Земля – космос – Луна - Самарий Наумович Минчин

На всех советских космических аппаратах применялись баллистические пьезоэлектрические датчики, которые замеряли количество ударов твердых частиц и импульс материала датчика, возникающий при локальном взрыве от столкновения с частицей. Чувствительный элемент датчика (выполненный, например, из кварца) обладает свойством преобразования механического воздействия в электрические колебания.

Рис. 32. Схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика:

1 – плата (рабочая поверхность); 2 – четыре пьезоэлемента из фосфата аммония; 3 – плоская пружина

На рис. 32 показаны основные элементы и схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика; принцип его работы состоит в следующем.

Под действием удара твердой частицы происходит смещение платы, вызывающее деформацию пьезоэлемента с выдачей электрического напряжения в форме кратковременных затухающих колебаний. Электрические сигналы поступают на специальный усилитель-преобразователь, который разделяет их по амплитуде на четыре диапазона и подсчитывает количество импульсов в каждом диапазоне; разрешающая способность системы равна 12 – 17 ударам в секунду.

Тарировка прибора производится наблюдением отскока шарика известной массы с фиксированной высоты; при этом датчик работает как баллистический прибор, т. е. практически так же, как при соударении с микрометеоритом.

Наибольшая сложность (и, к сожалению, значительная погрешность) связана со способом перехода от замеренного в полете импульса к подсчету соответствующей массы микрометеорита. Для снижения ошибок эксперимента особое внимание уделяется защите прибора от вибраций, уменьшению диапазона изменения его температуры и т. д.

Физически картина соударения твердой частицы с датчиком сводится к тому, что частица взрывается с выбросом материала датчика и возникающий импульс существенно превышает импульс самой частицы.

Расчеты К. П. Станюковича показали, что регистрируемой импульс пропорционален кинетической энергии частицы, т. е:

однако М. А. Лаврентьев пришел к выводу, что импульс пропорционален величине mV1,6; соответствующее значение, принимаемое американскими специалистами, равно mV (здесь m – масса микрометеорита, V – его относительная скорость встречи с датчиком).

Вторая неопределенность связана с выбором величины скорости встречи с микрометеоритом, входящей в расчеты, связанные с обработкой материалов измерений. Эта скорость не поддается непосредственному замеру, однако известно, что скорость движения микрометеоритов относительно Земли находится в пределах от 10 до 75 километров в секунду.

При определении массы твердых частичек, импульсы которых замерены пьезоэлектрическими датчиками, установленными на космических аппаратах, советскими учеными в последние годы принимается, что замеренный импульс пропорционален величине mV2; значение V берется обычно равным 15 километрам в секунду (для окрестностей Луны оно, очевидно, завышено, а для метеорных потоков занижено).

Из многочисленных материалов по распределению твердых частичек в космосе, полученных с помощью советских и американских космических аппаратов, мы приведем суммарные результаты для окрестностей Земли и Луны, а также для межпланетного пространства.

Сводная картина распределения метеорных частиц по массам в окрестности Земли представлена на рис. 33.

Изучение концентрации микрометеоритов посредством искусственных спутников Земли и космических ракет показало, что пространственная плотность твердого вещества с удалением от Земли убывает весьма интенсивно вплоть до расстояний в сотни тысяч километров (рис. 34).

Существенное сгущение метеорной пыли наблюдается на высотах 100 – 300 километров от поверхности Земли, где частота ударов частиц на квадратном метре в секунду превышает межпланетную в тысячи и десятки тысяч раз.

Рис. 33. Распределение метеорных частиц по массам в окрестности Земли:

1 – «Эксплорер-8»; 2 – «Авангарде»; 3 – «Эксплорер-1»; 4 – ракеты США; 5 – третий советский искусственный спутник Земли; 6 – «Луна-1»; 7 – «Луна-2»; 8 – «Луна-3»; 9 – «Пионер-1»; 10 – «Электрон-2»; 11 – «Электрон-4»

Рис. 34. Частота ударов твердых частиц о датчик (приведенная к одной чувствительности) при удалении от поверхности Земли:

1 – геофизические ракеты СССР; 2 – геофизические ракеты США; 3 – третий советский ИСЗ; 4 – «Авангард-3»; 5 – «Эксплорер-1»; 6 – «Луна-1», «Луна-2», «Луна-3»; 7 – «Пионер-1»; 8 – «Эксллорер-6»; 9 – зодиакальное облако

Пространственная плотность твердых частиц в межпланетном пространстве характеризуется частотой столкновений с ними датчиков космических аппаратов, равной 5-10-6 – 10-3 ударов на квадратном метре в секунду (для частиц с массой 10-8 граммов).

Разительного отличия в концентрации частиц при движении космических аппаратов от орбиты Земли к Солнцу и от него – на расстояния в десятки миллионов километров – не обнаружено, как это показали результаты измерений, осуществленных автоматическими станциями «Зонд-3» и «Венера-4». Среднее число ударов при движении от Солнца примерно в полтора раза превосходит число ударов при противоположном движении – 7,8-10-5 и 5,7-10-5 ударов на квадратном метре в секунду соответственно.

Преобладающее количество твердых частиц в Солнечной системе движется по эллиптическим орбитам в направлении, совпадающем с направлением движения планет. Иногда наблюдается резкое увеличение концентрации частиц (метеорные потоки), причем частицы либо достаточно равномерно распределены вдоль всей орбиты метеорного потока, либо имеют сгущения в отдельных участках орбиты.

Интересно отметить, что целый ряд космических аппаратов при своем полете зарегистрировал неизвестные нам ранее метеорные потоки. Так, например, спутником «Электрон-2» за 479 часов измерений было обнаружено три микрометеоритных сгущения, размеры которых доходили до 5 миллионов километров. Среднее число столкновений в сгущении имело величину порядка 0,1 удара на квадратном метре в секунду, что превосходит соответствующую частоту ударов в исследованном пространстве Солнечной системы примерно в тысячу раз (для указанных сгущений относительная скорость встречи была принята равной 60 километрам в секунду).

Научной станцией «Марс-1» при удалении от Земли на расстояние от 23 до 45 миллионов километров также был зарегистрирован неизвестный ранее метеорный поток со средней частотой столкновений 4,5-3 ударов на квадратном метре в секунду. Новые для нас сгущения твердых космических частиц отмечались и при полетах некоторых космических ракет, нашего третьего спутника, американского спутника «Эксплорер-1».

Рис. 35. Данные регистрации микрометеоритов по траектории полета автоматической станции «Зонд-3»

Неравномерность пространственного распределения микрометеоритов хорошо иллюстрируется результатами измерений автоматической станцией «Зонд-3», пересекавшей несколько метеорных потоков, часть из которых не была известна до запуска этой станции (рис. 35).

Достаточно полная картина концентрации твердых частичек в межпланетном пространстве может быть представлена в таблице, составленной по результатам измерений, сделанных советскими космическими аппаратами.

Материалы измерений, относящиеся к распределению метеорного вещества в окрестности Луны (на высотах 350 – 1015 километров от ее поверхности), были получены впервые при полете первого лунного спутника – научной станции «Луна-10».

Пьезоэлектрические датчики наклеивались на оболочку спутника;