Пионер-5

Основная цель запуска-вывод аппарата на селеноцентрическую орбиту. Аппарат предназначался для исследования окололунного пространства, получения телевизионных изображений Луны, изучения космических лучей, измерения напряженности магнитного поля Земли и в пространстве между Землей и Луной, обнаружения магнитного поля Луны, регистрации микрометеорных частиц, изучения проблем радиосвязи на больших расстояниях.

Запуск аппарата Pioneer V (рис 3) произведен 26 ноября 1959 г. с м. Канаверал ракетой-носителем Atlas-Able с РДТТ ABL-248 в качестве III ступени. На 45-й сек. преждевременно отделился носовой обтекатель, прикрывавший аппарат, и под воздействием аэродинамических сил III ступень с аппаратом оторвалась от ракеты-носителя и упала в Атлантический океан около Африки. Причина отделения обтекателя - сохранение в пространстве под обтекателем давления 1 атм. Для устранения этого явления при последующих запусках аппаратов Pioneer VI в обтекателе просверливалось отверстие.

Состав служебного оборудования - как у аппарата Pioneer VI (см. ниже). Одно из различий-применение двух передатчиков мощностью 5 и 150 вт и оборудования, связанного с телевизионным устройством. Вес аппарата - 169 кГ.

В состав научной аппаратуры входят телевизионное устройство, детекторы космических лучей, магнитометры, детекторы метеорных частиц.

Головная организация по разработке аппарата и научной аппаратуры-Лаборатория космической техники, программа исследований разработана NASA и Управлением баллистических ракет ВВС. Стоимость создания и запуска аппарата Pioneer V-14 млн. долл. Такое же название имел и аппарат, запущенный успешно 11 марта 1960 г. и предназначенный для исследования не Луны, а межпланетного пространства между орбитами Земли и Венеры.

НК (2009 №6, с. 64-69):
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.


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.