Vroege theoretische grondslagen en experimenten voor de leeftijd van vóór de ruimtevaart

De droom van het plaatsen van een kunstmatig object in een baan rond de Aarde is eeuwen oud. Sir Isaac Newtons dacht experiment van een . .kanon op een bergtop . . eerste beschreven het principe van de baanbeweging in zijn Fhilosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687). Newton toonde dat als een projectiel werden gelanceerd met voldoende horizontale snelheid, zijn traject zou curve genoeg om de kromming van de Aarde, voor altijd vallen rond de planeet. Dit conceptuele grondwerk lag slapend voor meer dan tweehonderd jaar.

In de late 19e en vroege 20e eeuw, pioniers van de raketbouw begon Newtons theorie in praktische mogelijkheid te veranderen. Russische schoolmeester Konstantin Tsiolkovsky afgeleid van de raketvergelijking in 1903 en stelde multi-stage raketten als de enige manier om baansnelheid te bereiken. Hij voorzag ook ruimtestations en kunstmatige satellieten. In de Verenigde Staten, Robert Goddard lanceerde de eerste vloeistof-getankte raket in 1926, waaruit blijkt dat gecontroleerde voortstuwing haalbaar was. Goddards werken op gyroscopische stabilisatie en parachute herstel systemen verstrekt kritische vroege engineering gegevens.

De tweede wereldoorlog versnelde de raketontwikkeling dramatisch. Duitse ingenieurs onder Wernher von Braun creëerden de V‐2 ballistische raket, het eerste door de mens gemaakte object om de ruimte te bereiken (een suborbitale hoogte van 176 km in 1944). Na de oorlog, veroverden zowel de Verenigde Staten als de Sovjet-Unie V‐2 hardware en personeel. In de VS, Operatie Paperclip bracht von Braun en zijn team om te werken aan Amerikaanse raketten. De Sovjets onder Sergei Korolev bestudeerden gevangen V‐2 en begonnen hun eigen raket familie. In de late jaren 1940 en begin jaren 1950, beide landen lanceerden V‐2--afgeleide raketten op sub-orbitale trajecten, met wetenschappelijke instrumenten om kosmische stralen, atmosferische druk en temperatuur te bestuderen op hoge hoogtes. Deze experimenten bewezen dat raketten konden dienen als onderzoeksplatforms en legde het grondwerk voor orbitale payloads.

De koude oorlog katalysator en de ruimterace begint

De geopolitieke rivaliteit tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie na 1945 leverde de politieke wil en de financiering die nodig waren om satellietdromen in werkelijkheid te maken. Beide supermachten ontwikkelden intercontinentale ballistische raketten (ICBM's) die kernkoppen konden leveren. Een satellietlanceerder was in wezen een ICBM met een lichtere lading, dus de technologie was direct overdraagbaar.

In 1955 kondigde de Verenigde Staten aan dat ze een wetenschappelijke satelliet zouden lanceren als onderdeel van het Internationaal Geofysisch Jaar (IGY) van 1957/1958. Het Amerikaanse programma, Project Vanguard, werd beheerd door het Naval Research Laboratory en gebruikte een nieuwe civiele raket. De Sovjet-Unie had intussen stiekem haar eigen satellietcapaciteit ontwikkeld onder Korolev. Met behulp van de R‐7 Semyorka ICBM ..een krachtige tweetrapsraket .. de Sovjets waren in staat om een zwaardere lading dan de Amerikaanse Vanguard kon tillen.

Op 4 oktober 1957 verdoofde de Sovjet-Unie de wereld door Sputnik 1 (Russisch voor .fellow reiziger .], de eerste kunstmatige aardsatelliet. De 83.6‐kg bol zond een eenvoudig ..beep-piep . signaal op twee radiofrequenties. De lancering was een propaganda triomf en een technologische schok voor het Westen, waardoor intense publieke debat en politieke actie in de Verenigde Staten. Binnen een jaar, President Eisenhower ondertekende de National Aeronautics and Space Act, het creëren van NASA in oktober 1958 om civiele ruimteverkenning en wetenschappelijk onderzoek te coördineren.

Sputnik 1: De eerste kunstmatige satelliet

Sputnik 1 was een gepolijste aluminiumlegering bol 58 cm in diameter. Het droeg twee radiozenders (20.005 en 40.002 MHz) aangedreven door zilver-zink batterijen die ongeveer drie weken duurde. De satelliet bevatte ook een druk-activerende schakelaar die geactiveerd als de verzegelde bol verloor atmosfeer, hoewel geen telemetrie werd teruggegeven buiten de radio signaal parameters. Het 20 MHz signaal kon worden ontvangen door amateur radio-operatoren wereldwijd, waardoor gewone burgers in deelnemers aan de ruimtegeschiedenis.

Hoewel Sputnik 1 minimale instrumentatie droeg, bleken de radiosignalen wetenschappelijk waardevol. Wetenschappers volgden de Doppler verschuiving van de signalen om de satelliet te bepalen. Deze tracking bleek dat de Aarde bovenste atmosfeer .. boven 200 km .. dichter was dan verwacht, omdat Sputnik . s baan sneller afliep dan voorspeld. Dit maakte het mogelijk onderzoekers om atmosferische slepen op die hoogten voor de eerste keer te berekenen. De radiosignalen ook doorgegeven door de ionosfeer, en analyse van de signaalsterkte variaties verstrekt gegevens over elektronendichtheid in de ionosferische lagen. Sputnik .s eenvoudige missie aldus openden twee nieuwe velden van wetenschappelijk onderzoek: bovenste-atomosfeer fysica en ionosferische radio-propagering studies.

Bovendien diende de 20 MHz-zender als baken voor grondstations over de hele wereld, waaruit de haalbaarheid van satellietvolg- en communicatiesystemen blijkt. De satelliet baande 92 dagen rond, en voltooide 1.440 banen voordat ze op 4 januari 1958 in de atmosfeer verbrandden.

De onmiddellijke aftermath: Sputnik 2 en Laika

De Sovjet-Unie, die werd omgeven door succes van Sputnik 1 ., haastte zich om een zwaardere, ambitieuzere satelliet te lanceren op 3 november 1957 . Slechts een maand later. Spoetnik 2 woog 508 kg en droeg een reddingssysteem en een hond genaamd Laika. Dit was het eerste biologische experiment in een baan, bedoeld om te testen of een levend organisme de lanceer- en ruimteomgeving kon overleven.

Laika . De cabine bevatte een ventilator, een voedseldispenser, en instrumenten om haar hartslag, ademhaling en bloeddruk te meten. Helaas, het thermische controlesysteem mislukte kort na de lancering, en Laika stierf aan stress en oververhitting binnen een paar uur (bevestigen van de behoefte aan betrouwbare leven ondersteuning in latere missies). De satelliet zelf bleef draaien voor 162 dagen, maar zijn primaire missie om te bewijzen dat een zoogdier kon overleven de stijging en micrograviteit . Sputnik 2 was slechts gedeeltelijk succesvol. Niettemin gaf waardevolle gegevens over de fysiologische effecten van de ruimtevaart en dwong de wereld om te knevelen met de ethische dimensies van dierproeven in de ruimte.

The American Response: Explorer 1 en de ontdekking van de Van Allen Belts

De Verenigde Staten haastten zich haastig met hun satelliet-inspanningen na de lancering van Sputnik. Het Vanguard-programma leed een vernederende mislukking op 6 december 1957, toen de raket explodeerde op de lanceerplatform. Het leger Ballistic Missile Agency, geleid door Wernher von Braun, had een back-up satellietlanceerder ontwikkeld die bekend stond als de Jupiter-C (een aangepaste Redstone raket). Op 31 januari 1958, von Brauns team succesvol gelanceerd Explorer 1, de eerste Amerikaanse satelliet.

Explorer 1 was een kleine cilinder (15 kg, 203 cm lang) ontworpen en gebouwd door het Jet Propulsion Laboratory. Het belangrijkste wetenschappelijke instrument was een Geiger-Müller teller die werd gedragen door Dr. James Van Allen van de Universiteit van Iowa. Van Allen had het experiment ontworpen om kosmische straling te meten. Tijdens de baan, de Geiger teller stil ging op bepaalde hoogten, mysterieuze het bereiken van nul tellingen. Sommige ingenieurs dachten dat het instrument was mislukt. Van Allen correct afgeleid dat de teller was verzadigd door een intense flux geladen deeltjes buiten zijn vermogen om te registreren . Met andere woorden, de straling was zo sterk dat de elektronica overweldigd.

Deze raadselachtige gegevens leidden tot de ontdekking van de Van Allen stralingsgordels, twee donutvormige zones van hoogenergetische protonen en elektronen gevangen door het aardmagnetisch veld. Explorer 1 . De ontdekking was een van de eerste grote wetenschappelijke ontdekkingen van het ruimtetijdperk en veranderde fundamenteel ons begrip van de omgeving rond de aarde. De riemen vormen een gevaar voor zowel astronauten als elektronica, waardoor hun karakterisering essentieel is voor latere menselijke ruimtevlucht. Explorers 3 en 4 (ook het dragen van Van Allen detectoren) bevestigden en verfijnden de ontdekking.

Vanguard 1 en de vorm van de aarde

Na de eerste Vanguard mislukking slaagde het programma uiteindelijk met Vanguard 1 op 17 maart 1958. Deze kleine, 1,47-kg sferische satelliet werd als eerste aangedreven door zonnecellen .. zes kleine siliconenpanelen die de batterijen opgeladen hielden en de satelliet jaren in plaats van weken lieten uitzenden. Vanguard 1 blijft vandaag in een baan draaien, waardoor het het oudste menselijke gemaakte object in de ruimte is.

Vanguard 1 droeg twee wetenschappelijke instrumenten: een thermoistor om de interne temperatuur en een paar radiozenders te meten. De echte wetenschappelijke uitbetaling kwam van nauwkeurige tracking van Vanguards baan. Door het analyseren van subtiele storingen in de satellietpad, ondoordringbaren berekend dat de aarde is licht peer-vormige . . De zuidelijke Hemisphere is een beetje .flatter en het noordelijke Hemisphere licht ..bulged . . in relatie tot de Aarde gemiddelde . Deze verfijnde meting van de Aarde gravitatieveld (het geoïde) was een belangrijke prestatie voor satelliet . Vanguard 1 ook verstrekte gegevens over atmosferische drag op hoge hoogtes, aanvulling op Sputnik .

Andere wetenschappelijke missies in het begin

De jaren 1958 ..onverwacht zag een vlaag van satelliet lanceringen door beide superkrachten, elk met gerichte wetenschappelijke ladingen:

  • Explorer 3 (maart 1958): Een bandrecorder bracht een opnamerecorder mee om stralingsmetingen op te slaan en speelde ze terug naar de Aarde, wat de aanwezigheid van de Van Allen riemen bevestigde en gedetailleerdere gegevens bevatte.
  • SCORE (december 1958): De eerste communicatiesatelliet ..een relais die president Eisenhower uitzendt Kerstboodschap. Het toonde aan dat satellieten radiosignalen konden doorgeven, de weg banen voor wereldwijde communicatie.
  • Vanguard 2 (februari 1959): Gedragen fotocellen om de wolken te meten, maar de satelliet tuimelt door een ontwerpfout, waardoor het nut ervan beperkt wordt. Toch was het een pionierspoging om de weersomstandigheden vanuit de baan te meten.
  • Explorer 6 (augustus 1959): Ook bekend als de peddelsatelliet, heeft het het eerste ruwe televisiebeeld van de aarde vanuit de ruimte uitgezonden en kosmische stralen, magnetische velden en micrometeoroïden gemeten.
  • TIROS-1 (april 1960): De eerste speciale weersatelliet, geëxploiteerd door NASA. Het gaf duizenden wolkendekkingsbeelden terug en markeerde het begin van operationele meteorologie vanuit de ruimte.
  • Transit 1B (april 1960): De eerste experimentele navigatiesatelliet, de voorganger van het Global Positioning System (GPS). Het gebruikte Doppler verschuivingen van zijn signalen om onderzeeërs hun posities te laten bepalen.

Deze vroege vluchten demonstreerden de uiteenlopende wetenschappelijke en praktische toepassingen van kunstmatige satellieten en zetten het podium voor de veel ambitieuzere programma's van de jaren zestig.

Technologische innovaties afgeleid van vroege satellieten

De eerste satellieten waren opmerkelijk niet alleen voor hun wetenschappelijke bijdragen, maar ook voor de technische doorbraken die ze nodig hadden. Miniaturisatie van elektronica . vacuümbuizen, weerstanden, en condensatoren . . moest bestand zijn tegen de trilling van lancering en het vacuüm van de ruimte. Thermische controle werd bereikt door zorgvuldige keuze van coatings en materialen; Sputnik 1 gebruikte een gepolijst oppervlak om stabiele temperaturen te handhaven, terwijl Vanguard 1 een combinatie van witte verf en goud plateren voor passieve thermische regulering gebruikte.

Zonnecellen, eerst getest op Vanguard 1, werden de standaard stroombron voor bijna alle volgende satellieten. Telemetriesystemen evolueerden van eenvoudige continugolfbakens (Sputnik) tot tape-recorder afspelen (Explorer 3) en uiteindelijk tot puls-code modulatie (Explorer 6) die veel meer data konden verzenden. Grondtrackingnetwerken zoals het Minitrack systeem (ontwikkeld voor Vanguard) en het wereldwijde netwerk van ontvangststations bewezen dat gecoördineerde, wereldwijde operaties haalbaar waren. De antennes, batterijen en structurele ontwerpen van deze vroege satellieten stelden ontwerppatronen nog steeds in gebruik.

Legacy en de dageraad van het ruimtetijdperk

De eerste kunstmatige satellieten bereikten veel meer dan hun ontwerpers durfden te hopen. Ze transformeerden de Aardwetenschappen door een globaal perspectief te bieden op de atmosfeer, magnetosfeer en zwaartekrachtveld. Ze lanceerden de velden van de ruimte plasmafysica, satelliet onverzadigdheid en ruimteweeronderzoek. De ontdekking van de Van Allen riemen, de meting van atmosferische drag, en de weergave van de Aarde wolken waren directe voorlopers van vandaag de dag ... klimaatbewaking, GPS, en real-time weersvoorspellingen.

Politiek eindigden de vroege satellieten de illusie dat een natie eenzijdig de hoge grond van de ruimte kon domineren. De International Geophysical Year geest . Gegevens delen en open publicatie . beïnvloedde de latere overeenkomst om ruimte een domein voor vreedzaam gebruik te maken, culminerend in het Buitenruimteverdrag van 1967. De VS en Sovjet programma's, hoewel concurrerend, begonnen ook wetenschappelijke uitwisselingen en gezamenlijke symposia, leggen de basis voor uiteindelijke samenwerking op projecten als het Apollo-Soyuz Test Project en het Internationaal Ruimtestation.

In de decennia die volgden, zijn satellieten onmisbaar geworden voor communicatie, navigatie, aardobservatie en deep-space exploratie. Elke moderne satelliet . . Van een GPS-eenheid in een auto tot een Mars-orbiter . . dankt zijn bestaan aan het baanbrekende werk van deze eerste kleine bollen en cilinders. De ingenieurs en wetenschappers die ze bouwden, vaak met schuifregels en soldeerbout, bewezen dat de mensheid haar wieg kon verlaten en leren van boven.

De eerste satellieten leerden ons dat de hemel niet de grens is ..het is slechts het begin van een veel grotere grens.

Voor nadere lezing, zie NASA History Division