Вторая ступень с двигателем была создана фирмой «Аэроджет Дженерал» («Aerojet General»). Окислителем в ней служила азотная кислота, а топливом — несимметричный диметилгидразин. Третья ступень работала на твердом топливе.

Процесс запуска спутника должен был выглядеть следующим образом. После вертикального старта ракета отклоняется в юго-восточном направлении, поэтому полного использования скорости вращения Земли не происходит. Отклонение ракеты от вертикали в конце работы двигателя первой ступени составит угол в 45°. В момент выключения двигателя ракета будет находиться на высоте 58 километров и на несколько меньшем расстоянии по горизонтали от места старта.

Сразу после отделения первой ступени начинает работать двигатель второй ступени, при этом угол наклона траектории к горизонту непрерывно уменьшается. Все приборы управления находятся во второй ступени ракеты. В головной части третьей ступени под защитой обтекаемого конуса устанавливается сам искусственный спутник. С началом работы двигателя второй ступени ракета поднимается на такую высоту, что всякая необходимость в обтекаемом конусе отпадает и он становится бесполезным грузом. Поэтому вскоре после начала работы двигателя второй ступени носовой конус сбрасывается.

Окончание работы двигателя второй ступени совпадает с подъемом ракеты на высоту порядка 225 километров. Далее вторая ступень по инерции поднимается, в зависимости от угла наклона, до высоты 320–480 километров. Эта высота достигается ракетой через 10 минут после старта на удалении 1130 километров от места пуска, после чего вторая ступень отделяется и падает в океан, пролетев в общей сложности по горизонтали около 2250 километров.

В течение некоторого времени после выключения двигателя второй ступени вторая и третья ступени продолжают по инерции набирать высоту, оставаясь соединенными друг с другом. В какой-то определенной точке пассивного подъема ракета начинает вращаться, обеспечивая тем самым стабилизацию третьей ступени. Как только ракета достигает максимальной высоты и выходит на участок траектории, параллельный поверхности Земли, включается двигатель третьей ступени, а вторая ступень отделяется от нее.

После этого третья ступень, двигаясь по касательной к поверхности Земли, вылетает за пределы земной атмосферы. Во время пассивного подъема второй и третьей ступеней, естественно, теряется часть скорости, поэтому третья ступень начинает активный полет со скоростью, составляющей примерно половину орбитальной скорости, то есть не более 3,2 км/с. Когда в двигателе третьей ступени выгорает все топливо, она развивает скорость, необходимую для движения по орбите; в этот момент спутник и должен быть отделен от третьей ступени. Механизм, разработанный для этой цели, представляет собой сжатую пружину, которая отпускается по сигналу инерционного отметчика времени, рассчитанного на период работы двигателя третьей ступени. Растягиваясь, эта пружина выталкивает сферический спутник из ракеты-носителя. Это отделение происходит со скоростью всего лишь 0,9 м/с относительно ракеты-носителя, поэтому, окончательно отделившись от спутника, третья ступень (ракета-носитель) также продолжает движение по орбите, становясь вторым спутником Земли.

Интересно, что специалисты, работавшие над программой «Авангард», предлагали при одном пуске получить не два, а сразу три спутника! Это могло быть сделано за счет установки в ракете-носителе так называемого «подспутника», представляющего собой сложенный пластмассовый воздушный шар, покрытый алюминиевой фольгой и имеющий диаметр основного спутника (50 сантиметров). В этом воздушном шаре предполагалось установить небольшой газовый капсюль, который наполнил бы шар после его отделения от ракеты-носителя.

Орбита искусственного спутника Земли должна быть эллиптической. Самой низкой точкой ее (перигей) будет то место, где произойдет выгорание топлива в двигателе третьей ступени. Так как высота перигея и высота при полном выгорании топлива одинаковы, определить расстояние до перигея довольно легко. Самая высокая точка орбиты (апогей) расположена в прямо противоположном направлении от перигея. По предварительным расчетам по проекту «Авангард», высота спутника в апогее должна была составить 1300 километров, но в дальнейшем эта цифра была увеличена до 2000 километров.

Сам спутник также претерпел изменения в ходе работ над проектом. Первоначально планировалось, что спутник «Авангард» будет весить около 9 килограммов. Такой спутник уже можно было оборудовать некоторыми измерительными приборами. Имея на борту небольшой источник питания и фотокамеру, спутник мог бы передавать цветные изображения на Землю.

Однако запуск первого советского спутника, состоявшийся 4 октября 1957 года, смешал все карты. В конечном виде спутник «Авангард-1» («Vanguard-1») весил всего 1,36 килограмма и имел на борту только два примитивных передатчика, передающих сигналы на частотах 108 и 108,03 МГц. Первый получал питание от аккумуляторной химической батареи мощностью 10 мВт, второй — от шести солнечных батарей суммарной мощностью 5 мВт, установленных на внешней поверхности спутника.

Надо отдать должное президенту Эйзенхауэру, он довольно быстро справился с тем страхом и изумлением, которые испытали американцы, осознав свое отставание в самом амбициозном проекте столетия. Если же учесть, что президент как бывший военный мог оценить всю глубину этого отставания, элементарно сравнив 9 килограммов полезной нагрузки «Авангарда» с 84 килограммами «Спутника-1», то самообладание Эйзенхауэра можно ставить в пример всем другим политикам. Уже 9 октября (в день, когда «Правда» наконец опубликовала полную информацию о спутнике) он выступил на пресс-конференции в Белом доме с поздравлениями в адрес советских ученых. В своей речи президент вкратце рассказал о том, что делается по проекту «Авангард», и обещал, что первый американский спутник будет выведен на орбиту еще до истечения года.

11 октября в Белом доме разрабатывается документ, предлагающий самые энергичные шаги для ускорения всех ракетно-космических программ. 14 октября Эйзенхауэр проводит многочасовую беседу с министром обороны Нейлом Макэлроем; в ходе этой беседы обсуждались космические проекты, развитие которых позволило бы в кратчайшие сроки устранить отставание США в космической «гонке».

Тут следует сказать, что на следующий день после того, как стало известно о запуске советского спутника, Вернер фон Браун обратился к министру обороны с предложением о возрождении проекта «Орбитер» на новом технологическом уровне. При этом «ракетный барон» утверждал, что его спутник выйдет на орбиту уже через 60 дней!

Но тут, видимо, взыграла национальная гордость. Предложение фон Брауна снова отклонили, сосредоточив усилия на доведении до логического конца программы «Авангард». Тем более что представители флота бодро рапортовали о своей готовности в скором времени осуществить исторический старт.

И действительно 23 октября 1957 года (через 19 дней после «космического Перл-Харбора») состоялся пробный суборбитальный запуск прототипа системы «Авангард», которой было присвоено обозначение «TV-2» (сокращение от «Test Vehicle» — «Модель-лаборатория»). Во время этих испытаний отрабатывалась первая (стартовая) ступень ракеты-носителя, поэтому вместо второй и третьей ступени были установлены макеты. Запуск был признан успешным. Ракета «Авангард» сумела достигнуть высоты 175 километров и скорости 1,9 км/с.