Фундаментальные космические исследования

Не все результаты фундаментальных научных исследований порождают технологии, но абсолютно все современные технологии базируются на  фундаментальных научных исследованиях

Все окружающие нас достижения цивилизации обязаны своим существованием проводившимся ранее фундаментальным научным исследованиям. Например, двигатели внутреннего сгорания не могли бы существовать без сделанных когда-то открытий в таких научных направлениях, как термодинамика, молекулярная физика, электродинамика, магнетизм, органическая химия и т.д.

Теперь в силу ускорения научно-технического прогресса результаты научных исследований находят применение в технике и быту уже в среднем через промежуток времени 20 - 30 лет. Часть из них вносят решающий вклад в технический прогресс.

Значительную роль в этом процессе играют и фундаментальные науки, изучающие Вселенную. Достаточно напомнить, что гелий был открыт на Солнце и только потом найден на Земле, или, что для ядерной физики некоторые объекты во Вселенной являются естественной лабораторией, где сама Природа ставит эксперименты, которые невозможны в земных лабораториях. Еще в 1920 году, задолго до создания ядерной физики, на термоядерную реакцию превращения водорода в гелий было указано Артуром Эддингтоном, как на источник энергии излучения звезд. Изучение многих явлений в горячей плазме принципиально важно для решения величайшей энергетической проблемы Человечества – управляемого термоядерного синтеза. Их можно проводить в такой же, как в реакторе, плазме, заполняющей околоземное космическое пространство.

Кроме того, фундаментальные космические исследования оказывают мощное прямое воздействие (с которым может сравниться, разве что, оборонная индустрия) на развитие технологий. Это происходит из-за постоянных требований экспериментаторов к повышению чувствительности, разрешающей способности и улучшению других параметров научных приборов.

Фундаментальные космические исследования дали мощный толчок развитию наших представлений об устройстве Вселенной.

Со средневековой гравюры	Современное представление

По мнению многих выдающихся ученых современности, на рубеже ХХ и ХХI веков мы стали свидетелями «революции» в астрономии, которая имеет не менее важное значение, чем, ставшая основополагающей для многих отраслей науки, а значит и современных технологий,  «революция» в физике, которая произошла в начале ХХ века.

Огромную роль в этом уже сыграли космические средства, обеспечивающие научные исследования многих объектов Вселенной.

Они позволяют проводить астрофизические исследования далеких объектов с помощью телескопов, вынесенных за пределы земной атмосферы, затрудняющей или исключающей возможность многих видов наблюдений с поверхности Земли. Космические аппараты способны донести научную аппаратуру  до многих объектов Солнечной системы чтобы мы могли изучать их дистанционно, но, находясь в непосредственной близости от них, или производить непосредственные - контактные исследования (in situ). В условиях длительного воздействия космических факторов: вакуума, невесомость (точнее микрогравитации, вызванной микроускорениями) и т.д. на борту космического аппарата ученые могут проводить такие биологические и технологические эксперименты, которые абсолютно невозможны на Земле.

В Федеральной космической программе России 2006 - 2015 годы запланировано выполнение более двух десятков проектов научного назначения.

Среди них полномасштабные космические проекты, в рамках которых должны быть созданы специализированные космические аппараты, снабженные целевыми комплексами научной аппаратуры. Кроме того, будет практиковаться дополнительная установка комплексов научной аппаратуры на отечественные космические аппараты, предназначенные для решения народно - хозяйственных задач, а также установка отечественной научной аппаратуры на зарубежные космические аппараты научного назначения.

Особенностью реализации научных космических проектов будет максимальное использование т.н. унифицированных космических платформ - основных составляющих космических аппаратов, на которые возлагаются функция обеспечения необходимых условий работы полезной нагрузки - целевой аппаратуры: для научных исследований, дистанционного зондирования Земли, обеспечения радиосвязи и т.п.

Модульная технология создания космической платформы позволяет с небольшими затратами и в короткие сроки адаптировать возможности платформы к применению в составе космических аппаратов разного типа с разной целевой аппаратурой. Например, в рамках проекта «Фобос – Грунт» ФГУП "НПО им. С.А.Лавочкина" разрабатывает космическую платформу пригодную для целого ряда будущих проектов научного назначения.

Важная роль также отводится использованию унифицированной платформы для малоразмерных космических аппаратов. В рамках российского проекта «Малые космические аппараты для фундаментальных космических исследований» (МКА - ФКИ) планируется ряд запусков таких космических аппаратов. Они обеспечат получение результатов в рамках гибкой программы исследований солнечно–земных связей, наблюдений малых тел Солнечной системы, экспериментов в области астрофизики.

В рамках Федеральной космической программы России 2006 - 2015 годы в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» и разделе «Космические средства технологического назначения» предусмотрено, что они и далее будут проводиться по следующим основным направлениям:

• внеатмосферная астрофизика - получение научных данных о происхождении и эволюции Вселенной;
• планетология – исследование планет и малых тел Солнечной системы;
• изучение Солнца, космической плазмы и солнечно – земных связей;
• исследования в областях космических биологии, физиологии и материаловедения.

Внеатмосферная астрофизика – получение научных данных о происхождении и эволюции Вселенной

Современные астрофизические космические исследования позволяют получить уникальные данные об очень отдаленных космологических объектах, и о событиях происшедших в период зарождения звезд и галактик.

Это, в свою очередь, предоставляет возможность осуществить глубокий прорыв в исследовании фундаментальных свойств материи, и получить новую информацию в области ядерной и квантовой физики, теории относительности, проблем пространства - времени и т.п.

В рамках Федеральной космической программы России 2006 - 2015 годы в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» для решения задач этого научного направления предусмотрено выполнение следующих проектов. 

Полномасштабные космические проекты

«Всемирная космическая обсерватория/Ультрафиолет»

Астрофизическая обсерватория, обеспечивающая получение результатов исследований астрономических объектов спектральном диапазоне волн электромагнитного излучения от 1000 до 3200 ангстрем и динамики происходящих в них процессов.

Запуск космического аппарата намечен на 2011 год.

«Спектр - РГ»

Астрофизическая обсерватория, обеспечивающая получение результатов исследований астрономических объектов в рентгеновском и гамма диапазонах: 0,08 кэВ – 10,0 МэВ

Запуск космического аппарата намечен на 2012 год.

«Гамма - 400»

Космическая обсерватория для определения природы «темной материи» во Вселенной, развития теории происхождения высокоэнергетичных космических лучей и физики элементарных частиц.

Запуск космического аппарата планируется после 2015 года.

«Миллиметрон»

Космическая обсерватория и функционирующий на ее основе интерферометр с угловым разрешением до 30 наносекунд дуги, что обеспечивает получение уникальной информации о глобальной структуре Вселенной; о строении и эволюции галактик, их ядер, звезд и планетных систем, а также об органических соединениях в космическом пространстве, объектах со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями.

Запуск космического аппарата планируется после 2015 года.

«Астрометрия»

Космический астрометрический комплекс, обеспечивающий построение фундаментальной системы небесных координат в оптическом диапазоне, измерение параллаксов опорных звезд с точностью до 10^-6 угловых секунд и решение прикладных задач космической навигации.  

Запуск космического аппарата намечен на 2018 год.

Кроме того, существуют проекты, реализующиеся путем установки научной аппаратуры на отечественные и зарубежные космические аппараты.

«Конус»

Осуществляется эксперимент по исследованию всплесков космического гамма-излучения, который проводится с ноября 1994г. на космическом аппарате НАСА «ВИНД» с помощью российской научной аппаратуры «Конус». 

«Памела»

Исследование антивещества в космических лучах на борту искусственного спутника Земли. Регистрация потоков и спектров антипротонов и позитронов. Поиск ядер атомов антивещества. Научная аппаратура "Памела" установлена на российском КА "Ресурс-ДК", запуск которого был осуществлен в 2006 году.

«Нуклон»

Исследование химического состава и энергетических спектров космических лучей высоких энергий

Начало космического эксперимента запланировано на 2014 год.

Планетология – исследование планет и малых тел Солнечной системы

Эти исследования имеют первостепенное значение для понимания процессов возникновения и развития Солнечной системы. Однако прежде всего, они дают ключ к познанию возможных путей будущей эволюции нашей собственной планеты, к пониманию того, как сохранить возможность существования жизни на Земле для наших потомков.

Изучение планет, их спутников, астероидов и комет включает в себя поиски жизни или ее следов, а достоверное их обнаружение само по себе явилось бы величайшим научным открытием Человечества. Нельзя так же забывать о том, что в XXI веке неизбежно последуют пилотируемые полеты к ближайшим телам Солнечной системы. Для их подготовки необходима подробнейшая информация о физических и химических условиях на этих телах.

Кроме того, изучение возможностей искусственного изменения физических условий сначала на поверхности Марса, а потом и Венеры может оказаться необходимым для расселения там наших далеких потомков.

В рамках Федеральной космической программы России на период 2006 - 2015 гг. в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» для решения задач этого научного направления предусмотрено выполнение следующих проектов.

Полномасштабные космические проекты

«Фобос – Грунт»

Космический комплекс, обеспечивающий впервые в мире  доставку образца вещества спутника Марса - Фобоса на Землю для исследования его структуры и физико – химических характеристик, что позволит получить данные о происхождении спутников Марса и взаимодействии малых тел Солнечной системы с солнечным ветром.

Помимо решения основной задачи по доставке вещества Фобоса на Землю, будут проведены дистанционные  исследования Марса.

Кроме того, космический аппарат «Фобос – Грунт» послужит основой базовой космической платформы для других проектов выполняемых в интересах фундаментальных космических исследований.

Срок запуска КА "Фобос-Грунт" запланирован на октябрь - ноябрь 2011 г.

видео-ролик: [FOBOS2.wmv]

Это файл "потокового видео", который будет корректно работать только при скорости соединения не менее 256 кбит/сек (После клика на ссылку должен открыться ваш Медиа-плеер)

«Луна – Глоб»

Космический комплекс, обеспечивающий: получение научных результатов мирового уровня о внутреннем строении Луны и кратера Айткена на южном полюсе Луны; разведку природных ресурсов; исследование воздействий на Луну приходящих корпускулярных потоков и электромагнитного излучения.

Запуск космического аппарата намечен после 2015 года.

«Венера - Д»

Космический комплекс, обеспечивающий проведение измерений химического состава атмосферы Венеры, съемку поверхности на этапе спуска, определение минерального состава вещества поверхностного слоя, точные измерения температуры и давления, потоков излучения, характеристик аэрозольной среды. Данные о сейсмической активности планеты.

Запуск космического аппарата намечен на 2016 год.

Кроме того, запланированы проекты, реализующиеся путем установки отечественной научной аппаратуры на зарубежные космические аппараты научного назначения.

В настоящее время успешно функционируют зарубежные космические аппараты с участием России в их научных комплексах аппаратуры:

• Запущенный в апреле 2001 года космический аппарат НАСА «Марс – Одиссей» ведет научные измерения на орбите вокруг Марса. На его борту установлен российский прибор «ХЕНД».



 

• Запущенный в июне 2003 года космический аппарат ЕКА «Марс – Экспресс» ведет научные измерения на орбите вокруг Марса. На его борту установлено шесть научных приборов большинство, из которых, имели свои прототипы на российском космическом аппарате «Марс-96». Российские ученые, как со-исследователи, участвуют во всех научных экспериментах аппарата «Марс – Экспресс».



 

• В ноябре 2005 года запущен космический аппарат ЕКА «Венера–Экспресс». Комплекс его научной аппаратуры практически, аналогичен комплексу аппаратуры на космический аппарат ЕКА «Марс – Экспресс». Российские ученые, как со-исследователи, участвуют во всех научных экспериментах аппарата «Венера – Экспресс».

Создаются комплексы научной аппаратуры

«ЛЕНД»

Российский комплекс научной аппаратуры «ЛЕНД» будет установлен на космический аппарат НАСА «Лунный разведывательный орбитальный аппарат». Целью исследований Российского комплекса научной аппаратуры «ЛЕНД» является поиск водяного льда в полярных районах Луны.

Запуск космического аппарата осуществлен НАСА в 2009 год.

«ДАН»

Российский научный прибор «ДАН» будет установлен на марсоход НАСА. Основная научная задача прибора «ДАН» - разведка мощности вечной мерзлоты на Марсе.

Участие в международных проектах

«Бепи Коломбо»

Исследование планеты Меркурий с двух выведенных на орбиты вокруг этой планеты космических аппаратов. Роскосмос участвует в международном космическом проекте «Бепи Коломбо» совместно с ЕКА и ДЖАКСА путем установки на оба космических аппарата нескольких научных приборов.

Изучение Солнца, космической плазмы и солнечно – земных связей

Солнце является ближайшей к нам и довольно типичной звездой, которая наблюдается как протяженный объект. Оно само и его корона представляют собой естественную лабораторию для изучения фундаментальных характеристик плазмы.

Научная значимость исследований Солнца состоит еще и в том, что оно оказывает решающее влияние на основные процессы на Земле, в том числе на некоторые технические системы. Такое воздействие сказывается на работе различных радиосистем, энергосетей, проводных линий связи в Арктике, на интенсивности индуцированных электрических токов в трубопроводах и т.д. В качестве примера можно привести два известных случая выхода из строя протяженных энергосетей: 13 марта 1989 г. при резкой вспышке магнитных вариаций наведенный электрический ток в энергосистеме Hydro-Quebec в Канаде достиг 100 ампер, что вывело эту систему из строя. Это надолго оставило без энергии большой район с населением в несколько миллионов человек. Аналогичные случаи были и в нашей Арктике, например 11-12 февраля 1958 г. на Кольском полуострове. Для нефтепроводов наведенные в них электрические токи, замыкаясь на землю, резко усиливают коррозию, а искрение может приводить к пожарам в местах утечек. Серьезность проблемы лишний раз была продемонстрирована и полным выходом из строя телевизионного ретрансляционного спутника «Telstar-401» произошедшим 11 января 1998 г. в результате его усиленного облучения энергичными частицами.

Постепенно возникает осознание того, что проявления солнечной активности оказывает сильное влияние и на организм человека. Развиваться служба медицинского предупреждения о возникновении геомагнитных бурь вызванных солнечной активностью.

В рамках Федеральной космической программы России на 2006 - 2015 годы в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» для решения задач этого научного направления предусмотрено выполнение следующих проектов. 

Полномасштабные космические проекты

«КОРОНАС - Фотон»

Космический комплекс, обеспечивающий получение результатов комплексных наблюдений излучений Солнца, процессов накопления энергии и ее трансформации в ускоренные частицы во время солнечных вспышек с целью мониторинга «космической погоды» и выработки мероприятий по парированию негативного влияния на здоровье человека.

Запуск космического аппарата осуществлен в 2009 году.

В настоящее время КА по целевому назначению не используется.

«Резонанс»

Космический комплекс, обеспечивающий проведение исследований параметров процессов распространения низкочастотных волн в магнитоактивной плазме магнитосферы Земли, изучения механизмов резонансного взаимодействия волн и частиц в околоземном космического пространстве, регистрируемых с помощью наземного нагревного коротковолнового стенда и искусственного спутника Земли. Результаты контроля техногенных воздействий на магнитосферу Земли и геофизические процессы.

Запуск космического аппарата намечен на 2012 год.

«Интергелиозонд»

Космический комплекс для проведения исследований параметров электромагнитного излучения Солнца с близких расстояний (30–40 радиусов Солнца) c высокой чувствительностью и разрешением в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма–диапазонах, а также параметров солнечного ветра для решения проблем разогрева солнечной короны и ускорения солнечного ветра, происхождения солнечных вспышек и коронарных выбросов плазмы.

Запуск космического аппарата намечен на 2014 год.

«ТЕРИОН - Ф2»

Космический комплекс (КК), обеспечивающий получение результатов исследований параметров ионосферы и термосферы, а также механизмов, формирующих термосферные и ионосферные связи в планетарном масштабе на основе прямых и дистанционных методов измерений с борта низкоорбитального космического аппарата на высоте 300 км.

Начало работ по созданию КК намечено на 2014 год.

Исследования в областях космических биологии, физиологии и материаловедения

Медико-биологические исследования

Изучение воздействия невесомости на живые организмы и физиологических механизмов адаптации к ней в космических полетах, а также изучение комбинированного действия невесомости и других факторов имеют огромное значение для длительных полетов человека, столь необходимых для освоения планет Солнечной системы.

Использование низших организмов для проведения медико-биологических экспериментов (в отличие от экспериментов на человеке) предоставляет возможность более жесткой их постановки, включая последующее препарирование использованного биологического материала. Исследования внутриклеточных процессов, клеток, тканей, органов и организмов в целом на автоматических космических аппаратах серии принесли очень важные результаты. Были получены данные об отсутствии серьезных биологических ограничений продолжительности пребывания живых организмов и человека в условиях космического полета. Показана перспективность применения искусственной силы тяжести для поддержания оптимального состояния организма и предотвращения в нем необратимых изменений. Найдены доказательства необходимости строго дифференцированного подхода к созданию тренажеров для различных мышц и мышечных групп человека.

В рамках Федеральной космической программы России на 2006 - 2015 годы в разделе «Космические средства для фундаментальных космических исследований» запланировано продолжение программы «Бион».

«Бион - М»

Космический комплекс, обеспечивающий исследование параметров физиологического состояния биологических объектов под воздействием факторов космического пространства в течение орбитального полета до 45 суток с целью эффективного медико–биологического обеспечения длительных пилотируемых полетов в космосе.

Запуск певого  космического аппарата «Бион - М» намечен на 2012 год.

Физика микрогравитации

Использование космических средств для решения задач космического материаловедения позволяет получать в условиях микрогравитации образцы материалов обладающих уникальными свойствами по сравнению с земными аналогами.

Такие исследования проводятся на автоматических космических аппаратах типа «Фотон». Их результатами явилось получение фундаментальных знаний о влиянии невесомости на процессы переноса тепла и массы в веществах находящихся в жидком фазовом состоянии и роста в их толще кристаллов. Исследовано воздействие на эти процессы постоянного и переменного магнитных полей. Поставлены серии экспериментов по электрофоретическим разделениям и очисткам биологически - активных веществ, а также ионообменной диффузии в условиях невесомости.

В рамках Федеральной космической программы России на 2006 - 2015 годы в разделе «Космические средства технологического назначения» запланировано выполнение следующих проектов:

«Фотон–М»

Космический комплекс для проведения в условиях микрогравитации исследований в области космической технологии и биотехнологии

Он предназначен для обеспечения получения новых знаний по физике невесомости; отработанных технологических процессов производства полупроводниковых материалов, биомедицинских препаратов (при уровне микрогравитации 2·10^-6g) с улучшенными характеристиками. Срок активного существования космического аппарата на орбите – 30 суток

«Возврат–МКА»

Принципиально новый космический комплекс с возвращаемым космическим аппаратом для проведения ми­крогравитационных экспериментальных исследований

Он предназначен для обеспечения получения фундаментальных знаний о процессах, проходящих в расплавах и растворах, а также в биологических структурах в условиях сверхнизких (ниже 10^-7g) уровней микрогравитации, в целях их последующего использования при организации промышленного производства новых материалов и биопрепаратов как на Земле, так и с использованием космического комплекса «ОКА–Т–МКС». Срок активного существования космического аппарата на орбите  – 1 год

Запуск космического аппарата намечен на 2015 год.

"ОКА-T-MKC"

Космический комплекс на основе обслуживаемого в инфраструктуре МКС автоматического космического аппарата, предназначенного для комплексного решения задач в области микрогравитационных и прикладных технологических и биотехнологических исследований.

Он обеспечит: изготовление при уровне микрогравитации не хуже 10^-6g с использованием нанотехнологий полупроводниковых эпитаксиальных структур для наноэлектроники (опытно–промыш­ленные образцы этих структур); получение хрящевых структур (небольшие партии для использования в медицине); получение кадмий-ртуть-теллу­ровых монокристаллов для датчиковой аппаратуры нового поколения; получение биологически активных веществ и других препаратов и образцов со свойствами, существенно лучшими свойств наземных аналогов

Срок активного существования космического аппарата на орбите 5 лет.

Запуск космического аппарата намечен на 2015 год.