Ссылка на полный текст: Л. А. Краснов «Испытатели легендарной ракеты Р-7: команда Котельникова и Богомолова». Москва, ОКБ МЭИ, 2019 г., 124 стр.
Навигация:
Система телеметрических и траекторных измерений «Индикатор»
Телеметрическая система «Трал» (развитие РТС «Индикатор-Т») разработана специально для ракеты Р-7
Система «Трал» выиграла государственные сравнительные испытания у РТС-7
Траекторные и телеметрические измерения при испытаниях Р-7
Проблема участка падения головной части ракеты
ИСЗ ПС-1
Для ИСЗ «Объект-Д» разработана модификация бортовой аппаратуры системы «Трал», полностью на полупроводниках
Использование для ИСЗ несерийных электронных компонентов
Попытки приёма сигнала с ГЧ непосредственно перед падением
Окончательное решение проблемы плазменного участка. Запоминающее устройство на магнитной проволоке «Яхонт»
В начале 1947 года заинтересованные стороны при содействии комитета № 2 при СМ СССР разрабатывают проект постановления Правительства СССР об организации в МЭИ работ в интересах ракетного вооружения. Проект был внесен на рассмотрение Правительства, и 24 апреля 1947 года И. В. Сталин подписал Постановление ЦК ВКП (б) и СМ СССР №1327/340 о создании в МЭИ Сектора специальных работ по тематике Комитета № 2 при СМ СССР и о назначении В. А. Котельникова Главным конструктором разработок Сектора. А уже в декабре 1947 года было согласовано и подписано со стороны НИИ-88 Министерства вооружения СССР Б. Е. Чертоком, а со стороны МЭИ В. А. Котельниковым и утверждено Главным конструктором ОКБ-1 НИИ-88 С. П. Королевым тактико-техническое задание на совмещенную систему телеизмерений и измерений траектории ракеты Р-2 (система «Индикатор»).
Так в 1947 году началась захватывающая работа Сектора ОНИР МЭИ в рамках ракетно-космической программы страны.
Работы по измерениям траектории ракеты Р-2 развернулись на кафедрах основ радиотехники, передатчиков, антенных устройств и инженерно-авиационной службы. Этой части системы «Индикатор» было присвоено наименование «Индикатор-Д».
Работа по телеметрическому направлению велась на кафедре автоматики и телемеханики, которая в это время находилась в составе вновь сформированного в МЭИ так называемого «девятого факультета», где были собраны кафедры, прямо или косвенно относящиеся к физико-энергетическим направлениям. Этой части системы «Индикатор» было присвоено наименование «Индикатор-Т».
Ракета Р-2 была уже принципиально новой ракетой. Она не имела ничего общего ни с ФАУ-2, ни с Р-1. Единственной телеметрической системой до конца 1948 года была система со странным названием «Бразилионит», которую разработал НИИ-10 по образу и подобию немецкой системы «Мессина», использовавшейся при отработке ракет ФАУ-2 в Германии во время войны. Это была достаточно примитивная система с 12 каналами и частотным разделением каналов.
На ракете Р-2 была установлена неплохая телеметрическая система, созданная работниками НИИ-885. Она называлась СТК-1 «ДОН». Это была вполне современная система: 24 канала, 50 Гц опроса. Работой по ее созданию руководил Е. Я. Богуславский, бывший, кстати, аспирантом у Котельникова. Однако «ДОН» уступал системе «Индикатор-Т» по всем основным параметрам. Учитывая степень промышленной готовности, было принято решение использовать на Р-2 только траекторную часть системы «Индикатор».
Что касается американской радиотелеметрии, то, по данным прессы, системы, подобные «Индикатору», появились в США лишь после 1950 года. На Р-2 стояла система траекторных измерений сектора ОНИР. Идея системы сводилась к следующему: организация слежения за ракетой по угловым координатам и по дальности, используя ответчик запросного сигнала. Запрос проводился в метровом диапазоне, ответ – в сантиметровом. На рисунках показаны структура бортовых устройств и структура наземной станции. Радиосистем измерения траектории с активным ответом в это время в мире просто не было, в том числе и у США, несмотря на всю их радиолокационную мощь. Были у американцев в большом количестве ответчики сигналам радиолокаторов, так называемые радиолокационные маяки (radar beakons), но почему-то для измерения дальности они не использовались, а служили для опознавания (системы «свой–чужой» и т. д.).
Создание наземной станции траекторных измерений на базе радиолокатора СОН-4 взяла на себя военная кафедра инженерно-авиационной службы МЭИ: К. В. Должиков, А. Е. Башаринов, З. М. Флексер, В. И. Воробьев. Безусловным лидером в этой группе был А. Е. Башаринов. В ходе работ он стал не просто разработчиком станции, но одним из ведущих разработчиков всего комплекса траекторных измерений. С. П. Королев всегда был сторонником траекторных измерений. Он понимал, что с увеличением дальности полета роль траекторных измерений будет возрастать. А при космических полетах, о которых уже тогда мечтал Сергей Павлович, без траекторных измерений обойтись вообще было бы невозможно. Но и на ракетах Р-2 система «Индикатор-Д», т. е. по существу –траекторный канал системы «Индикатор», доказала впоследствии свою пользу, облегчив анализ аномальных ситуаций, поиск головных частей после их падения и послужив основой для создания системы контроля точности стрельбы (РКТ).
Базой для наземной станции системы «Индикатор» стала радиолокационная станция орудийной наводки СОН-4 («Луч»), практически скопированная с американского локатора того же назначения SCR-584, переданного нам американцами в конце войны по ленд-лизу (союзническим поставкам). Для использования в системе «Индикатор» станция подверглась серьезной доработке. Прежде всего, эти доработки были связаны с особенностями слежения за ракетой как радиолокационной целью. Скорость и ускорение ракеты значительно превышали величины, на которые был рассчитан противосамолетный радиолокатор. Потребовалась коренная переработка всей системы углового сопровождения локатора и режимов работы при захвате и сопровождении сигнала. Дальность полета ракет в пределах прямой видимости для Р-2 составляла более 300 км, что в шесть раз превышало дальность действия «Луча». Понадобилась переработка дальномерного канала. Управление станцией в процессе приема и регистрации параметров движения осуществлялось вручную. Оператор дальности непрерывно должен был совмещать строб с ответным сигналом на кольцевом индикаторе дальномера. Оператор углов непрерывно должен был держать штурвалы управления антенной, корректируя ее положение с целью предотвращения потери захвата, и вводить в захват как при старте, так и в случае потери. Отдельный оператор непрерывно, ориентируясь на показания приборов АРУ и частотного дискриминатора, корректировал настройку клистронного гетеродина.
Бортовой ответчик
Первоочередными объектами конструирования и изготовления должны были стать приборы бортового ответчика и бортовые антенны. Ответчик был разработан в составе трех приборов:
–приемника запросного сигнала;
–прибора формирования ответного сигнала в виде импульса длительностью 1 мкс;
–передатчика на частоте 2800 МГц с выходной импульсной мощностью около 200 Вт.
К концу 1948 года эти приборы были изготовлены и проверены, однако их окончательное конструктивное оформление зависело от способа их установки на головную часть ракеты. Разработку приемного устройства ответчика осуществил сотрудник кафедры ОРТ А. М. Николаев. Разработчиком прибора формирования ответного сигнала был сотрудник кафедры ОРТ К. А. Самойло. Вопросы контроля бортовой аппаратуры на стартовой позиции возникли и развивались параллельно с развитием самой бортовой аппаратуры. Первопроходцем на этом поприще был Николай Александрович Терлецкий. Он был разработчиком средств контроля бортовой аппаратуры системы контроля траектории головных частей ракет Р-2 и Р-5 –системы РКТ, руководил испытаниями этой системы на заводах-изготовителях ракет, участвовал в большом числе их пусков.
В. А. Котельников лично участвовал в работе экипажей почти на всех пусках в роли оператора дальности или углов и при этом отлично справлялся с достаточно сложной работой операторов. Но еще важнее была его роль в аварийных ситуациях. Он умел быстро погасить любую панику, никогда не дергал людей сам и не давал делать это другим начальникам, не брал командование на себя, а помогал делать спокойно свое дело тем, кто должен был его выполнять. При испытаниях нередко возникали непредвиденные осложнения. Но всегда испытатели искали и находили выход.
При втором пуске ракеты Р-2 были заметные сбои связи. Правильное объяснение происшедшего дал на другой день после пуска второй ракеты В. А. Котельников. Он расчетным путем определил, что для конструкции вибратора передающей антенны минимальное значение пробивного напряжения («минимум кривой Пашена») наступает как раз при значениях давления атмосферы, которое имеет место на высоте 60-70 км, и при этом напряженность поля на входе вибратора при мощности передатчика 100 Вт вдвое превышает этот «минимум». Значит, на входе антенны неизбежно должен был наступить пробой! Конечно, это была ошибка разработчика, которую Г. Т. Марков признал мгновенно. И тут же предложил выход. Королёв, несмотря на весь свой гнев, излитый в свойственной ему форме, дал команду немедленно снять с оставшихся головок все десятисантиметровые антенны и отдать Г. Т. Маркову.
В течение двух суток, непрерывно, без сна и отдыха, вся антенная группа пинцетами и отвертками забивала свободное пространство между вибраторами и корпусами мелко нарезанным полиэтиленом из кабельной изоляции, предварительно укоротив антенны с учетом диэлектрической постоянной полиэтилена. Конечно, это была кустарщина, но смелая и уместная. Если бы не она, система «Индикатор» могла быть похоронена «по первому разряду», несмотря на положительное отношение к ней С. П. Королёва. На следующих пусках уже была худо-бедно, со значительными сбоями, записана вся траектория полета в пределах видимости стартовой станции, и изрядные куски траектории в пределах видимости станции в районе падения. Конечно, эти результаты работы можно было назвать удачными с очень большой натяжкой. Однако была продемонстрирована работоспособность системы и даже доказано ее соответствие ТТЗ по точности. Кроме того, удалось выяснить ряд других недостатков в бортовой и наземной аппаратуре, которые могли проявиться только при натурных испытаниях.
Работа на ракетах Р-2 явилась настоящей школой для коллектива разработчиков, в большинстве состоявшем из молодых инженеров, ассистентов и аспирантов. Резко возросла ответственность, сознание важности порученного дела. Разработчики высоко оценили доверие, оказанное им руководством, и в первую очередь С. П. Королёвым, и стремились оправдать это доверие. Резко возрос и без того достаточно высокий авторитет В. А. Котельникова, которого люди увидели в трудные моменты и оценили его мужество, спокойствие и умение справляться со сложными ситуациями.
Методика линейной экстраполяции
Во время испытаний не только проверялось выполнение ТЗ, но и рождались новые идеи. По предложению сотрудника Сектора Л. И. Кузнецова была разработана методика линейной экстраполяции разностей (методика ЛЭР) траектории расчетной и траектории реальной. Она была успешно проведена в жизнь. К последним пускам методика ЛЭР начала показывать свою силу, и данные экстренной экстраполяции, проводимой сразу после пуска, стали мало отличаться от донесений поисковых групп, приходивших через много часов, а иногда, при неблагоприятных погодных условиях в районе падений головных частей, и через несколько суток. Задача, поставленная перед системой по существу самими разработчиками, была решена. Методика дала возможность определить точку падения ракеты буквально через 2-3 минуты после старта. Этим был восхищен маршал М. И. Неделин. «Ну что же, –сказал С. П. Королёв, когда ему доложили об этих результатах. –Это уже не просто измерительная система. Это система контроля точности стрельбы».
По результатам работы системы «Индикатор-Д» на ракетах Р-2 в целом по обеим партиям 1950 и 1951 годов было принято решение о подготовке системы «Индикатор-Д» к принятию на вооружение в составе ракеты Р-2. Это решение было большой победой молодого коллектива Сектора. Система РКТ была принята на вооружение вместе с ракетой Р-2 и использовалась в войсках. А также использовалась на ракете Р-5. Кстати, после снятия с вооружения Р-2 вся документация по ракете, включая систему РКТ, была передана в КНР, где она в дальнейшем долго использовалась. Вообще, эти испытания были испытаниями не только техники, но и людей, показали, кто есть кто, и это помогло правильно организовать разработку системы «Индикатор-Д» в фантастически короткие сроки. Было преодолено скептическое отношение части военных и гражданских специалистов к траекторным измерениям вообще и к системе «Индикатор» в частности. Была показана не только польза, но и необходимость системы для отработки таблиц стрельб и успешного проведения стрельб.
Заключение экспертной комиссии было на редкость единодушным: рекомендовать для ракеты Р-7 систему «Трал» разработки ОКБ МЭИ. «Трал» выиграл конкурс не случайно. Молодые талантливые инженеры применили самые передовые достижения электроники, которые считались преждевременными в отечественной технике. Сорок восемь измерительных каналов «Трала» давали нам возможность для всестороннего исследования ракеты в полете». В марте 1956 года были выиграны государственные сравнительные испытания системы «Трал» с её единственным конкурентом –системой РТС-7 разработки СКБ-567. Но Губенко, основной конкурент Богомолова по системе радиотелеметрии, проиграв конкурс, не остался без работы.
Недостатком «Трала» по тем временам была его неспособность регистрировать быстро меняющиеся параметры типа вибраций или пульсаций давления в камерах сгорания. Для регистрации этих явлений Губенко к 1956 году разработал новую телеметрическую систему –«быструю телеметрию» РТС-5. Для нее разработали датчики измерения вибраций, и система тоже получила место на Р-7. В ноябре 1954 года было принято совместное решение НИИ-4 (Г. А. Тюлин), ОКБ-1 (С. П. Королёв), Сектора специальных работ МЭИ (А. Ф. Богомолов) об установке на головные части ракеты Р-7 дистанциометрических ретрансляторов и маяков «Факел», а на измерительные пункты по трассе полета ракеты Р-7 –станций траекторных измерений «Бинокль» и фазовых пеленгаторов «Иртыш» с выдачей информации в линии телеграфной связи.
В январе 1955 года было принято решение об установке на ракету Р-7 трех комплектов системы «Трал» в головной части, на центральном блоке и одном из боковых и о размещении приемных станций на технической и стартовой позициях и на измерительных пунктах по трассе полета ракеты Р-7.
Отработка такой сложной многоуровневой системы, как ракета Р-7 в полёте, требовала передачи огромного объёма радиотелеметрической информации. Было необходимо обеспечить радиотелеметрический контроль более 900 параметров. Естественно, Сектор ОНИР МЭИ предложил для Р-7 использовать уже практически разработанную систему «Индикатор-Т» (в дальнейшем телеметрическая система «Трал»), наиболее полно удовлетворяющую потребностям отработки Р-7. Система состояла из наземной станции и бортового устройства. В состав бортового устройства входили формирователь телеметрического сигнала (ТБФ), передатчик (ТБП), устройство кроссировки и распределения датчиков по каналам (ТБР) и щиток питания (ТБЩ).
Телеметрическая система «Трал» впитала в себя практически все передовые идеи в этой области: время-импульсная передача значения параметра (время-импульсная модуляция) и временное (фазовое) разделение каналов, электронная система распределения каналов, компенсационный метод преобразования амплитуды сигнала во временное положение импульса с использованием нуль-индикаторов на триггерах и связанная с этим высокая точность. Можно без преувеличения утверждать, что равных «Тралу» телеметрических систем не было ни в стране, ни в мире. Теоретическое обоснование высокой помехоустойчивости метода время-импульсной модуляции дано в докторской диссертации В. А. Котельникова, в которой была развита теория потенциальной помехоустойчивости, ставшая основой дальнейшего развития отечественной и мировой радиотехники.
С. П. Королев был заинтересован в продвижении новой телеметрии Сектора ОНИР МЭИ. Он и В. А. Котельников приняли решение провести предварительные испытания системы «Индикатор-Т» на второй партии ракет Р-2, которая планировалась на лето 1951 года. Чтобы минимально связывать бортовое устройство системы «Индикатор-Т» с ракетой, было решено не подключать к ней датчики ракеты, а поставить для этой цели пульт-имитатор датчиков.
Система «Трал» была для своего времени высшим достижением радиотелеметрии не только в отечественном, но и в мировом масштабе. У нее были лучшие показатели по точности –около 1%. Она имела 48 каналов с опросом по каждому каналу 125 измерений в секунду, гибкую и очень удобную в эксплуатации систему коммутации и кроссировки каналов. Дальность действия системы составляла до 3000 км, что для ракеты Р-7 практически означало –в пределах прямой видимости. Регистрация информации, принятой на наземных станциях, осуществлялась на 12 кинопленках, по четыре параметра на каждой.
На первых ракетах Р-7 было установлено три комплекта бортовой аппаратуры системы «Трал». Один –в головной части, второй –на центральном блоке, так называемой «второй ступени» и третий –на одном из блоков первой ступени. Три радиочастотных канала системы позволяли вести работу с тремя комплектами бортовой аппаратуры одновременно. Совместно с системой «Трал» работали медленные коммутаторы, позволявшие подключать к каждому каналу сигналы по 6-7 датчиков (в среднем). Таким образом удалось распределить по 144 каналам трёх комплектов все 900 (а на некоторых пусках и 1000) датчиков различных типов. Относительно малая часть телеизмерений (измерения вибрационных нагрузок в полёте) обеспечивалась на центральном блоке комплектом системы РТС-5 разработки СКБ-567 и автономными регистраторами АРГ-3 на боковых блоках.
Система «Трал» в процессе ее отработки и принятия на комплектацию ракеты Р-7 выдержала серьёзную конкуренцию с другой отечественной разработкой –системой «РТС-7», созданной в СКБ-567 под руководством Е. С. Губенко. Конкуренция была честной и решалась не административным методом, а сравнительными испытаниями, в том числе лётными, проводимыми специальной государственной комиссией. Траекторные измерения полета Р-7. Важнейшей составляющей лётной отработки Р-7 были точные измерения траектории полета ракеты от старта до приземления. Эта задача была возложена также на Сектор спецработ МЭИ.
Решение о возложении на Сектор работы по траекторным измерениям Р-7 было естественным последствием блестящей безотказной работы на ракетах Р-2 и Р-5 системы контроля точности стрельбы РКТ (8Л930), созданной в Секторе под руководством В. А. Котельникова и принятой на вооружение Советской Армии в начале 1954 года. Частично на базе системы РКТ, но в основном на новых прогрессивных принципах, в Секторе были разработаны специально для Р-7 две новые системы:
–радиолокационная система для измерения дальности и угловых координат ракеты в составе наземной станции «Бинокль» и бортового ответчика «Факел-С».
–фазовопеленгационнная система для измерения угловых координат и угловых скоростей линии визирования ракеты в составе наземной станции «Иртыш» и бортового маяка «Факел-М».
Радиолокационная система измеряла дальность до 3500 км с погрешностью ±50 м. Фазовопеленгационнная система измеряла угловые координаты с погрешностью (1-2)Ч10-5, что на дальности 3000 км тоже соответствовало 30-60 м по боковому отклонению. Создание первых действующих фазовых пеленгаторов связано с именем Л. И. Кузнецова. С 1953 года научный и практический интерес Л. И. Кузнецова сосредоточился на идее реализации изобретённого академиками Мандельштамом и Папалекси метода измерения угловых координат излучающего объекта при помощи измерения разности фаз сигналов, принимаемых разнесёнными антеннами – так называемой фазовой пеленгации. В научном мире, в том числе и у В. А. Котельникова, тогда господствовало мнение, что этот метод практически реализован быть не может ввиду наличия неизбежных нестабильностей фазы в каналах приёма –в антеннах и усилителях. Л. И. Кузнецов смело пошёл вопреки этому мнению. Его настойчивость при поддержке Котельникова и Богомолова реализовалась в создании станции «Иртыш».
Одновременное измерение координат одной станцией «Бинокль» и одной станцией «Иртыш» или тремя станциями «Бинокль» обеспечивало знание положения ракеты в любой точке траектории с точностью в пространстве 50-100 м. Для обеспечения возможности одновременной работы нескольких станций по одной ракете на борт ставилось два комплекта ответчиков, по каждому из которых могли одновременно работать две наземные станции.
Итак, к началу 1957 года все работы на всех направлениях, необходимые для начала пусков ракет Р-7, были в основном выполнены. В феврале 1957 года на новый полигон начали прибывать гражданские специалисты. В последние дни февраля 1957 года из Подлипок в Тюра-Там уже шел специальный тщательно охраняемый эшелон с первой «семеркой». А в цехе 39 лежали на тележках готовые к испытаниям головные части, центральные и боковые блоки еще трех ракет. На технической позиции был практически готов к работе монтажно-испытательный корпус (МИК). К нему была подведена железнодорожная линия от Тюра-Тама, по которой уже ходил «мотовоз» –тепловоз с двумя пассажирскими вагонами, доставлявшими персонал с «десятой площадки», где находился штаб полигона, жили офицеры и солдаты, строился госпиталь. Заканчивалось строительство и монтаж стартового сооружения, с легкой руки С. П. Королёва прозванного «стадионом». (Несколько месяцев назад С. П. посетил стройку и один из солдат-строителей спросил его, что здесь строится. «Стадион», –ответил сразу Королёв).
По советским традициям первый пуск ракеты Р-7 был намечен на некую дату перед праздником 1 мая. Однако это не получилось по ряду причин, в том числе из-за нехватки кислорода для заправки, и первый старт состоялся 15 мая 1957 года. И вот 15 мая в 19 часов 1 минуту по московскому времени ракета Р-7 с серийным номером М1-5 оторвалась от Земли и, быстро уменьшаясь в размерах, взмыла ввысь. Все причастные к пуску очень надеялись на успех, на то, что ракета полетит с первой попытки. Но очень часто первый блин оказывается комом. Так получилось и в тот раз.
Следившие за полетом ракеты увидели, как сначала перекосились струи огня, вырывавшиеся из сопел ракетных двигателей, а потом неожиданно все погасло. Чуть позже стало известно, что телеметрия зафиксировала прохождение команды аварийного выключения двигателей где-то около сотой секунды полета. Дальнейший анализ данных показал, что причиной аварии стал пожар в хвостовой части блока «Д», начавшийся еще до отрыва ракеты от стартового стола и нарушивший герметичность в магистрали подачи керосина в двигатель. Этот пуск оказался аварийным. В хвосте бокового блока «Д» возник пожар. На 98-й секунде полёта этот блок самопроизвольно отделился. Из-за перекоса тяги произошло аварийное выключение всех двигателей. Ракета пролетела около 1000 км и упала через 200 секунд полета.
Неудачным был и пуск второй ракеты 11 июня. Она вообще не ушла со старта. Третья ракета, запущенная 12 июля, пролетела около 400 секунд, после чего ее пакет развалился вследствие нештатной сильной закрутки. Только четвертый пуск 21 августа 1957 года был относительно удачным. Нормально отработали боковые ступени, штатно прошло их отделение, полностью отработал своё центральный блок. Ракета вышла в район Камчатки, но до Земли не дошла. На высоте 70 км прекратился сигнал по всем каналам, а саму головную часть найти не удалось. По-видимому, она развалилась и сгорела в верхних слоях атмосферы полностью. Тем не менее, это печальное обстоятельство не помешало ТАСС выпустить ранее упомянутое сообщение о появлении у СССР возможности послать ракету в любую точку земного шара.
Этот пуск, совершенно неудачный с точки зрения боевого назначения ракеты, был достаточно удачным для средств телеметрии и траекторных измерений, получивших возможность показать свои качества. По воспоминаниям очевидцев, головная часть ракеты в виде падающего светящегося небесного тела произвела на всех неизгладимое впечатление.
Следующий, пятый пуск 7 сентября 1957 года принес те же результаты, хотя на этот раз удалось найти обломки головной части ракеты. По ним, в частности, было установлено, что разрушение головной части идет спереди. Кроме того, удалось установить наличие столкновения головной части с центральным блоком после её отделения. Определили также по анализу обломков, что разрушение произошло на высоте около 10 км над Землей. Это было важно, т. к. показывало, что прекращение радиосвязи не связано с разрушением головной части. ТАСС сообщило: «Стартовавшая 7 сентября 1957 года в 15:25 МСК на научно-исследовательском полигоне № 5 МО СССР ракета полностью выполнила намеченный план полёта, головная часть достигла полигона на Камчатке». Олегу Гобчанскому, моему товарищу и по альпинизму, и по жизни, повезло –он дождался на Камчатке первого удачного пуска Р-7 и сумел верно определить точку падения головной части ракеты.
В процессе пуска первых пяти ракет Р-7 (с 15 мая по 7 сентября) на всех пусках была обеспечена безотказная работа бортовой аппаратуры и всех станций систем «Трал», «Бинокль» и «Иртыш» на измерительных пунктах. Задача траекторных и телеметрических измерений при испытаниях Р-7 была успешно решена.
После осмысления результатов пусков 21 августа и 7 сентября разработчики ракеты оказались перед двумя проблемами: необходимостью обеспечить надежное доведение головной части ракеты до Земли без повреждений и необходимостью обеспечить надежную телеметрию на участке падения, т. к. без этого не удастся проверить выполнение требований по прочности и надежности головной части.
Пока фирма Богомолова готовила свои решения по преодолению плазмы, ракетчики продолжили работу по совершенствованию ГЧ. В промежутке между запуском собаки Лайки и третьим (научным) спутником (объектом Д) были запущены еще четыре «боевые» ракеты Р-7. Запуск 12 марта 1958 года был неудачным –прошло аварийное выключение двигателей непосредственно после сброса боковых блоков.
Более успешным был пуск 28 марта 1958 года. Как и в предыдущем случае, были проведены некоторые мероприятия по головной части –сменена конфигурация головки на более закругленную и введена еще одна телеметрическая антенна в донной части головки, около которой ожидалась меньшая концентрация плазмы. Эта ракета благополучно достигла Камчатки: была обнаружена воронка с ее остатками. И главное –удалось принять сигналы телеметрического передатчика и ответчика в течение восьми секунд до «втыка». Значит, головка долетела до Земли неразрушенной. Этот факт заставил уделить особое внимание варианту решения задачи с помощью ЗУ.
4 апреля 1958 года состоялся еще один пуск. Ракета долетела до Камчатки, но принять сигнал на последних секундах не удалось, т. к. из-за ошибки в системе управления ракетой ГЧ упала очень далеко от штатного района падения (с перелетом около 70 км и боковым отклонением около 20 км). 24 мая была запущена еще одна ракета. В ней не произошло отделение ГЧ от центрального блока, и они вместе разрушились при входе в атмосферу. Еще одна ракета при попытке пуска 10 июля была снята со стартового комплекса.
Для дальнейшей отработки ракеты Р-7 было изготовлено 16 ракет, которые были запущены в период с 24 декабря 1958 года по 29 ноября 1959 года. На этих ракетах постоянно проводились как изменения по составу измерительных систем, так и конструктивные доработки по результатам предшествующих пусков.
Проектирование ПС-1 началось в ноябре 1956 года, в начале сентября 1957-го он прошёл окончательные испытания на вибростенде и в термокамере. Спутник мог быть выведен на орбиту ракетой Р-7 только при условии её значительного облегчения. Для этого с ракеты была снята боевая головная часть массой в 5,5 тонны и заменена легким спутником с обтекателем. Был снят верхний приборный отсек со всей аппаратурой радиоуправления ракеты. Выключение двигателя предусматривалось только от интегратора в одну ступень или по команде аварийного контакта турбины АКТ (в случае окончания одного компонента топлива). Был снят со второй ступени телеметрический передатчик для измерения вибраций, сняты кабели, соединяющие носитель с головной частью, уменьшено число аккумуляторных батарей. В результате начальная масса Р-7 уменьшилась с 280 т до 272,83 т, стартовая масса составила 267 т, длина РН (с ПС-1) –29,167 м, тяга ДУ на старте –398 тс. На Р-7 была проведена замена радиоотсека коническим переходным отсеком для стыковки со спутником и сбрасываемым коническим обтекателем. Эти изменения в комплектации Р-7 и установка спутника ПС-1 без траекторных и телеметрических бортовых устройств существенно затруднили работу как полигонного, так и командно-измерительного комплекса.
Так, вместе с головной частью была снята единственная на Р-7 внешнетраекторная система «Факел» («Факел-С» + «Факел-Д»), что практически оставило Р-7 без надежных траекторных измерений, которые ранее проводились станциями «Бинокль» и «Иртыш». Внешнетраекторные измерения должны были теперь обеспечиваться оптическими средствами и радиолокационными средствами в пассивном режиме (что уменьшало дальность последних пропорционально квадрату расстояния, а также четвертой степени эффективной отражающей поверхности спутника или ракеты-носителя). Дальность действия РЛС и оптических средств ПИК и КИК недостаточна. Станция «Бинокль-Д» в пассивном режиме обеспечивает дальность 200 км по Р-7 при работе на активном участке траектории и много меньше по спутнику. Дальность РЛС кругового обзора П-30 –до 500 км по самолету. Поэтому было принято решение: факт выхода изделия на орбиту должен определяться по нормальности стабилизации изделия в полёте и по прохождению главной команды на выключение двигателя в заданном временном интервале с помощью телеметрических станций «Трал» ИП-1 и ИП-6 полигона, а также по включению радиомаяка спутника после отделения последнего от ракеты.
Отражающая поверхность Спутника была слишком мала для визуального наблюдения (даже в идеальных условиях она наблюдалась как объект шестой звёздной величины, то есть, на пределе видимости невооружённым глазом). На самом деле наблюдалась вторая ступень –центральный блок ракеты, который вышел на ту же орбиту, что и Спутник и был виден как объект первой звёздной величины. В журнале «Техника –молодежи» утверждалось, что подсвеченный солнцем Спутник можно увидеть утром и вечером, без указания на необходимость наличия оптических приборов.
Однако в таких советских изданиях, как «Военные знания», «Радио», «Юный техник» в 1957 году прямо указывалось, что Спутник-1 наблюдали с помощью оптических приборов, о возможности наблюдения невооружённым глазом ничего не говорилось. Спутник летал 92 дня, до 4 января 1958 года, совершив 1440 оборотов вокруг Земли (около 60 млн км), а его радиопередатчики работали в течение трёх недель после старта. Из-за трения о верхние слои атмосферы Спутник потерял скорость, вошёл в плотные слои атмосферы и сгорел вследствие трения о воздух.
Разработка аппаратуры для первого научного спутника под шифром «Объект-Д» велась задолго до запуска первого спутника ПС-1. Для установки на «Объект-Д» была разработана специальная модификация бортовой аппаратуры системы «Трал», выполненная полностью на полупроводниковых элементах. Она обеспечивала как непосредственную передачу информации, так и ее запоминание в течение орбиты и в течение суток с общим объёмом запоминаемой информации около 2 Мбит. Свою аппаратуру на «Объект-Д» поставили как знаменитые учёные Л. И. Седов, C. Н. Вернов, Ш. Ш. Долгинов, так и их менее известные коллеги Ю. А. Чудаков, Л. И. Курносова, К. И. Грингауз, Т. Н. Николаева и другие. Телеметристы Сектора ОНИР М. Е. Новиков и А. Г. Николаев провели огромную работу с этими учёными по стыковке научной аппаратуры с системой «Трал», по оптимальному выбору темпов телеизмерений, по разработке согласующих и переходных устройств.
Здесь были широко использованы транзисторы, и электронные лампы были полностью ими заменены. Транзисторы еще не были серийными, их безо всякой документации, лично из рук в руки передавал А. Ф. Богомолову директор ОКБ-382.
А. Ф. Богомоловым и его ближайшими сотрудниками были внесены следующие предложения:– установить в районе падения несколько антенн больших размеров, присоединив их к станции «Трал», и повысить таким образом энергетику метрового телеметрического канала приблизительно на 20 дБ. Для этой цели было предложено использовать 12-метровые рефлекторы с лирическим названием «Ландыш», оставшиеся от одной из разработок в интересах ПВО;– передать часть телеметрического потока в 10-сантиметровом радиоканале ответчика траекторных измерений и попытаться принять ее радиолокационными станциями «Бинокль»;– разработать и в кратчайшие сроки установить на головную часть (ГЧ) новую телеметрическую систему, узкополосную, с большим энергетическим запасом в 30-40 дБ для небольшого числа особо важных каналов;– для случая возможного приема сигнала при его восстановлении на последних секундах полета разработать запоминающее малоканальное устройство (ЗУ) на магнитном носителе с воспроизведением как через метровый канал «Трала», так и через 10-сантиметровый канал «Бинокля». Все эти инициативы А. Ф. Богомолова были поддержаны Королёвым.
В течение нескольких месяцев в ОКБ МЭИ были разработаны две новые телеметрические системы:– система «Рубин» с совмещённым бортовым устройством, выполняющим одновременно функции ответчика и передатчика 24 каналов в коде «Трала» (руководитель разработки П. Ж. Крисс);– система «Алмаз», передающая в метровом диапазоне «Трала» информацию по четырем каналам 30 раз в секунду с энергетикой, превышающей энергетику обычного «Трала» на 30-40 дБ (руководитель разработки С. М. Попов).
Антенны «Ландыш», не имеющие приводов и автоматического слежения, оказались непригодными к использованию и на Камчатке только «украсили» пейзаж. Системы «Рубин» и «Алмаз» –первая благодаря её диапазону частот, а вторая благодаря большому запасу по энергетике –смогли получить сигнал перед касанием ГЧ земли. Исследования, проведенные радиофизиками, показали, что затухание радиосигналов практически всех радиочастот составляет до сотни децибел. Система «Алмаз» + «Трал-Д» надежно обеспечивала прием информации примерно за 10 секунд до касания ГЧ земли с паузой за счет плазмы порядка 40 секунд. Система синхронизации благодаря дискретной передаче сигнала и использованию кварца в ударном режиме обеспечивала прием информации практически без потерь при вхождении в связь. Данные, которые передавались системой «Алмаз» + «Трал-Д», были очень важны для понимания процессов на ГЧ при вхождении в атмосферу и срочно передавались в центр обработки.
Системы «Ландыш», «Рубин» и «Алмаз» по объективным причинам не смогли кардинально решить проблему «плазменной дырки», но сыграли огромную роль в дальнейшем развитии ракетной техники и космонавтики. Антенны «Ландыш» были «дедушками» замечательной плеяды созданных ОКБ МЭИ и его кооперацией полноповоротных следящих двенадцатиметровых антенн ТНА-57 глобальное телевидение в СССР и ряде зарубежных стран, ни многочисленные информационные сети, ни глобальная сотовая телефония и т. д. и т. п.
«Алмаз» был переделан вскоре в телевизионную космическую систему «Трал-Т» и показал миру первых космических путешественников.
«Рубин» сыграл огромную роль в отработке носителей космических аппаратов, запускавшихся на Луну, Венеру, Марс. А его версия «Рубин-Д», модифицированная впоследствии в серию ракетно-космических траекторных ответчиков «РДМ», обеспечивала пуски практически всех советских ракет различного назначения и всех космических кораблей и аппаратов и успешно используется до настоящего времени в ракетно-космической технике.
Радиоспециалистами сразу было высказано предположение, что прекращение приема сигнала на всех каналах на высотах несколько десятков километров связано с затуханием радиоволн в плазменном слое, возникающим вокруг головки при ее вхождении в атмосферу, и с нагревом головки до очень высоких температур. В этом ни у кого не было серьезного сомнения. Вопрос был только в величине затухания в плазменном слое. Если это десятки децибел, то можно попытаться увеличить энергетику радиоканала, а также перенести радиотелеметрию в более коротковолновый диапазон, где затухание по физическим причинам должно быть меньше. Если затухание составляет сотни децибел, то все вышеприведенные мероприятия бессмысленны.
Оставалась возможность использования автономных регистраторов –«черных ящиков» –с последующим их анализом на Земле. Однако их создание с необходимой прочностью казалось невозможным. Было высказано предположение, что непосредственно перед падением на Землю плазма в области атмосферного давления, близкого к нормальному, должна «срываться» с головки, и на последних секундах можно ожидать появления сигнала. Значит, надо уделить особое внимание попыткам приема сигнала около Земли. И если это удастся, то создать для важнейших параметров ракеты запоминающее устройство, способное на участке восстановления связи очень быстро (за несколько секунд до падения головной части) воспроизвести информацию, записанную в течение последних 50-100 секунд полета. Эта задача, при уровне средств запоминания того времени, казалась фантастической. И на фоне (а вернее –под прикрытием) всенародного восторга по поводу первых космических свершений разработчики ракеты Р-7 и связанных с ней измерительных средств развернули работы по всем возможным и невозможным предложениям. Все хорошо понимали свою ответственность перед Родиной. Ракета Р-7 должна стать надежным оружием защиты страны.
Было создано компактное очень прочное запоминающее устройство на проволочном магнитном носителе с большой скоростью записи и воспроизведения. Устройство должно было выдерживать без нарушения функционирования перегрузки до 100 g вместе с вибрационным воздействием до 30 g. В нем должна была записываться информация по 12 каналам с частотой опроса около 30 Гц в течение 100 секунд и воспроизводиться по 12 каналам систем «Трал» и «Рубин» несколькими циклами вплоть до момента удара ГЧ о Землю. Для выдачи команд начала записи и перехода на воспроизведение в ОКБ-1 И. А. Сосновиком было разработано специальное программное устройство, начинавшее работу с момента отделения ГЧ от центрального блока. В течение 1958–959 гг. было разработано несколько модификаций приборов «Яхонт», каждая из которых фактически прямо из рук разработчиков шла на ракеты.
Последняя модификация «Яхонт-4» была освоена Московским радиозаводом. Для системы «Яхонт» был освоен в производстве уникальный по тому времени магнитный носитель –проволока диаметром 20 мкм. С помощью системы «Яхонт» и «Трал-Д» удалось практически закрыть плазменную «дырку» и получить основные необходимые сведения о поведении ГЧ от момента входа в атмосферу до падения на Землю. Воспроизводимую «Яхонтом» информацию иногда удавалось принимать дважды и трижды за время между срывом плазмы и моментом касания ГЧ земли, когда станции «Трал» и «Бинокль» могли снова принимать сигналы бортовой аппаратуры.
Поскольку система «Яхонт» с самых первых пусков ГЧ с этой системой показала, что она действительно может закрыть, хотя и не полностью, информационную плазменную «дырку», началась отчаянная борьба за каждую секунду приёма информации непосредственно перед касанием ГЧ земли. Здесь всё зависело от четкости работы и квалификации персонала наземных станций «Трал» и «Бинокль». Совместно офицерами и представителями ОКБ МЭИ было изобретено много методических ухищрений, позволивших на некоторых пусках увеличить время приема информации до 10-12 секунд. За это время «Яхонт» успевал сбрасывать запомненную информацию не один раз.
По каждому пуску этого календарного года (декабрь 1958– ноябрь 1959) производился детальный анализ полученной информации, и на его основе проходили доработки ГЧ к следующему пуску. Доработки касались формы ГЧ, ее аэродинамического качества, теплозащиты, прочности отдельных узлов, размещения центра масс и моментов инерции, порядка и условий разделения ГЧ и центрального блока.