Rakieta – Saturn V

Saturn V - Start Apollo 11. 16.7.1969

Saturn V – wielostopniowa rakieta kosmiczna jednokrotnego użytku na paliwo ciekłe, wykorzystywana przez NASA w programach załogowych lotów kosmicznych Apollo i Skylab. Była to największa z rakiet należących do rodziny Saturn. Została zaprojektowana przez zespół pod kierownictwem Wernhera von Brauna i Artura Rudolpha w instytucie Marshall Space Flight Center przy udziale firm Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company, oraz IBM.

Głównym powodem budowy rakiety Saturn V był program Apollo, którego cel stanowił załogowy lot na Księżyc (zrealizowany misją Apollo 11). Rakiety typu Saturn V wykorzystywano w latach 1967-1973 podczas 13 misji załogowych. Godny zauważenia jest fakt wysokiej bezawaryjności tej konstrukcji, bowiem podczas eksploatacji doszło jedynie do dwóch niewielkich awarii rakiety (podczas misji Apollo 6 i Apollo 13 nastąpiła awaria jednego z silników, jednak komputer pokładowy zdołał wyrównać spadek mocy).

Historia powstania konstrukcji
Na początku lat 60. XX wieku ZSRR prowadził w wyścigu kosmicznym. W 1957 Sowieci umieścili na orbicie pierwszego satelitę Sputnika 1, a 12 kwietnia 1961 Jurij Gagarin został pierwszym człowiekiem w kosmosie.

25 maja 1961 prezydent Stanów Zjednoczonych Kennedy ogłosił, że Ameryka wyśle do końca dziesięciolecia ludzi na Księżyc. W tym czasie jedynym załogowym lotem kosmicznym USA był 15-minutowy suborbitalny Freedom 7 z Alanem Shepardem na pokładzie. Na świecie wówczas nie było rakiety zdolnej wynieść załogową kapsułę w kierunku Księżyca. Projektowano rakietę Saturn I, lecz było ona za słaba by móc wynieść ludzi na na srebrny glob.

We wczesnych planach NASA rozważała trzy możliwości lotu.

• Lot bezpośredni, w którym cały statek kosmiczny lądowałby na Księżycu i z niego wracał.
• Spotkanie na orbicie okołoziemskiej wymagające lotu dwóch rakiet: jednej z kapsułą i drugiej z paliwem. Tu także cały pojazd kosmiczny miał lądować na Księżycu.
• Spotkanie na orbicie okołoksiężycowej, projekt który został przyjęty, gdzie statek kosmiczny składał się z modułu serwisowego i dowodzenia – Apollo Command/Service Module (CSM) i modułu lądownika – Lunar Module (LM). CSM miał przetransportować trzyosobową załogę w kierunku Księżyca oraz umożliwić bezpieczne wejście w atmosferę ziemską w czasie powrotu. LM miał odłączyć się od modułu CSM na orbicie Księżyca i bezpiecznie wylądować.

Saturn C-1 do C-4

Pomiędzy 1960 a 1962 rokiem Marshall Space Flight Center projektowało rakiety służące do różnych misji.

• Saturn C-1, który został nazwany Saturn I
• Saturn C-2, z którego wyłonił się Saturn C-3
• Saturn C-3 – Chciano go wykorzystać w koncepcji Lotu bezpośredniego, lecz wymagałoby to pięciu startów do wykonanie jednej misji. Posiadałby on 2 silniki F-1 w pierwszym stopniu, 4 silniki J-2 w drugim stopniu oraz człon S-IVB z sześcioma silnikami RL-10 jako trzeci stopień
• Saturn C-4, który również miał być wykorzystany w Locie bezpośrednim, wówczas wymagałoby to dwóch startów tej rakiety podczas jednej misji. Miałaby one mieć 1 silnik F-1 w pierwszym stopniu, 4 silniki J-2 w drugim stopniu i człon S-IVB z jednym silnikiem J-2 jako trzeci stopień
• Saturn C-5. 10 stycznia 1962 roku Marshall Space Flight Center ogłosiła plan zbudowania rakiety C-5. Plany zakładały pierwszy stopień z pięcioma silnikami F-1, drugi stopień z pięcioma silnikami J-2 a także S-IVB jako trzeci stopień rakiety. Pierwsze cztery starty miały być bezzałogowymi lotami testowymi a pierwszy lot załogowy miał się odbyć nie później niż w roku 1969.

W 1963 r. rakietę C-5 przemianowano na Saturn V.

• Pierwszy bezzałogowy start miał miejsce 9 listopada 1967 (misja Apollo 4).
• Pierwszy załogowy start odbył się 21 grudnia 1968 (misja Apollo 8).
• Pierwszy załogowy start misji księżycowej odbył się 16 lipca 1969 (misja Apollo 11).

Konstrukcja rakiety
Saturn V jest jednym z najbardziej zaawansowanych technicznie tworów człowieka w historii. Była to rakieta wysoka na 110 metrów, miała 10 metrów średnicy i była w stanie wynieść 118 ton ładunku na LEO. Użyto w niej silników F-1 oraz J-2. Podczas testów huk silników był słyszalny w promieniu 80 km.

Człony rakiety
Rakieta składała się z trzech stopni. Wszystkie napędzane były paliwem ciekłym. Separację członów podczas startu wspomagały niewielkie ładunki separujące.

S-IC – pierwszy stopień
Stopień ten został skonstruowany w firmie Boeing Company w Nowym Orleanie gdzie obecnie są budowane zbiorniki ET dla wahadłowców. Był wysoki na 42 metry a jego średnica wynosiła 10 metrów. Ciąg jaki wytwarzało 5 silników F-1 wynosił 34,02 MN. Stopień ten był wykorzystywany podczas pierwszych 61 kilometrów wznoszenia.

S-II – drugi stopień
Stopień ten skonstruowała firma North American Aviation w Seal Beach w Kalifornii. Miał 5 silników J-2 które wytwarzały ciąg 5 MN. 97% procent masy stanowiło paliwo.

S-IVB – trzeci stopień
Stopień został skonstruowany przez firmę Douglas Aircraft Company w Huntington Beach w Kalifornii. Posiadał jeden silnik J-2. Człon ten wykorzystywano podczas końcowych chwil wchodzenia na orbitę a potem do TLI. Jest to jedyny stopień na tyle mały że mógł być transportowany przez samolot. Stopień ten był również wykorzystywany jako drugi stopień w rakiecie Saturn IB

Instrument Unit
Był to okrąg zamieszczony nad trzecim stopniem skonstruowany przez IBM. Zawierał komputer kontrolujący rakietę podczas startu aż do separacji S-IVB. Zapisywał telemetrię oraz korygował kurs rakiety.

Porównanie Saturna V z innymi rakietami i STS
Radziecką odpowiedzią na Saturna V była rakieta N1. Saturn V był wyższy, cięższy i wytwarzał większy ciąg podczas startu ale pierwszy stopień N1 miał większą średnicę. Rakieta N1 wykonała cztery testowe loty przed zakończeniem programu, lecz wszystkie skończyły się niepowodzeniem. Pierwszy stopień Saturna V posiadał 5 silników F-1 o ogromnej mocy, natomiast N1 wyposażona była w 30 małych silników. Podczas dwóch startów, Apollo 6 i Apollo 13 doszło do spadku mocy jednego z silników, lecz komputer zdołał wyrównać ciąg. N1 była projektowana w pośpiechu i nigdy nie przetestowano silników jednocześnie co powodowało katastrofy podczas startów. Gdyby przetestowano pierwszy stopień N1 osobno można by uniknąć tych niedociągnięć.

Trzystopniowy Saturn V wytwarzał ciąg 34.02 MN i miał udźwig 118 ton na niską orbitę ziemską. W misji Apollo 15 podczas startu rakieta wytworzyła ciąg 34.8 MN. Gdy startowała rakieta w wersji Saturn INT-21 wynosząca stację Skylab na orbitę osiągnęła ona ciąg 35.1 MN.

Radziecka rakieta Energia w wersji “Wulkan” mogła wynieść na LEO 175 ton i wytworzyć ciąg 46 MN, lecz nigdy nie wykonała startu w tej konfiguracji.

Wahadłowiec kosmiczny wytwarza podczas startu ciąg 30.1 MN ale ma udźwig na LEO 28 800 kg co stanowi 25% udźwigu Saturna V. Gdy uzna się cały orbiter za ładunek udźwig wynosi 112 ton.

Europejska rakieta Ariane 5 w wersji Ariane 5 ECA może wynieść 10 000 kg na orbitę geostacjonarną (GTO). Amerykańska Delta IV Heavy wyniosła 21 grudnia 2004 na GTO ładunek o masie 13 100 kg. Rakieta Atlas V wykorzystująca silnik RD-180 oparty na rosyjskiej technologii może wynieść 25 000 kg na LEO bądź 13 605 kg na GTO.

Rodzina rakiet Saturn V. Źródło: NASA

Saturn – seria dwustopniowych (Saturn I i Saturn IB) i trójstopniowych (Saturn V) amerykańskich rakiet nośnych używanych w latach 1964–1975. Głównie stosowane w lotach załogowych na Księżyc w czasie realizacji Programu Apollo (Saturn V). Rakiety Saturn zostały stworzone przez zespół pod kierownictwem Wernera Von Brauna.

• Saturn I – używany był głównie do testów.
• Saturn IB – był wykorzystywany w projekcie Skylab , dwóch misjach Apollo i misji Apollo-Sojuz.
• Saturn V – dzięki tej rakiecie człowiek postawił stopę na Księżycu (Apollo 11).
• Saturn INT-21 – wyniósł w kosmos stację kosmiczną Skylab.

Saturn I – pierwsza z serii dużych amerykańskich rakiet kosmicznych Saturn. Powstała jako realizacja koncepcji potężnych rakiet zdolnych do wynoszenia na orbitę ciężkich ładunków (głównie satelitów wojskowych), stworzonej przez Wernhera von Brauna i Wojskową Agencję Pocisków Balistycznych (ABMA). Została zbudowana częściowo na bazie podzespołów rakiet Jupiter, Redstone czy Thor. Program budowy rakiety Saturn I rozpoczęto w kwietniu 1957 roku początkowo pod nazwą Juno V. Planowano budowę 30 rakiet tego typu z których ostatecznie zbudowano 10 egzemplarzy. W roku 1960 prowadząca program ABMA stała się częścią NASA, która tym samym przejęła projekt rakiety Saturn I, jako podstawę dla planowanej rakiety dla programu Apollo.

Saturn IB to druga z serii dużych amerykańskich rakiet kosmicznych Saturn. Powstała jako kolejny etap realizacji koncepcji potężnych rakiet zdolnych do wynoszenia na orbitę ciężkich ładunków. Stanowiła rozwinięcie rakiety Saturn I opracowane w roku 1962 dla potrzeb programu Apollo. Jej głównym celem było wynoszenie statków Apollo na orbitę Ziemi, m.in. w ramach misji Apollo-Sojuz.

Źródło: Wikipedia.org, NASA