Космическая программа Японии, часть 1: Профессор Итокава, самая маленькая ракета в мире и спутниковый бум

Когда в 1945 году Императорская Япония окончательно проиграла Вторую мировую войну, ее экономическое и технологическое развитие попало в значительную зависимость от США, которым предстояло решать, как будет формироваться будущее бывшего противника. Новой генерации японских политиков хватило мудрости играть по американским правилам, постепенно получая доступ к новым лицензиям для развития и становления собственного аэрокосмического сектора.

Космическая программа Японии — прекрасный пример мирного использования космоса с активным привлечением беспилотных космических аппаратов и автономных систем. Сегодня мы расскажем, как именно Стране восходящего Солнца не спеша удалось достичь такого прогресса.

Pencil: запуск самой маленькой в мире ракеты

На заре космонавтики японцы решили начать с малого, и речь именно о прямом значении этого слова. В середине 1954 года инженерный отдел Института промышленных наук при Токийском университете начал разработку ракеты-носителя Pencil. Назвали ее так неслучайно — высотой она была лишь 23 см, чуть больше обычного карандаша. Фюзеляж изготовили из латуни, стали и дюралюминия, а топлива было всего 13 г. Все это позволяло ракете производить тягу ≈ 30 кг, максимальная скорость варьировалась в диапазоне от 110 до 140 м/с (в зависимости от конкретной модели).

Главным разработчиком Pencil стал профессор Хидео Итокава с исследовательской группой авионики и сверхзвуковой аэродинамики (AVSA), которую он возглавил. Во времена Второй мировой войны Итокава работал над проектом серийных истребителей Ki-43 Hayabusa и был причастен к аэронавтике.

Удивительно, но ученый не планировал запускать ракеты в космос вплоть до февраля 1955 года, когда по просьбе одного из коллег заинтересовался идеей разработки японской ракеты-носителя для участия в Международном географическом году (IGY). По замыслу, Pencil должен был использоваться как экспериментальный макет, чтобы отработать на Земле все необходимые технологии для будущего старта, который Япония планировала воплотить уже в 1958 году.

Поскольку Pencil была экспериментальной ракетой, ее запускали горизонтально с одной целью — преодоление нескольких бумажных экранов, натянутых вдоль траектории ее движения. Начиная с 12 апреля 1955 года, было запущено 29 ракет типа Pencil. И каждую ждал успех: ракеты вылетали со специальных стартовых площадок и преодолевали расстояние в 10-20 м, пронизывая бумажные экраны. После успеха первой, одноступенчатой версии Pencil, группа AVSA перешла к разработке следующей, двухступенчатой модификации мини-ракеты длиной 46 см, модификации без хвостового оперения, а также одноступенчатой версии Pencil с удлиненным до 30 см фюзеляжем (при вертикальном запуске этот прототип достиг высоты в 600 м).

Кстати, эксперименты с вертикальным запуском ракет стали настоящим испытанием для команды Итокавы, ведь в целях безопасности их следовало проводить рядом с береговой линией, чтобы гарантировать падение отработавшей топливо ракеты или ее обломков в море. Но по состоянию на середину 1950-х годов большинство отдаленных прибрежных участков японских префектур занимали американские военные. Исключение составляли лишь острова Садо и Мичикава, а также полуостров Ога. Посетив все три потенциальные зоны для запуска, Итокава остановил свой выбор на пляже Мичикава (префектура Акита), где и оборудовали стартовую площадку, которая оставалась главным полигоном для испытания японских ракет вплоть до 1962 года.

Итак, Pencil стала первой экспериментальной ракетой Японии, ряд аэронавигационных исследований которой позволил профессору Хидео Итокаве и его научной группе перейти к разработке следующей генерации ракет, потенциально способных достигать космического пространства.

Прицел на орбиту: появление Kappa

После успеха горизонтальных стартов Pencil исследовательская группа AVSA оказалась на распутье. Ее инженеры-проектировщики обозначили два возможных пути дальнейшего развития: более крупные и мощные ракеты наземного запуска (впоследствии их назовут Kappa) и разновидность ракет воздушного запуска, старт которых следовало осуществлять из корзины воздушного шара, поднятого на несколько километров над Землей. Конструкторские работы начались в обоих проектах почти одновременно.

Звуковая зондирующая ракета, которой предстояло запускаться с воздушного шара, получила название Rockoon. Японская Rockoon не была оригинальной разработкой инженерного отдела доктора Итокавы — первые концепции подобных ракет реализованы американцами еще весной 1949 года, когда на их военном корабле USS Norton Sound начались испытания Aerobee. А уже спустя шесть лет ракеты подобной конструкции (Loki I и Deacon) американцы запустили с воздушного шара вблизи Гренландии. Впрочем, японская Rockoon оказалась слишком сложной в реализации, и через год после согласования проект свернули.

Единственной альтернативой остались ракеты наземного взлета. Прямым преемником Pencil были ракеты Baby, которым почти удалось достичь скорости звука. В длину Baby достигали 120 см, и имели одно интересное ноу-хау — собственную телеметрию, установленную в носовой части. Всего разработали три основные модификации: S (тестовая модификация), T (версия с телеметрией) и R (оснащалась парашютом для мягкого возвращения на Землю). Благодаря парашютной системе удалось осуществить первое в истории Японии возвращение запускаемого оборудования. Старты всех трех версий ракеты Baby пришлись на 1955 год. А максимальная высота, которой смогли достичь ракеты этого класса, составляла уже 6 км.

В один из таких экспериментальных дней на доске, где персонал полигона Мичикава писал перечень дневных работ, появился текст хайку, автором которого был сам Доктор Ракета — так за глаза нарекли главу проекта, Хидео Итокаву, после его первых успехов. Хайку гласил:

Небо высокое, 
А мое воображение далеко над
Осенним морем.

И правда, весь коллектив AVSA словно одновременно осознал, что их ракеты уже совсем скоро смогут покорить орбиту. И там, где отметка максимальной высоты останавливалась на 6 км, вскоре будет 60, а возможно, и больше. Новая генерация зондирующих ракет Kappa способна воплотить эти мечты в реальность.

Первые концепции новых ракет появились в 1956 году. Однако самый активный период развития пришелся на 1959-1960 годы, когда инженерная группа Итокавы разработала новую разновидность твердого композиционного ракетного топлива, способного запустить бустер К420В и верхнюю ступень К250 ракеты Kappa 8 за линию Кармана (условная граница начала космоса, от 100 км над уровнем моря), доведя высоту ее полета до 200 км.

Для сравнения, первые генерации Kappa — 1, 2, 4 и 6 — были лишь предвестниками полноценных космических ракет, ведь пиковая высота их полета составляла от 40 (с №1 до №4) до 60-80 км (№6 и модификация 6Н) над уровнем моря. Именно Kappa 6 приняла участие в ракетных запусках, посвященных Международному географическому году (IGY) 1958, подготовка к которому началась с разработки миниатюрной Pencil четырьмя годами ранее.

Начиная с 1960-го, следует стремительная эволюция ракет Kappa, покоряющих все большие высоты. В сентябре 1960 года во время третьего тестового запуска Kappa 8 впервые достигает отметки 200 км. А менее чем год спустя, в апреле 1961-го, новая версия ракеты, Kappa 9L, преодолевает уже 350 км над уровнем моря.

Невзирая на то, что грузоподъемность Kappa 9L составляла всего 15 кг, ракета уже была способна выводить небольшие полезные грузы на низкую околоземную орбиту. Следующая модификация — Kappa 9M, которая дебютировала в 1962 году, — увеличила этот показатель до 50 кг. Этого удалось достичь благодаря установке нового, более мощного ракетного двигателя — K420H. Модификация 9M станет одной из самых массовых и долгоживущих зондирующих ракет Японии. Ее запуски продлятся вплоть до 1988 года и остановятся на финальной отметке в 81 запуск (с одним только отказом в 1971 году).

В 1962 году стало очевидно, что новым ракетам уже тесно на пляже Мичикава в префектуре Акита. Поэтому новой площадкой для ракетных запусков выбрали более широкую пляжную зону Утиноура в префектуре Кагосима. На этом месте позже построили полноценный Космический центр Кагосима (сейчас переименован в Космический центр Утиноура). С четырех его стартовых площадок осуществляется подавляющее большинство космических запусков JAXA.

Последней модификацией ракетного семейства стала Карра 10 — идейная наследница Kappa 9M, которая появилась в августе 1965 года. Бустер ракеты остался неизменным, а вот второй этап был видоизменен. Он имел более тонкий фюзеляж и новую версию маршевого двигателя — K420(1/3). Главной целью Карра 10 стали научные космические миссии с запуском исследовательской полезной нагрузки. На третий запуск Карра 10 оснастили детектором обнаружения фотонов, а в четвертый полет она отправилась с телескопом и датчиком инфракрасного излучения.

Карра 10 также претерпела несколько модификаций. В течение 1960-х годов появилось две ее разновидности: 10S и 10C. Ракета никогда не была такой массовой, как Kappa 9M. Всего состоялось 14 запусков Kappa 10, трижды взлетала Kappa 10С и только раз — Карра 10S. Правда, этот единственный запуск 10S оказался и самым важным для развития японских ракет-носителей. Именно во время этого старта ракета смогла достичь наивысшего апогея. Более того, как раз тогда была испытана технология apogee motor, с помощью которой позже новый класс ракет Lambda 4S выведет на орбиту первый искусственный спутник Японии.

Появление Lambda и палки в колеса от конституции

В конце 1960-х годов все типы космических исследований Япония осуществляла благодаря зондирующим ракетам. Однако их полет был коротковат для длительной деятельности в космосе. Для этого необходимо было отправить на орбиту Земли искусственный спутник, начиненный экспериментальным оборудованием и радиоприемниками для обратной связи с Землей. Но сначала Японии надлежало разработать собственную ракету-носитель, способную справиться с такой задачей.

Для целей исследований в Антарктиде были спроектированы две одноступенчатые ракеты: меньшая по размерам S-310 и большая S-520 (в обоих случаях цифры обозначали диаметр ракет в миллиметрах). С помощью них Япония проводила подавляющее большинство своих полярных исследований в ХХ веке.

Прямым потомком Карра стала Lambda. Разработка новой, более крупной ракеты стартовала параллельно с запусками Kappa. И уже 24 августа 1963 года в воздух взлетела первая Lambda 2. Правда, эта миссия завершилась провалом, поскольку ракета была потеряна на высоте 50 км. Следующая, успешная попытка запустить Lambda 2 состоялась в декабре того же года, когда ракета выполнила свой первый эксперимент по исследованию ионосферы, поднявшись на высоту 410 км.

Но по-настоящему судьбоносным для ракеты был 1964 год. Именно тогда основали Институт космических и астронавтических наук (ISAS), на десятилетия ставший ведущим аэрокосмическим предприятием Японии. Хидео Итокава возглавил институтскую установку. В том же году была запущена трехступенчатая версия Lambda 3, которая достигла высоты 857 км. Залогом этого успеха была ее новая третья ступень, полностью повторяющая заключительный этап ракеты Карра 8. Уже через год, в ходе двух последующих запусков, Lambda 3 взлетали выше 1000 км, планово выполнив свои рентгеновскую и ионосферную космические миссии.

Как только японские ракеты покорили рубеж в 1000 км над уровнем моря, Хидео Итокава начал собирать новую группу специалистов, куда вошли ученые из Института промышленных наук Токийского университета, новосозданного ISAS, а также группа инженеров, отобранных среди сотрудников Prince Motor Company, автомобильной компании, которая в 1966 году объединилась с автомобильным концерном Nissan. Стоит отметить, что под автомобильную Prince Motor Company перепрофилировалась только по окончании Второй мировой войны, до того она называлась Tachikawa Aircraft Company и разрабатывала несколько ведущих японских штурмовиков и истребителей. Следовательно, Итокава не просто так хотел привлечь к разработке новых модификаций Lambda именно ее специалистов.

Говоря о Lambda, интересно также отметить, что успех их эксплуатации был уникальным еще и потому, что в этих ракетах не было датчиков системы наведения, которыми оборудовали почти все баллистические ракеты того времени. Главной причиной их отсутствия была статья 9 послевоенной японской конституции, прямо запрещавшая разработку наступательных типов вооружения, а именно ракет, оснащенных системой наведения, что было самым легким способом за несколько минут перепрофилироваться из исследовательских в милитаристские. Итак, японское законодательство мешало ракетостроителям страны в их стремлении покорить земную орбиту.

Начиная с 1963 года, препятствовать стали и японские рыбаки, подавшие коллективную жалобу на ISAS из-за опасности прибрежных ракетных запусков. Межведомственные тяжбы по этому вопросу фактически исключили запуск ракет в период с 1967 по 1968 год. Впоследствии компромисс все же был найден. ISAS разрешили запускать свои ракеты с прибрежных космодромов только четыре месяца в году: в январе-феврале, и с августа по сентябрь. Новые правила значительно замедлили развитие ракет семейства Lambda. Вероятно, именно поэтому запуски первого японского спутника OHSUMI потерпели так много неудач.

Четыре неудачи первого спутника OHSUMI

Концепция первого искусственного спутника Японии начала появляться в 1961-1962 годах. Но фактически его разработки стартовали только в 1965 году. По плану, стране предстояло запустить космический аппарат в пятилетний срок. Спутник OHSUMI состоял из двух основных секций: силовой установки из титана и алюминиевого фюзеляжа, внутри которого размещалась полезная нагрузка из трех основных датчиков (датчик телеметрии, акселерометр и датчик температуры). Общий вес аппарата составил 23,8 кг, а питание его радиоприемника/передатчика обеспечили обычные бытовые батарейки. 

Запуск OHSUMI 26 сентября 1966 года доверили новой, четырехступенчатой модификации ракеты Lambda 4S (эти ракеты оснащались двумя боковыми ускорителями SB-310). Первые три этапа должным образом выполнили свои задачи, однако четвертая ступень потерпела сбой контроля положения в пространстве, из-за чего полезный груз ракеты не попал на запланированную орбиту.

В декабре того же года была вторая попытка запуска OHSUMI, тоже с помощью Lambda 4S. И опять же, проблемы возникли именно с заключительной ступенью ракеты. На этот раз после ее отделения от третьей ступени не произошло зажигание маршевого двигателя, вследствие чего ракета потеряла свой импульс, не достигнув нужной для развертывания спутника высоты.

Третий провал запуска OHSUMI случился в апреле 1967 года. В который раз причины те же — на высоте 200 км двигатель четвертой ступени не смог выполнить зажигание, что привело к потере груза.

Третья неудача подряд стала роковой для Хидео Итокавы: вскоре он подал в отставку из ISAS. Ученый окончательно не оставил научную деятельность — в том же году создал собственную коммерческую компанию по продаже технологий системной инженерии на основе аэрокосмических исследований. После карьеры в ISAS у Доктора Ракеты появилось свободное время и на реализацию своей давней мечты — пионер японского ракетостроения начал брать уроки балета. Спустя пять лет обучения чудаковатый профессор даже выступил на сцене Императорского театра в Токио с собственной партией в балете «Ромео и Джульетта».

В 1969 году в Японии было создано Национальное агентство космического развития (NASDA). Впрочем, его основание не гарантировало успеха четвертой попытке запуска спутника OHSUMI. Японская пресса открыто посмеивалась над провалами отечественных аэрокосмических инженеров. Казалось, это фиаско в конце концов похоронит как проект OHSUMI, так и проблемную Lambda 4S, которая раз за разом не доставляла спутник на орбиту.

И все же японцы — весьма терпеливый и трудолюбивый народ. Пятая попытка запуска OHSUMI состоялась 11 февраля 1970 года. После того как Lambda 4S скрылась из виду высоко в небе, наземные станции начали отслеживание спутника. По плану миссии, успехом считался выход OHSUMI на околоземную орбиту и его полный оборот вокруг планеты. Отслеживать японский спутник помогали станции космического наблюдения NASA, которые одна за другой информировали своих коллег о получении сигнала со спутника. Более чем через два часа сигнал от OHSUMI зафиксировали и в Космическом центре Утиноура — так Япония стала четвертой страной в мире, которой удалось вывести на орбиту собственный искусственный спутник.

Активная фаза OHSUMI (когда спутник мог передавать сигналы на Землю) составила менее 15 часов, после этого батареи его передатчика полностью исчерпали свой заряд. Впрочем, зонд кружил на орбите вплоть до 2003 года.

Уже спустя год после успеха OHSUMI на орбите оказался первый полноценный научный спутник — SHINSEI, осуществлявший наблюдения за ионосферой и космическими и солнечными лучами. А еще через несколько лет запустили первый спутник для рентгеновского наблюдения — HAKUCHO. Стартовала спутниковая эра Японии, и начиная с 1971-го, Страна восходящего Солнца запускала примерно один научный спутник в год.

1970 год стал переломным и с позиции ракетной отрасли — на замену довольно неточным Lambda пришла новая генерация ракет Mu (также известная как просто М). Ее наиболее удачные модификации M-3S и М-4S вместе вывели на орбиту не один десяток японских спутников, а различные версии Mu эксплуатировались Японией в течение 40 лет (с 1966 до 2006 года).

Но 1970-е годы привнесли в ракетостроительную отрасль Японии еще одно крупное нововведение. В конце 1960-х американский президент Линдон Джонсон обратился к руководству Японии с предложением вернуть стране контроль над островом Окинава и архипелагом Огасавара, оккупированными американскими войсками с 1945 года. Одним из условий этого возвращения стало требование о приобретении японцами американской лицензии на ракету-носитель Thor-Delta.

Такое единоличное давление со стороны американцев по приобретению их лицензии главным образом означало прямое требование к Японии отказаться от разработки и производства собственных ракет-носителей и постепенное погружение ее в технологическую зависимость от американской ракетно-промышленной базы. Но желание вернуть контроль над утраченными территориями перевесило стремление к независимому развитию собственной ракетной промышленности. Поэтому в 1970 году соглашение было ратифицировано.

Компания Mitsubishi Heavy Industries начала разработку первых ракет серии N-1 (Nippon 1), что, к величайшему удивлению, отнюдь не ослабило японский космос. Читайте об этом и других выдающихся событиях космической программы Японии в продолжении нашего материала.