К следующему запуску готовились с особой тщательностью. 16 августа состоялся торжественный вывоз ракеты на старт с расчетом запустить ее на следующий день. Неожиданно на носителе забраковали главный кислородный клапан, и пришлось задержать пуск, пока специальным рейсом не привезли новый из Куйбышева-Самары. Больше всех по этому поводу переживали медики. Они уверяли, что подопытные собаки от непривычной обстановки стартовой позиции «сойдут с ума» раньше, чем доберутся до космоса. Но животные стоически перенесли задержку.
19 августа 1960 года с полигона Тюратам успешно стартовала ракета-носитель «Р-7А», которая вывела на орбиту высотой 306 км в перигее и 339 км в апогее беспилотный корабль «1К» № 2 массой 4600 кг, получивший официальное название «Второй космический корабль-спутник». На его борту находились собаки Белка и Стрелка (из рабочих документов следует, что до полета их звали Вильной и Каплей соответственно). Обе собаки были небольшими и светлой масти. Белка весила четыре с половиной килограмма, Стрелка – на килограмм больше. Как и у Лайки, у новых собак-космонавтов регистрировались артериальное давление, электрокардиограмма, тоны сердца, частота дыхания, температура тела и двигательная активность. На орбите они были не одни: в отдельном герметичном контейнере, расположенном в той же катапультируемой установке, находились две белые крысы и двенадцать белых и черных мышей, насекомые, растения и грибы. Вне катапультируемого контейнера помещались еще двадцать восемь мышей и две крысы. Кроме того, в спускаемом аппарате разместили пакеты с семенами различных сортов кукурузы, пшеницы и гороха, чтобы проверить воздействие космического полета на их урожайность.
Наблюдения за животными велись с помощью системы «Селигер» с двумя телекамерами, снимавшими собак анфас и в профиль. На Земле изображение фиксировалось на кинопленку. Благодаря этой съемке, а также расшифровке медицинских параметров выяснилось, что на четвертом и шестом витках Белка вела себя крайне неспокойно, билась, старалась освободиться от привязных ремней, громко лаяла. Потом ее вырвало. Позднее этот факт называли в числе определивших выбор длительности первого полета человека – один виток.
Перед спуском с орбиты вновь отказала основная система ориентации, построенная на инфракрасной вертикали. Сергей Королёв был в бешенстве, но его успокоили, объяснив, что это хороший шанс испытать резервную систему, ориентирующуюся по Солнцу. 12 августа Научно-измерительный пункт № 4 (НИП-4, Енисейск) выдал команду на запуск программно-временного устройства «Гранит-5В», обеспечивающего последовательность операций спуска.
Сработала тормозная установка ТДУ-1, спускаемый аппарат отделился от приборного отсека, вошел в атмосферу и приземлился в треугольнике Орск-Кустанай-Амангельды с отклонением лишь на 10 км от расчетной точки. Он пробыл в космосе 1 сутки, 2 часа и 23 минуты, совершив 17 витков вокруг Земли.
В отличие от предыдущих собак, клички и факт гибели которых надолго засекретили, Белка и Стрелка стали знаменитыми. Во многих советских школах после возвращения корабля проводились специальные уроки хорошего отношения к дворнягам. Рассказывают, что на Птичьем рынке в Москве резко увеличился спрос на беспородных щенков.
Собаки быстро реабилитировались после полета. Позднее Стрелка дважды приносила здоровое потомство – шесть щенков. Каждый из них был на учете, и за него персонально отвечали. Через год, в августе 1961-го, Никита Сергеевич Хрущёв отправил щенка по кличке Пушок в подарок Жаклин Кеннеди, жене президента США.
Злополучную систему ИКВ, которая подвела уже во второй раз, решили с будущих кораблей снять. Основной стала схема солнечной ориентации с фотоэлектрическим прибором «Гриф» – на нее же вывели два контура управления микродвигателями, оставив третий за пилотом.
Хотя запуск и полет нового корабля «1К» состоялись значительно позже намеченного, ракетчики вдохновились очевидным успехом, имевшим широкий международный резонанс, и задумали осуществить запуск пилотируемого корабля в декабре 1960 года!
Чтобы обосновать реальность осуществления столь амбициозного плана, Сергей Королёв во второй половине августа поручил своему бюро ударными темпами разработать модификацию пилотируемого корабля «Восток-3», получившую в документах обозначение «ЗКА» («Восток-3А») и рассчитанную на одновитковой полет. В корабле предлагалось разместить оборудование, прошедшее проверку на других кораблях, и снабдить его системой аварийного спасения. При этом, в случае отказа ТДУ-1, ресурсы корабля позволяли ему поддерживать жизнедеятельность космонавта десять полных суток – под такое время выбиралась и орбита, чтобы в случае проблем «3КА» сам сошел бы с нее, тормозя в верхних слоях атмосферы.