Онлайн-журнал «Юный киберфизик»

Они первыми услышали спутник

2026-07-03 15:00 Про прошлое
Как подтвердить, что спутник действительно находится на орбите? Нужно зафиксировать сигнал с него. Но как, если на планете еще нет никакого спутникового оборудования, его еще просто не придумали?

На помощь конструкторам пришли советские радиолюбительские кружки. Как они были организованы, как им удалось принять сигнал, какая организационная подготовка этому предшествовала, а также как вообще разрабатывался первый советский спутник, разбирается Александр Короткевич, профессор Центра инженерной физики, Сколковский институт науки и технологий, Москва, научный сотрудник, Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, Черноголовка, радиолюбитель (RV3DFL/W5KAO).

Разработка спутника

После начала холодной войны СССР требовались средства стратегического сдерживания. Ответом стала разработка межконтинентальной баллистической ракеты (далее – МБР) Р-7, которая впоследствии использовалась и для запуска первого искусственного спутника Земли. Работами по ее созданию руководил Сергей Королев, главный конструктор советской ракетно-космической программы. Он же предложил создать первый спутник, но правительство поставило условие: нужно провести два успешных испытания ракеты Р-7, и только после этого космический (орбитальный) запуск.

Уже в начале 1954 г. одновременно с появлением эскизного проекта Р-7 началась разработка спутников. Академия наук СССР разработала научную программу, включающую как астрофизические, так и биологические эксперименты, соответственно, готовились два типа спутников. Разработка научных приборов сильно затянулась по срокам. В начале 1957-го г. был уже почти готов первый стартовый комплекс на полигоне №5 «Тюра-там» (сейчас известный как «Гагаринский старт» на Байконуре), вот-вот должны начаться испытания Р-7, а спутники еще далеки от готовности. 15 февраля 1957 г. считается началом разработки ПС-1 – Простейший Спутник – 1.

Четвертый пуск Р-7 в августе 1957 года был успешным: хотя боеголовки не пережили вход в атмосферу, ракета отработала нормально. Менее чем через неделю было объявлено о создании первой МБР в СССР, а 7 сентября был произведен второй успешный пуск ракеты. Настало время запустить первый спутник.

ПС-1 (простейший спутник-1)

С 1956 года и американские, и советские ученые объявляли о будущих запусках искусственных спутников земли во время Международного геофизического года (1957-1958). Заявления США считались более правдоподобными, так как было широко объявлено о программе создания ракеты «Vanguard» для запуска первого спутника.

Запуск ПС-1 должен был продемонстрировать передовое развитие науки в СССР, а также являлся бы доказательством того, что у СССР действительно есть работающая МБР. Научная программа спутника: исследование распространения радиоволн через ионосферу и силы сопротивления в верхних слоях атмосферы. Необходимое оборудование: два передатчика мощностью 1 Вт на частотах 20,005 МГц и 40,002 МГц (два для надежности и повышения вероятности распространения), работающие попеременно. Почему же были выбраны именно эти частоты? Какой должна была быть мощность передатчика?
Постановка задачи

1. Неизвестна дата запуска.
2. Сигнал должен распространяться независимо от положения спутника над или под слоями ионосферы.
3. Рабочий диапазон параметров: T=-40...+50°C, влажность до 80%, давление внутри 0,7...1,2 атмосфер (в выключенном состоянии все остальные условия для электронного оборудования МБР: вибрация и т.д.).
4. Гарантийный срок эксплуатации: 14 дней.

Выбор первой частоты исходя из научных данных

Радиоволны распространяются в слоях атмосферы по-разному, в зависимости от их характеристик. В частности, короткие волны (частоты от 3 до 30 МГц) могут при ряде условий распространяться на межконтинентальные дальности из-за отражения от ионосферы, ионизированных главным образом солнечным излучением верхних слоев атмосферы (в основном на высотах в несколько сот км). Если излучить сигнал прямо в зенит, по нормали к слоям ионосферы, есть максимальная частота, при которой ещё происходит отражение радиоволн. То есть при частотах ниже радиоволны отражаются от ионосферы почти как мячик от стены.

Для связи со спутником это было нежелательно: требовалось принимать прямой сигнал с орбиты, и отражения нужно было избежать. Предполагалось, что во время максимума солнечной активности критическая частота достигала около 15 МГц, поэтому рабочую частоту следовало выбрать выше этого значения. В то же время большая часть радиопеленгационной сети не могла работать значительно выше 20 МГц (были станции с частотой до 60 МГц, но их было мало). Значит, основной расчет был на радиолюбителей в СССР и по всему миру.

О радиолюбителях советского времени

Радиолюбителем называли человека, который активно интересуется как минимум некоторыми аспектами электроники, не только связанной с радио, но в то время их невозможно было разделить, т. к. самыми сложными из общедоступных электронных приборов были радиоприемники разных видов. Многие собирали и даже проектировали радиоприемники сами. Учитывая, что телевещание в стране было ограничено несколькими крупными городами, в основном люди слушали радио, по большей части используя стационарные радиоточки, куда вещание осуществлялось по проводам. Доступность радиодеталей, была довольно невысокой вплоть до 90-х годов, зачастую вторично использовались детали, извлеченные из сломанных и выброшенных электронных приборов, часть компонентов изготавливалась самостоятельно.

Среди радиолюбителей были немало и взрослых, и школьников. Особняком стояли радиолюбители, интересовавшиеся приемом и передачей радиосигналов на дальние расстояния. Те, кто имел дома коротковолновый приемник, могли принимать вещание из других стран. Чаще всего для человека это было единственное окно в мир, не подконтрольное идеологическим ограничениям, что добавляло притягательности.

Но все же больше всего радиолюбителей было среди школьников. Существовали радиокружки, где объясняли принципы работы радиодеталей и устройств из них. Заметная часть кружков создавалась и опекалась ДОСААФ. Практически на каждой Станции Юных Техников был радиокружок, часто с коллективной радиостанцией: местом, где имелась радиоаппаратура, включая передающую, для коллективного пользования квалифицированными радиолюбителями.

Выбор двух частот для передатчиков

Исходя из всего этого, было понятно: радиолюбители, скорее всего, не успеют собрать новые приемники в массовом порядке. Необходимо учитывать существующее оборудование и использование радиодиапазонов.

Поэтому первым выбором была частота 20,005 МГц. Она находится между двумя коротковолновыми радиовещательными диапазонами, поэтому многие приемники позволяли прием на ней. Для надежности предполагалось установить два передатчика, почему бы не выбрать другую частоту для второго, заодно получив данные о распространении радиоволн на другой частоте?

Более высокая частота уменьшала вероятность отражения от ионосферы и увеличивала область поверхности Земли, в которой сигнал можно было принять напрямую. Поэтому вторую рабочую частоту выбрали почти втрое выше критической — 40,002 МГц, на границе существовавшего тогда радиолюбительского диапазона.
В итоге частоты двух передатчиков составили 20,005 МГц и 40,002 МГц. Практически полностью идентичные схемы, кварцевая стабилизация частоты. Для более высокой частоты параметрами колебательного контура выбиралась вторая гармоника генератора. Две частоты – больше научных данных об ионосфере. Был разработан специальный коммутатор, который включал только один передатчик в каждый момент времени. В норме переключение происходило каждые 0,3 секунды. Длительность сигнала («бип») кодировала информацию датчиков температуры и давления («выше порога» и «ниже порога»). Таким образом передавалась простейшая телеметрия: перегревается ли аппаратура, не пробил ли метеорит корпус? Использовались два V-образных диполя с углом раскрытия 90°. Такая конструкция обеспечивала сравнительно равномерную диаграмму направленности, что было важно для неориентированного вращающегося спутника.

20 МГц: каждый сегмент 2,9 м (0,193 λ)
40 МГц: каждый сегмент 2,4 м (0,32 λ)

Выбор мощности

Чем ниже мощность, тем дольше время передачи при одной и той же батарее. Предельная емкость батареи задается предельной выводимой массой спутника. С другой стороны, прием должен был быть возможен с помощью самодельного радиолюбительского оборудования (чувствительность 3-5 микровольт) на простую антенну в самых неблагоприятных условиях.
Постановка задачи:
Расстояние до спутника на горизонте в худшем случае: ~3000 км
Приемная антенна: диполь
Чувствительность: 5 мкВ
Затухание в F-слое ионосферы в худшем случае:
20 МГц — 7 дБ
40 МГц — 1,75 дБ
Ресурс батареи — не менее 14 суток
Результат: Мощность каждого из передатчиков около 1 Вт.

Спутник-1: размер, масса, устройство

Диаметр ПС-1 составлял 58 см, масса — 83,6 кг, из которых более половины приходилось на серебряно-цинковую аккумуляторную батарею.

Передатчики были построены на вакуумных радиолампах, поскольку надежность полупроводников в космосе тогда еще не была изучена. Контроль давления и температуры осуществлялся по изменению длительности радиосигналов. В обоих передатчиках использовался кварцевый резонатор на 20 МГц, но первая и вторая гармоники выбраны резонансными контурами.

Радиолюбители СССР: подготовка к Спутнику-1

В главном журнале радиолюбителей СССР «Радио» с июня и по август 1957 г. публикуются материалы с различной информацией: по каким траекториям будут летать искусственные спутники Земли, как смещается траектория пролета на каждом витке из-за вращения Земли и, соответственно, как изменяется высота пролета над горизонтом, как принимать и регистрировать сигнал, как сделать антенну, как сделать приемник на 40 МГц, как использовать две антенны для определения параметров движения спутника и т. д. и т. п. Радиолюбители были полностью информированы и подготовлены к запуску Первого спутника. Неизвестна была только дата запуска. Более того, освещалась и американская программа «Авангард».
Спутник-1 на орбите
4 октября 1957 года с испытательного полигона №5 «Тюра-Там» (ныне космодром «Байконур», Казахстан) межконтинентальной баллистической ракетой Р-7 был произведен запуск Первого искусственного спутника Земли ПС-1.

Орбита:
Наклонение: 65,10 градусов
Высота в перигее: 215 км
Высота в апогее: 939 км
Период орбиты: 96,20 минут

Продолжительность активного (в рабочем состоянии) полета составила 22 дня. Последний сигнал принят 26 октября 1957 года, вход в атмосферу произошел 4 января 1958 года. Всего 1440 витков вокруг Земли.
Последствия полета ПС-1 трудно описать. Это был фурор! Триумф советских ученых и инженеров! Если при подготовке ноябрьского номера журнала «Радио» сообщения о первых наблюдения пролета Спутника только начинали приходить, то уже весь декабрьский номер журнала полностью посвящен только Спутнику. Приходили сообщения от радиолюбителей со всего мира. И это было только начало, учитывая, что послать рапорт о наблюдении можно было только почтой. Приходили также поздравления с успехом советской науки из разных стран. Интересно читать и слова благодарности от, в том числе, американских радиолюбителей за то, что частоты мощность сигнала были выбраны доступными для обычных коротковолновых радиовещательных приемников (как минимум частота 20,005 МГц), что позволило наблюдать сигнал без дополнительных трат, в то время как наблюдение гораздо менее мощного сигнала планировавшегося американского спутника на частоте 108 МГц потребовало бы постройку сложной специализированной аппаратуры.

Если радиолюбитель присылал детальный отчет о наблюдении сигнала ПС-1, сообщив местоположение оператора и параметры сигнала (время, длительность и т. д.), то в ответ высылалась т.н. QSL-карточка.
Источники:

1. Рассекреченный отчет о разработке радиостанции первого спутника (опубликован холдингом РКС 04.10.2017 г. к 60-летию запуска ПС-1): https://russianspacesystems.ru/2017/10/04/otchet-o-razrabotke-radiostantsii-pervogo-sputnika/

2. Архив журнала «Радио» за 1957 г. Интересующие нас материалы публиковались начиная с №6: https://archive.radio.ru/web/1957/