Попытка номер три
Третье поколение американских лунных зондов представлено серией пусков с использованием РН Atlas Able. Все они были аварийными, так что ни одному аппарату не суждено было получить «личное» имя. И так как вспоминать неудачи мало кто любит, история этих пусков - одна из самых малоизвестных страниц американской космической программы. А она исключительно интересна! И начать надо с того, что создавались эти зонды не столько для Луны, сколько для Венеры.
1 октября 1958 г. NASA приняло на себя ответственность за реализацию двух проектов лунных зондов, созданных Лабораторией космической техники STL для ВВС и Лабораторией реактивного движения JPL для Армии США. 3 декабря, за три дня до запуска «Пионера-3» командой фон Брауна, Армия передала JPL со всеми ее задачами и средствами в NASA. Теперь именно это агентство решало, что делать дальше.
Еще в начале ноября NASA в принципе поддержало новые предложения JPL по разработке лунных и планетных аппаратов. Но тогда JPL еще только планировала два своих лунных запуска на 5 и 19 декабря. На самом деле второй из них состоялся лишь 3 марта 1959 г., а свой весьма консервативный план лунных и межпланетных пусков лаборатория представила 30 апреля. Три его первых пункта предусматривали исследования Луны, Венеры и Марса с пролетной траектории с датами пусков в августе 1960 г., октябре 1960 г. и январе 1961 г.
STL также направила в ноябре 1958 г. свои предложения в NASA через Управление баллистических ракет AFBMD. Они были одобрены, ВВС получили от NASA 16 млн $*, и, так как STL уже «отстрелялась» по Луне, она энергично взялась за новую работу. Возглавил проект один из «отцов» ракеты Thor, руководитель отдела экспериментальных космических проектов д-р Адольф Тиль (Adolph К. Thiel) - кстати сказать, член команды фон Брауна из Пенемюнде, ранее перешедший в STL из Редстоунского арсенала. Созданием КА руководил Джордж Глегхорн (George J. Gleghorn).
* Для справки: за технику для первых лунных пусков NASA заплатило ВВС и Армии по 2 млн $. Тогдашние ракеты и КА еще были очень дешевыми...
На этот раз целью была Венера. В начале июня 1959 г. открывалось исключительно удачное стартовое окно: можно было с минимальной отлетной скоростью «положить» зонд в плоскость орбиты Венеры, которая к тому же в момент прилета, в первых числах ноября 1959 г., находилась вблизи узла своей орбиты.
В STL параллельно создавались четыре сходных по конструкции КА, отличительной особенностью которых были четыре панели солнечных батарей, установленные на откидных штангах. Они торчали по бокам аппарата на манер лопастей гребного колеса или велосипедных педалей, и новые зонды так и прозвали - Paddlewheel.
Опытный аппарат получил индекс S-2 (Science-2). Его предполагалось запустить 15 апреля носителем Thor Able III на вытянутую околоземную орбиту с апогеем примерно 48 000 км для отработки систем и детального и продолжительного исследования радиационных поясов Земли.
3 июня ракета Thor Able IV должна была вывести на траекторию полета к Венере аналогичный по конструкции пролетный зонд с обозначением Р-2 (Probe-2) массой всего 35 кг. Коррекция не предусматривалась, так что минимальное расстояние от планеты определялось точностью выведения и могло быть достаточно большим.
▼ «Спутник-разведчик» Explorer 6 был успешно запущен на высокоэллиптическую орбиту |
Третий аппарат Р-1 должен был стать первым в истории спутником Венеры и исследовать ближайшую к Земле планету. Он был крупнее первых двух, так как оснащался двигательной установкой для коррекций траектории и выхода на орбиту вокруг Венеры. Масса орбитального зонда оценивалась в 99 кг, и для его запуска планировалось использовать более грузоподъемный носитель Atlas Able IV. Расчетной датой старта было 4 июня 1959 г.
Наконец, еще один аппарат массой 122 кг предназначался для выхода на окололунную орбиту после запуска в августе 1959 г.
На относительно небольших расстояниях от Земли с АМС должны были работать станции STL, развернутые в период первой лунной программы. Однако три последних месяца полета к Венере связь была возможна только через 76-метровую антенну в Джодрелл-Бэнк.
Как оказалось, STL взвалила на себя непосильную задачу: подготовить зонды к Венере к астрономическому сроку не удалось. Сведения об этом просочились в прессу, и 2 мая NASA вынуждено было признать, что по рекомендации AFBMD и STL из-за технических трудностей, возникших как при создании самих КА, так и ракет-носителей, пуски откладываются, «пока эти проблемы не будут преодолены». Но если для экспериментального спутника и для лунного аппарата задержка не была существенна, то для станций к Венере пропуск астрономического окна означал смену задачи.
Новый вариант программы был подготовлен 1 июня и вскоре также «утек» в прессу. Сообщалось, что пролетный зонд решено отправить на гелиоцентрическую орбиту для разведки свойств космической среды без сближения с Венерой, а орбитальный - запустить в октябре 1959 г. на орбиту искусственного спутника, но не Венеры, а Луны. Похоже, однако, что эта информация была не совсем точной: на орбиту вокруг Луны предполагалось вывести именно лунный аппарат, а не «опоздавший» венерианский.
7 августа 1959 г. на ракете Thor Able III ушел в космос экспериментальный объект S-2, получивший имя Explorer 6. Его орбита имела наклонение 47° и высоту 250 км в перигее и 42 400 км в апогее. Аппарат имел один твердотопливный апогейный двигатель тягой 5 фунтов (2.27 кгс), с помощью которой мог выполнить подъем перигея. Однако начальная орбита оказалась устойчивой, и включать двигатель не стали.
Масса КА составила 64.4 кг, он стабилизировался вращением со скоростью 2.7 об/сек. Электропитание обеспечивали четыре панели солнечных батарей размером 51x51 см, наклоненные под 30° к «экваториальному» сечению КА. На каждой стороне панели находилось по 1000 фотоэлементов, а всего - 8000. Одна линейка фотоэлементов (50 на одной стороне панели и 50 на другой) давала 0.75 Вт, а целая панель - 15 Вт. В силу конструктивных особенностей лишь четверть фотоэлементов могла видеть Солнце в любой момент времени; кроме того, самая «ценная» на начальном этапе полета панель раскрылась не полностью, что сократило поступление энергии еще на 37%. В итоге в первые дни спутник Explorer 6 получал лишь около 14 Вт. Фотоэлементы заряжали батарею никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 40 Вт-час, от которой запитывались системы аппарата.
 ▲ Макет КА Pioneer 5 в Национальном аэрокосмическом музее NASM |
Два маломощных (0.08 Вт) передатчика спутника работали в диапазоне 108 МГц, передавая аналоговую информацию. Аппарат был также оснащен экспериментальной цифровой телеметрической системой Telebit, способной суммировать данные за несколько часов и передавать ее «кадрами» длиной 132 бит со скоростью 1,8 или 64 бит/с через отдельный передатчик мощностью 5 Вт на частоте 378 МГц. Это значительно облегчило ввод принимаемых данных в компьютер и их обработку. Командная система КА могла принять и исполнить 30 команд. Со спутником работали станции во Флориде, на Гавайях, в Сингапуре и в Джодрелл-Бэнк.
Explorer 6 нес сразу четыре прибора для измерения космической радиации: телескоп космических лучей на пропорциональных счетчиках Университета Чикаго для регистрации энергичных частиц, ионизационную камеру и счетчик Гейгера-Мюллера Университета Миннесоты для измерения плотности радиационного потока и сцинтилляционный счетчик STL для регистрации электронов. Кроме того, на борту были установлены прибор для регистрации ОНЧ-радиоволн Стэнфордского университета, магнитометры двух типов и солнечный датчик для «привязки» их показаний, разработанные STL, и детектор микрометеоритных частиц Кембриджской лаборатории ВВС США.
Экспериментальное сканирующее телевизионное устройство с одним инфракрасным чувствительным элементом, впервые установленное на КА Pioneer 2 и модифицированное для использования на спутнике Венеры, также испытывалось на Explorer 6. С его помощью 14 августа были впервые получены снимки «серпа» Земли с высоты 27 500 км, пригодные для составления очень грубой метеокарты. «Картинка» с 64 элементами в строке при 8 градациях яркости передавалась целых 40 минут!
Разработчики рассчитывали, что Explorer 6 проработает по крайней мере год. Однако 11 сентября отказал один из передатчиков, а зарядный ток от солнечных батарей падал с каждым днем из-за радиационных повреждений фотоэлементов. Сигналы принимались лишь до 6 октября. За это время было получено 827 час аналоговых и 23 час цифровых данных; аппарат «нащупал» самый внутренний протонный пояс с максимумом на высоте 2000 км, открыл зону экваториального кольцевого тока, отследил ход и последствия пяти магнитных бурь.
В октябре на стартовый комплекс LC-17A установили еще один Thor, на этот раз для пуска зонда Р-2 в сторону орбиты Венеры. Старт планировался на начало ноября, затем на 15 декабря, но был отложен из-за неисправности КА. Была пропущена и третья расчетная дата, 28 января, так как NASA потребовало провести дополнительные вибрационные и термовакуумные испытания зонда.
Лишь 11 марта 1960 г. в 13:00 UTC стартовала ракета Thor Able IV, которая придала скорость 11037 м/с зонду с порядковым номером Pioneer 5. Через 27 мин после старта, на высоте 8000 км, по команде из Джодрелл-Бэнк аппарат был отделен от 3-й ступени. Отлетная скорость была на 148 м/с ниже расчетной, но зонд все-таки вышел на отличающуюся от расчетной орбиту с перигелием в 120.5 млн км от Солнца и периодом обращения 311.6 суток.
Стартовая масса КА была 43.0 кг. Он представлял собой почти сферический контейнер диаметром 66.0 см и высотой 73.6 см. Аппарат был запитан от четырех укороченных панелей солнечных батарей (по 600 фотоэлементов на каждой стороне), вырабатывающих от 13 до 25 Вт, через 28-элементную батарею никель-кадмиевых аккумуляторов. Температура поддерживалась в пределах от +3° до +27°С исключительно пассивными средствами - окраской частей корпуса в черный и белый цвет.
Из-за недостаточной грузоподъемности носителя число научных приборов пришлось уменьшить по сравнению с S-2: в комплект научной аппаратуры массой около 18 кг вошли телескоп космических лучей, счетчик Гейгера-Мюллера и ионизационная камера, один магнитометр и указатель направления магнитного поля, микрометеоритный датчик.
Pioneer 5 передавал на частоте 378.21 МГц. Помимо четырех станций STL и Джодрелл-Бэнк, к работе с зондом была привлечена 26-метровая антенна в Голдстоуне, построенная JPL для своих «Пионеров». Система Telebit могла работать через два передатчика: мощностью 5 Вт на начальном участке полета и 150 Вт при удалении от Земли на 8 млн км и далее, вплоть до 80 млн км. Такая большая мощность была нужна потому, что на зонде не было остронаправленной антенны; две ненаправленные антенны располагались у «полюсов» сферы. Заряда аккумуляторов хватало на то, чтобы 5-ваттный передатчик работал 25 минут из каждых шести часов, а 150-ваттный можно было включить лишь на две-три минуты. Команды на борт посылались 8-киловаттным передатчиком через 18-метровую гавайскую антенну. Интересно, что один раз, 18 марта, команду на включение передатчика выдала британская принцесса Маргарет!
Pioneer 5 стал первой в мире долгоживущей АМС, и полет его оказался исключительно продуктивным. Зонд подтвердил существование области кольцевого тока с максимумом на расстоянии 65 000 км от Земли, вышел из пределов земной магнитосферы и впервые измерил невозмущенное и возмущенное межпланетное магнитное поле. 31 марта, когда аппарат был в 5 млн от Земли, началась сильная магнитная буря. Pioneer 5 почувствовал ее «натиск» в виде энергичных протонов и электронов почти одновременно с Землей, и это заставило пересмотреть общепринятые тогда модели солнечной вспышки и взаимодействия ее с магнитосферой Земли. Всего же Земля получила 138.9 часов данных о межпланетном магнитном поле, космической радиации и энергиях заряженных частиц. Ненормальная работа датчика микрометеоритов не повлияла на высокую в целом оценку результатов.
▼ Так готовили к полету Pioneer 5, первую в мире долгоживущую АМС. Обратите внимание на клейкую ленту, которой фиксировались к корпусу третьей ступени панели солнечных батарей |
24 апреля впервые в истории космонавтики удалось «обойти» неисправность на борту КА за счет изменений в программе передачи телеметрии. Но по мере удаления КА от Земли связь ухудшалась, и к 30 апреля информация с борта принималась только на 76-метровом радиотелескопе Джодрелл-Бэнк со скоростью 1 бит/с.
8 мая 1960 г. на расстоянии 12.88 млн км от Земли по команде из Джодрелл-Бэнк был впервые включен мощный 150-ваттный передатчик. С его помощью стало вновь возможно принимать информацию на скорости 8 и даже 64 бит/с. Однако аккумуляторы КА теряли свою емкость, и уже к 21 мая их не стало хватать для питания мощного передатчика. После удаления зонда на 28.5 млн км Джодрелл-Бэнк утратил возможность выделять телеметрию, а 26 июня Земля в последний раз услышала сигнал 5-ваттного передатчика «Пионера» с расстояния 36.15 млн км. Стоит напомнить, что до этого рекорд «Луны-1» составлял 597 000 км, а «Пионера-4» - 655 000 км!
Закончив с однотипными КА Explorer 6 и Pioneer 5, вернемся на несколько месяцев назад и к цели нашего рассказа - к Луне. Новые зонды STL обещали провести исследования с орбиты ее спутника с помощью довольно сложного комплекса научной аппаратуры, получить изображения поверхности Луны, оценить ее массу и топографию, исследовать распределение микрометеоритов по массе и скорости, изучить радиационную и магнитную обстановку.
Запуск объекта Р-3 планировался на 3 октября 1959 г. - ровно за день до старта «Луны-3». За девять дней до этого, 24 сентября, в день, когда Н. С. Хрущев находился с визитом в США, на стартовом комплексе LC-12 на мысе Канаверал военнослужащие 6555-го испытательного крыла проводили огневые испытания ДУ первой ступени РН Atlas Able IV. Этой первой ступенью был Atlas 9С - единственная ракета серии С, выделенная для космического пуска. Через 2.1 сек после включения из-за неисправности ТНА горючего маршевого ЖРД ее двигатели прекратили работу. Затем из-за ошибки стартовой команды произошел разрыв питающего трубопровода ТНА окислителя, и в хвостовом отсеке «Атласа» начался пожар. Тонкостенный корпус ракеты, устойчивой лишь в наддутом состоянии, начал разрушаться, она упала и сгорела. Стартовый комплекс был выведен из строя на пять месяцев. Носителя у NASA больше не было, и лишь сам зонд Р-3 остался цел, так как тест проводился с макетом верхних ступеней.
Аппарат Р-3 массой 168.7 кг был выполнен в виде сферы радиусом 99.1 см с четырьмя панелями солнечных батарей, отклоненными на 22.5° вниз или вверх от экваториальной плоскости. На каждой стороне панели размером 61x61 см устанавливалось по 1100 фотоэлементов, объединенные в 22 линейки. Одна линейка могла давать уже 1.3 Вт; максимальная вырабатываемая мощность могла достигать 66 Вт, а средняя составляла 30 Вт. Панели раскрывались в рабочее положение перед запуском РДТТ 3-й ступени РН; вместе с ними диаметр КА достигал 2.7 м. В полете КА стабилизировался вращением со скоростью 2.5 об/сек. Бортовые радиопередатчики работали на частоте 378.21 МГц, команды с Земли шли на 401.85 МГц.
Интересное новшество было применено в системе терморегулирования зонда. На его внешней поверхности стояли 52 круглые четырехлепестковые пластины диаметром 15 и 20 см из отражающего материала*. Они могли поворачиваться вокруг оси на 90°, открывая или закрывая круги черного покрытия, нанесенные на оболочку аппарата. Если температура внутри КА падала ниже нормы, под действием термочувствительной спирали лепестки поворачивались и открывали черные участки поверхности, которая быстро нагревалась. Если же температура оказывалась слишком высокой, лепестки закрывали темные участки, что приводило к понижению температуры. Номинальная температура внутри КА составляла +21 °С.
* Две такие пластины были ранее испытаны на КА Explorer 6. Подобные «вертушки» сохранились до настоящего времени на метеоспутниках серии Advanced Tiros-N (НК №4, 2009, фото внизу с. 21).
 ▲ «Неудачник» Pioneer Able IV в сборе и (отдельно, на переднем плане) его двигательная установка |
Впервые в мировой практике аппарат оснащался жидкостной ДУ суммарной массой 88.4 кг для довыведения, выполнения маневров по трассе полета, выхода на окололунную орбиту и коррекции последней. В центральной части КА был установлен сферический бак топлива (гидразин) диаметром 66 см и два бачка с газом наддува (азот), а вдоль осевой линии на «полюсах» зонда были установлены два ЖРД тягой по 18 фунтов (8.4 кгс): в хвосте - разгонный, в носу - тормозной. Трубопроводы от бака к хвостовому ЖРД подводились через блок из четырех клапанов одноразового действия; таким образом, он мог включаться до четырех раз. Носовой ЖРД мог быть включен два раза. На каждое включение расходовалась порция в 8 см3 пускового горючего (четырехокись азота). Высота КА вместе с соплами составляла 1.40 м.
Масса объекта Р-3 превышала возможности носителя. Поэтому план полета предусматривал включение хвостового ЖРД через одну минуту после отделения от 3-й ступени с дополнительным приращением скорости 440 м/с и доведением ее до 10370 м/с. Основная коррекция траектории планировалась после 12 часов полета. Через 62 часа после старта аппарат тормозился и выходил на орбиту вокруг Луны высотой примерно 4800x6400 км. В случае отклонения графика полета от расчетного могла получиться и более вытянутая орбита высотой примерно 1600x16000 км.
Предполагалось, что Р-3 проработает у Луны не менее года. Состав научной аппаратуры зонда был таким же, как у спутника Explorer 6, только телевизионное устройство обеспечивало фототелеграфную передачу 128-элементных строк изображения. Суммарная масса приборов составляла 8.3 кг, а вместе с телеметрическим оборудованием и источниками питания достигала 55 кг.
Новый носитель удалось добыть за счет другой программы NASA: первый из двух запланированных баллистических пусков Big Joe в рамках пилотируемой программы Mercury оказался успешным, и второй решили не проводить. Аппарат Р-3, счастливо избежавший взрыва 24 сентября, был запущен 26 ноября, в День благодарения, в присутствии администратора NASA, руководителей НИОКР в Минобороны США и президента STL. Но уйти от судьбы не удалось: через 45 сек после отрыва ракеты от стартового стола лопнул трехметровый бульбообразный пластиковый ГО, который по плану должен был отделиться на 175-й секунде полета. Как выяснилось, разработчики не предусмотрели стравливание воздуха из-под обтекателя по мере подъема ракеты! Скоростным напором с ракеты сорвало зонд и третью ступень, а на 104-й секунде полета замолчал и телеметрический передатчик на второй ступени. Atlas отработал свои 385 сек, и даже запустилась вторая ступень, но это уже ничего не меняло.
В распоряжении NASA остался аппарат Р-1, изготовленный ранее для выхода на орбиту спутника Венеры. Администрация Эйзенхауэра дала разрешение доработать его и запустить к Луне во 2-м квартале 1960 г. Кроме того, было выделено около 1 млн $, чтобы изготовить запасной экземпляр КА и запустить его в 3-м квартале. (Ракета обошлась намного дороже - примерно в 6 млн.) Однако в апреле 1960 г. стало известно, что пуск нового спутника Луны отложен на 25 августа, а запасного - на 14 ноября.
Аппараты Р-30 и Р-31, как и аварийный зонд 1959 года, были выполнены в виде сферы диаметром 99.1 см с 50 «вертушками» системы терморегулирования на корпусе, двумя ЖРД и двумя дипольными антеннами на «полюсах» сферы и четырьмя панелями солнечных батарей на штангах. Фотоэлементы были защищены от радиационных повреждений стеклянным покрытием и ИК-фильтром. Командный приемник мог дешифровать и запустить на исполнение 20 операций, включая работу ЖРД. Бортовая кабельная сеть имела в длину более 3 км.
| Миссии КА «Пионер» | |||||
| № п/п | Аппарат | Дата и время старта (UTC) | Ракета-носитель | Стартовый комплекс | Итоги полета |
| 1 | Pioneer (Able 1) | 17.08.1958, 12:18 | Thor Able 1 (Thor №127) | LC-17A | Взрыв PH через 77 сек после старта |
| 2 | Pioneer 1 (Able 2) | 11.10.1958, 08:42:13 | Thor Able 1 (Thor №130) | LC-17A | Из-за недобора скорости аппарат не долетел до Луны |
| 3 | Pioneer 2 (Able 3) | 08.11.1958, 07:30:21 | Thor Able 1 (Thor №129) | LC-17A | Из-за недобора скорости аппарат не долетел до Луны |
| 4 | Pioneer 3 (Juno IIA) | 06.12.1958, 05:44:52 | Juno II (№AM-11) | LC-5 | Из-за недобора скорости аппарат не долетел до Луны |
| 5 | Pioneer 4 (Juno IIA') | 03.03.1959, 05:10:57 | Juno II (№AM-14) | LC-5 | 4 марта пролетел на расстоянии 60050 км от Луны и вышел на гелиоцентрическую орбиту |
| 6 | Explorer 6 (S-2) | 07.08.1959, 14:24:20 | Thor Able III (Thor №134) | LC-17A | Экспериментальный КА выведен на вытянутую орбиту ИСЗ |
| 7 | P-3 (АЫе-4А) | 03.10.1959 | Atlas-Able IV (Atlas №9C) | LC-12 | Запуск не состоялся из-за взрыва РН во время предстартовых испытаний |
| 8 | P-3 (АЫе-4В) | 26.11.1959, 07:26 | Atlas Able IV (Atlas №20D) | LC-14 | Утрата полезного груза на начальном этапе полета из-за разрушения ГО |
| 9 | Pioneer 5 (P-2) | 11.03.1960, 13:00:05 | Thor Able IV (Thor №219) | LC-17A | Выведен на гелиоцентрическую орбиту. Успешный |
| 10 | P-30 (АЫе-5А) | 25.09.1960, 15:13 | Atlas Able V (Atlas №80D) | LC-12 | Из-за нештатной работы второй ступени РН аппарат не вышел на орбиту |
| 11 | P-31 (АЫе-5В) | 15.12.1960, 09:11 | Atlas Able V (Atlas №91D) | LC-12 | Разрушение РН на участке работы первой ступени из-за преждевременного включения двигателя второй ступени |
Из состава полезной нагрузки были исключены телевизионный сканер (поскольку его «картинка» заранее проигрывала съемкам «Луны-3») и приемник ОНЧ-радиоволн; вместо них ввели сцинтилляционный спектрометр STL для поиска лунных радиационных поясов и плазменный зонд Исследовательского центра имени Эймса NASA, предназначенный для измерения энергии и момента импульса протонов солнечного ветра, а также для изучения радиационного воздействия солнечных вспышек. Вместе со сканером убрали специальный передатчик, и оставили два маломощных, по 1.5 Вт. Данные - суммарные за период отсутствия связи и текущие в режиме реального времени -передавались в цифровом формате.
Бортовой комплект приборов также включал телескоп космических лучей, ионизационную камеру и счетчик Гейгера-Мюллера, сцинтилляционный счетчик, магнитометры и микрометеоритный датчик. На Р-31 был дополнительно установлен твердотельный детектор Университета Чикаго для регистрации потока протонов низких энергий, и этот аппарат был чуть-чуть тяжелее: 176.0 вместо 175.5 кг.
Масса зонда складывалась из конструкции и оболочки (21.8 кг), двигательной установки (97.1 кг, в т.ч. 68.5 кг гидразина), источников питания, аппаратуры и научных приборов (57.2 кг). Через 60.5 час после старта зонд должен был достичь точки в 7100 км от Луны. Уменьшив свою селеноцентрическую скорость с 2100 до 1250 м/с, он перешел бы с пролетной траектории на орбиту высотой 2400x4350 км с периодом обращения 9-10 часов*.
* Данные NASA для КА Р-31. Для лунного зонда Р-30 в печати называлась расчетная орбита высотой 6100x9200 км с периодом 16 часов.
25 сентября 1960 г. с Канаверала стартовала ракета Atlas Able V с зондом Р-30. Первая ступень отработала 275 секунд в полном соответствии с заданной программой и на высоте около 370 км успешно отделилась. Вторая ступень из-за неисправности в системе подачи окислителя не развила полную тягу и выключилась досрочно, а третья не запустилась вовсе. Зонд был отделен и прошел по баллистической траектории, разрушившись в атмосфере над Африкой. Его сигналы принимались до 1020-й секунды полета, причем за время суборбитального полета инженеры STL успели выдать команды и испытать работу гидразиновой ДУ. 15 ноября NASA объявило, что два обломка были найдены в Трансваале в Южной Африке.
Последний из первых лунных «Пионеров», зонд Р-31, стартовал 15 декабря с задержкой на сутки. Через 68 сек после старта, на высоте 12 км, носитель взорвался: двигатель второй ступени запустился в тот момент, когда еще работала первая. Обломки ракеты с аппаратом упали в Атлантический океан. Программа Atlas Able, поглотившая 40 млн $, завершилась бесславно...
На этом первый этап американских исследований Луны был завершен (сводная статистика запусков приведена в таблице 1). Его нельзя назвать успешным (с престижной точки зрения он был просто провальным), но тем не менее запуски первых «Пионеров» позволили отработать целый ряд вопросов баллистики и конструкции КА и дали бесценный опыт, который послужил основой для следующих миссий.
25 марта 1961 г. носителем Delta был запущен на орбиту с апогеем 181000 км спутник Explorer 10 для измерения магнитного поля и плазмы солнечного ветра. Он имел обозначение Р-14 и первоначально заявлялся как аппарат для исследования характеристик окололунного пространства.
В период 1960-1965 гг. Соединенные Штаты реализовали программу Ranger, принятую 21 декабря 1959 г. и обеспечившую получение снимков лунной поверхности с близкого расстояния, что было крайне необходимо для разработки пилотируемой лунной экспедиции.
Следующим этапом изучение Луны проводилось сразу двумя проектами: Surveyor (1966-1968 гг.) и Lunar Orbiter (1966-1967 гг.). Первый реализовывался с 1960 г. и предполагал создание аппарата для мягкой посадки на Луну и исследований ее поверхности. Второй, принятый в 1963 г., состоял в создании КА для картографирования Луны с селеноцентрической орбиты.
В 1966-1967 гг. в рамках программы Lunar Explorer к Луне были запущены два спутника из серии IMP (Interplanetary Monitoring Platform). На селеноцентрическую орбиту вышел только второй из них (Explorer 35, IMP-E, стартовал 19 июля 1967 г.). 10 июня 1973 г. к Луне был запущен спутник Explorer 49 для продолжения работ в области радиоастрономии с окололунной орбиты в рамках проекта Radio Astronomy Explorer (RAE).
▼ РН Atlas Able смотрится несколько нелепо... |
Уже в 1990-е годы, после долгого перерыва, на селеноцентрической орбите поработали еще два американских аппарата: Clementine (запущена 25 января 1994 г.) и Lunar Prospector (7 января 1998 г.).
С принятием в 2004 г. в Соединенных Штатах новой программы космических исследований, которая среди прочего предусматривает возвращение американских астронавтов на Луну не позже 2020 г., NASA подготовило план ее детального исследования с помощью нескольких автоматических станций. Им предстоит работать на орбите и на поверхности Луны.
Первыми автоматами, которые подготовят возобновление пилотируемых полетов на Луну, должны стать зонды Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) и небольшой Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS). Они должны быть запущены одной РН 17 июня 2009 г.
«Пионерские» ракеты
Для запусков первых лунных зондов в США были использованы носители первого поколения, созданные на базе баллистических ракет Thor, Jupiter и Atlas.
Конец 1950-х был эпохой бурного развития ракетной техники. Новые ракеты появлялись, как грибы после дождя; при этом комбинировались различные ступени, созданные по военным и гражданским программам. Некоторые из изделий первого поколения, такие как Thor и Atlas, прожили долгую жизнь, став родоначальниками целых семейств РН. Другие - к примеру, Juno II - оказались «однодневками».
 ▲ Подготовка к пуску РН Juno II |
Баллистическая ракета средней дальности (БРСД) SM-75 Thor разрабатывалась с конца 1955 г. по заказу ВВС США фирмой Douglas Aircraft. Главным конструктором по всему ракетному комплексу назначили Джека Бромберга (Jack L. Bromberg), кстати, формально не имевшего инженерного образования. Руководителем программы от ВВС был полковник Эдвард Холл (Edward N. Hall).
Ракета была представлена на стендовые испытания в октябре 1956 г., а ее первый пуск состоялся 26 января 1957 г. Спешка при разработке не могла не сказаться на результате: сразу же после отрыва от пускового устройства (ПУ) ракета села обратно, загорелась и взорвалась. В течение первой половины 1957 г. случилось еще три аварии и множество отказов при подготовке к старту. Эти неудачи стоили места полковнику Холлу... Инженерам «Дугласа» пришлось приложить немало усилий, чтобы заставить Thor летать. Лишь пятый испытательный пуск 20 сентября 1957 г. прошел успешно: ракета пролетела 2170 км (расчетная максимальная дальность - 2400 км).
В 1958 г. Thor был принят на вооружение ВВС США. Всего до 4 октября 1960 г. состоялось 100 испытательных и учебно-боевых пусков ракет этого типа, из них 73 были признаны успешными, 13 - частично успешными и 14 закончились неудачно. Как боевое изделие Thor дожил до начала 1970-х, причем в виде ракеты - перехватчика спутников: некоторое количество противоспутниковых «Торов» с ядерной боевой частью стояло на боевом дежурстве на атолле Джонстон в Тихом океане.
В ноябре 1957 г. помощник руководителя STL Пол Дегарабедян (Paul Degarabedian) предложил использовать для испытаний боеголовок МБР двухступенчатый носитель Thor А, использующий в качестве первой ступени изделие Thor DM18, а в качестве второй - ступень Able, создаваемую на базе второй ступени РН Vanguard с новой системой управления. Проект возглавил Джордж Миллер (George Mueller)*; позднее он передал свои полномочия Тилю. Первый баллистический пуск ракеты Thor Able с полезным грузом RTV-1 состоялся 24 апреля 1958 г. и был аварийным. Пуски 10 и 23 июля прошли успешно - правда, головные части спасти не удалось.
* Впоследствии - выдающийся руководитель программы Saturn V/ Apollo.
В январе 1958 г. STL предложила и трехступенчатый вариант носителя Thor В с целью отправки зонда к Луне. Его третью ступень Altair предлагалось оснастить РДТТ Х-248-АЗ, который являлся вариантом РДТТ 3-й ступени «Авангарда». Эта ракета получила наименование Thor Able I и использовалась для запуска первых «Пионеров».
Носители семейства Thor Able в пяти вариантах стартовали 16 раз: девять раз для отработки головных частей и семь раз с космическими аппаратами. Шесть пусков были полностью или частично неудачными. Мало того, что поначалу РН не блистала надежностью - ее характеристики как космического носителя были резко ограничены из-за неоптимального разбиения на ступени.
В апреле 1959 г. NASA выдало компании Douglas контракт на «промежуточную» РН Delta, создаваемую на базе Thor Able, но с усовершенствованной радиоинерциальной системой управления. Одновременно головная фирма занялась и повышением надежности изделия. «Временный» носитель хорошо себя зарекомендовал и остался в строю на десятилетия, в течение которых проводились многочисленные модификации и увеличивалась мощность всех ступеней. Сейчас знаменитая серия Delta представлена в вариантах Delta II (со «старой» первой ступенью на основе «Тора») и Delta IV (с новыми криогенными ступенями).
Ракета Juno II была создана в то же время, что и Thor Able, но в ее основу легла БРСД Jupiter SM-78, создававшаяся по заказу Армии США в Редстоунском арсенале под руководством Вернера фон Брауна. Первые ступени обоих носителей имели схожие характеристики. Более того, они оснащались двумя вариантами ЖРД XLR83-NA1 от ускорителя крылатой ракеты Navaho G-38, форсированными до 68 тс: на Jupiter ставился двигатель S-3D, а на Thor - S-3E.
Кажущаяся нелепость разработки двух БРСД с практически идентичными характеристиками объяснялась просто. Армия и ВВС конкурировали между собой, желая иметь собственные системы вооружения. Jupiter был детищем Армии, которое, однако, в ноябре 1956 г. передали под контроль ВВС. Одно время ВМС рассматривали Jupiter в качестве ракеты для подводных лодок, и как раз это заставило спроектировать ракету короткой, но более толстой - диаметром 2.67 м против 2.44 м у «Тора». Позднее, однако, флот отказался от ракеты с жидким кислородом в качестве окислителя и принял в качестве стандартной БРПЛ твердотопливную ракету Polaris А-1.
В отличие от «Тора», «Юпитер» был мобильной ракетой. Его пуск осуществлялся с наземного ПУ, которое можно было перевозить с места на место. Все агрегаты комплекса монтировались на автомобильном шасси. Техническое время подготовки к старту составляло около 20 мин, а предельное отклонение при стрельбе на максимальную дальность 2700 км при полете по оптимальной траектории - около 3600 м.
Первый Jupiter был запущен с Восточного испытательного полигона (мыс Канаверал) 1 марта 1957 г. Уже третий пуск 31 мая оказался успешным - ракета совершила полет на максимальную дальность 2400 км. В течение 1957 г. было выполнено семь испытательных пусков, и, хотя четыре из них закончились авариями, в январе 1958 г. ракету решено было принять на вооружение. Испытательные пуски тем не менее продолжались до февраля 1960 г.; в общей сложности их было 29, в том числе пять неудачных. В 1961 г. началось развертывание комплексов Jupiter в Италии (30 ракет) и Турции (15 ракет). «Сухопутный» Jupiter был снят с боевого дежурства вскоре после Карибского кризиса, в июле 1963 г.
Разработка космического носителя на базе «Юпитера» стартовала в начале 1958 г. Первая ступень представляла собой модификацию боевой ракеты с удлиненными на 0.91 м баковыми отсеками. Для того чтобы полностью использовать ее возможности, нужно было добавить мощные верхние ступени. Но ракет соответствующей размерности в США в конце 1950-х годов еще не было. Поэтому на отсек системы управления БРСД, оснащенный газовыми соплами для стабилизации на пассивном участке полета, поставили устройство раскрутки и знаменитую связку мелких твердотопливных ракет от РН Juno I (Jupiter-C), с помощью которой был выведен на орбиту первый американский спутник Explorer 1. Даже для «Редстоуна», ставшего основой Juno I, этот блок верхних ступеней («ведро», как называли его сами разработчики) был мал, что уж говорить о новой ракете...
Невысокая энергетика «модельных» РДТТ, использованных в связке, предопределила низкие характеристики носителя Juno II. На околоземную орбиту высотой 200 км эта «Юнона» выводила не более 41 кг, а на отлетную траекторию - не более 6.8 кг. Как следствие, карьера носителя оказалась короткой. С 6 декабря 1958 г., когда была предпринята попытка запуска «Пионера-3», и до 24 мая 1961 г., когда состоялся последний старт со спутником S-45A, было выполнено 10 космических пусков, причем лишь пять из них были относительно успешными.
Очевидными причинами короткой службы РН Juno II были низкая надежность и недостаточная грузоподъемность. В принципе эти проблемы были решаемы. Параллельно с Juno II был предложен вариант Juno III грузоподъемностью от 140 до 320 кг с более крупными РДТТ верхних ступеней, однако он не нашел заказчика: агентство ARPA, которое в 1958 г. занималось вопросами создания космических носителей, предпочло систему на базе «Тора».*
* Для полноты отметим, что имя Juno IV досталось предложенному фон Брауном проекту РН с четырьмя ЖРД Е-1 на первой ступени. Этот носитель мог вывести полезный груз массой 725 кг на низкую околоземную орбиту, 250 кг на траекторию полета к Луне или 135 кг к Марсу. ARPA финансировало этот проект весной и летом 1958 г., но затем закрыло в пользу ракеты Juno V, ставшей позднее известной под именем Saturn I.
Судьба «Атласа», также начинавшего свою карьеру в виде баллистической ракеты, сложилась не в пример удачнее. Детище известного конструктора Карела Боссарта (KarelJ. Bossart) создавалось в недрах корпорации Convair. Как и две описанные выше БРСД, Atlas поступил на летные испытания в июне 1957 г. и был принят на вооружение в сентябре 1959 г.
Atlas Able стал первым специализированным космическим носителем на базе МБР Atlas - намного более известная Atlas Agena появилась на несколько месяцев позже. Как и в случае Thor Able, носитель был получен путем установки на боевую ракету двух верхних ступеней от «Авангарда». Но если у более легкого «Тора» такой паллиатив как-то со временем «сросся», то на вершине толстенького и короткого «Атласа» тонкая колонна (да еще и с толстым набалдашником ГО) смотрелась нелепо. Техническая истина «некрасивые конструкции долго не живут» подтвердилась здесь в полной мере: после пусков «Пионеров» третьей серии эта ракета не использовалась.
Неудача не помешала «Атласу» лечь в основу семейства самых успешных (как считают разработчики) американских РН: с верхними ступенями Agena и Centaur они использовались в самых разнообразных научных, военных, народнохозяйственных и коммерческих программах. Носитель неоднократно менял владельцев (General Dynamics, затем Lockheed и, наконец, Lockheed Martin), но неизменно оставался символом искусства американских инженеров. Последний «классический» Atlas стартовал 3 февраля 2005 г. У сегодняшней РН Atlas V, которую независимые эксперты относят к одному из самых совершенных и эффективных носителей в мире, от исходной ракеты осталось только название...
Несмотря на различия в облике и карьере, американские носители первого поколения имеют и ряд общих черт. Во-первых, все они делались в спешке с явным замыслом обогнать Советы и отыграться за позор с первым спутником. Отсюда - пренебрежение к оптимизации характеристик изделия и недостаток наземной отработки. Во-вторых, у руля программ стояли военные, а для них вопросы престижа отодвигались на второй план, и на свои космические разработки они смотрели поначалу не как на родных детей, а как на пасынков. Тем не менее в процессе разработки американцам удалось отработать технологию создания РН на основе уже готовых жидкостных и твердотопливных ступеней. В будущем, кроме экономии на унификации, такой подход позволил гибко варьировать грузоподъемность, производя «тонкую настройку» ракет под конкретные задачи.
Основные характеристики РН Thor Able, Juno II и Atlas Able приведены в таблице 2 в сравнении с советской РН 8К72. Из-за оригинальной схемы «Атласа», имевшего отделяемую стартовую ДУ, сложилась забавная ситуация с классификацией носителя. Ряд источников относит Atlas Able к трехступенчатым РН, тогда как другие - к четырехступенчатым. Во всяком случае, сравнивать Atlas Able и 8К72 с другими носителями удобнее, если считать отделяемые части базовой МБР нулевой ступенью...
| Табл.2 | ||||
| Параметр | Juno II | Thor Able | Atlas Able | 8К72 |
| Страна | США | США | США | СССР |
| Число ступеней | 4 | 3 | 4 | 3 |
| Стартовая масса, т | 55.1 | 52.0 | 120.05 | 279.01 |
| Масса ПГ на отлетной траектории, кг | 6.8 | 39.2 | 170 | 300 |
| Общая длина, м | 24.0 | 26.9 | 35.0 | 33.073 |
| Максимальный диаметр | 2.67 | 2.44 | 3.05 | 10.303 (центральный блок - 2.95) |
| Нулевая ступень | Сбрасываемая модульная ДУ | 4 боковых блока 8К72Б/В/Г/Д | ||
| Тип и число двигателей | 2 кислородно-керосиновых ЖРД LR89-NA5 | 4 кислородно-керосиновых ЖРД 8Д74(РД-107) | ||
| Тяга, тс | 140.2/154.7 | 332.0/404.4 | ||
| Удельный импульс, сек | 256/282 | 250/308 | ||
| Стартовая масса ступени, т | 3.4 | 173.1 | ||
| Сухая масса ступени, т | 3.4 | 15.0 | ||
| Первая ступень | Jupifer | Thor DM18 | 8К72А | |
| Тип и число двигателей | 1 кислородно-керосиновый ЖРД S-3D | 1 кислородно-керосиновый ЖРД S-3E (LR79-NA9) | 1 кислородно-керосиновый ЖРД LR105-NA5 | 1 кислородно-керосиновый ЖРД 8Д75 (РД-108) |
| Тяга, тс | 68.0/77.4 | 68.0/77.4 | 25.8/37.0 | 75.9/95.9 |
| Удельный импульс, сек | 248/282 | 248/282 | 220/316 | 243/309 |
| Стартовая масса ступени, т | 54.4 | 49.34 | 115.0 | 97.4 |
| Сухая масса ступени, т | 5.4; | 3.125 | 3.4 | 7.4 |
| Вторая ступень | Able | Able | 8К72Е | |
| Тип двигателя | Связка из 11 РДТТ Baby Sergeant | 1 ЖРД АJ10-101 на азотной кислоте и НДМГ | 1 ЖРД АJ10-101А на азотной кислоте и НДМГ | 1 кислородно- керосиновый ЖРД 8Д714 (РД-0105) |
| Тяга, тс | 7.44 | 3.40 | 3.54 | 5.04 |
| Удельный импульс, сек | 214 | 270 | 270 | 316 |
| Стартовая масса ступени, т | 0.462 | 1.884? | 1.884? | 7.984 |
| Сухая масса ступени, т | 0.231 | 0.429? | 0.429? | 1.11 |
| Третья ступень | Altair 1 | Altair 1 | ||
| Тип двигателя | Связка из 3 РДТТ Baby Sergeant | РДТТ Х-248-А3 | РДТТХ-248-А4 | |
| Тяга, тс | 2.04 | 1.43 | 1.43 | |
| Удельный импульс, сек | 214 | 256 | 256 | |
| Масса ступени, т | 0.126 | 0.238 | 0.238 | |
| Сухая масса ступени, т | 0.063 | 0.030 | 0.030 | |
| Четвертая ступень | ||||
| Тип двигателя | РДТТ Baby Sergeant | |||
| Тяга, тс | 0.713 | |||
| Удельный импульс, сек | 214 | |||
| Масса ступени, т | 0.042 | |||
| Сухая масса ступени, т | 0.021 | |||
| * Для ступеней, запускаемых на старте, тяги и удельные импульсы даны через дробь на уровне моря и в вакууме, для верхних ступеней - только в вакууме. | ||||