Характеристики ИСЗ ПС-1

Краткая история

В декабре 1948 г. было объявлено о первых планах США вывести на земную орбиту ИСЗ. В 1955 г. вновь последовали сообщения о намерении США запустить ИСЗ по программе Международного геофизического года, который должен был начаться 1 июля 1957 г. В июле 1957 г. от президента Эйзенхауэра стало официально известно, что США активно ведут подготовку запуска спутника (его название «Луна Эйзенхауэра»).

30 января 1956 г. правительством подписано постановление о создании и выводе на орбиту в 1957-1958 гг. «Объекта „Д“» – спутника массой 1000-1400 кг несущего 200-300 кг научной аппаратуры. Разработка аппаратуры была поручена Академии наук СССР, постройка спутника – ОКБ-1, осуществление пуска – Министерству обороны. К концу 1956 г. стало ясно, что надёжная аппаратура для спутника не может быть создана в требуемые сроки.

14 января 1957 г. Советом Министров СССР утверждена программа лётных испытаний Р-7. Тогда же Королёв направил докладную записку в Совет Министров, где писал, что в апреле – июне 1957 г. могут быть подготовлены две ракеты в спутниковом варианте, «и запущены сразу же после первых удачных пусков межконтинентальной ракеты». В феврале всё ещё продолжались строительные работы на полигоне, две ракеты уже были готовы к отправке. С. П. Королёв, убедившись в нереальности сроков изготовления орбитальной лаборатории, шлёт правительству неожиданное предложение:

«Имеются сообщения о том, что в связи с Международным геофизическим годом США намерены в 1958 г. запустить ИСЗ. Мы рискуем потерять приоритет. Предлагаю вместо сложной лаборатории – объекта «Д» вывести в космос простейший спутник».

15 февраля это предложение было одобрено.

В начале марта первая ракета Р-7 №М1-5 доставлена на техническую позицию полигона, а 5 мая вывезена на стартовую площадку № 1. Подготовка к пуску длилась неделю, на восьмой день началась заправка. Пуск состоялся 15 мая в 19:00 по местному времени. Старт прошёл нормально, но на 98-й секунде полёта произошёл сбой в работе одного из боковых двигателей, ещё через 5 с все двигатели автоматически отключились и ракета упала в 300 км от старта.

Рис. 1.3. Компоновочная схема ракеты-носителя «Спутник»:

1 – головной блок с ИСЗ под обтекателем;

2 – центральный блок;

3 – боковой блок;

4 – бак окислителя;

5 – бак горючего;

6 – бак перекиси водорода;

7 – бак жидкого азота;

8 – основная камера ЖРД;

9 – рулевая камера ЖРД;

10 – аэродинамические рули

Причиной аварии было возникновение пожара в результате разгерметизации топливной коммуникации высокого давления. Вторая ракета, Р-7 № 6Л подготовлена с учётом полученного опыта, но запустить её вовсе не удалось. 10-11 июня делались многократные попытки пуска, но в последние секунды срабатывала защитная автоматика. Выяснилось, что причиной была неправильная установка клапана азотной продувки и замерзание главного кислородного клапана. 12 июля пуск ракеты Р-7 №М1-7 снова прошёл неудачно, эта ракета пролетела всего 7 км. Причиной на этот раз стало замыкание на корпус в одном из приборов системы управления, в результате чего прошла ложная команда на рулевые двигатели, ракета значительно отклонилась от курса и была автоматически остановлена.

Таблица 1.2

Характеристики ракеты-носителя «Спутник»

Наконец, 21 августа 1957 г. осуществился успешный запуск, ракета № 8Л нормально прошла весь активный участок полёта и достигла заданного района – полигона на Камчатке. Головная часть её полностью сгорела при входе в плотные слои атмосферы, несмотря на это 27 августа ТАСС сообщило о создании в СССР межконтинентальной баллистической ракеты (МБР). 7 сентября осуществлён второй полностью успешный полёт ракеты, но головная часть снова не выдержала температурной нагрузки, и С. П. Королёв вплотную занялся подготовкой к космическому запуску.

Итак, по результатам лётных испытаний пяти ракет было очевидно, что она может летать, но головная часть требует радикальной доработки. Это потребует, по расчётам оптимистов, не менее полугода. Разрушение головных частей открыло дорогу для пуска Первого простейшего спутника.

С. П. Королёв получил согласие Н. С. Хрущёва на использование двух ракет для экспериментального пуска простейшего спутника.

Проектирование простейшего спутника началось в ноябре 1956 г., а в начале сентября 1957 г. ПС-1 прошёл окончательные испытания на вибростенде и в термокамере. Спутник был разработан как очень простой аппарат с двумя радиомаяками для проведения траекторных измерений. Диапазон передатчиков простейшего спутника был выбран так, чтобы слежение за спутником могли осуществлять радиолюбители.

22 сентября в Тюра-Там прибыла ракета Р-7 № 8К71ПС (изделие М1-ПС «Союз»). По сравнению со штатными, она была значительно облегчена: массивная головная часть заменена переходом под спутник, снята аппаратура системы радиоуправления и одна из систем телеметрии, упрощена автоматика выключения двигателей; масса ракеты в результате была уменьшена на 7 т.

2 октября Королёвым был подписан приказ о лётных испытаниях ПС-1 и направлено в Москву уведомление о готовности. Ответных указаний не пришло, и Королёв самостоятельно принял решение о постановке ракеты со спутником на стартовую позицию.

В пятницу, 4 октября, в 22 часа 28 минут 34 секунды по московскому времени (19 часов 28 минут 34 секунды по Гринвичу) был совершён успешный запуск. Через 295 секунд после старта ПС-1 и центральный блок ракеты весом 7,5 т были выведены на эллиптическую орбиту высотой в апогее 947 км, в перигее 288 км. На 314,5 секунде после старта произошло отделение ПС-1 и он подал свой голос. «Бип! Бип!» – так звучали его позывные. На полигоне их ловили 2 минуты потом ПС-1 ушёл за горизонт. Люди на космодроме выбежали на улицу, кричали «Ура!», качали конструкторов и военных. И ещё на первом витке прозвучало сообщение ТАСС: «…В результате большой напряжённой работы научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро создан первый в мире искусственный спутник Земли…»

Только после приёма первых сигналов спутника поступили результаты обработки телеметрических данных и выяснилось, что лишь доли секунды отделяли от неудачи. Один из двигателей «запаздывал», а время выхода на режим жёстко контролируется и при его превышении старт автоматически отменяется. Блок вышел на режим менее, чем за секунду до контрольного времени. На 16-й секунде полёта отказала система управления подачи топлива, и из-за повышенного расхода керосина центральный двигатель отключился на 1 секунду раньше расчётного времени.

Спутник летал 92 дня, до 4 января 1958 г., совершив 1440 оборотов вокруг Земли (около 60 млн км), а его радиопередатчики работали в течение двух недель после старта.

Общепринятое в то время представление, что без специальной оптики, визуально, мы наблюдаем ночью подсвечиваемый солнцем спутник, неверно. Отражающая поверхность спутника была слишком мала для визуального наблюдения. На самом деле наблюдалась вторая ступень – центральный блок ракеты, который вышел на ту же орбиту, что и спутник. Эта ошибка многократно повторялась в средствах массовой информации.

В честь этого события в 1964 году в Москве на проспекте Мира, возле станции метро ВДНХ был сооружен 99-метровый обелиск «Покорителям космоса» в виде взлетающей ракеты, оставляющей за собой огненный шлейф.

4 октября 2007 года, в день 50-летия запуска ПС-1, в городе Королёве открылся памятник первому искусственному спутнику Земли.

Второй советский ИСЗ

В соответствии с планом научных работ, проводимых по программе Международного геофизического года, в СССР 3 ноября 1957 г. был осуществлен запуск второго ИСЗ. Запуск второго спутника является новым выдающимся успехом советской науки. Напряженная и плодотворная работа больших коллективов ученых, инженеров, техников и рабочих позволила создать и вывести на орбиту спутник, полезный вес которого составляет 508 кг 300 г, что в 6 раз превышает вес первого спутника. При этом второй спутник был выведен на орбиту, расположенную значительно дальше от поверхности Земли, чем орбита первого спутника.

Второй ИСЗ (рис. 1.4) был оснащен разнообразной научной аппаратурой, позволяющей осуществить проведение широкой программы исследований. На спутнике размещены аппаратура для изучения космических лучей, исследования ультрафиолетовой и рентгеновской части солнечного излучения, герметическая кабина с подопытным животным (собакой), радиотелеметрическая аппаратура для передачи на Землю результатов измерений, радиопередающая аппаратура, а также необходимые источники электроэнергии.

В передней части последней ступени ракеты на специальной раме установлены прибор для исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, сферический контейнер с радиопередатчиками и другой аппаратурой, герметическая кабина с подопытным животным — собакой. Аппаратура для изучения космических лучей расположена на корпусе ракеты. Установленные на раме приборы и контейнеры защищены от аэродинамических и тепловых воздействий, имеющих место при полете ракеты в плотных слоях атмосферы, специальным защитным конусом. После выведения последней ступени ракеты на орбиту защитный конус был сброшен.

Радиопередатчики, находящиеся в сферическом контейнере, работали на частотах 40,002 и 20,005 МГц. Источники их электропитания, система терморегулирования, а также чувствительные элементы, регистрирующие изменение температуры и другие параметры, также размещены в этом контейнере. По своей конструкции сферический контейнер подобен первому советскому искусственному спутнику Земли.

Сигналы радиопередатчика, работавшего на частоте 20,005 МГц (длина волны 15 м), имели вид телеграфных посылок. Длительность их, так же как и длительность пауз между ними, составляла в среднем около 0,3 с. При изменении некоторых параметров внутри сферического контейнера (температура, давление) длительность этих посылок и пауз между ними изменялась в определенных пределах.

Радиопередатчик на частоте 40,002 МГц (длина волны 7,5 м) работал в режиме непрерывного излучения. Установка двух радиопередатчиков на указанных частотах обеспечила проведение исследований по распространению радиоволн, излучаемых со спутника, и измерение параметров его орбиты. При этом был обеспечен прием сигналов со спутника при любом состоянии ионосферы. Выбор длин волн, а также достаточная мощность радиопередатчиков позволили осуществлять радионаблюдения за спутником наряду со специальными станциями самому широкому кругу радиолюбителей.

Герметическая кабина, в которой помещалось подопытное животное (собака), имела цилиндрическую форму. С целью создания условий, необходимых для нормального существования животного, в ней был размещен запас пищи, а также система кондиционирования воздуха, состоящая из регенерационной установки и системы терморегулирования. Помимо этого, в кабине были размещены аппаратура для регистрации пульса, дыхания, кровяного давления, аппаратура для снятия электрокардиограмм, а также чувствительные элементы для измерения ряда параметров, характеризующих условия в кабине (температура, давление).

Кабина животного, как и сферический контейнер, изготовлена из алюминиевых сплавов. Поверхность их полирована и подвергнута специальной обработке с целью придания ей необходимых значений коэффициентов излучения и поглощения солнечной радиации. Системы терморегулирования, установленные в сферическом контейнере и в кабине животного, поддерживали в них температуру в заданных пределах, отводя тепло к оболочке за счет принудительной циркуляции газа.

Рис. 1.4. Схема размещения аппаратуры

1 – защитный конус, сбрасываемый после выведения спутника на орбиту;

2 – прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца;

3 – сферический контейнер с аппаратурой и радиопередатчиками;

4 – силовая рама для крепления аппаратуры;

5 – герметическая кабина с подопытным животным

Кроме указанной аппаратуры, на корпусе последней ступени ракеты установлены: радиотелеметрическая измерительная аппаратура, аппаратура для измерения температуры, источники электроэнергии, обеспечивающие питание научной и измерительной аппаратуры. Температура на внешней поверхности и внутри кабины животного, а также температура отдельных приборов и элементов конструкции определялась с помощью установленных на них температурных датчиков. Радиотелеметрическая аппаратура обеспечивала передачу на Землю данных всех измерений, осуществляемых на спутнике. Включение ее для передачи данных измерений производилось периодически по специальной программе.

Программа научных исследований, связанная с проведением измерений на втором ИСЗ, была рассчитана на семь суток и была выполнена полностью. Радиопередатчики спутника, а также бортовая радиотелеметрическая аппаратура прекратили свою работу. Дальнейшие наблюдения за движением второго искусственного спутника Земли с целью изучения характеристик верхних слоев атмосферы и прогнозирования его движения проводились с помощью оптических и радиолокационных средств вплоть до прекращения полета спутника.

Первый американский искусственный спутник Земли

В отличие от СССР, где в начале-середине 1950-х годов МБР и РН на их основе занималось только ОКБ-1 С. П. Королева, в США ситуация складывалась иначе.

Конкурирующие между собой за влияние и ресурсы виды вооруженных сил – в отсутствие внешнего соперника – продвигали собственные «космические» проекты (об успехах Советского Союза в ракетостроении было неполное и искаженное представление: с одной стороны, из-за недостатка достоверной информации, с другой, вследствие традиционного «технического снобизма» американцев).

Главным элементом каждого проекта являлась РН. История распорядилась так, что первым американским ИСЗ стал Explorer-1 («Эксплорер-1»), выведенный на орбиту 31 января 1958 г. РН Jupiter-С («Юпитер-С», Juno I («Юнона»)). А основой этой РН, в свою очередь, послужил Redstone» («Редстоун») – прямой потомок «оружия возмездия» III Рейха V-2 («Фау-2», А-4).

Разработка первой американской баллистической ракеты, способной нести ядерную боеголовку на расстояние свыше 800 км, началась еще осенью 1948 г. Через полтора года к работам была подключена группа специалистов-ракетчиков во главе с Вернером фон Брауном, вывезенная из Германии.

Ракета «Редстоун» (получила свое название 8 апреля 1952 г. в честь арсенала, «приютившего» головных разработчиков) являлась глубокой модернизацией А-4. В ноябре 1950 г. этому проекту был дан высший приоритет министерства обороны США.

В феврале 1951 г. тактико-технические требования заказчика были изменены: массу боеголовки увеличили до 3100 кг с соответствующим уменьшением дальности полета ракеты до 245 км.

Фирма North American Aviation установила на «Редстоун» ЖРД XLR-43 (серийное обозначение А-6), созданный путем масштабного увеличения двигателя V-2 до уровня тяги 34 тс в течение 110 с. Как и у прототипа, компоненты топлива – жидкий кислород (окислитель) и этиловый спирт (горючее) – подавались в камеру сгорания посредством ТНА на перекиси водорода.

Ракетой управляла инерциальная СУ ST-80, выдававшая команды на исполнительные органы – графитовые рули, установленные в струе истекающих из сопла газов, и воздушные рули на концах крестообразного аэродинамического стабилизатора.

В отличие от «Фау-2» боеголовка «Редстоуна» (термоядерный заряд W-39 мощностью 2,5 Мт) отделялась от ракеты и при входе в атмосферу стабилизировалась с помощью четырех собственных воздушных рулей.

Опытные изделия были построены в Редстоунском арсенале; серийное изготовление велось корпорацией Chrysler (г. Стерлинг-Хайтс, шт. Мичиган).

Первый «Редстоун» стартовал с мыса Канаверал 20 августа 1953 г. – через три года после начала работ по проекту. В рамках ЛКИ (летно-конструкторских испытаний) до 1958 г. было запущено 37 ракет, из них по программе «Редстоун» – 12 полетов. Остальные использовались для испытаний компонентов БРСД Jupiter («Юпитер») – эти изделия обозначались Jupiter-A («Юпитер-А»).

«Редстоуны» были развернуты в Европе до 1964 г., затем их сменили более компактные и подвижные твердотопливные комплексы Pershing («Першинг»).

Следует отметить, что в начале 1950-х гг. Армия и ВВС США втянулись в борьбу за право монопольной разработки и применения баллистических ракет средней дальности (БРСД).

За счет замены горючего (вместо спиртового раствора воды, называемого иногда «vodka», стали применять Hydyne – смесь 60% несимметричного диметилгидразина и 40% диэтилентриамина) тяга двигателя возросла с 34 до 37,6 тс. А удлинение топливного отсека на 2,4 м позволило увеличить продолжительность работы (при расходе топлива 190 л/с) со 121 с до 155 с. Кроме того, изделие оснастили верхними ступенями – в такой конфигурации ракета получила название «Юпитер-С», где «С» означает Composite – «составная», «многоступенчатая».

В 1950-1953 гг. Лаборатория реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института по заданию Армии США проводила исследования и разработку ракетных топлив, РДТТ (ракетных двигателей твердого топлива), ЖРД, а также систем управления и телеметрии.

В ходе этих работ JPL спроектировала боевую жидкостную ракету Corporal («Капрал») и начала разработку твердотопливной ракеты следующего поколения Sergeant («Сержант»). Для отработки рецептур твердого топлива и конфигураций заряда, определения характеристик запуска и внутри-баллистических параметров, проверки конструкционных и теплозащитных материалов применялся т.н. «модельный» РДТТ, изготовленный в масштабе 1:5 по отношению к полноразмерному двигателю «Сержанта» (иногда его называют «Бэби-Сержант»).

В этот же период Лаборатория начинает проявлять интерес к исследованиям космического пространства. В 1954 г. все более проникаясь идеями фон Брауна, JPL совместно с Управлением баллистических ракет Армии (Army Ballistic Missiles Agency, АВМА) и Управлением научно-исследовательских работ ВМС (ONR) выдвинула предложение по созданию космической РН Orbiter, у которой нижняя ступень представляла собой модификацию ракеты «Редстоун», а верхние ступени – связки двигателей от ракет Loki-2A (Неуправляемая боевая ракета диаметром 70 мм класса «земля-воздух», разработанная в JPL).

Однако уточненный анализ показал: для запуска на околоземную орбиту нужен 31 двигатель Loki, что, учитывая их надежность, делало неприемлемо высокой вероятность отказов. В ходе последующих проработок фон Браун и его коллеги приняли предложение JPL по использованию РДТТ «Бэби-Сержант» для установки на второй, третьей и четвертой ступенях. К июлю 1955 г. проект космической РН «завязался».

Вторая ступень представляла собой кольцевую связку из 11 «модельных» РДТТ «Сержант» (каждый длиной 1,2 м, диаметром 15,2 см, развивал в течение шести секунд среднюю тягу 0,68 тс). Внутри этой связки размещались три аналогичных РДТТ третьей ступени. В варианте спутниковой РН сверху монтировалась четвертая ступень – один «модельный» двигатель.

Отделялись верхние ступени от первой пружинными толкателями. Заданную же пространственную ориентацию обеспечивала их предварительная закрутка на специальном «вращающемся столе», установленном на коническом переходнике с приборным оборудованием. Стабилизация вращением позволяла также компенсировать рассогласование тяги единичных РДТТ связки.

Для надежности закрутку верхних ступеней проводили непосредственно перед стартом. Во избежание резонанса с конструкцией ракеты на этапе работы первой ступени была рассчитана программа постепенного увеличения скорости вращения сборки с 550 до 750 об/мин ко второй минуте полета.

Таблица 1.3

Основные характеристики ракеты-носителя «Юпитер-С»

После вертикального запуска со стартового стола «Юпитер-С» через 157 сек выходил на угол 40° к горизонту. По факту выключения первой ступени срабатывали пироболты – приборный отсек и вращающаяся «труба» верхних ступеней отделялись от бакового отсека первой ступени и разворачивались в горизонтальное положение посредством четырех сопел на сжатом воздухе, расположенных в основании приборного отсека. Когда достигалась вершина баллистического подъема (приблизительно на 247 сек после старта), радиосигнал с Земли зажигал связку РДТТ второй ступени, отделяя «трубу» от приборного отсека. Далее последовательно включались третья и – в космической РН – четвертая ступени.

В первом же испытательном полете, 20 сентября 1956 г., «Юпитер-С» установил рекорд, метнув макет боеголовки массой 39,2 кг на высоту 1 094 км и дальность 5 311 км. 15 мая 1957 г. на несколько меньшую дальность — 1 142 км – был запущен масштабно уменьшенный абляционный «носовой конус» боевой ракеты «Юпитер» массой 138,1 кг (Абляция – позднелат. ablatio — отнятие, устранение — унос массы с поверхности твёрдого тела потоком горячего газа в результате оплавления, испарения, разложения и химической эррозии материала).

Наконец, 8 августа 1957 г. аналогичная «боеголовка» пролетела уже 2140 км и не разрушившись достигла поверхности земли.

Рис. 1.5. Схема ракеты-носителя «Юпитер-С»:

1 – спутник;

2 – РДТТ четвертой ступени;

3 – связки РДТТ второй и третьей ступеней;

4 – механизм вращения верхних ступеней;

5 – отсек системы управления;

6 – баллон со сжатым воздухом системы управления

ориентацией;

7 – бак горючего;

8 – бак окислителя;

9 – трубопровод подачи горючего в двигатель;

10 – ЖРД А-7;

11 – аэродинамические стабилизаторы;

12 – аэродинамические рули;

13 – графитовые газовые рули

Немедленно после запуска Первого советского спутника Вернер фон Браун и директор АВМА [Army Ballistic Missile Agency (Huntsvill, Alabama) – Армейское агенство баллистических ракет (Хантсвилл, шт. Алабама)] генерал Джон Медарис (John В. Medaris) убедили нового министра обороны США Нейла МакЭлроя (Neil McElroy) разрешить Армии работы по созданию РН на базе «Юпитер-С».

Предложение, именуемое Project 416, предусматривало запуск четырех ИСЗ.

8 ноября 1957 г. МакЭлрой поручил Армии готовить два «космических» старта в качестве дублеров «Авангарда».

После «флопника» – титула, которым пресса наградила Vanguard TV-3 (ракета-носитель «Авангард TV-3» с одноименным спутником «Авангард» – «шариком» массой 1,542 кг, взорвалась практически на стартовом столе 6 декабря 1957 г. Однако спутник уцелел. Армии были даны все полномочия вывести США в космос. Фон Браун полагал, что его группа будет создавать и спутник, но Медарис солидаризовался с директором JPL доктором Уильямом Пикерингом (William H. Pickering): эту работу сделают его ребята.

Признавая, что искать «инертную» 20-дюймовую (~51 см) сферу в безбрежных просторах космоса исключительно с помощью оптического оборудования после триумфа советских ИСЗ, мягко говоря, несолидно, на спутник решили установить легкие приборы и маломощный передатчик типа того, что создавала NRL (Naval Research Laboratory — Научно-исследовательская лаборатория ВМС США и ее «ракетный» отдел) для проекта Vanguard.

Группа JPL, которой руководил доктор Джек Фройлих Jack E. Froehlich), начала спешную доработку проекта Orbiter.

Чтобы не усложнять конструкцию РН аэродинамическим обтекателем, от сферического КА по типу «Авангарда» отказались и встроили ПГ (полезный груз) в неотделяющийся контейнер, приделанный спереди к четвертой ступени РН. При этом обшивку ИСЗ изготовили из нержавеющей стали, которую отполировали, а сверху нанесли продольные полосы оксида алюминия для штатной работы системы терморегулирования в космосе.

Как вспоминают участники этой работы, КА накладывал «чудовищные» ограничения на аппаратуру. Поскольку обтекателя не было, все элементы, установленные на поверхности ИСЗ, подвергались аэродинамическому нагреву.

Максимальное ускорение, задаваемое последней твердотопливной ступенью РН, составляло ~70 ед. (70 g). Наконец, приборы должны были вращаться вместе со спутником и сборкой верхних ступеней с частотой до 750 об/мин.

Научная аппаратура ИСЗ была разработана и изготовлена доктором Джеймсом Ван Алленом из Университета штата Айова. Она включала блок обнаружения космических лучей, датчик внутренней температуры, три датчика внешней температуры, датчик температуры носового конуса, микрофон для регистрации ударов микрометеоров и датчик микрометеорной эрозии.

Данные с этих приборов передавались на Землю передатчиком мощностью 60 мВт, работающим на частоте 108,03 МГц, и передатчиком 10 мВт на частоте 108,00 МГц.

Передающие антенны – две щелевые, непосредственно на корпусе аппарата, и четыре гибких штыря длиной 55,9 см, формирующих турникетную антенну. Вращение спутника вокруг продольной оси позволяло сохранить штыри в разложенном положении (По образному выражению одного из очевидцев тех событий, эти четыре антенны на ИСЗ «торчали как мышиные усы»).

Электропитание обеспечивали никель-кадмиевые химические батареи, которые составляли примерно 40% массы полезного груза. От них передатчик «большой» мощности должен был работать в течение 31 дня, а передатчик «малой» мощности – в течение 105 дней. Один передатчик «слушала» система MINITRACK, разработанная ВМС по программе Vanguard, другой – система MICROLOCK, созданная JPL.

20 декабря 1957 г. самолетом С-124 Globemaster ракету «Юпитер-С» доставили на мыс Канаверал. Почти месяц с ней работали в ангаре Восточного испытательного полигона. С 17 января 1958 г. РН стояла на стартовой площадке LC-26A, где проводился монтаж и балансировка «вращающегося стола» и каждой верхней ступени в отдельности.

Три последних дня января были «зарезервированы» Управлением АВМА как стартовое окно: для обеспечения пуска РН «Авангард» и «Юпитер-С», стартовые площадки которых разделяло не более километра, использовались общие наземные агрегаты и системы. Заметим: при неудачном запуске «армейцы» могли повторить попытку только в марте.

Предпусковые операции начались 31 января 1958 г. в 13 ч 30 мин по местному времени. Через два часа специалисты приступили к заправке ракеты. За 12 сек до старта были запущены электромоторы закрутки верхних ступеней. В 22 ч 40 мин включился двигатель, и ракета «Юпитер-С», «задним числом» переименованная в РН Juno I («Юнона»), стала набирать высоту.

Поскольку бортовое оборудование РН не позволяло автоматически определять ее траекторные параметры, их рассчитывали специалисты наземных служб. На вычисления ушло не более четырех минут (!), и в момент Т+404 сек с Земли последовала радиокоманда на запуск второй ступени.

Никто не мог со 100%-ной уверенностью заявить, что спутник на орбите. Лишь через 117 минут «агонизирующего ожидания» станция в Калифорнии приняла радиосигнал ИСЗ, подтвердив, что первый виток вокруг Земли замкнут.

Рис. 1.6. Первый американский спутник «Эксплорер-1»

Рис. 1.7. Общая схема ИСЗ «Эксплорер-1»:

1 - носовой обтекатель; 2 - температурный зонд; 3 - маломощный передатчик; 4, 14 - измеритель внешней температуры; 5, 10 - щелевая антенна; 6 - отсеки исследования космических лучей и микрометеоритов (приборы доктора Дж. Ван Аллена); 7 - микрометеритньй микрофон; 8 - мощный передатчик; 9 - измеритель внутренней температуры; 11 - пустой корпус четвертой ступени; 12 - измерители микрометеоритной эррозии; 13 - гибкая антенна

В JPL спутник в рабочем порядке именовали RTV-7 или Deal 1, но он стал известен миру как Explorer 1 («Эксплорер-1» – «Исследователь», «проводник» (англ.), рис. 1.6, 1.7, табл. 1.4. Это название спутника родилось уже после запуска. Оно было предложено Ричардом Хиршем (RichardHirsch) из Комиссии по космосу при Совете национальной безопасности).

Запуск первого американского спутника вызвал небывалый подъем национального настроения. В Вашингтоне ликующий В. фон Браун объявил: «Мы создали собственный плацдарм в космосе. Никогда больше мы не сдадимся!»

«Мощный» передатчик функционировал около двух недель, прием данных с другого прекратился 23 мая 1958 г. Несмотря на непродолжительный срок активного существования, Explorer 1 позволил получить ряд важных данных о космическом пространстве — в частности, было выявлено наличие у Земли радиационных поясов.

Спутник оставался на орбите до 31 марта 1970 г.

Таблица 1.4

Характеристики спутника «Эксплорер-1»

Классификация космических аппаратов

Космический аппарат (КА) – аппарат, предназначенный для полета в космосе или для работы на других небесных телах. От­личительной особенностью большинства КА является их способ­ность к длительному самостоятельному функционированию в усло­виях космического пространства.

Интенсивное освоение космического пространства требует создания КА, обеспечивающих решение новых специфических задач. В настоящее время имеется множество разнообраз­ных КА, решающих задачи по исследованию космоса, народнохо­зяйственные, специального назначения и т.д.

В первом приближении КА можно классифицировать на следующие основные группы.

1. По назначению:

а) народнохозяйственные (метеорологические, навигационные, спутники связи и телевещания и др.);

б) научно-исследовательские (геофизические, геодезические, астроно-мические, дистанционного зондирования Земли);

в) военные;

г) специальные (спускаемые аппараты).

2. По массовым характеристикам:

а) фемтоспутники – до 100 г;

б) пикоспутники – до 1 кг;

в) наноспутники – 1-10 кг;

г) микроспутники –10-100 кг;

д) миниспутники – 100-500 кг;

е) малые спутники – 500-1000 кг;

ж) большие спутники – более 1000 кг

3. Ближнего и дальнего космоса:

а) околоземные КА (искусственные спутники Земли, обитаемые
орбитальные станции, обсерватории);

б) аппараты для полета к Луне (облетные, десантные, искусственные
спутники Луны);

в) межпланетные КА (пролетные, десантные, спутники планет).

4. По типу двигательных установок:

а) КА с двигательными установками (ДУ) большой тяги (ДУ на
химическом топливе, ДУ на ядерном топливе);

б) КА с ДУ малой тяги (плазменные ДУ, электростатические ДУ).

5. По типу управления: автоматические и пилотируемые.

Народнохозяйственные искусственные спутники Земли

Народнохозяйственное использование ИСЗ началось с создания систем спутниковой связи. Расширение диапазона несущих частот в сторону ультракоротких радиоволн, принимаемых лишь в зоне прямой видимости, привело к необходимости создания дорогостоящих радиобашен и сети ретрансляционных станций. При удалении абонентов систем связи и телевещания на расстояние более 500 км становится экономически более выгодна космическая связь по сравнению с кабельными и радиорелейными линиями связи. Применение для этих целей ИСЗ позволяет охватить радиосвязью огромные районы Земли площадью в миллионы квадратных километров. По данным зарубежных специалистов, спутники связи сравнительно быстро окупили расходы на космические исследования. Для этой цели в нашей стране использова­лись спутники связи «Молния» и «Радуга». Стационарные спутники, находящиеся на орбите высотой 35 800 км в плоскости экватора, оказываются неподвижными по отношению к поверхности Земли, т.е. они зависают над одной точкой земной поверхности и обеспечивают тем самым устойчивую связь. Повышение мощности ретранслируемого спутником сигнала позволяет создать систему прямого телевизионного вещания. Микроминиатюризация связной и обслуживающей аппаратуры, совершенствование бортовых систем ИСЗ позволяют существенно снизить массу ИСЗ до 50 кг и ставить вопрос о создании сети низкоорби­тальных ИСЗ, состоящей из десятков аппаратов, которые обеспечат покрытие сигналом всей поверхности Земли.

Первым отечественным спутником связи был спутник «Молния-1», выведенный на высокоэллиптическую орбиту (23.04.65), вспоследствии в состав многоканальной спутниковой системы входили «Молния-2», «Молния-3», «Радуга», «Горизонт», «Экран» (рис. 1.8), а в настоящее время – «Экран-М», «Гонец», «Ямал-100», «Ямал-200», «Экспресс», «Галс» и др. Спутники-ретрансляторы выводились на эллиптические или геостацио­нарные орбиты, охват телевещанием населения СССР был доведен до 95 %.

Рисунок 1.8 – Схема системы «Экран»: 1 – центр радиовещания;

2 – Останкинский телевизион­ный центр; 3 – передающая станция;

4 – ИСЗ «Экран»; 5 – антенны профессионального приема ТВ-сигнала;

6 – антенны коллективного приема ТВ-сигнала с распределением по

зоновой сети; 7 – антенны коллективного приема ТВ-сигнала с подачей на маломощный радиотелевизионный ретранслятор

Вывод спутника на стационарную орбиту с минимальными энергетическими затратами осуществляется по двух- или трехимпульсному переходу: ИСЗ выводится на опорную орбиту высотой около 200 км и наклонением, соответствующим полигону запуска (51 градус для Байконура), а затем даются два или три импульса, которые обеспечивают переход спутника сначала на высокоэллиптическую орбиту с перигеем и апогеем в плоскости экватора, получение или доведение высоты апогея до высоты геостационарной орбиты и последующее формирование стационарной круговой орбиты с нулевым наклонением.

Спутники нового поколения, запуск семи из которых запланирован Росавиакосмосом на 2002-2005 гг., увеличат долю присутствия России на мировом рынке космической связи в 2,5 раза – 4 %. Новые связные КА будут отличаться увеличенным сроком службы – до 10...15 лет, вместо 5...7. «Аппаратная начинка» реализована с использованием новых полупро-водниковых микросхем и микроэлектроники новейшего поколения.

Метеорологические спутники последовательно передают на Землю изображения облачного покрова, по которым специалисты определяют направления и скорости ветров, зарождение циклонов и ураганов.

Глобальность действия, высокая эффективность и оперативность передаваемой на Землю информации из космоса позволяет спутникам за время одного витка (1,5 ч) получать метеоданные, которые по объему в 100 раз превышают поступающие от всех наземных метеостанций.

С помощью метеорологических ИСЗ проводятся измерения теплового излучения Земли и солнечной активности, которые в сочетании с информацией от шаров-зондов и наземных метеостанций позволяют предсказывать погоду в краткосрочном и долгосрочном аспектах. Для этой цели использовались и используются у нас в стране ИСЗ «Метеор», у американцев – «Тирос», «Нимбус», «Эсса».

Геодезические и картографические ИСЗ. Начало космической геодезии в нашей стране относится к 1962 г., когда были запущены первые аппараты серии «Космос». В основе работы геодезических ИСЗ лежит принцип триангуляции, когда ИСЗ наблюдается одновременно из нескольких точек на Земле.

Применение геодезических спутников позволяет с высокой степенью точности определять относительное положение континентов и объектов, удаленных на тысячи километров, исследовать движение полюсов. Эти спутники предназначены для составления точных карт местности, взаимной привязки различных объектов, а также для уточнения формы Земли и поля тяготения. Первый в нашей стране геодезический спутник «ГЕО-ИК» был запущен в 1981 г. Спутники этой серии создавались в НПО ПМ им. акад. М.Ф. Решетнева (близ Красноярска в городе Железногорске). НПО ПМ создает почти 70 % всех российских спутников различного назначения. За 20 лет запущено 14 КА серии «ГЕО-ИК», которые успешно отработали свою программу.

Одними из первых геодезических спутников США были спутники «Анна» и «Секор», которые использовались в качестве подвижных объектов для наблюдения с наземных станций и построения на этой основе триангуляционной системы. Космическая триангуляция основана на одновременном наблюдении спутника с нескольких точек поверхности Земли.

Спутник «Анна» (рис. 1.9) имел массу 160 кг и выводился на орбиту высотой около 1 000 км. На спутнике был установлен световой маяк, четыре импульсные ксеноновые газоразрядные лампы с силой света по 810 свечей. Команды на создание вспышек подавались с Земли; вспыш­ки проводились сериями по пяти с интервалом 5,6 с и продолжительнос­тью 1 мкс. Точность момента вспыш­ки составляла 0,5 мкс. Вспышки фо­тографировались на фоне звездного неба одновременно с четырех назем­ных пунктов и по полученным фотог­рафиям определялись геоцентричес­кие координаты спутника. Обработка данных позволяла произвести взаим­ную привязку наземных пунктов: из четырех наземных станций три располагались в точках с известными координатами, а четвертый – в точке, координаты которой требовалось определить. Кроме оптических для решения задачи могут использоваться радиометрические методы: дальномерный и доплеровский.

Навигационные ИСЗ играют роль небесных тел, функционирование которых поддерживается специальной наземной системой обеспечения, служат для навигации самолетов и кораблей.

С 1978 г. после запуска нескольких ИСЗ серии «Космос» на орбиты, близкие к полярным орбитам, начала функционировать система «Цикада», которая обеспечивала решение навигационных задач для морских судов. Она в любое время суток независимо от погоды совместно с наземными контрольно-измерительными центрами и аппаратурой «Шхуна», размещаемой на судах, позволяет определять координаты плавучих средств со среднеквадратической ошибкой 80... 100 м. При этом экономится 7...8 % ходового времени за счет выбора оптимальных судовых маршрутов. К настоящему времени развернута глобальная национальная спутниковая система (ГЛОНАСС), имеющая в своем составе 15 работающих (по проекту 24) ИСЗ.

Для каждого навигационного спутника точно известны параметры движения по орбите, но в отличие от небесных тел они позволяют осуществлять измерения в любое время суток и в любую погоду, поскольку их координаты определяются с помощью высокочастотного радиомаркера. Примером навигационных ИСЗ служат спутники «Космос-1000» и «Транзит».

Другие искусственные спутники Земли используются в океанографии для получения обширной информации о факторах и явлениях в океанах и морях: температура воды и атмосферы, ветры, волнение и испарение воды, глубина шельфовых зон, расположение плавучих льдов и айсбергов, миграция рыбных косяков и многое другое, что имеет не только огромное научное и хозяйственное, но и оборонное значение.

Важную роль играют исследования природных ресурсов и мониторинг окружающей среды. Спутники получают информацию с Земли с помощью приема приходящего на борт электромагнитного излучения наблюдаемых объектов. Гидрологические исследования, проводимые с помощью ИСЗ, позволяют систематически наблюдать за реками, озерами, ледниками, выявляя режимы их функционирования, что необходимо для гидротехнического строительства, мелиорации, ирригации, судоходства, сельского хозяйства. Это особенно значимо, учитывая пространства нашей страны. Геологическое строение и закономерности размещения различных пород, дополняемые фотометри­ческими исследованиями земной поверхности в различных лучах, магнитными и гравиметрическими исследованиями эффективно изучается с помощью ИСЗ. Это имеет важное научное и прикладное значение, в частности, облегчая поиск полезных ископаемых. Оперативный обзор огромных площадей позволяет оценивать состояние сельскохозяйствен­ных угодий, лесов, изучать и обнаруживать поражения вредителями и лесные пожары, а также в целом состояние окружающей среды.

Исключительно велико оборонное значение ИСЗ, которые использу­ются как разведчики-инспекторы, фиксирующие строительство военных объектов, перемещение больших скоплений войсковых соединений (фото-и радиоаппаратура), старт ракет (инфракрасная аппаратура), а в будущем возможно их применение и для инспекции космических объектов.

В 1982 г. США объявили о создании системы противоракетной обороны с элементами космического базирования, на которых предполагалось установить лучевое (лазерное) и кинетическое оружие для поражения ракет противника. Впоследствии было заключено соглашение о запрещении использования космического пространства в военных целях, кроме инспекции.

Начало реализации программы «Метеор-природа» относится к 1974 г. В начале 1980-х годов был запущен новый ИСЗ «Метеор-природа» с более совершенной аппаратурой и имеющий больший ресурс. В течение нескольких лет он проводил многозональную телевизионную съемку Земли в 10 поддиапазонах спектра (0,4...2,4 мкм) с разрешением 30...800 м при полосах съемки от 30 до 2 000 км.

Космические средства при высокой информативности наблюдений и полного обновления данных в течение нескольких недель позволяют исследовать природные явления в динамике, что особенно важно для сельского хозяйства, для наблюдения за возникновением и развитием ураганов, циклонов, пожаров и наводнений, контроля загрязнений окружающей среды городов и целых промышленных районов. С 1979 г. обеспечивается с помощью космической техники («Космос-1176») наблюдение за процессами в Мировом океане (Программа «Океан»), которая была продолжена серией спутников «Космос-1500», «Кос­мос- 16022, «Космос-1176» и других с целью контроля ледовой обстановки, изучения течений, приливов и отливов, контроля загрязненности акваторий нефтепродуктами и другими промышленными отходами. В различные годы эксплуатировались и будут эксплуатироваться спутники системы «Ресурс» («Ресурс-0», «Ресурс-01», «Океан-0», «Океан-01», «Океан-02» для оперативного получения многозональными съемочными камерами и бортовыми радиолокационными станциями информации о состоянии суши, океана и окружающей среды), а также «Ресурс-Ф» и «Ресурс-Ф1М» (для фотографирования земной поверхности с высоким пространственным разрешением).

В дальнейшем состав системы дистанционного зондирования Земли пополнят ИСЗ «Электро» и «Ресурс-ДК».

Информация со спутников о природных ресурсах Земли, океанографи­ческие и другие сведения с высокой оперативностью обрабатываются в Госцентре «Природа», НПО «Планета», «ВНИИЦ «Агроресурсы» и других научных центрах. В результате стало возможным решение до 300 научных природоведческих и природопользовательских задач и своевременная передача более 1 000 организациям-потребителям этих данных.

Весьма важную функцию космическая техника выполняет в поиске и спасении попавших в бедствие людей, судов, самолетов. Первым эту функцию начал выполнять ИСЗ «Космос-1383» (1982 г.) в соответствии с советско-американским соглашением о мирном использовании космического пространства. В 1984 г. с помощью «Космос-1500» были получены оперативные данные для руководства Севморпути, что помогло вывести из ледового плена караван судов, а на следующий год в Антарктиде был спасен ледокол «Сомов», так как со спутника была получена информация о трещинах льда и возможных путях проходов для движения к чистым ото льда водам. Радиолокатор спутника позволил определить сроки и площади весеннего паводка во многих районах страны, провести гляциологические исследования высокогорий, исследовать поймы рек.

Космическая система поиска аварийных судов и самолетов (КОСПАС) предназначена для определения с помощью ИСЗ координат радиобуев, установленных на судах и самолетах. Система включает также пункты приема информации и центр управления. Ошибка в определении координат объектов, терпящих бедствие, составляет не более 3 км. В США, Франции и Канаде эксплуатируется аналогичная система САПСАТ; ИСЗ, взаимосвязанные между собой, могут работать автономно. Единая система КОСПАС – САРСАТ работает с 70 радиобуями на частотах 121,5 МГц, дежурный режим 406,1 МГц (сигнал бедствия).