 Самые первые 3 марта исполнилось 50 лет со дня запуска КА Pioneer 4. Он стал первым американским искусственным спутником Солнца, начав отсчет успешных миссий Соединенных Штатов к иным мирам. |
для «Новостей космонавтики»
Р |
азработка аппаратов Pioneer для исследования Луны началась летом 1957 г. и получила официальное одобрение 27 марта 1958 г. В их задачу входило не столько изучение нашей ближайшей соседки, сколько отработка схемы перелета к Луне и бортовых систем, а также тестирование самой возможности исследования небесных тел с помощью автоматических станций. Луну и окололунное пространство планировалось изучать с пролетной траектории и с селеноцентрической орбиты. Под одним названием скрывались три разных типа аппаратов, весьма различных по конструкции и по назначению.
Попытка номер раз
В первую группу входили три зонда, называемые Pioneer, Pioneer Able или просто Able – по названию второй ступени РН Thor Able I, предназначенной для их запуска. Аппараты были разработаны в Лаборатории космической техники STL (Space Technology Laboratories) по заказу Управления баллистических ракет ВВС США (Air Force Ballistic Missile Division) для изучения Луны и фотографирования ее обратной стороны. Политической целью проекта было вернуть США статус самой развитой технической державы, который покачнулся после запуска Советским Союзом первого спутника.«Пионеры» первой группы должны были выполнять задачи с окололунной орбиты. Аппарат оснащался РДТТ, с помощью которого через 65 часов после старта, при подлете к Луне, он должен был снизить скорость на 850 м/с и перейти на окололунную орбиту. На орбите зонду предстояло проработать примерно одну неделю, изучая магнитные поля, радиационную и микрометеоритную обстановку.
На борту КА впервые в мире стояла аппаратура для телевизионной съемки лунной поверхности*: фотоэлемент с телескопом, который обеспечивал получение ИК-изображения. Вращение зонда вокруг оси давало строки изображения, а поступательное движение по окололунной орбите позволяло сформировать кадр целиком.
В состав научной аппаратуры КА входили терморезисторы для мониторинга температуры в корпусе аппарата, магнитометр и пьезодатчики регистрации числа ударов микрометеоритов. Электропитание обеспечивали 16 ртутных аккумуляторов для питания всех цепей КА и две специальные батареи: никель-кадмиевая для включения РДТТ и оксидно-серебряный аккумулятор для телевизионной системы. Телеметрия передавалась на частоте 108.06 МГц через дипольную, а телевизионная информация – с помощью отдельного передатчика мощностью 50 Вт на частоте 108.09 МГц через рамочную антенну. Команды управления принимались на дипольную антенну на частоте 114.813 МГц.
 ▲ Натурный макет Лунного зонда ВВС США (Pioneer 0/1/2) в фондах Национального аэрокосмического музея NASM |
Конструктивно зонд представлял собой тело вращения диаметром 73.7 см, составленное из плоского цилиндра высотой 15.2 см и усеченных конусов высотой 16.5 см на обоих торцах. Спереди (по линии полета) был установлен тормозной двигатель ТХ-8-6 массой 11 кг. Общая высота КА с учетом выступающего сопла РДТТ, но без антенн, составляла 61 см. С противоположной стороны – снаружи, на опорном кольце – стояли восемь малых РДТТ. Их предполагалось включать попарно для компенсации отклонения траектории от расчетной и сбрасывать после использования. Максимальное возможное приращение скорости составляло 25.5 м/с. На опорном кольце крепилась рамочная антенна, а дипольная устанавливалась на нижнем конусе. Гермокорпус окрашивался в голубой цвет и покрывался черными полосами для поддержания стабильной температуры во время полета. Аппараты стабилизировались вращением и имели стартовую массу от 38.0 до 39.2 кг.
Первый американский лунный зонд был запущен 17 августа 1958 г., опередив первую советскую лунную станцию на 37 дней. Официально он назывался «Лунный зонд ВВС США» (Air Force Lunar Probe), неофициально – Able 1, а в историю вошел под обозначением Pioneer 0. Аппарат погиб из-за аварии первой ступени: вследствие отказа турбонасоса прекратилась подача окислителя, и носитель взорвался через 73.6 сек после старта на высоте 15 км. Телеметрическая информация с КА и верхней ступени ракеты шла до 123-й секунды, траекторные измерения проводились до момента падения ступени в океан.
Второй пуск состоялся 11 октября в 08:42 UTC; лунный зонд получил имя Pioneer 1. При отключении ДУ первой ступени скорость была на 240 м/с выше номинальной, а ее направление было на 2.5° выше заданного. Вторая ступень отработала 104 сек и выключилась от акселерометра при скорости приблизительно 7050 м/с. Из-за движения по нерасчетной траектории она оказалась на 58 м/с ниже требуемой, а отклонение по углу места достигло 3°. На участке работы 3-й ступени к нему добавилось боковое отклонение на 5°, связанное, по-видимому, со сбоем ориентации из-за включения РДТТ в момент, когда его сопло было еще частично закрыто несимметричной конструкцией днища 2-й ступени.
В итоге 3-я ступень отклонилась примерно на 6° и недобрала 208 м/с. Все восемь корректирующих двигателей были включены, но это, конечно, не позволило достичь расчетной скорости. Зонд вышел на баллистическую траекторию и достиг максимального удаления от поверхности Земли 113 800 км**. Наблюдение за его полетом велось наземными станциями STL, построенными в апреле – августе 1958 г. и оснащенными большими крупногабаритными антеннами, – Малабар во Флориде, Хило на Гавайских о-вах, Миллстоун-Хиллз в Массачусетсе и Сингапуре, а также с помощью уникального британского радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк.
* Разработана специалистами Станции по испытаниям вооружений ВМС (Naval Ordnance Test Station, NOTS) в Чайна-Лейк, Калифорния. Первоначально создана в рамках проектов Vanguard и Pilot; последний, более известный как Notsnik, был целиком разработан в NOTS.
** По первоначальному сообщению, 127 630 км.
| Расчетная циклограмма запуска КA Pioneer 0/1/2 | ||||
| Время от старта, сек | Событие | Высота, км | Дальность, км | Инерциальная скорость, м/с |
| 0.0 | Старт | 0.0 | 0.0 | 409.0 |
| 10.0 | Начало разворота по тангажу | 0.2 | 0.0 | 411.2 |
| 140.0 | Окончание разворота по тангажу | 67.0 | 90.2 | 3206.5 |
| 159.5 | Выключение ДУ 1 -й ступени | 95.4 | 153.2 | 4854.5 |
| 269.3 | Выключение ДУ 2-й ступени | 312.4 | 688.0 | 7167.4 |
| 306.3 | Выключение ДУ 3-й ступени | 414.8 | 953.8 | 10733.8 |
После обнаружения отклонения траектории от расчетной 11 и 12 октября было предпринято четыре попытки запустить тормозной РДТТ, чтобы превратить Pioneer 1 в высотный искусственный спутник Земли, однако ртутный аккумулятор уже замерз и не смог замкнуть реле командной цепи. «Самая дорогая баллистическая ракета» летела 43 час 17.5 мин, в течение которых аппарат передавал телеметрическую информацию. Передачи прекратились утром 13 октября, когда зонд вошел в плотные слои атмосферы над Тихим океаном вблизи берегов Перу.
Задача пуска не была выполнена, но специалисты все же смогли получить ценные научные данные. Были проведены измерения магнитного поля Земли и межпланетного пространства, установлена неожиданно низкая плотность потока микрометеоритов. В состав полезного груза массой 18 кг была дополнительно включена ионизационная камера Джеймса ван Аллена для измерения суммарной космической радиации, с помощью которой впервые был прослежен до высоты 24000 км радиационный пояс и оценен его максимум – не менее 10 Р/час.
► РН Thor Able I с зондом Pioneer 1 перед ночным пуском 11 октября 1958 г. |
КА Pioneer 2 был запущен 8 ноября. В комплекте научной аппаратуры общей массой 15.6 кг телевизионная система NOTC была заменена новой, разработанной STL и предназначенной для съемки обратной стороны Луны с разложением на 126 линий, а также добавился пропорциональный счетчик Университета Чикаго для измерения радиационных параметров. Увы, на этот раз по неустановленной причине не прошла команда на включение третьей ступени. Зонд отделился, прошел по баллистической траектории с максимальной высотой 1548 км и сгорел в атмосфере над Центральной Африкой. Но за время 38-минутного полета с помощью ионизационной камеры и пропорционального счетчика удалось получить доказательства того, что вблизи геомагнитного экватора интенсивность радиационного пояса значительно возрастает, а микрометеоритный датчик показал существенное число ударов.
 ▲ Вернер фон Браун и Курт Дебус (первый и второй слева) беседуют с группой Джеймса Ван Аллена (второй справа) 1 марта 1959 г., перед запуском Pioneer 4 |
Попытка номер два
В задачи второй группы «Пионеров» входил пролет Луны с проведением научных измерений, тестированием связной аппаратуры и опытных устройств. Этот проект также был утвержден в марте 1958 г. Курировала его Армия США, а исполнителем по КА и по верхним ступеням РН была Лаборатория реактивного движения JPL. Станции слежения были развернуты во Флориде, Пуэрто-Рико и Калифорнии; работал также британский радиотелескоп Джодрелл-Бэнк.Зонды JPL были гораздо меньше (масса 5.9 и 6.1 кг) и примитивнее, чем у STL. Разработчики выбрали для аппаратов цилиндро-коническую форму высотой 58 см и диаметром основания 25 см. Корпус был выполнен из стеклопластика и позолочен для обеспечения электропроводности. Наружная поверхность раскрашивалась черными и белыми полосами в целях обеспечения расчетного теплового режима. В основании конуса находилось кольцо из 18 ртутных аккумуляторов, в носу – активная часть антенны длиной 7 см. Передатчик массой 0.6 кг и мощностью 0.18 Вт работал на частоте 960.05 МГц.
Внутри конуса стояли два счетчика Гейгера-Мюллера суммарной массой 0.64 кг для измерения интенсивности космических лучей. Фотоэлемент, расположенный на внешней поверхности основания, должен был сработать при приближении к Луне на расстояние около 30000 км. Это был задел под создание в будущем телевизионной аппаратуры для съемки небесных тел с пролетной траектории. С этой же целью планировалось снизить скорость вращения КА с 400 до 6 об/мин: примерно через 10 час после запуска освобождались два грузика массой по 6 г каждый, размещавшиеся на конце нихромовых нитей длиной 152 см. Выпуск грузиков и взведение оптического датчика после 18 часов полета обеспечивал гидравлический таймер.
Pioneer 3, первый зонд второй серии, был запущен 6 декабря 1958 г. на РН Juno II («Юнона-2»). Первая ступень должна была отработать 179.8 сек, затем после 55-секундной баллистической паузы последовательно включались три верхние ступени. Каждая работала около 6 сек, а интервалы между включениями составляли 9 сек. Через 33.5 часа после старта в зоне радиовидимости станции Голдстоун аппарат должен был пройти на расстоянии не более 20000 км от Луны.
Увы, из-за отказа в системе защиты от исчерпания компонентов топлива отключение ЖРД первой ступени произошло сразу после ее взведения и на 3.6 сек раньше запланированного момента. Верхние ступени сработали штатно, но КА недобрал 382 м/с. Достигнув высоты 102300 км, Pioneer 3 начал падать на Землю и через 38 час 06 мин после старта сгорел в атмосфере над Алжиром.
И вновь американцы попытались обратить поражение в победу, подчеркивая, что Pioneer 3 провел новые ценные исследования радиационного пояса Ван Аллена и что была проверена система дальней космической связи. В течение всего полета температура внутри КА оставалась на уровне около +38°С.
3 марта 1959 г. в 05:11 UTC, через два месяца после «Луны-1», со второй попытки был запущен Pioneer 4. КА отделился через 276.6 сек после старта. Начальная скорость 11082 м/с была на 87 м/с меньше расчетной, а вектор ее отклонился на 4.6° по углу места и 1.3° по азимуту. Вследствие этого Pioneer 4 прошел мимо Луны лишь через 41 час после старта, 4 марта в 22:24 UTC, и на расстоянии 60000 км, превышающем предел чувствительности фотодатчика. В остальном аппарат работал штатно, через 11 час 20 мин после старта было выполнено снижение угловой скорости с 416 до 11 об/мин. Бортовая температура стабилизировалась на +42°С.
Приборы Джеймса Ван Алена подтвердили наличие двух радиационных поясов с максимумами на высотах 2000-6000 км и 13000-19000 км. Было установлено, что внешний пояс простирается до высоты около 90000 км, значительно дальше, чем предполагали. В окололунном пространстве никаких следов радиации обнаружено не было.
В ходе полета Земля «слышала» аппарат только 24.6 часа – остальное время он находился вне зоны радиовидимости. Прием данных закончился после истощения аккумуляторных батарей через 82 час 04 мин после старта на расстоянии 652000 км от Земли. Станция вышла на гелиоцентрическую орбиту с периодом обращения 395 суток.