Глава III. Советские искусственные спутники и космические ракеты
Первый советский искусственный спутник Земли
Запуск первого в мире советского искусственного спутника Земли был осуществлен 4 октября 1957 г.
Спутник имел форму шара. Диаметр его был равен 580 млн., вес - 83,6 кг. На внешней поверхности спутника были установлены антенны радиопередатчиков в виде четырех стержней. Длина двух из них составляла 2,4 м, двух других - 2,9 м. Стержни соединялись с антенными изоляторами, закрепленными на корпусе спутника с помощью шарнирных узлов, обеспечивающих их поворот на некоторый угол после отделения спутника от ракеты-носителя.
Общий вид первого искусственного спутника Земли представлен на рис. 82. Стержни антенн на рисунке занимают положение, соответствующее полету спутника по орбите.
Рис. 82. Первый советский искусственный спутник Земли
Вся аппаратура, вместе с источниками ее энергопитания, размещалась в герметичном корпусе, изготовленном из алюминиевых сплавов. Корпус состоял из двух тонкостенных полуоболочек, соединяемых при сборке спутника. Конструкция стыка полуоболочек обеспечивала полную ее герметичность.
Поверхность корпуса спутника полировалась и подвергалась специальной обработке, чтобы придать ей необходимые значения коэффициента поглощения солнечной радиации и коэффициента собственного излучения. Перед пуском спутник был заполнен газообразным азотом.
Для поддержания достаточно стабильного внутреннего температурного режима на спутнике была установлена специальная система терморегулирования, изменявшая принудительную циркуляцию газообразного азота в корпусе спутника в зависимости от температуры в нем. Соответственно этому изменялось тепловое сопротивление между аппаратурой и оболочкой спутника и отвод тепла от аппаратуры к оболочке.
На спутнике были установлены два радиопередатчика, работавшие на частотах 20,005 и 40,002 Мгц (длины волн соответственно 15 и 7,5 м). Сигналы, излучаемые радиопередатчиками на каждой из частот, имели вид телеграфных посылок. Посылка сигнала одной частоты производилась во время паузы сигнала другой частоты. В среднем длительность сигналов на каждой из частот составляла 0,2÷0,3 сек. Типичная форма радиосигналов приведена на рис. 83.
Рис. 83. Форма радиосигналов первого спутника
Радиопередатчики спутника обеспечивали возможность систематических наблюдений за его орбитой. Для регистрации процессов, происходящих на спутнике, на нем были установлены чувствительные элементы, меняющие частоты телеграфных посылок и соотношения между длительностью этих посылок и пауз между ними при изменении некоторых параметров внутри спутника (температуры, давления).
При приеме радиосигналов наземными станциями производилась их регистрация для последующей расшифровки и анализа.
Наличие на спутнике радиопередатчиков, работавших на двух различных частотах, создало возможность проведения исследований по распространению радиоволн в ионосфере. При этом выбор длины волн (7,5 и 15 м) позволил производить радионаблюдения за спутником не только специальным станциям, но и самым широким кругам радиолюбителей во всех частях земного шара. Мощность радиопередатчиков оказалась вполне достаточной для уверенного приема радиосигналов обычными любительскими приемниками на весьма больших расстояниях. На волне 15 м радиосигналы спутника принимались на расстояниях, достигающих 10-12 тыс. км.
Источники энергопитания, размещенные на спутнике, обеспечили работу всей его аппаратуры в течение трех недель.
Спутник был установлен в передней части ракеты-носителя. Для защиты от тепловых и аэродинамических воздействии на участке выведения, при полете ракеты в плотных слоях атмосферы, он предохранялся защитным конусом. После выведения на орбиту спутник был отделен от последней ступени ракеты-носителя с помощью специального толкателя. Одновременно с отделением спутника был сброшен защитный конус, после чего спутник начал двигаться по орбите самостоятельно.
Второй советский искусственный спутник Земли
Второй советский искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 3 ноября 1957 г., в отличие от первого представлял собой последнюю ступень ракеты, на которой в ряде контейнеров размещалась вся научная и измерительная аппаратура, а также подопытное животное - собака по кличке Лайка (рис. 84). Общий вес аппаратуры, животного и источников энергопитания - 508,3 кг.
Рис. 84. Собака Лайка
Размещение аппаратуры непосредственно на корпусе последней ступени ракеты упростило задачу определения орбиты спутника при помощи оптических средств наблюдения. Как показал запуск первого спутника, наблюдения за ракетой-носителем оказались значительно более простыми, чем наблюдения за самим спутником, поскольку яркость ракеты-носителя превосходила яркость спутника на несколько звездных величин.
В передней части последней ступени ракеты на специальной силовой раме был установлен прибор для исследования излучения Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, сферический контейнер с радиопередатчиками и герметическая кабина с подопытным животным. Схема их размещения приведена на рис. 85. Два прибора для изучения космических лучей располагались в корпусе ракеты.
Рис. 85. Схема размещения аппаратуры на втором советском спутнике: 1 - защитный конус, сбрасываемый после выведения спутника на орбиту; 2 - прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца; 3 - сферический контейнер с аппаратурой и радиопередатчиками; 4 - силовая рама для крепления аппаратуры; 5 - герметическая кабина с подопытными животными
Установленные на раме приборы, контейнер и кабина с животным (рис. 86) были закрыты защитным конусом, предохранявшим их от тепловых и аэродинамических воздействий при полете ракеты в плотных слоях атмосферы. Сбрасывание защитного конуса после выведения последней ступени ракеты на орбиту осуществлялось механизмом отделения.
Рис. 86. Сферический контейнер и кабина с животным, установленные на силовой раме второго спутника
Радиопередатчики, находящиеся в сферическом контейнере, работали на тех же частотах, что и радиопередатчики первого спутника (20,005 и 40,002 Мгц). Кроме радиопередатчиков, в сферическом контейнере размещались источники энергопитания, аппаратура терморегулирования и чувствительные элементы, регистрирующие изменение температуры и других параметров в контейнере. По своей конструкции сферический контейнер был подобен первому искусственному спутнику Земли.
Один из радиопередатчиков, работавший на частоте 20,005 Мгц (длина волны 15 м), излучал сигналы, имевшие вид телеграфных посылок. Длительность посылок, как и длительность пауз между ними, составляла в среднем около 0,3 сек. Изменение некоторых параметров внутри контейнера (температуры, давления) регистрировалось чувствительными элементами, менявшими в определенных пределах длительность этих посылок и пауз между ними. Второй радиопередатчик работал на частоте 40,002 Мгц (длина волны 7,5 м) в режиме непрерывного излучения.
Герметическая кабина, в которой помещалась собака Лайка, имела вид цилиндра с выпуклыми днищами. Для установки оборудования и размещения животного одно из днищ было сделано съемным. На съемном днище имелся иллюминатор из органического стекла для освещения кабины в полете и наблюдения за животным после герметизации кабины. В кабине были созданы условия, необходимые для нормального существования животного: имелось приспособление для кормления, а также система кондиционирования воздуха, состоящая из регенерационной установки и системы терморегулирования.
Регенерация воздуха в кабине обеспечивалась применением специальных высокоактивных химических соединений, выделяющих необходимый для дыхания животного кислород и поглощающих углекислоту и избыток водяных паров. Регенерирующие вещества в виде пластин размещались в кожухах коробчатого сечения с обеих сторон от подопытного животного (рис. 87). Интенсивность процессов регенерации регулировалась автоматически. Поскольку в условиях невесомости конвекция отсутствовала, имелась система принудительной вентиляции.
Рис. 87. Оборудование герметической кабины с подопытным животным - собакой Лайкой
Для изучения процессов жизнедеятельности в условиях космического полета в кабине размещалась аппаратура для регистрации пульса, дыхания, кровяного давления и биопотенциалов сердца животного, а также чувствительные элементы для измерения температуры и давления в кабине.
Кабина, как и сферический контейнер, была изготовлена из алюминиевых сплавов. Поверхность их была подвергнута специальной обработке. Системы терморегулирования, расположенные в кабине животного и сферическом контейнере, по принципу действия были аналогичны системе терморегулирования, установленной на первом советском искусственном спутнике.
Кроме указанной аппаратуры, в корпусе последней ступени ракеты были установлены: радиотелеметрическая аппаратура, аппаратура для измерения температуры, программное устройство и источники энергопитания.
Контроль температуры на внешней поверхности и внутри кабины животного, а также на отдельных приборах и элементах конструкции второго спутника производился с помощью температурных датчиков. Передача данных всех измерений, проводимых на спутнике, осуществлялась радиотелеметрической аппаратурой, которая включалась часовым программным устройством периодически, по специальной программе. Прием и регистрация радиотелеметрических передач на Земле велись рядом наземных телеметрических станций.
Программа научных исследований, связанных с проведением измерений на втором искусственном спутнике, была рассчитана на семь суток. После прекращения работы радиопередатчиков и радиотелеметрической аппаратуры наблюдения за вторым спутником, с целью изучения верхних слоев атмосферы по изменению орбиты спутника и прогнозирования его движения, продолжались с помощью оптических и радиолокационных средств.
Третий советский искусственный спутник Земли
Третий советский искусственный спутник Земли, запуск которого был осуществлен 15 мая 1958 г., с полным правом может быть назван автоматической научной станцией в космосе. Его устройство и конструкция значительно более совершенны, чем конструкция первых спутников.
Вес спутника равен 1327 кг, а общий вес установленной на нем научной и измерительной аппаратуры вместе с источниками питания составлял 968 кг. Спутник имел конусообразную форму. Длина его - 3,57 м, наибольший диаметр - 1,73 м, без учета выступающих антенн.
При конструировании спутника был учтен целый ряд специфических требований, связанных с проведением на нем различных научных экспериментов в условиях космического полета и размещением разнообразной научной и измерительной аппаратуры. Возможность взаимного влияния отдельных научных приборов потребовала тщательной проработки компоновки спутника и размещения чувствительных элементов научной аппаратуры.
Герметичный корпус спутника изготовлен из алюминиевых сплавов. Поверхность его, как и поверхность первых спутников, была полирована и подвергнута специальной обработке для придания ей определенных значений коэффициентов излучения и поглощения солнечной радиации. Заднее днище корпуса съемное. Оно крепилось к стыковому шпангоуту, приваренному к оболочке, большим количеством болтов. Герметичность стыка обеспечивалась специальным уплотнением. Перед пуском спутник заполнялся газообразным азотом.
Передняя часть спутника закрыта специальным защитным конусом, сбрасываемым после выведения спутника на орбиту, при отделении его от ракеты-носителя. Защитный конус предохранял переднюю часть корпуса спутника с установленными на ней датчиками научной аппаратуры от тепловых и аэродинамических воздействий в период полета ракеты-носителя в плотных слоях атмосферы. Конус состоял из носка и двух полуоболочек, которые разделялись при сбрасывании. Помимо защитного конуса, значительная часть внешней поверхности корпуса спутника закрыта на участке выведения четырьмя специальными щитками, соединенными шарнирами с корпусом ракеты-носителя. При отделении спутника эти щитки остались на ракете. Схема отделения спутника показана на рис. 88. На внешней поверхности спутника установлен ряд антенных систем в виде штырей и трубчатых конструкций сложной формы.
Рис. 88. Схема отделения спутника от ракеты-носителя: 1 - спутник; 2 - ракета-носитель; 3 - отделяющийся защитный конус; 4 - отделяемые от спутника щитки
Внутри спутника, на задней приборной раме, выполненной из магниевого сплава, расположены: радиотелеметрическая аппаратура, радиоаппаратура для измерения координат спутника, программно-временное устройство, аппаратура системы терморегулирования и измерения температур, приборы, обеспечивающие включение и выключение аппаратуры, электрохимические источники энергопитания. Из научной аппаратуры на задней раме установлены приборы для измерения интенсивности первичного космического излучения и регистрации ядер тяжелых элементов в космических лучах, а также аппаратура для регистрации ударов микрометеоров. Приборная рама крепилась к силовым узлам, имеющимся на оболочке корпуса. Основная часть приборов для научных исследований, вместе с источниками питания, установлена на другой приборной раме, также находящейся внутри спутника в передней его части. На этой раме размещены электронные блоки аппаратуры, служащей для измерения давления, ионного состава атмосферы, концентрации положительных ионов, величины электрического заряда, а также напряженности электростатического и магнитного полей и интенсивности корпускулярного излучения Солнца. Здесь же установлен один из радиопередатчиков.
Размещение датчиков (чувствительных элементов) научной аппаратуры определялось назначением и особенностями каждого из них.
Магнитометр помещен внутри спутника в передней его части, что обеспечивало максимальное удаление магнитометра от остальной аппаратуры. Счетчики космических лучей также установлены внутри спутника. Прочие датчики научной аппаратуры были размещены вне герметичного корпуса и имели непосредственный контакт с окружающим пространством.
Фотоумножители, служащие для регистрации корпускулярного излучения Солнца, смонтированы на переднем днище корпуса.
В цилиндрических стаканах, вваренных в оболочку передней части корпуса, установлены один магнитный и два ионизационных манометра, измеряющих давление в верхних слоях атмосферы. Вблизи них расположены два электростатических флюксметра, служащих для измерения напряженности электростатического поля, а также трубка радиочастотного масс-спектрометра, определяющего состав ионов на больших высотах.
На двух трубчатых стержнях, шарнирно прикрепленных к оболочке корпуса, установлены сферические сетчатые ионные ловушки, позволяющие измерять концентрацию положительных ионов. В период выведения спутника на орбиту стержни с ловушками прижаты к поверхности корпуса и закрыты снаружи защитным конусом. После сброса защитного конуса стержни поворачивались на своих шарнирах и устанавливались перпендикулярно к боковой поверхности спутника.
На заднем днище корпуса установлены четыре датчика для регистрации ударов микрометеоров. Размещение научной аппаратуры на спутнике показано на рис. 89.
Рис. 89. Научная аппаратура третьего советского искусственного спутника Земли: 1 - магнитометр; 2 - фотоумножители для регистрации корпускулярного излучения Солнца; 3 - солнечные батареи; 4 - прибор для регистрации фотонов в космических лучах; 5 - магнитный и ионизационный манометры; 6 - ионные ловушки; 7 - электростатические флюксметры; 8 - масс-спектрометрическая трубка; 9 - прибор для регистрации тяжелых ядер в космических лучах; 10 - прибор для измерения интенсивности первичного космического излучения; 11 - датчики для регистрации микрометеоров. Электронные блоки научной аппаратуры, радиоизмерительные системы, программно-временное устройство и электрохимические источники питания расположены внутри корпуса спутника
Многоканальная радиотелеметрическая система спутника способна одновременно передавать на Землю данные о всех научных измерениях, проводимых на нем. Она отличается высокой разрешающей способностью - передача каждого из измеряемых параметров осуществляется много раз в секунду.
Радиотелеметрическая система снабжена рядом запоминающих устройств, которые непрерывно фиксировали данные научных измерений при движении спутника по орбите. При очередном пролете спутника над наземными измерительными станциями "запомненная" информация передавалась на Землю.
Имеющаяся на спутнике система измерения температур непрерывно регистрировала температуру в различных точках поверхности спутника и внутри него.
Для автоматического управления работой всей научной и измерительной аппаратуры, периодических ее включений и выключений, на спутнике установлено электронное программно-временное устройство, выполненное целиком на полупроводниковых элементах. Это устройство также периодически выдавало с большой точностью отметки времени, что было необходимо для последующей привязки результатов научных измерений к астрономическому времени и географическим координатам. Энергопитание аппаратуры спутника осуществлялось от электрохимических источников тока и полупроводниковой солнечной батареи. Солнечная батарея размещена в виде отдельных секций на внешней поверхности корпуса спутника. Четыре малых секции установлены на переднем днище, четыре секции - на боковой поверхности и одна секция - на заднем днище.
Все секции включались параллельно друг другу через диоды. Такая схема солнечной батареи обеспечивала ее нормальную работу независимо от ориентации спутника относительно Солнца.
Для обеспечения стабильного температурного режима на спутнике имелась система терморегулирования, которая значительно усовершенствована по сравнению с системами терморегулирования двух первых спутников. Регулирование теплового режима осуществлялось путем изменения принудительной циркуляции газообразного азота в спутнике, а также изменением коэффициента собственного излучения его поверхности. С этой целью на боковой поверхности спутника установлены жалюзи, состоящие из 16 отдельных секций, которые открывались и закрывались автоматически от системы терморегулирования.
Установленное на спутнике радиопередающее устройство "Маяк" непрерывно излучало сигналы в виде телеграфных посылок на частоте 20,005 Мгц. Сигналы его могли приниматься как специальными станциями, так и с помощью обычных коротковолновых радиоприемников. Мощность излучения, равная 0,25 вт, обеспечивала прием на расстояниях, составляющих многие тысячи километров.
Радиопередающее устройство "Маяк" состояло из двух передатчиков - основного и резервного. Высокочастотная часть каждого из передатчиков имела задающий генератор с кварцевой стабилизацией и два каскада усиления. В случае появления какой-либо неисправности в основном передатчике включение резервного передатчика должно было осуществляться специальным коммутационным устройством. Однако переход на резервный передатчик в полете не производился, поскольку основной передатчик работал надежно.
Питание радиопередатчика осуществлялось в основном от солнечной батареи, а в периоды нахождения спутника в земной тени - от электрохимических источников тока. Переход от одного вида питания к другому осуществлялся автоматически. Напряжение солнечной батареи при освещении одной из ее секций Солнцем превышало напряжение электрохимических источников тока. Поэтому их энергия в эти периоды не расходовалась. При попадании спутника в тень Земли напряжение на солнечной батарее падало и ток для питания передатчика поступал от электрохимических источников.
По радиоканалу передатчика "Маяк" передавалась информация о работе солнечных батарей и данные о космическом излучении. Сигналы его имели вид, представленный на рис. 90. За маркерной посылкой длительностью 300 миллисекунд следуют три посылки переменной длительности. В случае работы радиопередатчика от солнечных батарей длительность первой из посылок, следующей за маркерной, составляла 150 миллисекунд, а при питании от химических источников тока - 50 миллисекунд. Показания счетчиков космических лучей передавались путем изменения длительности второй и третьей посылок со 150 до 50-100 миллисекунд. Замеренная на спутнике интенсивность космических лучей определялась частотой изменения характера посылок.
Рис. 90. Форма сигналов радиопередающего устройства 'Маяк': вверху - при работе от солнечной батареи; внизу - при работе от химических источников тока (А - маркерные импульсы)
Орбиты советских искусственных спутников
Первый советский искусственный спутник Земли был выведен на орбиту с высотой перигея 228 км и высотой апогея 947 км. Период его обращения вокруг Земли непосредственно после выведения составлял 96,17 мин. За сутки спутник совершал около 15 полных оборотов вокруг Земли.
Вследствие вращения Земли на каждом следующем витке спутник оказывался над другим районом, смещаясь по долготе примерно на 24° к западу. Кроме того, плоскость орбиты прецессировала в направлении с востока на запад со скоростью около 3° в сутки (примерно четверть градуса за один оборот спутника). В результате каждый следующий виток проходил западнее предыдущего на широте Москвы примерно на 1500 км. В экваториальной области расстояние (по долготе) между смежными витками составляло более 2500 км.
Угол наклонения орбиты к плоскости земного экватора равнялся 65°. В соответствии с этим трасса спутника проходила над районами Земли, находящимися приблизительно между Северным и Южным полярными кругами. Вследствие вращения Земли угол наклона трассы к экватору отличался от наклонения орбиты и составлял около 69°.
Степень торможения спутника в атмосфере может быть охарактеризована изменением периода его обращения за определенный промежуток времени. Для первого спутника период обращения вокруг Земли в начале его существования уменьшался за сутки примерно на 1,8 сек.
Ракета-носитель вначале двигалась по орбите, практически совпадающей с орбитой спутника. Однако степень торможения ее примерно вдвое превышала степень торможения спутника. Вследствие этого изменение их скоростей происходило неодинаково, и параметры их орбит (высота апогея и период обращения) постепенно стали все больше и больше различаться. Большая степень торможения ракеты-носителя привела к тому, что высота ее орбиты и период обращения сделались меньше, чем высота орбиты и период обращения спутника: за один и тот же промежуток времени ракета совершала по орбите больше оборотов, чем спутник. Таким образом ракета-носитель стала опережать спутник. 11 октября 1957 г. ракета-носитель опережала спутник примерно на 2 мин. (около 1000 км), утром 13 октября - на 5 мин. (2500 км), а вечером 15 октября - на 10 мин. 28 октября ракета-носитель догнала спутник, сделав на один оборот больше. К 9 ноября высота апогея орбиты первого спутника уменьшилась до 810 км, а высота апогея ракеты-носителя - до 695 км. К 20 часам 9 декабря первый спутник совершил 1000 оборотов вокруг Земли. Период его обращения к этому времени уменьшился на 3,5 мин., а высота апогея орбиты составляла около 600 км.
Различная степень торможения спутника и ракеты-носителя привела к различному времени их движения по орбите. Ракета-носитель первого спутника продолжала свое движение по орбите до конца ноября 1957 г. 30 ноября было отмечено заметное уменьшение периода ее обращения и высоты. Особенно интенсивное снижение происходило 1 декабря по трассе, проходящей через район г. Иркутск - Чукотский полуостров - Аляска и далее вдоль западного побережья Америки. При этом ракета-носитель начала входить в плотные слои атмосферы, сгорать и разрушаться.
Первый спутник просуществовал как космическое тело в течение 92 суток, совершив около 1400 оборотов вокруг Земли. По данным наблюдений и траекторных расчетов установлено, что 4 января 1958 г. он вошел в плотные слои атмосферы и прекратил свое существование.
Второй советский искусственный спутник был выведен на орбиту с высотой перигея 225 км и высотой апогея 1671 км. Период его обращения вокруг Земли непосредственно после выведения равнялся 103,75 мин., а уменьшение периода составляло 3,08 сек. в сутки. Угол наклонения орбиты был равен 65°.
Вследствие увеличенного периода обращения второй спутник в начале своего существования совершал за сутки около 14 полных оборотов вокруг Земли. Смещение каждого следующего витка по долготе для второго спутника было примерно на 1/15 больше, чем для первого спутника. На такую же величину возросло и расстояние на поверхности Земли между трассами двух соседних витков.
Второй искусственный спутник прекратил свое существование 14 апреля 1958 г., совершив около 2370 оборотов вокруг Земли. Время его существования таким образом составило более 5 месяцев.
При запуске третьего советского искусственного спутника 15 мая 1958 г. он был выведен на орбиту с высотой перигея 226 км и высотой апогея 1881 км. Угол наклонения орбиты, как и при запуске первых спутников, составил 65°. Период обращения спутника вокруг Земли в начале движения был равен 105,95 мин.
Данные измерений, проведенных после запуска, показали, что время существования третьего спутника будет значительно большим, чем время существования двух первых спутников. В частности, об этом свидетельствовало весьма медленное убывание периода обращения третьего спутника, которое в начале его движения составляло около 0,75 сек. в сутки. Для его ракеты-носителя уменьшение периода характеризовалось величиной 2,1 сек. в сутки.
3 декабря 1958 г. ракета-носитель третьего искусственного спутника, совершив 2907 оборотов вокруг Земли, вошла в плотные слои атмосферы и прекратила свое существование.
18 декабря 1958 г. через 218 суток после запуска, третий спутник совершил 3000 оборотов вокруг Земли. Период обращения спутника уменьшился на 3,71 мин. и стал равным 102,24 мин. Высота апогея орбиты уменьшилась до 1530 км, а суточное уменьшение периода обращения возросло до 1,5 сек.
15 июля 1959 г. третий спутник совершил 6000 оборотов. Период его обращения уменьшился до 98,45 мин., а высота апогея орбиты - до 1175 км. 1 февраля 1960 г. спутник совершил 9000 оборотов по орбите. Период его обращения к этому времени стал равным 92,85 мин., а высота апогея составляла 640 км. 6 апреля 1960 г. третий советский спутник вошел в плотные слои атмосферы и прекратил свое существование. Спутник находился в полете в течение 691 суток. Последние ради