Характеристики ракеты-носителя «Спутник»

Стартовая масса, т	267
Начальная масса 2 ст., т	58
Масса полезного груза, т	1,327
Масса топлива, т	254
Тяга ЖРД, кН 1 ст. (на земле) 2 ст. (в пустоте)	3 904 912
Удельный импульс, с 1 ст. (на земле) 2 ст. (в пустоте)	250 308
Общая длина, м	29,167
Максимальная ширина (по воздушным рулям), м	10,3
Максимальная скорость, м/с	8 000

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Второй советский ИСЗ

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

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

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

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

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

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

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

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

Р ис. 1.4. Схема размещения аппаратуры

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

2 – прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца;

3 – сферический контейнер с аппаратурой и радиопередатчиками;

4 – силовая рама для крепления аппаратуры;

5 – герметическая кабина с подопытным животным

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

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

Первый американский искусственный спутник Земли

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1.3