атмосферу. Радиоволна, свет или звук отражаются от облака, дождевых капель, потоков воздуха и возвращаются обратно. При этом в зависимости от природы препятствия меняются характеристики импульса. Полученный сигнал учёные сравнивают с первоначальным и по изменениям судят о процессах, протекающих в атмосфере. Так, например, сегодня действуют три радиолокационные станции слежения за дождевыми облаками, расположенные в центральной части России (Москва, Калуга, Рязань).
Спутниковые и наземные озонометры, ведущие мониторинг (ежедневное наблюдение) озонового слоя Земли, работают по-другому — не воздействуя на воздушную среду. Они лишь фиксируют проходящее через атмосферу ультрафиолетовое излучение. Молекулы озона поглощают ультрафиолет, и по тому, насколько сильно рассеяно излучение, судят о толщине озонового щита.
И озонометры, и радиозонды, и радиолокационные станции входят в единую систему мониторинга атмосферы. В этой системе действует много приборов и устройств: они следят за радиоактивностью воздуха, измеряют количество пыли и водяного пара в нём, концентрацию озона, окислов азота, углерода, серы, углекислого газа, метана и др. Полученные данные используются в оперативном прогнозе погоды.