Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого понадобится. В NASA решили проверить довольно простую идею: поднять над Землёй большой отражатель радиоволн. Так появился Echo 1 — серебристый надувной шар диаметром 30,5 метра, примерно с десятиэтажный дом.

Он вышел на орбиту 12 августа 1960 года. Точнее, успешно запущенный аппарат назывался Echo 1A: первая попытка несколькими месяцами раньше закончилась аварией ракеты. Но в историю удачный спутник вошёл преимущественно под коротким именем Echo 1. Стальных стенок у него не было — огромную сферу сделали из тонкой полимерной плёнки с алюминиевым покрытием.

Как шар передавал телефонные разговоры

На одной наземной станции речь преобразовывали в радиосигнал и направляли его на спутник. На другой принимали отражение от оболочки и снова получали звук. Шар отражал радиоволны без усиления, а всю работу по передаче и приёму выполняла аппаратура на Земле.

Для этих опытов использовали микроволновые диапазоны. Передавать такой сигнал напрямую между далёкими наземными станциями мешает кривизна Земли. Спутник на высоте около 1600 километров был виден сразу из удалённых друг от друга районов, поэтому отражение от него позволяло провести радиолинию через космос. Нужно было лишь дождаться, когда он окажется над горизонтом у обеих станций, и точно направить на него антенны.

Большой размер шара помогал перехватить больше энергии направленного на него сигнала. Однако отражённые радиоволны расходились в пространстве, и до приёмной антенны доходила лишь малая часть. Поэтому простота спутника оборачивалась серьёзными требованиями к наземным станциям. Для опытов понадобились мощные передатчики, чувствительные приёмники и большие антенны.

В Калифорнии со спутником работали через антенны диаметром 26 метров. На другом конце линии находилась станция в Нью-Джерси. Такая система позволяла проверить связь между удалёнными частями страны, хотя пользоваться ею как обычной постоянно доступной телефонной линией было бы неудобно: спутник двигался, а вместе с ним менялись условия приёма.

Как тридцатиметровый спутник поместился в ракете

На Земле оболочку складывали и укладывали в небольшой контейнер. Она была сделана из майлара — полиэфирной плёнки толщиной около 0,013 миллиметра. Тонкое алюминиевое покрытие придавало ей серебристый вид и позволяло отражать радиоволны. Полая конструкция получалась лёгкой и занимала мало места, пока была сложена.

После выхода на орбиту контейнер раскрывался. Оставшийся внутри оболочки воздух расширялся, и шар начинал расправляться. Форму затем поддерживали специальные вещества внутри: при нагреве они постепенно переходили из твёрдого состояния в газообразное. Возникавшее давление растягивало плёнку и помогало сохранять сферическую поверхность.

Снаружи находилось почти пустое пространство, поэтому для расправления плёнки хватало небольшой разницы давлений. Но само раскрытие требовало аккуратного расчёта. Складки должны были расходиться без разрывов, а газ — расправлять большую поверхность, не разрушая тонкий материал.

Перед запуском инженеры испытывали оболочки на Земле. Их интересовало, как плёнка переносит складывание, раскрытие и растяжение, насколько ровным получается шар. Для связи это имело прямое значение: смятая или деформированная поверхность отражает сигнал иначе, чем та сфера, на которую рассчитывали при подготовке опыта.

Что удалось проверить на орбите

Уже в день запуска через Echo передали записанную речь из Калифорнии в Нью-Джерси. Затем проводились опыты с двусторонней голосовой связью и различными способами передачи сигнала. Исследователи измеряли потери, сравнивали качество приёма и выясняли, насколько хорошо расчёты описывают настоящую радиолинию через движущийся спутник.

При этом Echo не был полностью лишён электроники. Он нёс радиомаяки, передававшие служебные сведения, и источники питания для них. Эти устройства помогали следить за аппаратом. Телефонный сигнал между наземными станциями они не ретранслировали: для него по-прежнему использовали отражение от большой оболочки.

Серебристый шар отражал и солнечный свет, поэтому его можно было увидеть с Земли невооружённым глазом. Он выглядел как яркая движущаяся точка. Наблюдения за его положением были полезны не только связистам: огромная площадь при небольшой массе делала спутник чувствительным к давлению солнечного света и торможению в крайне разреженной верхней атмосфере.

Изменения орбиты позволяли изучать эти слабые воздействия. Шар постепенно терял высоту и в конце концов вошёл в плотные слои атмосферы 24 мая 1968 года. Почти восемь лет на орбите не означают, что всё это время он сохранял первоначальную форму или непрерывно использовался для телефонной связи. Его состояние менялось, а задачи наблюдений выходили далеко за рамки первых опытов со связью.

Почему спутники связи не остались надувными

У Echo довольно рано начала ухудшаться форма оболочки. Газ понемногу уходил, поверхность сминалась, а внешние воздействия меняли очертания шара. Из-за этого отражённый сигнал становился менее ровным. Продолжительность существования спутника на орбите оказалась гораздо больше времени, в течение которого он сохранял наиболее удобную для опытов поверхность.

Даже идеально гладкий шар оставался пассивным отражателем. Он не мог усилить ослабевший сигнал и направить его обратно на Землю так, как это делает ретранслятор с собственной антенной. Улучшать связь приходилось за счёт больших наземных антенн, мощности передатчиков и чувствительности приёмников. Для расширения сети такой подход был неудобен.

Активные спутники принимают сигнал, усиливают его и передают дальше с помощью собственной радиоаппаратуры. Для этого нужны питание и более сложное устройство самого аппарата, зато можно усилить слабый сигнал и направить передачу в нужную область. Когда в 1964 году запустили более крупный Echo 2, другие типы спутников уже показали свои преимущества для связи.

Поэтому главным результатом Echo стал сам успешно проведённый эксперимент. Через лёгкий шар из плёнки удалось передавать речь, измерять характеристики радиолинии и проверять оборудование наземных станций. Десятиэтажный размер понадобился ему по вполне практической причине: чем больше был отражатель, тем легче было принять на другом конце страны слабое радиоэхо из космоса.