Текст книги "Битва за звезды-1. Ракетные системы докосмической эры"

Автор книги: Антон Первушин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 25 (всего у книги 30 страниц)

Спутник Фрэда Зингера «MOUSE»

Идея искусственного спутника Земли обсуждалась не только на закрытых заседаниях Совета национальной безопасности США и межведомственной корпорации «Рэнд», но и на различных научных конференциях, материалы которых были вполне доступны всем заинтересованным лицам.

Так, на 4-м Международном конгрессе по астронавтике, проходившем в 1953 году в Цюрихе, Фрэд Зингер из Университета штата Мериленд заявил, что в США имеются предпосылки для создания искусственного спутника Земли, сокращенно названного «MOUSE» (сокращение от «Minimum Orbital Unmanned Satellite of Earth» – «Автоматический искусственный спутник Земли с минимальной орбитой движения»). В более ранних докладах и статьях рассматривались вопросы, преимущественно касающиеся двигателей, причем основное внимание в них обращалось на то, чтобы создать условия для вывода третьей ступени в качестве беспилотного спутника в безвоздушное пространство. В докладе же Зингера главным был вопрос о полезной нагрузке. В частности, были затронуты проблемы использования ракет-спутников для научных исследований, оборудования их необходимыми приборами, вероятного веса спутников и способов передачи данных на Землю.

Гипотетический спутник Зингера представлял собой автономную приборно-измерительную систему, помещенную в прочный шар, которая по достижении заданной высоты отделялась от третьей ступени составной ракеты. Этот шар-спутник весом около 45 килограммов стабилизировался вращением. Ось приборно-измерительного блока должна быть постоянно направленной к Солнцу; в этом своеобразном «полюсе» спутника предполагалось разместить солнечные батареи для питания радиопередатчика. Орбита спутника должна была проходить через оба географических полюса Земли и находиться на удалении 300 километров. Предположительный период обращения спутника составлял 90 минут.

Двухполюсная орбита была выбрана потому, что она проходит над двумя определенными точками, с которых можно принимать передачу данных, а именно над полюсами. Данные измерений приборов должны записываться на медленно движущейся ленте (5 см/мин). Прием информации со спутника предлагалось осуществлять следующим образом: при выходе «MOUSE» на один из полюсов в воздух поднимается самолет, выполняющий функцию приемной радиотелеметрической станции; по радиосигналу, посланному с самолета, включается передатчик спутника, и все записанное на ленте передается в течение 5 минут на самолет. После этого запись на магнитной ленте стирается и лента снова оказывается готовой к записи новых данных.

Разговор об искусственном спутнике был поднят Зингером и на 3-й Конференции по космическим полетам в Гэйденском планетарии, проходившей 4 мая 1954 года Он опять утверждал, что его проект – это не проект далекого будущего, и что его вполне можно осуществить в настоящее время.

По свидетельству участников конференции, заявление Фрэда Зингера произвело очень сильное впечатление на представителей прессы и промышленников. После выступления доктора Гарри Векслера из Бюро погоды США, который сказал, что искусственный спутник, движущийся по орбите вокруг Земли, будет иметь огромную ценность для метеорологов, так как облегчит им наблюдения и повысит точность краткосрочных и долгосрочных прогнозов, почти ни у кого не осталось сомнений в целесообразности создания спутника.

Проект «Orbiter»

Весной 1954 года Комитет по космическим полетам «Американского ракетного общества» разработал предложения по созданию искусственного спутника Земли, которые были представлены на рассмотрение различным ведомствам.

К тому времени уже активно работала межведомственная корпорация «Рэнд», а потому реакция на предложения Комитета последовала очень быстро. 25 июня 1954 года в здании Научно-исследовательского управления Военно-морских сил в Вашингтоне состоялась встреча, на которой присутствовали как представители «Общества», так и другие американские ракетчики: Вернер фон Браун, профессор Зингер, профессор Уиппл из Гарварда, Дэвид Янг из фирмы «Аэроджет» и некоторые офицеры управления.

На повестке стоял вопрос, можно ли в ближайшее время произвести запуск искусственного спутника Земли крупных размеров на орбиту, находящуюся на удалении в 320 километров от Земли. Под ближайшим временем подразумевался период в 2–3 года. Вернер фон Браун заявил, что это можно сделать раньше, и изложил свои соображения относительно использования ракеты «Редстоун» в качестве первой ступени и нескольких связок ракет «Локи» («Loki», доработанная немецкая ракета «Тайфун» на твердом топливе, предназначенная для установки залпового огня типа «Катюши») в качестве последующих ступеней. По его расчетам, скорость последней ступени – одна ракета «Локи» – была бы вполне достаточной, чтобы выйти на орбиту вокруг Земли. Основное преимущество этой схемы заключалось в том, что в ней могли быть использованы уже существующие ракеты.

Каждый из участников встречи выступил затем с предложениями по своей специальности, в результате чего было принято предварительное решение считать проект искусственного спутника профессора Зингера весьма полезным, но осуществимым только после того, как будет закончена какая-либо более простая разработка, предусматривающая запуск легкого спутника.

Вслед за этим представители ВМС посетили Редстоунский арсенал, чтобы убедиться в реальности того, о чем говорил Вернер фон Браун. Так на свет появился проект «Орбитер» («Project Orbiter»). А еще через некоторое время по согласованию с начальниками Артиллерийско-технического управления армии и Научно-исследовательского управления ВМС руководителем проекта был назначен капитан 2 ранга Джордж Гувер.

Еще в ходе предварительного обсуждения проекта было принято решение вывести спутник «Орбитер» на орбиту вокруг Земли, осуществив пуск из точки на экваторе с таким расчетом, чтобы плоскость орбиты совпала с плоскостью экватора Земли. Запуск был предварительно назначен на лето 1957 года.

Но к этому времени серьезное развитие получили и другие проекты. 29 июля 1955 года пресс-секретарь Белого дома Джеймс Хэгерти официально объявил о предстоящем запуске спутника по программе ВМС «Авангард». Выбор был сделан, и проект «Орбитер» отодвинули на второй план.

Метаморфозы программы «Vanguard»

Разумеется, в рамках такой серьезной программы, как «Авангард» («Vanguard»), рассматривалось несколько вариантов как самого спутника, так и ракеты-носителя, которая сможет вывести его на орбиту.

Например, со своей версией «Авангарда» выступили Курт Штелинг, сотрудник Морской исследовательской лаборатории, и Раймонд Миссерт из университета штата Айова, Они предложили произвести запуск облегченного искусственного спутника, предварительно поднятого на большую высоту с помощью воздушного шара

Конструктивная схема Штелинга-Миссерта была следующей: первая ступень представляла собой связку из четырех пороховых ускорителей с тягой по 27 тонн каждый и с продолжительностью работы 7–8 секунд; эти ускорители должны были весить вместе около 5400 килограммов при весе полезной нагрузки порядка 680 килограммов – таким образом, воздушному шару пришлось бы поднять всего 6100 килограммов. Начальное ускорение должно было составить 19 g, а высота пуска ракеты – 24 километров. Предполагалось, что к моменту полного выгорания топлива в двигателе первой ступени на высоте около 32 километров скорость ракеты возрастет до 2,377 км/с.

Вторая ступень представляла собой ракету с жидкостным реактивным двигателем общим весом до 560 килограммов. Эта ракета несла в качестве полезной нагрузки аппаратуру управления (22 килограмма) и третью ступень (90 килограммов). Двигатель ракеты должен был работать в течение 80 секунд, обеспечивая тягу 1800 килограммов. Начальная перегрузка в момент отделения первой ступени предположительно составляла лишь 2,6 g. Если бы вторая ступень продолжала двигаться по вертикали, то при выключении двигателя она могла бы набрать высоту в 320 километров и иметь скорость 4,8 км/с. Но при отклонении второй ступени от вертикали и переходе на круговое движение по орбите она могла оказаться в момент выключения двигателя на высоте всего лишь в 240 километров и иметь скорость порядка 5150 м/с.

Третьей ступенью должна была служить пороховая ракета на долгогорящем топливе с тягой 900 килограммов и продолжительностью горения 20 секунд, по истечении которых ракета выходила бы на орбиту на высоте 320 километров, двигаясь со скоростью 8 км/с, то есть на 120 м/с быстрее, чем это необходимо для данной орбиты. Если же траектория подъема оказалась бы другой, то ракета в этот момент достигла бы высоты всего лишь 240 километров, но зато двигалась бы со скоростью 8,13 км/с, которая на 150 м/с превышает необходимую.

Если произвести запуск этой ракеты из точки, расположенной на уровне моря, то двигатель первой ступени следует выключить на высоте 7 километров. Вторая ступень при этом будет иметь конечную скорость 4,1 км/с, а третья ступень поднимется на высоту 240 километров, но ее скорость будет недостаточна для движения по орбите. В качестве воздушного шара предполагалось использовать полиэтиленовый шар «Скайхук» емкостью 85000 м ³.

Примерно через месяц после того, как был предложен запуск ракеты с воздушного шара, несколько авторов предложили заменить воздушный шар реактивным самолетом. Их доводы были простыми, но вескими: несмотря на то что современные реактивные самолеты могут поднять полную трехступенчатую ракету только на высоту около 12 километров вместо необходимой высоты в 21 километр, сопротивление атмосферы будет здесь не очень большим. В то же время реактивный самолет может не только сообщить ракете свою собственную скорость порядка 1000 км/ч (290 м/с), но и осуществить запуск под желаемым углом. Наконец, запуск ракеты с самолета позволяет сократить стоимость эксперимента и сделать его технически более простым.

Несмотря на известные преимущества, которые давал «авиационный запуск», при осуществлении проекта «Авангард» было решено все же придерживаться «классической» схемы старта трехступенчатой ракеты с Земли по вертикальной траектории.

Наибольший прирост скорости за счет вращения Земли может быть получен там, где линейная скорость вращения Земли наибольшая, то есть на экваторе, где она достигает примерно 1600 км/ч. Эта скорость будет еще большей, если стартовую позицию выбрать на вершине горы, расположенной на экваторе; при этом можно будет в значительной мере избежать и сопротивления наиболее плотных слоев атмосферы. Очень подходила бы для этого гора Кения в Восточной Африке, лежащая почти точно на экваторе и имеющая высоту 5194 – метра, если бы не требование, которое заключается в том, что к востоку от места пуска должно находиться море (это дает возможность первой и второй ступеням упасть в воду). В то же время Кению от Индийского океана отделяет большой участок суши протяженностью около 650 километров. Поэтому запуск ракеты со спутником решено было проводить с корабля или с островной базы – например, с острова Джонстона в Тихом океане.

Хотя на таком острове, так же как и в районе Кении, нет достаточной промышленной базы, однако доставка туда ракеты и оборудования морем не вызвала бы особых трудностей. И все же запуск спутника с острова был делом будущего. Первые же запуски предполагалось производить в континентальной части США, неподалеку от развитых промышленных районов. Требование о расположении стартовых позиций на берегу моря заставило руководителей проекта выбрать для запуска базу ВВС Патрик во Флориде.

8 декабря 1956 года с этой базы в соответствии с программой работ по спутнику был произведен первый пробный старт. Запущенная ракета пока еще не была носителем спутника – в этот раз взлетела всего лишь большая ракета «Викинг» № 13, снабженная соответствующими приборами для испытания наземного оборудования. Она поднялась на высоту 200 километров и упала в море на расстоянии 290 километров от базы.

Необходимо отметить, что трехступенчатые ракеты-носители спутника программы «Авангард» резко отличались от обычных ракет. Прежде всего у них не было оперения, так как стабилизация первой ступени осуществлялась по тому же принципу, что и в ракетах «Викинг», то есть посредством отклонения оси двигателя, установленного на карданном подвесе.

Предназначавшаяся для запуска спутника ракета «Авангард» состояла из трех ступеней. В первой ступени ракеты, построенной фирмой «Мартин Эйркрафт Компани» («Martin Aircraft Co.»), был использован двигатель «Х-405» фирмы «Дженерал Электрик», развивающий на уровне моря тягу 8200 килограммов в течение 150 секунд. Подача топлива осуществлялась в нем обычным турбонасосным агрегатом, а в качестве окислителя применялся жидкий кислород. Топливо в ходе разработки несколько раз подвергалось изменениям: сначала было решено использовать бензин с добавкой 5 % спирта; затем было предложено ракетное топливо JP-4, однако разброс характеристик горения и тяги при этом топливе был почти таким же, как и при смеси бензин – спирт. После этого было применено топливо RP-1, которое в конечном счете пришлось заменить тяжелым топливом UMF-1.

Вторая ступень с двигателем была создана фирмой «Аэроджет Дженерал» («Aerojet General»). Окислителем в ней служила азотная кислота, а топливом – несимметричный диметилгидразин. Третья ступень работала на твердом топливе.

Процесс запуска спутника должен был выглядеть следующим образом. После вертикального старта ракета отклоняется в юго-восточном направлении, поэтому полного использования скорости вращения Земли не происходит. Отклонение ракеты от вертикали в конце работы двигателя первой ступени составит угол в 45°. В момент выключения двигателя ракета будет находиться на высоте 58 километров и на несколько меньшем расстоянии по горизонтали от места старта.

^{Схема запуска спутника с помощью ракеты «Vanguard» (двигатель первой ступени прекращает работу в точке А)}

Сразу после отделения первой ступени начинает работать двигатель второй ступени, при этом угол наклона траектории к горизонту непрерывно уменьшается. Все приборы управления находятся во второй ступени ракеты. В головной части третьей ступени под защитой обтекаемого конуса устанавливается сам искусственный спутник. С началом работы двигателя второй ступени ракета поднимается на такую высоту, что всякая необходимость в обтекаемом конусе отпадает и он становится бесполезным грузом. Поэтому вскоре после начала работы двигателя второй ступени носовой конус сбрасывается.

Окончание работы двигателя второй ступени совпадает с подъемом ракеты на высоту порядка 225 километров. Далее вторая ступень по инерции поднимается, в зависимости от угла наклона, до высоты 320–480 километров. Эта высота достигается ракетой через 10 минут после старта на удалении 1130 километров от места пуска, после чего вторая ступень отделяется и падает в океан, пролетев в общей сложности по горизонтали около 2250 километров.

В течение некоторого времени после выключения двигателя второй ступени вторая и третья ступени продолжают по инерции набирать высоту, оставаясь соединенными друг с другом. В какой-то определенной точке пассивного подъема ракета начинает вращаться, обеспечивая тем самым стабилизацию третьей ступени. Как только ракета достигает максимальной высоты и выходит на участок траектории, параллельный поверхности Земли, включается двигатель третьей ступени, а вторая ступень отделяется от нее.

После этого третья ступень, двигаясь по касательной к поверхности Земли, вылетает за пределы земной атмосферы. Во время пассивного подъема второй и третьей ступеней, естественно, теряется часть скорости, поэтому третья ступень начинает активный полет со скоростью, составляющей примерно половину орбитальной скорости, то есть не более 3,2 км/с. Когда в двигателе третьей ступени выгорает все топливо, она развивает скорость, необходимую для движения по орбите; в этот момент спутник и должен быть отделен от третьей ступени. Механизм, разработанный для этой цели, представляет собой сжатую пружину, которая отпускается по сигналу инерционного отметчика времени, рассчитанного на период работы двигателя третьей ступени. Растягиваясь, эта пружина выталкивает сферический спутник из ракеты-носителя. Это отделение происходит со скоростью всего лишь 0,9 м/с относительно ракеты-носителя, поэтому, окончательно отделившись от спутника, третья ступень (ракета-носитель) также продолжает движение по орбите, становясь вторым спутником Земли.

^{Искусственный спутник «Vanguard-1»: 1 – антенны, 2 – солнечные батареи, 3 – передатчик с электропитанием от солнечных батарей, 4 – химические батареи, 5 – передатчик с электропитанием от химических батарей}

Интересно, что специалисты, работавшие над программой «Авангард», предлагали при одном пуске получить не два, а сразу три спутника! Это могло быть сделано за счет установки в ракете-носителе так называемого «подспутника», представляющего собой сложенный пластмассовый воздушный шар, покрытый алюминиевой фольгой и имеющий диаметр основного спутника (50 сантиметров). В этом воздушном шаре предполагалось установить небольшой газовый капсюль, который наполнил бы шар после его отделения от ракеты-носителя.

Орбита искусственного спутника Земли должна быть эллиптической. Самой низкой точкой ее (перигей) будет то место, где произойдет выгорание топлива в двигателе третьей ступени. Так как высота перигея и высота при полном выгорании топлива одинаковы, определить расстояние до перигея довольно легко. Самая высокая точка орбиты (апогей) расположена в прямо противоположном направлении от перигея. По предварительным расчетам по проекту «Авангард», высота спутника в апогее должна была составить 1300 километров, но в дальнейшем эта цифра была увеличена до 2000 километров.

^{Ракета-носитель «Vanguard» на стартовой позиции 6 декабря 1957 года}

Сам спутник также претерпел изменения в ходе работ над проектом. Первоначально планировалось, что спутник «Авангард» будет весить около 9 килограммов. Такой спутник уже можно было оборудовать некоторыми измерительными приборами. Имея на борту небольшой источник питания и фотокамеру, спутник мог бы передавать цветные изображения на Землю.

Однако запуск первого советского спутника, состоявшийся 4 октября 1957 года, смешал все карты. В конечном виде спутник «Авангард-1» («Vanguard-1») весил всего 1,36 килограмма и имел на борту только два примитивных передатчика, передающих сигналы на частотах 108 и 108,03 МГц. Первый получал питание от аккумуляторной химической батареи мощностью 10 мВт, второй – от шести солнечных батарей суммарной мощностью 5 мВт, установленных на внешней поверхности спутника.

Спутник «Explorer-1»

Надо отдать должное президенту Эйзенхауэру, он довольно быстро справился с тем страхом и изумлением, которые испытали американцы, осознав свое отставание в самом амбициозном проекте столетия. Если же учесть, что президент как бывший военный мог оценить всю глубину этого отставания, элементарно сравнив 9 килограммов полезной нагрузки «Авангарда» с 84 килограммами «Спутника-1», то самообладание Эйзенхауэра можно ставить в пример всем другим политикам. Уже 9 октября (в день, когда «Правда» наконец опубликовала полную информацию о спутнике) он выступил на пресс-конференции в Белом доме с поздравлениями в адрес советских ученых. В своей речи президент вкратце рассказал о том, что делается по проекту «Авангард», и обещал, что первый американский спутник будет выведен на орбиту еще до истечения года.

11 октября в Белом доме разрабатывается документ, предлагающий самые энергичные шаги для ускорения всех ракетно-космических программ. 14 октября Эйзенхауэр проводит многочасовую беседу с министром обороны Нейлом Макэлроем; в ходе этой беседы обсуждались космические проекты, развитие которых позволило бы в кратчайшие сроки устранить отставание США в космической «гонке».

Тут следует сказать, что на следующий день после того, как стало известно о запуске советского спутника, Вернер фон Браун обратился к министру обороны с предложением о возрождении проекта «Орбитер» на новом технологическом уровне. При этом «ракетный барон» утверждал, что его спутник выйдет на орбиту уже через 60 дней!

Но тут, видимо, взыграла национальная гордость. Предложение фон Брауна снова отклонили, сосредоточив усилия на доведении до логического конца программы «Авангард». Тем более что представители флота бодро рапортовали о своей готовности в скором времени осуществить исторический старт.

И действительно 23 октября 1957 года (через 19 дней после «космического Перл-Харбора») состоялся пробный суборбитальный запуск прототипа системы «Авангард», которой было присвоено обозначение «TV-2» (сокращение от «Test Vehicle» – «Модель-лаборатория»). Во время этих испытаний отрабатывалась первая (стартовая) ступень ракеты-носителя, поэтому вместо второй и третьей ступени были установлены макеты. Запуск был признан успешным. Ракета «Авангард» сумела достигнуть высоты 175 километров и скорости 1,9 км/с.

Орбитальный запуск назначили на 2 декабря (через 29 дней после «космического Перл-Харбора»), но из-за технических неполадок он несколько раз откладывался. И вот наконец 6 декабря (через 33 дня после «космического Перл-Харбора») в присутствии более чем двухсот корреспондентов с космодрома мыса Канаверал стартовала ракета «Авангард-1» (вся система имела обозначение «TV-3»).

Гарри Ризнер от «Си-Би-Эс» вел с мыса эмоциональную радиопередачу.

«Это просто прекрасно! – вещал он аудитории, пораженный скоростью «Авангарда». – Все произошло так быстро, что я не увидел момент отлета».

Он и не мог ничего увидеть. «Авангард» никуда не улетел… Высота подъема не превысила метра, когда ракета завалилась на бок и с чудовищным грохотом взорвалась.

^{Первый американский искусственный спутник Земли «Explorer-1»}

Весть о катастрофе (и новом поражении Америки) разнеслась по миру почти мгновенно. Карикатуристы изощрялись в изображении «Капутника», «Пфутника» и «Флопника» – каких только прозвищ не придумывали злосчастному «Авангарду». Намеки на диверсию «агентов Москвы», которые позволили себе высказать некоторые из высших офицеров ВМС, выглядели просто смешно. Сенатор Линдон Джонсон назвал программу «Авангард» «дешевой авантюрой, которая закончилась одной из наиболее разрекламированных и унизительных неудач в истории Соединенных Штатов».

Теперь уже было не до национальной гордости – глаза администрации с надеждой обратились к Редстоунскому арсеналу и «бывшему нацисту» Вернеру фон Брауну.

Еще 8 ноября, через пять дней после выхода на орбиту второго советского спутника с собакой Лайкой на борту (вес полезной нагрузки составил уже 508 килограммов!), министр обороны Макэлрой распорядился подготовить подробное техническое описание нового проекта запуска искусственного спутника с использованием ракет «Юпитер-Си».

Теперь схема запуска по Вернеру фон Брауну выглядела так. Вся ракета-носитель состояла из четырех ступеней, только первая из которых «Редстоун» была с жидкостным двигателем; вторая ступень состояла из связки 11 твердотопливных ракет «Сержант»; третья – из связки 3 ракет «Сержант»; четвертая – из одной ракеты «Сержант» с неотделяемым блоком полезной нагрузки, которая и должна была стать искусственным спутником Земли под названием «Эксплорер-1» («Ехр1огег-1»). Общий вес ракеты-носителя составлял 29 тонн, общая длина – 23 метра, диаметр – 1,8 метра, вес спутника – 13,97 килограмма.

^{Американские ракетчики торжествуют (модель спутника <}

Блок аппаратуры был установлен в носовом отсеке ракеты «Сержант» и весил всего 4,82 килограмма. В комплект научной аппаратуры спутника «Эксплорер-1» входил счетчик Гейгера-Мюллера для исследования космических лучей, особая сетка и микрофон для регистрации микрометеоритов и датчики температуры. Данные с приборов поступали непрерывно через четыре гибкие штыревые антенны, установленные симметрично. Питание осуществлялось ртутными батареями.

Замысел «ракетного барона» удался. 1 февраля 1958 года (через 119 дней после «космического Перл-Харбора») «Эксплорер-1» был выведен на орбиту, составлявшую в перигее 347 километров, а в апогее – 1859 километров.

В ходе полета спутника был проведен эксперимент, разработанный в Лаборатории реактивного движения под руководством доктора Джеймса Ван Аллена и подтвердивший гипотезу о существовании радиационных поясов вокруг Земли.

Спутник «Авангард-1» удалось запустить в космос только 17 марта 1958 года.