Глава IV
КАКИЕ МОГУТ БЫТЬ ТИПЫ ИСЗ?

1. Классификации спутников Земли

Еще до успешного запуска в СССР первых ИСЗ в ряде стран были разработаны проекты спутников.

Проекты ИСЗ отличаются друг от друга размерами, формой, высотой орбиты, назначением и т. д.

К настоящему времени в различных странах мира создано большое количество различных проектов искусственных спутников Земли и сотни проектов межпланетных станций, являющихся по существу также спутниками Земли, но стационарного типа. По назначению все искусственные спутники Земли могут быть разделены на три основных класса:

I — малые орбитальные спутники Земли;

II — сателлоиды;

III — искусственные спутники Земли стационарного типа, или межпланетные станции.

Подавляющее большинство проектов спутников Земли носит фантастический характер, однако некоторые из них заслуживают подробного рассмотрения и изучения, так как они научно обоснованы, конструктивно оригинально разработаны и будут реализованы в самое ближайшее время. Не останавливаясь на подробном описании отдельных конструкций, мы все же кратко познакомим читателя с некоторыми из них,

2. Малые орбитальные спутники Земли

В период Международного геофизического года СССР осуществил запуск первых в мире искусственных спутников Земли. США также запустили свой первый ИСЗ.

Некоторые американские ученые по-прежнему высказываются за создание спутника диаметром около 500 мм и весом 10 кг, который будет запущен с помощью трехступенчатой ракеты. Спутник будет делать 1 оборот вокруг Земли за 1,5 часа, двигаясь по круговой орбите на высоте 320-480 км со скоростью 29000 км/час. Орбита должна проходить через Северный и Южный полюсы. Одна из сторон спутника должна быть все время повернута в сторону Солнца, для того чтобы освещался преобразователь солнечной энергии в электрическую, питающий научные приборы и радиостанцию, помещенные в ИСЗ. Радиосигналы со спутника, передающие результаты наблюдений, производимых приборами, будут приниматься радиостанциями многих стран мира. Предполагают, что спутник просуществует от нескольких дней до нескольких месяцев и будет виден невооруженным глазом при восходе и заходе Солнца; его точное положение, скорость и орбиту можно будет легко определять с поверхности Земли.

Первой ступенью американской составной ракеты-носителя спутника, вероятно, явится баллистическая ракета военного применения «Редстоун», второй — баллистическая высотная ракета «Аэроби-Хи». Третья ступень, т. е. собственно спутник, будет также снабжена ракетным двигателем для обеспечения необходимой орбитальной скорости.

В других источниках указывается, что первоначальной ступенью спутника сможет служить создаваемая баллистическая составная трансконтинентальная ракета, для которой конечная скорость наивысшей ступени составляет около 6700 м/сек.

В отношении типа первых спутников существует несколько проектов. Так, например, некоторые ученые считают, что спутник не обязательно должен представлять собой щар диаметром 500 мм и весом в 10 кг, что возможны и другие варианты выполнения спутников:

а) тело минимального размера и веса, рассчитанное не на визуальное наблюдение, а на передачу результатов научных наблюдений с помощью радио; это тело может и не отделяться от последней ступени ракеты-носителя; подобные спутники носят название «активные спутники»;

б) большой раздвижной шар, обеспечивающий хорошую видимость спутника, но не приспособленный для несения научных приборов; это так называемые пассивные спутники.

Сведения о конструкциях первой группы спутников часто публикуются в различной периодической литературе, о второй группе — реже.

Вторая группа спутников является, очевидно, наиболее простой, поэтому начнем с нее и покажем несколько их проектов.

Так, например, специально для измерений больших расстояний на Земле;, плотности атмосферы на больших высотах, а также для определения изменения силы тяжести по земной поверхности и уточнения формы Земли предполагается создать искусственный спутник без приборов.

Так как этот спутник никаких сигналов передавать не будет, а может служить только для наблюдения с земли, он назван «Маяком». Он будет представлять собою тонкостенный, покрытый алюминиевой фольгой пластмассовый шар, транспортируемый на орбиту в сложенном состоянии. На орбите, отстоящей на 320 км от Земли, его выбросят из ракеты и наполнят там воздухом или углекислым газом, что придаст ему форму шара диаметром около 3 м.

Считают, что такой шар будет с Земли казаться более ярким, чем звезда 1-й величины. Вне всякого сомнения, что при движении шара по орбите будет происходить утечка газа в пространство, но, тем не менее, он не потеряет своей формы, так как не будет сил, которые могли бы его сплющить.

Такой ИСЗ можно будет легко наблюдать и фотографировать в полете, что позволит точно вычислить его орбиту и интересующие расстояния на поверхности Земли. Доклад о таком ИСЗ был прочитан на международном конгрессе по астронавтике представителем института имени Франклина (в США). Предлагались такие «пассивные» спутники и в другом исполнении.

Больший интерес, конечно, вызывают малые радиофицированные спутники Земли, несущие в себе автоматизированную аппаратуру для научных наблюдений.

Рис. 30. Схема миниатюрного ИСЗ типа «Моузе», разработанного профессором Сингером (США): 1 — счетчик солнечных ультрафиолетовых лучей; 2 — антенна на стороне, обращенной к Солнцу, со счетчиком электронов и тяжелых частиц внутри; 3 — счетчик солнечных рентгеновских лучей; 4 — солнечная батарея; 5 — источник энергии; 6 — радиооборудование; 7 — измеритель альбедо Земли; 8 — коллектор космической пыли; 9 — магнетометр; 10 — антенна на теневой стороне со счетчиками космических лучей и частиц полярного сияния; 11 — радиопередатчик, работающий на ультракоротких волнах; 12 — радиолокационный маяк

Конструкции их могут быть весьма разнообразны. Предполагают, что окончательный вид конструкции спутника будет разрабатываться на основе проекта «Mouse», предложенного профессором Мерилендского университета Сингером (США). Форма малых автоматизированных ИСЗ Сингера имеет две разновидности — цилиндрическую (рис. 30) и сферическую (рис. 31). Причем в первом случае вес ИСЗ предполагают равным 45-50 кг при весе приборов в 20 кг, а во втором случае при большем диаметре ИСЗ (очевидно, для улучшения слежения за ними в полете) вес его находится в пределах 9-14 кг при весе приборов 5-6 кг.

3. Проекты ИСЗ «мышь» и другие малогабаритные спутники Земли

Название ИСЗ «Mouse» по-английски означает «мышь», но это лишь случайное совпадение, получившееся благодаря начальным буквам полного названия: «Minimum Orbital Unmanned Satellite of the Earrth», или «малый орбитальный необитаемый искусственный спутник Земли».

В процессе создания этот проект Сингера претерпел ряд изменений. Прежде всего нужно было четко определить цель запуска этого ИСЗ, т. е. конкретно наметить те вопросы, которые должны будут решаться с его помощью. Выше мы видели, что круг этих вопросов чрезвычайно велик и многообразен, и поэтому естественно, что первый спутник не может разрешить их все. Следовательно, нужно было выделить минимальное количество основных задач, требующих разрешения в первую очередь, которые бы позволили перейти в дальнейшем к последовательному расширению круга изучаемых проблем.

Кроме того, первоначально считали, что искусственный спутник, постепенно затормаживаясь и теряя высоту, полностью не сгорит в плотных слоях атмосферы и заключенные в нем приборы удастся сохранить.

Это позволило бы избавиться от наличия в нем передающей радиоаппаратуры и источников ее питания. Благодаря этому, естественно, в спутнике можно было бы разместить ряд дополнительных исследовательских приборов и инструментов.

Рис. 31. Малый орбитальный необитаемый ИСЗ

Однако проведенные исследования, к сожалению, заставили отказаться от мысли, что первые ИСЗ удастся сохранить, поэтому в переработанном виде проект профессора Сингера стал выглядеть таким образом.

Спутник будет представлять собою полый алюминиевый шар диаметром около 600 мм и весом около 10 кг (см. рис. 31). Стабилизация спутника в пространстве будет обеспечиваться приданным ему до взлета вращением вокруг одной из его осей, которая должна быть направлена на Солнце. К тому же предполагалось, что орбита этого спутника будет находиться в плоскости, проходящей через полюсы Земли и перпендикулярной к солнечным лучам. Поэтому к Солнцу будет обращена всегда одна и та же сторона спутника, на которой будут расположены пластические линзы, обеспечивающие получение максимального количества солнечной энергии для зарядки его аккумуляторных батарей.

По оси спутника будет расположена полая алюминиевая труба, концы которой должны выполнять роль антенны.

В спутнике, кроме того, будут размещены счетчики космических лучей, электронов, гамма-лучей и других частиц.

Корпус спутника будет иметь два окна. Стекло одного из них специального состава будет пропускать только ультрафиолетовые лучи, материалом стекла другого окна будет служить сплав с бериллием, пропускающий только рентгеновские лучи. Внутри спутника у соответствующих окон будут установлены счетчики ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, кроме того, там будет находиться магнитометр и измеритель альбедо (Примеч.- Альбедо показывает, какую долю падающего света отражает данная поверхность.) Земли. Запись всех этих наблюдений будет производиться на магнитную ленту. Так как запасы энергии на спутнике будут весьма ограничены, то передача данных на Землю будет производиться во время каждого оборота вокруг Земли только в самый выгодный момент, когда он будет проходить над приемными станциями, расположенными вблизи северного и южного полюса. В этот момент с Земли (а возможно, и с самолета) по радио будет запущен передатчик спутника, который в течение 30 секунд передаст все данные, записанные на ленту барабана (полученные ИСЗ), пока он летел от одного полюса к другому.

Для того чтобы успеть передать всю запись, скорость вращения барабана во время передачи должна во столько же раз превышать скорость вращения его при записи, во сколько раз время, за которое спутник делает половину оборота вокруг Земли, превышает время передачи.

Мы уже говорили, что этот ИСЗ будет делать полный оборот вокруг Земли за 90 минут. Сингер считает, что такой спутник сможет просуществовать около 12 дней и, таким образом, сделает за это время около 200 оборотов вокруг Земли.

Отметим, что рассмотренный нами проект Сингера все время подвергается некоторым изменениям. Например, недавно в печати появилось краткое сообщение о том, что Сингер изменил форму спутника и что в последнем варианте он стал более компактным и представляет собою уже не шар, а цилиндр, вращающийся вокруг продольной оси с полезным грузом в 20 кг (имеются в виду только приборы).

Остановимся еще на некоторых проектах малых автоматизированных спутников Земли, имеющих специфические особенности, отличающие их от вышеописанных.

4. Устройство американского автоматизированного искусственного спутника Земли

На состоявшемся в Нью-Йорке собрании общества прибористов исследовательской лаборатории военно-морского флота США была продемонстрирована модель проекта малого автоматизированного ИСЗ (рис. 32).

ИСЗ помещается в головную часть ракеты-носителя (длина ракеты 21,6 м, а вес 11 т), с помощью которой и предполагается его запустить на заранее рассчитанную орбиту с перигеем в 550 км и апогеем в 2200 км.

Проектируемый искусственный спутник Земли представляет собой шар диаметром 508 мм с общим весом 9,5 кг. Он имеет 4 выдвижные антенны 3, представляющие собой четвертьволновые вибраторы, расположенные по сфере спутника через 90°. Все они примут рабочее положение, т. е. выдвинутся из корпуса ИСЗ наружу, в момент, когда ИСЗ будут находиться на своей заранее рассчитанной орбите.

Сообщается, что первые спутники будут иметь только передатчик «Минитрек», однако последующие модели спутников будут включать в себя как систему «Минитрек», так и телеметрическую систему. Радиопередатчик типа «Минитрек» предназначен для пеленгации спутника. Это однокаскадный генератор, собранный на одном полупроводниковом триоде и непрерывно излучающий радиосигналы.

Мощность радиопередатчика 0,01 вт, его вес вместе с батареями не превосходит 400 г. Рабочая частота передатчика (108 мггц) обеспечивает приемлемые вес и КПД генератора, с одной стороны, и достаточно малое влияние ионосферы на условия распространения радиоволн, с другой. На предполагаемой высоте полета спутника порядка 480 км ионизированный слой газов является своеобразным окном для электромагнитных волн, имеющих частоту 108 мггц. Однако при этом будет некоторая рефракция радиоволн и при приеме сигналов наземными станциями угловая ошибка в определении положения спутника. При увеличении частоты радиоволн эта угловая ошибка может быть уменьшена, но увеличение частоты приводит к уменьшению КПД и увеличению веса передатчика.

Рис. 32. Устройство малого автоматизированного ИСЗ: 1 — радиопередатчик типа «Минитрек»; 2 — счетно-решающий и запоминающий прибор; 3 — выдвижные антенны; 4 — чувствительный микрофон; 5 — электрические термометры; 6 — фотоэлементы запоминающего устройства; 7 — корпус (цилиндр) для аппаратуры; 8 — источники питания (батарея ртутных элементов); 9 — приборы для регистрации эрозии; 10 — газовая камера для измерения ультрафиолетового излучения; 11— поверхность ИСЗ; 12 — индикатор давления, регистрирующий удары метеоритов

В печати сообщалось, что инженеры научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разработали схему, которая позволяет ставить научные эксперименты с применением телеметрической аппаратуры на разных спутниках без нарушения конструктивной основы. Вся радиоаппаратура выполнена с применением печатного монтажа. Система креплений аппаратуры спроектирована таким образом, что позволяет легко менять высоту приборов при сохранении их диаметра.

Для передачи измеренных системой телеметрии параметров предполагается использовать специальный передатчик мощностью 100 мвт, имеющий рабочую частоту 220 мгц. Модуляция в телеметрическом передатчике осуществляется по амплитуде в соответствии с сигналами кодирующего входного устройства.

Энергия телеметрического передатчика расходуется только после приема запрашиваемого импульса с Земли. Электропитание на ИСЗ осуществляется от ртутных батарей 8. Емкость этих батарей рассчитана на две недели непрерывной работы.

Вся основная аппаратура для наблюдений и передатчик помещены в легкий изолированный цилиндр 7, 130 X 75 мм, который прикреплен к внутреннему кольцу ИСЗ, как показано на рис. 32.

Для разрешения ряда научных задач на этом первом ИСЗ имеются специальные приборы. Основными из них являются:

— чувствительный микрофон 4, воспринимающий удары метеоритной пыли о поверхности ИСЗ;

— приборы 9, регистрирующие эрозию оболочки, возникающую в результате воздействия метеоритной пыли;

— индикатор давления 12, регистрирующий попадания в ИСЗ метеоритов;

— электрические термометры 5, измеряющие температуру от + 150°С до — 140°С;

— газовая камера 10, измеряющая ультрафиолетовое излучение Солнца.

Один из упомянутых термометров 5 будет измерять внутреннюю температуру спутника в диапазоне 0°+80° С. Два других, на оболочке спутника, будут измерять температуру вследствие аэродинамического нагрева и изменения температуры по мере движения спутника по орбите. Аэродинамический нагрев, как ожидается, не будет превышать + 150°С, а температура в разных точках орбиты будет изменяться от — 40°С до + 75°С.

Для получения информации о бомбардировке спутника метеоритными частицами могут быть использованы следующие методы.

На ракете устанавливается кристаллический микрофон 4 и усилитель для регистрации ударов частиц. Этот метод дает данные о числе частиц и их скорости. На спутнике будет использоваться усилитель на транзисторах и счетчик, способный регистрировать удары частиц величиной от 1 микрона до видимых размеров. Блок весит 1,2 кг и может работать в течение 30 дней.

Измерение сопротивления материала обшивки спутника с помощью специального прибора позволит определить интенсивность ударов частиц через эрозию (разрушение) оболочки спутника.

Использование радиоактивных материалов и счетчиков Гейгера также позволит определить результаты бомбардировки спутника частицами по величине поверхностной эрозии.

Для исследования солнечной радиации предусматривается измерение освещенности на «светлой» и «темной» сторонах спутника (сферы), а также изучение водородной линии Лайман-Альфа. Прибор для обнаружения спектральной линии Лайман-Альфа представляет собой ионизационную камеру, чувствительную к ультрафиолетовому излучению с максимальной чувствительностью к водородной линии Лайман-Альфа (1215,7 Å (Примеч.- Å -ангстрем равен 10^-8 см.)). Эта камера заполнена окисью азота. Солнечное излучение поступает в камеру через окно из фтористого лития, которое является фильтром, обеспечивающим проникновение в камеру излучения только требуемой длины волны. Известно, что внезапные ионосферные возмущения, ослабление радиосвязи связаны с солнечными пятнами. Интенсивность водородной линии Лайман-Альфа зависит от интенсивности солнечных пятен, и поэтому ее изучение представляет большой интерес. Информация о линии Лайман-Альфа будет запоминаться на борту с помощью прибора, а затем передаваться по телеметрии на Землю. Установленное на внешней поверхности спутника окно камеры будет проходить мимо Солнца один раз за один оборот спутника вокруг Земли. При этом будет заряжаться электрометр. Пиковое значение выходного сигнала электрометра сохраняется в качестве заряда на емкости. Запрос во время телеизмерения импульсом с Земли замыкает переключатель, соединяющий заряженный конденсатор со входом телеметрической системы. Конденсатор разряжается и приготовляется к следующему прохождению мимо Солнца.

Информация об облачном покрове Земли может быть получена с помощью трех фотоэлементов 6, установленных на внешней поверхности сферы. Фотоэлементы могут осмотреть Землю от горизонта до горизонта по мере движения спутника вокруг Земли. Так как отражение сигналов от облаков составляет около 55%, а отражения от Земли составляют около 10-35%, то образования облаков могут быть различимы. Форму облаков также можно определить с помощью информации о положении спутника и сигналов фотоэлементов. Ожидается, что эта аппаратура будет полезна для раннего обнаружения ураганных образований.

Сообщается, что люки для измерительных приборов располагаются в экваториальной плоскости спутника, причем люки для наблюдения Солнца расположены на 180° от люков для ионизационной камеры. Складывающиеся, диполи антенны располагаются под углом 45° к указанным люкам. Такое расположение должно помочь определению ориентации четырех четвертьволновых диполей по отношению к Земле. Это необходимо для целей изучения верхних слоев ионосферы, вызывающей рефракцию радиоволн.

Искусственный спутник Земли имеет блестящую металлическую позолоченную поверхность 11, рассчитанную на максимальную отражательную способность, что значительно облегчит задачу наблюдения за ним с Земли.

Спутники, подготавливаемые американскими учеными, представляют резкий контраст по весу даже с первым советским спутником (83,6 кг). Этот факт больше всего доставляет беспокойства за рубежом, как неоспоримое доказательство могущества советской ракетной техники. Как сообщали газеты, после запуска второго советского искусственного спутника Земли весом свыше 500 кг, оснащенного совершенной исследовательской аппаратурой, в Пентагоне царила «атмосфера, граничащая с паникой».

Широко разрекламированная буржуазной прессой попытка запустить в штате Флорида американский искусственный спутник Земли «Авангард» окончилась 6 декабря 1957 г. полной неудачей. В момент запуска трехступенчатая ракета «Авангард», заключавшая в себе полуторакилограммовый спутник размером в небольшой детский мяч, поднялась над основанием площадки всего на один метр, затем упала на прежнее место, взорвалась и сгорела. Огромное пламя и клубы дыма явились для сотен собравшихся вдали корреспондентов и публики первым известием о конце представления, продолжавшегося всего около двух секунд. Человеческих жертв не оказалось лишь потому, что осуществлявшие запуск 42 техника, в том числе 20 представителей фирмы «Мартин компани», строившей ракету «Авангард» по заказу военно-морского ведомства, были заблаговременно укрыты за массивными блиндажами на почтительной дистанции от ракеты.

Журнал «Тайм» привел подробное описание провала попытки США запустить свой искусственный спутник Земли.

6 декабря 1957 года, пишет журнал, на протяжении нескольких миль вокруг мыса, примерно в трех милях от стартовой площадки, на улицы, во дворы, на дороги и общественные пляжи высыпали школьники, домашние хозяйки, солдаты, служащие.

В 11.44 последняя «пуповина» — кабель, соединяющий ракету со стартовым устройством, был отсоединен и упал вниз. Несколькими секундами позже у основания «Авангарда» ТВ-3 появились первые следы белоснежного выхлопа. Доктор Дж. Паул Уолш, заместитель директора проекта «Авангард», стоя у прямого провода, соединяющего его с Вашингтоном, передавал: «Ноль... запуск... запал...» Затем неожиданно он воскликнул: «Взрыв!..»

В течение примерно двух секунд «Авангард» строго следовал по программе. Он медленно, как бы раздумывая, поднялся со стартовой площадки — один фут, два фута, три фута. Одно мгновение казалось, что он стоит неподвижно на месте. Затем из-под нижней части ракеты вырвался оранжевый язык пламени, затем с правой стороны ракеты вырвался огненный шар на высоту в 45 метров.

«Взрыв! — кричал по радио пилот-наблюдатель. — Район запуска охвачен черным дымом... Мы не видим ракету со спутником... Мы не видим ракету, на которой находится наш спутник... Ракета, по-видимому, не оторвалась от Земли... Над ней поднимается огромное облако черного дыма — весь район вокруг места запуска окутан дымом».

К этому времени «Авангард» представлял собой жалкое зрелище: он повалился на хвост, носовая часть его отлетела, он окутался разноцветным пламенем.

Таков финал рекламной шумихи вокруг ракеты «Авангард», начатой в июле 1955 года и рассчитанной не столько на поддержку научного участия США в проведении Международного геофизического года, сколько на раздувание «холодной войны» против Советского Союза.

Член-корреспондент Академии наук СССР Е. К. Федоров писал: разве не для устрашения всего мира беззастенчиво рекламировался пресловутый проект «Авангарда» в течение нескольких лет? Разве не этой же цели служат рассуждения о так называемой «метеорологической войне», время от времени появляющиеся в иностранной печати?

По свидетельству мировой печати, запуск двух советских искусственных спутников Земли весьма поколебал престиж США. И не лихорадочное ли стремление во что бы то ни стало сохранить этот престиж заставляет некоторых деятелей США перенапрягать все свои силы в попытках запустить хоть что-нибудь в космическое пространство? Ломаются планы ученых, брошен на склад показанный на многих выставках красивый макет спутника «Авангард». На старт 26 января 1958 г. ставится ракета, предназначенная для запуска на орбиту тела, составляющего по весу менее 0,3 процента от второго советского спутника! Лопается и эта ракета!

Конечно, американские ученые и инженеры изготовили и запустили бы свой первый спутник раньше и лучше, если бы не лихорадочные стремления реакционных кругов поскорее запугать весь мир.

США 31 января 1958 г. осуществили запуск ИСЗ с помощью ракеты «Юпитер-С».

Из сообщений американской печати нам известны трудности, с которыми пришлось встретиться американским ученым и инженерам при запуске спутника «Авангард». Но мы были уверены в том, что в недалеком будущем они сумеют преодолеть эти трудности и осуществить запуск искусственного спутника.

По поступившим сведениям, американский искусственный спутник «Исследователь» движется по орбите, средняя высота которой порядка 700 миль (Примеч.- Соотношение между единицами измерения, встречающимися в книге, и метрическими мерами-1 миля = 1,609 км; 1 дюйм = 2,54 см; 1 фунт = 0,454 кг.). Скорость спутника достигает восемнадцати тысяч миль в час. Время его обращения вокруг Земли 106 минут.

По своей яркости он подобен звезде пятой — шестой величины. Это означает, что наблюдать его невооруженным глазом почти невозможно.

Спутник имеет форму металлической трубы длиной в восемьдесят дюймов и диаметром в шесть дюймов. В нем установлены два радиопередатчика. Один из них имеет мощность шестьдесят милливатт и передавал ровные, непрерывные по тону радиосигналы на частоте в 108,03 мегацикла. Ожидается, что он будет посылать сигналы в течение двух — трех недель.

По своему весу американский спутник примерно в шесть раз легче первого советского спутника и в 36 раз легче научной аппаратуры и оборудования второго советского спутника.

Последняя ступень ракеты «Юпитер-C» плюс цилиндрическая оболочка спутника, содержащая научные приборы, имеют 80 дюймов в длину при диаметре 6 дюймов. Вес самого спутника 18,13 фунта, последней ступени ракеты после выгорания горючего-12,67 фунта, таким образом, спутник с ракетой-носителем весит 30,8 фунта, то есть около 14 кг.

Как передает корреспондент агентства Ассошиэйтед Пресс Хайтуэр из Вашингтона, в американских руководящих официальных кругах признают, что «было бы глупо недооценивать руководящую роль, которую сыграла Россия в результате запуска двух спутников за несколько месяцев до того, как Соединенным Штатам удалось запустить свой спутник».

Пусть кое-кто за рубежом утешает себя тем, что советские успехи в запуске искусственных спутников Земли являются результатом отдельного «рывка» в решении определенной изолированной технической задачи. Наиболее трезво рассуждающие представители капиталистического мира уже начинают понимать, что советские спутники — это лишь один из показателей все более нарастающей силы социалистического строя в его соревновании с капитализмом. Чем дальше, тем больше будет таких показателей.

Член-корреспондент Академии наук СССР, Герой Социалистического Труда В. Глушко говорил, что успешный запуск в СССР ракет с искусственными спутниками Земли в наступившем Международном геофизическом году — акт исключительной важности.

Запуск спутников в Международном геофизическом году -лучший памятник Циолковскому к 100-летию со дня его рождения.

Советские искусственные спутники Земли были снабжены достаточно мощной передающей радиостанцией. Прием этих сигналов был доступен не только ведомственным радиоприемным установкам, но и широкому кругу радиолюбителей.

Первые советские спутники Земли во много раз тяжелее, чем первый искусственный спутник Земли в США.

Создание первых искусственных спутников Земли ознаменовало овладение человеком первой космической скоростью, составляющей почти 8 километров в секунду. Такая скорость минимально необходима, чтобы покинуть поверхность Земли.

Для того, чтобы искусственный спутник мог навсегда покинуть Землю и превратиться в спутника Солнца, в самостоятельную планету, необходимо достигнуть второй космической скорости — 11,2 километра в секунду. Третья космическая скорость— 16,5 километра в секунду минимально необходима, чтобы навсегда покинуть нашу солнечную систему.

Овладение каждой из этих критических космических скоростей будет знаменовать эпоху в истории развития человечества. И каждое из этих замечательных событий будет связано с именем великого сына нашей Родины, патриарха звездоплавания Константина Эдуардовича Циолковского.

В трудах Циолковского намечены пути последовательного овладения заатмосферным пространством, устройства в мировом пространстве крупных поселений, описаны жизнь в этих колониях, создание там новой энергетики и промышленности, нового вида архитектурной строительной техники, нового вида пищевой промышленности. Непосредственное проникновение человечества в космос не только позволит достигнуть материального и энергетического изобилия, но и в первую очередь необычайно обогатит науку, откроет перед ней новые возможности, недоступные на дне воздушного океана, окружающего нашу планету.

Воистину величественные картины будущего нарисовал ученый-мыслитель и тем воздвиг себе вечный памятник.

5. Возможные формы ИСЗ

В заключение нашего краткого ознакомления с некоторыми существующими проектами ИСЗ остановимся еще на одном.

Недавно в США была изготовлена модель типового, автоматизированного неуправляемого спутника (рис. 33). Она представляет собою шар диаметром 410 мм и весит 11,5 кг. Корпус модели сделан из прозрачной пластмассы для того, чтобы можно было судить о приборах, расположенных внутри. Эти приборы изготовляются промышленностью и по характеру действия относятся или к приборам наблюдения за отдельными физическими явлениями в космосе, или к аппаратуре, поддерживающей связь с землей и передающей полученные сигналы.

Этот спутник представляет собою по существу один из упрощенных вариантов проекта профессора Сингера и поэтому может явиться иллюстрацией, дополняющей описание, приведенное выше.

Все приборы, находящиеся на ИСЗ, должны удовлетворять уже известным нам требованиям в отношении веса, компактности и минимального потребления электроэнергии. На них также не должны воздействовать значительные ускорения, возникающие при запуске ИСЗ. Они не должны быть чувствительными к возможному вращению спутника около его центра инерции во время полета по орбите, которое может возникнуть под действием возмущающих сил.

Нужно сказать, что об этих возмущающих внешних силах известно очень мало. Однако мы уже упоминали о том, что имеются сведения о существовании в ионосфере весьма сильных вихрей и мощных потоков метеоритной пыли, с которыми нельзя не считаться.

Рис. 33. Модель автоматизированного неуправляемого спутника Земли с приборами, размещенными в нем

В этой связи нам придется остановиться на геометрической форме искусственного спутника. Наиболее распространенной и удобной сейчас признается шарообразная форма. Шар имеет всегда одинаковую поверхность сопротивления. Это обстоятельство является важным для ученых, которые будут измерять сопротивление воздуха движению ИСЗ, что необходимо для получения данных о плотности атмосферы на больших высотах. Шарообразная форма более удобна и в том отношении, что ИСЗ такой формы будет иметь гораздо меньшую тенденцию к опрокидыванию, чем, например, спутник цилиндрической или сигарообразной формы. Однако недостатком шара является то, что в нем труднее разместить приборы и оборудование, чем на спутниках другой формы.

Размещение приборов внутри спутника должно производиться в определенном порядке, для того чтобы получить нужное распределение весов внутри его объема и обеспечить строго определенное положение центра тяжести спутника. Эта работа, называемая балансировкой, является весьма сложной и должна осуществляться с очень большой точностью.

Что касается веса и размеров ИСЗ, то можно сказать, что их вес зависит в основном от возможностей ракеты-носителя, а размеры спутника — от размеров третьей ступени этой ракеты. Считают, что ИСЗ, отделяющийся от последней ступени, не обязательно должен быть заключен внутри самой ракеты. Он может в некоторых случаях находиться в углублении носовой части ракеты. В этом случае диаметр ИСЗ может превосходить диаметр носителя, но не очень сильно, так как это может привести к изменению баллистических характеристик самой ракеты и к значительному увеличению сопротивления воздуха.

Полагают, что в некоторых случаях будет выгодно применить специальный обтекаемый колпак (защитный конус), который будет надеваться на ИСЗ на время его полета в ракете. После выхода на орбиту колпак (защитный конус) будет отбрасываться, а ИСЗ вытолкнут из специального гнезда в носовой части ракеты с помощью сжатого воздуха или пружиной (рис. 34--35). Первый советский искусственный спутник Земли был закрыт таким защитным конусом. В тот момент, когда двигатель последней ступени закончил свою работу, защитный конус был сброшен, спутник отделился от ракеты и начал двигаться самостоятельно. На первых порах шарообразный спутник, ракета-носитель и защитный конус двигались на небольшом расстоянии друг от друга, а затем разошлись. Объясняется это небольшим различием в их скорости и главным образом тем, что все три тела испытывали различное торможение в верхних слоях атмосферы.

Спутник может и не отделяться от последней ступени ракеты-носителя. Как известно, второй советский спутник Земли представляет собою последнюю ступень ракеты, достигшей скорости около 8 км в секунду на эллиптической орбите, наибольшее удаление которой от земной поверхности составляет свыше 1700 км.

Рис. 34-35. Слева на рисунке изображена многоступенчатая ракета весом в 200 т для запуска искусственного спутника Земли: 1 — первая ступень; 2 — вторая ступень; 3 — третья ступень; 4 — искусственный спутник Земли. В центре рисунка показан момент отделения искусственного спутника Земли от третьей ступени ракеты-носителя. В верху рисунка в белой рамке показана последняя стадия полета по спирали искусственного спутника, приближающегося к Земле. В низу рисунка в белой рамке показано, как искусственный спутник Земли, попав в верхние слои атмосферы, сгорает

Скажем несколько слов о материале, из которого может быть изготовлен корпус спутника.

Корпус должен быть легким, а поэтому его делают тонким, но предусматривают изнутри подкрепляющие ребра.

Материал корпуса также должен быть легким и достаточно прочным, во-первых, для того, чтобы обеспечить возможность надежного закрепления приборов онутри ИСЗ, а, во-вторых, для того, чтобы противостоять воздействию микрометеоритов. Он должен обладать также малой чувствительностью к значительным колебаниям температуры и способностью хорошо отражать радиоволны.

Такими материалами могут явиться различные сплавы на основе алюминия или магния, причем в некоторых случаях корпус должен иметь еще и специальные наружные покрытия.

Иногда, например, при изучении с помощью магнитометра электрических токов в ионосфере требуется, чтобы корпус спутника не обладал магнитными свойствами и не проводил электрического тока; другими словами, при этих условиях корпус не может быть металлическим. В этом случае он, очевидно, может изготовляться из каких-либо сортов пластмассы, обладающих высокими механическими качествами. (Как известно, существуют пластмассы, прочность которых почти не уступает прочности стали.)

6. Сателлоиды

Предложен проект спутника Земли, имеющего форму реактивного самолета, на котором сможет поместиться один человек. Этот спутник будет иметь двигатель, который при весе в 4,5 т будет потреблять около 15,5 кг топлива за каждый оборот по орбите, совершаемый со скоростью 28000 км/час на высоте 120 км. Таким образом, при запасе топлива примерно в 1,5 т он мог бы оставаться на орбите в течение 6 дней, затрачивая на каждый оборот около 1,5 часа.

Такой спутник, имеющий двигатель и летящий на сравнительно небольшой высоте, предложил построить один из конструкторов немецкой баллистической ракеты «Фау-2», ныне научный работник американской фирмы «Конвэр» Крафт Эрике. Он назвал его сателлоидом (Примеч.- См. журнал «Вопросы ракетной техники» № 2 за 1957 г., стр. 78-87.).

В своем докладе в вашингтонском отделении американского ракетного общества К. Эрике сообщил, что по его подсчетам для сателлоида весом 4500 кг с площадью крыльев в 152 кв. м, делающего на высоте около 100 км один оборот вокруг Земли за 85 минут, на преодоление сопротивления воздуха на этой высоте потребуется тяга всего 5-7 кг. Если запас топлива принять равным даже 450 кг, то с этим запасом топлива сателлоид может сделать весьма значительное число оборотов, поскольку необходимый расход топлива составит всего 1 л на 3570 км пути (на высоте 115 км).

К. Эрике заявил, что при помощи сателлоида можно будет собрать данные в зоне сумерок атмосферы, которая недоступна для современных пилотируемых самолетов и слишком низка для постоянных (стационарных) спутников. Эти сведения будут очень важны для разрешения проблемы обратного входа в атмосферу, которая является наиболее сложной для конструкторов межпланетных пилотируемых аппаратов и беспилотных межконтинентальных снарядов. Сателлоид может также быть использован для обучения и тренировки экипажей межпланетных кораблей.

По сообщению К. Эрике, в настоящее время правительство США финансирует разработку летательных аппаратов типа сателлоида; ряд фирм получил заказы на разработку экспериментальных высотных самолетов, рассчитанных на скорость полета, соответствующую М = 8-10, которые могут быть первым шагом на пути к разработке сателлоида.

Проект Эрике интересен тем, что он представляет собою промежуточную ступень между сверхскоростным реактивным самолетом и обитаемым спутником Земли.

7. Межпланетные станции и ракеты, связывающие их с Землей

Дальнейшей ступенью к освоению космоса будет создание обитаемых автоматизированных ИСЗ и межпланетных станций.

Для осуществления этого этапа придется решить ряд задач, о которых упоминалось выше, причем самой характерной из них является изучение влияния особенностей полета в космосе на человека.

Какими характерными особенностями, по сравнению с описанными ранее типами спутников, должна обладать космическая станция?

Во-первых, она должна обладать значительно большими размерами для того, чтобы в ней с необходимыми удобствами могла разместиться команда, а также продукты питания, запасы воздуха, приборы кондиционирования воздуха и т. д.

Во-вторых, должна быть предусмотрена возможность связи такой станции с Землей с помощью специальных транспортных ракет.

Эти ракеты будут отличаться от ракет, применявшихся для запуска ИСЗ, тем, что они будут обитаемыми. Естественно, что они должны иметь приспособления как для швартовки, так и для обратного спуска на Землю.

Необходимо еще раз отметить, что уже в настоящее время в ряде стран наряду с проектами необитаемых ИСЗ производятся необходимые исследования и разрабатываются проекты обитаемых межпланетных станций и межпланетных ракет.

В последние годы на конгрессах и собраниях межпланетных и ракетных обществ был предложен ряд проектов обитаемых ИСЗ и межпланетных станций, а также ракет для связи с ними. Высота орбиты для межпланетных станций в разных предложениях называлась от 500 до 38800 км, а состав команды определялся от 3 до 400 человек и более.

Например, английский ученый Хеппнер предложил создать станцию-спутник на высоте 1640 км, которая служила бы базой для отправки экспедиции на Луну. Проект предусматривает, что спутник будет состоять из двух головных секций и двух корпусов третьей ступени ракет, отправляемых с Земли.

К. Эрике в своей работе под названием «Анализ орбитальных систем» предлагает создать целую систему межпланетных станций и там же дает эскизные проекты пассажирской и грузовой ракет для связи с ними. Он же является руководителем работ, которые проводятся фирмой «Конвэр» в области создания межпланетных обитаемых станций. Программа работ предусматривает исследование различных видов ракетного топлива, а также разработку ядерных реакторов, которые могут использовать в качестве рабочего вещества газы, составляющие атмосферу других планет.

Наиболее серьезно теоретически обоснованным проектом такого рода является проект, предложенный известным немецким ученым, ныне работающим в США, Вернером фон Брауном. На его проекте мы более подробно остановимся при рассмотрении вопроса о военном значении искусственных спутников Земли.

Рис. 36. Ракетный корабль, с помощью которого предполагается построить межпланетную станцию — спутник Земли стационарного типа

Американец Ф. Тинслей описывает межпланетную станцию и ракетный корабль, необходимый для ее постройки и связи с ней (рис. 36).

Эта огромная обитаемая ракета, над которой видны вертолеты, производящие погрузку на нее всего необходимого для межпланетной станции, является сложным техническим сооружением. Внизу показано складное устройство для приземления и подъемные лестницы, находящиеся внутри опор, которые служат, кроме того, и для шлюзования.

Ввиду того, что на этой ракете предусматривается наличие атомного двигателя, во избежание заражения Земли для подъема и для посадки применяются обыкновенные ракетные двигатели, расположенные на стабилизаторах. Атомный двигатель включается только на время полета в космосе. Три опоры имеют амортизаторы, которые автоматически выравнивают ракету при приземлении на неровный грунт, а в полете они полностью втягиваются внутрь. Колодцы, расположенные в этих опорах, имеют трапы, ведущие к различным местам корабля. Внутренние поверхности этих опор в случае необходимости могут образовывать аварийные спуски на грунт.

Такой космический корабль при втянутых опорах будет иметь высоту около 60 м и диаметр около 10 м. Искусственный спутник, предлагаемый автором, предполагается запустить на орбиту 35800 км. Эта орбита характерна тем, что межпланетная станция, находящаяся на ней, будет висеть над определенной точкой на земной поверхности, так как ее угловая скорость движения по орбите будет равна угловой скорости вращения Земли. Это сильно упростит возможность осуществления связи с Землей как посредством радиотелевизионных приборов, так и путем непосредственного использования связных ракет.

«Запустить» такую станцию с Земли с помощью ракет, как это делалось в отношении ИСЗ, ввиду ее огромных размеров невозможно. Поэтому сборка ее будет осуществляться непосредственно на орбите, причем все необходимое будет доставляться пассажирскими и грузовыми ракетами.

По мысли автора, для создания такой станции придется осуществить полет восьми космическим ракетам. Одна из них будет являться основой самой станции; она будет иметь длину несколько большую, чем ее диаметр. Пять ракет будут грузовыми, а две связными. Одна из связных ракет предусмотрена для обеспечения безопасности на случай аварии. В качестве основы для станции будет служить материал первой большой ракеты. О том, каким образом будет осуществляться сборка, дает представление рис. 37. Над сборкой будет работать команда станции, одетая в специальные астрокостюмы-скафандры, снабженные приборами для дыхания. Так как люди будут находиться в состоянии невесомости, то для передвижения во время работы они будут пользоваться миниатюрными реактивными двигателями. Сборка станции не представит больших затруднений, так как все детали будут невесомыми.

Сама станция будет почти автономной. Для создания собственной атмосферы можно использовать запасы воздуха, систему, очищающую его от углекислого газа, а также выращивать на станции растения, выделяющие значительное количество кислорода. На станции можно будет регулировать температуру, используя отражающие или поглощающие свойства поверхности самой станции.

Необходимую электрическую энергию можно будет получать непосредственно от Солнца, используя полупроводниковые «солнечные» батареи. Для удобства перемещения внутри станции предполагается использовать магнитные настилы и обувь с железными подошвами, в которую будет одета команда.

Рис. 37. Сборка межпланетной станции на орбите

Такая станция сможет существовать в космосе неограниченно долго и при соответствующем оснащении приборами и оборудованием сможет выполнить большинство задач, о которых мы говорили выше.

В дальнейшем предполагается создание целой серии межпланетных станций самых различных размеров и назначения. После их создания начнется следующий этап освоения космического пространства. Будут осуществлены космические полеты сперва вокруг Луны, затем с посадкой на нее и возвращением на Землю, а в дальнейшем полеты и на другие планеты солнечной системы.

Все это может осуществиться только в результате планомерного, постепенного освоения космического пространства, начало которому положено первыми необитаемыми автоматизированными ИСЗ.

Полет на Луну и планеты легче всего будет осуществить, если будут созданы космические топливо-заправочные базы.

8. Космическая топливо-заправочная база

Многоступенчатые ракеты могут обеспечить скорости, необходимые для полета в космос. Но даже многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска ИСЗ на высоту 1000-1700 км, должны брать с собою для этого огромные запасы топлива. Как же быть, если мы захотим полететь на Луну или на Марс, а затем вернуться на Землю? Расчеты показывают, что в этом случае начальный вес космического корабля должен составлять несколько сот миллионов тонн, причем главная доля этого веса приходится на топливо. Естественно, что осуществить сооружение такого гигантского корабля не представляется возможным. Вот тут-то и приходят на помощь искусственные спутники Земли. Еще более 50 лет назад, рассматривая этот вопрос, К. Э. Циолковский нашел, что для осуществления космических полетов необходимо создать искусственные спутники Земли с достаточными запасами топлива. По его мысли, такие спутники должны будут являться для космических ракет своеобразными заправочными станциями, где ракеты смогут снабжаться продуктами, воздухом и другими необходимыми для дальнейшего полета средствами. Без искусственных спутников Земли, таким образом, дальнейшее освоение космоса будет просто невозможным.

Рис. 38. Постройка в космосе межпланетной станции по Смиту и Россу

Такое мероприятие позволило бы осуществлять межпланетные полеты без строительства огромных ракет.

С другой стороны, найти такую межпланетную станцию в космосе для пополнения запасов горючего, а также для доставки самого горючего на нее представляет большую трудность.

Но если бы мы построили такой искусственный спутник Земли, который обращался бы с той же скоростью, что и Земля, то для наблюдения с Земли он находился бы на небе всегда в одном и том же месте, и это облегчило бы для ракеты поиск космической станции. Но мы уже говорили, что такая межпланетная станция может быть сооружена только на расстоянии 35800 км от Земли.

Ввиду больших размеров, веса и сложности космическую станцию, или «стационарный искусственный спутник», необходимо сооружать на «месте», в космическом пространстве.

Конструктивные материалы, приборы, оборудование должны доставляться к месту строительства с помощью нескольких транспортных ракет.

На рис. 38 показан один из моментов постройки межпланетной станции по проекту англичан Смита и Росса. Внешний вид этой станции показан на рис. 39. Как видно из рисунка, в состав космической станции входит большое параболическое зеркало диаметром 200 футов (61 м), служащее для преобразования теплового излучения Солнца в электрическую энергию, необходимую для питания приборов и механизмов, расположенных на станции. Это зеркало собирает падающие на него солнечные лучи в фокусе, в котором расположена система труб. Трубы соединены с восемью турбогенераторами, расположенными с другой стороны зеркала. По трубам течет жидкость, она под действием солнечной энергии превращается в пар, который приводит в действие турбогенераторы, вырабатывающие электрическую энергию для удовлетворения потребностей космической станции. С той же стороны зеркала находятся жилые помещения, лаборатории, мастерские и т. д. Так как полное отсутствие силы тяжести физиологически нежелательно, то зеркало вместе с расположенными под ним помещениями вращается вокруг своей оси, и возникающая при этом центробежная сила заменяет людям, живущим на станции, силу тяжести.

Рис. 39. Внешний вид космической станции Смита и Росса

На космической станции не вращается видная на рисунке решетчатая ферма с расположенной на одном ее конце лабораторией. Из этой камеры членам экипажа космической станции можно будет выходить наружу для осмотра своей станции.

Для наблюдения с вращающейся части станции за внешними предметами применяется строботелескоп, основанный на принципе целостата.

Целостат — это система двух плоских зеркал (рис. 40). Зеркало А неподвижно, а зеркало В приводят в движение каким-нибудь часовым механизмом. Солнечные лучи отражаются такой системой зеркал всегда в одном и том же направлении — в объектив неподвижной трубы.

Космическая станция Смита — Росса рассчитана на 24 человека. Поэтому важен вопрос снабжения экипажа станции пищей, воздухом и водой.

Проблемы, связанные с доставкой пищи, воздуха, регулированием воздуха, очень трудные и малоизученные. Для определения потребности в воздухе, пище и воде необходимо установить степень физического напряжения личного состава космической станции.

В качестве источника кислорода и воды предлагается использовать перекись водорода 90% концентрации, которую удобно запасти на станции в большом количестве.

По предварительным подсчетам, в год для экипажа космической станции потребуется около 70 т пищи, воздуха и воды вместе взятых.

Для сохранения чистоты атмосферы станции избыток углекислоты, которую люди будут выделять при дыхании, можно выбрасывать в пространство. Возможно было бы воспользоваться химическими реакциями, поглощающими углекислоту, но перевозка химических соединений к станции нежелательна. Регенерация, т. е. восстановление воздуха внутри станции растительностью, не избавляет от необходимости доставлять кислород с Земли. Этот метод имеет ряд недостатков при длительной работе станции (например, необходимость минеральных удобрений и поливка растений водой).

Рис. 40. Схема устройства целостата: А — неподвижное зеркало; B — подвижное зеркало; B1 — измененное положение зеркала

Необходимо также регулирование влажности атмосферы космической станции и регулирование температуры внутри нее.

При недостаточной влажности атмосферы происходит пересыхание слизистых оболочек организма человека — носоглотки, глаз. Вследствие этого нарушаются функции дыхания, пищеварения, зрения и др.

9. Межпланетная станция «летающий город» и ее сборка в космосе

Детально разработанный план создания промежуточной станции, населенной людьми, обсуждался на сессии американского ракетного общества в 1956 г. Проект предложил член общества Дэррел Ромик. По его проекту в окончательном виде станция будет представлять собой цилиндр диаметром в 300 м, длиной в 900 м, оканчивающийся сферическими торцами, к одному из которых крепится вращающееся колесо диаметром 450 м и толщиной в 12 м. На станции смогут жить и работать до 20 тыс. человек. (Необходимость такого большого числа людей весьма сомнительна, учитывая высокий уровень автоматизации всех работ и научных доследований.) Она позволит произвести научные исследования условий межпланетных сообщений, производить сборку и ремонт космических кораблей, будет промежуточной базой для межпланетных полетов. Она сможет решить большое количество всевозможных задач, многие из которых сейчас даже трудно предусмотреть.

Строительство этой станции будет продолжаться несколько лет. Сразу же по прибытии первых кораблей она вступит в действие, имея весьма скромные размеры. Затем постепенно будет производиться увеличение ее размеров до проектируемых, расширение ее функций. В течение всего этого времени станция будет бесперебойно действовать. Д. Ромик предлагает такую последовательность сборки станции.

Сразу же после прибытия первых ракет на орбиту их баки будут освобождены от остатков топлива, промыты, очищены и превращены в жилые помещения, питаемые от системы кондиционирования воздуха, с герметизацией, регулируемой температурой и доступом в них через воздушные тамбуры. Первая очередь такой межпланетной станции будет представлять трубу диаметром в 2,7 м и длиной в 150 м, составленную из двух ракет, соединенных торцами, как показано на рис. 41, а. Конструкция ракет должна допускать такое их соединение с минимальным количеством операций. На случай аварии около станции всегда находятся недемонтированные ракеты и прибывающие ракеты с материалом для дальнейшего расширения станции, которые смогут доставить людей на Землю. Общий вид ракеты представлен на рис. 41, б.

Вторая очередь станции будет иметь диаметр примерно 23 м, длину около 300 м и вращающееся колесо диаметром в 150 м. На расширение станции от «первой очереди» до «второй» понадобится 65-70 рейсов транспортных ракет, которые доставят 250 т материалов для цилиндрической части, 750 т -для колеса и 500 т оборудования. Последовательность сборки второй очереди показана на рис. 41, в. Вокруг трубы, представляющей собой первую очередь межпланетной станции, будет монтироваться сборный каркас и обшивка цилиндра диаметром в 23 м с облицовкой для защиты от метеоритной пыли, причем, как и вначале, очень широко будут использоваться элементы конструкции самих ракет. Внутренний объем будет также разбит на отсеки, которые вступают в строй по мере их герметизации.

Рис. 41. Этапы строительства межпланетной станции «летающий город»: а — первая очередь строительства межпланетной станции «летающий город»; б — общий вид космической ракеты, с помощью которой предполагается построить межпланетную станцию «летающий город»; в — вторая очередь строительства межпланетной станции «летающий город»; г — заключительная стадия строительства межпланетной станции «летающий город»

Вращающееся колесо служит для создания эффекта тяготения, необходимого для нормальных условий жизни человека. Конструкция его предусматривается из кольцевых секций, позволяющих также постепенно наращивать его размеры. Наконец, в третьей стадии строительства межпланетная станция приобретает окончательные размеры и форму. Вид станции в процессе строительства и окончательный представлен на рисунке 41, г. Доставка необходимых материалов для строительства третьей очереди займет 3,5 года при условии, что будет совершаться ежедневно два рейса грузовых ракет. На внешней оболочке межпланетной станции будут расположены приспособления для регулирования количества проникающего внутрь излучения, контроля за траекторией и ориентировкой станции, наблюдательные и навигационные посты, радиолокационное, оптическое и астрономическое оборудование, ангары и парки для межпланетных и других ракет. Доступ солнечного света будет регулироваться с помощью жалюзи. За ними могут располагаться зеркала, собирающие, рассеивающие или выделяющие требуемую составляющую солнечного излучения. Инфракрасное излучение можно будет использовать для нагрева, ультрафиолетовое — для стерилизации и кондиционирования воздуха, видимое — для освещения, а все вместе для получения электроэнергии. На такой большой станции, «Земле в миниатюре», очевидно, будет необходимо создание замкнутого жизненного цикла с растениями и животными. Иначе на этот город-спутник придется ежедневно забрасывать 1300-1400 т продовольствия, воды и кислорода, что составляет около 75 железнодорожных вагонов. (Очевидно, при разумном сокращении «штата» такой станции потребности могут быть существенно сокращены.) . Как уже говорили, вращающееся колесо служит для создания искусственных сил тяжести, так как предполагают, что отсутствие тяжести может привести к ослаблению жизнедеятельности человеческого организма. В колесе на разных этажах будут расположены жилые помещения, спортплощадка, больница — все необходимое для нормальной жизни многотысячного населения города-спутника. Колесо снабжено механизмом автоматической балансировки. Этот механизм вступает в действие, когда распределение грузов и людей в колесе нарушает балансировку. Переход людей со стационарной части во вращающуюся и обратно осуществляется вблизи оси вращения, где линейные скорости незначительны. Для такого перехода предусмотрены перемещающиеся кабины, которые герметично могут соединяться с выходом, расположенным на вращающемся кольце; хотя в стационарной и во вращающейся частях предусмотрено снабжение воздухом, кабины для перехода должны быть герметичными на случай аварии в одной из частей.

Перемещение внутри колеса с этажа на этаж осуществляется с помощью лифтов.

Передача электроэнергии и воздуха возможна с помощью кольцевых скользящих соединений. Разработана также аппаратура, обеспечивающая безопасность населения при столкновениях с крупными метеоритами. Для этого на спутнике имеются две самостоятельные системы обеспечения воздухом в колесе и стационарной части, снабженные резервными баллонами и сообщающиеся между собой. Автоматическое управление всеми жизненно важными агрегатами дублируется ручным управлением. При понижении давления будут автоматически закрываться герметичные двери между изолированными отсеками и срабатывать аварийная сигнализация. Двери снабжены воздушными тамбурами для прохода в зону пониженного давления, чтобы там можно было производить ремонтные и спасательные работы. В каждом отсеке имеются герметичные кабины с самостоятельным снабжением воздухом, телефонной связью, защитными костюмами и запасами кислорода.

Известно, что столкновение с крупным метеором — явление весьма редкое. Предполагается, что описанная выше система сигнализации и герметизации обеспечит сохранение нормальных жизненных условий населения станции до устранения последствий столкновения с крупным метеором. Подобный проект по своим масштабам кажется фантастическим. Однако быстрое развитие техники дает возможность предполагать, что создание межпланетных стационарных станций и летающих «городов» может явиться выполнимой задачей.

Глава V
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИСЗ

1. Общие требования к приборам ИСЗ

В предыдущих главах мы уже встречались с рядом приборов, входящих в состав оборудования ИСЗ.

Настоящая глава имеет основной целью ознакомить читателя в общих чертах с принципом действия и устройством главнейших приборов для получения более полного представления о ИСЗ.

Прежде чем переходить непосредственно к рассмотрению приборов, устанавливаемых на ИСЗ, познакомимся с основными требованиями, которые предъявляются к таким приборам.

Основные из этих требований заключаются в жестком ограничении веса, габаритов и потребляемой ими энергии.

В основе их конструирования должен лежать учет всех необычных и особо тяжелых условий космоса, а именно: большой диапазон изменения ускорений, резкий температурный перепад (от плюс 400° до минус 270°С); скачки атмосферного давления, лежащие в пределах от 750 мм рт. ст. до 0 мм рт. ст. Находясь на орбите в космосе, спутник будет подвергаться бомбардировке элементарными частицами и космической пылью. Под их воздействием поверхность спутника, а следовательно, и смотровые окна могут постепенно терять прозрачность и разрушаться.

Установлено, что ультрафиолетовые лучи разрушают органические и пластические вещества и краски. Космические же лучи разрушают соединения в полупроводниках.

Условия, в которых придется работать приборам ИСЗ, полностью еще неизвестны.

При проектировании аппаратуры для первых спутников ученые основывались лишь на сравнительно малом опыте работы с ракетами для исследования верхних слоев атмосферы. Этот опыт говорил о реальности создания нужных приборов. Пути их улучшения и усовершенствования покажет анализ результатов запуска первых ИСЗ.

Поскольку предполагается запуск многих ИСЗ, то нет необходимости на каждый спутник ставить полный комплекс аппаратуры, предназначенный для решения всех задач, возлагаемых на ИСЗ. Каждый спутник может быть оборудован аппаратурой, решающей только ограниченный круг специальных задач.

2. Радиооборудование спутника

Уже на первых искусственных спутниках Земли радиооборудование занимает важнейшее место. Все научные приборы спутника будут работать вхолостую, не принося никакой пользы, если измерения, производимые ими, не передавать на Землю. Так как возвращение первых спутников на Землю пока еще не решенная задача, то передать данные научных исследований со спутника на Землю возможно единственным способом - с помощью радио.

В настоящее время методы передачи по радио большого числа самых различных измерений достигли высокого совершенства, появилось целое направление радиотехники, решающее эти задачи, - радиотелеметрия.

Наибольшее число измерений может передать радиотелеметрическая система с временным разделением каналов. Рассмотрим, как она работает, по приведенной на рис. 42 блок-схеме.

Рис. 42. Блок-схема радиотелеметрической системы: 1 - датчики; 2 - коммутирующее устройство; 3 - модулятор; 4 - передатчик; 5 - приемник; 6 - коммутатор; 7 - регистрирующая и записывающая аппаратура

Под прямоугольниками, обозначенными цифрами 1, подразумеваются так называемые датчики. На ИСЗ датчики - это все приборы, например, счетчики космических, ультрафиолетовых и других лучей, термисторы, магнитометры, манометры, астрономические приборы и др., которые дают электрический ток, характеризующий измеряемую ими величину и меняющийся при ее изменении. Цифра 2 - коммутирующее устройство, подключающее поочередно датчики к последующим блокам 3 (модулятор) и 4 (передатчик). Коммутация осуществляется в простейшем случае вращающимся переключателем, подключающим поочередно датчики к модулятору 3 передатчика 4. Частота коммутации, или, как говорят, частота «опроса» датчиков зависит от конструкции коммутатора. Механические коммутаторы обеспечивают несколько десятков «опросов» каждого датчика в секунду. Электронные устройства позволяют «опрашивать» приборы несколько сот раз в секунду. Модулятор 3 преобразовывает величину тока, приходящего от датчиков, в определенное изменение частоты радиосигналов или их амплитуды (частотная и амплитудная модуляция), или в изменение промежутка между двумя импульсами (временно-импульсная модуляция), или в изменение ширины самого импульса (широтно-импульсная модуляция). Имеются еще и другие виды модуляции, например, кодовая, когда определенной величине сигнала, пришедшего от датчика, соответствует определенная комбинация из импульсов, вырабатываемых так называемым кодовым устройством.

Таким образом, радиоканал, обозначенный на рисунке изломанной стрелкой, в каждый момент времени используется для передачи показаний одного из датчиков, установленных на передающей стороне.

На приемной стороне после приемника 5, улавливающего и усиливающего слабые радиосигналы, сигналы попадают в коммутатор 6, который поочередно подключается к регистрирующей или записывающей аппаратуре 7. Коммутатор на приемной стороне должен работать синхронно и синфазно с коммутатором на передающей стороне, чтобы информация, идущая от первого датчика на передающей стороне, записывалась на первом записывающем устройстве на приемной стороне, информация, идущая от второго датчика, записывалась на втором устройстве и т. д. Для этого на передающей стороне в общую последовательность сигналов, передаваемых по радио, замешиваются сигналы синхронизации (сигналы управления коммутатором), которые выделяются на приемной стороне благодаря их качественному отличию от измерительных импульсов и заставляют переключатели на приемной и передающей стороне работать синхронно и синфазно - «в такт».

На втором советском искусственном спутнике Земли был установлен, совершенный многоканальный радиотелеметрический передатчик с временным разделением каналов.

С помощью зтого передатчика ученые получили на Земле сведения от многочисленных научных приборов, установленных на спутнике. На втором спутнике была отправлена в космос собака «Лайка». Это было сделано для того, чтобы изучить, как чувствует себя живой организм в верхних слоях атмосферы, как воздействуют на него состояние невесомости, космические лучи и т. д. Для этого регистрировались такие функции организма собаки, как пульс, дыхание, температура тела и т. д. На теле животного были укреплены специальные датчики. В качестве датчика пульса может быть применен фотоэлемент с миниатюрной электрической лампочкой. При освещении фотоэлемента в нем возникает электрическое напряжение. Если фотоэлемент и электрическую лампочку расположить по разные стороны кровеносного сосуда, то, пульсируя в сосуде в такт сердечным сокращениям, кровь будет изменять степень освещенности фотоэлемента и, следовательно, величину снимаемого с него тока.

Это не единственный способ измерения пульса на расстоянии. Регистрировать его, а также работу сердца можно и с помощью электрокардиографии. Дело в том, что при каждом сокращении сердца в организме возникают биологические токи. Если на определенных участках тела расположить электроды, то между ними появится электрическое напряжение.

Рис. 42а. Схема передачи процесса дыхания собаки со второго советского искусственного спутника Земли

Для регистрации дыхания применяется весьма простой принцип. На груди животного с помощью специального пояса крепится переменное электросопротивление. При дыхании окружность груди изменяется. Это в свою очередь влияет на величину сопротивления, что и регистрируется соответствующим прибором. Имеются и другие способы измерения дыхания.

Специальные датчики-термисторы позволяют следить за температурой тела. В зависимости от нее они изменяют свое электросопротивление.

На рис. 42а показана упрощенная схема передачи процесса дыхания собаки со второго советского спутника на Землю. На рисунке не показано устройство для временного разделения каналов телеизмерения и для большей наглядности изображена амплитудная модуляция радиосигнала. Электрический сигнал отдатчика дыхания собаки с помощью модулятора изменяет амплитуду радиосигнала, посылаемого на Землю. Радиосигнал достигает приемной станции и усиливается. В детекторном устройстве выделяется нанесенный на радиочастоту сигнал дыхания. После этого он усиливается и подается на регистрирующий прибор, где и записывается в виде кривой линии.

Рис. 42б. Устройство для регистрации полной интенсивности космических лучей на втором советском искусственном спутнике Земли

На рис. 42б схематически показано устройство для регистрации полной интенсивности космических лучей, установленное на втором советском искусственном спутнике Земли.

Рис. 42в. Схема приемника для регистрации коротковолнового излучения Солнца, установленного на втором советском искусственном спутнике Земли

При прохождении сквозь счетчик электрически заряженной частицы возникает искра, дающая импульс на радиотехническую схему на полупроводниковых триодах, назначение которой состоит в том, чтобы сосчитать число частиц космических лучей и дать сигнал тогда, когда сосчитано определенное число частиц. После передачи по радио сигналов о том, что сосчитано определенное число частиц, снова производится регистрация частиц космического излучения, и после того как сосчитано то же число частиц, подается новый сигнал. Разделив число зарегистрированных частиц на время, в течение которого они были сосчитаны, можно получить число частиц, проходящих через счетчик в секунду, или интенсивность космических лучей.

На спутнике установлено два одинаковых прибора для регистрации заряженных частиц. Оси счетчика обоих приборов расположены во взаимно-перпендикулярных направлениях.

Схематическое изображение одного из трех приемников для регистрации коротковолнового излучения Солнца, которыми оснащен второй искусственный спутник, показано на рис. 42в (Примеч.- С. Л. Мандельштам и А. И. Ефремов, Исследования коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Журнал «Успехи физических наук», сентябрь 1957 г., т. LXIII, вып. 1б, Гостехиздат, Москва.).

Приемниками излучения служат три специальных фотоэлектронных умножителя, расположенные под углом в 120 градусов друг к другу. Каждый фотоумножитель последовательно перекрывается несколькими фильтрами из тонких металлических и органических пленок, а также и из специальных оптических материалов, что позволяет выделить различные диапазоны в рентгеновской области спектра Солнца и линию водорода в далекой ультрафиолетовой области. Электрические сигналы, даваемые фотоумножителем, который был направлен на Солнце, усиливались радиосхемами и передавались на Землю с помощью телеметрической системы.

Вследствие того, что спутник непрерывно изменял свою ориентацию относительно Солнца, а также часть времени проводил не на освещенном Солнцем участке своей орбиты, для экономии источников питания электрические цепи аппаратуры включались только при попадании Солнца в поле зрения одного из трех приемников света. Это включение осуществлялось с помощью фотосопротивлений, освещаемых Солнцем одновременно с фотоумножителями, и системы автоматики.

Рис. 43. Блок-схема радиостанции «Минитрек», устанавливаемая на ИСЗ: 1 - переключатель; 2 - передатчик; 3 - фильтр на входе приемника; 4 - приемник; 5 - реле; 6 - передатчик радиотелеметрии; 7 - кодирующее устройство; 8 - запоминающее устройство; 9 - приборы-датчики

Каждое из перечисленных устройств занимает один канал многоканального радиотелеметрического передатчика.

В целях экономии энергии передачу информации со спутника на Землю выгодно производить не непрерывно, а по команде с Земли в течение примерно 30-40 секунд, пока спутник пролетает над наземной специальной приемно-передающей станцией. Измерения же параметров производятся в течение длительного времени и накапливаются в так называемом запоминающем устройстве.

Рассмотрим упрощенную блок-схему бортового устройства радиостанции ИСЗ «Минитрек», которая будет служить для передачи данных телеизмерений и радиопеленгации американского ИСЗ (рис. 43).

Цифрой 2 на рисунке обозначен маломощный передатчик для радиопеленгации. Он имеет мощность 10 мвт, работает на частоте 108 мгц, весит приблизительно 400 г. Как с его помощью производят пеленгацию ИСЗ, мы опишем в главе о наблюдении за ИСЗ. Этот передатчик почти все время подключен через переключатель 1 к антенне, непрерывно излучающей его сигналы.

Рис. 44. Спиральная направленная антенна для приема на Земле данных радиотелеизмерений, получаемых с ИСЗ

Данные измерений приборами-датчиками 9 накапливаются в запоминающем устройстве 8, представляющем собой медленно движущуюся магнитофонную ленту. При подходе спутника к телеметрическим и пеленгационным станциям, расположенным в США главным образом вдоль 75 меридиана, с Земли подается радиокоманда, принимаемая приемником 4 (на входе приемника стоит фильтр 3, для того чтобы не принимать сигналы собственного передатчика 2). От принятого с Земли сигнала срабатывает реле 5, в результате чего включается и подключается к антенне передатчик радиотелеметрии 6, к кодирующему устройству 7 подключается запоминающее устройство 8, и результаты длительных измерений вследствие быстрого движения магнитофонной ленты передаются за 30-60 секунд (Примеч.- По некоторым данным, даже за 20 секунд.). После прекращения передачи реле 5 отпускает (отключается), передатчик 2 снова посылает непрерывно сигналы для радиопеленгации, передатчик 6 отключается, магнитофонная лента опять движется медленно, то есть все становится так, как было до прихода команды с Земли.

На наземных станциях радионаблюдения за ИСЗ установлена трехспиральная направленная антенна в 10 раз более чувствительная, чем антенны, существовавшие ранее специально для приема данных радиотелеизмерений (рис. 44).

Передача данных телеизмерений в течение короткого времени, когда спутник находится над наземной станцией, производится не только с целью экономии энергии, но и с целью свести к минимуму ошибки, связанные с эффектом Допплера. Этот эффект заключается в том, что принимаемая на Земле частота радиосигнала будет большей, чем излучаемая на спутнике, в случае приближения спутника и меньшей при удалении его. Это изменение частоты будет тем большее, чем большая скорость удаления или приближения спутника. Оно может быть принято за изменение частоты передатчика, что при частотной модуляции ведет к ошибкам измерения. За время передачи порядка полминуты и при условии, что спутник находится над станцией, расстояние между ним и приемником изменится очень мало, и ошибка из-за эффекта Допплера будет небольшой.

Если сравнить два спутника, один из которых непрерывно передает информацию на Землю, а другой лишь после запроса с Земли, то можно увидеть, что первый передатчик будет потреблять мощность в два раза большую, чем второй. Это означает, что второй спутник может более длительное время вести измерения разных физических параметров верхних слоев атмосферы и передавать их на Землю, Этот факт и определил режим работы рассмотренной системы передачи данных измерений на земные измерительные пункты. Сравнение двух вариантов работы приборов сделано в табл. 4.

Таблица 4

3. Источники питания ИСЗ

На борту ИСЗ необходимо иметь источник электрической энергии. Мы уже говорили, что таким источником может быть фотоэлектрический преобразователь излучаемой Солнцем энергии в электрическую.

Это устройство основано на замечательном свойстве некоторых материалов, называемых полупроводниками, непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую. Они в природе широко распространены (например, кремний).

Из химически чистого кремния после специальной сложной обработки изготовляют небольшие пластинки, называемые фотоэлементами. Соединив целый ряд таких фотоэлементов между собою, мы и получим солнечную батарею. Уже в настоящее время кремниевые фотоэлементы обладают коэффициентом полезного действия до 10%.

Это не так мало. Вспомним, что паровозы имеют коэффициент полезного действия всего лишь 6%. Однако 10% далеко не предел, и ученые считают, что уже в ближайшее время КПД солнечных батарей может быть повышен до 22%.

Следует иметь в виду, что Солнце, находясь в зените, посылает на Землю энергию, мощностью примерно в 1000 вт на 1 кв. м. Из этого следует, что, создав кремниевую батарею площадью в 1 кв. м, можно получить мощность в 220 вт при КПД в 22 %.

Если в земных условиях такому использованию солнечной энергии может мешать плохая погода, то на ИСЗ таких помех не будет. Но, однако, придется осуществить одно важное условие: рабочая поверхность солнечной батареи должна быть перпендикулярной к солнечным лучам. Это условие можно обеспечить только с помощью описанной ниже системы стабилизации ИСЗ.

Говоря о солнечной батарее, следует напомнить, что большинство приборов, в особенности радиоаппаратура, независимо от их назначения будет работать на полупроводниковой основе. А это значит, что они не только будут иметь малый вес и габариты, но, кроме того, будут потреблять приблизительно в 100 раз меньше электроэнергии, чем приборы с использованием обычных радиоламп.

Мы остановились на солнечной батарее потому, что она может служить источником энергии не только на автоматизированных ИСЗ, но и на межпланетных станциях и космических кораблях любого типа.

Но возможны и другие способы длительное время получать электрическую энергию на ИСЗ. Эти способы состоят, например, в преобразовании тепловой энергии Солнца и атомной энергии некоторых изотопов стронция в электрическую с помощью батарей термоэлементов.

б) Термоэлектрический преобразователь солнечной энергии и атомный генератор

При выборе источников питания для ИСЗ поступали так же, как и при выборе радиопередатчика, а именно:

сравнивали веса источников питания одинаковой мощности и выбирали тот, который весит меньше. Приведем пример. Допустим, что общая потребляемая мощность для питания всей аппаратуры спутника средних размеров составляет 100 вт. Так как наш спутник должен работать длительное время, то брать с Земли запас электроэнергии в виде гальванических или аккумуляторных батарей нецелесообразно, так как такой запас всегда ограничен. На спутнике необходимо иметь генераторы, вырабатывающие электрическую энергию за счет солнечной энергии, запасы которой неограничены. Эти генераторы могут преобразовывать солнечную энергию в электрическую либо с помощью фотоэлементов, либо с помощью термоэлементов.

Рис. 45. Возможная схема термоэлектрогенератора: 1 - кольцевое вогнутое зеркало; 2 - фокус отражающего зеркала; 3 - спаи термоэлементов; 4 - масло; 5 - радиатор, окрашенный в черный цвет для лучшего лучеиспускания; 6 - следящее за Солнцем устройство

Как работает солнечная батарея, мы уже рассказывали. В настоящее время электрическую мощность в 100 вт можно получить от солнечной батареи площадью в 1-2 кв. м. Неизвестно пока, долго ли сможет такая батарея выдерживать интенсивную солнечную радиацию. Можно использовать тепло, идущее от Солнца, с помощью термоэлементов, т. е. устройств, преобразующих тепловую энергию в электрическую. Если составить замкнутую цепь из двух металлов и один из спаев нагреть, оставляя другой холодным, то в такой цепи потечет ток. Это явление получило название термоэлектрического эффекта.

Наибольшим коэффициентом полезного действия (порядка 7,5%) обладают термоэлектрогенераторы, имеющие спаи сурьмяно-цинковых сплавов и теллуровых соединений с константаном.

На рис. 45 изображена возможная схема термоэлектрогенератора, использующего солнечное тепло. Следящее за Солнцем устройство 6 направляет кольцевое вогнутое зеркало 1 навстречу солнечным лучам. Солнечные лучи концентрируются на одних спаях термоэлементов, расположенных по кольцу в фокусе отражающего зеркала 2, и нагревают их. Охлаждение других спаев термоэлементов 3 может осуществляться с помощью масляного радиатора, работающего по принципу лучеиспускания. Радиатор 5 окрашивается в черный цвет для лучшего лучеиспускания, а масло 4 перемешивается специальным мотором. Охлаждающее устройство будет составлять больше половины общего веса генераторной установки.

Для того чтобы иметь энергию и в то время, когда спутник окажется в тени Земли, на спутниках необходимо, помимо генераторов, иметь аккумуляторы, которые подзаряжаются генераторами при освещении спутников Солнцем.

Третий вид источника питания, с которым будем сравнивать первые два, - это атомный генератор. Он устроен аналогично термоэлектрогенератору, но в качестве источников тепла для него применяется радиоактивный изотоп стронция с атомным весом 90 (стронций 90), период полураспада которого более 25 лет. В этом случае в тепло превращается кинетическая энергия бета-частиц. В настоящее время такая установка еще не осуществлена из-за трудности получения этого изотопа в большом количестве. Подсчитано, что для получения мощности тока в 100 вт потребовалось бы 18-20 кг стронция 90. При использовании изотопов приборы, чувствительные к радиоактивным излучениям (например, счетчики Гейгера-Мюллера), необходимо тщательно экранировать, что приводит к увеличению веса спутника.

Весовые характеристики искусственных спутников с различными источниками энергии мощностью в 100 вт приводятся в табл 5.

Так как спутник с батареей фотоэлементов, как видно из таблицы, будет легче, чем с другими источниками энергии, то надо признать, что наиболее перспективными будут как раз такие спутники.

Таблица 5

4. Стабилизация и астроориентировка ИСЗ

Наиболее совершенными будут стабилизированные автоматизированные ИСЗ, которые должны занимать строго определенное, известное положение в пространстве.

Стабилизация угловых положений ИСЗ на орбите необходима, во-первых, для удержания поверхности солнечной батареи в направлении на Солнце и, во-вторых, для придания определенного положения ИСЗ относительно Земли с целью автоматического фотографирования определенных участков земной поверхности, более надежной связи с Землей, наблюдения за движением льдов, масс облаков, спасения кассет с результатами научных наблюдений и т. д.

Выполнение научных наблюдений и фотографирование поверхности Земли должно осуществляться в определенной системе координат, связанной с Землей.

Некоторые задачи, выполняемые ИСЗ, могут потребовать постоянного определения его местонахождения относительно Земли. В этом случае ИСЗ в любой момент полета по орбите должен определять свои географические координаты и высоту над поверхностью Земли.

Эта задача является весьма сложной, и ее решение будет одним из основных факторов, отличающих автоматизированный ИСЗ от неавтоматизированного. Она осуществляется путем системы астроориентировки и стабилизации.

Как только спутник отделится от ракеты-носителя и начнет совершать по орбите самостоятельный полет, эта система должна вступить в действие. Для того чтобы понять физический принцип этой системы, необходимо вспомнить некоторые астрономические и географические понятия.

5. Определение широты и долготы ИСЗ

Как известно, положение любой точки на земной поверхности может быть определено двумя ее координатами - долготой l и широтой j.

Через ось вращения Земли можно провести сколько угодно плоскостей, пересечение которых с земной поверхностью образует воображаемые линии, называемые меридианами. Перпендикулярно к этим плоскостям также можно расположить сколько угодно плоскостей, пересечение которых с земной поверхностью образует воображаемые линии, называемые параллелями. Одна из таких параллелей, проходящая через центр Земли, называется экватором.

Угол между линией, проходящей через центр Земли и через любую точку, находящуюся на поверхности Земли, скажем, точку А (указанную на рис. 46), и плоскостью экватора называется широтой места данной точки (на нашем рисунке угол AOB), Его можно заменить также дугой AB и измерять в градусах, минутах или секундах дуги.

Рис. 46. Географические координаты: N и S - полюса земли; l - долгота (дуга AB); j- широта (дуга CB); O - центр Земли Рис. 47. Определение местоположения ИСЗ относительно земных географических координат: S1 и S2 - первая и вторая звезды; А и В - географические места светил; G - искусственный спутник Земли; Z1 и Z2 - зенитные расстояния; OG - вертикаль, или линия, соединяющая центр Земли с центром массы ИСЗ; С- географическое место ИСЗ, т. с. точка пересечения вертикали с земной поверхностью

Рис. 48. Географическое место светила (ГМС): а и б - параллели; N и S - полюса Земли; О - центр Земли

Все значения широты, лежащие в северном полушарии, принято считать положительными, а в южном - отрицательными. Долготу места принято измерять к востоку или к западу от меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию (находящуюся в Англии). Долготой называется величина дуги экватора между Гринвичским меридианом и меридианом, проведенным через данную точку. В нашем случае долготой будет дуга СВ.

Восточную долготу принято считать положительной, западную - отрицательной.

Из рис. 46 видно, что, зная географическую долготу и широту места, мы можем точно определить положение объекта на земной поверхности.

Обратимся теперь к рис. 47.

Здесь изображен земной шар, два светила (звезды) и искусственный спутник Земли G.

Представим себе, что мы из центра Земли провели прямую линию, соединяющую ее со звездой, скажем, с первой, обозначенной на рис. 47 буквой S₁. Эта линия пересечет земную поверхность в точке A. Человек, который находится в этой точке, будет видеть первую звезду в зените, т. е. прямо над головой. Если он удалится от этой точки в любую сторону, то будет видеть эту звезду уже не прямо над головой, а под некоторым углом, причем этот угол будет изменяться вследствие шарообразности Земли в зависимости от удаления его от этой точки. Точка A или B называется географическим местом светила и обозначается сокращенно ГМС.

ГМС перемещается по земной поверхности со скоростью один оборот вокруг оси Земли в звездные сутки (Примеч.- Звездные сутки - это время между двумя последовательными прохождениями светила через данный меридиан. В нашем примере для первой звезды звездными сутками будет являться время, за которое точка A, двигаясь по параллели a, опишет полную окружность. Величина звездных суток постоянна и меньше принятых в обиходе (солнечных суток) на 4 минуты.), причем его путь будет совпадать с какой-либо из параллелей (рис. 48) а и б. Из этого следует, что широта ГМС в каждом отдельном случае будет известной и постоянной, а изменение долготы, т. е. скорость перемещения ГМС по параллели, происходит строго закономерно (15 дуговых градусов за час звездного времени).

Пусть человек удалился от ГМС (точка А) в точку E. Из рис. 47 ясно видно, что, двигаясь по окружности вокруг точки А, человек будет всегда видеть первую звезду под одним и тем же углом относительно плоскости горизонта, называемым высотой светила. Эта окружность на земной поверхности называется кругом равных высот.

Угол между направлением на светило, взятым из какой-либо точки (например, точки Е), лежащей на круге равных высот, и вертикалью (на нашем рисунке угол AOE= Z₁ и FOB= Z₂, так как лучи, идущие от звезд S₁ и S₂, вследствие их огромной удаленности являются параллельными) называется зенитным расстоянием. Сумма углов зенитного расстояния и высоты светила равна 90°.

Лучи, идущие от первой звезды S₁A и S₁¹E, равно, как и лучи S₂B и S₂¹, идущие от второй звезды, соответственно параллельны.

Теперь обратимся к искусственному спутнику Земли. Для него, так же как и для звезд, мы будем иметь вертикаль OG (линия, соединяющая центр Земли с ИСЗ) и его географическое место, лежащее в точке пересечения этой вертикали с земной поверхностью, т. е. в точке С.

Очевидно, положение ИСЗ можно определить тремя координатами - широтой и долготой географического места ИСЗ и высотой относительно поверхности Земли.

В связи с этим астронавигация искусственного спутника Земли разбивается на два этапа: во-первых, определяется широта и долгота географического места ИСЗ каким-либо астрономическим способом, причем его существо не отличается от принятых в мореходной и авиационной навигации способов, во-вторых, определяется высота искусственного спутника Земли над Землей. Выполнение обоих этапов астронавигационных измерений и дает полное представление о положении искусственного спутника Земли в пространстве.

Определение координат ИСЗ может быть осуществлено наземными оптическими, радиолокационными и радионавигационными средствами, а также с помощью астрономических приборов, располагаемых на ИСЗ.

С точки зрения научного и военного использования ИСЗ имеют наибольший интерес автономные астрономические методы определения координат ИСЗ, осуществляемые непосредственно со спутника. Автономные методы ориентировки не подвержены каким-либо искусственным помехам и отличаются высокой точностью измерений.

Существо астрономического метода ориентировки ИСЗ сводится к следующему. Определение координат географического места спутника (см. рис. 47 и 48, точка С) может быть получено одним из наиболее распространенных методов аетроориентировки, основанном на одновременном измерении высоты двух светил. Этот метод широко применяется в морской и авиационной навигации. Его сущность состоит в следующем; из точки С одновременно измеряем зенитное расстояние двух звезд S₁ и S₂.

Поскольку координаты ГМС (точки A и B) нам известны, то измеренные зенитные расстояния Z₁ и Z₂ позволяют построить два круга равных высот, пересекающихся в точках С и D. В простейшем случае такое построение может быть осуществлено на глобусе, для чего необходимо установить ножку циркуля в точке ГМС звезды (например, в точку A), отложить дугу AC, равную зенитному расстоянию, и провести окружность - круг равных высот. Аналогичный круг равных высот строится и для второго светила S₂. Поскольку круги равных высот пересекаются в двух точках (С и D), расположенных на значительном расстоянии друг от друга, а вероятное местоположение наблюдателя (корабль, самолет) обычно бывает известно, то выбирается точка в районе предполагаемого места. В нашем случае координаты точки С и являются искомыми координатами местонахождения наблюдателя на земной поверхности. Очевидно, для решения этой задачи необходимо иметь оптическое устройство, позволяющее определять направление на звезды и измерять углы между плоскостью горизонта и направлением на звезды. В мореходной и авиационной практике в качестве таких приборов служат секстанты.

Секстант - это прибор, состоящий из оптического устройства, с помощью которого осуществляется визуальное наблюдение за звездой, и вертикали, относительно которой измеряется зенитное расстояние наблюдаемой звезды.

В подавляющем числе случаев в качестве вертикали секстанта используется хорошо известный жидкостной уровень, работающий на принципе маятника.

Если методы астрономической навигации, использующие секстанты, могут быть приемлемы для искусственного спутника Земли, то сами приборы - секстанты непригодны для непосредственного использования на ИСЗ.

Астронавигационными приборами, устанавливаемыми на искусственном спутнике Земли, должно осуществляться автоматическое слежение за небесными светилами, а также должен применяться принципиально новый способ определения вертикали.

6. Определение направления вертикали на ИСЗ

Если на Земле положение вертикали определяется без какого-либо труда, так как любое подвешенное на нити тело дает направление вертикали, то в условиях спутника Земли определение направления линии отвеса, или вертикали, представляет чрезвычайно сложную задачу. Объясняется это тем, что вследствие равенства центробежной силы и силы тяготения все тела внутри ИСЗ невесомы, и определение направления вертикали с помощью маятниковых устройств не представляется возможным.

В связи с этим на искусственном спутнике Земли необходимо иметь специальное устройство, определяющее вертикаль. Одним из возможных способов определения ее в условиях ИСЗ является оптический способ. Суть этого способа заключается в том, что на ИСЗ устанавливается трехлучевая оптическая система, следящая за видимыми краями Земли. Углы между оптическими осями телескопов, следящих за видимыми краями (горизонтом) Земли, одинаковые, благодаря чему направления оптических осей телескопов образуют трехгранную пирамиду, опирающуюся своими гранями (рис. 49) на поверхность Земли, с вершиной на ИСЗ. По законам геометрии продолжение оси такой пирамиды обязательно пройдет через центр Земли. Она и будет искомой вертикалью на ИСЗ.

Рис. 49. Трехлучевая фотооптическая система для наблюдения за видимыми краями Земли.

Несмотря на кажущуюся простоту, практическое выполнение такой вертикали встречает существенные трудности, одновременное слежение за освещенными и затененными поверхностями Земли является сложной технической задачей. Кроме того, неровности поверхности Земли (горы), а также облачность и дымка могут вызвать погрешности в определении вертикали. Для устранения влияния облачности и дымки могут быть использованы световые фильтры, позволяющие видеть тепловые излучения поверхности Земли в инфракрасной области спектра.

Точность трехлучевой оптической вертикали может быть высокой. Так, например, при полете ИСЗ на высоте 500 км и превышении отдельных участков горизонта на 10 км отклонение оси оптической пирамиды от истинной вертикали может не превышать один градус.

Другие известные в настоящее время способы определения вертикали на ИСЗ имеют малую точность.

В качестве примера рассмотрим способ, использующий экранирующее свойство земного шара по отношению к изотропной составляющей космических лучей. Эта составляющая состоит в основном из нейтронов, не отклоняемых магнитным полем Земли.

Рис. 50. Определение вертикали с ИСЗ на Землю с помощью 2-4 счетчиков направленного действия

Чтобы использовать это свойство, расположим на спутнике 2-4 _счетчика космических частиц направленного действия и направим их на линию горизонта (рис. 50) так же, как были направлены телескопы в рассмотренном оптическом устройстве.

Если под действием каких-либо причин какой-то счетчик окажется направленным ниже линии горизонта, то счетчик, расположенный против него, будет направлен выше линии горизонта. Тогда вследствие экранирующих свойств Земли число частиц, регистрируемых первым счетчиком, станет равным нулю, а у второго счетчика число регистрируемых частиц резко возрастет.

Поступающий от счетчика разностный сигнал после усиления можно подать на устройство типа вращающихся маховичков, восстанавливающее направление вертикали на спутнике к центру Земли. Предполагают, что такой метод стабилизации позволит получить вертикаль на спутнике с ошибкой не более 10°.

Подобная ошибка является большой для астрономической ориентировки. Но такая точность определения вертикали достаточна для решения некоторых задач, не требующих большой точности ориентации ИСЗ в пространстве.

Оптическое устройство, следящее за краями Земли, и устройство с направленными счетчиками требует автоматического изменения угла между ними (a) в зависимости от высоты полета ИСЗ над Землей, которая будет все время меняться, так как спутник имеет эллиптическую орбиту, что вызывает усложнение этих устройств.

7. Следящее и счетно-решающее устройства астроориентировки

Как было указано выше, для определения координат местонахождения ИСЗ необходимо, кроме вертикали, иметь и оптические устройства - телескопы, автоматически следящие за двумя звездами. Эти фотоследящие устройства содержат в себе оптическую систему телескопов, направляющих световой поток от звезд на фотоэлементы. Электрические сигналы от фотоэлементов передаются через усилители на инерционные двигатели, которые направляют телескопы на звезды. При отклонении каждого из телескопов от направления на соответствующую звезду такая следящая система автоматически возвращает его обратно.

Вполне очевидно, что выполнять какие бы то ни было построения на глобусе, как это показано было выше, в условиях ИСЗ не представляется возможным.

Эта задача должна решаться автоматически электронным счетно-решающим устройством. На вход этого счетно-решающего устройства поступают сигналы, соответствующие измеренным зенитным расстояниям двух звезд.

Рис. 51. Определение разности азимутов: h1 и h2 - высота светил; Z1 и Z2 - зенитные расстояния; DA - разность азимутов; В - местонахождение ИСЗ

Рис. 52. Разность азимутов DA слишком мала и определение положения точки пересечения кругов равных высот затруднительно: Z1 и Z2 - зенитные расстояния; С и D - точки пересечения кругов

Кроме того, перед запуском ИСЗ в счетно-решающее устройство вводятся координаты географических мест светил (ГМС). Изменение долготы ГМС осуществляется от часов, которые изменяют долготу на 360° в течение звездных суток. На основании измеренных и заданных данных счетно-решающее устройство выполняет математическую операцию, сводящуюся к определению координат точек пересечения двух кругов на сфере. По существу задача сводится к решению двух тригонометрических уравнений с двумя неизвестными - широтой и долготой географического места ИСЗ.

Полученные в результате автоматической работы счетно-решающего устройства координаты ИСЗ поступают на соответствующие приборы, а также могут быть переданы по телеканалам связи на Землю.

В процессе движения искусственного спутника по орбите вполне возможна потеря видимости одной или обеих звезд вследствие того, что Земля может оказаться между искусственным спутником и наблюдаемыми звездами. Следовательно, астроориентатор должен автоматически переключаться на другие видимые и удобные для навигации звезды. Но для выполнения этого необходимо вводить в счетно-решающее устройство координаты географического места этих звезд. С этой целью в счетно-решающем механизме должно быть предусмотрено устройство для задания программы перехода с одних звезд на другие, а координаты ГМС звезд, входящих в программу, должны задаваться перед запуском ИСЗ. Выбор удобных для навигации звезд производится с учетом того, чтобы в процессе движения ИСЗ по орбите между очередными наблюдаемыми звездами была разность азимутов (Примеч.- Разностью азимутов называется угол между двумя плоскостями, проходящими через направление на светила и перпендикулярными плоскости горизонта.) около 90°, а зенитные расстояния не были бы малы. Удовлетворение этих условий даст возможность повысить точность определения широты и долготы ИСЗ. Поясним эти два важных требования.

Рис. 53. Разность азимутов близка к 90°, определение точки пересечения кругов равных высот наиболее точное: Z1 и Z2 - зенитные расстояния; С и D - точки пересечения кругов

Как было указано выше, географическое место искусственного спутника Земли определялось как точка пересечения двух кругов равных высот звезд. Угол DA между касательными к кругам равных высот в их точке пересечения как раз и есть разность азимутов.

Разность азимутов может быть наглядно представлена на рис. 51, где h₁ и h₂ - высота светил (звезд), DA - разность азимутов. Из рис. 51 видно, что если значения h₁ и h₂ близки к нулю, то звезды близки к горизонту.

Если угол между касательными мал (см. рис. 52), то определение положения точки пересечения кругов равных высот становится затруднительным.

Наиболее точное определение точки пересечения кругов равных высот получается в том случае, когда разность азимутов близка к 90° (рис. 53).

Рис. 54. Зенитное расстояние Z1 мало по сравнению с Z2, точки пересечения кругов равных высот С и D трудноразличимы

Величина зенитного расстояния определяет радиус круга равных высот. Если зенитное расстояние мало (рис. 54), то две точки пересечения кругов равных высот (точка С и точка D) могут быть близки друг к другу, и счетно-решающее устройство может не различить разницы между координатами этих двух точек, что приведет к неправильному определению местоположения искусственного спутника Земли.

Из приведенных примеров видно, какое важное значение имеет выбор удобных для астронавигации звезд. Этот выбор для различных вариантов запуска ЙСЗ может быть произведен астронавтами заблаговременно.

К устройству, осуществляющему астроориентировку ИСЗ, предъявляются весьма высокие требования в отношении точностей. Например, ошибка в определении вертикали в 1° приводит к появлению ошибки в определении координат ИСЗ до 111 км на земной поверхности.

8. Измерение высоты полета ИСЗ

Следует заметить, что описанное выше устройство, состоящее из оптического построителя вертикали и фотоэлектронного следящего устройства за звездами, которое обычно называется астроориентатором, может также измерять и третью координату - высоту полета ИСЗ.

Измерение высоты осуществляется вертикалью астроориентатора.

Рис. 55. Определение высоты ИСЗ: H - высота полета ИСЗ; a - измеренный угол; R - радиус Земли; O - центр Земли; O1- центр ИСЗ: А - точка касания луча; B - географическое место ИСЗ

Как видно из рис. 55, треугольник AO₁O, образованный одной из граней AO₁ и осью OO₁ оптической пирамиды, содержит одну известную сторону OA, равную радиусу (R) Земли, и измеренный угол a.

Так как треугольник AOO₁ является прямоугольным, то сторона его OO₁ легко определяется. Отсюда следует, что высота полета H получается путем вычитания из стороны OO₁ треугольника отрезка ОВ, равного радиусу Земли. Эта геометрическая задача решается также счетно-решающим устройством астроориентатора, находящегося на спутнике.

Описанный выше принцип построения астроориентатора не является единственным. Он может быть основан также на других принципах (Примеч.- О принципах устройства таких систем ориентации ИСЗ рассказывается в брошюре «Управляемые снаряды и ракеты», Издательство ДОСААФ, Москва, 1957 г, стр. 107-108.). Магнитный принцип ориентировки и стабилизации ИСЗ может обеспечить приемлемую точность определения вертикали. По-видимому, этот последний принцип найдет широкое применение на различных типах автоматизированных и обитаемых спутниках типа сателлоида.

Конструкция астроориентатора, несмотря на кажущуюся простоту заложенных в нем принципов, является сложнейшим устройством, осуществление которого связано с разрешением принципиально новых технических задач с привлечением последних достижений оптики, автоматики и телемеханики. К этому устройству предъявляются жесткие требования в части точности, малых весов, габаритов и потребляемой энергии.

Рис. 56. Следящее устройство, постоянно удерживающее солнечную батарею спутника Земли в направлении на Солнце: a - а' - горизонтальная и в - в' -вертикальная оси вращения солнечной батареи

При рассмотрении ориентации и стабилизации спутника мы не учитывали того, что плоскость солнечной батареи должна быть всегда направлена на Солнце. Это осуществляется специальной следящей за Солнцем системой, поворачивающей плоскость батареи вокруг горизонтальной оси аа' и вертикальной оси вв' с помощью моторов 1 и 2 (рис. 56).

При отклонении солнечной батареи от направления на Солнце от специального устройства, не показанного на рисунке, измеряющего величину этого отклонения, подаются сигналы на мотор 1 или мотор 2 такого знака, чтобы при своем вращении они восстанавливали необходимое положение батареи.

Такое слежение за Солнцем будет осуществляться и при других способах стабилизации, например, относительно гироскопов, находящихся на ИСЗ, или относительно звезд, так как необходимость в электроэнергии всегда остается.

Вопрос о том, стабилизировать ли корпус ИСЗ на Солнце или же по земной вертикали, должен решаться в зависимости от соотношения масс аппаратуры, предназначенной для исследования Солнца вместе с солнечной батареей, и аппаратуры для исследования и фотографирования Земли.

Если первый комплекс оборудования (по массе) больше второго, то корпус ИСЗ вместе с солнечной батареей нужно стабилизировать на Солнце. Второй же комплекс стабилизировать на Землю отдельно от корпуса, и наоборот.

Если второй комплекс больше по массе, чем первый, то корпус ИСЗ следует стабилизировать по земной вертикали, а солнечную батарею стабилизировать отдельно на Солнце, как показано на рис. 56. В этом случае получается наименьший расход энергии, потребляемой автоматической системой стабилизации.

Стабилизация всех спутников, снабженных приборами, необходима, так как неизменность положения их (например, относительно Солнца, звезд, направления к центру Земли или другого определенного направления) облегчает получение и раскрытие смысла результатов измерений.

9. Стабилизирующие элементы спутника

Для продления активного срока жизни ИСЗ необходимы более долговечные источники электроэнергии. Надо полагать, что в ближайшие годы наиболее перспективными источниками питания на спутниках будут солнечные батареи, собранные на кремниевых фотоэлементах, с помощью которых будут подзаряжаться специальные малогабаритные аккумуляторы. Естественна, эта батарея должна быть ориентирована в направлении на Солнце во время движения ИСЗ. При этом, как уже упоминалось, сама солнечная батарея может быть жестко связана с корпусом ИСЗ или не связана с ним. В первом случае одновременно с ориентацией солнечной батареи возможна ориентация на Солнце или другие светила и ряда научных приборов, жестко связанных с корпусом ИСЗ.

Для угловой ориентации осей спутника относительно различных опорных тел (Земли, Солнца, Луны, звезд и т. п.) могут быть использованы только два способа:

1) с помощью реактивных микродвигателей;

2) с помощью вращающихся инерционных масс.

Следует учитывать, что первый способ может оказаться малоприемлемым, так как при его применении происходит загрязнение окружающего пространства продуктами рабочего вещества, отбрасываемого соплами реактивных микродвигателей.

Очевидно, более рациональным будет второй способ, предложенный еще К. Э. Циолковским (Примеч.- Циолковский К. Э. Собр. соч. Издательство АН СССР, 1954 г., Москва, т. II, стр. 58-60, фиг. 4 и текст, а также Циолковский К. Э. «Труды по ракетной технике», Москва, 1947 г., стр. 322, фиг. 6 и описание.). Этот способ основан на законе сохранения главного момента количества движения, открытого 200 лет назад Ньютоном. Закон весьма прост.

Поместим в теле ИСЗ инерционную массу в виде диска или кольца, которую можно приводить во вращение относительно тела ИСЗ двигателем. Если эту массу привести во вращение, то реактивная сила ее будет стремиться вращать тело ИСЗ в противоположную сторону.

Таким способом можно остановить в пространстве вращение оболочки спутника, если оно имеется, и повернуть тело спутника на желаемый угол, то есть осуществить угловую ориентацию спутника относительно опорного тела. Таким образом, в качестве стабилизирующих элементов могут быть использованы инерционные массы или специальные двигатели с инерционным ротором, а также реактивные микродвигатели, которые играют роль управляющих органов в условиях спутника (то есть в условиях невесомости и безвоздушного пространства).

Очевидно, что реальная система стабилизации спутников предполагает сочетание этих двух методов, так как система реактивных сопел способна устранять большие возмущающие моменты, но не дает необходимой точности стабилизации, в то время как инерционные массы способны осуществить весьма точную стабилизацию, но возможности их в смысле отработки внешних возмущений ограничены.