Ракеты и полеты в космос - Вилли Лей

Установлено, что для получения замкнутой круговой траектории у поверхности Земли необходима начальная скорость 7,9 км/сек. На большей высоте скорость движения по круговой орбите может быть несколько меньшей. Так, например, Луна имеет орбитальную скорость порядка всего лишь 1 км/сек.

Каждой из орбит, находящихся на разном удалении от Земли, соответствует определенный период обращения. Орбите, проходящей, скажем, на расстоянии 12 800 км от Земли, соответствует более длительный период обращения, чем орбите, удаленной от Земли на 800 км. Искусственный спутник Земли, вращающийся у самой ее поверхности со скоростью 7,9 км/сек, мог бы совершить полный оборот вокруг Земли за 83 минуты. Луне же для этого требуется целый месяц. Как показано ниже, между этими двумя пределами возможны орбиты с самыми различными характеристиками.

Особый интерес представляет последняя орбита. Для полного оборота искусственного спутника по этой орбите необходимы ровно одни сутки, а если плоскость орбиты будет совпадать с плоскостью экватора, то спутник будет казаться неподвижным, занимая одно и то же положение в небе.

Чем дальше находится орбита спутника от земной поверхности, тем меньшей может быть его скорость, но тем больше потребуется топлива, чтобы выйти на нее с Земли. Более близкая орбита выгоднее с точки зрения общего расхода топлива, оптического сопровождения, телеметрии и т. п. Тем не менее ее нужно выбирать так, чтобы она лежала за пределами атмосферы; в противном случае сопротивление воздуха приведет к большим потерям энергии и спутник быстро потеряет высоту. Приближаясь к Земле по спиральной траектории, спутник в конце концов разобьется, если не сгорит при вхождении в более плотные слои атмосферы.

Рис. 58. Зависимость периода обращения от высоты орбиты.

Цифры слева указывают периоды обращения (в часах), справа - скорость в м/сек; внизу даны расстояния в км.

Поэтому минимальная высота круговой орбиты спутника над земной поверхностью определяется расстоянием, на котором атмосфера может создать более или менее значительное лобовое сопротивление телу, движущемуся со скоростью 7,9 км/сек. В настоящее время вполне достаточной считается высота в 1000 км над уровнем моря, хотя, вероятно, удовлетворительной может быть и половина ее.

Неизвестно, кто первый подал мысль о беспилотном искусственном спутнике, после того как Оберт опубликовал в 1923 году свой проект пилотируемой космической станции. Возможно, что это сделал кто-то из группы, работавшей в Пенемюнде, а может быть, - кто-нибудь другой. Так, например, Дорнбергер в своей книге указывает, что при обсуждении будущих разработок в Пенемюнде было предложено для воздания почести первым путешественникам в космос помещать их набальзамированные тела в стеклянные шары, запускаемые по орбитам вокруг Земли.

Мне же кажется, что мысль о беспилотном спутнике приобрела конкретную форму в тот период, когда люди стали думать о ракетах с очень большой дальностью полета.

На втором Международном конгрессе по астронавтике, состоявшемся в Лондоне в сентябре 1951 года, большинство докладов было посвящено искусственным спутникам, но во всех этих докладах, за исключением одного, рассматривались главным образом вопросы, связанные с пилотируемыми космическими станциями. Исключение составлял доклад членов Британского межпланетного общества К. Гэтленда, А. Кунеша и А. Диксона, озаглавленный «Минимальные размеры ракет для искусственных спутников». В докладе был сделан анализ трех трехступенчатых ракет, условно названных «Схема А», «Схема В» и «Схема С». В двух последних «Схемах» третья ступень должна была нести полезную нагрузку весом 100 кг, в «Схеме А» полезная нагрузка не предусматривалась. Стартовый вес ракет был следующим: в «Схеме А» - 16800 кг, в «Схеме В» - 62400 кг и в «Схеме С» - 90900 кг. У четвертой системы («Схема D»),, которая была представлена как «весьма далекая от практического осуществления», стартовый вес был таким же, что и у ракеты в «Схеме С», но полезная нагрузка последней ступени имела вес 220 кг. В 1952 - 1953 годах число опубликованных статей по беспилотным спутникам непрерывно возрастало. Среди них большого внимания заслуживала статья Вернера фон Брауна, напечатанная в журнале «Кольерс» в июне 1953 года, хотя, к сожалению, при редактировании ее были опущены почти все технические данные.

На четвертом Международном конгрессе по астронавтике, проходившем в 1953 году в Цюрихе, профессор Фред Зингер из университета штата Мериленд заявил, что в США имеются предпосылки для создания искусственного спутника Земли, сокращенно названного «MOUSE»[43]. В более ранних докладах и статьях рассматривались вопросы, преимущественно касающиеся двигателей, причем основное внимание в них обращалось на то, чтобы создать условия для вывода третьей ступени в качестве беспилотного спутника в безвоздушное пространство.

В докладе же Зингера главным был вопрос о полезной нагрузке. В частности, были затронуты проблемы использования ракет-спутников для научных исследований, оборудования их необходимыми приборами, вероятного веса спутников и способов передачи данных на Землю. Гипотетический спутник Зингера представлял собой автономную, имеющую форму шара, приборно-измерительную систему, которая по достижении заданной высоты отделялась от третьей ступени. Этот шар-спутник весил около 45 кг и стабилизировался вращением. Ось стабилизированного таким образом приборно-измерительного блока должна была постоянно быть направленной к Солнцу; в этом своеобразном «полюсе» спутника предполагалось разместить солнечные батареи для питания радиопередатчика. Орбита спутника должна была проходить через оба географических полюса Земли и находиться на удалении 300 км. Предположительный период обращения спутника составлял 90 минут.

Двухполюсная орбита была выбрана потому, что она проходит над двумя определенными точками, с которых можно принимать передачу данных, а именно над полюсами. Данные измерений приборов должны были записываться на медленно движущейся ленте (5 см/мин). Прием информации со спутника предлагалось осуществлять следующим образом: при выходе «MOUSE» на один из полюсов в воздух поднимается самолет, выполняющий функцию приемной радиотелеметрической станции; по радиосигналу, посланному с самолета, включается передатчик спутника, и все записанное на ленте передается в течение 5 минут на самолет. После этого запись на магнитной ленте стирается, и лента снова оказывается готовой к записи новых данных.

Разговор об искусственном спутнике был поднят Зингером и на третьей конференции по космическим полетам в Гэйденском планетарии (4 мая 1954 года). Он опять утверждал, что его проект - это не проект будущего, что его можно осуществить в настоящее время. Это заявление произвело очень сильное впечатление на представителей прессы и промышленников, присутствовавших на конференции. После выступления доктора Гарри Векслера из Бюро погоды США, который сказал, что искусственный спутник, движущийся по орбите вокруг Земли, будет иметь огромную ценность для метеорологов, так как облегчит им наблюдения и повысит точность краткосрочных и долгосрочных прогнозов, почти ни у кого не осталось сомнений в целесообразности создания спутника.

Снова, как и в 20-е годы, к проблеме космических полетов большой интерес проявили кино-промышленники. Уолтер Дисней организовал серию телевизионных передач. Осенью 1954 года был выпущен фильм под названием «Человек в космосе», который просмотрело около 42 миллионов человек.

В том же году, весной, комитет по космическим полетам Американского ракетного общества разработал предложения по созданию искусственного спутника Земли, которые были представлены на рассмотрение различным ведомствам. К этому времени правительство США и официальные организации (в частности, научно-исследовательское управление ВМС) уже осознали, что для проведения исследований за пределами земной атмосферы необходимы специальные научные приборы. Поэтому реакция была быстрой. 25 июня 1954 года в научно-исследовательском управлении ВМС в Вашингтоне состоялась встреча, на которой присутствовали фон Браун, Фред Дюран, профессор Зингер, профессор Уиппл из Гарварда, капитан 2 ранга Джордж Гувер, Дэвид Янг из фирмы «Аэроджет» и некоторые офицеры управления.

В то время существовало довольно много разработок, связанных с высотными исследованиями, но программа создания спутника еще не значилась в списках. Вопрос заключался в том, можно ли в ближайшее время произвести запуск искусственного спутника Земли крупных размеров на орбиту, находящуюся на удалении 320 км от Земли. Под ближайшим временем подразумевался период в два- три года. Фон Браун заявил, что это можно сделать раньше, и изложил свои соображения относительно использования ракеты «Редстоун» в качестве первой ступени и нескольких связок ракет «Локи»[44]в качестве последующих ступеней. По его расчетам скорость последней ступени (одна ракета «Локи») была бы вполне достаточной, чтобы выйти на орбиту вокруг Земли. Основное преимущество этой схемы заключалось в том, что в ней могли быть использованы существующие ракеты.