В нашей статье мы попытаемся, используя «магическое стекло», заглянуть на шесть десятилетий назад и воссоздать обстоятельства, при которых родился новый класс устройств, которые в наши дни превратились в очень интересную категорию массовых, «доступных и понятных» спутников, часто предназначенных для того, чтобы широкий круг людей смог своими руками «пощупать» космос.
⇡#Часть I. Родословная наноспутников: древнейшие времена
Термин «наноспутник» стал в наши дни настолько популярен, что им, кажется, пытаются обозначить уже любой космический аппарат малых массогабаритных характеристик. Но к последним относится всё, что активно работает в космосе и весит менее 1000 кг, при этом собственно наноспутники (массой от 1 до 10 кг) отнюдь не самые маленькие представители этого семейства. Легче их совсем малюсенькие, класса «фемто» (до 0,1 кг) и «пико» (от 0,1 до 1 кг), а тяжелее – «микро» (от 10 до 100 кг), «мини» (от 100 до 500 кг) и, наконец, «малые» космические аппараты, почти неотличимые от «больших» спутников.
Наноспутники делят малые космические аппараты на две группы по возможности коммерческого применения: всё, что меньше, по большей части непригодно для практического использования (это скорее игрушки или «летающие учебные пособия»), а всё, что крупнее, напротив, находит всё более широкое применение в прикладном, научном и оборонном космосе. Однако по мере развития технологий наноспутники имеют все шансы занять свою нишу на космическом рынке.
Предпосылки появления современных наноспутников имеют техническую и экономическую основу. Стремительная миниатюризация электронных компонентов, а также развитие микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволили резко снизить массу космических аппаратов, одновременно обеспечив им вполне достойную функциональность. Уже сейчас считается возможным создать спутник дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с оптоэлектронной системой получения изображений метрового разрешения, обладающий массой всего около 20 кг.
Эксперты оценивают возможность создания полноценного спутника ДЗЗ с разрешением оптики порядка 1 м при массе 20-25 кг. На фото – «Аврора» российской компании «СПУТНИКС »
Уменьшение размеров и массы снижает не столько собственную стоимость спутников, сколько затраты на запуск: малые и сверхмалые аппараты можно отправлять в космос «пачками» в кластерных запусках либо на ракетах гораздо меньшей грузоподъемности, чем раньше. Считается, что небольшой спутник можно изготовить гораздо быстрее – не за многие годы, а за месяцы. Для военных это открывает перспективы «запуска по вызову», повышая оперативность получения разведданных или открытия нового канала связи. Ещё большие перспективы может открыть применение «роя» наноспутников – орбитальных группировок, в которых функции распределены между группами аппаратов: одни отвечают за выработку электроэнергии и передачу её остальным членам «роя», другие – за связь, третьи – за выполнение основной задачи. Живучесть такой группировки будет чрезвычайно высока: выход из строя одного или даже нескольких аппаратов практически не скажется на качестве функционирования «роя».
Бурное развитие наноспутников началось с внедрения стандарта «кубсат» (CubeSat), разработанного в 1999 году Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами. Стандартный кубический модуль со стороной 10 см и массой около 1 кг стал «кирпичиком», из которого можно собирать простейшие (и не очень) спутники разнообразного назначения. Однако появление «кубсатов» знаменует собой не рождение, а ренессанс космических аппаратов этого класса. Ведь они – ровесники космической эры: первые национальные искусственные спутники всех стран являлись малыми, а уж самые первые американские Explorer и Vanguard можно смело отнести к наноспутникам. Причины здесь были всё те же – экономические и технические. Но если характеристики современной космической техники являются следствием развития технологий, то самые первые спутники несли, прежде всего, печать скромных возможностей первых ракет-носителей.
Размеры первых спутников определялись не желанием снизить расходы на запуск, а скромными возможностями средств выведения начала космической эры
⇡#Истоки, прототипы и президент Эйзенхауэр
Соединённые Штаты начали исследовать проблемы искусственных спутников Земли сразу после окончания Второй мировой войны – в докладе, подготовленном в мае 1946 года, сотрудники компании Douglas Aircraft, нанятые по специальному правительственному контракту, рассмотрели как технические, так и (что интереснее) политические аспекты проблемы. Отчёт утверждал буквально следующее: «Страна, которая первой достигнет значительных успехов в области космических полётов, будет признана в качестве мирового лидера в военной и научной областях». Заметим: в Советском Союзе в те годы подобная проблематика исследовалась лишь энтузиастами (например, из группы М. К. Тихонравова в НИИ-4 Министерства обороны), да и то обычно без оценки политического влияния на общество.
Однако к непосредственному решению задачи американцы приступили лишь тогда, когда ракетная техника достигла уровня, позволяющего осуществлять орбитальные пуски. 34-й президент США Дуайт Эйзенхауэр (Dwight David Eisenhower) в июле 1955-го официально заявил, что в период с 1 июля 1957-го по 31 декабря 1958-го в рамках программы Международного геофизического года (МГГ), когда 67 стран на всём земном шаре будут проводить геофизические наблюдения и исследования по единой программе и методике, Америка намерена запустить искусственный спутник Земли. Чуть позже подобное заявление сделал и Советский Союз, но на него мало кто обратил внимание. Здесь стоит отметить удивительное равнодушие, ставшее одной из причин, по которым в начале космической эры американцы утратили первенство: советские заявления делались не кулуарно, в частных беседах, а вполне официально учёными, в том числе в прессе (например, в шестом номере журнала «Радио» за 1957 год публиковались радиочастоты и вид сигналов будущего спутника).
Президент Эйзенхауэр (на фото вручает награду Нильсу Бору) официально объявил о предстоящем запуске первого американского спутника в рамках МГГ
Следует указать, что интерес к данной тематике проявляли военные – ВМС, ВВС и даже сухопутные войска (Армия) США – каждый род войск имел свою ракетно-космическую программу (в частности, армейцы продвигали проект бывшего немецкого, а теперь видного американского ракетчика Вернера фон Брауна (Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun), который предлагал создать космический носитель на основе баллистической ракеты Redstone), и генералы требовали допуска к активному участию в МГГ. Но Эйзенхауэр эти соображения отверг: по его мнению, американский спутник, официально подготавливаемый к запуску, «должен использоваться исключительно для научных целей, а его существование не определяется агрессивностью намерений».
На деле же красивые слова прикрывали находящуюся в стадии реализации секретную программу WS-117, которая была направлена на создание спутника-шпиона, запускаемого с помощью мощного носителя на базе баллистической ракеты Thor. Белый дом, обеспокоенный возможной острой реакцией русских на военные аппараты, пересекающие пространство над Советским Союзом, предполагал сначала вывести на орбиту чисто «гражданский» и «научный» спутник с тем, чтобы советскому военно-политическому руководству нечего было возразить (ведь подобные запуски официально заявлялись в программе МГГ), установив, таким образом, прецедент «открытого космоса» (превалирование космического пространства над государственными границами).
Кроме того, советники Эйзенхауэра считали, что разработчиков американских дальних ракет нельзя отвлекать на эфемерные гражданские проекты, поскольку выгоды, полученные военными от невоенной космической программы, не оправдают потребных затрат. Первые баллистические ракеты были в дефиците, и Администрация не желала растрачивать их на такие «мелочи», как мирный космос…
Эйзенхауэр запретил военным участвовать в подготовке запуска первого спутника. Впрочем, запрет продержался недолго. На фото – участок сборки баллистических ракет Redstone
Как бы то ни было, но 26 мая 1955 года Совет национальной безопасности (US National Security Council) принял решение №1408, одобряющее национальную космическую программу (при условии, что она не будет мешать созданию боевых баллистических ракет) и рекомендующее Соединённым Штатам «запустить малый научный спутник под международным покровительством МГГ, подчеркивающим его мирное назначение...».
Однако к лету 1955 года «невоенных» ракет с необходимыми характеристиками в США не было, и Комитет по специальным средствам Минобороны (US DOD Committee on Special Capabilities) вынужден был рассматривать… военные предложения по запуску гражданского спутника. В августе приоритет отдали проекту, восходящему к работам Военно-морской исследовательской лаборатории NRL (Naval Research Laboratory) по оценке возможности использования высотных ракет Viking и Aerobee для испытаний баллистических боеголовок при входе в атмосферу.
Фирма Glenn L. Martin (ныне – Lockheed Martin) построила одноступенчатый Viking для NRL в качестве замены более дорогой германской ракеты А-4 при изучении верхних слоёв атмосферы и ближнего космического пространства. Изделие имело продвинутую конструкцию: качающийся в кардане двигатель для управления вектором тяги, несущие топливные баки (сначала – один, а потом оба) из алюминиевого сплава, отделяемую головную часть и газовые сопла для стабилизации аппарата в пассивном полёте. С 3 мая 1949 года по 4 февраля 1955 года с переменным успехомпроведено 12 попыток пусков ракет данного типа. 24 мая 1954 года Viking 11 достиг высоты 158 миль (254 км), поставив рекорд для одноступенчатой ракеты, запущенной на Западе.
Ракета Viking строилась как недорогая замена А-4 (на цветном фото немецкое изделие стоит позади американского аналога)
Фирма Aerojet Engineering (в настоящее время – корпорация Aerojet Rocketdyne) спроектировала лёгкую двухступенчатую Aerobee по контракту, полученному от ВМФ, и при техническом руководстве Лаборатории прикладной физики APL (Applied Physics Laboratory) университета Джонса Хопкинса. Различные варианты ракеты широко эксплуатировались с 1947 по 1985 год.
Секретный отчёт «Изучение научного спутника» (A Scientific Satellite Study), который NRL выпустила совместно с фирмой Glenn L. Martin, показывал, что соединение этих двух изделий с новой третьей ступенью вполне позволяло довести скорость входа экспериментальной боеголовки в атмосферу до 8 км/с или… запустить на орбиту небольшой спутник.
Комитет по специальным средствам выбрал проект NRL, поскольку та обещала сделать следующее:
Основой проекта, утверждённого 9 сентября 1955 года, стала специально разработанная ракета-носитель, способная вывести аппарат массой порядка 22 фунтов (до 9,8 кг) на орбиту с перигеем 483 км (300 миль). Первую попытку орбитального запуска предполагали осуществить в мае 1957 года. Конкурирующий армейский проект Orbiter, подготовленный командой Вернера фон Брауна, на тот момент отвергли.
К марту 1956 года утряслись не только основные технические параметры проекта, но и структура менеджмента: стало понятно, что ни одно из существующих подразделений NRL такую масштабную задачу решить не способно. В итоге лаборатории пришлось сформировать специальную группу во главе с Джоном Хагеном (John P. Hagen); техническим директором проекта выбрали Милтона Розена (Milton Rosen) из фирмы Martin, ранее работавшего в проекте Viking. Название Vanguard («Авангард»), придуманное супругой Розена Джозефиной, официально приняли 16 сентября 1956 года.
Джон Хаген демонстрирует макеты аппаратов, ракеты-носителя и траекторию движения будущих спутников. На карте обозначены станции слежения
Ключевым элементом всего проекта была ракета-носитель – без неё спутник не мог оказаться на орбите. Исходя из установок администрации Эйзенхауэра на минимальные затраты, она должна была иметь минимальные размеры, определяемые, прежде всего, возможностями привлекаемой матчасти.
В самом начале NRL рассматривала два варианта носителя: М10 на основе усовершенствованной ракеты Viking, дополненной двумя вновь разработанными пороховыми верхними ступенями, и М15, который содержал некоторые элементы первого варианта, но наращивался двухступенчатой ракетой Aerobee, которая к тому времени находилась в разработке. М15, казавшийся менее рискованным и более гибким, взяли за основу носителя Vanguard.
Высотная ракета Aerobee должна была образовать верхние ступени носителя
Первые прикидки показали, что при стартовой массе порядка 9-11 т (20-25 тысяч фунтов) трёхступенчатый «минимальный носитель» на базе указанных выше изделий способен вывести на орбиту минимальный спутник... массу которого без оптимизации конструкции ракеты определить было трудно.
Здесь вновь следует вспомнить, что первые американские межконтинентальные баллистические ракеты Atlas и Titan имели стартовую массу порядка 100 т и для декларированных Эйзенхауэром задач (как для легендирующих, так и для реально решаемых на первых порах) казались избыточно мощными и очень дорогими, вследствие чего проектирование специального небольшого носителя выглядело вполне разумным. Но именно это решение сразу же замедлило разработку, поскольку основные силы ракетчиков были брошены именно на боевую тематику.
Изначально Розен планировал привлечь к проекту Vanguard весь костяк программы Viking. Первую американскую высотную ракету создали и отработали за пять лет при общих расходах $ 6 млн, однако к тому времени группу её проектантов в компании Glenn L. Martin расформировали и большинство специалистов направили в другие программы, например на проект Titan для ВВС. Поскольку разработка «минимального носителя» не должна была воздействовать на военные ракетные программы, NRL пришлось полагаться на собственный опыт и остатки группы на фирме Glenn L. Martin.
Препарированная ракета Viking в планетарии
Что же представлял собой первый в мире «наноноситель»? Это была трёхступенчатая ракета высотой 22,8 м (75 футов), максимальным диаметром 1,14 м (3,74 фута) и стартовой массой около 10 т (22 тысячи фунтов), скомпонованная по последовательной – тандемной – схеме.
Первая ступень – модифицированный Viking с удлинёнными баками. Упоминавшийся выше секретный отчёт NRL рекомендовал в космическом носителе заменить штатный кислородно-спиртовой мотор с турбонасосной подачей компонентов топлива более мощным и экономичным кислородно-керосиновым, что и было реализовано: для «Авангард» двигатель X-405 сделала фирма General Electric.
Фирма General Electric заменила штатный двигатель ракеты Viking (слева) новым, более мощным и экономичным
Вторую ступень разрабатывали заново, поскольку первоначально планировавшаяся ракета Aerobee Hi оказалась слишком слабой. Ступень оснастили двигателем, работающим на долгохранимом топливе с вытеснительной подачей компонентов – белой дымящей азотной кислоты (окислитель) и несимметричного диметилгидразина (горючее, известное отечественным ракетчикам под загадочным и страшным для обывателей обозначением «гептил»).
Твердотопливную третью ступень спроектировали специально. Первоначально разработчики пытались заказать «пороховик» у Thiokol Chemical, но фирма не смогла соблюсти требования, поставленные проектантами. Пришлось искать новых подрядчиков. В итоге выбрали изделия Grand Central Rocket (GCR) и Аллеганской баллистической лаборатории ABL (Allegheny Ballistic Laboratory), которая являлась филиалом фирмы Hercules Powder. В декабре 1955 года было решено: двигатель сделает компания GCR, а ABL подстрахует.
Программа Vanguard предусматривала использование двух вариантов твердотопливного двигателя третьей ступени
Несмотря на то, что для носителя выбирались наиболее простые решения, большое внимание уделялось «культуре веса»: принятая размерность ракеты и не слишком высокое совершенство двигателей не позволяли конструкторам никаких вольностей – лишний десяток фунтов легко мог стоить успеха миссии. Приходилось идти на хитрости «на грани фола», чтобы уложиться в жёсткие лимиты. Например, сэкономить 32 кг (71 фунт) массы второй ступени удалось путём изменения теплового режима сферического баллона для вытеснительного газа. Ещё 27,2 кг (60 фунтов) дала замена алюминием стали и никелевого сплава в конструкции двигателя той же ступени. Но последняя экономия была достигнута ценой огромных проблем изготовления и пайки трубок («соломинок»), из которых собиралась камера, и резкого сокращения времени работы из-за возможности перегрева.
Vanguard оснащался довольно сложной инерциальной системой управления ракетой на участке работы первых двух ступеней. Третья ступень стабилизировалась вращением. Точность выведения при такой схеме не слишком высока, зато не надо тащить на орбиту тяжёлую систему управления.
Система управления ракетой-носителем устанавливалась на второй ступени; третья ступень была неуправляемой и перед включением стабилизировалась закруткой
Для пусков космического носителя предполагалось использовать часть стартового комплекса ракеты Thor, строящегося с 1954 года на территории, принадлежащей авиабазе Патрик и расположенной на атлантическом побережье штата Флорида, к востоку от острова Меррит, на мысе Канаверал. Поскольку до пусков основного изделия оставалось ещё несколько лет, было решено на базе одной из двух пусковых площадок организовать старт, причём мобильную башню обслуживания не строили заново, а перевезли с полигона Уайт-Сэндз в Нью-Мексико, где та служила для подготовки ракет Viking. «Чердак» башни переделали для доступа к верхним ступеням и полезной нагрузке носителя Vanguard.
В 1955 году корпорация Bendix получила контракт на создание системы мониторинга пусков баллистических ракет, которая могла служить для определения параметров орбиты спутника. Довольствуясь маломощными лёгкими маяками и ответчиками, установленными на ракете или спутнике, система Minitrack (Minimum Weight Tracking System) работала на частоте 108 МГц, позволяя отследить объект на максимальной дальности до 2400 км (1500 миль) и засечь его координаты и параметры движения. Наземную часть системы представляли антенные поля для радиоизмерений разностно-дальномерным способом.
Центральным узлом системы должны были стать передатчики системы Minitrack для определения параметров орбиты спутника
Первая станция Minitrack была построена в Блоссом-Пойнт в штате Мэриленд и введена в эксплуатацию в июле 1956 года. Для выполнения измерений орбиты спутника требовалось несколько приёмников. К ноябрю 1957 года сеть уже включала десять станций, к которым постоянно добавлялись другие. Была также развёрнута сеть пунктов оптического наблюдения и приёмников телеметрической и научной информации.
Параллельно велось проектирование космического аппарата. Его облик в значительной степени определила Техническая комиссия по спутнику (Technical Panel of the Earth Satellite Program) при Комитете по МГГ в Национальной академии наук США, возглавляемая известным инженером Ричардом Портером (Richard W. Porter). Комиссия отвергла первое предложение сделать спутник коническим и рекомендовала выполнить его в форме полированной сферы диаметром 76 см (30 дюймов) для исследования плотности верхней атмосферы. Позднее было решено уменьшить диаметр сферы до 51 см (20 дюймов).
Демонстрационная модель спутника Vanguard диаметром 20 дюймов
Проектанты предложили реализовать широкую программу научных исследований в космосе, используя «стандартизированный» корпус спутника с алюминиевой оболочкой толщиной 0,5 мм. Для соблюдения теплового режима работы электронной «начинки» сфера была покрыта тонкой плёнкой полированной окиси алюминия снаружи и позолочена изнутри. Следует помнить, что ни одна разработка той поры в авиации и ракетной технике не ставила столь противоречивых требований с точки зрения прочности, долговечности работы в условиях вакуума и термоциклирования, технологичности, надёжности и малой массы.
Блок радиоэлектроники и приборов был установлен в центре сферы и представлял собой цилиндр, подвешенный на каркасе из металлических трубочек «паутинной» толщины внутри герметичного корпуса спутника, заполненного инертным газом (азотом). Каркас изолировался от внешней оболочки с помощью тефлоновых прокладок – «термомостов».
Компоновка «стандартного» спутника Vanguard
В нижней части цилиндра размещалась батарея ртутных гальванических элементов, позволяющая снабжать приборы спутника электроэнергией в течение нескольких недель. Выше располагалась стопка круглых печатных плат (одно- и двухсторонний навесной монтаж, кремниевые и германиевые транзисторы, близкие по конфигурации к деталям потребительского сегмента электроники) системы терморегулирования, слежения (Minitrack), телеметрической аппаратуры и экспериментальных приборов.
Под цилиндром располагался узел разделения – подпружиненная трубка с таймером, отталкивающая спутник от отработанной третьей ступени ракеты после достижения орбиты. В верхней части сферы стоял манометр, снаружи на шарнирах торчали вверх четыре подпружиненных металлических стержня длиной по 76 см (30 дюймов). После выхода на орбиту они поворачивались на 90 градусов в радиальном направлении, образуя турникетную антенну из четырёх диполей.
Радиосвязь была представлена телеметрическим передатчиком мощностью 1 Вт, работающим на частоте 108,03 МГц, включаемым по сигналу от наземной станции, и маяком мощностью 10 мВт, работающим на частоте 108 МГц, который посылал непрерывный сигнал для отслеживания системы Minitrack. Командный приёмник использовался для включения бортового магнитофона 50-минутной ёмкости, который ретранслировал данные экспериментального оборудования через телеметрический передатчик.
Печатные платы с передатчиком системы Minitrack
Из-за ограниченной (до 10 кг – 22 фунтов) массы спутника внутри контейнера можно было разместить не более 1 кг научных приборов, датчики которых выносились на внешнюю оболочку. Этот лимит строго ограничивал виды выполняемых экспериментов.
Научные результаты программы пусков ракеты Viking (на них выросло отделение оптико-электроники лаборатории NRL) позволили учёным предложить для программы Vanguard микроминиатюрные (для своего времени) ионные камеры и счётчики фотонов для измерения излучения от Солнца в рентгеновских и ультрафиолетовых диапазонах, а также блок предварительного расчёта угла сопровождения для системы Minitrack для непрерывного слежения за малыми «кооперирующимися» (отвечающими на радиосигналы) объектами в космосе. В конечном итоге для запуска в рамках программы Vanguard были отобраны пять комплектов («пакетов») научных приборов.
Внутреннее устройство и размещение приборов понятно из демонстрационной модели «стандартного» спутника Vanguard
«Пакет I» нёс Лайман-альфа-детектор для измерения солнечного излучения в диапазоне от 110 до 130 нм от ультрафиолетовой области спектра и датчики изучения внешней среды – термисторы для измерения температуры оболочки спутника и окружающего пространства, а также датчики давления (упомянутый выше манометр), чтобы определить, способен ли микрометеорит пробить наружную оболочку. В качестве резерва в «Пакете Ia» были детекторы измерения рентгеновского излучения Солнца в диапазоне от 0,1 до 0,8 нм в дополнение к датчикам состояния окружающей среды.
«Пакет II» включал аппаратуру для получения первых в мире (хотя и довольно грубых) изображений облачного покрова Земли: картинка образовывалась при сканировании пространства фотоэлементами вращающегося (закрученного) спутника в сочетании с его движением по орбите.
«Пакет IV» использовал детекторы для измерения инфракрасного излучения от поверхности Земли и атмосферы в целях определения радиационного баланса планеты – ключевой информации, необходимой для изучения погоды и климата.
«Пакет III» предназначался для «нестандартного» спутника Vanguard. Основная сфера аппарата выполнялась из диэлектрического стекловолокна и имела уменьшенный до 33 см диаметр. Снаружи на непроводящей подставке крепился магнитометр, вынесенный подальше от приборного контейнера для выполнения точных измерений магнитного поля Земли. Снаружи в основание сферы укладывалась дополнительная полезная нагрузка – надувной шар диаметром 76 см из пластиковой плёнки, покрытой слоем алюминия и надуваемой уже на орбите. Следя за блестящим шаром с помощью оптики, можно было точнее определить плотность верхних слоёв атмосферы.
Для проверки способности выдерживать высокие температуры от воздействия прямого солнечного света в космосе, испытатели подвергали 30-дюймовый «субспутник» нагреву до 230 °С. Оказалось, что майларовая плёнка с алюминиевым покрытием способна эффективно отражать опасное тепло
Столь тщательное перечисление «начинки» будущих «Авангардов» необходимо для того, чтобы вспомнить – ни бытовая, ни военная электроника второй половины 1950-х не отличалась особой компактностью даже в Америке…
⇡#Часть II. Старты, провалы и успехи
К концу 1956 года большинство компонентов проекта были готовы к началу лётно-конструкторских испытаний, которые предполагалось проводить на тестовых носителях TV (Test Vehicle). Установка датчиков и дополнительного телеметрического оборудования резко (существенно ниже расчётных значений) снижало грузоподъёмность ракеты по сравнению со «стандартной» серией SLV (Standard Launch Vehicle).
Можно было довольствоваться суборбитальными пусками, но разработчики хотели большего, и в июле 1957 года решили использовать в качестве полезной нагрузки «экспериментальную сферу» – миниатюрный аппаратик массой всего 1,37 кг (3 фунта) и диаметром 16,2 см (6,4 дюйма). Для подтверждения факта достижения орбиты первый «микроспутник» оснащался двумя передатчиками – мощностью 10 мВт (работал на частоте 108 МГц с питанием от ртутной батареи) и 5 мВт (передавал сигнал на частоте 108,03 МГц и питался от шести солнечных элементов, установленных на корпусе). Из поверхности сферы торчали шесть коротких антенн. Передатчики предполагалось использовать не только для решения инженерных задач и слежения за спутниками, но и для определения содержания электронов на орбите. Два термистора позволяли измерять внутреннюю температуру в течение шестнадцати дней, чтобы контролировать эффективность системы терморегулирования.
Внешний вид и устройство «экспериментальной сферы» — минимального спутника Vanguard: 1 – антенны (6 штук); 2 – блоки солнечных батарей (6 штук); 3 – передатчик, работающий от солнечных батарей; 4 – химические источники тока (гальванические элементы); 5 – передатчик, работающий от химических источников тока
Первый пуск в рамках программы лётно-конструкторских испытаний состоялся 8 декабря 1956 года с использованием ракеты Viking 13, оставшейся от первоначальной программы. Он получил обозначение TV-0. Цель пуска – проверка системы слежения и телеметрии на мысе Канаверал – была успешно достигнута.
Следующее испытание состоялось 1 мая 1957 года. В миссии, обозначенной TV-1, полетела ракета Viking 14. Целью теста была проверка третьей ступени, построенной фирмой GCR, а также приспособления для закрутки и других систем. Была достигнута максимальная высота 193 км и дальность 724 км. Правда, не обошлось и без досадных сбоев: когда последовал сигнал на включение «пороховика», передача телеметрии прекратилась. По мнению участников испытаний, газовая струя повредила антенные устройства или передатчики ракеты. Но в целом тест оценили как успешный.
Подготовка к пуску экспериментального изделия TV-1 – ракеты Viking 14 – для проверки твердотопливной третьей ступени
Последующие испытания проводились уже совсем в иной политической обстановке – в условиях внезапно вспыхнувшей «космической гонки». 4 октября 1957 года состоялся запуск советского ПС-1, который стал первым в мире искусственным спутником Земли, произведя эффект разорвавшейся бомбы. Запад (и особенно Соединённые Штаты) осознал, что русские располагают мощным и неуязвимым средством доставки ядерных боеголовок на межконтинентальную дальность. Можно сколько угодно спорить о том, как относился президент Эйзенхауэр к «космической гонке» (опубликованные несколько лет назад документы ЦРУ показывают, что он был прекрасно осведомлён о работах в области советской ракетной техники и спутников), но и он не мог отрицать (хотя и пытался) тот факт, что с этим запуском Советский Союз превратился в одну из ведущих высокоразвитых держав, опережая по ряду направлений лидера западного мира – Америку.
4 октября 1957 года во время международной встречи по случаю открытия МГГ в Вашингтоне председательствующего на церемонии отозвали в сторону и сообщили, что русские успешно запустили спутник весом 83,6 кг и он уже находится на орбите, а его радиосигналы принимаются наземными следящими станциями. Драматизма добавило то обстоятельство, что тогда же министр обороны США Нейл МакЭлрой (Neil Hosler McElroy) находился в Хантсвилле, штат Алабама, где фон Браун в очередной раз пытался просить разрешить его команде приступить к запускам спутника с помощью собственного носителя Jupiter-C на базе ракеты Redstone.
Вернер фон Браун многократно пытался убедить военное руководство отдать программу запуска спутника в его руки
Ответ на «пощёчину Советов» должен был последовать как можно быстрее. 9 октября – через пять дней после триумфа ПС-1 – в атмосфере развернувшейся «космической гонки» было принято решение публично объявить о том, что первый же пуск «полностью укомплектованного» носителя Vanguard станет ответом на вызов «Спутника».
Однако пока на мысе Канаверал были лишь тестовые ракеты. Первый «почти настоящий» носитель Vanguard был испытан 23 октября 1957 года в ходе полета TV-2. Основной задачей пуска стала проверка реальной первой ступени, оснащённой двигателем Х-405, а также систем управления и отделения верхних ступеней (последние были представлены макетами). В полёте была достигнута высота 175 км (109 миль), дальность 539 км (335 миль) и «чистое» разделение первой и второй ступеней.
Только после этого пришло время задуматься об орбитальном запуске. Менеджер программы Vanguard в лаборатории NRL Джон Хаген и руководитель разработки управляемых ракет в Министерстве обороны США Уильям Холадей (William Holaday) доложили президенту о состоянии проекта и видах на «полностью укомплектованный» TV-3. Они подчеркнули: несмотря на испытательный характер миссии, есть вероятность успешного достижения орбиты.
Компоненты тестовой ракеты прибыли на мыс Канаверал 10 ноября 1957 года, но к этому времени русские смогли запустить «Спутник-2» с «пассажиром» – собакой Лайкой. Надо было спешить! Старт TV-3 с «экспериментальной сферой», запланированный на 4 декабря, сдвинули на двое суток из-за непогоды. Накануне вечером начался предстартовый отсчёт, сопровождаемый неувязками и сбоями. Но утром 6 декабря удалось набрать часовую готовность.
Перед пуском ракеты-носителя TV-3
Башню обслуживания отвели на безопасное расстояние, и носитель удерживали на пусковом столе лишь срезные шпильки хвостового отсека и расчалки. Очередной причиной для отсрочки старта мог стать ветер с порывами, превышающими 7,5 м/с. Но подготовка к пуску продолжалась. Наконец, TV-3, увлекаемый вверх двенадцатью тоннами тяги, оторвался от стола.
Увы, полёт оказался очень коротким. Внезапно ракета остановилась, а затем рухнула на старт. По словам очевидца событий – главного специалиста проекта Vanguard по двигательным установкам Курта Стелинга (Kurt Stehling), «…носитель агонизирующе затрясся, на секунду остановился, приподнялся снова и на наших глазах разломился надвое. Нижняя часть вспыхнула. Это напоминало очень быстрое сгорание оплывшего воскового огарка, вставленного в вытяжной шкаф. Верхняя часть беззвучно отлетела в сторону, по пути подожгла испытательный стенд и рухнула с оглушительным грохотом, который проник даже сквозь бетонные стены блокгауза…»
Неудачная попытка первого орбитального запуска – старт ракеты TV-3
Взрыв полностью уничтожил две первые ступени ракеты-носителя и повредил третью. Спутник вылетел из-под обтекателя и откатился в кусты, откуда… начал передавать свои сигналы. Все повреждения – закопчённый корпус и погнутые усы-антенны.
Причиной аварии стал провал давления в системе подачи топлива. Дефект несложно было исправить, но имиджу США была нанесена ещё одна оплеуха. Неудача вызвала шквал насмешек. Так, в одной из британских газет фотография горящего «Авангарда» сопровождалась иронической подписью: «Вот это «флопник»! (от англ. to flop – плюхнуться, шлёпнуться, потерпеть неудачу).
Именно после этого провала удача наконец-то улыбнулась Вернеру фон Брауну. Ещё на упомянутой выше октябрьской встрече Нейл МакЭлрой дал «добро» его команде, и 31 января 1958 года первым американским спутником стал вовсе не Vanguard-1, а Explorer-1 («Исследователь-1»), запущенный модифицированной баллистической ракетой Redstone.
Первый же пуск модифицированной ракеты-носителя Jupiter-C стал триумфом Вернера фон Брауна: на орбиту вышел первый американский спутник Explorer-1
Несмотря на неудачу, команда NRL продолжила штурмовать космос. В декабре 1957 года к пуску начали готовить дублёра третьего тестового носителя. Ракету Vanguard TV-3BU (back-up) установили на стартовый стол 23 января 1958 года. Три попытки пуска кончились безрезультатно. Последний «отбой» случился за четырнадцать секунд до расчётного времени старта – из бака окислителя второй ступени потекла азотная кислота. Миссию отменили, а ракету отправили в ремонт.
TV-3BU смог стартовать лишь утром 5 февраля 1958 года. На этот раз обратный отсчёт завершился нормально, двигатель первой ступени запустился чисто и «утащил» строптивую ракету в небо. Первые секунды полёт проходил штатно, но затем начались сбои: приводы системы управления вектором тяги Х-405 работали плохо – двигатель мог поворачиваться лишь в одной плоскости. В итоге носитель полетел не туда и был ликвидирован по команде с Земли.
Следующим полётом стала миссия TV-4. Ракету-носитель установили в пусковое устройство 8 февраля 1958 года, сам пуск планировался на 5 или 6 марта. Однако после нескольких неудачных попыток старт отложили на полторы недели и провели только 17 марта в 7:15 по местному времени. Выведение прошло почти без замечаний, и миниатюрная «экспериментальная сфера» (спутник Vanguard 1) массой 1,474 кг (3,25 фунта) наконец-то оказалась на орбите! Правда, последняя была выше расчётной, из-за чего сигнал со спутника пришёл с опозданием, заставив серьёзно понервничать участников проекта. Курт Стелинг после старта носителя стоял в телетайпной комнате на мысе Канаверал и ждал сообщения о получении сигнала со спутника. Но прошло уже более полутора часов, а сообщения все не было. Устав ждать и думая, что проект постигла очередная неудача, ракетчик направился к своему автомобилю. В этот момент он «вдруг услышал невообразимый рёв, как будто начался пожар: в один миг книги, журналы, ботинки и прочее барахло полетело с антресолей здания вниз, в ангар!» 
В первом полностью удачном пуске ракеты-носителя TV-4 на орбиту был наконец-то выведен спутник Vanguard-1
Проект, официально утверждённый за два года пять месяцев до этого, показал жизнеспособность! Увы, за малые размеры сам спутник удостоился нескольких обидных прозвищ, которыми его наградили не только в СССР, но и на Западе: «грейпфрут», «апельсин»…
Чтобы закрепить успех, команда NRL сразу же начала готовить следующий запуск. Старт состоялся 28 апреля 1958 года и прошёл без осложнений, однако последний тестовый носитель TV-5 до орбиты не добрался: при отключении двигателя второй ступени система управления отказала, и третья ступень, пролетев 2 400 км, рухнула в Атлантический океан. Попытка обмануть судьбу, подсунув вместо «экспериментальной сферы» первый спутник Vanguard «стандартной» серии массой 9,752 кг (21,5 фунт) диаметром 50,7 см с научным «Пакетом I», не удалась…
Первый пуск «рабочей» (эксплуатационной) ракеты SLV-1 состоялся 27 мая. К сожалению, и эта попытка оказалась безуспешной. Причиной аварии вновь стала система управления, которая не обеспечила требуемую ориентацию перед включением третьей ступени. В итоге «большой» спутник массой 10 кг (22 фунта) на орбиту не вышел – с высоты примерно 3 500 км аппарат с научным «Пакетом I» упал на расстоянии 12 000 км от старта.
Носитель SLV-2 должен был вывести на орбиту спутник с третьим по счету «Пакетом I». Ракета удачно стартовала 26 июня, но двигатель второй ступени потерял тягу через восемь секунд после включения. Очередной «большой» научный спутник массой 10 кг (22 фунта) сгинул, достигнув высоты лишь 165 км (103 мили) вместо плановых 3 840 км (2390 миль) на орбите…
Ракета SLV-3 стартовала через три месяца, 26 сентября. На этот раз полезной нагрузкой стал «большой» аппарат массой 10 кг с оболочкой, выполненной для облегчения из магния. Изделие, оснащённое «Пакетом II», по идее должно было стать первым в мире метеоспутником, поскольку ему предстояло получить изображения облачного покрова Земли с помощью двух миниатюрных телескопов с инфракрасными датчиками, созданных фирмой Perkin-Elmer и смонтированных на противоположных сторонах сферы под углом 45 градусов к номинальной оси вращения.
Неудавшийся «первый в мире метеорологический спутник» – Vanguard с «Пакетом II»
Из-за неисправности системы подачи окислителя двигатель второй ступени выдавал пониженную тягу, и аппарат недобрал всего 76 м/с до орбитальной скорости: поднявшись до высоты 426 км, он не смог замкнуть даже одного полного витка…
Поскольку все аварии происходили по вине носителя, разработчикам пришлось серьёзно заняться его надёжностью. Этот процесс проводился уже под контролем Национального управления по аэронавтике и исследованиям космического пространства NASA (National Aeronautics and Space Administration), которое было создано 29 июля 1958 года. Проект Vanguard стал первым и главным на тот момент для американского космического агентства.
Усилия по повышению надёжности дали свои плоды. Следующий пуск по программе – SLV-4 – состоялся 17 февраля 1959 года. На этот раз полезной нагрузкой вновь стал «большой» спутник массой 10,2 кг (22,5 фунта) с «Пакетом II» для съёмки облачного покрова.
Казалось, всё идёт гладко, даже слишком: через полтора часа после пуска мыс Канаверал получил подтверждение о том, что Vanguard 2 на орбите! Вот только «картинка»… Приёмное фототелеграфное устройство на Земле рисовало невразумительную кашу из серых и белых полос, не желающую складываться в изображение. Оказалось, что после отделения спутника от последней ступени из-за догорания остатков твёрдого топлива отработавший двигатель догнал аппарат и «боднул» его в бок, нарушив стабилизацию вращением и уменьшив скорость закрутки со штатных 50 до 15 об/мин. Хуже того, спутник стал кувыркаться. Оба передатчика работали 19 суток, но полученные данные инфракрасных датчиков полезной информации не несли…
Нагрузка для запуска SLV-5 сильно выделялась в ряду «Авангардов» и фактически состояла из пары аппаратов. Основой для «Пакета III» массой 10,6 кг (23,4 фунта) был спутник Sphere А со стеклопластиковым корпусом диаметром 33 см, несущий протонный магнитометр для уточнения карты магнитного поля Земли. Над ним на длинной цилиндрической подставке монтировался второй компонент – уложенная в рулончик пассивная Sphere B из многослойной плёнки (майлар плюс алюминиевая фольга). Она не несла никаких приборов и после выведения на орбиту должна была отделиться и раздуться в шар диаметром 76 см для оптического наблюдения с Земли с целью уточнения параметров (в основном вариаций плотности) верхних слоёв атмосферы.
«Нестандартный» спутник Vanguard на третьей ступени ракеты-носителя перед установкой головного обтекателя
Носитель SLV-5 стартовал 13 апреля 1959 года. Пуск был аварийным, поскольку на участке второй ступени система не смогла обеспечить стабилизацию и управление в канале тангажа. Обломки ракеты и спутников, едва достигнув высоты 100 км, упали в Атлантический океан примерно через 500 секунд полёта.
В запуске SLV-6 в космос отправился очередной «стандартный» спутник массой 10,8 кг (23,8 фунта), который с помощью «Пакета IV» должен был измерить радиационный баланс Земли над большей частью её поверхности: 22 июня 1959 года старт носителя прошёл успешно, но после включения двигателя второй ступени упало давление в топливных баках (возможно, что из-за перегрева взорвался баллон с гелием), и, достигнув высоты 145 км (90 миль), обломки ракеты рухнули в море.
Подготовка к пуску ракеты-носителя SLV-6
В принципе, на этом проект можно было закрывать, но компания Glenn L. Martin решила реабилитироваться и выполнить «сверхштатный» этап программы. В распоряжении разработчиков оставались две ракеты – TV-2BU с рабочей первой ступенью и полностью годная TV-4BU. С последней сняли телеметрическую аппаратуру и внесли в конструкцию все возможные изменения, направленные на увеличение надёжности по результатам предыдущих полётов. В отличие от остальных носителей проекта, на которых применялась третья ступень фирмы GCR, на обновлённой ракете, задним числом получившей обозначение SLV-7 (TV-4BU), наконец-то был установлен более совершенный твердотопливный двигатель Х-248, разработанный Аллеганской баллистической лабораторией. К тому времени его уже проверили в трёх полётах более совершенного носителя Thor-Able.
Модификации (главным образом замена третьей ступени) позволили удвоить грузоподъемность «Авангарда»: SLV-7 должен был доставить на орбиту «нестандартный» спутник массой аж 23,7 кг (52,25 фунта), по приборному составу эквивалентный двум «стандартным». Конструктивно он представлял собой сферу из магниевого сплава, соединённую со стеклопластиковым конусом, переходящим в цилиндр. Диаметр сферы – 50,8 см (20 дюймов), высота конуса и цилиндра – 66 см (26 дюймов).
Vanguard-3 был самым тяжёлым и сложным спутником, созданным по программе
Из научных инструментов в стеклопластиковой подставке стояли прецизионный протонный магнитометр для измерения магнитного поля Земли, две ионизационные камеры для регистрации космической радиации, три термистора для измерения температуры и два микрофона для обнаружения потоков микрометеорных тел. По аэродинамическому торможению спутника определялась плотность верхних слоёв атмосферы.
Отработанную третью ступень массой 19,2 кг (42,3 фунта) намеренно оставили прикреплённой к спутнику – связка общей массой 42,9 кг (94,55 фунта) выписывала длиннопериодические колебания, позволяющие избежать поправки к показаниям магнитометра, которая была бы необходима при быстром вращении сферического аппарата.
Основной целью спутника был поиск источника магнитных бурь – учёные хотели определить, происходят ли эти явления из-за электрических токов в ионосфере или из-за процессов на гораздо больших высотах? Вторая цель заключалась в добыче данных о суточном цикле вариаций магнитного поля, что позволяло составить карту магнитного поля Земли в определённых областях пространства. В этом смысле Vanguard 3 повторял задачи, поставленные перед аппаратом, который погиб во время аварийного запуска SLV-5 13 апреля 1959 года.
Аппаратура получала электропитание от специально разработанных серебряно-цинковых батарей, не производящих электромагнитных наводок, а также четырёх солнечных элементов. Все данные записывались на бортовой магнитофон и сбрасывались через передатчики (108,00 MГц, 30 мВт и 108,03 МГц, 80 мВт) при пролёте над наземной приёмной станцией.
Модернизированная ракета-носитель стартовала 18 сентября 1959 г. На этот раз все прошло хорошо – спутник Vanguard 3 вышел на орбиту! Аппарат работал в космосе до 11 декабря 1959 года и был выключен через 84 дня после запуска. Полученные данные позволили провести комплексное исследование магнитного поля Земли в районах, над которыми пролетал спутник, определить нижний край радиационного пояса Ван Аллена и подсчитать попадания микрометеоритов. Высокая орбита позволяла надеяться, что Vanguard 3 будет летать примерно 300 лет…
Пуск ракеты-носителя SLV-7 (TV-4BU) завершил программу Vanguard
⇡#Большие амбиции, скромные результаты и неизбежное продолжение
Этот старт поставил точку в программе. На смену «Авангарду» пришли другие спутники и ракеты-носители: прогресс космонавтики шпарил в те годы семимильными шагами. Проект Vanguard стал зеркалом, в котором отразились сильные и слабые стороны первых американских космических программ – как спешка и желание во что бы то ни стало вырваться вперёд в космической гонке, так и планомерное упрямое стремление закончить начатое дело, получив положительный результат.
Однако кроме объективных проблем, указанных выше, тормозом проекта были иные сложности. Например, разработчики ракеты неоправданно много времени тратили на анализ и проработку альтернативных решений. Лица, отвечавшие за реализацию проекта в NRL и на фирме Glenn L. Martin, были «крайне осторожны в экспериментах». «Дни складывались в недели, недели в месяцы, а технические требования транспортного средства были всё ещё не готовы до конца»,– отмечает один из историков американской космонавтики Эндрю Лепэйж (Andrew J. LePage).
Рабочий момент – подготовка заправки первой ступени носителя жидким кислородом
В частности, острый конфликт произошел из-за типа телеметрического оборудования, которое следует использовать в наземных станциях, в испытательных носителях и в спутниках. Дэниел Мазур (Daniel Mazur) – представитель NRL на Канаверале в начале сентября 1956 года – обнаружил, что Испытательный ракетный центр ВВС AFMTC (Air Force Missile Test Center) не имеет приёмного оборудования, работающего в режиме «широтно-импульсная модуляция/частотная модуляция» (pulse-width-modulation/frequency-modulation), хотя с точки зрения минимальной массы бортовой части телеметрической системы на земле должна была стоять именно такая аппаратура.
Но офицеры ВВС, отвечавшие на Мысе за телеметрию лётных испытаний, резко возражали, считая недопустимой идею о том, чтобы ради невоенной «единичной» программы тратить огромные средства. Компания Glenn L. Martin и сама полагала, что сложная новая система телеметрии для «Авангарда» – бесполезная трата времени и средств.
Вызывала конфликты даже изначальная идея использовать полигон на мысе Канаверал, который в тот момент интенсивно рос в преддверии лётных испытаний дальних и межконтинентальных баллистических ракет. Лаборатория NRL надеялась опереться на уже имеющуюся инфраструктуру, но «авиаторы» (ВВС) вынуждали «моряков» (ВМС) строить собственный пусковой комплекс и средства слежения, чтобы они никак не взаимодействовали с программой отработки боевых изделий.
Стартовый комплекс с высоты птичьего полёта. В центре – площадка LC-18A для пусков носителя Vanguard, ниже – блокгауз управления, правее – LC-18B для испытаний ракеты Thor (недостроена)
В результате этих сложностей (а здесь перечислены далеко не все) программа постоянно затягивалась, что послужило причиной проигрыша в первом «забеге» космической гонки.
В то же время нельзя не отметить научный результат программы. Не смотря на насмешки и уничижительные прозвища, «Авангарды» оказались весьма ценным научным инструментом. В частности, орбита спутника Vanguard 1 оказалась настолько устойчивой, что картографы получили возможность c её помощью уточнить карты островов в Тихом океане. Анализ движения аппарата установил факт несферичности Земли и позволил уточнить параметры и аномалии гравитационного поля нашей планеты, а возмущения орбиты – точно оценить сплюснутость геоида. Анализ аэродинамического торможения спутника доказал, что атмосфера гораздо обширнее и более переменчива, чем предполагали прежде.
Vanguard 1 продемонстрировал и ряд технических решений, оказавшихся перспективными. Если ртутных батарей хватило лишь на пару недель, то солнечные элементы работали гораздо дольше: радиомаяк спутника посылал сигналы в течение шести лет после запуска. И вообще, многие конструктивные решения, бортовые устройства и блоки спутников, созданные в рамках проекта Vanguard и отличавшиеся малыми массами и габаритами, а также высокой надежностью, были заимствованы другими программами, например, использовались в секретных проектах космических аппаратов радиоразведки, реализованных ВМФ в 1960-1970 годах.
Подготовка к пуску «композита» из спутников Transit 4A (снизу), Injun-1 и SolRad-3. Последний сделан с применением решений «стандартного» аппарата Vanguard
Первый американский космический носитель стал и первой же специально спроектированной и построенной ракетой «для космоса» – остальные его современники создавались на базе различной «дальней баллистики».
Схемные и компоновочные решения этой ракеты актуальны и в наши дни, по крайней мере применительно к сверхмалым носителям. С учетом крайне примитивного двигателя первой ступени это было достаточно эффективное изделие, по конструктивному совершенству сопоставимое с некоторыми современными ракетами.
«Авангард» TV-2BU стоит сегодня в рядом с «Минитменом» и «Юпитером-С» в «ракетной аллее» между Музеем авиации и космонавтики и Музеем искусств и промышленного строительства Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия
Vanguard не почил в бозе после окончания проекта – его верхние ступени нашли применение в сочетании с баллистической ракетой средней дальности Thor для запуска первых американских зондов к Луне. Система Thor-Able в итоге превратилась в известный носитель Delta, а двигатель Х-248 нашел применение в составе лёгкой полностью твердотопливной ракеты-носителя Scout.
На базе системы Minitrack была развернута сеть для слежения за космосом и получения данных Space Tracking and Data Acquisition Network. Роджер Истон (Roger Lee Easton), «отец» системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), введённый в Национальный зал славы изобретателей США в марте 2010 года, вспоминал, как в 1955 году он и его коллеги по лаборатории NRL готовили программу запуска искусственных спутников Vanguard и создали для её реализации систему Minitrack. После того как Советы обогнали американцев, первыми запустив в 1957 году спутник, Истон придумал систему Naval Space Surveillance System для слежения за всеми объектами на орбите – и своими, и чужими. В 1960–1970-х годах он непосредственно руководил работами над GPS. Первый полностью функциональный спутник этой системы был запущен через два десятилетия после «Авангарда», в 1977 году. «Но всё началось с проекта, очень далекого от GPS», – вспоминал Истон.
Два Роджера Истона – отец и сын. Первый – один из авторов системы глобального позиционирования GPS
К слову, Vanguard 1 до сих пор накручивает обороты вокруг Земли. Скорее всего, он переживёт все современные наноспутники, родоначальником которых стал.