В 1950–1953 гг. Лаборатория реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory) Калифорнийского технологического института по заданию Армии США проводила исследования и разработку ракетных топлив, РДТТ и ЖРД, а также систем управления и телеметрии.
В ходе этих работ JPL спроектировала боевую жидкостную ракету Corporal («Капрал») и начала разработку твердотопливной ракеты следующего поколения Sergeant («Сержант»). Для отработки рецептур твердого топлива и конфигураций заряда, определения характеристик запуска и внутрибаллистических параметров, проверки конструкционных и теплозащитных материалов применялся т. н. «модельный» РДТТ, изготовленный в масштабе 1:5 по отношению к полноразмерному двигателю «Сержанта» (иногда его называют «Бэби-Сержант»).
В этот же период Лаборатория начинает проявлять интерес к исследованиям космического пространства. В 1954 г., все более проникаясь идеями фон Брауна, JPL совместно с Управлением баллистических ракет Армии (Army Ballistic Missiles Agency, АВМА) и Управлением научно-исследовательских работ ВМС (ONR) выдвинула предложение по созданию космической РН Orbiter, у которой нижняя ступень представляла собой модификацию БР Redstone, а верхние ступени — связки двигателей от ракет Loki 2A.[44]
Однако уточненный анализ показал: для запуска на околоземную орбиту нужен 31 двигатель Loki, что, учитывая их надежность, делало неприемлемо высокой вероятность отказов. В ходе последующих проработок фон Браун и его коллеги приняли предложение JPL по использованию РДТТ «Бэби-Сержант» для установки на второй, третьей и четвертой ступенях. К июлю 1955 г. проект космической РН «завязался».
Вторая ступень представляла собой кольцевую связку из 11 «модельных» РДТТ Sergeant (каждый длиной 1,2 м, диаметром 15,2 см, развивал в течение шести секунд среднюю тягу 0,68 тс). Внутри этой связки размещались три аналогичных РДТТ третьей ступени. В варианте спутниковой РН сверху монтировалась четвертая ступень — один «модельный» двигатель.
Отделялись верхние ступени от первой пружинными толкателями. Заданную же пространственную ориентацию обеспечивала их предварительная закрутка на специальном «вращающемся столе», установленном на коническом переходнике с приборным оборудованием. Стабилизация вращением позволяла также компенсировать рассогласование тяги единичных РДТТ связки.
Для надежности закрутку верхних ступеней проводили непосредственно перед стартом. Во избежание резонанса с конструкцией ракеты на этапе работы первой ступени была рассчитана программа постепенного увеличения скорости вращения сборки с 550 до 750 об/мин ко второй минуте полета.
Сборка верхних ступеней Jupiter C на плакате (Редстоунский арсенал)……и «живьем» в башне обслуживания (Фото NASA)
После вертикального запуска со стартового стола Jupiter C через 157 сек выходил на угол 40° к горизонту. По факту выключения первой ступени срабатывали пироболты — приборный отсек и вращающаяся «труба» верхних ступеней отделялись от бакового отсека первой ступени и разворачивались в горизонтальное положение посредством четырех сопел на сжатом воздухе, расположенных в основании приборного отсека. Когда достигалась вершина баллистического подъема (приблизительно на 247 сек после старта), радиосигнал с Земли зажигал связку РДТТ второй ступени, отделяя «трубу» от приборного отсека. Далее последовательно включались третья и — в космической РН — четвертая ступени.
В первом же испытательном полете, 20 сентября 1956 г., Jupiter C установил рекорд, метнув макет боеголовки массой 39,2 кг (86,5 фунта) на высоту 1094 км (680 миль) и дальность 5311 км (3300 миль). 15 мая 1957 г. на несколько меньшую дальность — 1142 км (710 миль) — был запущен масштабно уменьшенный абляционный «носовой конус» боевой ракеты Jupiter массой 138,1 кг (300 фунтов). Наконец, 8 августа 1957 г. аналогичная «боеголовка» пролетела уже 2140 км (1330 миль) и не разрушившись достигла поверхности земли.
Фото из архива Авиационного и ракетного командования Армии США (16 октября 1957 г.): В. фон Браун рядом с «носовым конусом» ракеты Jupiter C
…Немедленно после запуска Первого спутника Вернер фон Браун и директор ABMA генерал Джон Медарис (John В. Medaris) убедили нового министра обороны США Нейла МакЭлроя (Neil McElroy) разрешить Армии работы по созданию РН на базе Jupiter С. Предложение, именуемое Project 416, предусматривало запуск четырех ИСЗ за 16,2 млн $.
8 ноября 1957 г. МакЭлрой поручил Армии готовить два «космических» старта в качестве дублеров «Авангарда». В калейдоскопе событий того времени остался факт, что месяцем ранее генерал Медарис на свой страх и риск уже отдал приказ о подготовке Jupiter С в варианте РН…
После «флопника» — титула, которым пресса наградила Vanguard TV-3 — Армии были даны все полномочия вывести Соединенные Штаты в космос. Фон Браун полагал, что его группа будет создавать и спутник, но Медарис солидаризовался с директором J PL доктором Уиллья-мом Пикерингом (William H. Pickering): эту работу сделают его ребята…
Признавая, что искать «инертную» 20-дюймовую сферу в безбрежных просторах космоса исключительно с помощью оптического оборудования после триумфа советских ИСЗ, мягко говоря, несолидно, на спутник решили установить легкие приборы и маломощный передатчик типа того, что создавала NRL для проекта Vanguard.
Группа JPL, которой руководил доктор Джек Фроэлих (Jack E. Froehlich), начала спешную доработку проекта Orbiter. Чтобы не усложнять конструкцию носителя аэродинамическим обтекателем, от сферического КА по типу «Авангарда» отказались и встроили ПГ в не-отделяющийся контейнер, приделанный спереди к четвертой ступени РН. При этом обшивку ИСЗ изготовили из нержавеющей стали, которую отполировали, а сверху нанесли продольные полосы оксида алюминия для штатной работы системы терморегулирования в космосе.
Как вспоминают участники этой работы, КА накладывал «чудовищные» ограничения на аппаратуру. Поскольку обтекателя не было, все элементы, установленные на поверхности ИСЗ, подвергались аэродинамическому нагреву.
Максимальное ускорение, задаваемое последней твердотопливной ступенью РН, составляло ~70 единиц. Наконец, приборы должны были вращаться вместе со спутником и сборкой верхних ступеней с частотой до 750 об/мин.
Монтаж четвертой ступени со спутником Explorer 1 (Фото NASA)
Научная аппаратура ИСЗ была разработана и изготовлена доктором Джеймсом Ван Алленом из Университета штата Айова. Она включала блок обнаружения космических лучей, датчик внутренней температуры, три датчика внешней температуры, датчик температуры носового конуса, микрофон для регистрации ударов микрометеоров и датчик микрометеорной эрозии. Данные с этих приборов передавались на Землю передатчиком мощностью 60 мВт, работающим на частоте 108,03 МГц, и передатчиком 10 мВт на частоте 108,00 МГц. Передающие антенны — две щелевые, непосредственно на корпусе аппарата, и четыре гибких штыря длиной 55,9 см, формирующих турникетную антенну. Вращение спутника вокруг продольной оси позволяло сохранить штыри в разложенном положении[45].
Электропитание обеспечивали никель-кадмиевые химические батареи, которые составляли примерно 40 % массы полезного груза. От них передатчик «большой» мощности должен был работать в течение 31 дня, а передатчик «малой» мощности — в течение 105 дней. Один передатчик «слушала» система MINITRACK, разработанная ВМС по программе Vanguard, другой — система MICROLOCK, созданная JPL.
Схема ракеты-носителя Jupiter С (Juno I): 1 — спутник Explorer 1; 2 — РДТТ четвертой ступени; 3 — связки РДТТ второй и третьей ступеней; 4 — механизм вращения верхних ступеней; 5 — отсек системы управления; 6 — баллон со сжатым воздухом системы управления ориентацией; 7 — бак горючего; 8 — бак окислителя; 9 — трубопровод подачи горючего в двигатель; 10 — ЖРДА-7; 11 — аэродинамические стабилизаторы; 12 — аэродинамические рули; 13 — графитовые газовые рули
20 декабря 1957 г. самолетом С-124 Globemaster ракету Jupiter C доставили на мыс Канаверал. Почти месяц с ней работали в ангаре Восточного испытательного полигона. С 17 января 1958 г. РН стояла на стартовой площадке LC-26A, где проводился монтаж и балансировка «вращающегося стола» и каждой верхней ступени в отдельности.
Три последних дня января были «зарезервированы» Управлением АВМА как стартовое окно: для обеспечения пуска РН Vanguard и Jupiter C, стартовые площадки которых разделяло не более километра, использовались общие наземные агрегаты и системы. Заметим: при неудачном запуске «армейцы» могли повторить попытку только в марте.
Предпусковые операции начались 31 января 1958 г. в 13 ч 30 мин по местному времени. Через два часа специалисты приступили к заправке ракеты. За 12 сек до старта были запущены электромоторы закрутки верхних ступеней. В 22 ч 40 мин включился двигатель, и ракета Jupiter C, «задним числом» переименованная в Juno I, стала набирать высоту.