Historia eksperymentów rakietowych Zakładu Fizyki Słońca CBK PAN
Z inicjatywy profesorów Jana Mergentalera oraz Stefana Piotrowskiego we Wrocławiu w roku 1969 zawiązała się grupa osób, których celem były badania Słońca w promieniowaniu rentgenowskim oraz EUV. Następnie weszła ona w skład Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN) jako Zakład Fizyki Słońca. Grupa ta na początku swojej działalności otrzymała możliwość wysłania instrumentów naukowych na rakietach Wertikal w ramach radzieckiego programu Interkosmos. Wrocławska grupa opracowała przyrządy obrazujące Słońce w promieniowaniu rentgenowskim oraz mierzące widmo słoneczne.
Pierwszym zrealizowanym eksperymentem był spektroheliograf rentgenowski (ryc. 1) wystrzelony 28 listopada 1970 roku na rakiecie geofizycznej Wertikal 1. Rakieta osiągnęła wysokość 487 km nad powierzchnią Ziemi, w czasie lotu spektroheliograf obserwował Słońce przez 10 minut wykonując serię zdjęć rentgenowskich. Instrument składał się z dwóch części : zespołu kamer fotograficznych i bloku elektroniki. Był to pierwszy polski eksperyment kosmiczny. Na ryc. 2 przedstawione jest pierwsze polskie zdjęcie Słońca wykonane w rentgenie techniką camera obscura przy użyciu dwóch filtrów Be 50µ oraz Al 6µ. Użycie dwóch filtrów pozwoliło na wyznaczenie temperatury metodą stosunku strumieni. Rozdzielczość przestrzenna obrazów była typowa dla zastosowanej techniki i wynosiła 1 minutę łuku. Ryc. 3 przedstawia rakietę Wertikal 1.
Rakiety serii Wertikal wznosiły się na wysokość ok. 500 km. Na szczycie rakiety umieszczany był specjalny zasobnik z aparaturą pomiarową. Zasobnik ten otwierał się na wysokości ok. 90 km i umożliwiał prowadzenie obserwacji w trakcie wznoszenia się i opadania rakiety (ok. 10 minut). Po opadnięciu na wysokość ok. 100 km zasobnik zamykał się i oddzielał od reszty rakiety. Bezpieczny powrót aparatury na ziemię umożliwiał duży spadochron, który otwierał się na wysokości 6 km. Już po powrocie na Ziemię z aparatury sczytywano dane, a odzyskaną aparaturę można było w razie potrzeby wykorzystać w kolejnych misjach. Eksperymenty rakietowe były szczególnie istotne w badaniach prowadzonych w zakresie promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego. Te długości fali są bowiem silnie pochłaniane przez ziemską atmosferę, w związku z czym nie jest możliwe prowadzenie obserwacji bezpośrednio z powierzchni Ziemi.
Sukces pierwszej misji spowodował, że ten sam spektroheliograf umieszczony został również na pokładzie kolejnej rakiety z serii Wertikal. Rakieta Wertikal 2 wystrzelona została 20 sierpnia 1971 roku i osiągnęła wysokość 463 km. Również ta misja przebiegła pomyślnie i instrument zarejestrował dane słoneczne.
Kolejnym eksperymentem wrocławskiej grupy było wysłanie dwóch następnych instrumentów rentgenowskich na rakiecie Wertikal 5. Start rakiety nastąpił 30 sierpnia 1977 roku, podczas lotu rakieta osiągnęła maksymalną wysokość 500 km. Na pokładzie znalazły się blok kamer rentgenowskich (ryc. 4) oraz szerokopasmowy fotometr rentgenowski (ryc. 5). Niestety rakieta Wertikal 5 rozbiła się podczas lądowania, na szczęście instrumenty nie uległy zniszczeniu i mogły być użyte ponownie.
W roku 1979, 26 września wrocławskie przyrządy ponownie zostały wysłane w kosmos na rakiecie Wertikal 8. Rakieta osiągnęła wysokość 505 km. W skład polskiej aparatury weszły: blok kamer rentgenowskich, teleskop rentgenowski, szerokopasmowy fotometr rentgenowski i monochromatyczny fotometr rentgenowski.
Blok kamer rentgenowskich (ryc. 4) był zespołem 60 długoogniskowych kamer fotograficznych typu camera obscura. Rolę obiektywów w kamerkach pełniły otworki o średnicach poniżej 0.5 mm, przesłonięte filtrami z cienkich folii aluminiowych i berylowych przepuszczającymi promieniowanie o długościach fal od 2 do 8 angstremów. Poszczególne kamery dokonywały zdjęć z czasami ekspozycji od 100 do 500 sek. regulowanymi przesuwaną skokowo przesłoną.
Teleskop rentgenowski (ryc. 6) za zadanie miał uzyskanie zdjęć fotograficznych Słońca w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. W przedniej części teleskop wyposażony był w zwierciadlany obiektyw (produkcji czechosłowackiej), który ogniskował promieniowanie rentgenowskie padające prawie stycznie do powierzchni zwierciadeł. Wiązka padająca ograniczona była wąską, kolistą szczeliną w diafragmie przed obiektywem. Obraz Słońca tworzył się na kliszy fotograficznej, umieszczonej w tylnej części teleskopu w obrotowej kasecie, pozwalającej na wykonanie 14 zdjęć dla różnych długości fal (od 2 do 8 angstremów). Obrotowa, sektorowa przesłona o zmieniającym się rozchyleniu określała czasy naświetlania dla poszczególnych zdjęć (od 0.5 do 17 sekund). Skokowe przesunięcia kasety, obrót i zmiany rozwarcia przesłony dokonywane były za pomocą skomplikowanego systemu mechanicznego, napędzanego jednostajnie obracającym się silniczkiem elektrycznym.
Szerokopasmowy i monochromatyczny fotometr rentgenowski (ryc. 5 i 7) Pierwszy polski spektrometr Bragga. Celem naukowym aparatury było uzyskanie informacji o natężeniu i widmach promieniowania rentgenowskiego rozbłysków słonecznych. Przyrząd składa się z dwóch części: fotometru i spektrometru rentgenowskiego. W obu częściach detektorami promieniowania były liczniki proporcjonalne. Elementem rozszczepiającym promieniowanie były w spektrometrze kryształy kwarcu i ADP, których obrót umożliwiał skanowanie widma przez detektor. Dane pomiarowe były z rakiety przekazywane na Ziemię za pomocą transmisji telemetrycznej i zapisywane w punkcie odbiorczym na taśmie papierowej.
28 sierpnia 1981 roku te same przyrządy użyte zostały na kolejnej rakiecie – Wertikal 9, która w czasie lotu osiągnęła wysokość 505 km.
Dwa lata później, 20 października 1983 roku, miał miejsce ostatni eksperyment rakietowy zespołu wrocławskiego. Następne eksperymenty realizowane były już na pokładach satelitów. Na rakiecie Wertikal 11 umieszczono: rentgenowski dopplerometr rakietowy, blok kamer rentgenowskich, teleskop rentgenowski i dopplerometr rentgenowski. Rakieta osiągnęła wysokość 500 km.
Dopplerometr rentgenowski (ryc. 8). Celem naukowym eksperymentu było uzyskanie informacji o rozkładzie źródeł rentgenowskiego promieniowania na tarczy Słońca oraz określenie prędkości radialnej plazmy słonecznej, emitującej krótkofalowe promieniowanie (zakres od 2 do 8 angstremów). Dopplerometr wyposażony był w cztery detektory promieniowania rentgenowskiego (liczniki proporcjonalne). Dwa z nich mierzyły natężenie w widmie promieniowania rozszczepionego przez kryształy kwarcu, skanujące jednocześnie widma w dwóch przeciwnych kierunkach. Analiza pomiarów umożliwiała wyznaczenie przesunięć dopplerowskich w widmie, zależnych od prędkości z jaką poruszała się materia na Słońcu. Pozostałe dwa detektory, umieszczone za szczelinowymi siatkowymi kolimatorami, mierzyły natężenie promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z wąskiego paska tarczy słonecznej. W czasie lotu aparatury jeden z kolimatorów wykonywał ruch obrotowy, drugi wahadłowy. Efektem ruchów kolimatorów było liniowe i obrotowe skanowanie tarczy słonecznej. Analiza otrzymanych zapisów pozwalała na odtworzenie rentgenowskiego obrazu Słońca. Dane pomiarowe z dopplerometru, jak też informacje o pracy przyrządu, przekazywane były z rakiety drogą radiową do naziemnej stacji odbiorczej, gdzie automatycznie zapisywane były w formie wykresów na taśmie papierowej.
