Американский спутник Эксплорер 01, 1. 02. 1958

Когда в июле 1955 г. президент США Дуайт Эйзенхауэр через своего пресс-секретаря объявил о том, что США в рамках участия в Международном геофизическом годе запустят маленькие беспилотные спутники, вращающиеся вокруг Земли, самих спутников еще не было. В сентябре 1955 г. аппарат Министерства обороны США во исполнение решения президента направил письмо министру Военно-морского флота США, в котором службам ВМФ разрешалось приступить к выполнению работ по программе «Авангард», т.е. к созданию и запуску нескольких спутников Земли. Конструктивно спутник «Авангард», весивший всего 9 кг, представлял собой маленькую металлическую сферу, к которой были прикреплены штыревые антенны, т.е. его конструкция была такой же, как у ПС-1, но он был существенно меньше и легче.
 
В 1956-1957 гг. американская программа «Авангард» широко освещалась и в официальных и в неофициальных источниках. По американскому обычаю реклама этого проекта шла впереди реальных дел, и американцы получали сведения о подробностях хода реализации проекта «Авангард», о его трудностях и его успехах. Все это время, как мы помним, в СССР шло строительство секретного объекта НИИП-5, и огромные научные силы, во главе с Сергеем Королевым создавали и ракету-носитель Р-7 и спутник ПС-1.

Вечером 4 октября 1957 г. буквально все жители Земли, за исключением некоторого количества жителей СССР, были застигнуты врасплох сообщением ТАСС о том, что вокруг Земли стал обращаться первый советский спутник весом 83,6 кг. Удивление, порожденное первым советским спутником, сопровождалось смятением в рядах многих западных политиков. Гениальный немецкий ракетчик Вернер фон Браун (1912-1977), с июня 1945 г. работавший в США, уже 5 октября 1957 г. пообещал через 60 дней запустить первый американский искусственный спутник Земли. Но выполнить свое обещание фон Браун не имел возможности по банальной бюрократической причине – контракт на запуск американского спутника был у ВМС США, и фон Брауну обещали разрешить запуск своего спутника, но только после запуска спутника «Авангард».

ВМС США должны были по плану запустить около десятка спутников «Авангард» только к концу 1958 г., и заранее предполагалось, что не все эти пуски будут успешными, т.к. ракета-носитель у этого проекта была не окончательно отработана, и ее отработку планировалось выполнить непосредственно в ходе пусков. Неожиданный запуск советского спутника спутал исполнителям проекта «Авангард» все карты, и они попытались ускорить работу.

9 октября 1957 г. президент США Эйзенхауэр в пресс-релизе Белого дома поздравил советских ученых с успешным запуском спутника на орбиту Земли. Он рассказал краткую историю развития спутниковой программы в США и сообщил о выделении проекта «Авангард» из программы работ по баллистическим ракетам – ускорение проекта «Авангард» началось.

23 октября 1957 г. прошли суборбитальные испытания по проекту «Авангард». Ракета-носитель «Авангард» с одной рабочей ступенью и двумя ступенями-имитациями стартовала с военной базы на мысе Канаверал, штат Флорида. Ракета  достигла высоты в 175 км, и скорости в 6823 м/сек. Такая скорость была меньше 1-й космической скорости (8.000 м/сек) и не позволяла вывести искусственный спутник на орбиту Земли, но испытания посчитали успешными.

06 декабря 1957 г. первая попытка вывести на орбиту Земли спутник массой в 1 кг с помощью трехступенчатой ракеты «Авангард» закончилась неудачей. Ракета стартовала с мыса Канаверал, но оторвалась от пускового стола всего на один метр (!), после чего потерпела аварию. Спутник «Авангард» пострадал не очень сильно, но восстановлению не подлежал. Так открылась дорога в космос для Вернера фон Брауна, т.к.  военное ведомство США получило разрешение попытаться запустить спутник «Эксплорер 01» (Explorer 01 -  что переводиться как «Исследователь»).

Первый и сразу успешный запуск американского спутника «Эксплорер 01» был произведен с Атлантического ракетного полигона на мысе Канаверал 1 февраля 1958 г. в 3 час. 48 мин по среднему Гринвичскому времени (GMT), или 31 января 1958 г. в 23 часа 48 минут по Вашингтонскому времени. Положение полигона на мысе Канаверал показано на Рис. 1., мыс обведен голубым овалом.

Рис. 1. Мыс Канаверал. Коллаж автора. «Атлас мира. Америка»,- М.: МГУГ и К при СМ СССР, 1975.

Спутник «Эксплорер 01» был запущен в юго-восточном направлении, с наклоном орбиты к плоскости экватора в 33,2 град. Запуск спутника, см. Рис. 2., был произведен ракетой-носителем «Юпитер С», у которой в качестве первой ступени была усовершенствованная ракета «Редстоун», созданная командой Вернера фон Брауна в 1953 г. в развитие его знаменитой ракеты «Фау-2», которой в качестве боевой ракеты с 8 сентября 1944 г. по 27 марта 1945 г. немецко-фашистские войска 1054 раза ударили по объектам в Англии. Но Вернеру фон Брауну все простили – Америке были нужны гении.

Ракета «Редстоун» имела 17 м в длину, 1,8 м в диаметре, и весила 29 т. Двигатель ракеты «Редстоун» работал на жидком топливе, стандартная пара для его заправки: кислород – спирт, обеспечивала тягу около 36 т. Вторая, третья и четвертая ступени ракеты «Юпитер С», работающие на твердом топливе имели, соответственно,  11 двигателей, 3 двигателя и 1 двигатель. Особенность работы 2-й, 3-й и 4-й ступени состояла в том, что перед запуском они приводились во вращение вокруг центральной оси ракеты со скоростью 550 об/мин, а при работе 1-й ступени их скорость вращения возрастала до 750 об/мин. Такой способ работы ступеней обеспечивал точное совпадение вектора тяги ступеней с двигателями на твердом топливе с осью ракеты. Каждый из твердотопливных двигателей имел 107 см в длину и 15 см в диаметре, вес такого «ракетного карандаша» составлял 90 кг.

При запуске спутника «Эксплорер 01» первая ступень  (ракета «Редстоун») работала 7 мин, а затем выключались и ее двигатель и топливные баки были сброшены, и осталась только система управления, которая по сигналам с Земли подавала команды на последующие ступени. Каждая из 3-х твердотопливных ступеней работала по 8 сек. На орбиту  спутник «Эксплорер 01» вышел с неотделяющейся 4-ой ступенью ракеты, в которой все топливо сгорело. Общая длина спутника «Эксплорер 01» с 4-й ступенью ракеты составляла 205 см, диаметр спутника был 15-20 см., вес спутника составлял 14,6 кг, при этом вес приборов на спутнике составлял всего 5 кг.

На спутнике «Эксплорер 01» в качестве средств связи были два очень слабых радиопередатчика, работающих на двух частотах: на частоте 108,03 МГц – мощность составляла 0,06 Вт; на частоте 108,00 МГц – мощность составляла 0,01 Вт. Такой уровень мощности передатчиков был выбран для увеличения ресурса электрических батарей, которые в результате «продержались» 8 недель полета, спутник функционировал до 23 мая 1958 г. .

Первый американский спутник Земли «Эксплорер 01» вышел на эллиптическую орбиту с малым эксцентриситетом. В результате «Эксплорер 01»  имел такие параметры орбиты:
• перигей 347 км;
• апогей  1859 км;
• наклон орбиты к плоскости экватора 33,2 градуса;
• время прохождения одного витка 107,2 мин.

Высокий перигей орбиты спутника «Эксплорер 01» должен был обеспечить ему расчетное время жизни около 4 лет, а огромный апогей приводил к тому, что его средняя светимость при благоприятном освещении Солнцем была по яркости в 40 раз слабее Полярной звезды. Следовательно, даже при длине «сигары»  этого спутника в 205 см увидеть его невооруженным глазом было невозможно. Срок жизни спутника «Эксплорер 01» оказался больше расчетного – 31 марта 1970 г. он вошел в плотные слои атмосферы в южной части Тихого океана и сгорел.

Однако, большой апогей орбиты спутника «Эксплорер 01» позволил с помощью аппаратуры установленной на спутнике произвести первое геофизическое открытие. В результате анализа данных, поступающих со спутника, были обнаружены радиационные пояса окружающие Землю. Высота радиационных поясов Земли составляет в зависимости от конфигурации силовых линий магнитного поля Земли от 500 до 1300 км, и первый американский спутник пересекал эти высоты при полете по  своей орбите, что приводило к изменению сигналов радиационных датчиков.  Обнаружил это явление при анализе данных, полученных со спутника «Эксплорер 1»,  американский астрофизик Джеймс Ван Аллен (1914-2006), поэтому в ряде научных справочников радиационный пояс вокруг Земли имеет название «Пояс Ван Аллена».

Рис 2. Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Аллен, Вернер фон Браун (справа – он держит научный отсек спутника) показывают модель первого американского искусственного спутника Земли «Эксплорер 1» на пресс-конференции после успешного запуска спутника 31 января 1958 г. Chris Gainor «To a distant day: the rocket pioneers»: Lincoln and London, University of Nebraska Press, 2008, стр. 155.