Охота за молекулярными потоками

В свое время Георгий Карабаджак, студент четвертого курса знаменитого МФТИ, был направлен на практику в Институт физических проблем АН СССР, директором которого был академик Петр Капица. После прохождения практики успешно сдал экзамен (самому Капице!) и сразу же был принят в аспирантуру. Защитив диссертацию, получил степень кандидата физико-математических наук по специальности «Физико-химия плазмы». В 1980 году пришел в ЦНИИмаш (г. Королев). Сегодня Георгий Карабаджак – доктор технических наук, начальник отдела ЦНИИмаша, заместитель руководителя полетов по научно-прикладным исследованиям, старший член Американского института аэронавтики и астронавтики.

– Георгий Февзиевич, отдел, которым вы руководите, создан недавно. Чем он занимается?

– Наш отдел помогает реализовывать эксперименты на МКС научным коллективам, которые их готовят. Фактически мы выполняем функции постановщика экспериментов от имени ЦНИИмаша и обеспечиваем оперативную поддержку работе Координационного научно-технического совета (КНТС) Роскосмоса, отвечающего за все программы на МКС (его председатель – академик Николай Анфимов). Ведь как бы ни был ученый умён и талантлив, это не обязывает его знать специфику работы на пилотируемой станции.

– А не слишком ли это дорогое удовольствие – постоянно действующая пилотируемая станция? Почему бы не проводить космические эксперименты на спутниках или с помощью исследовательских ракет?

– Дело в том, что на станции есть ряд условий, определяющих ее уникальность. В первую очередь это присутствие человека. Уже совершенно ясно, что без приобретения бесценного опыта проживания на орбитальной станции бесполезно мечтать об экспедиции даже к ближним планетам. Поэтому заметную часть в научной программе на МКС занимают медико-биологические и другие эксперименты по изучению особенностей длительного пребывания человека в космосе.

Однако в большинстве экспериментов на пилотируемых станциях космонавты выступают уже в качестве не объекта, а субъекта исследований. Пример эффективного использования ресурсов пилотируемых станций – геофизические эксперименты по программе «Релаксация», которые мне посчастливилось в течение долгого времени проводить сначала на станции «Мир», а сейчас и на МКС.

– Что исследуется в этой программе?

– Изучаются ультрафиолетовые эмиссии природного и техногенного происхождения в атмосфере и ионосфере Земли. Известно, что УФ-излучение практически полностью поглощается озоновым слоем Земли. Поэтому наблюдать эти эмиссии можно лишь из космоса. Без таких исследований наши знания о процессах, происходящих в земной атмосфере, были бы далеко не полными.

В большинстве случаев интенсивность наблюдаемого излучения сравнительно невелика. Зарегистрировать его можно лишь с помощью современной высокочувствительной аппаратуры.

Такое оборудование впервые в России было изготовлено и доставлено на орбитальную станцию «Мир» в 1992 году. И по сей день УФ-аппаратура с успехом используется нашими учеными на МКС.

Конечно же, работа с этой аппаратурой требует определенных навыков и достаточно глубокого понимания природы наблюдаемых УФ-свечений. Поэтому все российские члены экипажей орбитальных станций в обязательном порядке проходят курс обучения работе с этими установками. Таким образом, космонавты становятся реальными участниками экспериментальной программы. Поэтому нет необходимости автоматизировать аппаратуру до такой степени, как это делается на беспилотных платформах. Самая умная автоматика не может заменить мозг человека, его интуицию и способность комплексно оценить сложную ситуацию.

– А какова цель этих работ?

– Одна из основных целей – изучение взаимодействия гиперскоростных разреженных молекулярных потоков с атмосферой на высоте полета станции. Гиперскоростными называются молекулы, скорость которых многократно превышает среднюю скорость молекул в газе и в атмосфере Земли составляет 5–10 километров в секунду. Эти молекулы совсем по-другому взаимодействуют с атмосферными газами.

Сталкиваясь с атомами кислорода, из которых в основном состоит земная атмосфера на орбитальных высотах, они возбуждаются, испытывают химические превращения и излучают. Так, например, гиперскоростная молекула воды, столкнувшись с атомом кислорода, распадается и образует две молекулы гидроксила, одна из которых излучает в УФ-области спектра. Эта реакция эндотермическая, то есть требующая затрат энергии, которую несет с собой молекула воды. Подобные одноступенчатые реакции не реализуются на Земле, в плотной атмосфере, где у молекул сравнительно небольшая скорость. Но в разреженных атмосферах небесных тел и на орбите полета МКС гиперскоростные одноступенчатые реакции – вполне обычное явление.

Более того, в «космической лаборатории» гиперскоростные потоки молекул создаются естественным образом. Космические корабли, отстыковавшись от станции, совершают вблизи нее сложные маневры, сопровождающиеся работой двигательных установок, и в атмосферу выбрасываются отработанные газы. Это похоже на выхлопы автомобиля, только сопла двигателей космических аппаратов выбрасывают в атмосферу газ со скоростью до трех километров в секунду. Плюс орбитальная скорость корабля около 7,5 километра в секунду┘ В результате молекулярный поток пронизывает земную атмосферу со скоростью более 10 километров в секунду! Такой молекулярный пучок – своеобразный зонд.

– И что в итоге?

– Экспериментальные данные о результатах гиперскоростных столкновений и вероятностях прохождения тех или иных реакций могли бы помочь ученым опробовать на практике сложнейшие модели межмолекулярных взаимодействий. Если бы удалось зарегистрировать излучение, сопровождающее гиперскоростные столкновения атомов и молекул пучка, это стало бы средством для их изучения. Но сделать это не так просто. Проблема в том, что гиперскоростная молекула может пролететь в разреженной атмосфере Земли десятки километров до того, как столкнется с другой частицей. Излучение надо «собирать» практически из всей этой области. В противном случае его просто не хватит для анализа происходящих явлений.

– Что же делать?

– Как сказал поэт, большое видится на расстоянии. В конце прошлого века американские ученые пытались зарегистрировать излучение гиперскоростных молекул с Земли при помощи высокочувствительной аппаратуры, расположенной на Гавайских островах. Им удалось наблюдать огромное, размером в десятки километров, светящееся облако, образовавшееся в результате работы двигателей космического аппарата «Спейс шаттл». Но они наблюдали лишь часть эмиссий в видимом диапазоне спектра, которая прошла сквозь атмосферу Земли. Излучение молекул гидроксила, окиси азота, окиси углерода и многих других, расположенное в УФ-области, невозможно наблюдать с Земли из-за поглощения в земной атмосфере.

Решить проблему помогли уникальные возможности пилотируемой орбитальной станции. С нее светящееся облако, образующееся при прохождении молекулярного пучка сквозь атмосферу, можно наблюдать в широком спектральном диапазоне, включающем УФ-область. Такая схема наблюдений была реализована на станции «Мир» еще в 1993 году, когда экипаж Василия Циблиева и Александра Сереброва впервые зарегистрировал слабое УФ-свечение молекул гидроксила при работе двигателя корабля «Прогресс». Сейчас на станции МКС такие эксперименты уже кажутся рутинными.

– Одна из сторон ваших научных интересов – физико-химия плазмы. Наверное, эксперименты на орбитальной станции дают и в этой области новую информацию?

– По репортажам из Центра управления полетами, ЦУПа, все мы знаем, что вокруг спускаемого аппарата (СА), возвращающегося домой на высокой скорости, образуется плазменное облако, которое на некоторое время даже нарушает радиосвязь СА с Землей. То же самое облако является и источником излучения, которое можно наблюдать с помощью приборов, расположенных на МКС. Особенно эффективно такое наблюдение в УФ-области спектра, где расположены интенсивные полосы атмосферных молекул.

Подготовленный космонавт, работающий на МКС и знающий ориентировочно местоположение корабля, на котором возвращаются его предшественники, может самостоятельно в ночное время отыскать спускаемый аппарат и начать наблюдения за ним, когда он находится еще на высоте более 100 километров над Землей. И хотя скорость СА на этой высоте превышает семь километров в секунду, но относительно МКС она опять-таки невелика! Поэтому космонавту на станции сравнительно несложно удерживать аппарат в поле зрения практически на всей траектории спуска.

Излучение плазмы, образующейся вокруг спускаемого аппарата, несет с собой бесценную информацию о сложных физико-химических процессах у его поверхности, так необходимую ученым для проектирования теплозащиты и разработки стратегии входа кораблей в планетные атмосферы.