БИП
СПУТНИК, «ЭКСПЛОРЕР» И ПЕРВЫЕ СПУТНИКИ

Учёные объявили 1957–58 годы Международным геофизическим годом — полутора годами согласованных измерений Земли, её атмосферы и Солнца. Обе сверхдержавы пообещали запустить к нему научный спутник; США объявили о своём плане 29 июля 1955 года [1][2]. Американский проект «Авангард» был новой гражданской ракетой для тщательно оснащённого спутника. Советский проект опирался на нечто гораздо большее — Р-7, первую в мире межконтинентальную баллистическую ракету, впервые успешно слетавшую 21 августа 1957 года.

КБ Сергея Королёва строило тяжёлый спутник с множеством приборов (позже он полетел как «Спутник-3»), но работа затягивалась. Чтобы успеть первыми, команда за несколько недель сделала замену — ПС-1, «простейший спутник». Это была полированная алюминиевая сфера диаметром 58 см, заполненная азотом, с четырьмя штыревыми антеннами и двумя радиопередатчиками на серебряно-цинковых батареях. Масса — 83,6 кг [1][3]. Единственное её «измерение» было спрятано в сигнале: длительность импульсов менялась с температурой и давлением внутри сферы, поэтому разгерметизация или перегрев были бы слышны.

Центральный блок Р-7 отделил «Спутник» на скорости около 7,8 км/с — чуть больше, чем нужно для круговой орбиты на этой высоте, поэтому орбита вышла эллипсом: около 228 км в низшей точке (перигее) и 947 км в высшей (апогее) [4]. Всё об орбите следует из этих двух чисел и тяготения Земли. Среднее из двух расстояний от центра Земли — большая полуось a; третий закон Кеплера превращает её в период, а уравнение «вис-вива» даёт скорость в любой точке эллипса.

Выберите спутник ниже или задайте свои перигей и апогей. Точка движется с истинной относительной скоростью (каждый кадр решается уравнение Кеплера), поэтому видно, как она проносится через перигей и медлит в апогее. Обратите внимание, насколько быстрее «Эксплорер-1» внизу, чем наверху, и как высокий апогей удлиняет период: виток «Эксплорера-1» был почти на 20 минут дольше, чем у «Спутника-1» [5].

Передатчики «Спутника» намеренно работали на частотах 20,005 и 40,002 МГц, доступных любому радиолюбителю. Два молодых физика из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, Уильям Гуйер и Джордж Вайффенбах, в понедельник после запуска начали записывать сигнал на 20 МГц и изучили то, что мог услышать каждый: пока «Спутник» приближался, тон был выше, при удалении — ниже. Это эффект Доплера. Сдвиг равен f₀·v/c, где v — скорость вдоль луча зрения: для «Спутника» не более ~520 Гц, одна 38-тысячная [7].

Их догадка: геометрия заключена в форме кривой. Частота всегда проходит от +f₀v/c до −f₀v/c, но крутизна перехода через ноль зависит от того, насколько близко пролетает спутник: наклон в момент наибольшего сближения равен f₀v²/(c·r_min). По одному пролёту можно восстановить всю орбиту. Затем их коллега Фрэнк Макклюр перевернул задачу: если орбита известна, та же кривая говорит, где находитесь вы. Так появился Transit — спутниковая навигационная система ВМС США, работавшая с 1964 года, прямой предок GPS [7].

Хрущёв хотел нового зрелища к 40-летию революции. Команда Королёва построила «Спутник-2» примерно за четыре недели и запустила его 3 ноября 1957 года — меньше чем через месяц после первого. Его масса — 508,3 кг [3]; он нёс герметичную кабину с собакой Лайкой, дворняжкой с московских улиц, и приборы для ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца и космических лучей. Он остался соединённым с центральным блоком Р-7, из-за чего был тяжёлым и плохо охлаждался.

Возвращать Лайку не планировали: технологии спуска с орбиты ещё не было. Десятилетиями официальная версия гласила, что она прожила около недели. В 2002 году Дмитрий Малашенков из Института медико-биологических проблем в Москве рассказал на Всемирном космическом конгрессе в Хьюстоне, что, по телеметрии, температура и влажность в кабине после старта росли и что она погибла от перегрева и стресса через пять–семь часов полёта [8]. И всё же её полёт показал важное: млекопитающее переносит старт и невесомость. Через три года собаки Белка и Стрелка облетели Землю на «Спутнике-5» и вернулись живыми.

6 декабря 1957 года первый «Авангард» поднялся примерно на метр, потерял тягу и взорвался в прямом телеэфире [3]. У армейской команды Вернера фон Брауна был запасной вариант — Jupiter-C: удлинённая ракета «Редстоун» с вращающейся «бочкой» уменьшенных твердотопливных двигателей «Сержант» в связках по 11, 3 и 1. Переименованная в Juno I, она стартовала 31 января 1958 года по местному времени (1 февраля, 03:48 UTC) [5]. Спутник построила Лаборатория реактивного движения под руководством Уильяма Пикеринга; главный прибор дал физик Джеймс Ван Аллен из Университета Айовы. ABMA и JPL справились за 84 дня [5].

«Эксплорер-1» — цилиндр длиной 2 м вместе с пустым двигателем последней ступени, с которым он остался соединён. Общая масса 30,66 фунта (13,9 кг), из них 18,35 фунта (8,3 кг) — приборы: счётчик Гейгера для космических лучей, датчики температуры и датчик микрометеоритов, плюс два радиопередатчика. Для устойчивости он вращался вокруг продольной оси со скоростью 750 оборотов в минуту [5]. Его орбита была гораздо вытянутее, чем у «Спутника», — 360 на 2535 км, — и заводила его высоко, туда, где не бывал ни один прибор. То, что он там нашёл, стало первым научным открытием космической эры.

На малых высотах счётчик «Эксплорера-1» показывал ожидаемый уровень космических лучей. Но на части орбиты, высоко, показания падали почти до нуля — гораздо ниже ожидаемого [5]. Неисправность? Группа Ван Аллена сверилась с «Эксплорером-3», запущенным 26 марта с магнитофоном, и увидела закономерность: счёт рос с высотой, а затем внезапно замолкал [9][10]. Студент Ван Аллена Карл Макилвейн испытал запасную трубку в пучке рентгеновских лучей в лаборатории и нашёл ответ: трубке Гейгера после каждого импульса нужно короткое время на восстановление — мёртвое время, и если частицы приходят чаще, она не успевает восстановиться и перестаёт считать.

Значит, тишина означала не пустоту, а излучение настолько сильное, что счётчик захлёбывался. 1 мая 1958 года Ван Аллен объявил, что Землю окружают зоны энергичных частиц, захваченных её магнитным полем, — теперь их называют поясами Ван Аллена [9][11]. Двигайте высоту ниже. Счётчик здесь подчиняется стандартной модели «парализуемого» детектора m = N·e^−Nτ: при росте истинной скорости N показание m растёт, достигает максимума при N = 1/τ и затем падает почти до нуля. Две очень разные высоты могут давать одинаковое показание — именно поэтому одно число с орбиты так сбивало с толку.

«Эксплорер-1» закрутили вокруг продольной оси — оси с наименьшим моментом инерции. Для идеально жёсткого тела такое вращение устойчиво. Но четыре его штыревые антенны изгибались при каждом покачивании, понемногу превращая энергию вращения в тепло. Вскоре после выхода на орбиту спутник уже не вращался вокруг длинной оси, а кувыркался через голову [5][12].

Почему? Без внешнего момента сил момент импульса H сохраняется, но энергия может утекать. Энергия вращения при заданном H равна H²/2I и минимальна при вращении вокруг оси с наибольшим моментом инерции. Поэтому любая диссипация подталкивает тело к «плоскому» вращению вокруг главной оси с наибольшим моментом. Это правило главной оси; инженер Рон Брейсуэлл объяснил им движение «Эксплорера-1», а Питер Лайкинс позже вписал его в практику проектирования космических аппаратов [12]. Сравните две формы ниже.

«Авангард» наконец добился успеха 17 марта 1958 года. «Авангард-1» — алюминиевая сфера 16 см массой 1,47 кг [3], которую Хрущёв высмеял как «грейпфрут». Это первый спутник с солнечными батареями; его передатчик на солнечном питании проработал до 1964 года — намного дольше спутников на батареях. Его орбита достаточно высока, чтобы он оставался там и сегодня: это старейший рукотворный объект на орбите.

Точное слежение за его орбитой выявило небольшие регулярные изменения, которых не дала бы идеально симметричная Земля. В 1959 году Джон О'Киф с коллегами сообщили, что Земля слегка грушевидна: южное полушарие чуть «полнее», северное чуть «острее», не более чем на десятки метров [13]. Спутник, не имевший для этого приборов, сам стал прибором. Эта идея — измерять Землю по изменениям орбит — стала спутниковой геодезией, благодаря которой GPS сегодня помещает вас на Землю правильной формы.