Обитаемые космические станции как искусственные спутники Земли будут двигаться по орбитам вне атмосферы Земли. В связи с этим все научные и технические задачи, которые будут решать околоземные орбитальные станции, можно условно разбить на три основные группы. К

первой группе

относятся такие задачи, при выполнении которых взоры обитателей ОКС будут направлены в сторону Земли. Имеются в виду исследования, связанные непосредственно с Землей и ее атмосферой, т. е. геофизические и метеорологические наблюдения, глобальная радио- и телесвязь, морская и воздушная навигация и т. д. Некоторые из этих исследований могут проводиться и с помощью наземных средств или исследовательских ракет и спутников с автоматической аппаратурой. Обитаемые космические станции расширят возможности и масштабы в решении этих «земных» задач. Научная космическая лаборатория сможет заменить десятки наземных обсерваторий или научных экспедиций и множество метеостанций. В некоторых случаях точные измерения, проводимые в космосе с помощью ОКС, будут значительно дешевле, чем такие же измерения, проведенные наземными средствами! Да и точность этих измерений повысится. Орбитальной научной станции могут оказаться под силу и такие технические задачи или исследовательские эксперименты, которые совершенно недоступны другим наземным средствам или исследовательским ракетам, запускаемым с Земли.

Вторая группа

задач связана с использованием тех специфических условий, в которых находится орбитальная лаборатория, — глубокий вакуум и очень высокая прозрачность окружающей среды, невесомость, интенсивная солнечная и космическая радиация. Воссоздание этих факторов на Земле даже по отдельности довольно сложно, а некоторых из них, например постоянной, динамической невесомости, просто невозможно. Космической научно-исследовательской лаборатории будет доступен весь комплекс этих факторов,

К

третьей группе

относятся задачи, которые решают спутники и ОКС, выступая в роли связующего звена между Землей и другими планетами. Двигаясь по орбите вокруг Земли, обитаемая станция сможет облегчить решение сложных проблем полета космических кораблей-путешественников и подготовки экипажей для полетов на другие планеты солнечной системы.

Рассмотрим более конкретно некоторые проблемы, которые могут интересовать ученых в ближайшем или недалеком будущем и которые могут решаться с помощью орбитальных станций.

Земля — это не только поверхность и вся масса нашей планеты. Атмосфера — эта гигантская воздушная оболочка земного шара — тоже Земля. И космос вокруг нас на многие сотни и даже тысячи километров для ученых — тоже Земля. Правда, до сих пор идут споры о том, где истинная граница Земли, где граница атмосферы, где кончается околоземной космос. И споры эти едва ли кончатся скоро — ведь все зависит от тех свойств, по которым будут определять границу атмосферы. По некоторым из них, например по возможности жизнедеятельности человека, атмосфера кончается на высоте 11–12 км, по другим, например по наличию молекул воздуха, границей атмосферы считают высоту 1000 км.

Так или иначе, но одна из древнейших наук —

геофизика

 — распространяет свои владения далеко за пределы наших обычных представлений о планете Земля.

Основными разделами геофизики до сих пор считались физика Земли и физика атмосферы (метеорология). Физика Земли изучает происхождение, внутреннее строение планеты и различные процессы в ее массе и на ее поверхности (землетрясения, ледниковые явления и др.).

Как известно, главной задачей

метеорологии

является краткосрочное и дальнее прогнозирование погоды, а в будущем — изыскание методов воздействия на атмосферные явления, т. е. управление погодой. Но с выходом человека в космос целый ряд проблем, бывших ранее предметом теоретических исследований физики Земли, выделился в самостоятельный раздел геофизики — физику космоса. С помощью ракет, искусственных спутников и космических кораблей уже сейчас ведется обширное изучение свойств околоземного космоса, в том числе различных полей Земли — гравитационного, магнитного, радиационного и др. Но это только начало. Создание орбитальных космических станций позволит значительно расширить исследовательские работы по изучению околоземного пространства и космоса. Так, например, орбитальные лаборатории позволят получить постоянно меняющуюся картину распределения температур и давлений, а также химического состава газа на различных высотах. Будут продолжаться исследование распределения электронной концентрации с высотой и изучение концентрации положительных ионов в ионосфере, магнитные измерения в различных частях околоземного пространства.

Атмосфера, изолирующая Землю от воздействия космического пространства и «дающая» нам погоду, сама по себе не является чем-то застывшим. В ней непрерывно происходят различные процессы, зависящие не только от свойств поверхности Земли, но и от явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве, а также от деятельности Солнца.

Значение ОКС и тем более обитаемых станций как баз для научных исследований далеко не исчерпывается физикой Земли и космоса или метеорологией. Условия, в которых будет находиться орбитальная станция, позволят применить ее для других научных исследований.

Орбитальная станция — это прежде всего длительная невесомость, создать которую на Земле до сих пор практически не удалось, это глубокий вакуум, получение которого на Земле связано с большими трудностями, это большой перепад температур, огромная скорость движения, магнитные поля Земли и Солнца, неискаженное нижними слоями атмосферы действие космических излучений и солнечной радиации, воздействие микрометеоров и космической пыли. Воссоздание подобных факторов на Земле, особенно в комплексе, как мы уже говорили, связано с огромными, а подчас и непреодолимыми трудностями.

Сейчас еще трудно представить все достоинства ОКС как экспериментальной лаборатории для физиков. Вот лишь некоторые из ее возможностей.

Hа орбите легко можно получить температуру от -200 °C до +200 °C и притом совсем рядом, на открытой Солнцу и затененной сторонах космической станции (рядом жидкий кислород и пары воды!). Физикам понятно, что это значит. Взять хотя бы явление сверхпроводимости, изучение которого требует очень низких температур, или термоэлектрический эффект.

Верхние слои атмосферы насыщены частицами, несущимися из космоса с громадными энергиями — от нескольких миллиардов до миллиарда миллиардов электроновольт. Между тем самые крупные ускорители элементарных частиц разгоняют частицы лишь до скоростей, соответствующих нескольким десяткам миллиардов электроновольт. Снова физика. Снова космос ждет ученых.

Расстояние от Земли до Солнца около 150 млн. км, а до ближайшей к нам звезды — более 30 триллионов км — расстояние, которое даже мысленно представить себе невозможно. Казалось бы, много ли выиграют астрономы, если их обсерватории поднять всего лишь на высоту орбиты космической станции, допустим на 500 или 300 км. Тем не менее выйти за пределы нижних слоев атмосферы — давняя мечта астрономов, служителей едва ли не самой древней из наук.

Дело в том, что атмосфера — надежный и верный щит для жителей Земли — мешает наблюдению небесных тел. Современные астрономические обсерватории с их гигантскими дорогостоящими телескопами — это безвозмездная дань земной атмосфере.

Для наблюдения за планетами и звездами удается использовать лишь небольшие участки

электромагнитного спектра

(рис. 3) — видимые световые лучи и ультракороткие радиоволны. На схеме видно, что только небольшая часть излучений достигает поверхности Земли. Остальные лучи, например ультрафиолетовые и инфракрасные, в значительной мере поглощаются атмосферой. Визуальному наблюдению небесных тел сильно мешают движение воздушных масс и колебания неравномерно нагретых плотных слоев воздуха, а также рассеивающая и отражательная способность атмосферы.

Разве можем мы быть полностью удовлетворены современным состоянием радиосвязи и особенно телевидения? Слишком уж от многих факторов зависит качество приема радиопередач. Это не только мощность радиостанций и чувствительность приемников. Это и время суток, и погода, и состояние верхних слоев атмосферы. Кроме того, это различные искусственные помехи приему — радиотехнические и промышленные. И конечно же, расстояние до станции — источника радиосигналов.

До обидного мал радиус действия телецентров — передачу самых крупных телестудий смотрят лишь в радиусе не больше 100–150 км. Объясняется это тем, что для телевидения выбран самый плохой с точки зрения дальнего распространения диапазон длин волн — УКВ, которые распространяются лишь на расстоянии прямой «видимости» передающей антенны. Но этот выбор был вынужденным, поскольку для телевидения необходим особый характер передающих волн — спектр частот, излучаемых телевизионным передатчиком, должен быть достаточно велик, а это достигается лишь уменьшением длины волн.

Попытки проведения кабельных линий с целью увеличения качества и дальности радио- и телепередач пока не дают хороших результатов из-за сильного затухания сигналов. Приходится на каждые б — 8 км кабеля ставить промежуточные усилители и на каждые 100 км — усилительный пункт с источником питания. Да и проводная связь не в состоянии охватить все уголки земного шара и обеспечить многоканальные передачи между любыми двумя точками.

В последнее время увеличение дальности телеприема и получение более качественной радиотелефонной связи достигается сооружением радиорелейных линий. Радиорелейная связь работает обычно в сантиметровом диапазоне волн, что еще больше увеличивает полосу частот. Очевидно, что дальность распространения таких волн также невелика, поэтому высокие башни —

ретрансляторы

с рупорными антеннами наверху и усилителями приходится строить на небольшом расстоянии Друг от друга. Правда, мощность ретрансляторов составляет всего лишь несколько ватт при мощности передатчика телецентра в несколько киловатт.

Однако и радиорелейные линии едва ли смогут разрешить проблемы всемирной связи. Решение этой задачи под силу лишь искусственным спутникам Земли и орбитальным космическим станциям.