Первые спутники США (Explorer 1)

Ключ на старт

Общие сведения

"газетное" название объекта: Explorer 1.

другие названия объекта:

принадлежность объекта: США

дата запуска: 1958 February 1 - . 03:47 GMT

стартовая площадка: Cape Canaveral LC26A.

ракета-носитель: Jupiter C/Juno I RS-29

COSPAR: 1958-Alpha-1.

NSSDC ID: 1958-001A

USAF Sat Cat: 4       

продолжительность активной работы: радиопередатчики работали до 23 мая 1958

продолжительность полета: совершил 58 тысяч оборотов вокруг Земли

дата окончания полета: 1970-03-31

масса объекта: 4,82 кг приборов   

Запуски в мире

предыдущий Vanguard-1A             следующий Vanguard-1B

Запуски в США

предыдущий Vanguard-1A             следующий Vanguard-1B

Космические аппараты аналогичного индекса

предыдущий                                   следующий Explorer-2

Краткая история

В отличие от СССР, где в начале-середине 1950-х годов межконтинентальными баллистическими ракетами и ракетами-носителями 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 искусственным спутником Земли 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»).

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 ракеты «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» 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 система управления 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 летно-конструкторских испытаний до 1958 г. было запущено 37 ракет, из них по программе Redstone — 12 полетов. Остальные использовались для испытаний компонентов баллистических ракет средней дальности «Jupiter» — эти изделия обозначались «Jupiter A».

Одним из интересных эпизодов в общем успешной программы летно-конструкторских испытаний 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 баллистическая ракета 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. Причем конкуренция возникла как между разработчиками ракет, так и между разработчиками головных частей: Армия предлагала баллистическую ракнту средней дальности «Jupiter»; ВВС — «Thor»; Армия считала целесообразным уносимое теплозащитное покрытие 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, ракетных двигателей твердого топлива, жидкостных ракетных двигателей, а также систем управления и телеметрии.

В ходе этих работ JPL спроектировала боевую жидкостную ракету «Corpora»l («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» ракетный двигатель твердого топлива, 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 ракеты носителя Orbiter, у которой нижняя ступень представляла собой модификацию 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 ракетных двигателей твердого топлива «Бэби-Сержант» для установки на второй, третьей и четвертой ступенях. К июлю 1955 г. проект космической ракеты носителя «завязался».

Вторая ступень представляла собой кольцевую связку из 11 «модельных» ракетных двигателей твердого топлива 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 ракетных двигателей твердого топлива третьей ступени. В варианте спутниковой ракеты носителя 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 ракетных двигателей твердого топлива 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 ракетных двигателей твердого топлива второй ступени, отделяя «трубу» от приборного отсека. Далее последовательно включались третья и — в космической ракете носителе — 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.

Редстоун и Юпитер С

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 ракеты носителя на базе Jupiter С.

Предложение, именуемое Project 416, предусматривало запуск четырех искусственных спутников Земли за 16,2 миллионов $.

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 ракеты носителя...

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 искусственных спутников Земли, мягко говоря, несолидно, на спутник решили установить легкие приборы и маломощный передатчик типа того, что создавала NRL [Naval Research Laboratory — Научно-исследовательская лаборатория ВМС США и ее  «ракетный»  отдел] для проекта Vanguard.

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

Чтобы не усложнять конструкцию носителя аэродинамическим обтекателем, от сферического космического аппарата по типу «Авангарда» отказались и встроили полезный груз в неотделяющийся контейнер, приделанный спереди к четвертой ступени ракеты носителя. При этом обшивку искусственного спутника Земли 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, космический аппарат накладывал «чудовищные» ограничения на аппаратуру. Поскольку обтекателя не было, все элементы, установленные на поверхности искусственного спутника Земли, подвергались аэродинамическому нагреву.

Максимальное ускорение, задаваемое последней твердотопливной ступенью ракеты носителя, составляло ~70 единиц [70 g]. Наконец, приборы должны были вращаться вместе со спутником и сборкой верхних ступеней с частотой до 750 об/мин.

Научная аппаратура первого американского искусственного спутника Земли 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 корпусе четырех первых американских спутниках «Эксплорер» «торчали как мышиные усы».

Explorer 1 на стартовой позиции

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. Ракета носитель 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 ракеты носителей 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 секунд  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. Успешный запуск первого спутника США был проведен в юго-восточном направлении.

Монтаж спутника  Explorer 1

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

Никто не мог со стопроцентной уверенностью заявить, что первый спутник США на орбите. Лишь через 117 минут «агонизирующего ожидания» станция в Калифорнии приняла радиосигнал искусственного спутника Земли, 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].

Первый спутник США не отделился от последней ступени ракеты и вместе с ней имел длину около 2 м, диаметр 15 см и вес 21,5 кг (8,3 кг спутник + 13,2 кг пустая 4-я ступень). Размещенная на спутнике аппаратура, общим весом около 5 кг, позволяла измерять интенсивность космических лучей, число соударений с микрометеоритами и температуру, на поверхности и внутри спутника. Один радиопередатчик спутника проработал 2 недели, второй 2 месяца после запуска.

Старт Explorer 1

Когда «Explorer-1» достиг апогея, счетчики Гейгера, предоставленный профессором университета Айовы Джеймсом Ван Алленом, начали свою работу. Предположение Ван Аллена о том, что Земля окружена поясом радиации, подтвердилось. Впоследствии эти радиационные пояса, имеющие форму бублика, были названы именем Ван Аллена.

Однако большая часть информации переданной «Explorer-1» была утеряна, так как поблизости не оказалось ни одной станции, чтобы её принять.

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 года. 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 года

Запуск спутника «Explorer-1» осуществлялся Армией Соединенных Штатов (United States Army, USA). Руководил запуском Вернер фон Браун.

Запуски в мире

предыдущий Vanguard-1A             следующий Vanguard-1B

Запуски в США

предыдущий Vanguard-1A             следующий Vanguard-1B

Космические аппараты аналогичного индекса

предыдущий                                   следующий Explorer-2

National Space Science Data Center http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1958-001A