Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

Галактикистали формироватьсяспустяпримерно3млрдлетпосленачала расширения Вселенной в местах скопления облаков нейтринного газа, представляющего собой так называемые гравитационные ямы. При скоплении в таких местах неоднородностей материи массой порядка 1×1040 т начинают преобладать процессы сдавливания вещества. Всего астрономы, в зависимости от их формы, выделяют 4 типа галактик:

– эллиптические;

– спиральные;

– линзовидные;

– неправильные.

Во Вселенной в настоящее время насчитывается 1×1014 галактик. Наша Галактика (Млечный путь) относится к спиральному типу. В ней

содержится около 200 млрд звезд общей массой 3×1038 т.

Формирование звезд началось сразупосле образования галактик. Солнце образовалось около 5 млрд лет назад, его масса (МС) составляет 2×1027 т. В нашей Галактике на звезды приходится 0,4 % всей ее массы. Остальная частьмассы сосредоточена вмежзвездном газе,пыли, темной энергии и темной материи.

Темная материя – форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным ее прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить наличие темной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружениеприродытемной материипоможетрешить проблемускрытой массы Вселенной, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Темная энергия – феномен, который используется для объяснения того, что Вселенная расширяется с ускорением.

Существует два варианта объяснения сущности темной энергии:

– темная энергия есть космологическая субстанция, обладающая неизменной энергетической плотностью и равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);

– темная энергия есть некое динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

62 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

К настоящему времени (2018) все известные надежные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, и она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем.

Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для темной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

Темная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.Согласно опубликованным в марте 2013 г. данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энер- гия наблюдаемой Вселенной на 95,1 % состоит из темной энергии (68,3 %) и темной материи (26,8 %).

Звезды и их планетарные системы образуются из газопылевых туманностей. Академик О. Ю. Шмидт, изучая эту проблему, пришел к заключению, что Солнце и планеты образовались не из горячей, а из холодной газопылевой туманности. Ранее Кантом и Лапласом развивалась гипотеза о происхождении Солнца и планет из горячей газопылевой туманности.

Ближайшаякнамзвезда–Солнце.ВсоставсистемыСолнцавходитнаша планета – Земля. Что касается Солнечной системы, то она состоит из звезды – Солнца, планет со спутниками, астероидов (малых планет), комет и межпланетной среды, образуемой метеорами, космической пылью и межпланетным газом,образующими газопылевое облако и, как сейчас считается, имеет диаметр около 2×1013 км.

Солнце – центральное тело Солнечной системы, имеет массу, составляющую более 99 % всей массы тел Солнечной системы. Его гравитационное поле служит главным фактором, определяющим движение планет, астероидов, комет и метеорных тел, а также КА вне сфер действия полей тяготения планет. Солнце является источником мощных потоков корпускулярного и электромагнитного излучений.

Кнастоящемувремени вСолнечной системедостоверно установлено существование восьми планет (после исключения Плутона из числа планет). Вот их перечень (в порядке удаления от Солнца): Меркурий, Венера, Земля,

щество в них находится в конденсированном состоянии и эволюционирует за счет процесса гравитационной дифференциации, радиогенной энергии и т. д.

В объектах с массой, на порядок больше указанного предела, начинают протекать термоядерные реакции, свойственные звездам.

Физическиеусловиявмежпланетномиоколоземномпространствесущественно зависят от проявления солнечной активности. Вариации интенсивности излучений Солнца, связанные с 11-летним циклом, вызывают сравнительно монотонные и регулярные изменения, которые быстро обнаруживаются и поддаются достаточно точному долгосрочному прогнозированию. В то же время проявления солнечной активности – солнечные вспышки, при которых резко на несколько порядков увеличивается интенсивность корпускулярного излучения, оказывают самое непосредственное и внезапное влияние на характеристики физических условий в космическом пространстве.

Планеты формируются на периферии газопылевого облака. Образование землеподобных планет происходит в течение ~100 млн лет. В настоящее время считается, что Солнце образовалось 4,6 млрд лет назад, а землеподобные планеты – 4,55 млрд лет назад. Процесс формирования Юпитера и Сатурна протекалпорядка 100 млн лет, а Урана и Нептуна – 0,5 млрд лет назад. Плутон же, возможно, еще не закончил этот процесс.

Планеты и другие крупные тела Солнечной системы обладают полями тяготения, для преодоления которых требуются затраты энергии.

Огромные расстояния между Землей, Луной и планетами Солнечной системы требуют значительного времени на их преодоление, которое при существующих возможностях ракетно-космической техники измеряется при полете к Луне несколькими днями, к планетам земной группы – месяцами, к планетам юпитерианской группы – годами.

У Земли, Венеры, Марса и некоторых других планет имеется атмосфера. При движении КА в атмосфере возникают аэродинамические силы, вызывающие торможение КА и приводящие к потере им скорости. При старте с планеты на преодоление аэродинамического сопротивления требуются дополнительные затраты топлива для достижения КА заданной скорости. При

64 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

движении КА по орбите искусственного спутника воздействие на него аэродинамических сил определяет время его существования на орбите. Как говорилось ранее, аэродинамические силы можно использовать для ориентации КА в пространстве.

Составатмосферы,изменениедавленияитемпературыповысоте,атакже физические условия (давление, температура, наличие ветров, механические характеристики поверхностного слоя грунта и т. п.) на поверхности планет необходимо учитывать при создании КА, предназначенных для посадки на них, а также их аппаратуры.

Физические явленияв атмосфере,вчастности наличие исостояниеионосферы, будут влиять на связь КА с Землей, между разными КА, а также при использовании ИСЗ для радиосвязи и телевидения.

Возмущения ионосферы (при ее наличии в атмосфере планеты) во время солнечных вспышек могут практически исключить возможность коротковолновой связи в этот период.

Полеты в зоне радиационных поясов Земли и Юпитераиз-за воздействия ионизирующего излучения опасны для человека и требуют не только специальной защиты экипажа, но и разработки устойчивой к этому воздействию бортовой аппаратуры (БА).

При движении в магнитном поле Земли и других планет на КА, обладающий магнитным моментом, будет действовать возмущающий момент, который можно использовать для пассивной ориентации.

Примежпланетныхполетахнеобходимкомплексспециальныхмер, называемых планетным карантином, для исключения переноса форм жизни с одного небесного тела на другое.

Максимумы спектров собственного излучения планет лежат в интервале от 3 мкм для Меркурия до 5 мкм для Луны, Венеры, Марса без учета отраженного солнечного излучения.

Космосявляетсяфономдля работы ОЭПориентации и навигации по астроориентирам. Радиационная температура космоса Т ≈ 3,5 К.

Вокруг Солнца обращаются астероиды – малые планеты, главным образом между орбитами Марса и Юпитера. Они образуют кольцо (пояс) астероидов шириной более 1 а.е. В настоящее время открыто более 6000 астероидов, диаметр наибольшего из них – Цереры – приблизительно равен 768 км. Постоянные столкновения отдельных тел в кольце астероидов приводят

к их постоянному дроблению и образованию в этой зоне Солнечной системы мелкораздробленного твердого вещества вплоть до мельчайших твердых пылинок.

Для космических полетов пояс астероидов считается наиболее опасным районом Солнечной системы из-за возможности столкновения с мелкими астероидами.

Помимо астероидов вокруг Солнца обращаются кометы.

Кометы – небесные тела, которые с поверхности Земли выглядят как туманные расплывчатые звезды с одним или несколькими слабосветящимися хвостами. Голова кометы может иметь размеры от нескольких тысяч до нескольких миллионов километров, а хвост, возникающий при прохождении кометы вблизи Солнца, может иметь длину до 200 млн км. Комета имеет твердое ядро, окруженное массой газа – комой, которая образует внешнюю оболочку и хвост кометы. Ядро кометы состоит из глыб метеоритного вещества, кусков льда из воды, аммиака, метана и т. д.

Практический интерес представляет тот факт, что распавшиеся кометы дают начало метеорным потокам. При распаде кометы остатки ядра (в виде обломков твердого вещества) продолжают двигаться почти по той же орбите, что ранее и сама комета, образуя метеорный рой. Этот процесс считается основным источником образования метеорных потоков и источником пополнения их метеорными частицами.

Метеорные частицы делят на два класса:

– входящие в метеорные потоки;

– спорадические (метеоры фона).

Кроме первичных метеорных частиц, о процессе образования которых говорилосьвыше,наблюдаютсятакжевторичныечастицы,выбиваемыепервичными метеорами при попадании в планеты, например, в Луну.

Встречаются каменные и железные метеорные частицы, причем средняя плотность образуемых ими конгломератов составляет 0,5 г/см3.

МаксимальнаяскоростьпервичныхметеорныхчастицотносительноСолнца равна 42 км/с. Скорость же их относительно Земли, имеющей орбитальную скорость 29 км/с, – 12 км/с, если частица догоняет Землю, или 72 км/с – если она летит навстречу Земле. Для расчетов принимают значение скорости метеорных частиц 30 км/с.

66 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

Еще один фактор космического пространства, который необходимо учитывать при разработке БА, – радиация.

Радиация (корпускулярное излучение) – потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электроновипротонов)солнечногоигалактическогопроисхождения.Онапредставляет опасность, прежде всего для человека, а также может влиять на работу бортовойэлектроннойаппаратурыинафизическиесвойстванекоторыхконструкционных материалов.

В наземных условиях подобное влияние на биосферу отсутствует. Собственное магнитное поле и атмосфера защищают Землю от космических радиационных потоков.

В межпланетном и околоземном пространстве корпускулярное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космическогоизлучений (ГКИ)и излучениярадиационныхпоясовЗемли(РПЗ).

Солнечный ветер – непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ~90 % протонов, ~9 % ядер гелия и ~1 % других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией, достигающей 1×106 эВ.

В космосе существуют поля:

– магнитное;

– гравитационное.

Практический интерес представляет ситуация с полями в Солнечной системе. Структуру и величину межпланетного магнитного поля определяет солнечный ветер, силовые линии которого вытянуты вдоль линий тока солнечноговетраиимеютформуспиралиАрхимеда,закручиваемойвращением Солнца. Это магнитное поле влияет на распределение интенсивности ГКИ в Солнечной системе, препятствуя его проникновению в ее внутренние области.

Солнечный ветер, благодаря своему давлению:

– отклоняет хвосты комет;

– «выметает» из Солнечной системы газ и мельчайшие частицы космической пыли;

–определяетхарактергеомагнитныхвозмущенийисвязанныхснимдру- гих геофизических явлений;

генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны.

Сильныевспышкиотносительноредкиидлятсянеболеесуток,ноименно вэтовремяСКИопределяютрадиационнуюобстановкувмежпланетномпространстве.

ГКИ– это потоки частиц возникающие за пределами Солнечной системы. Состав ГКИ: ~94 % протонов, ~5,5 % ядер гелия и небольшое количество тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблюдаемых около Земли, составляет 1×1010 эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 1×1020 эВ и выше, т. е. во много раз превосходит максимальную энергию, получаемую на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Потоки частиц ГКИ движутся с релятивистскими скоростями. Их интенсивность практически одинакова во всех направлениях и увеличивается по мере удаления от Солнца, что связано с действием межпланетного магнитного поля и имеет колебания в противофазе с изменением периодов солнечной активности с амплитудой, которая изменяется в 2 раза.

Существуют теоретические предположения о существовании в дальнем космосе изолированных электромагнитных образований – геонов и гравитонов.

Гравитоны – это кванты гравитационного поля. И в 2016 г. были опубликованы работы, экспериментально подтверждающие их существование. Эти работы были удостоены Нобелевской премии по физике.

Геоны–электромагнитныеилигравитационныеволны,которыеудержи- ваются в ограниченной области гравитационным притяжением энергии своего собственного поля.

Несмотря на ограниченные возможности для наблюдения только в области оптического и радиодиапазонов, удалось с использованием теоретических расчетов открыть в дальнем космосе уникальные по своим свойствамобъекты.Так,вконце1935г.всозвездииКассиопеибылаоткрытазвезда 13-й величины, масса которой в 2,8 раза больше массы Солнца, а объем –

68Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

в8 раз меньше объема Земли. Сила тяжести на ее поверхности превышает силу тяжести Земли в 3,7×106 раза.

Объектами, с изучения которых собственно и началось развитие астрономии, являются звезды.

Практическивсеяркиезвезды хорошообнаруживаются ввидимой иближней ИК-областях спектра.

Сантичных времен звезды классифицируются по яркости, мерой которой является звездная величина.

Звездныевеличинынекоторыхзвездпредставленывтаблице8.Звездные величины характеризуют относительную яркость звезд, которую можно наблюдать невооруженным взглядом. При этом значение яркости каждой последующей звездной величины отличается от предыдущего в 2,512 раза. Условный стандарт яркости – 1. Величины меньше этой – положительны, больше – отрицательные.

Таблица 8

Приблизительные значения звездных величин некоторых звезд

ВоВселеннойтеоретическипредсказаносуществованиенеобычныхсточки зрения квантовой механики объектов – нейтронных и гиперонных звезд.

В гипотезах о нейтронных и гиперонных звездах пока еще много нерешенных вопросов, которые представляют интерес как для космологии, так и для квантовой механики.

В космосе также существует еще один класс интересных объектов – рентгеновские пульсары, представляющие собой двойные звездные системы, состоящие из звезды и нейтронной звезды. Нейтронная звезда поглощает вещество из своей напарницы. Поток плазмы с огромной скоростью несется

к протонной звезде, вызывая мощное рентгеновское излучение. Рентгеновские пульсары являются природными «трансляторами», аналогичными системам GPS/ГЛОНАСС, – генерируют стабильные «сигналы точного времени» и, в силу своей удаленности, обеспечивают стационарную пространственную привязку. В последнее время появились теоретические работы, которые рассматривают возможность построения автономной СУД КА, основанной на новом физическом принципе – регистрации и анализе рентгеновских сигналов, исходящих из пульсаров.

Что касается геонов, то нелинейная теория гравитации предсказывает возможность создания гравитационного поля помимо взаимодействующих космических масс, электростатическим и магнитным полями независимо от космических масс.

К настоящему времени установлено, что у звезд довольно часто встречается магнитное поле. Так, у Солнца напряженность магнитного поля максимальна у наружной поверхности пятен и составляет от 4 до 24×105А/м. Помимо звезд, обладающих более высокими значениями средней напряженности магнитного поля, существуют магнитопеременные звезды. Например, у Гончих Псов, магнитное поле изменяется от величины плюс 4×105А/м до значения минус 4×105А/м в промежуток времени 4 … 5 земных суток.

Магнитное поле Галактики имеет незначительную величину (индукция крупномасштабного магнитного поля Галактики 2–3 мкГс). Оно направлено вдоль галактических рукавов протяженностью в тысячи световых лет. Считается, что оно ответственно за конфигурацию и эволюцию Галактики.

Гипотеза о существовании в космосе, кроме магнитного, гравитационного, электростатического полей непосредственными наблюдениями пока не подтверждена.

Галактика по форме приближенно соответствует диску диаметром 100 и толщиной в центре 16 тыс. световых лет. Мы видим нашу Галактику с ребра в виде Млечного Пути, что затрудняет ее изучение из-за малых углов наблюдения.

ВГалактике примерно 150 млрд звезд. Нашазвезда– Солнце– относится к звездамспектрального классаG(поклассификацииприняты спектральные классы звезд O, V, A, G, M, K, F) и является «желтым карликом».

Скорости, с которыми перемещаются небесные тела в космическом пространстве, представлены в таблице 9.

70 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…Таблица 9

Скорости, с которыми перемещаются небесные тела в космическом пространстве

Для измерения расстояний в космическом пространстве принято несколькоединиц.Наиболеераспространенныеизнихпредставленывтаблице

10 [1, 10–12, 15, 17, 18, 20, 22, 23, 25, 26, 31, 34, 36, 40].

Таблица 10

Наиболее распространенные единицы для измерения расстояний в космическом пространстве