Hogyan kommunikáltak a korai műholdakkal

Már első űreszköznél - ami a Szputnyik volt - is komoly követő hálózatot kellett kiépíteni. Vajon miért, hiszen csak egyszerű bip-bip jeleket adott 20 és 40 MHz-en, amit akár amatőr eszközökkel is foghattak? A jel nem is volt olyan egyszerű, hiszen a négyszögjel kitöltési tényezője az űrszonda belsejében uralkodó nyomás és hőmérséklet nagyságától függően változott, tehát már egy ilyen mezei módszerrel is adatokat küldtek a földre, de kezdjük az elejéről.

A kozmoszból már a múlt század harmincas éveiben is vettek jeleket, de a mélyűr kommunikáció és a rádiócsillagászat kezdetét az 1946-ban történt Hold visszhang kísérlet jelentette, hiszen ott egy égitestről visszavert rádiójelet sikerült befogni hazánkban Bay Zoltán kutatócsoportjának, és Amerikában - lényegesen jobb feltételek mellett - egy tudós csapatnak nagyjából azonos időben. Ma már tudjuk, hogy az űr meghódítása is a hadiipar mellékterméke volt, ugyanis az R-7 kódjelű szovjet rakéta , ami a Szputnyikot az űrbe vitte valójában eredetileg nukleáris robbanófejek célba juttatására készült. Már a ballisztikus rakéták követésére igen korán létre kellett hozni egy nyomkövető rendszert, ami nagy kihívást jelentett az akkori viszonyok mellett. Mérőállomások kiterjedt rendszerét építették, hiszen folyamatosan ismerni kellett a jármű sebességét, haladási irányát, valamint korrekciós parancsok küldésével szükség esetén módosítani azokat.

Az R-7 rakéta vezérléséért felelős nyomkövető rendszer eleinte kilenc állomásból állt, amik szimmetrikusan helyezkedtek el a repülési irány mindkét oldalán. A méretekre jellemző, hogy pl. a hatos számú állomás, ami a legnagyobb volt, 38 tisztet és 139 katonát foglalkoztatott. Az állomások minden akkoriban elérhető eszközt felhasználtak a rakéta követéséhez, ezek főleg korlátozott hatótávolságú és pontosságú radarok voltak különböző optikai eszközökkel kiegészítve. 1956-ban a szovjet kormány jóváhagyta az R-7 rakéta használatát az első mesterséges hold elindításához. A speciális parancs- és vezérlési infrastruktúrát a program támogatására fel lehetett használni. 1957. május 8-án a Szovjet Védelmi Minisztérium elrendelte, hogy létre kell hozni egy központot, ami az űrhajók vezérlését, és a velük való kommunikációt irányítja, valamint ki kell építeni az ehhez szükséges infrastruktúrát. Engedélyezték a meglévő állomások átalakítását. A teljes hálózatot "Command and Measurement Complex" vagy röviden KIK-nek nevezték el. Az 1957 októberére telepített eredeti KIK hálózat 13 állomást tartalmazott, de a Szputnyik-1 indítására még nem készült el teljesen minden egység, persze hiába is fejezték volna be az összes állomást akkor is csak a Szovjetunió felett elhaladó pályát tudták szemmel tartani, mivel a műhold megkerülte a földet.

1957 nyarán már működött a világ akkori legnagyobb irányítható rádióteleszkópja Angliában. A Jodrell Bank Lovell Telescope néven ismert szerkezet a maga 76 méteres átmérőjével természetesen beszállt a Szputnyik követésébe, és érzékenységéből adódóan a leghosszabb pályaszakaszt tudta átfogni. Ezt a teleszkópot többször is használták űreszközökkel való kommunikációra, és pl. az amerikai Pioneer szondára parancsokat is küldtek rajta keresztül. Sir Bernard Lovell (1913-2012) a létesítmény vezetője elárulta, hogy a hadsereg is támogatta, de cserébe a tudományos munka mellett ballisztikus rakéta előjelző állomásként is működniük kellett egészen 1963-ig.

A Szputnyik 1 csak egyirányú kommunikációra volt képes, az általa hordozott 2 darab 1 W-os elektroncsöves rádióadó nyomás és hőmérséklet adatokat sugárzott a földre egy egyszerű kódolási metódussal, a bip-bip jelek hol hosszabbak, hol rövidebbek voltak, és ebből olvasták ki a megfelelő értékeket. Több műszert is pakolhattak volna bele, de a fejlesztőcsapat vezetője Koroljov nem engedélyezte, hiszen az időveszteség miatt elúszhatott volna az űrelsőség. Lenti képen láthatjuk az egyik ilyen rádióadót az Energia Múzeumban.

Ezután jött a Szputnyik 2, ami még mindig csak adatokat sugárzott, de már sokkal többet, hiszen fedélzetén élőlény is tartózkodott. Az új műszerek (röntgen, UV és kozmikus sugárzás mérő) mérési eredményeit, valamint a Lajka kutya életjeleit figyelő piezoelektromos vérnyomás távadó, EKG elektródák és különböző szenzorok adatait átalakították, és a K-7 (Tral) telemetriai rendszerrel továbbították, ami a második fokozatba volt beépítve, és eredeti funkciója a rakéta üzemi paramétereinek távjelzése lett volna. Ez a fokozat nem vált le az űreszközről, és ez tartalmazta a félkörív alakú antennákat is. Az első Szputnyikon található 20 és 40 MHz-es Bip-Bip adók ide is felkerültek, de a Tral rendszer kódolt adatait egy 66 és egy 70 MHz-es rádióadóval sugározták a földre, amiknek még a létezését is eltitkolták. Ahhoz, hogy a második műhold minden rezzenését megfigyeljék, ki kellett egészíteni a követő hálózatot tehergépkocsikra szerelt mobil állomásokkal, valamint a szovjet Távol-Keleten nyitott vasúti kocsikra telepített egységekkel.

A Szputnyik-3 (Object D) 1958 május 15-én már új korszakot nyitott (fenti kép), ugyanis először alkalmazták a radaralapú Binokl-D (binokuláris) nyomkövető és rögzítő rendszert, valamint az MRV-2M rádiórendszert, amely lehetővé tette parancsok küldését is. A harmadik szovjet műhold egy komplett űrlabor volt, megpakolták mindennel. Saját akkumulátorai mellett már napelemek is szolgáltattak energiát rajta. A telemetriai  rendszert Tral-D, vagy Bambuk-D néven ismert, és a következőképpen működött:  az összes műszer, és érzékelő jelét impulzusokká alakították, és meghatározott sorrend szerint moduláltak vele egy 66 MHz-es adót, aminek a jelét a 4 darab Tral-D antenna sugározta a földre. A Binokl-D nyomkövető rendszer lényege pedig az volt, hogy a földről érkező radarjelet (2,7-2,9 GHz) felfogta, majd felerősítve visszasugározta. Öt kijelölt követő állomás vette a visszaérkező jeleket, ezek össze voltak kötve egy Moszkvában található központi számítógéppel, ahol feldolgozták az adatokat. Ezt egy Strela-2 komputer végezte 6200 darab elektroncsővel és 60 000 félvezető diódával (lenti kép).

Az MRV-2M egy 12 csatornás a földi parancsok vételére alkalmas berendezés volt, ami a 47,9-49 MHz-es sávban dolgozott a legalsó kinyíló antennán keresztül. Az orrkúp tetején láthatjuk a Mayak 20 MHz-en működő 0,25 W-os jeladó antennáját, ami kizárólag napelemekről üzemelt, ezért az élettartam legvégéig működőképes maradt. Ez a készülék szintén impulzus csoportokat továbbított a föld felé, amivel maximum 9 féle mérési értéket lehetett küldeni. A jelsorozatot a rádióamatőrök is fogták, és az ismétlődési periódusokból morze jeleket véltek kihallani, hiszen csak a jeladó funkciót ismerték, az adatátviteli rendszer nem volt publikus.

Az USA sokkhatásként élte meg a Szputnyik 1 és 2 indítását, de válaszolt a kihívásra. Érdekes, hogy egyik nagyhatalom sem azzal akarta kezdeni az űrkorszakot amit először elindított, csak rájöttek, hogy valami egyszerű eszközt kell fellőni a gyorsabb siker érdekében. A szovjet diadalra válaszul 1957 december 7-én a Vanguard program keretében a TV-3, azaz Test Version-3 műhold állt fel a kilövő állványra, de élő adásban gyulladt ki a rakéta alatta. A jól megtermett narancs méretű eszköz a rakéta közelében pottyant le, és kisebb horpadásokkal megúszta a dolgot, rádióadói vidáman sugároztak tovább. A sérült műholdat láthatjuk a lenti képen szétszerelt állapotban. Az aprócska hold 2 darab rádióadót hordozott magában, az egyik 108.00 MHz-en működött 10 mW teljesítménnyel, a másik pedig 108.03 MHz-en sugárzott mindössze 5 mW-al. Mindkét adó rendkívül egyszerű 1 tranzisztoros áramkör volt, a kisebbik kizárólag a szonda oldalán található pici napelemekről táplálkozott.

1958. január 31-én megannyi kudarc után végre föld körüli pályára állt az Explorer-1 (kódneve alfa). A műhold főműszere egy Geiger-Müller csöves sugárzásmérő volt, amely a kozmikus sugárzást mérte, de ezen kívül egy belső hőmérséklet érzékelő, két külső hőmérséklet érzékelő, egy orrkúp hőmérő, egy mikrometeorit-becsapódás érzékelő mikrofon, valamint egy mikrometeorit-erózió mérő is felkerült. Ezek adatait két csatornán küldték a Földre, egy 60 mW teljesítményű, a 108,03 MHz frekvencián sugárzó, és egy 10 mW teljesítményű, a 108,00 MHz-en sugárzó adón keresztül. Az antennák is két szekcióban kerültek felszerelésre: az egyik egy üvegszálas belső rúdantenna volt, míg a másik egy négy rúdból álló kereszt-antenna, amelyet a forgás centrifugális ereje feszített ki.

A műhold követését az addigra teljesen elkészült Minitrack hálózat végezte. A rendszer kiépítéséhez 1,5 év kellett. A lenti kép jobb felső sarkában láthatjuk, hogy a műhold pályája Amerikát alig érintette, a Szovjetuniót pedig teljesen elkerülte. 11 állomásból állt a teljes rendszer, ebből 6 darab Dél-Amerikában volt (Kubában is egy), 1 Ausztráliában, 2 az USA területén, valamint 1 az Antiqua és 1 a Grand Turk szigeten. Az állomások interferometrikus méréssel határozták meg a korai űreszköz pozícióit, ehhez az kellett, hogy összeszinkronozzák a saját óráikat, mert a pontos időhöz viszonyították a rádiójel beérkezési idejét. Legalább 2 állomásnak látnia kellett a műholdat ahhoz, hogy meg tudják határozni a pozícióját. Az óraszinkronozás a WWV rádióhálózat jelére történt, ami folyamatosan továbbította a hivatalos időt. Eleinte a rendszer üzemeltetése nem volt problémamentes. A kubai állomást gyorsan költöztetni kellett, sok másik pedig civilizációtól távoli helyekre épült, ahol a személyzetnek morális gondokkal is meg kellett küzdeni. A Minitrack állomások nem bírták követni a Szputnyikot, ezért kiegészítő egységeket telepítettek melléjük, hogy legalább a 40 MHz-es adót tudják fogni.

Felállítottak még 12 darab optikai nyomkövető állomást is. Úgy lett volna ideális, ha ezek a Minitrack bázisoknál kapnak helyet, de a két rendszer eltérő követelményei miatt ez nem valósult meg. Egyedül az ausztrál állomáson működött a dolog. A lenti képen az optikai  állomásokon használt Baker-Nunn műholdas nyomkövető kamerát láthatjuk. Mielőtt a Vanguard program befejeződött egy másfajta megfigyelő hálózat is kialakult, 250 csapat mintegy 8000 taggal. A csapatokat az egyetemek, a középiskolák, a kormányzati szervek, a kereskedelmi szervezetek, a tudományos klubok és a laikusok csoportjai szervezték. Csak az Egyesült Államokban 126 működött. A csoportok legtöbbször amatőr csillagászok köré szerveződtek, és mindenáron el akarták csípni a műholdat.

Az első amerikai műholdak követése a következőképpen történt: A hadseregnek a kilövőhelyhez viszonylag közel Floridába és a Bahama szigetekre telepített AN / FPS-l6 nagy pontosságú radarjai a start után közvetlenül rátapadtak az eszközre, és az általuk szolgáltatott adatok az IBM központba futottak be. A cég felajánlotta akkori legkorszerűbb számítógépét. Az IBM 704 (lent balra) még lyukkártyán fogadta az adatokat, és kiszámolta a műhold pályáját, amit elküldtek a Minitrack állomásoknak, hogy azok fel tudjanak készülni a megfigyelésre. Lent jobbra egy Minitrack állomás belseje látható.

Az Explorer sikere mellett a Vanguard program is tovább folytatódott és 1958 március 17-én a Vanguard-1 sikeresen Föld körüli pályára állt, ami gyakorlatilag ugyanaz volt mint a TV-3. A napelemmel működő kisebbik 5 mW-os adója 7 évig működött, míg a nagyobbik 10 mW-os 20 nap után elhallgatott, mert lemerült a telep. A nagy kezdő pályamagasság miatt ez a hold ma is kering, de már csak egy darab vas.

Az Explorerek sorában a kettes pályára állítása a rakéta fokozat hibája miatt meghiúsult, ezért az Explorer-3 lett a következő 1958 március 26-án. A gamma kódnevű szerkezet az alfához képest komoly plusz egységeket kapott. Saját órajel generátora volt (512 Hz), valamint parancsvevő egysége és magával vitt egy adatrögzítő mini magnetofont is a sugárzásmérő adatainak tárolására. A magnót a földről lehetett vezérelni egy 150 MHz-es vivőn keresztül küldött füttyjellel, ami egy relét kapcsolgatott. 4 mm széles magnószalagra rögzítette azt a négyszögjelet, amit az analóg műszerek kimeneti értékeit tartalmazta impulzus szélesség moduláció formájában. A készülék érdekessége volt, hogy rögzítés közben egy órarugóhoz hasonlító szerkezetet felhúzott, majd amikor véget ért a szalag ennek az energiájával visszacsévélte az elejére, ezután lehetett földi paranccsal elindítani a lejátszást, és az adatokat lekérni a 150 MHz-es adóval. A tárolóeszközre azért volt szükség, mert egyes zónákban nem volt kapcsolat a műholddal, és az ott begyűjtött adatok se vesszenek el. Az egész gamma 107 darab tranzisztorból épült fel, és mikroprocesszor híján ezekkel volt kénytelen működni.

1959. március 8-án indult Vanguard 2, amely szintén vitt magával parancsvezérelt magnetofont, ami két fotocellával felszerelt távcső fényerőméréseit rögzítette.  1959. szeptember 18-án fejeződött be a Vanguard program a hármas számú műholddal. A végeredmény 8 sikertelen, és három sikeres indítás. Az Explorer és a Vanguard programok egymással párhuzamosan zajlottak, ugyanaz a hálózat kommunikált velük, ezért elektronikus felépítésük hasonló volt, sőt bizonyos részegységek teljesen megegyeztek.

Forások: russianspaceweb.com, nasa.gov, explorer.lib.uiowa.edu, Wikipédia