Создание первых искусственных спутников Земли. Начало изучения Луны. Спутники "Зенит" и "Электрон"

     Занимаясь созданием баллистических ракет дальнего действия и особенно межконтинентальной ракеты Р-7, Сергей Павлович Королев постоянно возвращался к идее практического освоения космоса. Его мечта приобретала реальные очертания и была близка к осуществлению. Состоявшиеся встречи С.П.Королева с ведущими учеными страны по различным направлениям науки, особенно по геофизике и астрономии, определили основные задачи исследований в космическом пространстве.
     16 марта 1954 г. состоялось совещание у М.В.Келдыша, где был определен круг научных задач, решаемых с помощью искусственных спутников Земли. Об этих планах поставили в известность Президента Академии наук СССР А.Н.Несмеянова.
     27 мая 1954 г. С.П.Королев обратился к Д.Ф.Устинову с предложением о разработке ИСЗ и направил ему докладную записку "Об искусственном спутнике Земли", подготовленную М.К.Тихонравовым, в которой давался подробный обзор состояния работ по ИСЗ за рубежом. При этом высказывалась, можно сказать, основополагающая мысль о том, что "ИСЗ есть неизбежный этап на пути развития ракетной техники, после которого станут возможными межпланетные сообщения". Обращалось внимание на то, что за последние два-три года возросло внимание зарубежной печати к проблеме создания ИСЗ и межпланетным сообщениям. Заботились инициаторы работ по ИСЗ и о том, чтобы сообщить нужную информацию на этот счет и другим ответственным лицам, принимавшим решение: вопросы приоритета должны быть главным аргументом в течение всего последующего периода развития космонавтики.
     В августе 1954 г. Совет Министров СССР утвердил представленные В.А.Малышевым, Б.Л.Ванниковым, М.В.Хруничевым и К.Н.Рудневым предложения по проработке научно-теоретических вопросов, связанных с космическим полетом.
     Среди инициаторов постановки вопроса об ИСЗ постепенно зрела уверенность, что удастся добиться положительного решения.
     Важное значение для положительного решения вопроса имело совещание 30 августа 1955 г. у Председателя ВПК В.М.Рябикова. С.П.Королев шел на заседание к В.М.Рябикову с новыми предложениями. По его заданию Е.Ф.Рязанов подготовил данные о параметрах космического аппарата для полета к Луне. Для этого исследовались два варианта 3 ступени ракеты Р-7 с компонентами топлива: "кислород - керосин" и "моноокись фтора - этиламины". Аппарат доставляемый к Луне должен был иметь массу 400 кг в первом варианте и 800...1000 кг во втором.
     М.В.Келдыш поддержал идею создания трехступенчатой ракеты в лунном варианте, а инженер-полковник А.Г.Мрыкин выразил озабоченность о выполнении сроков разработки ракеты Р-7, считая, что разработка спутника отвлечет внимание от основных работ, и предложил отложить создание спутника до завершения испытаний ракеты Р-7.
     Постановление о работах по ИСЗ было принято 30 января 1956 г. Эти постановлением предусматривалось создание в 1957-1958 гг. и выведение ракетой типа Р-7 неориентированного ИСЗ (объект "Д") массой 1000-1400 кг с аппаратурой для научных исследований массой 200-300 кг. Срок первого пробного пуска объекта "Д" устанавливался в 1957 г.
     Этим же Постановлением общее научное руководство и обеспечение аппаратурой для исследований возлагалось на Академию наук СССР; создание ИСЗ как специального носителя аппаратуры для научных исследований - на Министерство оборонной промышленности; разработка комплекса системы управления, радиотехнической аппаратуры и телеметрических систем - на Министерство радиотехнической промышленности; создание гироскопических приборов - на Министерство судостроительной промышленности; разработка комплекса наземного пускового, заправочного и подъемно-транспортного оборудования - на Министерство машиностроения; проведение пусков - на Министерство обороны.
     К июлю 1956 г. эскизный проект был готов и определился состав научных задач, решаемых спутникам, что составило идейную основу новой разработки. С помощью спутника "Д" предусматривалось проведение научных исследований, включая измерение плотности, ионного состава атмосферы, корпускулярного излучения Солнца, магнитных полей, изучение космических лучей и т.д. Наряду с этими задачами планировалось получение данных, относящихся к созданию более совершенных ориентированных ИСЗ, в частности по тепловому режиму спутника, торможению его в верхних слоях атмосферы и продолжительности обращения на орбите, особенностям движения относительно центра масс, точности определения координат и параметров орбиты, вопросам энергопитания бортового оборудования с использованием солнечных батарей.
     Поставленные задачи определили конструкцию космического объекта "Д". Сбрасываемый защитный кожух состоял из трех отдельных частей (переднего малого конуса и двух полуоболочек), которые в момент отделения конуса разбрасывались в разные стороны пружинными механизмами и освобождали антенны, устанавливавшиеся в рабочее положение с помощью своих механизмов. На поверхности спутника располагались жалюзи системы терморегулирования, состоящие из 16 отдельных секций, открывающих и закрывающих змеевики-радиаторы с помощью четырех электроприводов, управляемых системой электроавтоматики системы терморегулирования. Кроме того, на поверхности спутника были установлены солнечные батареи (четыре секции на боковой поверхности, четыре - на верхнем и одна - на нижнем днище).
     На спутнике впервые была установлена система управления бортовым комплексом в релейно-проводном исполнении с автоматическим электронным программно-временным устройством (АПВУ) и радиорелейным обменом данными о состоянии систем спутника по замкнутому контуру "космический аппарат - Земля". В качестве основного компонента системы управления бортовым комплексом был применен логический автомат (ЛА) в виде единого электрического комплекса для реализации функций логической обработки командных воздействий, поступающих от программно-временного устройства радиолинии, формирования и выдачи команд в системы коммутации и распределения электроэнергии по системам обеспечения подрыва пиротехничских средств, контроля исполнения команд. Бортовые системы к логическому автомату подключались с помощью кабельной сети.
     На Земле создавался комплекс средств, обеспечивающих получение информации, передаваемой со спутника, наблюдения за его орбитой, а также передачу необходимых команд на борт спутника. Такой комплекс должен был включать достаточно большое количество измерительных пунктов (до 15), размещенных на территории СССР. При чрезвычайно коротких сроках создания спутника для наблюдения за его полетом приходилось рассчитывать только на средства наблюдения, предназначенные для ракеты Р-7, ограничить время полезной работы спутника всего 7-10 сут и не надеяться на достаточную точность измерений орбиты.
     Такой, заранее ограниченный подход оправдывался тем, что спутник "Д" был только предпосылкой для разработки ориентируемого спутника "ОД", снабженного системой ориентации, сбрасываемой кассетой для доставки результатов исследований с орбиты на Землю, легкой малогабаритной аппаратурой, а также солнечной батареей в качестве источника энергии.
     К концу 1956 г. выяснилось, что есть реальная угроза срыва намеченных планов по запуску ИСЗ типа "Д" из-за трудностей создания научной аппаратуры и более низкого удельного импульса тяги двигателей ракеты Р-7 (304 с вместо 309...310 с по проекту). Правительством был установлен новый срок запуска - апрель 1958 г.
     В связи с этим ОКБ-1 внесло предложение о запуске простейшего спутника массой порядка 100 кг в апреле-мае 1957 г. до начала Международного геофизического года (июль 1957 г.). В связи с новым предложением ОКБ-1 15 февраля 1957 г. было принято Постановление, предусматривающее выведение простейшего неориентированного спутника Земли (объект "ПС") на орбиту, проверка возможности наблюдения за "ПС" на орбите и прием сигналов, передаваемых с объекта "ПС". Разрешалось выведение двух спутников с использованием двух ракет Р-7 (8К71) с минимальными доработками. Запуск спутников разрешался только после одного-двух пусков ракеты Р-7 с положительными результатами.
     Простейший спутник ПС-1 представлял собой герметичный контейнер сферической формы диаметром 580 мм. Его корпус состоял из двух полуоболочек со стыковочными шпангоутами, соединенных между собой 36 болтами. Герметичность стыка обеспечивалась резиновой прокладкой. После сборки контейнер заполнялся осушенным азотом до давления 1,3 кг/см² . В верхней полуоболочке располагались две антенны, состоящие из двух штырей каждая (одна имела штыри длиной по 2,4 м, другая - по 3,9 м), а также пружинный механизм, разводящий штыри на угол 35о от продольной оси контейнера. Снаружи верхняя полуоболочка была покрыта защитным экраном, а на ее внутренней поверхности располагался кронштейн для крепления радиопередатчика с двумя частотами излучения (разработчик В.И. Лаппо из НИИ-885, Главный конструктор М.С.Рязанский). Блок электропитания, состоящий из трех батарей серебряно-цинковых элементов, был создан в Институте источников тока под руководством Н.С.Лидоренко. В состав аппаратуры ПС-1 входили также дистанционный переключатель, вентилятор системы терморегулирования, сдвоенное термореле и контрольные термо- и барореле.

Сборочный чертеж первого искусственного спутника Земли (ИСЗ)

     Радиопередатчик мощностью 1 Вт периодически излучал сигналы длительностью 0,4 с попеременно на волнах 7 и 15 м. Длительность сигналов изменялась при повышении (выше 50⁰С) или понижении (ниже 0⁰ С) температуры и при падении давления ниже 0,35 кгс/см² за счет срабатывания одного из контрольных тер-мо- или барореле. Температура в ПС-1 поддерживалась вентилятором, срабатывающим от сдвоенного термореле при температуре выше 23⁰ С. Источники энергопитания были рассчитаны на беспрерывную работу в течение двух недель. Общая масса ПС-1 составила 83,6 кг. Для стыковки ПС-1 предусматривался жестко закрепленный с блоком ракеты Р-7 переходной отсек. Специальная система отделения спутника от ракеты обеспечивала сброс головного обтекателя и после разделения самостоятельный полет ПС-1.
     Изготовление первого ИСЗ было настолько срочным, что работа производственников и конструкторов происходила одновременно. Основная трудность была в изготовлении сферических полуоболочек гидровытяжкой, их сварке со шпангоутом и полировке наружных поверхностей: на них не допускалась даже малейшая царапина, сварка швов должна быть герметичной и контролировалась рентгеном, а герметичность собранного контейнера проверялась гелиевым течеискателем ПТИ-4.
     При экспериментальной отработке спутника проводились макетирование размещения бортовой аппаратуры, кабельной сети и механизмов; проверки на герметичность спутника после его сборки с помощью гелиевого течеискателя; отработка процессов сброса головного обтекателя и отделения спутника от ракеты-носителя (макетный образец спутника многократно стыковался и отстыковывался от РН с одновременным сбросом головного обтекателя); отработка теплового режима в целях определения реальных температур спутника.
     Экспериментальная отработка спутника подтвердила высокую надежность его конструкции, аппаратуры, что позволило принять решение о его запуске.
     Подготовка спутника к полету на полигоне проводилась в монтажно-испытательном корпусе технической позиции РН, где было организовано специальное рабочее место. Все системы спутника подвергались проверке на функционирование.
     Подготовка ракеты Р-7 ПС на технической позиции проводилась под особым контролем и наблюдением, причем особое внимание уделялось контролю правильности прохождения команд на сброс головного обтекателя и отделение спутника.
     Запуск ракет с первым искусственным спутником Земли осуществлялся в соответствии с "Программой проведения пробных запусков простейших неориентированных ИСЗ (объект "ПС") с помощью изделия 8К71ПС", утвержденной Д.Ф.Устиновым, В.Д.Калмыковым, А.Н.Несмеяновым, В.М.Рябиковым, М.И.Неделиным.

     Пуск ракеты с первым ИСЗ состоялся 4 октября 1957 г. в 22 ч 28 мин по московскому времени (это был пятый пуск ракеты Р-7). 2 ступень ракеты со спутником вышла на орбиту с перигеем 223 и апогеем 950 км и временем одного оборота вокруг Земли 96,2 мин. спутник находился на орбите до 4 января 1958 г., совершив 1440 оборотов, центральный блок ракеты совершил 882 оборота вокруг Земли и вошел в плотные слои атмосферы 2 декабря 1957 г.
     Запуск первого спутника Земли и его полет получил ошеломляющей мировой резонанс. Практически вся мировая пресса говорила об этом событии.
     10 октября 1957 г. по личной просьбе Н.С.Хрущева было принято решение о срочной подготовке и запуске нового спутника Земли к 40-летию Октября. Во исполнение этого решения было предложено закрепить жестко специальную раму с кабиной, в которой находилось подопытное животное, герметичный корпус первого спутника с радиопередатчиком и отдельно прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Спутник закрывался головным обтекателем, сбрасываемым в конце активного участка полета.
     Для передачи на Землю значительно увеличенной информации использовалась доработанная многоканальная система "Трал", которая устанавливалась на ракете. По предложению руководителя КБ МЭИ А.Ф.Богомолова эта телеметрическая система после активного участка траектории с помощью специального программного устройства переключалась на передачу информации с систем спутника во время его орбитального полета.
     Экспериментальная отработка спутника ПС-2 по объему работ была аналогична работам со спутником ПС-1, за исключением того, что не проводилась отработка процесса отделения спутника от РН, так как спутник ПС-2 в полете не отделялся от РН, герметичность проверялась в барокамере, макетирование происходило одновременно со сборкой штатного образца, на функционирование были испытаны все служебные системы и научная аппаратура спутника, а также тщательно проверена кабина и система автоматики кормления собаки.
     После окончания всех проверок кабина была передана медицинской группе для установки источников питания, пищи и посадки животного. После установки в кабину источников питания при малейших ее толчках начиналось искрение, оказалось, что электрическая схема кабины была сделана однопроводной, клеммы батарей не изолированы, а кабельная сеть изготовлена с применением металлической экранной оплетки. Пришлось все это исправлять.
     Подготовка ракетно-космического комплекса на стартовой позиции происходила без замечаний. Пуск ракеты Р-7 ПС N М1-2ПС был произведен 3 ноября 1957 г. в 7 час 22 мин по московскому времени.
     Спутник совершил 2570 оборотов вокруг Земли и прекратил существование 14 апреля 1958 г. По орбите ИСЗ впервые совершило полет живое существо - собака Лайка.
     Работы по подготовке к запуску спутника типа "Д" шли своим чередом. Для запуска спутника на базе ракеты Р-7 была разработана ракета 8А91 с некоторым форсированием тяги двигательных установок, в том числе и управляющих двигателей. Ракета-носитель 8А91 имела стартовую массу 268,6 т (на 5,9 т меньше, чем ракета Р-7) и измененную циклограмму работы двигателей всех блоков.
     Экспериментальная отработка спутника типа "Д" была идентична объему и содержанию экспериментальной отработки спутника ПС-1. Подготовка спутника на технической позиции происходила в апреле 1958 г., при этом особое внимание уделялось проверке впервые применявшихся солнечных батарей. Первый пуск РН 8А91 со спутником типа "Д" был произведен 27 апреля 1958 г., но спутник не был выведен на орбиту из-за аварии РН, по причине возникновения продольных колебаний. После анализа этой аварии было решено проводить дросселирование двигателей в конце полета 1 ступени.
     15 мая 1957 г. состоялся успешный пуск РН 8А91, третий ИСЗ вышел на орбиту, близкую к расчетной, и просуществовал до 6 апреля 1960 г., т.е. 692 суток, более, чем в два раза превысив расчетное время.
     Разработка конструкции, изготовление и запуски ракет-носителей с ПС-1, ПС-2 и с объектом "Д" положили начало развитию принципиально новой техники в нашей стране - созданию космических аппаратов и ракет-носителей.
     Запуск первых искусственных спутников Земли показал, что летательные аппараты могут в течение длительного времени функционировать в космическом пространстве, однако для решения конкретных задач межпланетных полетов необходимо иметь ракету-носитель, способную вывести на орбиту искусственного спутника Земли не только космический аппарат, но и разгонную ступень, которая обеспечивала бы старт его с околоземной орбиты и получение при этом второй космической скорости (более 11,2 км/с).
     Постановлением от 20 марта 1958 г. предусматривалась разработка лунной станции и трехступенчатой ракеты 8К72 на базе ракеты Р-7 с целью получения второй космической скорости и попадания лунной станции на Луну (первый вариант) или облета ею Луны (второй вариант).
     Время на проектно-конструкторскую разработку, изготовление и отработку было минимальным: нужно было сохранить приоритет СССР в освоении космоса и исследовании Луны.
     Эскизный проект третьей ступени ракеты Р-7, названной блоком Е, был выпущен в 1958 г. Ракетный блок Е имел начальную массу 8 т, массу полезного груза 350-450 кг, тягу двигателя 5 тс и компоненты топлива "кислород-керосин". Управление полетом осуществлялось специальными соплами на отработанном газе после турбонасосного агрегата по командам автономной системы управления. Впервые предусматривалось поперечное деление ступеней с запуском двигателя в условиях космического пространства.
     Работа по созданию двигателя 8Д714 для ракетного блока Е была возложена совместно на ОКБ-154 (С.А.Косберг) и ОКБ-1 (М.В.Мельников).
     Для высотных испытаний камеры сгорания, органов управления и двигателя в целом с органами и элементами систем управления и регулирования в ОКБ-1 была создана газодинамическая эжекторная установка, на которой проводилась экспериментальная отработка одноступенчатого и "пушечного" запуска кислородно-керосиновой камеры сгорания ракетного блока Е.
     При создании ЖРД были решены многие научно-технические проблемы такие, как запуск в условиях космического пространства, обеспечивающий надежное отделение последней ступени ракеты по схеме "горячего" поперечного деления; управление полетом последней ступени космической ракеты с помощью малых сил за счет малой величины момента (эксцентриситета силы тяги) относительно действительного центра тяжестей последней ступени ракеты; создание новых органов управления, использующих отработанный газ после турбины двигателя для получения системы малых управляющих реактивных сил.
     Блок Е обеспечивал выведение межпланетных станций Е1 (для пролета вблизи Луны), Е1А (для достижения поверхности Луны), Е2, Е2А, Е3 (облет Луны, фотографирование обратной ее стороны и передачу изображения на Землю) на траекторию полета к Луне и сообщение им второй космической скорости. Отделение станции происходило после выключения двигательной установки блока Е.
     Межпланетные станции первой группы с индексами Е1 и Е1А различались между собой, в основном, настройкой применяемой научной аппаратуры, а конструктивно были подобны первому спутнику ПС-1. Герметичный корпус станций имел сферическую форму, тепловой режим обеспечивался путем обдува аппарата вентилятором с передачей тепла к корпусу, внешняя поверхность которого была обработана с обеспечением необходимых оптических коэффициентов излучения и поглощения.
     В корпусе была установлена трубчатая ферма, на которой размещались: аппаратура радиокомплекса и автоматики; научная аппаратура для исследования метеорных частиц, измерений магнитного поля Земли и Луны, газовой компоненты межпланетного вещества и корпускулярного излучения Солнца, регистрации тяжелых ядер в первичном космическом излучении, интенсивности и вариаций интенсивности космических лучей, фотонов; источники тока (серебряно-ртутные батареи); вымпелы, свидетельствующие о принадлежности аппарата Советскому Союзу.
     Снаружи корпуса располагались штыревые и ленточные антенны, штанга с датчиком магнитометра, ионные ловушки, датчики микрометеоритов и другие приборы.
     Корпус межпланетной станции, заполнялся газообразным азотом при давлении 1,3 кгс/см². На блоке Е устанавливалось устройство для создания натриевого облака, позволяющего наблюдать за ним с Земли.
     При экспериментальной отработке станции Е1 особое внимание уделялось надежности ее отделения от ракеты-носителя, обеспечению необходимого теплового режима и надежности функционирования приборного состава.
     Для этих целей были созданы установка для отработки разделения и тепловой макет станции. На установке разделения было проведено несколько десятков отстрелов, определялась величина навески пиропа-трона и безударность выхода станции из опорного конуса. На тепловом макете в специальном стенде НИИ-229 определялись тепловые параметры станции. Проводились также проверка станции на герметичность и отработка механизмов раскрытия антенн.
     В целях экономии времени и затрат материальной части трехступенчатая ракета отрабатывалась одновременно с выполнением Лунной программы. Постановлением от 2 сентября 1958 г. предусматривался запуск космической ракеты к Луне в сентябре 1958 г. В сентябре 1958 г. были утверждены программы пусков станции Е1 (вариант попадания) и станции Е2А (вариант облета).
     Первый пуск ракеты-носителя 8К72 со станцией Е1 состоялся 23 сентября 1958 г. Однако полет завершился аварией ракеты-носителя на 87 с из-за возникновения возрастающих продольных колебаний. Суть явления состояла в том, что продольные колебания конструкции с низкой, (из-за малой упругости), частотой передавались через гидравлический тракт в ДУ, которая возбуждала ответные колебания давления в камере сгорания, вследствие чего возникало резонансное явление, приводящее к разрушению ракеты-носителя в полете.
     При повторном пуске 12 октября 1958 г. ракета опять потерпела аварию на 104 с по той же причине.
     Аварийная комиссия во главе с членом-корреспондентом Академии наук СССР Б.Н.Петровым сумела в короткий срок досконально разобраться в физике этого явления и выработать рекомендации по его устранению. Так, впервые в мировой практике ракетостроения появился демпфер продольных колебаний, встроенный в топливную магистраль двигательной установки.
     Пуск 4 декабря 1958 г. вновь завершился аварией на 245 с полета из-за дефекта мультипликатора насоса перекиси водорода.
     Успех пришел 2 января 1959 г. Ракета стартовала в 19 ч 41 мин 25 с. Старт и полет всех трех ступеней ракеты прошли нормально, а из-за больших ошибок системы радиоуправления станция прошла мимо Луны на расстоянии 5000 км и вышла на гелиоцентрическую орбиту. Научная аппаратура функционировала на удалении до 500 000 км. Впервые была осуществлена связь на столь большом расстояние. Руководством страны дана высокая оценка по созданию межпланетной станции "Луна-1" ("Мечта").
     Пуск 18 июня 1959 г. завершился аварией на 152 с из-за отказа гирогоризонта. Авария ракеты-носителя при этом запуске поставила жесткое условие дальнейшей работы: необходимо готовить одновременно две ракеты на технической позиции, чтобы обеспечить наивыгоднейшие сроки запуска станции, причем одновременная работа на технической позиции и стартовом комплексе исключалась из-за отсутствия второй испытательной команды.
     12 сентября 1959 г. состоялся очередной пуск ракеты 8К72, который позволил полностью выполнить программу по достижению поверхности Луны. Принесли плоды тщательная подготовка материальной части и меры по обеспечению потребной точности траектории: скорость в конце активного участка траектории выдержана с точностью до нескольких метров в секунду, а отклонение вектора скорости по направлению не превышало одной десятой градуса.
     В средствах массовой информации было опубликовано сообщение о полете межпланетной станции "Луна-2", доставившей на поверхность Луны вымпел СССР. Это произошло 14 сентября 1959 г. в 0 часов 2 мин 24 с по Московскому времени.
     Следующий этап лунной программы выполнялся станциями Е2, Е2А и Е3, которые должны были сделать и передать на Землю фотоснимки обратной, невидимой земному наблюдателю стороны Луны.
     Конструктивно эти станции были выполнены из алюминиевого сплава в виде герметичного сварного цилиндрического контейнера со сферическими днищами. На наружной поверхности устанавливались панели солнечных батарей, жалюзи системы терморегулирования, антенны радиокомплекса, иллюминатор