НАУЧНЫЙ ВКЛАД ПЕРВЫХ ИСЗ В ПОЗНАНИЕ КОСМОСА

Валентин КУЗНЕЦОВ

К 50 ЛЕТИЮ НАЧАЛА ОСВОЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Третий советский искусственный спутник Земли

В одно мгновение весь мир облетела новость: «Русские первыми вышли в космос!» 4 октября 1957 г. первый в мире искусственный спутник Земли ознаменовал собой начало космической эры человечества. Это действительно был уникальный и впоследствии неоднократно повторяемый подвиг всего советского народа. Наш спутник нанес политический удар по самодовольству американцев и даже поставил под сомнение технологическую гегемонию США пятидесятых годов.

Для решения проблемы освоения космоса необходимы были политическая воля, научно-технический потенциал и экономические возможности государства. Создание средств запуска объектов в космос, а также создание уникальных систем и средств измерения, контроля и управления для получения измерительной информации опиралось на теоретические исследования и опыт предыдущего поколения. Необходимо было сосредоточение усилий науки и техники государства и его экономики, проявление энтузиазма и самоотверженности людей, определивших все дальнейшие успехи в решении этой проблемы. Наш народ сумел первым решить проблему освоения космоса.

Именно наш прорыв в космос заставил президента США Дуайта Эйзенхауэра 29 июля 1958 г. подписать закон о передаче контроля над космической программой вновь созданному Национальному управлению по аэронавтике и исследованиям космического пространства (NASA). Вновь избранный президент США Джон Кеннеди тогда сказал: «Когда мы узнали о запуске русскими искусственного спутника Земли, мы пришли в шоковое состояние и в течение недели не могли ни принимать решения, ни разговаривать друг с другом». Интересно также изречение великого немецкого ученого Герберта Оберта, опубликовавшего еще в 1929 г. известный научный труд «Пути осуществления космического полета» и имеющего за плечами свои уникальные исследования. Он сказал: «Решить успешно такую сложную задачу, как запуск первого спутника, могла только страна, обладающая огромным научно-техническим потенциалом». А ведь этот подвиг был осуществлен всего через 12 лет после окончания разрушительной Великой Отечественной войны 1941-1945 г.г.

Именно благодаря замечательным достижениям в ракетно-космической и ядерной областях наша страна была признана сверхдержавой мира, к мнению которой стали прислушиваться, что, вне всякого сомнения, содействовало поддержанию мира на Земле уже более 60 лет. Кроме укрепления военно-политического потенциала страны первые запуски ИСЗ также содействовали успешному развитию отечественного научно-технического прогресса.

В 1955 г. международный комитет объявил период с 1 июля 1957 г. по 31 декабря 1958 г. международным геофизическим годом, предусматривающим интенсивное изучение процессов в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли, призвав все научные силы мира уделить пристальное внимание этой проблеме с использованием новейших методов и средств научного сообщества. Среди поставленных задач предусматривалось:

- изучение условий распространения радиоволн в атмосфере и ионосфере;

- уточнение основных констант земного сфероида;

- изучение солнечной ультрафиолетовой, коротковолновой и рентгеновской радиации и корпускулярного излучения;

- определение содержания и измерение ионного состава в межпланетном пространстве;

- определение условий жизнедеятельности живых организмов при космических полетах.

Для качественного решения перечисленных задач требовалось прежде всего создать необходимую ракету-носитель, в качестве которой предусматривалось использовать создаваемую в конструкторском бюро НИИ-88 МОП Сергея Павловича Королева межконтинентальную баллистическую ракету Р-7, а также отработать процедуры запуска ИСЗ и разработать комплекс средств измерения, единого времени и связи , объединенных в Командно-измерительный комплекс измерения параметров орбит и телеметри-рования информации с научных приборов, установленных на борту ИСЗ.

В борьбу за первенство в освоении космоса прежде всего включились две державы мира. Проектирование межконтинентальных баллистических ракет (МБР) в основном на базе немецких технологий, вывезенных из поверженной фашистской Германии, в США начались раньше, чем в нашей стране.

Это ракета 4 октября 1957 г. вывела в космос первый в мире искусственный спутник Земли (снимок сделан в день запуска спутника Земли)

Придавая исключительно важное значение созданию ракетно-космической техники будущего, в США одновременно осуществлялось несколько соответствующих разработок, в том числе: проект ЭОКК, 1946 г.; проект МХ-774, 1947 г.; проект БМО, 1948-1951 г.г.; проект МХ-1593 (Атлас), 1951 г.; проект «Орбитер», 1952-1955 гг. и другие. Работая на опережение, США уже в сентябре 1956 г. , на целый год раньше нас, предприняли первую попытку запуска спутника «Авангард». Неудачи США по запуску ИСЗ «Авангард» повторялись 6 декабря 1957 г. и 5 февраля 1958 г. Неудачные попытки пусков МБР «Атлас» были также предприняты в июне и декабре 1958 г. Эти неудачи подогревали конкуренцию между конструкторскими фирмами и государствами, создавая ажиотаж в обеспечении первенства проникновения в космос. Но было абсолютно ясно, что подобные попытки запусков ИСЗ в США будут продолжаться и они обязательно должны привести к успеху. И действительно, свой первый ИСЗ «Эксплорер», массой 4,3 кг, США все-таки запустили, но только 1 февраля 1958 г. и стали второй космической державой мира.

В нашей стране научные исследования по разработке МБР, способной вывести на орбиту спутник Земли, относятся к концу 40-х годов прошлого века. Официально решение о создании МБР и сверхзвуковой межконтинентальной крылатой ракеты было принято Постановлением Совета Министров СССР от 20 мая 1954 г. Головной организацией по созданию МБР (она же ракета-носитель ИСЗ) был определен НИИ-88 МОП, а по проектированию полигонного измерительного комплекса средств измерения, управления, системы единого времени и связи - НИИ-4 МО/4ЦНИИ МО .

Еще не были созданы МБР и полигонный измерительный комплекс (ПИК) для её испытаний, а параллельно, примерно со сдвигом в полтора года, было принято Постановление СМ СССР от 30 января 1956 г. о создании ИСЗ (объекта «Д») и командно- измерительного комплекса (КИК) в составе радиотелеметрических, радиотехнических измерительных и управляющих систем, оптических систем, системы единого времени и средств связи. Эскизный проект создания первого ИСЗ (объекта «Д») был выполнен в конструкторском бюро НИИ-88 коллективами ученых под руководством главного конструктора С.П.Королева. В основу этого проекта, как подчеркнул на его защите Сергей Павлович, были положены многолетние исследования научной группы сотрудников НИИ-4 МО, выполненные под руководством М.К.Тихонравова. В эту группу входили: И.М. Яцунский, И.К.Бажинов, А.В.Брыков, В.Н.Галковский, О.В.Гурко, Г.Ю.Максимов, Г.М.Москаленко, Л.Н.Солдатова.

Второй эскизный проект «Командно-измерительный комплекс» для контроля параметров ИСЗ был разработан в НИИ-4 МО к началу июня 1956 г. группой научных сотрудников под руководством Ю.А.Мозжорина. В эту группу входили: И.А.Артельщиков, Г.И. Левин, В.Т.Долгов, Г.С.Нариманов, Ю.В.Девятков, И,М.Яцунский, В.П.Кузнецов, А.Т.Беляев, В.Н.Андрианов, Е.В. Яковлев, А.В.Цепелев, И.К.Бажинов, П.Я.Аничков, Э.В.Корольков, А.А.Захаров, Г.М.Максимов, К.А.Биантовский. Этот проект имел уникальную ценность, позволив увязать проблемы баллистического обеспечения с пространственно-временным обеспечением всех измерений, определить состав измерительных средств, средств синхронизации их работы во времени, вычислительных средств и средств связи, определить размещение и состав 13 научно-измерительных пунктов, центра управления и координационно-вычислительного центра КИК НИИ-4 МО. Специальные бортовые измерительные средства, предназначенные для изучения процессов в околоземном космическом пространстве, разрабатывались под непосредственным руководством физиков, химиков, биологов, математиков ФИ АН, ОПН, РИ АН, ИЗМИРАН, ИХФ АН, ГАИШ в интересах развития космической физики и прикладных технологий.

Из-за неготовности разработки научных приборов в институтах АН СССР для измерения различных солнечно-земных связей, из-за незавершенности испытаний МБР Р-7 и неоснащенности КИК измерительными системами, а также во имя престижности запуска ИСЗ было принято постановление СМ СССР от 15 февраля 1957 г. о внеочередных запусках простейших спутников Земли ПС-1 и ПС-2 в 1957 г., а запуск фундаментального объекта «Д» был перенесен на 1958 г.

Первый в мире ИСЗ (простейший спутник ПС-1), массой 83,6 кг., был выведен на орбиту высотой 228/947 км. с периодом обращения 96,17 мин. 4 октября 1957 г. и просуществовал 92 дня. Радиопередатчики, мощностью 1 Вт., на частотах 20,005 МГц и 40,002 МГц излучали импульсные посылки изменяющейся длительности в соответствии с изменением температуры и давления внутри ИСЗ. Тем самым была осуществлена первая элементарная космическая телеметрическая радиолиния передачи информации на Землю. Несмотря на то, что спутник был простейшим, полученные научные результаты были весьма существенными. Прием сигналов с ПС-1 позволил определить профиль электрической концентрации в ионосфере выше её главного максимума. Нами были получены данные о прохождении радиоволн в ионосфере на разных высотах. Была также измерена с высокой точностью плотность верхней атмосферы, вплоть до высоты области полярных сияний. Впервые были осуществлены радиоизмерения доплеровского эффекта в условиях продолжительного космического полета, что способствовало разработке новых эффективных измерительных систем. Одновременно был исследован тепловой режим для создания условий полета живых организмов.

Второй в мире запуск ИСЗ «ПС-2» был осуществлен 3 ноября 1957 г., практически через один месяц после первого. Его масса составляла 508,3 кг. Высота орбиты составляла 225/1671 км с периодом обращения 103,75 минуты. На нем уже была установлена высокоинформативная радиотелеметрическая аппаратура системы «Трал», разработанная в ОКБ МЭИ под руководством А.Ф.Богомолова, а также установлен контейнер с собакой Лайкой и телевизионная система, через которую можно было четко наблюдать за поведением животного. Эту дату запуска второго ИСЗ можно по праву считать днем рождения космического телевидения. О жизнедеятельности собаки постоянно по телеметрическому каналу передавались важные для дальнейших исследований космоса данные: частота дыхания; кровяное давление; электрокардиограммы; давление, влажность и температура внутри контейнера.

На ПС-2 также были установлены приборы, исследовавшие Солнце в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра частот. Результаты измерений на ПС-2 позволили уточнить распределение электронной концентрации выше максимума слоя F2, определить напряженность электромагнитного поля и условия прохождения радиоволн через ионосферу и их величину затухания. Все это имело важное значение для развития перспективных систем измерения и спутниковой связи.

Один из научно-исследовательских пунктов командно-измерительного комплекса управления ИСЗ

Следует также заметить, что объемы только орбитальной информации, полученной по первым двум ИСЗ, составили: 73000 радиопеленгаци-онных данных измерений; 1000 радиокомпараторных данных измерений; 2270 измерений от астрономических пунктов; 1700 данных измерений от радиолокационных станций ПВО. В период их полетов было получено более 100 тысяч телеграмм и писем со всего мира. Особенно интересными были результаты наблюдений этих корреспондентов за полетом спутников, которые нами также были использованы при определении физических свойств Земли и её атмосферы.

Третий отечественный ИСЗ (объект «Д»), массой 1327 кг, был запущен 15 мая 1958 г. на орбиту высотой 226/ 1881 км. с периодом обращения 105,95 минуты. Фактически этот объект по существу явился космической научной лабораторией. Его планировали запустить ко дню рождения В.И.Ленина, но по техническим причинам запуск не состоялся. Запуск третьего ИСЗ был перенесен на 27 апреля 1958 г. и должен был быть посвящен Дню солидарности трудящихся - 1 мая. Однако он оказался неудачным. Причина неудачи, как вскрылось в 1959 г., состояла в том, что объект «Д» имел весьма солидную массу, в связи с чем были приняты всевозможные меры по облегчению массы ракеты-носителя, в том числе путем снятия измерительных систем и утончения баков для горючего и окислителя. При запуске этого объекта в опорожняемых облегченных баках возникли резонансные явления, приведшие к разрушению конструкции и взрыву ракеты-носителя через 96,5 секунды после её старта. Несмотря на то, что причина неудачного пуска 27 апреля не была устранена из-за отсутствия системы вибротелеизмерений на ракете, запуск третьего ИСЗ (объекта «Д») 15 мая 1958 г. оказался успешным. Однако отметим, что из-за неустраненных резонансных явлений при последующих попытках запусков первых космических аппаратов к Луне 23 сентября и 12 октября 1958 г. вновь последовали взрывы ракет-носителей. И только после этого проблема взрывов была решена путем установки демпфирующих устройств, гасящих резонансные явления в баках с горючим. Недостаточное внимание технического руководства к измерительным системам неоднократно приводило к срывам запусков ракет и спутников, что также явилось одним из существенных выводов по недопустимости игнорирования использования и непрерывного совершенствования тактико-технических характеристик измерительных систем, включая их массово-габаритные характеристики. Все это подтверждает, что получение новой космической информации посредством использования ИСЗ не давалось без потерь.

На третьем спутнике, помимо радиотелеметрической аппаратуры Трал-Д с запоминающим получаемую информацию устройством, были установлены: приемо-передатчик сантиметрового диапазона для работы с наземными РЛС «Бинокль-Д» и радиопередатчик дециметрового диапазона для работы с фазовыми пеленгаторами «Иртыш-Д»; командная радиолиния МРВ-2М ; программно-временное устройство и 12 специальных измерительных приборов институтов Академии Наук. На борту ИСЗ также был установлен постоянно работающий передатчик «Маяк», который обеспечивал непрерывную передачу сигналов вне зависимости от работы всех других бортовых систем.

Специальные измерительные приборы позволили измерить интенсивность корпускулярного излучения Солнца, концентрацию положительных ионов, напряженность электростатических и магнитных полей. Одновременно было осуществлено измерение первичного космического излучения, измерение тяжелых ядер в космических лучах, интенсивность микрометеоров и фотонов.

Третьему ИСЗ удалось зарегистрировать мощную вспышку солнечных космических лучей -протонов с энергией порядка 100 МэВ. По результатам исследований геокосмоса на различных конференциях были сделаны многочисленные доклады, в том числе об интенсивных потоках заряженных частиц и регистрации электронов внешнего радиационного пояса Земли, явившихся крупными мировыми открытиями.

В дальнейшем при запусках автоматических межпланетных станций серии «Луна» 2 января, 12 сентября и 4 октября 1959 г., помимо исследований Луны и окололунного пространства, были продолжены исследования и околоземного пространства. При этих запусках были осуществлены измерения тепловой ионосферной плазмы, заполняющей в экваториальной плоскости Земли пространство, вплоть до 20 000 км. Эта область вскоре была названа плазмосферой. Одновременно были обнаружены потоки положительных ионов, которые впоследствии были названы потоками частиц солнечного ветра.

На значительных удалениях «лунников» от Земли были обнаружены стационарные потоки а-частиц и тяжелых ядер космических лучей вне магнитосферы Земли. Также была установлена нестабильность внешнего радиационного пояса Земли.

Параллельно с нашими запусками ИСЗ и тоже с большими трудностями шли к покорению космоса и Соединенные Штаты Америки. Только четвертый запуск ИСЗ «Авангард» 1/марта 1958 г. был удачным. На базе ракеты «Юпитер-С», начиная с 31 января 1958 г., было сделано шесть попыток запуска ИСЗ «Эксплорер», и только три из них, начиная с 1 февраля 1958 г., оказались удачными. Тем не менее успешные запуски и соответствующие измерения позволили США подтвердить наши результаты исследований в космосе, а затем и дополнить их новыми научными результатами.

Таким образом, каждый из первых отечественных ИСЗ внес существенный вклад не только в решение военно-политических, но и научных проблем. Можно с уверенностью констатировать, что по результатам исследований первых искусственных спутников Земли уже в первые годы космической эры советскими, а также американскими учеными была сформирована новая отрасль науки: космическая физика, к настоящему времени сыгравшая существенную роль в познании мира на благо всего человечества.