1958 год. Тайны орбиты
Третий спутник
Воодушевленное широким мировым резонансом, советское руководство не поскупилось на награды для создателей первых искусственных спутников. В декабре 1957 года на работников ракетно-космической отрасли посыпались ордена и премии. Пользуясь моментом, Сергей Павлович Королев добился отдельного постановления о выделении средств на расширение Подлипок-Калининграда, на постройку дворца культуры, стадиона, плавательного бассейна, музыкальной школы, больницы, детского сада, новых магазинов. Дворец культуры имени Калинина заложили в 1958 году, и Королев самолично участвовал в церемонии. Главный конструктор полюбил город, в котором пришлось жить и работать.
Настало время запускать орбитальную лабораторию "Объект Д" – первый спутник, который волею судьбы стал третьим. Для этого на базе "Р-7" была разработана ракета, которая отличалась от исходной форсированной тягой двигательных установок. Материальную часть изготавливал Опытный завод ОКБ-1. Плотное размещение большого количества чувствительной аппаратуры потребовало тщательной проработки компоновки спутника с целью исключения взаимного влияния отдельных приборов.
Многие технологии использовались впервые, а пройдя проверку на "Объекте Д", нашли применение в конструкции пилотируемых космических кораблей. К примеру, помимо химических аккумуляторов, спутник был оснащен секциями полупроводниковых солнечных батарей. Во избежание перегрева, погубившего Лайку, регулирование температуры внутри герметичного корпуса осуществлялось принудительной циркуляцией теплоносителя (газообразного азота), а главное – изменением коэффициента собственного излучения: с этой целью на боковой поверхности спутника установили шестнадцать секций автоматически управляемых жалюзи.
Особое внимание было уделено системам сбора, обработки, хранения и передачи информации. Ведь спутник нес на себе двенадцать научных приборов, умевших измерять давление, ионный состав атмосферы, напряженность электростатического и магнитного полей Земли, интенсивность корпускулярного излучения Солнца, интенсивность первичного космического излучения, регистрировать ядра тяжелых элементов в космических лучах и удары микрометеоров.
Сбор информации в интересах Академии наук возлагался на наземный Контрольно-измерительный комплекс, который наконец-то получил возможность продемонстрировать свои возможности. Прежде всего была усовершенствована система связи. Если при запуске первого спутника центральный узел связи располагался на Научно-измерительном пункте № 1 (НИП-1) в Тюра-Таме, то при полете второго эти функции взял на себя специально оборудованный узел в Генеральном штабе, а перед стартом "Объекта Д" центральный узел получил собственное помещение в Москве (здание на Гоголевском бульваре, дом 6).
Особого внимания заслуживает аппаратура командной станции МРВ-2М, которая была сконструирована в НИИ-648 под руководством Николая Ивановича Белова на основе серийного минного радиовзрывателя MPB-2, оснащенного всенаправленной антенной. Станция могла передавать 20 команд в диапазоне ультракоротких волн. "Объект Д" еще не был полноценным управляемым космическим аппаратом, но его оборудование позволяло использовать командную линию. Командная станция размещалась в фургоне на основе автомашины "ЗИС", располагала собственным электрогенератором и антенной. По прибытии в заданное место она разворачивалась и через полчаса была готова к работе. В эфир станция отправляла кодированные двумя частотами импульсные посылки, причем каждая команда имела свою комбинацию частот. Командная линия была совсем новым делом для космонавтики, а потому не обошлось без курьеза. Во время подготовки "Объекта Д" на технической позиции полигона Тюра-Там одновременно в системе Командно-измерительного комплекса проводилась тренировка – станция выдавала в эфир предписанные команды. Спутник, находящийся в Монтажно-испытательном корпусе, послушно выполнял их. Легко представить, какой шок испытали конструкторы, когда сначала по транспарантам на пультах, а затем по пленкам регистрации телеметрических параметров увидели сумбурную работу систем спутника. Выяснилось, что команды приходят из эфира. Представители спецслужб, работавшие на полигоне, заподозрили происки иностранных диверсантов. В результате автомашину станции МРВ-2М брали чуть ли не штурмом. К счастью, недоразумение быстро урегулировали.
В период с октября 1957-го по март 1958 года в Подлипках было изготовлено четыре ракетных пакета "Р-7": два отправлены на наземные стендовые испытания, а два (№ Б1-1 и Б1-2) – на полигон Тюра-Там. Первый пуск модифицированной ракеты № Б1-2 с объектом "Д-1" состоялся 27 апреля 1958 года, но спутник на орбиту не вышел из-за гибели носителя: на 89-й секунде возникли резонансные колебания боковых блоков, которые через семь секунд привели к разрушению ракеты. "Р-7" рухнула на территории полигона, в 100 км от старта. Спутник оторвался, упал отдельно и, видимо, поэтому уцелел. "Д-1" привезли в МИК и вскрыли. При этом несостоявшийся космический аппарат заискрил и полыхнул – произошло короткое замыкание проводов. Испытателям пришлось прибегнуть к огнетушителям, чтобы сбить огонь.
Борис Евсеевич Черток вспоминал:
"Келдыш и все молодое космическое научное сообщество были в трауре. Но Королев не сдался.
На заводе шла сборка дублера спутника. СП [Сергей Павлович] собрал всех своих приближенных, объявил, что, несмотря на неудачу, каждому выплачивается крупная премия при условии, что все остаются на полигоне и готовят следующий носитель. Пуск необходимо провести в середине мая. Он с Келдышем улетает в Москву для форсирования подготовки нового третьего спутника. Нелегкое это было решение, но выхода не было. Обязательства по пуску "научной лаборатории в космосе" уже были даны Хрущеву".
Наконец 15 мая 1958 года состоялся успешный пуск ракеты № Б1-2. Третий искусственный спутник Земли массой 1327 кг вышел на орбиту, близкую к расчетной (наклонение – 65,2°; высота перигея – 226 км; высота апогея – 1881 км; период обращения – 105,95 минуты). Он активно функционировал там до 3 июня 1958 года, а с орбиты сошел только 6 апреля 1960 года, совершив 10 037 оборотов вокруг Земли. С его многочисленных приборов была получена обильная телеметрия, а впоследствии – богатая научная "жатва".
Наверное, самое значительное открытие, сделанное "Объектом Д", связано с мощными радиационными поясами, о существовании которых наука до 1958 года даже не подозревала. Вновь обратимся к мемуарам Чертока:
"Одним из сенсационных результатов, полученных с помощью научных приборов третьего спутника, было открытие высокой концентрации электронов на больших высотах, за пределами уже известной ионосферы. Сергей Николаевич Вернов, профессор МГУ, автор этих исследований, объяснял это явление вторичной электронной эмиссией – выбиванием электронов из металла спутника при столкновении с частицами высоких энергий – протонами и электронами. Помню его восторженное сообщение по этому поводу на заседании у Келдыша, где отчитывались ученые по результатам научных исследований на третьем спутнике.
Однако американский физик Дж. Ван Аллен два года спустя доказал, что на самом деле то, что замерили приборы третьего спутника, есть не результат вторичной эмиссии, а регистрация первичных частиц ранее неизвестных радиационных поясов Земли. Поэтому американцы эти радиационные пояса назвали "поясами Ван Аллена". В оправдание Вернова надо сказать, что он ошибся по причине отказа на спутнике запоминающего устройства телеметрии. Вернов не имел возможности получить измерения радиационной активности по всему витку. Он получал измерения только в режиме непосредственного приема при пролете спутника над территорией СССР. Ван Аллен сделал свое открытие, пользуясь результатами измерений с американского спутника. Он показал, что существует область в околоземном пространстве, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны и альфа-частицы), обладающие большой кинетической энергией. Эти частицы не покидают околоземное пространство, находясь в так называемой магнитной ловушке.
Это открытие стало большой научной сенсацией. Для космонавтики оно имело важное практическое значение. Космические аппараты, орбиты которых проходили сквозь радиационные пояса, получали значительное облучение, в частности разрушение структуры фотоэлектронных преобразователей солнечных батарей. Для пилотируемых космических аппаратов длительное пребывание в этих поясах вообще считается недопустимым.
После опубликования открытий Ван Аллена решили, пусть с опозданием, исправить ошибку, допущенную по вине отказа запоминающего устройства на третьем спутнике. В нашей литературе радиационные пояса стали называть поясами Ван Аллена – Вернова.
Эта история была хорошим уроком для ученых, показавшим, насколько необходима надежная работа приборов непосредственного измерения и бортовых служебных систем для хранения и передачи на Землю полученных ими данных. К сожалению, надежность приборов для научных исследований и в последующие годы оставалась слабым местом нашей космонавтики".
Помимо научных результатов, первые советские спутники произвели колоссальный эффект, в корне изменив расклад сил на геополитической арене. Хотя американцам удалось запустить на орбиту сначала "Explorer", а потом и "Vanguard" (их масса – 13,9 и 1,47 кг соответственно), на фоне даже самого легкого "ПС" (83,6 кг) они просто терялись. Никита Сергеевич Хрущев иронизировал по этому поводу: "США придется запустить много спутников размером с апельсин, чтобы догнать Советский Союз".
Тем не менее американские военные специалисты, понимая свое отставание, собирались не только быстро догнать, но и обогнать советских конкурентов. В апреле того же 1958 года Управление баллистических ракет ВВС США выпустило первый долгосрочный план развития пилотируемых космических программ. Программа должна была осуществляться в четыре этапа. Первая этап, названный "Человек в космосе как можно скорее" ("Man-in-Space-Soonest"), предусматривал подготовку и реализацию запуска обитаемой капсулы на орбиту: планировалось, что первоначально в космос будут запущены подопытные обезьяны, а лишь потом полетит человек. На втором этапе, "Человек в космосе осваивается" ("Man-in-Space-Sophisticated"), планировалось подготовить и запустить более тяжелую пилотируемую капсулу, способную находиться на орбите не менее 14 дней, – фактически орбитальную станцию. Третий этап, "Лунная разведка" ("Lunar Reconnaissance"), подразумевал мягкую посадку автоматической станции с научным оборудованием и телекамерой на Луну. В ходе реализации четвертого этапа, "Высадка человека на Луне и возвращение" ("Manned Lunar Landing and Return"), инженеры собирались построить огромный космический корабль, способный не только подняться в космос, но и облететь Луну, совершить мягкую посадку на ее поверхность, после чего вернуться назад. В меморандуме к программе прямым текстом говорилось, что первый этап может быть завершен уже к октябрю 1960 года. Интересно, что альтернативная космическая программа, вошедшая в историю как "Mercury", предусматривала полет американца на орбиту еще раньше – в течение первой половины 1960 года.
Как известно, ни один из этих планов не был реализован, в том числе и потому, что советские ракетчики и ученые приготовили своим соперникам еще множество удивительных сюрпризов.
Объект "Е"
Вклад Сергея Павловича Королева в дело создания космических ракет-носителей и первых спутников высоко оценили в научном мире. 20 июня 1958 года состоялось общее собрание Академии наук СССР, на котором главный конструктор был избран действительным членом (академиком) Отделения технических наук по специальности "Механика".
Сбылась его давняя мечта – отныне Королев мог спокойно заниматься космонавтикой. Правительство и ученые признали, что развитие этой новейшей области человеческой деятельности не менее важно, чем создание грозного оружия, обеспечивающего обороноспособность страны. И следующим этапом для Королева стала Луна.
Формирование конкретных советских планов по освоению Луны началось с письма, которое 28 января 1958 года Сергей Королев и Мстислав Келдыш направили в Центральный комитет КПСС. В тексте были сформулированы два главных пункта лунной программы: во-первых, попадание в видимую поверхность Луны, а во-вторых, облет Луны и фотографирование ее обратной стороны. Программа была одобрена Никитой Хрущевым, после чего началось воплощение проекта в реальные разработки.
В рамках программы рассматривалось несколько типов лунных станций: "Е-1" ("Луна-А") для попадания в Луну с доставкой на ее поверхность вымпела СССР (при скорости прилунения более 3 км/с); "Е-2" ("Луна-Б") для облета Луны и фотографирования ее обратной стороны с передачей изображения по радиоканалу на Землю; "Е-3" ("Луна-В") для попадания в Луну с фиксацией события яркой вспышкой на поверхности; "Е-4" ("Луна-Д") для попадания в Луну с применением термоядерного заряда.
Конструкторам предстояло преодолеть серьезное препятствие – чтобы вывести искусственный объект с околоземной орбиты на трассу к Луне, необходимо поднять его скорость с первой космической (7,91 км/с) до второй (11,2 км/с). Для выполнения этой задачи двух ступеней "Р-7" уже не хватало, требовалась третья ступень (разгонный блок).
Постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР № 343-166сс "О создании объекта "Е"" от 20 марта 1958 года предусматривалась разработка лунной станции и трехступенчатого носителя на основе серийной межконтинентальной ракеты "Р-7А" с целью достижения второй космической скорости и доставки станции на Луну (первый вариант) или облета ею Луны (второй вариант). Время на проектно-конструкторскую разработку, изготовление и отработку вновь было минимальным из возможных – Сергей Королев привычно опасался, что его опередят американские конкуренты.
Проект двигателя третьей ступени, названной блоком "Е", предложило воронежское Опытно-конструкторское бюро № 154 (ОКБ-154) под руководством Семена Ариевича Косберга. Двигатель "РО-5" (или "РД-0105"), работающий на привычных компонентах кислород – керосин, был создан и испытан в кратчайшие сроки – всего за девять месяцев! Рекорд объясняется тем, что у Косберга имелись в наличии почти все элементы для его сборки и тестирования, полученные в ходе работы над "Р-7".
Блок "Е" стартовал с центрального блока "А" (второй ступени) ракеты-носителя в "горячем" режиме, то есть двигатели блока в тот момент еще работали. Было понятно, что случайное повреждение центрального блока факелом может привести к непредсказуемым последствиям. Поэтому сверху на блоке "А" установили отражатель с жаростойким покрытием и ферменный переходный отсек.
После того, как вся эта кропотливая работа была завершена, 2 сентября 1958 года вышло постановление № 1014-483сс о пусках станций к Луне начиная с текущего месяца. Столь скорому появлению документа способствовали усилия американцев по завоеванию приоритетов в освоении космического пространства. Упустив первенство на этапе спутников, они ударно разработали космический аппарат "Pioneer", предназначенный для изучения Луны и окололунного пространства. 17 августа 1958 года с мыса Канаверал был даже осуществлен пуск аппарата этой серии массой 38 кг, однако взрыв ракеты "Thor" на 77-й секунде прервал его полет.
Советская межпланетная станция "Е-1", разработанная группой Глеба Юрьевича Максимова, была намного тяжелее (187 кг) и конструктивно походила на первый простейший спутник, представляя собой сферический контейнер из двух алюминиево-магниевых полусфер радиусом 400 мм, соединенных 48 болтами через шпангоуты. На верхней полусфере размещались четыре стержневые антенны радиопередатчика, две протонные ловушки для обнаружения межпланетного газа и два пьезоэлектрических "микрофона" для регистрации ударов метеоритных частиц. Полый алюминиевый штырь на полюсе верхней полусферы нес датчик для измерения магнитного поля Луны. На нижней полусфере размещались еще две протонные ловушки и две ленточные антенны радиопередатчика. Внутри контейнера на приборной раме закрепили два радиопередатчика, блоки приемников и телеметрии, научную аппаратуру и батареи.
Несмотря на тщательную отработку всех элементов космической системы, на начальном этапе советских ученых и конструкторов ждало разочарование. При пуске 23 сентября 1958 года станция "Е-1" погибла в результате развала ракетного пакета на 87-й секунде полета. 11 октября состоялся новый старт, и снова неудача: на 104-й секунде ракета разрушилась из-за возникновения резонансных вибраций конструкции от пульсаций давления в двигателях. Гибелью носителя закончился и пуск 4 декабря – тяга двигателей резко упала, поэтому аварийная система выключила их.
Только 2 января 1959 года к Луне стартовала ракета "Р-7А" с "Е-1", получившим в сообщении ТАСС название "Первая космическая ракета", а в печати – "Лунник" и "Мечта". Впервые в истории человечества рукотворный объект превысил вторую космическую скорость, развив 11,4 км/с.
После выключения двигателя блока "Е" произошло отделение станции. Дальнейший полет продолжали уже два тела – через 34 часа после старта они миновали цель на расстоянии 6400 км, проскочив расчетную точку раньше Луны, и вышли на гелиоцентрическую орбиту. Причиной "промаха" стало обычное разгильдяйство, связанное с празднованием Нового года. Представитель разработчика системы радиоуправления, выставляя 1 января плоскость антенн, ошибся по углу места на 2°, выставив 44° вместо 42°. Его никто не проконтролировал – "влияние" праздника. Во время полета данные от пеленгатора в счетно-решающее устройство поступали исправно, но параметр по углу места все время шел с ошибкой, воспринимаясь как отклонение ракеты вниз от расчетной траектории. Поэтому счетно-решающее устройство не выключало двигатель центрального блока, ожидая, пока данные по углу места не придут в пределы допуска. В результате двигатель отработал до исчерпания топлива, и блок "Е" стартовал из случайного района.
Впрочем, из любой оплошности всегда можно извлечь выгоду. Благодаря тому, что станция улетела в космос, удалось выяснить практическую дальность действия систем Командно-измерительного комплекса: она составила около 500 000 км. А советские официальные лица, не моргнув глазом, заявили, что полет мимо Луны был задуман изначально. Станция "Е-1" была названа "Луной-1" и объявлена "первой искусственной планетой Солнечной системы". Американцы смогли осуществить похожий запуск только через два месяца – 3 марта 1959 года американский аппарат "Pioneer 4" стал второй искусственной планетой.
Среди других научных результатов, полученных с помощью приборов, установленных на "Луне-1", были и такие, которые непосредственно затрагивали перспективы будущих пилотируемых межпланетных полетов. Например, в отчете, подготовленном 22 января, то есть через двадцать дней после старта "Е-1", для членов ЦК КПСС, находим следующий пассаж:
"По результатам измерений космических лучей получены новые данные, показывающие, что в межпланетном пространстве на очень больших расстояниях от Земли интенсивность космического излучения постоянна с точностью до 20 %. На высоте 2000 км зарегистрирована доза космического излучения порядка рентгена в час, а на высоте 100 000 км суммарная ионизация составляет 6×10рентгена в час. <…>