О первом искусственном спутнике Земли США

основной источник: Афанасьев И.Б., Лавренов А.Н. "Большой космический клуб"
(Схема ракеты-носителя А. Шлядинский)
[в квадратных скобках расшифровка аббревиатур, сносок, разъяснение слов —
их цвет, в т.ч. текст, выделенный авторами — синий]


Первый реальный спутник США

В отличие от СССР, где в начале-середине 1950-х годов межконтинентальными баллистическими ракетами (БР) и ракетами-носителями (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 являлся спутниковый носитель. История распорядилась так, что ПЕРВЫМ АМЕРИКАНСКИМ ИСЗ стал Explorer 1 («Эксплорер-1»), выведенный на орбиту 31 января 1958 г. ракетой-носителем Jupiter С (Juno I). А основой «Юпитера-С»/«Юноны», в свою очередь, послужил Redstone («Редстоун») — прямой потомок «оружия возмездия» III Рейха V-2 («Фау-2», А-4).

Вернер фон Браун
Вернер фон Браун (1912-1977)

Разработка первой американской баллистической ракеты, способной нести ядерную боеголовку на расстояние свыше 800 км (500 миль), 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 Redstone [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.
[Напомним, 25 июня 1950 г. началась война в Корее. 25 октября того же года в войну на стороне КНДР вступили «китайские народные добровольцы», которые 25 ноября – 18 декабря контратаковали войска ООН].

В феврале 1951 г. тактико-технические требования заказчика были изменены (возможно, под влиянием неуязвимости корейских подземных сооружений): массу боеголовки увеличили до 3100 кг (6900 фунтов) с соответствующим уменьшением дальности полета ракеты до 245 км (150 миль).
Фирма North American Aviation установила на «Редстоун» ЖРД [жидкостный ракетный двигатель] XLR-43 (серийное обозначение А-6), созданный путем масштабного увеличения двигателя V-2 до уровня тяги 34 тс (75 тыс фунтов) в течение 110 сек. 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 Redstone 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 Redstone — 12 полетов. Остальные использовались для испытаний компонентов БРСД Jupiter — эти изделия обозначались Jupiter A.

Одним из интересных эпизодов в общем успешной программы ЛКИ были эксперименты «Ньюзрил» (Newsreel), по другим источникам «Хардтэк» (Hardtack), по высотным ядерным взрывам. 

Первый пуск, названный «Тик» (Teak), был  проведен 31 июля 1958 г. Боеголовка «Редстоуна» взорвалась на высоте 77 км над атоллом Джонстон, породив огненный шар диаметром 18 км, который был различим даже с Гавайских островов (1250 км от места эксперимента). Ядерный взрыв на девять часов блокировал прохождение коротких радиоволн в районе Тихого океана.

Второй пуск, названный «Ориндж» (Orange), был  осуществлен 11 августа 1958 г. Аналогичная боеголовка взорвалась на высоте 43 км,  при этом потери связи не наблюдалось.

Redstone рассматривался как БР оперативно-тактического назначения т.н. «полевого» базирования, что совершенно не соответствует современным воззрениям на это оружие: для его перевозки, установки, проверки, заправки и запуска требовалась дюжина полуприцепов, фургонов и трейлеров. К моменту поступления на вооружение (1958 г.) система уже считалась слишком громоздкой.

«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 годов Армия и ВВС США втянулись в борьбу за право монопольной разработки и применения баллистических ракет средней дальности [БРСД].

Причем конкуренция возникла как между разработчиками ракет, так и между разработчиками головных частей: Армия предлагала БРСД Jupiter; ВВС — Thor; Армия считала целесообразным уносимое теплозащитное покрытие ГЧ [головной части]; ВВС — теплопоглощающее покрытие из бериллия.

Поскольку «практика — основа познания», этот спор должен был разрешить эксперимент.
Для отработки головных частей с абляционной теплозащитой разработали специальную модификацию ракеты Redstone со стартовой массой около 29 т.

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 Jupiter 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 БР [баллистической ракеты] Redstone, 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 Sergeant (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.

После вертикального запуска со стартового стола Jupiter 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., Jupiter С установил рекорд, метнув макет боеголовки массой 39,2 кг (86,5 фунта) на высоту 1094 км (680 миль) и дальность 5311 км (3300 миль). 15 мая 1957 г. на несколько меньшую дальность — 1142 км (710 миль) — был запущен масштабно уменьшенный абляционный «носовой конус» боевой ракеты Jupiter массой 138,1 кг (300 фунтов) [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 (1330 миль) и не разрушившись достигла поверхности земли.

Схема ракеты-носителя Jupiter С (Juno I):

1 - спутник Explorer 1;
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

Основные характеристики
ракеты-носителя Jupiter С (Juno I)

Общая длина, м

21,2

Максимальный диаметр, м

1,77

Размах по аэродинамическим стабилизаторам, м

4,19

Стартовая масса, кг

28886

Стартовая тяга, кгс

37600

Тяговооруженность на старте

1,3

схема РН Jupiter C (Juno I)

 

генерал Джон Медарис"
генерал
Джон Медарис
(1902-1990)

министр обороны США Нейл МакЭлрой
министр
обороны США
Нейл МакЭлрой (1904-1972)

...Немедленно после запуска Первого 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 Jupiter С.
Предложение, именуемое Project 416, предусматривало запуск четырех ИСЗ за 16,2 млн $.

8 ноября 1957 г. МакЭлрой поручил Армии готовить два «космических» старта в качестве дублеров «Авангарда». В калейдоскопе событий того времени остался факт, что месяцем ранее генерал Медарис на свой страх и риск уже отдал приказ о подготовке Jupiter С в варианте РН...

Уильям Пиккеринг
Уильям Пиккеринг (1910-2004)

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. Спутник при этом уцелел!] — Армии были даны все полномочия вывести Соединенные Штаты 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 инженеров, создателей Explorer 1

Инженеры JPL
Джон Смолл (John Small), Джек Фройлих (Jack Froelich),
Эл Гиббс (Al Hibbs), Карл Лайнс (Karl Linnes) и Уолт Виктор
у макета КА Explorer 1 и четвертой ступени РН Jupiter-C, 2 декабря 1957
фото NASA/JPL
(Explorer 1 with JPL Scientists on 2 December 1957.
From left, John Small, Jack Froelich, Al Hibbs, Karl Linnes and Walt Victor.
CREDIT: NASA/JPL
)

Альберт Р. Хиббс (Albert R. Hibbs)
Альберт Р. Гиббс (1924-2003)


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

[Один из членов группы — Альберт Р. Гиббс (Albert R. Hibbs) — физик из Калифорнийского технологического института]

Чтобы не усложнять конструкцию носителя 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 [космический аппарат] 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 единиц [70 g]. Наконец, приборы должны были вращаться вместе со спутником и сборкой верхних ступеней с частотой до 750 об/мин.

Джеймс Ван Аллен
Джеймс Ван Аллен (1914-2006)

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»].

схема внутреннего устройства Explorer 1

Рис. К. Русакова ("Новости космонавтики" 2003 № 3)
1 - носовой обтекатель;
2 - температурный зонд;
3 - маломощный передатчик (10 мВт, 108 МГц);
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 (60 мВт; 108 МГц);
9 - измеритель внутренней температуры;
11 - пустой корпус четвертой ступени;
12 - измерители микрометеоритной эррозии;
13 - гибкая антенна длиной 56 см

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 Jupiter 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 Vanguard и Jupiter 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 Jupiter С, «задним числом» переименованная в Juno I, 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 инут (!), 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. Чудо свершилось! Первый американский спутник вышел на орбиту с параметрами:

– перигей — 360 км (224 мили);
– апогей — 2534 км (1575 миль);
– наклонение — 33,3°;
– период обращения — 114,9 мин.

В JPL спутник в рабочем порядке именовали RTV-7 или Deal 1, но он стал известен миру как Explorer 1 [«Исследователь», «проводник» (англ.). Любопытно, что «официальное» название спутника родилось уже после запуска. Оно было предложено Ричардом Хиршем (RichardHirsch) из Комиссии по космосу при Совете национальной безопасности].

Общая масса ИСЗ составила 13,91 кг, из которых 8,22 кг приходилось на приборы.

Технические данные спутника Explorer 1

Общая длина

 

205 см

Диаметр приборного контейнера

 

16,5 см

Диаметр корпуса 4-й ступени

 

15,2 см

Масса спутника

на старте

35,44 кг

 

на орбите

13,91 кг

 

без 4-й ступени

8,22 кг

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 [Пояс Ван Аллена].

Спутник оставался на орбите до 31 марта 1970 г.

первый ИСЗ Америки существует!

1 февраля 1958 года. Америка в космосе!
Справа налево: Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Ален и Вернер фон Браун с макетом «Эксплорера-1».
(фото NASA)
(еще одно фото с этой прессконференции см. на странице "Герои Новой Зеландии")

Из статьи К. Русакова "Сапфировая годовщина. К 45-летию запуска Explorer 1":
Доктор Уильям Пикеринг вспоминал, как реагировали СМИ на успех КА Explorer 1:
«Нас попросили выступить на пресс-конференции в Национальной академии наук [в Вашингтоне]. Примерно в 2 часа утра мы поехали. Я думаю, что все трое — [доктор Дж.] Ван Аллен, [доктор В.] фон Браун и я — не задавались вопросом о том, что произошло и что за этим последует. Нас приняли у заднего крыльца Академии и ввели в большой зал, заполненный людьми. Представители СМИ выразили большой восторг, когда мы вошли. К концу [пресс-конференции] мы осознали, что [с этого момента] жизнь изменится...»

О создателях Первого спутника

Биографии создателей Explorer 1 (Исследователь-1):

Вернер фон Браун

Уильям Хэйуорд Пиккеринг

Джеймс Альфред Ван Аллен



источники:

1. Афанасьев И.Б., Лавренов А.Н. "Большой космический клуб". — М.: Издательский дом "Новости космонавтики", Издательство "РТСофт", 2006.
2. К. Русаков "Сапфировая годовщина. К 45-летию запуска Explorer 1" "Новости космонавтики" №3(242). Том 13 2003, с. 64
3. сайт JPL о первом спутнике США
4. Explorer-I and Jupiter-C
5. фото NASA/JPL
6. Краткая биография Вернера фон Брауна (англ.)
7. Биография и фото В. фон Брауна (рус.)
8. Биография Пиккеринга на странице "Герои Новой Зеландии" (англ.)
9. Краткая биография Уильяса Пиккеринга (англ.), на сайте JPL (англ.),
10. У. Пиккеринг (рус.)
11. Краткая биография Джеймса Ван Аллена (англ.)
12. Краткая биография Альберта Р. Гиббса (англ.)
13. Краткая биография генерала Медариса (англ.)
14. Краткая биография министра обороны США Н. МакЭлроя (англ.)
15. Биографический справочник НАСА


Главная    Школа    Ученику    Учителю    Карта сайта

Яндекс.Метрика