Этот экспонат Музея Космонавтики в Калуге не похож на другие спутники. Из его корпуса торчат четыре длинные палки, которые держат широкое металлическое кольцо. Что это? Антенна? Элемент телескопа? Концентратор энергии? Кольцо Всевластия? Интуитивно штука кажется чем-то типа оперения, но ведь бред же – любой школьник скажет, что в космосе нет воздуха, и создавать стабилизирующую силу на этом устройстве нечему…
В открытой печати спутники с кольцом получили, прямо скажем, безликие обозначения «Космос-149» и «Космос-320». Серия «Космос» по состоянию на сейчас насчитывает 2596 экземпляров: абсолютно разные аппараты, в том числе и те, о назначении коих открыто сообщать бы не хотелось – военные и потерпевшие аварию. Но так получилось не сразу: сначала «Космосами» именовали научные спутники для исследований верхних слоёв атмосферы, ионосферы, магнитосферы и процессов на солнце, в том числе по международным программам. Проектировали их в конструкторском бюро «Южное», а строили – на Южном машиностроительном заводе в Днепропетровске (ныне Днепр).
Основное направление «Южмаша» — всё-таки баллистические ракеты, но стараниями М. К. Янгеля в Днепропетровске и Украине в целом появилась самодостаточная ракетно-космическая отрасль, делавшая свои ракеты-носители, двигатели, системы управления и космические аппараты почти «незалежно» от «центра». Впервые в СССР днепряне применили концепцию унифицированных спутников, когда под конкретную задачу разрабатывается не космический аппарат, а лишь целевая аппаратура, что ставится на общую платформу (ДС-У, АУОС и их варианты) с готовой констру��цией и обеспечивающими системами.
Впрочем, «окольцованные» спутники ДС-МО унифицированными не были. Их основная задача звучала довольно зловеще: «проведение исследований пространственно-временных вариаций радиационного баланса Земли и её атмосферы». Речь не о той радиации, которая в Хиросиме и Чернобыле, а о той, что восходит к латинскому слову radiātiō – не ионизирующее, а просто излучение. Его исследовал актинометрический комплекс «Актин-1»: два телефотометра видимого диапазона с взаимно перпендикулярными (по полёту и вбок) оптическими осями, инфракрасный (8…12 мкм) радиометр, спектроанализатор и другие приборы. Они подсчитывали, сколько получаемой от Солнца энергии Земля поглощает, а сколько переизлучает – в диапазоне от инфракрасного до ближнего ультрафиолета, включая весь видимый спектр. Также спутнику предстояло фотографировать и изучать облака, оценивать распределение водяного пара и озона в атмосфере. Система «Топаз-25М» транслировала телевизионное изображение напрямую в КБ «Южное». Обрабатывать полученные данные предстояло Институту Физики Земли Академии Наук (АН СССР).
Чтобы оптика «смотрела» куда надо, аппарат должен достаточно точно и стабильно, с минимумом раскачиваний, сохранять ориентацию своей продольной оси по вектору скорости. Систем ориентации разной сложности и точности к тому времени придумали множество, но на ДС-МО применили принципиально новую – это был первый в мире космический аппарат с аэрогироскопической стабилизацией. Сама идея стабилизировать спутник аэродинамическими силами на первый взгляд абсурдна, ведь в чёрной пустоте нет этого самого «аэро», воздуха. На самом деле есть!
Согласно определению Международной Авиационной федерации (ФАИ), граница атмосферы проходит на высоте 100 км – так называемая линия Кармана. Полёт любой длительности выше неё ФАИ засчитывает, как космический (по российскому определению таковым считается только полный виток по орбите). Круглость цифры намекает, что черта эта условная, юридическая. Внешние границы атмосферы переходят в космический вакуум постепенно, на высоте нескольких тысяч километров, а в следовых масштабах она простирается дальше орбиты Луны! ДС-МО предстояло летать куда ниже: 297 км в апогее и 248 км в перигее – этот слой атмосферы называется термосферой. Давление и плотность воздуха там в 10 миллиардов раз меньше, чем у поверхности!
Эдакая среда создаёт на спутнике гомеопатические силы – десятые доли грамма. Их и посчитать-то затруднительно. Во-первых, параметры воздуха на таких высотах сильно зависят от времени суток, сезона и особенно солнечной активности – они «плавают» в десять и более раз. Во-вторых, длина свободного пробега частиц там порядка километра (в те же 10 миллиардов раз больше, чем у земли), а её отношение к характерной длине аппарата, называемое числом Кнудсена (Kn), – от нескольких сотен до нескольких тысяч, смотря, что за характерную длину принимать. В любом случае, Kn»1 означает неприменимость гипотезы сплошности, фундамента «самолётной» аэродинамики. Мы не можем полагать воздух непрерывной (континуальной) средой и обязаны обсчитывать эффекты от ударов об аппарат отдельных атомов и молекул. Химический состав, кстати, тоже сильно отличается от того воздуха, коим мы дышим, и быстро меняется с высотой. Там мало азота и много лёгких газов, в том числе и в химически агрессивном атомарном виде, сверхактивно идут процессы диссоциации и рекомбинации.
Теорию аэродинамической стабилизации в 1964 г. описали специалисты отдела №5 отделения прикладной математики Математического института имени Стеклова АН СССР. Они предложили простое решение в духе оперения луковой стрелы, копья и флюгера – древние, как сама цивилизация, идеи оказались жизнеспособными и в разреженной среде. Стабилизатор представлял собой кольцевую пластину, которая при запуске прижата к днищу спутника, дабы уменьшить его габариты (а значит, габариты головного обтекателя), а в полете выдвигается на четырёх штангах далеко назад. Да, она создаёт едва заметную силу — так ведь и возмущения тоже невелики.
Повернул, допустим, спутник носом влево. Тогда стабилизатор окажется сильно правее его центра масс и ударившие в него частицы создадут выравнивающий момент. Но, не встречая сопротивления, по первому закону Ньютона аппарат продолжит вращаться, даже когда проскочит нормальное положение – пока не прилетят частицы с другой стороны стабилизатора. Эдак спутник будет очень размашисто колебаться – нужен демпфер. Из публикаций следует, что демпфирование осуществлялось силовыми гироскопами, но подробностей я н�� нашёл, как и о способе стабилизации по крену, ведь аэродинамическая компоновка ничуть не мешала аппарату вращаться вокруг продольной оси. Видимо, тут тоже задействовали гироскопы. Повышала устойчивость и форма корпуса с коническим расширением сзади.
Первый ДС-МО, он же «Космос-149», стартовал 21 марта 1967 г. с космодрома Капустин Яр на ракете 63С1 (11К63). Носитель с открытым обозначением «Космос-2» спроектировало всё то же «Южное» на базе своей первой баллистической ракеты Р-12 с добавлением второй ступени. Запуск производился не с открытого старта, как обычно, а из шахтной пусковой установки «Маяк-2». Аппарат весом 321 кг вышел на орбиту 285×243 км с периодом обращения чуть меньше 90 минут. Увы, стабилизировать его удалось только по тангажу и курсу, а по крену он медленно вращался. Кое-какие научные данные всё-таки удалось получить, но далеко не в полном объёме. Ошмётки атмосферы, благодаря которым возможна аэродинамическая стабилизация, быстро тормозили спутник, посему уже 8 апреля он «зарылся» и сгорел в плотных слоях.
Второй ДС-МО полетел 16 января 1970 г. Стартовая позиция и ракета те же, но закинуть «Космос-320» удалось на более высокую и вытянутую орбиту 240×320 км, где он просуществовал почти месяц – до 10 февраля. Правда энергии химических батарей всё равно хватило только на 10 дней – а солнечных у него не было. На сей раз всё сработало как надо. Кольцо и гироскопы обеспечили ориентацию аппарата с амплитудой колебаний не более 5°.
Несмотря на успех ДС-МО об аэродинамической стабилизации надолго забыли – всё-таки на высотах, где она работает, срок жизни спутника чересчур мал. Интерес к сверхнизким орбитам возродился лет двадцать назад – они считаются перспективными для исследований атмосферы, дистанционного зондирования Земли и даже связи. Европейское и японское космические агентства создали несколько экспериментальных аппаратов, в том числе и с двигателями, позволяющими не так быстро терять скорость.
Особенно интересен европейский спутник GOCE, запущенный носителем «Рокот» с космодрома Плесецк в 2009 г. Он, похоже, впервые со времён ДС-МО спроектирован с учётом требований аэродинамики: конусовидная форма снижает сопротивление и повышает устойчивость, добавляют её и «плавники» в кормовой части. Cпутник облеплен солнечными панелями и оснащён электроионным движком, непрерывно выдающим тягу до 20 миллиньютон. Вывели его на круговую орбиту высотой 255 км – примерно как у «Космоса-149», — но благодаря двигателю он проработал аж 4,5 года. GOCE уточнил модели гравитационного поля Земли и форму геоида, собрал множество данных по динамике океанских течений и заставил землян вспомнить, что летать на крыльях можно даже там, где у воздуха каждая молекула наперечёт.
Автор: Иван Конюхов
