«Шарики», которые стали «кубиками»

В нашей статье мы попытаемся, используя «магическое стекло», заглянуть на шесть десятилетий назад и воссоздать обстоятельства, при которых родился новый класс устройств, которые в наши дни превратились в очень интересную категорию массовых, «доступных и понятных» спутников, часто предназначенных для того, чтобы широкий круг людей смог своими руками «пощупать» космос.

⇡#Часть I. Родословная наноспутников: древнейшие времена

Термин «наноспутник» стал в наши дни настолько популярен, что им, кажется, пытаются обозначить уже любой космический аппарат малых массогабаритных характеристик. Но к последним относится всё, что активно работает в космосе и весит менее 1000 кг, при этом собственно наноспутники (массой от 1 до 10 кг) отнюдь не самые маленькие представители этого семейства. Легче их совсем малюсенькие, класса «фемто» (до 0,1 кг) и «пико» (от 0,1 до 1 кг), а тяжелее – «микро» (от 10 до 100 кг), «мини» (от 100 до 500 кг) и, наконец, «малые» космические аппараты, почти неотличимые от «больших» спутников.

Наноспутники делят малые космические аппараты на две группы по возможности коммерческого применения: всё, что меньше, по большей части непригодно для практического использования (это скорее игрушки или «летающие учебные пособия»), а всё, что крупнее, напротив, находит всё более широкое применение в прикладном, научном и оборонном космосе. Однако по мере развития технологий наноспутники имеют все шансы занять свою нишу на космическом рынке.

Предпосылки появления современных наноспутников имеют техническую и экономическую основу. Стремительная миниатюризация электронных компонентов, а также развитие микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволили резко снизить массу космических аппаратов, одновременно обеспечив им вполне достойную функциональность. Уже сейчас считается возможным создать спутник дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с оптоэлектронной системой получения изображений метрового разрешения, обладающий массой всего около 20 кг.

Эксперты оценивают возможность создания полноценного спутника ДЗЗ с разрешением оптики порядка 1 м при массе 20-25 кг. На фото – «Аврора» российской компании «СПУТНИКС »

Уменьшение размеров и массы снижает не столько собственную стоимость спутников, сколько затраты на запуск: малые и сверхмалые аппараты можно отправлять в космос «пачками» в кластерных запусках либо на ракетах гораздо меньшей грузоподъемности, чем раньше. Считается, что небольшой спутник можно изготовить гораздо быстрее – не за многие годы, а за месяцы. Для военных это открывает перспективы «запуска по вызову», повышая оперативность получения разведданных или открытия нового канала связи. Ещё большие перспективы может открыть применение «роя» наноспутников – орбитальных группировок, в которых функции распределены между группами аппаратов: одни отвечают за выработку электроэнергии и передачу её остальным членам «роя», другие – за связь, третьи – за выполнение основной задачи. Живучесть такой группировки будет чрезвычайно высока: выход из строя одного или даже нескольких аппаратов практически не скажется на качестве функционирования «роя».

Бурное развитие наноспутников началось с внедрения стандарта «кубсат» (CubeSat), разработанного в 1999 году Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами. Стандартный кубический модуль со стороной 10 см и массой около 1 кг стал «кирпичиком», из которого можно собирать простейшие (и не очень) спутники разнообразного назначения. Однако появление «кубсатов» знаменует собой не рождение, а ренессанс космических аппаратов этого класса. Ведь они – ровесники космической эры: первые национальные искусственные спутники всех стран являлись малыми, а уж самые первые американские Explorer и Vanguard можно смело отнести к наноспутникам. Причины здесь были всё те же – экономические и технические. Но если характеристики современной космической техники являются следствием развития технологий, то самые первые спутники несли, прежде всего, печать скромных возможностей первых ракет-носителей.

Размеры первых спутников определялись не желанием снизить расходы на запуск, а скромными возможностями средств выведения начала космической эры

⇡#Истоки, прототипы и президент Эйзенхауэр

Соединённые Штаты начали исследовать проблемы искусственных спутников Земли сразу после окончания Второй мировой войны – в докладе, подготовленном в мае 1946 года, сотрудники компании Douglas Aircraft, нанятые по специальному правительственному контракту, рассмотрели как технические, так и (что интереснее) политические аспекты проблемы. Отчёт утверждал буквально следующее: «Страна, которая первой достигнет значительных успехов в области космических полётов, будет признана в качестве мирового лидера в военной и научной областях». Заметим: в Советском Союзе в те годы подобная проблематика исследовалась лишь энтузиастами (например, из группы М. К. Тихонравова в НИИ-4 Министерства обороны), да и то обычно без оценки политического влияния на общество.

Однако к непосредственному решению задачи американцы приступили лишь тогда, когда ракетная техника достигла уровня, позволяющего осуществлять орбитальные пуски. 34-й президент США Дуайт Эйзенхауэр (Dwight David Eisenhower) в июле 1955-го официально заявил, что в период с 1 июля 1957-го по 31 декабря 1958-го в рамках программы Международного геофизического года (МГГ), когда 67 стран на всём земном шаре будут проводить геофизические наблюдения и исследования по единой программе и методике, Америка намерена запустить искусственный спутник Земли. Чуть позже подобное заявление сделал и Советский Союз, но на него мало кто обратил внимание. Здесь стоит отметить удивительное равнодушие, ставшее одной из причин, по которым в начале космической эры американцы утратили первенство: советские заявления делались не кулуарно, в частных беседах, а вполне официально учёными, в том числе в прессе (например, в шестом номере журнала «Радио» за 1957 год публиковались радиочастоты и вид сигналов будущего спутника).

Президент Эйзенхауэр (на фото вручает награду Нильсу Бору) официально объявил о предстоящем запуске первого американского спутника в рамках МГГ

Следует указать, что интерес к данной тематике проявляли военные – ВМС, ВВС и даже сухопутные войска (Армия) США – каждый род войск имел свою ракетно-космическую программу (в частности, армейцы продвигали проект бывшего немецкого, а теперь видного американского ракетчика Вернера фон Брауна (Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun), который предлагал создать космический носитель на основе баллистической ракеты Redstone), и генералы требовали допуска к активному участию в МГГ. Но Эйзенхауэр эти соображения отверг: по его мнению, американский спутник, официально подготавливаемый к запуску, «должен использоваться исключительно для научных целей, а его существование не определяется агрессивностью намерений».

На деле же красивые слова прикрывали находящуюся в стадии реализации секретную программу WS-117, которая была направлена на создание спутника-шпиона, запускаемого с помощью мощного носителя на базе баллистической ракеты Thor. Белый дом, обеспокоенный возможной острой реакцией русских на военные аппараты, пересекающие пространство над Советским Союзом, предполагал сначала вывести на орбиту чисто «гражданский» и «научный» спутник с тем, чтобы советскому военно-политическому руководству нечего было возразить (ведь подобные запуски официально заявлялись в программе МГГ), установив, таким образом, прецедент «открытого космоса» (превалирование космического пространства над государственными границами).

Кроме того, советники Эйзенхауэра считали, что разработчиков американских дальних ракет нельзя отвлекать на эфемерные гражданские проекты, поскольку выгоды, полученные военными от невоенной космической программы, не оправдают потребных затрат. Первые баллистические ракеты были в дефиците, и Администрация не желала растрачивать их на такие «мелочи», как мирный космос…

Эйзенхауэр запретил военным участвовать в подготовке запуска первого спутника. Впрочем, запрет продержался недолго. На фото – участок сборки баллистических ракет Redstone

Как бы то ни было, но 26 мая 1955 года Совет национальной безопасности (US National Security Council) принял решение №1408, одобряющее национальную космическую программу (при условии, что она не будет мешать созданию боевых баллистических ракет) и рекомендующее Соединённым Штатам «запустить малый научный спутник под международным покровительством МГГ, подчеркивающим его мирное назначение...».

Однако к лету 1955 года «невоенных» ракет с необходимыми характеристиками в США не было, и Комитет по специальным средствам Минобороны (US DOD Committee on Special Capabilities) вынужден был рассматривать… военные предложения по запуску гражданского спутника. В августе приоритет отдали проекту, восходящему к работам Военно-морской исследовательской лаборатории NRL (Naval Research Laboratory) по оценке возможности использования высотных ракет Viking и Aerobee для испытаний баллистических боеголовок при входе в атмосферу.

Фирма Glenn L. Martin (ныне – Lockheed Martin) построила одноступенчатый Viking для NRL в качестве замены более дорогой германской ракеты А-4 при изучении верхних слоёв атмосферы и ближнего космического пространства. Изделие имело продвинутую конструкцию: качающийся в кардане двигатель для управления вектором тяги, несущие топливные баки (сначала – один, а потом оба) из алюминиевого сплава, отделяемую головную часть и газовые сопла для стабилизации аппарата в пассивном полёте. С 3 мая 1949 года по 4 февраля 1955 года с переменным успехомпроведено 12 попыток пусков ракет данного типа. 24 мая 1954 года Viking 11 достиг высоты 158 миль (254 км), поставив рекорд для одноступенчатой ракеты, запущенной на Западе.

Ракета Viking строилась как недорогая замена А-4 (на цветном фото немецкое изделие стоит позади американского аналога)

Фирма Aerojet Engineering (в настоящее время – корпорация Aerojet Rocketdyne) спроектировала лёгкую двухступенчатую Aerobee по контракту, полученному от ВМФ, и при техническом руководстве Лаборатории прикладной физики APL (Applied Physics Laboratory) университета Джонса Хопкинса. Различные варианты ракеты широко эксплуатировались с 1947 по 1985 год.

Секретный отчёт «Изучение научного спутника» (A Scientific Satellite Study), который NRL выпустила совместно с фирмой Glenn L. Martin, показывал, что соединение этих двух изделий с новой третьей ступенью вполне позволяло довести скорость входа экспериментальной боеголовки в атмосферу до 8 км/с или… запустить на орбиту небольшой спутник.

Комитет по специальным средствам выбрал проект NRL, поскольку та обещала сделать следующее:

• запустить искусственный спутник в период МГГ;
• выполнить на орбите научные эксперименты;
• путем слежения обеспечить объективное доказательство достижения орбиты.

Основой проекта, утверждённого 9 сентября 1955 года, стала специально разработанная ракета-носитель, способная вывести аппарат массой порядка 22 фунтов (до 9,8 кг) на орбиту с перигеем 483 км (300 миль). Первую попытку орбитального запуска предполагали осуществить в мае 1957 года. Конкурирующий армейский проект Orbiter, подготовленный командой Вернера фон Брауна, на тот момент отвергли.

К марту 1956 года утряслись не только основные технические параметры проекта, но и структура менеджмента: стало понятно, что ни одно из существующих подразделений NRL такую масштабную задачу решить не способно. В итоге лаборатории пришлось сформировать специальную группу во главе с Джоном Хагеном (John P. Hagen); техническим директором проекта выбрали Милтона Розена (Milton Rosen) из фирмы Martin, ранее работавшего в проекте Viking. Название Vanguard («Авангард»), придуманное супругой Розена Джозефиной, официально приняли 16 сентября 1956 года.

Джон Хаген демонстрирует макеты аппаратов, ракеты-носителя и траекторию движения будущих спутников. На карте обозначены станции слежения

⇡#Ракета, наземка и спутник

Ключевым элементом всего проекта была ракета-носитель – без неё спутник не мог оказаться на орбите. Исходя из установок администрации Эйзенхауэра на минимальные затраты, она должна была иметь минимальные размеры, определяемые, прежде всего, возможностями привлекаемой матчасти.

В самом начале NRL рассматривала два варианта носителя: М10 на основе усовершенствованной ракеты Viking, дополненной двумя вновь разработанными пороховыми верхними ступенями, и М15, который содержал некоторые элементы первого варианта, но наращивался двухступенчатой ракетой Aerobee, которая к тому времени находилась в разработке. М15, казавшийся менее рискованным и более гибким, взяли за основу носителя Vanguard.

Высотная ракета Aerobee должна была образовать верхние ступени носителя

Первые прикидки показали, что при стартовой массе порядка 9-11 т (20-25 тысяч фунтов) трёхступенчатый «минимальный носитель» на базе указанных выше изделий способен вывести на орбиту минимальный спутник... массу которого без оптимизации конструкции ракеты определить было трудно.

Здесь вновь следует вспомнить, что первые американские межконтинентальные баллистические ракеты Atlas и Titan имели стартовую массу порядка 100 т и для декларированных Эйзенхауэром задач (как для легендирующих, так и для реально решаемых на первых порах) казались избыточно мощными и очень дорогими, вследствие чего проектирование специального небольшого носителя выглядело вполне разумным. Но именно это решение сразу же замедлило разработку, поскольку основные силы ракетчиков были брошены именно на боевую тематику.

Изначально Розен планировал привлечь к проекту Vanguard весь костяк программы Viking. Первую американскую высотную ракету создали и отработали за пять лет при общих расходах $ 6 млн, однако к тому времени группу её проектантов в компании Glenn L. Martin расформировали и большинство специалистов направили в другие программы, например на проект Titan для ВВС. Поскольку разработка «минимального носителя» не должна была воздействовать на военные ракетные программы, NRL пришлось полагаться на собственный опыт и остатки группы на фирме Glenn L. Martin.

Препарированная ракета Viking в планетарии

Что же представлял собой первый в мире «наноноситель»? Это была трёхступенчатая ракета высотой 22,8 м (75 футов), максимальным диаметром 1,14 м (3,74 фута) и стартовой массой около 10 т (22 тысячи фунтов), скомпонованная по последовательной – тандемной – схеме.

Первая ступень – модифицированный Viking с удлинёнными баками. Упоминавшийся выше секретный отчёт NRL рекомендовал в космическом носителе заменить штатный кислородно-спиртовой мотор с турбонасосной подачей компонентов топлива более мощным и экономичным кислородно-керосиновым, что и было реализовано: для «Авангард» двигатель X-405 сделала фирма General Electric.

Фирма General Electric заменила штатный двигатель ракеты Viking (слева) новым, более мощным и экономичным

Вторую ступень разрабатывали заново, поскольку первоначально планировавшаяся ракета Aerobee Hi оказалась слишком слабой. Ступень оснастили двигателем, работающим на долгохранимом топливе с вытеснительной подачей компонентов – белой дымящей азотной кислоты (окислитель) и несимметричного диметилгидразина (горючее, известное отечественным ракетчикам под загадочным и страшным для обывателей обозначением «гептил»).

Твердотопливную третью ступень спроектировали специально. Первоначально разработчики пытались заказать «пороховик» у Thiokol Chemical, но фирма не смогла соблюсти требования, поставленные проектантами. Пришлось искать новых подрядчиков. В итоге выбрали изделия Grand Central Rocket (GCR) и Аллеганской баллистической лаборатории ABL (Allegheny Ballistic Laboratory), которая являлась филиалом фирмы Hercules Powder. В декабре 1955 года было решено: двигатель сделает компания GCR, а ABL подстрахует.

Программа Vanguard предусматривала использование двух вариантов твердотопливного двигателя третьей ступени

Несмотря на то, что для носителя выбирались наиболее простые решения, большое внимание уделялось «культуре веса»: принятая размерность ракеты и не слишком высокое совершенство двигателей не позволяли конструкторам никаких вольностей – лишний десяток фунтов легко мог стоить успеха миссии. Приходилось идти на хитрости «на грани фола», чтобы уложиться в жёсткие лимиты. Например, сэкономить 32 кг (71 фунт) массы второй ступени удалось путём изменения теплового режима сферического баллона для вытеснительного газа. Ещё 27,2 кг (60 фунтов) дала замена алюминием стали и никелевого сплава в конструкции двигателя той же ступени. Но последняя экономия была достигнута ценой огромных проблем изготовления и пайки трубок («соломинок»), из которых собиралась камера, и резкого сокращения времени работы из-за возможности перегрева.

Vanguard оснащался довольно сложной инерциальной системой управления ракетой на участке работы первых двух ступеней. Третья ступень стабилизировалась вращением. Точность выведения при такой схеме не слишком высока, зато не надо тащить на орбиту тяжёлую систему управления.

Система управления ракетой-носителем устанавливалась на второй ступени; третья ступень была неуправляемой и перед включением стабилизировалась закруткой

Для пусков космического носителя предполагалось использовать часть стартового комплекса ракеты Thor, строящегося с 1954 года на территории, принадлежащей авиабазе Патрик и расположенной на атлантическом побережье штата Флорида, к востоку от острова Меррит, на мысе Канаверал. Поскольку до пусков основного изделия оставалось ещё несколько лет, было решено на базе одной из двух пусковых площадок организовать старт, причём мобильную башню обслуживания не строили заново, а перевезли с полигона Уайт-Сэндз в Нью-Мексико, где та служила для подготовки ракет Viking. «Чердак» башни переделали для доступа к верхним ступеням и полезной нагрузке носителя Vanguard.

В 1955 году корпорация Bendix получила контракт на создание системы мониторинга пусков баллистических ракет, которая могла служить для определения параметров орбиты спутника. Довольствуясь маломощными лёгкими маяками и ответчиками, установленными на ракете или спутнике, система Minitrack (Minimum Weight Tracking System) работала на частоте 108 МГц, позволяя отследить объект на максимальной дальности до 2400 км (1500 миль) и засечь его координаты и параметры движения. Наземную часть системы представляли антенные поля для радиоизмерений разностно-дальномерным способом.

Центральным узлом системы должны были стать передатчики системы Minitrack для определения параметров орбиты спутника

Первая станция Minitrack была построена в Блоссом-Пойнт в штате Мэриленд и введена в эксплуатацию в июле 1956 года. Для выполнения измерений орбиты спутника требовалось несколько приёмников. К ноябрю 1957 года сеть уже включала десять станций, к которым постоянно добавлялись другие. Была также развёрнута сеть пунктов оптического наблюдения и приёмников телеметрической и научной информации.

Параллельно велось проектирование космического аппарата. Его облик в значительной степени определила Техническая комиссия по спутнику (Technical Panel of the Earth Satellite Program) при Комитете по МГГ в Национальной академии наук США, возглавляемая известным инженером Ричардом Портером (Richard W. Porter). Комиссия отвергла первое предложение сделать спутник коническим и рекомендовала выполнить его в форме полированной сферы диаметром 76 см (30 дюймов) для исследования плотности верхней атмосферы. Позднее было решено уменьшить диаметр сферы до 51 см (20 дюймов).

Демонстрационная модель спутника Vanguard диаметром 20 дюймов

Проектанты предложили реализовать широкую программу научных исследований в космосе, используя «стандартизированный» корпус спутника с алюминиевой оболочкой толщиной 0,5 мм. Для соблюдения теплового режима работы электронной «начинки» сфера была покрыта тонкой плёнкой полированной окиси алюминия снаружи и позолочена изнутри. Следует помнить, что ни одна разработка той поры в авиации и ракетной технике не ставила столь противоречивых требований с точки зрения прочности, долговечности работы в условиях вакуума и термоциклирования, технологичности, надёжности и малой массы.

Блок радиоэлектроники и приборов был установлен в центре сферы и представлял собой цилиндр, подвешенный на каркасе из металлических трубочек «паутинной» толщины внутри герметичного корпуса спутника, заполненного инертным газом (азотом). Каркас изолировался от внешней оболочки с помощью тефлоновых прокладок – «термомостов».

Компоновка «стандартного» спутника Vanguard

В нижней части цилиндра размещалась батарея ртутных гальванических элементов, позволяющая снабжать приборы спутника электроэнергией в течение нескольких недель. Выше располагалась стопка круглых печатных плат (одно- и двухсторонний навесной монтаж, кремниевые и германиевые транзисторы, близкие по конфигурации к деталям потребительского сегмента электроники) системы терморегулирования, слежения (Minitrack), телеметрической аппаратуры и экспериментальных приборов.

Под цилиндром располагался узел разделения – подпружиненная трубка с таймером, отталкивающая спутник от отработанной третьей ступени ракеты после достижения орбиты. В верхней части сферы стоял манометр, снаружи на шарнирах торчали вверх четыре подпружиненных металлических стержня длиной по 76 см (30 дюймов). После выхода на орбиту они поворачивались на 90 градусов в радиальном направлении, образуя турникетную антенну из четырёх диполей.

Радиосвязь была представлена телеметрическим передатчиком мощностью 1 Вт, работающим на частоте 108,03 МГц, включаемым по сигналу от наземной станции, и маяком мощностью 10 мВт, работающим на частоте 108 МГц, который посылал непрерывный сигнал для отслеживания системы Minitrack. Командный приёмник использовался для включения бортового магнитофона 50-минутной ёмкости, который ретранслировал данные экспериментального оборудования через телеметрический передатчик.

Печатные платы с передатчиком системы Minitrack

Из-за ограниченной (до 10 кг – 22 фунтов) массы спутника внутри контейнера можно было разместить не более 1 кг научных приборов, датчики которых выносились на внешнюю оболочку. Этот лимит строго ограничивал виды выполняемых экспериментов.

Научные результаты программы пусков ракеты Viking (на них выросло отделение оптико-электроники лаборатории NRL) позволили учёным предложить для программы Vanguard микроминиатюрные (для своего времени) ионные камеры и счётчики фотонов для измерения излучения от Солнца в рентгеновских и ультрафиолетовых диапазонах, а также блок предварительного расчёта угла сопровождения для системы Minitrack для непрерывного слежения за малыми «кооперирующимися» (отвечающими на радиосигналы) объектами в космосе. В конечном итоге для запуска в рамках программы Vanguard были отобраны пять комплектов («пакетов») научных приборов.

Внутреннее устройство и размещение приборов понятно из демонстрационной модели «стандартного» спутника Vanguard

«Пакет I» нёс Лайман-альфа-детектор для измерения солнечного излучения в диапазоне от 110 до 130 нм от ультрафиолетовой области спектра и датчики изучения внешней среды – термисторы для измерения температуры оболочки спутника и окружающего пространства, а также датчики давления (упомянутый выше манометр), чтобы определить, способен ли микрометеорит пробить наружную оболочку. В качестве резерва в «Пакете Ia» были детекторы измерения рентгеновского излучения Солнца в диапазоне от 0,1 до 0,8 нм в дополнение к датчикам состояния окружающей среды.

«Пакет II» включал аппаратуру для получения первых в мире (хотя и довольно грубых) изображений облачного покрова Земли: картинка образовывалась при сканировании пространства фотоэлементами вращающегося (закрученного) спутника в сочетании с его движением по орбите.

«Пакет IV» использовал детекторы для измерения инфракрасного излучения от поверхности Земли и атмосферы в целях определения радиационного баланса планеты – ключевой информации, необходимой для изучения погоды и климата.

«Пакет III» предназначался для «нестандартного» спутника Vanguard. Основная сфера аппарата выполнялась из диэлектрического стекловолокна и имела уменьшенный до 33 см диаметр. Снаружи на непроводящей подставке крепился магнитометр, вынесенный подальше от приборного контейнера для выполнения точных измерений магнитного поля Земли. Снаружи в основание сферы укладывалась дополнительная полезная нагрузка – надувной шар диаметром 76 см из пластиковой плёнки, покрытой слоем алюминия и надуваемой уже на орбите. Следя за блестящим шаром с помощью оптики, можно было точнее определить плотность верхних слоёв атмосферы.

Для проверки способности выдерживать высокие температуры от воздействия прямого солнечного света в космосе, испытатели подвергали 30-дюймовый «субспутник» нагреву до 230 °С. Оказалось, что майларовая плёнка с алюминиевым покрытием способна эффективно отражать опасное тепло

Столь тщательное перечисление «начинки» будущих «Авангардов» необходимо для того, чтобы вспомнить – ни бытовая, ни военная электроника второй половины 1950-х не отличалась особой компактностью даже в Америке…