Загадка «окольцованного» спутника: аэродинамика в космической пустоте
Среди экспонатов калужского Музея космонавтики выделяется один необычный аппарат. Его корпус увенчан четырьмя длинными штангами, на которых закреплено широкое металлическое кольцо. Непосвященному зрителю сложно угадать назначение этой конструкции: антенна, элемент телескопа или, быть может, некий футуристический концентратор энергии? На первый взгляд деталь напоминает хвостовое оперение, но здравый смысл протестует — ведь даже школьнику известно, что в космическом вакууме нет воздуха, а значит, и стабилизировать аппарат привычными аэродинамическими методами невозможно. Однако реальность оказывается гораздо интереснее.
Наследие «Южмаша» и серия «Космос»
В официальных сводках эти аппараты фигурировали под сухими индексами «Космос-149» и «Космос-320». К настоящему моменту серия «Космос» объединяет более двух с половиной тысяч объектов — от сугубо научных до секретных военных разработок. Первоначально же это название присваивалось исследовательским спутникам, изучавшим верхние слои атмосферы и солнечное влияние. Их проектированием занималось днепропетровское КБ «Южное», а производством — знаменитый «Южмаш».
Благодаря усилиям Михаила Янгеля в Днепропетровске сформировалась мощная ракетно-космическая школа. Именно здесь впервые в СССР была реализована концепция унифицированных платформ. Вместо того чтобы каждый раз изобретать велосипед, инженеры создавали стандартное «шасси» (серии ДС-У, АУОС), на которое устанавливалась целевая научная аппаратура. Однако «окольцованные» спутники типа ДС-МО были уникальными изделиями, выбивающимися из общего ряда.
Миссия: радиационный баланс планеты
Официальная задача ДС-МО звучала фундаментально: изучение пространственно-временных вариаций радиационного баланса Земли. Важно уточнить, что речь шла не о радиоактивном заражении, а об электромагнитном излучении (от латинского radiātiō).
Для исследований использовался комплекс «Актин-1», включавший телефотометры видимого диапазона, инфракрасный радиометр и спектроанализаторы. Спутник замерял, сколько солнечной энергии поглощает планета и сколько отражает обратно в космос — от ультрафиолета до ИК-спектра. Кроме того, аппарат занимался метеорологией: фиксировал распределение облачности, водяного пара и озона, передавая телевизионное изображение напрямую в КБ с помощью системы «Топаз-25М».
Аэродинамика там, где её не ждут
Чтобы приборы работали корректно, спутнику требовалась идеальная ориентация: его продольная ось должна была строго совпадать с вектором скорости. Инженеры ДС-МО пошли на смелый эксперимент, применив первую в мире систему аэрогироскопической стабилизации.
Идея использовать воздух в космосе кажется абсурдной только на первый взгляд. Граница атмосферы (линия Кармана) на высоте 100 км — лишь юридическая условность. На самом деле газовая оболочка Земли плавно переходит в вакуум, простираясь на тысячи километров. ДС-МО работал в термосфере, на высотах 250–300 км. Плотность среды там в 10 миллиардов раз меньше, чем у поверхности, но она всё же существует.
В таких условиях возникают ничтожные силы, измеряемые долями грамма. Более того, классическая аэродинамика здесь бессильна: воздух перестает быть сплошной средой. На таких высотах частицы движутся столь редко, что инженерам приходится оперировать числом Кнудсена и учитывать удары отдельных атомов и молекул. Среда там химически агрессивна, насыщена атомарным кислородом и легкими газами.
Принцип стрелы: как работало кольцо
Теоретическое обоснование системы подготовили специалисты Математического института им. Стеклова в 1964 году. Решение оказалось гениально простым: использовать принцип оперения стрелы или флюгера. Кольцевой стабилизатор при запуске был компактно сложен, а на орбите выдвигался далеко назад.
При любом отклонении от курса поток разреженных частиц ударял в кольцо, создавая выравнивающий момент. Для гашения неизбежных колебаний использовались силовые гироскопы, которые выполняли роль демпферов. Дополнительную устойчивость обеспечивала и сама форма корпуса с коническим расширением.
Хроника запусков
Первый аппарат, «Космос-149», отправился на орбиту 21 марта 1967 года с космодрома Капустин Яр. Спутник весом 321 кг успешно развернул стабилизатор, однако возникли проблемы с ориентацией по крену — аппарат медленно вращался вокруг своей оси. Тем не менее, научная программа была частично выполнена. Из-за сильного торможения о верхние слои атмосферы спутник просуществовал всего 17 дней.
Второй опыт («Космос-320»), предпринятый в 1970 году, оказался куда удачнее. Система стабилизации работала безупречно, удерживая аппарат с точностью до 5 градусов. Ограничивающим фактором стали лишь химические батареи — солнечных панелей на борту не было, и спустя 10 дней активной работы спутник замолчал, а через месяц сгорел в атмосфере.
Возвращение на сверхнизкие орбиты
На долгие годы об аэродинамической стабилизации забыли, так как малый срок службы спутников на таких высотах считался невыгодным. Однако в XXI веке интерес к сверхнизким орбитам вспыхнул с новой силой. Они идеальны для детального зондирования Земли и связи.
Ярким наследником идей ДС-МО стал европейский спутник GOCE, запущенный в 2009 году. Его «самолетный» облик с плавниками и обтекаемым корпусом продиктован той же необходимостью снижения сопротивления. Благодаря ионному двигателю, компенсирующему торможение, GOCE проработал 4,5 года, создав самую точную карту гравитационного поля планеты и доказав, что даже в космосе можно «летать», опираясь на едва уловимый след земной атмосферы.
Автор переработки: Иван Конюхов
