Приятное теплое чувство испытываешь, просматривая отчеты о старых космических миссиях. Технологии, по сравнению с сегодняшними, неразвитые, ракеты-носители маломощные и вносят дополнительные ограничения, но люди планируют амбициозные полеты, которые, к тому же, оказываются очень успешными. Первые метеорологические спутники TIROS весили всего 122 кг и не могли разворачивать камеру в желаемом направлении — Земля была видна только часть витка, что в кадр попало, то и засняли. Но это не помешало им стать очень удачными и востребованными аппаратами.
Спутник TIROS, фото NOAA
Пролог
24 августа 1946 года с полигона Уайт-Сэндз (штат Нью-Мексико) стартовала ракета. Это была трофейная немецкая «Фау-2», которую переделали в научную геофизическую ракету. «Фау-2» имела №13 и несла на борту небольшую коробку, размером с обувную. Внутри была автоматическая камера, делавшая фотографии каждые полторы секунды. Ракета поднялась на 104 км, затем опустилась обратно в атмосферу и упала на землю.
Отснятая пленка не пострадала при падении, ее извлекли, проявили и получили первые фото, и, одновременно, видео, снятые из космоса.
В США появились геофизические ракеты собственной разработки, Viking, Aerobee и другие. Развивались и технологии съемки, фотографии становились качественнее и информативнее. Например, на этом снимке, сделанном 5 октября 1954 с геофизической Aerobee, отлично различим тропический циклон над Техасом. Граница между США и Мексикой проходит примерно посередине.
Идея
Самая ранняя из задокументированных идей использования спутников для предсказания погоды — отчет Гринфилда и Келлога для корпорации RAND в 1951 году, но его рассекретили и опубликовали только в 1960. В 1954 году ведущий специалист Национальной метеорологической службы США Гарри Векслер вел переписку с футурологом и фантастом Артуром Кларком. Ее результатом стала идея метеорологического спутника с камерами в видимом и инфракрасном спектрах, а также радаром. Гарри даже заказал картину, изображающую вид на Землю со спутника, где по облачным формациям можно было видеть погодные явления, и использовал ее как наглядную иллюстрацию на своих выступлениях.
Вторым важным фактором был интерес к спутникам военных — ВВС, Управления баллистических ракет Армии США (AMBA), Корпуса связи Армии США. У них были ресурсы для воплощения идей в реальность. Интерес военных к метеорологии может показаться странным, однако он легко объясним. Во-первых, погода над территориями потенциального противника может сильно повлиять на план, например, воздушного налета. А во-вторых, без знания погоды спутники-разведчики будут фотографировать по отданным вслепую командам, и запускать спутник, чтобы привезти фотографии сплошной облачности над чужим стратегическим объектом будет очень обидно. В середине 1958 в Министерстве обороны США произошло перераспределение спутниковой тематики и метеорологические спутники достались армии. В этом же году сформировался комитет с участием ARPA, Rand Corporation, только-только созданного NASA, Кембриджского исследовательского центра ВВС, Национальной метеорологической службы США, Radio Corporation of America и других. Задачей комитета была разработка облика будущего метеорологического спутника. Примерно в то же время родилось и название TIROS, аббревиатура прозаичного «телевизионный и инфракрасный наблюдательный спутник» (Television Infrared Observation Satellite). В апреле 1959 общее руководство проектом передали от Министерства обороны в NASA.
Носитель
На 1958 год для США было большой проблемой запустить спутник тяжелее арбуза. В то время, как СССР в мае отправил на орбиту «Спутник-3» массой 1327 кг, первый американский Explorer 1 весил 8,3 кг, если не считать пустую последнюю ступень, от которой он не отделялся, а «Авангард 1» — «целых» 1,46 кг. Первоначально TIROS собирались запускать на ракете-носителе Jupiter-C, однотипной Juno I, которая вывела «Эксплорер 1», и даже надеялись получить работоспособный аппарат при ограничении массы в 9 кг. Затем в качестве РН рассматривалась Juno II, у которой первую ступень меняли с ОТР Redstone на более грузоподъемную БРСД Jupiter, и можно было рассчитывать на 40 кг полезной нагрузки. Но весной 1958 верхние ступени РН Vanguard поставили на БРСД Thor и получившаяся ракета-носитель Thor-Able могла уже вывести на низкую орбиту целый центнер.
Слева направо: Juno I, Juno II, Thor-Able
Важной особенностью всех трех потенциальных носителей была закрутка полезной нагрузки для стабилизации. В случае Thor-Able вторая ступень ориентировалась по нужному вектору, после чего включала небольшие ракеты, закручивающие вращающийся стол, на котором стояла неуправляемая твердотопливная третья ступень. Эту особенность необходимо было учитывать при проектировании TIROS.
Главный прибор
Главной задачей метеорологического спутника, очевидно, является съемка Земли. Даже не просто Земли — TIROS нацеливали специально на облака. Это логично — атмосферный фронт, циклон, ураган видимы именно как облачные системы. Какие способы космических фотографий успело придумать человечество?
Вариант первый — отправить в космос пленочный фотоаппарат, сделать фото и привезти его обратно на Землю. Можно получить очень качественные фотографии с отличным разрешением, и именно поэтому способ использовался в спутниках-разведчиках. И в СССР и в США уже была начата разработка таких аппаратов — «Зенит-2» (летали под обозначением «Космос») и Discoverer (они же CORONA и позже Keyhole). Проблема — возврат пленки с орбиты является очень нетривиальной задачей, и количество дорогостоящих неудач первых «Дискавереров» могла позволить себе только очень приоритетная военная программа. Вторая проблема — пока спускаемая капсула вернется, будет найдена, пленку извлекут и проявят, пройдут часы, прогноз погоды лучше делать, принимая данные в реальном времени. Третья по порядку, но не по важности проблема — в сотню килограмм такой аппарат не уместить никак.
Вариант второй — отправить в космос пленочный фотоаппарат, сделать фото, проявить его на орбите, отсканировать пленку и передать полученные данные на Землю. Вариант был успешно применен на советской станции “Луна-3”, которая в октябре 1959 сфотографировала обратную сторону Луны. Фототелевизионное устройство “Енисей” содержало 40 кадров, систему автоматической проявки и сканирования.
ФТУ «Енисей», источник
«Луна-3» была очень удачным аппаратом, в 273 килограмма советские инженеры уместили и систему трехосной ориентации, и фототелевизионное устройство, и системы управления и связи с лунного расстояния. Правда, как показала практика, эксперименты со сканированием фотографий, что на американских спутниках-разведчиках SAMOS, что на советских «Зенитах», оказались неудачными — качество, пригодное для съемки Луны, не подошло военным. Метеорологам не нужна возможность разглядеть отдельное кучевое облачко во всех деталях, но 40 кадров были бы потрачены максимум за несколько витков, а с ростом запасов пленки начинала расти масса устройства.
Третий вариант — делать фотографии электронным устройством. В 1930-х появились видиконы, в которых поток электронов не формировал изображение, как в электронно-лучевой трубке, а считывал его. Но эксперименты по использованию их в космосе еще нельзя было считать удачными.
СМИ успели назвать первым метеорологическим спутником Vanguard 2, запущенный 15 марта 1959. На его борту были два оптических прибора и два чувствительных к инфракрасному свету элемента, переводя на современный язык, аналоговые «матрицы» из одного пикселя. Картинку собирались формировать, складывая отсканированные полосы, которые должны были получаться при движении по орбите вращающегося спутника.
Схема съемки Земли Vanguard 2, изображение из отчета TIROS 1
Инженеры надеялись, что смогут принять со спутника картину облачности. Приборы работали прекрасно, однако из-за значительной вытянутости орбиты и серьезных возмущений оси вращения из полученного сигнала картинку синтезировать не получилось. Стоит отметить, что Vanguard был уже вторым таким аппаратом, запущенный однотипный Vanguard SLV-3 на орбиту не вышел из-за недобора скорости на участке работы второй ступени. Аналогичные сенсоры стояли на отправляемых к Луне со второй половины 1958 по первую половину 1959 семи зондах “Пионер”, но из-за аварий ракет-носителей они не передали изображений ни Луны, ни Земли.
Получить фотографию Земли с орбиты удалось только Explorer 6, но из-за отклонения оси вращения и аварии в логике электрических цепей ТВ-системы сложенная из полосок картинка позволяла разве что сделать вывод, что Земля может выглядеть как полумесяц.
Фото с Explorer 6, если посмотреть на изображение в большом размере, отлично видны полоски, из которых складывали картинку
Нет, конечно, при помощи техноволшебства и из таких исходных данных можно было попытаться вытянуть полезную информацию для прогноза погоды, но все-таки хотелось бы чего-нибудь получше. На счастье проекта TIROS инженеры RCA обещали сделать полноценные видиконы, способные пережить запуск на ракете. К 1959 году у них получилось произвести видикон повышенной прочности диаметром 1,27 см с 500 строчками на кадр и скоростью съемки 0,5 кадра в секунду. На TIROS 1 решили поставить два таких видикона, оснастив один широкоугольным объективом полем зрения 104°, а другой телеобъективом полем зрения 12,67°. С расчетной высоты в районе 800 км широкоугольная камера должна была видеть квадрат стороной 1200 км и разрешением 8 км, а телеобъектив — 100 км с разрешением 300 м. Высота орбиты и скорость вращения аппарата подбирались так, чтобы получаемые кадры перекрывались и позволяли складывать большие изображения. Снимки можно было отправлять сразу на Землю, либо записывать на специально разработанные магнитные ленточные накопители в герметичных корпусах. В каждом помещался 121 метр пленки, которой хватало на 32 кадра.
Магнитный накопитель, фото Sanjay Acharya/Wikimedia Commons
Корпус аппарата был негерметичным, тепловой режим обеспечивался пассивным излучением в пространство. Внутри, кроме двух камер с накопителями, располагались батареи, передатчики, система управления и другие агрегаты.
Внутренности TIROS показывают будущему президенту Линдону Джонсону, большая сфера в дальней части — герметичный контейнер второго ленточного накопителя. Фото Библиотеки Конгресса
Внутренности накрывались корпусом в форме восемнадцатигранной призмы с солнечными панелями сверху и по бокам. Диаметр спутника составил 107 см, а высота — 52. Итоговая масса составила 122 кг.
Инженерные чудеса
Полноценная система трехосной ориентации с датчиками, двигателями и запасом топлива в лимит массы не помещалась никак. Что же делать? Инженеры придумали очень изящное решение — стабилизировать спутник вращением, а нужную ориентацию камерами на Землю сформировать самой орбитой. Работало это следующим образом: ракета-носитель стартовала ранним утром, на границе дня и ночи. Двигаясь на восток, она переходила из вертикального полета в горизонтальный. В результате, когда спутник отделялся от последней ступени, он смотрел верхней частью на Солнце. Спустя четверть витка, TIROS оказывался направлен камерами на Землю и снимал то, что оказывалось в поле их зрения. Спустя половину витка, сохраняя положение в пространстве, спутник оказывался направлен камерами от Земли. Благодаря вращению Земли каждый виток он проходил над новой территорией.
Иллюстрация NASA
После отделения от третьей ступени TIROS должен был вращаться вокруг продольной оси со скоростью примерно 85 оборотов в минуту. Для того, чтобы снимавшие 30 кадров в минуту камеры каждый оборот формировали перекрывающиеся кадры, необходимо было замедлить вращение до примерно 10-12 об/мин. Для этого использовали решение, которое стало типовым на многие десятилетия. Вокруг аппарата обматывали тросы с грузиками. Для замедления вращения грузики освобождали, тросики разматывались и, размотавшись полностью, слетали с открытых крючков, на которых крепились. Вращение замедлялось за счет закона сохранения момента импульса (вспомните школьный эксперимент с вращающимся стулом и гантелями).
Способ использовался и в 21 веке, анимация NASA
Система замедления вращения на TIROS, крючок слева, закрепленный грузик справа, фото из отчета TIROS 1
Проблемой для аппарата была прецессия — если бы ось вращения начала бы колебаться, то в кадр попадали бы совсем случайные участки поверхности. Для борьбы с ней на спутник поставили два демпфера прецессии — грузики точно рассчитанной массы перемещались по рельсе на роликах и за счет совпадения своей частоты с частотой прецессии быстро гасили ее.
Демпфер прецессии, фото из отчета TIROS 1
Еще одна проблема должна была проявиться спустя некоторое время. За счет взаимодействия с магнитным полем Земли вращение спутника должно было замедлиться. Для поддержания требуемого диапазона скоростей по периметру дна установили две пары маленьких твердотопливных двигателей. Одна пара должна была увеличить скорость вращения примерно на 3 об/мин.
На последующих аппаратах количество двигателей увеличили с 2 до 5 пар, фото Национального музея авиации и космонавтики
Таким образом, получилась система поддержания требуемой ориентации аппарата, которая с одной стороны работала в режиме «что увидели, то и сняли», с другой, позволяла достаточно долго поддерживать требуемые параметры полета.
Первый
TIROS 1 готовится к запуску. Спутник стоит на третьей ступени РН Thor-Able. Фото NASA
TIROS 1 стартовал 1 апреля 1960 и благополучно вышел на орбиту 768х867 км наклонением 48°.
Запуск TIROS 1, фото NASA
Уже на первом витке удалось получить фотографии, качество которых оказалось даже выше ожидаемого.
Первое принятое фото показывает северную часть восточного побережья Северной Америки, виден полуостров Новая Шотландия
Началась рабочая эксплуатация аппарата. 3 апреля отказала узкоугольная камера. 2 мая спутник прогрелся до максимальных температур, на верхней части было +48°С. В этот же день отказала система определения положения аппарата в пространстве (по которой он решал, делать снимок или нет), но спустя 13 витков она восстановила работоспособность. 10 мая при помощи “необычных техник программирования” удалось починить узкоугольную камеру.
Типичная мозаика снимков TIROS. Сверху и снизу кадры узкоугольной камеры. Снимки сделаны 20 мая. Фото из отчета TIROS 1
27 мая со второй попытки включили пару двигателей закрутки, увеличив скорость вращения с 9,4 до 12,8 об/мин. 15 июня были зафиксированы температурные минимумы, дно остыло до -9°С. В этот же день были получены последние изображения с широкоугольной камеры. 16 июня аппарат перестал отвечать на команды и передавать телеметрию. К 28 июня связь восстановили, но наземное моделирование показало, что, скорее всего, застывшее реле оставило открытым затвор широкоугольной камеры, в которую попал солнечный свет и сжег видикон. Узкоугольная камера работала, но без широкоугольной снимки нельзя было привязать к местности.
Фото из отчета TIROS 1
Уже в июне оказалось, что взаимодействие аппарата с магнитным полем Земли не только замедляет его вращение, но и отклоняет ось. Так что изначально затененные корпусом объективы стали иногда попадать на солнечный свет.
30 июня попытались включить оставшуюся пару двигателей, для проверки систем, но не получилось. Когда с борта пришел сигнал о низком напряжении батарей, работу с аппаратом решили прекратить. TIROS 1 проработал 1302 витка и, несмотря на все ограничения, оказался очень полезным аппаратом. За два с половиной месяца работы было передано 23 тысячи кадров, из которых 19 тысяч были пригодны для метеорологов.
Потом
Успех с первой попытки только подстегнул постройку малой серии аппаратов. Главным улучшением TIROS 2 была система магнитной стабилизации — 250 витков проволоки, намотанной по внешнему корпусу аппарата, позволяли подправлять ось вращения на градус-другой за виток.
Клетка для испытаний системы магнитной ориентации, источник
Затем начали экспериментировать с камерами. TIROS 3 нес две широкоугольные камеры, TIROS 4 — широкоугольную и среднеугольную полем зрения 80°. В итоге пришли к двум широкоугольным камерам. Инфракрасное оборудование устанавливали на второй, третий, четвертый и седьмой TIROS.
Новые возможности дали модернизации ракеты-носителя, поднявшие ее грузоподъемность. TIROS 5 и последующие аппараты выводили на орбиту с увеличенным наклонением, 58°, что позволило обозревать большую часть Земли. А TIROS 9 и 10 вывели на полярную орбиту наклонением 96-98°, чтобы была видна вся Земля.
Мировая погода, заснятая TIROS 9 и склеенная в одну фотографию NOAA
На TIROS 8 проверили новую компоновку камер, разместив их не в дне аппарата, а во внешней стенке. Аналогичным образом были размещены камеры на новом типе спутника, Operational (“сданный в эксплуатацию”) TIROS, известном также как TOS и ESSA.
Наследие TIROS сохранилось в названии — летающие сейчас гораздо более продвинутые аппараты Национального управления океанических и атмосферных исследований США формально относятся к типу «Продвинутый TIROS-N» — Advanced TIROS-N.
