Ранние теоретические основы и эксперименты до космической эры

Мечта о размещении искусственного объекта на орбите вокруг Земли насчитывает столетия. Мысленный эксперимент сэра Исаака Ньютона «пушечной пушки на вершине горы» впервые описал принцип орбитального движения в его Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687).Ньютон показал, что если бы снаряд был запущен с достаточной горизонтальной скоростью, его траектория изогнулась бы достаточно, чтобы соответствовать кривизне Земли, навсегда опускаясь вокруг планеты. Эта концептуальная основа лежала в спящем состоянии более двухсот лет.

В конце 19-го и начале 20-го веков пионеры ракетостроения начали превращать теорию Ньютона в практическую возможность. Российский школьный учитель Константин Циолковский вывел уравнение ракеты в 1903 году и предложил многоступенчатые ракеты как единственный способ достижения орбитальной скорости. Он также предвидел космические станции и искусственные спутники. В США Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе в 1926 году, доказав, что контролируемая тяга осуществима. Работа Годдарда над гироскопическими системами стабилизации и восстановления парашютов предоставила критические ранние инженерные данные.

Вторая мировая война резко ускорила разработку ракеты. Немецкие инженеры при Вернере фон Брауне создали баллистическую ракету V-2, первый искусственный объект, достигший космоса (суборбитальная высота 176 км в 1944 г.). После войны и США, и Советский Союз захватили аппаратуру и персонал V-2. В США операция Paperclip привела фон Брауна и его команду к работе над американскими ракетами. Советы при Сергее Королеве изучили захваченные V-2 и начали строить собственное ракетное семейство. В конце 1940-х и начале 1950-х годов обе страны запустили ракеты V-2 на суборбитальных траекториях, неся научные инструменты для изучения космических лучей, атмосферного давления и температуры на больших высотах. Эти эксперименты доказали, что ракеты могут служить исследовательскими платформами и заложили основу для орбитальных полезных нагрузок.

Катализатор холодной войны и космическая гонка начались

Геополитическое соперничество между США и Советским Союзом после 1945 года обеспечило политическую волю и финансирование, необходимые для воплощения спутниковых мечтаний в реальность. Обе сверхдержавы разрабатывали межконтинентальные баллистические ракеты (МБР), которые могли бы доставлять ядерные боеголовки. Спутниковая пусковая установка была по существу МБР с более легкой полезной нагрузкой, поэтому технология была непосредственно переносимой.

В 1955 году США объявили о запуске научного спутника в рамках Международного геофизического года (МГГ) 1957—1958 гг. Американская программа Project Vanguard управлялась Военно-морской исследовательской лабораторией и использовала новую гражданскую ракету. Советский Союз тем временем тайно разрабатывал собственные спутниковые возможности под руководством Королева. Используя МБР Р-7 «Семёрка» — мощную двухступенчатую ракету — Советы смогли поднять более тяжёлую полезную нагрузку, чем мог американский Vanguard.

4 октября 1957 года Советский Союз ошеломил мир запуском первого искусственного спутника Земли — спутника FLT:0, спутника-1, который был первым искусственным спутником Земли. Сфера 83,6 кг передавала простой сигнал «бип-бип» на двух радиочастотах. Запуск был пропагандистским триумфом и технологическим шоком для Запада, вызвав интенсивные общественные дебаты и политические действия в США. В течение года президент Эйзенхауэр подписал Национальный закон об аэронавтике и космосе, создав НАСА в октябре 1958 года для координации гражданских космических исследований и научных исследований. Космическая гонка полностью шла.

Спутник 1: Первый искусственный спутник

Спутник 1 представлял собой полированную сферу из алюминиевого сплава диаметром 58 см. Он нес два радиопередатчика (20,005 и 40,002 МГц), питавшихся от серебряно-цинковых батарей, которые просуществовали около трех недель. Спутник также содержал переключатель, активированный давлением, который срабатывал, если запечатанная сфера теряла атмосферу, хотя телеметрия не возвращалась за пределы параметров радиосигнала. Сигнал 20 МГц мог быть принят радиолюбителями по всему миру, превращая обычных граждан в участников космической истории.

Хотя "Спутник-1" имел минимальные приборы, его радиосигналы оказались научно ценными. Ученые отследили доплеровское смещение сигналов для точного определения орбиты спутника. Это отслеживание показало, что верхняя атмосфера Земли - выше 200 км - была плотнее, чем ожидалось, потому что орбита "Спутника" распалась быстрее, чем прогнозировалось. Это позволило исследователям впервые рассчитать атмосферное сопротивление на этих высотах. Радиосигналы также проходили через ионосферу, а анализ вариаций силы сигнала предоставил данные о плотности электронов в ионосферных слоях. Простая миссия "Спутника" таким образом открыла две новые области научного исследования: физику верхних слоев атмосферы и исследования распространения радиоионосферы.

Кроме того, передатчик 20 МГц служил маяком для наземных станций по всему миру, демонстрируя возможность спутникового слежения и связи.Спутник вращался в течение 92 дней, завершив 1440 орбит, прежде чем сгорел в атмосфере 4 января 1958 года.

Немедленное послевкусие: Sputnik 2 и Laika

Ободренный успехом спутника 1, Советский Союз бросился запускать более тяжелый, более амбициозный спутник 3 ноября 1957 года - всего через месяц. Спутник 2 весил 508 кг и нес систему жизнеобеспечения и собаку по имени Лайка. Это был первый биологический эксперимент на орбите, предназначенный для проверки того, может ли живой организм выжить в условиях запуска и космической среды.

В каюте Лайки находились вентилятор, дозатор для еды и приборы для измерения частоты сердечных сокращений, дыхания и артериального давления. К сожалению, система термоконтроля вскоре после запуска не сработала, а Лайка умерла от стресса и перегрева в течение нескольких часов (подтверждая необходимость надежного жизнеобеспечения в более поздних миссиях). Сам спутник продолжал выходить на орбиту в течение 162 дней, но его основная миссия - доказать, что млекопитающее может пережить восхождение и микрогравитацию - была лишь частично успешной. Sputnik 2 тем не менее предоставил ценные данные о физиологических эффектах космического полета и заставил мир бороться с этическими измерениями испытаний на животных в космосе.

Оригинальное название: Explorer 1 and the Discovery of the Van Allen Belts

США поспешно перенесли свои спутниковые усилия после запуска спутника. Программа Vanguard потерпела унизительный провал 6 декабря 1957 года, когда ракета взорвалась на стартовой площадке. Агентство по баллистическим ракетам армии во главе с Вернером фон Брауном разрабатывало резервную спутниковую пусковую установку, известную как Юпитер-С (модифицированная ракета Redstone). 31 января 1958 года команда фон Брауна успешно запустила Исследователь 1, первый американский спутник.

Explorer 1 представлял собой небольшой цилиндр (15 кг, 203 см в длину), спроектированный и построенный Лабораторией реактивного движения. Его важнейшим научным инструментом был счетчик Гейгера-Мюллера, переносимый доктором Джеймсом Ван Алленом из Университета Айовы. Ван Аллен спроектировал эксперимент по измерению космического излучения. Во время орбиты счетчик Гейгера замолчал на определенных высотах, таинственным образом достигнув нулевых показателей. Некоторые инженеры считали, что инструмент не удался. Ван Аллен правильно сделал вывод, что счетчик был насыщен интенсивным потоком заряженных частиц, превышающим его способность регистрировать - другими словами, излучение было настолько сильным, что электроника была перегружена.

Эти загадочные данные привели к открытию радиационных поясов Ван Аллена, двух зон в форме пончика высокоэнергетических протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли. Находка Explorer 1 была одним из первых крупных научных открытий космической эры и фундаментально изменила наше понимание околоземной космической среды. Пояса представляют опасность как для астронавтов, так и для электроники, что делает их характеристику необходимой для более поздних космических полетов человека. Explorers 3 и 4 (также несущие детекторы Ван Аллена) подтвердили и доработали открытие.

«Авангард-1» и форма Земли

После первоначального сбоя в программе Vanguard 17 марта 1958 года программа в конечном итоге преуспела с Vanguard 1. Этот небольшой сферический спутник весом 1,47 кг был первым, который питался от солнечных батарей - шести крошечных кремниевых панелей, которые поддерживали заряд аккумуляторов и позволяли спутнику передавать в течение многих лет, а не недель. Vanguard 1 остается на орбите сегодня, что делает его самым старым искусственным объектом в космосе.

Vanguard 1 нес два научных прибора: термистор для измерения внутренней температуры и пару радиопередатчиков. Реальный научный выигрыш пришелся на точное отслеживание орбиты Vanguard. Анализируя тонкие возмущения на пути спутника, геодезисты подсчитали, что Земля слегка грушевидна - Южное полушарие немного "плоско" и Северное полушарие слегка "выпуклое" по отношению к средней кривизне Земли. Это уточненное измерение гравитационного поля Земли (геоида) было крупным достижением для спутниковой геодезии. Vanguard 1 также предоставил данные об атмосферном перетаскивании на больших высотах, дополняя выводы Sputnik.

Другие ранние научные миссии

В 1958-1960 годах обе сверхдержавы произвели множество запусков спутников, каждый из которых имел на себе научные полезные нагрузки:

  • Исследователь 3 (март 1958): носил магнитофон для хранения измерений излучения и воспроизводил их на Землю, подтверждая существование поясов Ван Аллена и предоставляя более подробные данные.
  • SCORE (декабрь 1958 года): Первый спутник связи — ретранслятор, транслирующий рождественское послание президента Эйзенхауэра. Он продемонстрировал, что спутники могут передавать радиосигналы, прокладывая путь для глобальной связи.
  • Авангард 2 (февраль 1959 года): Перевозил фотоэлементы для измерения облачного покрова, но спутник упал из-за конструктивного недостатка, ограничив его полезность.
  • Исследователь 6 (август 1959 года): Также известный как «спутник гребного колеса», он передал первое грубое телевизионное изображение Земли из космоса и измерил космические лучи, магнитные поля и микрометеороиды.
  • TIROS-1 (апрель 1960 года): Первый выделенный метеорологический спутник, управляемый НАСА. Он вернул тысячи изображений облачного покрова и положил начало оперативной метеорологии из космоса.
  • Транзит 1B (апрель 1960 года): Первый экспериментальный навигационный спутник, предшественник Глобальной системы позиционирования (GPS). Он использовал доплеровские сдвиги своих сигналов, чтобы позволить подводным лодкам определять свои позиции.

Эти ранние полеты продемонстрировали разнообразие научных и практических применений искусственных спутников и подготовили почву для гораздо более амбициозных программ 1960-х годов.

Технологические инновации, полученные с ранних спутников

Первые спутники были замечательны не только своим научным вкладом, но и необходимыми им инженерными прорывами. Миниатюризация электроники — вакуумных трубок, резисторов и конденсаторов — должна была выдерживать вибрацию запуска и вакуум пространства. Тепловое управление было достигнуто за счет тщательного выбора покрытий и материалов; Sputnik 1 использовал полированную поверхность для поддержания стабильных температур, в то время как Vanguard 1 использовал комбинацию белой краски и золотой обшивки для пассивного терморегулирования.

Солнечные элементы, впервые испытанные на Vanguard 1, стали стандартным источником питания почти для всех последующих спутников. Телеметрические системы развивались от простых непрерывноволновых маяков (Sputnik) до воспроизведения ленточных регистраторов (Explorer 3) и в конечном итоге до модуляции импульсного кода (Explorer 6), которая могла передавать гораздо больше данных. Наземные сети отслеживания, такие как система Minitrack (разработанная для Vanguard) и всемирная сеть приемных станций, доказали, что скоординированные глобальные операции были осуществимы. Антенны, батареи и структурные конструкции этих ранних спутников устанавливали шаблоны проектирования, все еще используемые сегодня.

Наследие и рассвет космической эры

Первые искусственные спутники достигли гораздо большего, чем их разработчики осмелились надеяться. Они преобразовали науку о Земле, предоставив глобальную перспективу в области атмосферы, магнитосферы и гравитационного поля. Они запустили области физики космической плазмы, спутниковой геодезии и исследований космической погоды. Открытие поясов Ван Аллена, измерение атмосферного сопротивления и визуализация облаков Земли были прямыми предшественниками сегодняшнего мониторинга климата, GPS и прогнозирования погоды в реальном времени.

Политически ранние спутники положили конец иллюзии, что любая страна может доминировать в «высокой точке» космоса в одностороннем порядке. Дух Международного геофизического года — обмен данными и открытая публикация — повлиял на более позднее соглашение о том, чтобы сделать космос областью для мирного использования, достигнув кульминации в Договоре о космосе 1967 года. Программы США и СССР, хотя и конкурентоспособные, также начали научные обмены и совместные симпозиумы, заложив основу для возможного сотрудничества по таким проектам, как Испытательный проект Аполлона-Союза и Международная космическая станция.

В последующие десятилетия спутники стали незаменимыми для связи, навигации, наблюдения Земли и исследования дальнего космоса. Каждый современный спутник — от GPS-устройства в автомобиле до орбитального аппарата на Марсе — обязан своим существованием новаторской работе этих первых небольших сфер и цилиндров. Инженеры и ученые, которые их строили, часто с правилами слайдов и паяльников, доказали, что человечество может покинуть свою колыбель и учиться сверху.

«Первые спутники научили нас, что небо не является пределом — это только начало гораздо более крупной границы» — Джеймс Ван Аллен, 1958 год.

Для дальнейшего чтения см. страницу Sputnik Отдела истории НАСА , обзор миссии Explorer 1 Лаборатории реактивного движения и архивные данные Vanguard 1 NOAA.