Космічна програма Японії, частина 1: професор Ітокава, найменша ракета у світі та супутниковий бум

Коли 1945 року Імператорська Японія остаточно програла Другу світову війну, її економічний та технологічний розвиток потрапив у значну залежність від США, яким належало вирішувати, як формуватиметься майбутнє колишнього супротивника. Новій генерації японських політиків вистачило мудрості грати за американськими правилами, поступово отримуючи доступ до нових ліцензій для розвитку та становлення власного аерокосмічного сектора.

Космічна програма Японії — чудовий приклад мирного використання космосу з активним залученням безпілотних космічних апаратів та автономних систем. Сьогодні ми розповімо, як саме Країні Сонця, що сходить, неквапливо вдалося досягти такого прогресу. 

Pencil: запуск найменшої у світі ракети

На світанку космонавтики японці вирішили почати з малого, і йдеться саме про пряме значення цього слова. В середині 1954 року інженерний відділ Інституту промислових наук при Токійському університеті почав розробку ракети-носія Pencil. Назва невипадкова — заввишки вона була лише 23 см, трохи більше за звичайний олівець. Фюзеляж виготовили з латуні, сталі та дюралюмінію, а палива було всього 13 г. Усе це дозволяло ракеті виробляти тягу ≈ 30 кг, максимальна швидкість варіювалась у діапазоні від 110 до 140 м/с (залежно від конкретної моделі).

Головним розробником Pencil став професор Хідео Ітокава з дослідницькою групою авіоніки та надзвукової аеродинаміки (AVSA), яку він очолив. За часів Другої світової війни Ітокава працював над проєктом серійних винищувачів Ki-43 Hayabusa і був дотичний до аеронавтики.

Дивно, але вчений не планував запускати ракети у космос аж до лютого 1955 року, коли на прохання одного з колег зацікавився ідеєю розробки японської ракети-носія для участі в Міжнародному географічному році (IGY). За задумом, Pencil мав використовуватися як експериментальний макет, щоб відпрацювати на Землі всі необхідні технології для майбутнього старту, який Японія планувала втілити вже у 1958 році.

Оскільки Pencil була експериментальною ракетою, її запускали горизонтально з однією метою — подолання декількох паперових екранів, натягнутих уздовж траєкторії її руху. Починаючи з 12 квітня 1955 року, було запущено 29 ракет типу Pencil. І на кожну чекав успіх: ракети вилітали зі спеціальних стартових майданчиків та долали відстань у 10-20 м, пронизуючи паперові екрани. Після успіху першої, одноступеневої версії Pencil, група AVSA перейшла до розробки наступної, двоступеневої модифікації мініракети завдовжки 46 см, модифікації без хвостового оперення, а також одноступеневої версії Pencil з подовженим до 30 см фюзеляжем (під час вертикального запуску цей прототип досяг висоти в 600 м).

До речі, експерименти із вертикальним запуском ракет стали справжнім випробуванням для команди Ітокави, адже заради безпеки їх належало проводити поряд із береговою лінією, щоб гарантувати падіння ракети, що відпрацювала паливо, або її уламків у море. Але станом на середину 1950-х років більшість віддалених прибережних ділянок японських префектур займали американські військові. Виключення становили лише острови Садо та Мічікава, а також півострів Ога. Відвідавши всі три потенційні зони для запуску, Ітокава зупинив свій вибір на пляжі Мічікава (префектура Акіта), де й обладнали стартовий майданчик, який залишався головним полігоном для випробування японських ракет аж до 1962 року. 

Отже, Pencil стала першою експериментальною ракетою Японії, низка аеронавігаційних досліджень якої дозволила професору Хідео Ітокаві та його науковій групі перейти до розробки наступної генерації ракет, які потенційно могли досягати космічного простору.

Приціл на орбіту: поява Kappa

Після успіху горизонтальних стартів Pencil дослідницька група AVSA стояла на розпутті. Її інженери-проєктувальники окреслили два можливих шляхи подальшого розвитку: більш великі і потужні ракети наземного запуску (згодом їх назвуть Kappa) та різновид ракет повітряного запуску, старт яких мав відбуватися з корзини повітряної кулі, піднятої на декілька кілометрів над Землею. Конструкторські роботи розпочалися на обох проєктах майже одночасно.

Звукова зондувальна ракета, що мала запускатися з повітряної кулі, отримала назву Rockoon. Японська Rockoon не була оригінальною розробкою інженерного відділу доктора Ітокави — перші концепції подібних ракет реалізовані американцями ще навесні 1949 року, коли на їхньому військовому кораблі USS Norton Sound розпочалися іспити Aerobee. А вже за шість років ракети подібної конструкції (Loki I і Deacon) американці запустили з повітряної кулі поблизу Гренландії. Утім, японська Rockoon виявилася занадто складною в реалізації, і через рік після погодження проєкт згорнули.

Єдиною альтернативою залишилися ракети наземного злету. Прямим наступником Pencil були ракети Baby, яким майже вдалося сягнути швидкості звуку. Завдовжки Baby досягали 120 см, і мали одне цікаве ноу-хау — власну телеметрію, встановлену в носовій частині. Всього розробили три основні модифікації: S (тестова модифікація), T (версія з телеметрією) та R (оснащувалася парашутом для м’якого повернення на Землю). Завдяки парашутній системі вдалося здійснити перше в історії Японії повернення обладнання, що запускалось. Старти усіх трьох версій ракети Baby припали на 1955 рік. А максимальна висота, яку змогли подолати ракети цього класу, становила вже 6 км.

В один із таких експериментальних днів на дошці, де персонал полігону Мічікава писав перелік денних робіт, з’явився текст хайку, автором якого був сам Доктор Ракета — так позаочі нарекли голову проєкту, Хідео Ітокаву, після його перших успіхів. Хайку повідомляв:

Небо високе, 
А моя уява далеко над
Осіннім морем.

І справді, увесь колектив AVSA неначе одночасно усвідомив, що їхні ракети вже зовсім скоро зможуть підкорити орбіту. І там, де позначка максимальної висоти зупинялася на 6 км, невдовзі буде 60, а можливо, й більше. Нова генерація зондувальних ракет Kappa здатна втілити ці мрії у дійсність.

Перші концепції нових ракет з’явилися 1956 року. Проте найактивніший період розвитку припав на 1959-1960 роки, коли інженерна група Ітокави розробила новий різновид твердого композиційного ракетного палива, здатного запустити бустер К420В та верхній ступінь К250 ракети Kappa 8 за лінію Кармана (умовна межа початку космосу, від 100 км над рівнем моря), довівши висоту її польоту до 200 км.

Для порівняння, перші генерації Kappa — 1, 2, 4 та 6 — були лише провісницями повноцінних космічних ракет, адже пікова висота їхнього польоту становила від 40 (з №1 до №4) до 60-80 км (№6 та модифікація 6Н) над рівнем моря. Саме Kappa 6 взяла участь у ракетних запусках, присвячених Міжнародному географічному року (IGY) 1958, підготовка до якого розпочалася з розробки мініатюрної Pencil чотирма роками раніше.

Починаючи з 1960-го, відбувається стрімка еволюція ракет Kappa, які підкорюють дедалі більші висоти. У вересні 1960 року під час третього тестового запуску Kappa 8 вперше дістається позначки 200 км. А менш ніж за рік потому, у квітні 1961-го, нова версія ракети, Kappa 9L, сягає вже 350 км над рівнем моря.

Байдуже, що вантажопідйомність Kappa 9L становила всього 15 кг, ракета вже була здатна виводити невеликі корисні вантажі на низьку навколоземну орбіту. Наступна модифікація — Kappa 9M, що дебютувала 1962 року, — збільшила цей показник до 50 кг. Цього вдалося досягти завдяки установці нового, потужнішого ракетного двигуна — K420H. Модифікація 9M стане однією з наймасовіших та найживучіших зондувальних ракет Японії. Її запуски триватимуть аж до 1988 року і зупиняться на фінальній позначці у 81 запуск (лише з однією відмовою 1971 року). 

У 1962 році стало очевидно, що новим ракетам уже затісно на пляжі Мічікава у префектурі Акіта. Відтак новим майданчиком для ракетних запусків обрали ширшу пляжну зону Утіноура в префектурі Каґошіма. На цьому місці пізніше збудували повноцінний Космічний центр Каґошіма (наразі перейменований в Космічний центр Утіноура). З чотирьох його стартових майданчиків відбувається переважна більшість космічних запусків JAXA.

Останньою модифікацією ракетного сімейства стала Карра 10 — ідейна продовжувачка Kappa 9M, яка з’явилася у серпні 1965 року. Бустер ракети залишився без змін, а ось другий етап було видозмінено. Він мав тонший фюзеляж та нову версію маршового рушія — K420(1/3). Головною ціллю Карра 10 стали наукові космічні місії із запуском дослідницького корисного навантаження. На третій запуск Карра 10 оснастили детектором виявлення фотонів, а в четвертий політ вона вирушила з телескопом та датчиком інфрачервоного випромінювання.

Карра 10 також зазнала кількох модифікацій. Упродовж 1960-х років з’явилося два її різновиди: 10S та 10C. Ракета ніколи не була такою масовою, як Kappa 9M. Всього відбулося 14 запусків Kappa 10, тричі злітала Kappa 10С та лише раз — Карра 10S. Щоправда, цей єдиний запуск 10S виявився і найважливішим для розвитку японських ракет-носіїв. Саме під час цього старту ракета спромоглася досягти найвищого апогею. Ба більше, якраз тоді було випробувано технологію apogee motor, за допомогою якої пізніше новий клас ракет Lambda 4S виведе на орбіту перший штучний супутник Японії. 

Поява Lambda та перешкоди від конституції

Наприкінці 1960-х років усі типи космічних досліджень Японія здійснювала завдяки зондувальним ракетам. Однак їхній політ був закоротким для тривалої діяльності у космосі. Для цього необхідно було відправити на орбіту Землі штучний супутник, начинений експериментальним обладнанням та радіоприймачами для зворотного зв’язку із Землею. Але спершу Японія мала створити власну ракету-носій, здатну впоратися із таким завданням.

Для цілей досліджень в Антарктиді були розроблені дві одноступеневі ракети: менша за розмірами S-310 та більша S-520 (в обох випадках цифри означають діаметр ракет у міліметрах). За їхньою допомогою Японія проводила переважну більшість своїх полярних досліджень у ХХ сторіччі.

Прямим нащадком Карра стала Lambda. Розробка нової, більшої за розміром ракети стартувала паралельно із запусками Kappa. І вже 24 серпня 1963 року в повітря злетіла перша Lambda 2. Щоправда, ця місія завершилася провалом, оскільки ракета була втрачена на висоті 50 км. Наступна, успішна спроба запустити Lambda 2 відбулася у грудні того ж року, коли ракета виконала свій перший експеримент із дослідження іоносфери, піднявшись на висоту 410 км.

Та по-справжньому доленосним для ракети був 1964 рік. Саме тоді заснували Інститут космічних та астронавтичних наук (ISAS), який на десятиріччя став провідним аерокосмічним підприємством Японії. Хідео Ітокава очолив інститутську установку. Того ж року була запущена триступенева версія Lambda 3, яка досягла висоти 857 км. Запорукою цього успіху був її новий третій ступінь, який повністю повторював заключний етап ракети Карра 8. Уже за рік, під час двох наступних запусків, Lambda 3 злітали вище 1000 км, планово виконавши свої рентгенівську та іоносферну космічні місії.

Щойно японські ракети підкорили рубіж у 1000 км над рівнем моря, Хідео Ітокава почав збирати нову групу фахівців, куди увійшли науковці з Інституту промислових наук Токійського університету, новоствореного ISAS, а також група інженерів, відібраних серед співробітників Prince Motor Company, автомобільної компанії, яка 1966 року об’єдналася з автомобільним концерном Nissan. Варто зазначити, що під автомобільну Prince Motor Company перепрофілювалася тільки після закінчення Другої світової війни, до того вона мала назву Tachikawa Aircraft Company і розробляла низку провідних японських штурмовиків та винищувачів. Отже, Ітокава не просто так хотів залучити до розробки нових модифікацій Lambda саме її фахівців.

Говорячи про Lambda, цікаво також зазначити, що успіх їхньої експлуатації був унікальним ще й тому, що в цих ракетах не було датчиків системи наведення, якими обладнали майже всі балістичні ракети того часу. Головною причиною їхньої відсутності була стаття 9 повоєнної японської конституції, яка прямо забороняла розробку наступальних типів озброєння, а саме ракет, оснащених системою наведення, що було найлегшим способом за декілька хвилин перепрофілюватися з дослідницьких на мілітаристські. Отже, японське законодавство перешкоджало ракетобудівникам країни у їхньому прагненні підкорити земну орбіту.

Починаючи з 1963 року, стали на заваді й японські рибалки, які подали колективну скаргу на ISAS через небезпечність прибережних ракетних запусків. Міжвідомчі тяжби з цього питання фактично унеможливили запуск ракет у період з 1967 до 1968 року. Згодом компроміс все ж було знайдено. ISAS дозволили запускати свої ракети з прибережних космодромів лише чотири місяці на рік: у січні-лютому, та з серпня до вересня. Нові правила значно уповільнили розвиток ракет сімейства Lambda. Тож вірогідно, саме через це запуски першого японського супутника OHSUMI зазнали настiльки багато невдач.

Чотири невдачі першого супутника OHSUMI 

Концепція першого штучного супутника Японії почала з’являтися у 1961-1962 роках. Але фактично його розробки стартували лише 1965 року. За планом, країна мала запустити космічний апарат у п’ятирічний термін. Супутник OHSUMI складався з двох основних секцій: рушійної установки з титану та алюмінієвого фюзеляжу, всередині якого було розміщено корисне навантаження з трьох основних датчиків (датчик телеметрії, акселерометр та датчик температури). Загальна вага апарата становила 23,8 кг, а його радіоприймач/передавач живили звичайні побутові батарейки. 

Запустити OHSUMI 26 вересня 1966 року довірили новій, чотирьохступеневій модифікації ракети Lambda 4S (ці ракети оснащувалися двома бічними прискорювачами SB-310). Перші три етапи належно виконали свої завдання, проте у четвертого ступеня стався збій контролю положення у просторі, через що корисний вантаж ракети не потрапив на заплановану орбіту.

У грудні того ж року була друга спроба запуску OHSUMI, теж за допомогою Lambda 4S. І знову ж таки, проблеми виникли саме із заключним ступенем ракети. Цього разу після його відокремлення від третього ступеня не відбулося запалення маршового двигуна, внаслідок чого ракета втратила свій імпульс, не досягнувши потрібної для розгортання супутника висоти. 

Втретє запуск OHSUMI провалився у квітні 1967 року. Вкотре причини ті самі — на висоті 200 км двигун четвертого ступеня не зміг виконати запалення, що призвело до втрати вантажу. 

Третя невдача поспіль стала фатальною для Хідео Ітокави: невдовзі він пішов у відставку з ISAS. Учений повністю не полишив наукову діяльність — того ж року створив власну комерційну компанію з продажу технологій системної інженерії на основі аерокосмічних досліджень. Після кар’єри в ISAS у Доктора Ракети з’явився вільний час і на реалізацію своєї давньої мрії — піонер японського ракетобудування почав брати уроки балету. За п’ять років навчань дивакуватий професор навіть виступив на сцені Імператорського театру в Токіо з власною партією у балеті “Ромео і Джульєтта”. 

1969 року в Японії було створене Національне агентство космічного розвитку (NASDA). Втім, його заснування не гарантувало успіху четвертій спробі запуску супутника OHSUMI. Японська преса відверто насміхалася над провалами вітчизняних аерокосмічних інженерів. Здавалося, це фіаско зрештою поховає як проєкт OHSUMI, так і проблемну Lambda 4S, яка раз за разом не доносила супутник до орбіти.

Та все ж японці — дуже терплячий та працелюбний народ. П’ята спроба запуску OHSUMI відбулася 11 лютого 1970 року. Після того як Lambda 4S зникла з поля зору високо в небі, наземні станції почали відстеження супутника. За планом місії, успіхом вважався вихід OHSUMI на навколоземну орбіту та його повний оберт навколо планети. Відстежувати японський супутник допомагали станції космічного спостереження NASA, які одна за одною інформували своїх колег про отримання сигналу з супутника. Через більш ніж дві години сигнал від OHSUMI зафіксували і в Космічному центрі Утіноура — так Японія стала четвертою країною у світі, яка спромоглася вивести на орбіту власний штучний супутник.

Активна фаза OHSUMI (коли супутник міг передавати сигнали на Землю) склала менше 15 годин, після цього батареї його передавача повністю вичерпали свій заряд. Утім, зонд кружляв орбітою аж до 2003 року.

Уже за рік після успіху OHSUMI на орбіту потрапив перший повноцінний науковий супутник — SHINSEI, який здійснив спостереження за іоносферою та космічними й сонячними променями. А ще за декілька років було запущено перший супутник для рентгенівського спостереження — HAKUCHO. Стартувала супутникова ера Японії, і починаючи з 1971-го, Країна Сонця, що сходить, запускала приблизно один науковий супутник на рік.

1970 рік став переломним і з точки зору ракетної галузі — на заміну доволі неточним Lambda прийшла нова генерація ракет Mu (також відома як просто М). Її найбільш вдалі модифікації M-3S та М-4S разом вивели на орбіту не один десяток японських супутників, а різні версії Mu експлуатувалися Японією впродовж 40 років (з 1966 до 2006 року).

Та 1970-ті роки привнесли у ракетобудівну галузь Японії іще одне визначне нововведення. Наприкінці 1960-х американський президент Ліндон Джонсон звернувся до керівництва Японії з пропозицію повернути країні контроль над островом Окінава й архіпелагом Огасавара, які американські війська окупували з 1945 року. Однією з умов цього повернення стала вимога щодо придбання японцями американської ліцензії на ракету-носій Thor-Delta.

Такий одноосібний тиск з боку американців щодо придбання їхньої ліцензії здебільшого означав пряму вимогу до Японії відмовитися від розробки та виробництва власних ракет-носіїв та поступове занурення її у технологічну залежність від американської ракетно-промислової бази. Але бажання повернути контроль над втраченими територіями переважило прагнення до незалежного розвитку власної ракетної промисловості. Відтак 1970 року угода була ратифікована.

Компанія Mitsubishi Heavy Industries розпочала розробку перших ракет серії N-1 (Nippon 1), що, на превеликий подив, аж ніяк не ослабило японський космос. Читайте про це та інші видатні події космічної програми Японії у продовженні нашого матеріалу.