«Спутник-1»: история создания первого искусственного спутника Земли

4 октября 1957 года мир перестал быть прежним. Человечество официально вывело на орбиту космический аппарат, реализовав самые фантастические идеи ученых и писателей. И особенную гордость вызывает тот факт, что это эпохальное событие стало возможным благодаря нашим с вами соотечественникам. 

Давайте кратко пройдемся по истории создания и запуска первого искусственного спутника Земли, а также посмотрим на то, как он положил начало космической гонки между СССР и США. 

---

Фантастические идеи до запуска

Впервые идею запуска искусственного спутника Земли высказал не кто иной, как сэр Исаак Ньютон в своей легендарной работе «Математические начала натуральной философии» в 1687 году. В ней он не только описал закон всемирного тяготения после многих часов наблюдений за космическими объектами, но и высказал идею: запустить ядро из мощной пушки, расположенной на высокой горе. Если скорость ядра достаточна, то оно будет бесконечно вращаться вокруг Земли (а на тот момент факт ее круглой формы уже никто не пытался оспорить в научном сообществе) по определенной траектории, благодаря равенству действующих сил. 

Однако Ньютон явно не понимал, чем вращающееся по орбите ядро может быть полезно людям. В 1869 году американский пастор Эдвард Хейл, которые баловался еще и писательством, публикует повесть Brick Moon («Кирпичная луна») в The Atlantic Monthly. Многие считают именно эту повесть одним из первых научно-фантастических произведений на космическую тему. 

В нем Хейл высказывает идею, что запущенный искусственный спутник на орбите будет полезен для морской навигации. По его траектории движения вдоль меридиан моряки смогут проще определять долготу. По сюжету спутник запускают несколько друзей в надежде получить крупную премию. Но, как водится, не все проходит гладко… 

Однако ближе всех к идее вывода спутников на орбиту и, главное, реалистичного описания космического запуска при помощи ракеты-носителя, стоял наш ученый Константин Циолковский. В конце XIX века именно он:

• предложил использовать жидкостное топливо для полетов;

• описал конструкцию многоступенчатой реактивной ракеты, в которой ступени отделяются по мере расходования топлива, а также показал возможность управления с помощью газовых рулей;

• вывел теоретическую формулу для расчета скорости (ракеты), которая впоследствии стала основой для запусков.

И еще многое другое. Но создание искусственных спутников Земли, которые бесконечно вращались бы по орбите, Циолковский связывал с другой задачей — заправочными станциями при межзвездных перелетах. Как известно, были попытки создания экспериментальных ракет еще при жизни ученого. Например, в 1933 году была запущена первая ракета на гибридном топливе ГИРД-09 на Нахабинском полигоне. Но про идеи Циолковского лучше рассказать подробно в других публикациях, а заодно и про идеи других гениев-первопроходцев вроде Германа Оберта и Роберта Годдарда. 

Наконец, идею спутников как средства коммуникации в 1945 году развил американский писатель-фантаст Артур Кларк в статье Extra-terrestrial Relays. Суть в том, чтобы на орбите постоянно находились три спутника, расположенные друг относительно друга под углом 120˚, тем самым обеспечивая полное покрытие Земли и связь между любыми точками её поверхности. 

Причем то было послевоенное время: мир уже видел, на что способны ракеты «Фау-2» для военного применения (да, точность была не ахти какой — но сам факт успешных запусков на высоту больше сотни километров был невероятным и пугающим). А Артур Кларк думал, как подобные ракеты можно использовать для мирного применения — например, вывода искусственных спутников на орбиту. 

Однако самой трудной задачей было разработать как раз такую ракету-носитель для стабильного вывода спутника на орбиту, а не сам аппарат. И в СССР сделать это предстояло конструкторам под руководством великого Сергея Павловича Королёва. 

Создание и испытания ракеты-носителя Р-7

За основу решили взять именно наработки немцев. Главный конструктор ракеты А4 (которая позже получила название V-2, от немецкого Vergeltungswaffe, или «оружие возмездия») Вернер фон Браун, вместе со своей командой из ракетного центра Пенемюнде, после войны начал работать на американцев, передав им большой объем документации по немецким ракетам. Несмотря на это, наши инженеры смогли по крупицам восстановить оригинальную конструкцию баллистической ракеты А4.

Для своего времени это был совершенно уникальный аппарат. Дальность действия доходила до 300 км при высоте больше 100 км и крейсерской скорости 1,65 км/с. Начальная масса составляла от 12 500 кг, при этом в головной части она несла до 1000 кг боевого снаряжения. В качестве топлива использовались жидкий кислород-окислитель и этиловый спирт. 

Всего было запущено больше 3 тысяч ракет, в основном — для запугивания британского населения. Как мы отмечали выше, точность поражения была не самой лучшей стороной V-2, да и около половины ракет даже не могли оторваться от Земли. 

Именно такую ракету наши специалисты сумели восстановить, стремясь не отстать от американцев в деле ракетостроения. 13 мая 1946 г. Сталин подписал постановление о создании в СССР ракетной отрасли науки и промышленности. В августе 1946 года главным конструктором и руководителем проектов был назначен Сергей Королёв. 

В 1947 году начались первые летные испытания, а в 1948 году на полигоне Капустин Яр (в районе Волги) прошли первые официальные пуски ракеты Р-1 — практически полной копии V-2, но созданной из наших материалов. 

Дальше наши умы принялись за совершенствование и доработку. В октябре 1949 года провели испытания ракеты Р-2 с дальностью до 600 км, причем во время летных испытаний проверяли возможность выхода в космическое пространство, а также работу на новой топливной смеси: керосине (как горючем) и жидком кислороде (как окислителе). 

После серии доработок в 1953 году прошли испытания ракеты Р-5 с дальностью 1200 км. Успешные пуски показали, что такую ракету можно использовать в качестве носителя атомного заряда между континентами. Но по поручению Совета Министров нужно было увеличить дальность до 7–8 тысяч километров и грузоподъемность до 10 тонн. Времени было мало: холодная война была в самом разгаре, а СССР был окружен базами ВВС США, на взлетных полосах которых могли находиться стратегические бомбардировщики вроде тех, что сбросили бомбы на Японию. Например, B-29 или B-52. 

12 августа 1953 года прошли испытания первой водородной бомбы «Изделие РДС-6с» на Семипалатинском полигоне. После этого группе конструкторов поручили разработать ракету-носитель для термоядерного заряда. Так в 1954 году началась разработка знаменитой двухступенчатой Р-7, после выхода постановления Правительства от 20 мая того же года. По задумке, дальность должна была составлять те же 8000 км, но при грузоподъемности всего 3,5 тонны — водородная бомба была бы намного легче своего «атомного собрата». Позже эту величину увеличили до 5,5 тонн, для подстраховки. 

• Во время работы проектная группа ОКБ-1 серьезно переработала предыдущие версии ракет-носителей, базировавшихся на V-2. Например:

• Разработала систему наземного базирования с подвеской ракеты на «отстреливаемых» фермах вместо обычного стартового стола, что позволило снизить общую массу.

• Изменила компоновку двигателя на пять блоков с двигательными установками, при этом центральный блок стал второй ступенью.

• Сделала топливные баки всех блоков несущими, а аппаратуру управления разместила между ними в центральном отсеке: например, автомат стабилизации, регулятор кажущейся скорости, радиосистему управления коррекцией и дальностью.

• Отказалась от газоструйных графитовых рулей, которые применялись еще на V-2, и разработала специальные двигатели малой тяги, которые использовались для корректировки траектории путем подачи строгой последовательности импульсов и позволяли «дотянуть» вторую ступень до нужной скорости при необходимости.

Уже 27 мая 1954 года, спустя неделю после выхода постановления Правительства, Сергей Королёв направляет министру оборонной промышленности Дмитрию Устинову записку. В ней он указывает, что будущая ракета Р-7 может использоваться для запуска искусственного спутника Земли. Предложение было одобрено лично Устиновым, а затем утверждено на уровне Правительства.

20 ноября 1954 года был утвержден эскизный проект с компоновкой всех основных узлов ракеты, и дальше разработка пошла полным ходом. Масштаб работ был колоссальным — вот лишь некоторые подразделения, которые привлекались:

• ОКБ-456 (руководитель В.П. Глушко) разрабатывали жидкостные ракетные двигатели, работающие на керосине и жидком кислороде;

• НИИ-885 (руководители М.С. Рязанский и Н.А. Пилюгин) занимались созданием систем управления ракетой;

• НИИ-10 (руководитель В.И. Кузнецов) создавали гироскопические командные приборы. 

Кроме этого, ОКБ-1 активно сотрудничала с ЦИАМ, ЦАГИ, математическим институтом им. Стеклова под руководством Келдыша и многими другими. 

Предстояло решить множество проблем: разработать стенды для огневых испытаний, опробовать теплоизоляционные материалы для защиты головной части при движении в атмосфере, с нуля разработать систему телеметрии (речь идет примерно о 700 контролируемых параметрах) и обеспечить связь с ракетой по всей территории СССР, вплоть до Тихого океана. И все это — в сжатые сроки, чтобы не отстать от американцев. 

Параллельно с разработкой в 1955–1957 годах шло строительство полигона в районе железнодорожной станции Тюра-Там в Казахстане — ныне это космодром Байконур. 

В начале 1957 года ракета была готова к испытаниям. С января по май провели несколько десятков проверок Р-7, в ходе которых электрическая схема и документация неоднократно перерабатывались. Что было неудивительно: система была безумно сложной и должна была обеспечить слаженную работу не только пяти тяговых двигателей, но и 12 рулевых, в дополнение к контролю параметров в 32 камерах сгорания. 

Первый старт Р-7 с заводским номером М1-5 состоялся 15 мая. Ракета весила 280 тонн, из которых 253 тонны приходилось на топливные компоненты: керосин, жидкий кислород, перекись водорода и сжатый азот. Головная часть весила, как и было задумано, 5,5 тонн. В 19:00 Р-7 успешно стартовала, однако через полторы минуты тяга бокового блока двигателей упала — ракета потеряла устойчивость и рухнула в 300 км от пуска. 

После первой неудачи последовали еще две, в июне и июле. Пока 21 августа четвертый запуск не прошел наконец-то успешно. Р-7 с номером 8Л вышла из атмосферы и пролетела 6300 км — головная часть достигла полигона Кура на Камчатке. И хотя выяснилось, что она практически полностью сгорела в атмосфере при подлете к Земле из-за неправильной конструкции корпуса и материалов, испытание было признано успешным.  

Разработка и запуск «Спутник-1»

Итак, к сентябрю 1957 года у СССР была межконтинентальная ракета Р-7, которая прошла необходимые испытания и была много раз доработана и усовершенствована. 

Да, были проблемы с температурной устойчивостью головного блока при входе в атмосферу — для носителя термоядерного заряда нужна была капитальная переработка конструкции. Но также было принципиальное согласие руководства страны на вывод искусственного спутника на орбиту Земли. А для этого не нужно было думать о плотных слоях атмосферы: аппарат просто должен был оказаться на орбите. 

Разработки спутника начались еще в 1956 году, с постановления правительства о создании аппарата под названием «Объект Д». Он должен был стать полноценной исследовательской станцией для решения следующих задач:

• исследование гравитационного и магнитного полей, ионосферы;

• измерение космического излучения и проверка эффектов теории относительности;

• проверка возможности длительного пребывания живых организмов в космосе;

• изучение Солнца и метеоритной активности;

• фотографирование поверхности Земли.

Речь идет об устройстве весом до 1500 кг, которое бы несло аппаратуру на 200-300 кг. Научной частью занималась Академия наук СССР, а проектирование поручили ОКБ-1. Сроки запуска были установлены на 1957-1958 годы.

Но очень быстро стало ясно, что реализовать весь набор задач будет невозможно даже за два года: подобной аппаратуры просто не существовало. 15 февраля 1957 года Королёв решил пойти на хитрость и доложил Совету Министров:

• два передатчика (радиостанции Д-200), работающих поочередно на частотах 20 и 40 МГц — так сигнал могли принимать радиолюбители без модернизации аппаратуры;

• антенны с длиной плеч 2,4 и 2,9 метров соответственно, которые разворачивались на угол 70˚ после отстыковки от ракеты-носителя за счет пружинного механизма;

• блок из 86 серебряно-цинковых аккумуляторов, заряда которых хватило бы на три недели;

• элементарная система термостатирования с вентилятором, чтобы не допускать перегрева электроники. 

17 сентября 1957 года, на собрании в честь 100-летия со дня рождения Циолковского, Королёв публично объявил, что СССР готовится в ближайшее время запустить первый в истории искусственный спутник Земли. 

4 октября 1957 года, в 22 часа 28 минут по московскому времени, ракета со спутником ПС-1 успешно стартовала с космодрома Байконур. Подъем на заданную высоту занял примерно 5 минут — ПС-1 и вторая ступень ракеты вышли на эллиптическую орбиту, достигнув первой космической скорости. Высота перигея составляла 228 км, апогея — 947 км, период обращения — 96 минут. 

Во время запуска не все прошло гладко. Через несколько секунд после начала полета отказала система опорожнения баков, из-за чего двигатель отключился на секунду раньше. Теоретически это могло привести к тому, что аппарат со второй ступенью мог не выйти на заданную скорость в 7780 м/с. Но тем не менее все получилось.

Спутник начал передавать короткие сигналы длительностью порядка 0,4 секунд и такими же паузами, которые фиксировались радиолюбителями не только в СССР, но и в других странах мира. Причем скважность сигнала изменялась, в зависимости от показаний датчика давления и температуры — таким образом, ПС-1 еще и передавал базовые параметры. Вот запись сигнала, сделанная радиолюбителями в Вашингтоне.  

Первый в истории искусственный спутник провел на орбите 92 дня и успел совершить 1440 витков вокруг Земли. Его запуск позволил ученым изучить параметры верхних слоев ионосферы и получить много другой ценной информации даже с учетом простой аппаратуры на борту. 4 января 1958 года ПС-1 вошел в верхние слои атмосферы и сгорел из-за трения о воздух. 

Более подробно прочитать про разработку и запуск Р-7 и ПС-1 можно в статье академика Бориса Чертока (выдержка из книги «Первая космическая») — он непосредственно участвовал в разработках легендарных аппаратов.

Начало космической гонки

В США запуск спутника был расценен как серьезный удар по престижу. Команда Вернера фон Брауна, как оказалось, не смогла опередить советских коллег. Пресса и политики наперебой высказывали опасения по поводу технологической отсталости американцев и призывали президента Эйзенхауэра принять срочные меры. 

В ноябре 1957 года был запущен «Спутник-2», с собакой Лайкой на борту. Американцы ускорились и попытались в декабре 1957 года вывести на орбиту спутник Vanguard при помощи ракеты-носителя «Авангард», но потерпели неудачу.  

31 января 1958 года США все-таки сумели вывести на орбиту спутник Explorer, созданный благодаря усилиям Вернера фон Брауна. Он весил примерно в пять раз меньше советского, при этом на борту был установлен счетчик Гейгера. Именно на основе его показаний Джеймс Ван Аллен с командой ученых смогли обнаружить существование радиационных поясов вокруг Земли. 

В 1958 году в США появляется Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства — NASA, а финансирование космических программ резко возрастает. Несмотря на это, СССР 12 апреля 1961 года первыми запускают человека в космос, что в Америке было расценено как очередной удар. 

По сути, именно с запуска «Спутника-1» и началась великая космическая гонка двух сверхдержав, в которой американцы то отставали, то опережали наших — например, как было с лунной программой в 60-х годах или телекоммуникационными спутниками. Это соперничество продолжалось с попеременным успехом вплоть до конца 80-х годов и распада СССР — чего стоит только один наш проект «Буран». Но об этом лучше расскажем в отдельном материале. 

Сейчас стоит признать, что с отечественной космонавтикой не все гладко. Разрыв в технологическом плане с США остается значительным, а «Роскосмос» во многом опирается на разработки советского времени. Но это не отменяет одного простого факта: именно наши соотечественники 67 лет назад первыми покорили космос.

И у автора статьи это вызывает гордость, вне зависимости от политической ситуации и космических гонок. Ведь в итоге победила наука и все человечество.

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.