Vývoj sa spočiatku prebiehal v Army Ballistic Missile Agency (ABMA) v Redstone Arsenal v Alabame pod vedením hlavného konštruktéra Wernhera von Brauna a na prelome päťdesiatych a šesťdesiatych rokov prešla ABMA, celý von Braunov tím a projekt rakety pod NASA. Konštrukcia prvého stupňa využívala palivové nádrže z rakiet Redstone a Jupiter spojené do jedného stupňa. Saturn I mal byť univerzálny vesmírny nosič, ale pre rýchly pokrok vo vývoji raketovej techniky bol čoskoro zastaraný a nahradený silnejšou verziou Saturn IB. Uskutočnilo sa len desať štartov, štyri skúšobné, tri testovacie lety programu Apollo a posledné tri rakety vyniesli výskumné satelity Pegasus. Skúsenosti získané pri stavbe Saturnu I boli použité pri konštrukcií rakety pre lunárne misie, Saturn V.
História
Pôvod
Wernher von Braun s modelmi rakiet vo svojej kancelárii v Huntsvile
Ešte pred Sputnikom zadalo americké ministerstvo obrany prostredníctvom svojej agentúry ARPA (Advanced Research Projects Agency) požiadavku na vypracovanie štúdie o pokročilom nosnom systéme, ktorý by dokázal dopraviť na orbitu Zeme 9 000 – 18 000 kg, alebo dostať na únikovú rýchlosť náklad až 5 400 kg. Takto silná raketa mala slúžiť pre dopravu ťažkých komunikačných, meteorologických a špionážnych družíc. Vtedajšie rakety ako Atlas mali teoretickú nosnosť na nízku orbitu Zeme iba 1 400 kg, preto bolo potrebné hľadať cestu k zvýšeniu výkonu. Von Braunov tím v ABMA sa začal problémom zaoberať v apríli 1957 a potrebný ťah pre dopravu takéhoto nákladu na orbitu vypočítali na približne 6,7 MN. Americké letectvo v tom čase začínalo pracovať na presne takom motore, ten ale nemohol byť pripravený počas požadovaného časového rámca a jeho ťah bol vtedy „len“ 4,4 MN. Tento motor nesúci označenie F-1 bol neskôr použitý pre pohon rakety Saturn V (konečná verzia mala ťah 6,7 MN), ale pre budúce rakety Saturn I boli vybrané štyri motory E-1 spoločnosti Rocketdyne, každý s ťahom 1 690 kN.
Modely rakiet, zľava: Redstone, Atlas, Saturn I
V decembri 1957 dodal von Braun svoj koncept agentúre ARPA pod názvom „A National Integrated Missile and Space Vehicle Development Program“. Tejto koncept niesol názov Super-Jupiter. Prvý stupeň mal byť tvorený ôsmimi nádržami rakiet Redstone usporiadanými okolo centrálnej nádrže prevzatej z PGM-19 Jupiter. Ako horný stupeň sa mala použiť upravená raketa Atlas alebo prvý stupeň Titanu. V ABMA uprednostňovali Titan, pretože výroba Atlasu mala najvyššiu prioritu a nebol teda priestor pre rozdelenie kapacít. Druhý stupeň bol preto predĺžený prvý stupeň Titanu 1 s dvoma motormi LR-87. Tretí stupeň mal byť Centaur s motormi RL-10.
ARPA bola s von Braunovým návrhom spokojná a jediná požiadavka bola na výmenu motorov E-1. E-1 bol v tom čase v ranej fáze vývoja a nebol by pripravený pre testy skôr ako za dva roky. Von Braunov tím rýchlo zareagoval a nahradil štyri motory E-1 ôsmimi motormi H-1, čo bol upravený motor S-3D rakety Thor. Rozhodnutie nečakať na vývoj nových motorov sa ukázalo ako správne a prinieslo odhadovanú úsporu až 60 miliónov dolárov. Von Braun a jeho tím už v tom čase pripravovali štart Juno I a prebiehal vývoj Juno II a preto bol názov projektu zmenený na Juno V.
Začiatok prác
Statický test zväzku motorov prvého stupňa
Projekt bol oficiálne zahájený výnosom 14-59 agentúry ARPA z 15. augusta1958.[1] Kontrakt znel: „Začať program vývoja kozmického nosiča s ťahom približne 1 500 000 liber (6,7 MN), založeného na spojení dostupných raketových motorov. Najbližšou úlohou tohto programu je vykonať demonštratívny statický zážih v plnom rozsahu do konca roka 1959.“
Nasledoval kontrakt s firmou Rocketdyne na vývoj motorov H-1, podpísaný 11. septembra1958.[2]26. septembra1958 sa ARPA a Army Ordnance Missile Command (nadradené veliteľstvo ABMA) dohodli na rozšírení kontraktu o vykonanie skúšobných letov v septembri 1960 a ďalej chceli, aby ABMA postavila ďalšie tri nosiče, pričom dva budú schopné umiestniť na obežnú dráhu obmedzený náklad.
Von Braun vkladal do projektu Juno V veľké nádeje a dúfal, že bude slúžiť ako testovacia základňa pre vývoj budúcich pohonných systémov, hlavne motorov F-1. Vymedzil aj rozsah využitia Juno V ako univerzálny nosný prostriedok pre výskum a vývoj ofenzívnych a defenzívnych kozmických zbraní. Špecifické použitie pre jednotlivé zložky amerických ozbrojených síl zahŕňalo: navigačné satelity pre námorníctvo, meteorologické, prieskumné a komunikačné satelity pre armádu a letectvo a podpora misií s ľudskou posádkou pre USAF. Juno V mala zohrávať významnú úlohu v projekte Horizon, čo bola plánovaná misia na Mesiac s cieľom vybudovať vojenskú základňu. V tomto období sa začalo objavovať označenie Saturn. V jednej z raných správ pre ARPA je uvedené: „Saturn je považovaný za prvý skutočný vesmírny nosič, tak ako je Douglas DC-3 považovaný za prvé skutočné linkové dopravné lietadlo“. Meno Saturn sa stalo oficiálnym vo februári 1959.
Prechod na NASA
Koncept z roku 1959 pre projekt HorizontPrechod ABMA k NASA, 1. júl 1960
Založenie NASA29. júla1958 viedlo k zjednoteniu a posúdeniu všetkých projektov ťažkých nosných rakiet a výberu jedného riešenia pre budúce lunárne projekty. V tom čase tu boli programy armády (Saturn) a letectva (projekt SLS). Oba programy mali za konečný cieľ cestu k Mesiacu a vybudovanie stálej základne na jeho povrchu. Inžinieri NASA však mali vlastné návrhy, označované súhrnne ako rakety Nova.
Wernhera von Brauna požiadali o účasť v komisii, ktorá mala za úlohu preskúmať a zhodnotiť existujúce návrhy a spísať odporúčania.[3]
Výsledná správa bola zverejnená 18. júla1959 a hneď v úvode upozorňuje na nesprávne vedenie amerických programov a uznáva veľký náskok sovietskeho kozmického programu. Správa sa zaoberala piatimi takzvanými generáciami rakiet od prvých rakiet Vanguard, cez Juno, ICBMrakety Atlas a Titan, projektom Saturn až po koncept veľkej rakety poháňanej zväzkom motorov F-1. Správa ďalej stanovuje teoretické možnosti budúceho vývoja vrátane časového rámca dostupnosti nosných systémov.
V decembri 1959 boli predvedené projekty vývojových tímov a NASA následne vybrala von Braunov koncept. Koncom januára 1960 už mala kompletný vývojový program, zahŕňajúci Saturn (Juno V), vlastný projekt Nova a horné stupne Vega a Centaur. Stupeň Vega bol zrušený, pretože letectvo už malo projekt Agena (vtedy pod názvom Hustler), ktorý mal takmer zhodné parametre.
V júli 1959 bol projekt takmer zrušený, keď riaditeľ výskumného oddelenia na ministerstve obrany oznámil, že Saturn čerpá príliš finančných prostriedkov ARPA. Podľa ministerstva bolo výhodnejšie spojiť niekoľko ICBM a získať tak lacnejší a rovnako silný nosný systém. Proti NASA a programu Saturn bola aj skutočnosť, že neexistovali zostavené požiadavky na raketu Saturn a NASA pracovala aj na vlastnom nosiči Nova. Po stretnutí zástupcov NASA, armády, ARPA a ministerstva 16. až 18. septembra 1959 bolo rozhodnuté, že sa Saturn rušiť nebude, ak ABMA prejde pod správu NASA a už nebude potrebovať finančnú účasť rezortu obrany. Prechod von Braunovho tímu a celej ABMA bol dokončený 1. júla1960 a ABMA a celé zariadenie v Huntsvile bolo premenované na Marshall Space Flight Center.
Výber vyšších stupňov
Štart misie SA-5, prvé použitie funkčného druhého stupňa
V júli 1959 vydala ARPA požiadavku na výmenu vyšších stupňov za silnejšie, poháňané tekutým vodíkom (LH2) a kyslíkom (LOX). Priemer druhého stupňa mal byť približne 4 metre a tretí stupeň mal byť vylepšený Centaur. V snahe o dosiahnutie dohody medzi NASA, USAF, ABMA, ARPA a DoD vznikla Silversteinova komisia, ktorá stanovila požiadavky na raketu Saturn.[4] Von Braun bol spočiatku skeptický, ale komisia ho presvedčila o výhodách vysoko energetických palív (vodík) v horných stupňoch. Oproti pôvodnému konceptu, ktorý počítal s použitím komponentov a nástrojov z Titanu, vyžadoval nový stupeň vývoj nových montážnych zariadení, nástrojov a prípravkov, čo zvyšovalo finančnú náročnosť projektu. Vývojom vlastného stupňa sa na druhej strane NASA stala nezávislou od vojenského vývoja.
Komisia posudzovala niekoľko variantov vyšších stupňov zoradených podľa náročnosti do troch skupín. Skupina A boli najjednoduchšie a vychádzali z prvotných konceptov Juno V. Druhý stupeň Titan a tretí Centaur bol variant A-1, druhý variant A-2 počítal so zväzkom rakiet stredného doletu miesto Titanu. Návrh B-1 počítal s použitím zväzku štyroch motorov H-1 a podobnú konštrukciu nádrží ako prvý stupeň. Skupina C bola najrazantnejšia a ponúkala flexibilnú konfiguráciu podľa potrieb nákladu. Každý vyšší stupeň mal používať kvapalný vodík.
Varianty C-1, C-2 a C-3 počítali s vývojom stupňov S-II, S-III, S-IV a S-V. Stupňa S-IV a S-V mali používať upravené motory RL-10, S-V je upravená verzia dvojmotorového stupňa Centaur. S-II a S-III vyžadovali vývoj ďalších motorov s vyšším ťahom. Varianty konceptov C výkonovo prevyšovali koncepty A-1, A-2 i B a preto boli vybrané.
Možné konfigurácie
Variant
Stupeň S-I
Stupeň S-II
Stupeň S-III
Stupeň S-IV
Stupeň S-V
C-1
+
–
–
+
+
C-2
+
–
+
+
+
C-3
+
+
+
+
–
Konečná podoba
Evolúcia rakety Saturn I
Saturn I mal byť flexibilným nosným systémom, ktorý by bolo možné, vďaka rôznym vyšším úrovniam, prevádzkovať v rôznych konfiguráciách podľa potrieb aktuálnej misie. Zo všetkých navrhovaných stupňov bol však vyrobený a dodaný iba S-IV, ktorého parametre sa líšili od špecifikácií komisie. Miesto štyroch upravených RL-10 bolo použitých šesť štandardných RL-10, poskytujúcich približne rovnaký ťah. Veľké množstvo malých motorov bolo menej efektívne, náchylnejšie k poruchám a drahšie ako jediný veľký motor. Pre nástupcu Saturnu I bol preto vyvinutý motor J-2, ktorý dokázal nahradiť všetkých šesť motorov RL-10. Nový motor mal vyšší ťah a umožnil Saturnu IB vyniesť na orbitu až 15 000 kg.
Saturn I bol používaný len krátko a čoskoro bol nahradený vylepšenou verziou Saturn IB. Hlavná oblasť použitia boli testy makety lode Apollo a posledné tri rakety vyniesli satelity Pegasus. Určitý čas sa uvažovalo o využití Saturnu I pre vynášanie experimentálneho kozmického lietadla X-20 Dyna-Soar.
Chronologický vývoj projektu 1957-1966
1957
apríl – ABMA začína štúdiu o možnostiach využitia zväzku motorov pre dosiahnutie celkového ťahu 1,5 milióna libier.
december – ABMA predkladá National Integrated Missile and Space Vehicle Development Program, ktorý sumarizuje možnosti vývoja kozmických nosičov pre výskum vesmíru a jeho vojenské využitie. Prvá zmienka o Super-Jupitere.
1958
Super-Jupiter zmenený, nový koncept nesie názov Juno V, výmena štyroch motorov E-1 za osem H-1.
september – Začiatok prác na Juno V, kontrakt s firmou Rocketdyne na vývoj motorov H-1. Zmena projektu na viacstupňový univerzálny vesmírny nosič.
december – Von Braun informuje NASA o možnosti využitia Juno V na lunárne misie. Počíta s koncepciou spojenia niekoľkých Juno V na orbite Zeme a následnou stavbou dvestotonovej lode pre priame pristátie na Mesiaci.
Ozbrojené sily a NASA diskutujú možnosti budúceho vývoja nosných rakiet. Výsledkom je dohoda o vývoji niekoľkých typov nosných systémov, ktoré budú používať NASA i vojsko.
Prvý zážih motora H-1.
1959
január – Zasadnutia komisie Large Booster Review Committee. Komisia potvrdzuje Juno V ako najlepší projekt nového silného nosiča.
Program NASA National Space Vehicle Program stanovuje ako základné kozmické nosné prostriedky projekty Saturn, Nova, Centaur a Vega (neskôr zrušené).
február – Zmena názvu na Saturn.
Dohoda medzi ARPA a NASA o vývoji vyšších stupňov pre Saturn, vývoj koordinuje AOMC pre zabezpečenie kompatibility.
apríl – Štúdia využitia rakety Titan ako vyššieho stupňa Saturnu.
október až marec 1960 – Prechod ABMA a vývojového programu Saturn pod správu NASA.
december – Trojdenné zasadnutie Silversteinovej komisie. Komisia vyberá novej vyššie stupne poháňané tekutým vodíkom. Stupne S-II, S-III, S-IV a S-V majú byť vybavené zväzkami motorov RL-10 (a ich vylepšenou verziou LR-119) a má ísť o modulárny a flexibilný nosný systém. Sú vybrané tri koncepty budúcich konfigurácií, Concept-1 až 3, odtiaľ označenie Saturn C-1.
1960
apríl a máj – Testy zväzkov motorov pri spoločnom zážihu.
júl až január 1961 – Statické testy kompletného prvého stupňa.
január – Zmena koncepcie Saturnu C-1 na dvojstupňový, kvôli zjednoteniu časového harmonogramu s programu Apollo.
marec – Ďalšia zmena v koncepciách Saturnu
Test modelu Saturnu C-1.
1961
apríl až október – Opäť zmeny koncepcií Saturnu, dokončenie LC 34 na Cape Canaveral.
október – Prvý štart rakety Saturn C-1, misia SA-1.
1962
Von Braun prichádza s konceptmi Saturnu C-5 a C-1B (neskoršie Saturn V a IB) pre misiu na Mesiac so stretnutím na jeho orbite. Počíta sa s motormi F-1 a J-2. Koncepty C-2, C-3 a C-4 sú zamietnuté.
NASA prijíma von Braunovu koncepciu.
1963
február – Zjednodušenie názvov. Saturn C-1 sa stáva Saturn I, koncept C-1B a C-5 sú premenované na Saturn IB a Saturn V.
Prvý stupeň S-I bol zložený z ôsmich nádrží prevzatých z rakety Redstone, zoskupených okolo jednej nádrže rakety Jupiter. Štyri nádrže Redstone obsahovali RP-1 a boli natreté na čierno a zvyšné nádrže mali biely náter a obsahovali kvapalný kyslík. Motory H-1 boli odvodené z motorov rakety Thor. Štyri motory boli umiestnené v strede hlavice rakety a ďalšie štyri motory boli umiestnené z vonkajšej strany. Vonkajšie motory mali kĺbové zavesenie a pomocou hydrauliky ich bolo možné nakláňať v pozdĺžnej a priečnej osi, vďaka čomu bol dosiahnutý riadiaci moment. Motory neboli pri štarte zapálené naraz, ale po dvojiciach s časovými odstupmi 200 ms. Tým sa znížilo napätie spôsobené dynamickými silami a otrasy pri štarte motorov. Každý motor H-1 má vlastné turbočerpadlo poháňané samostatným plynovým generátorom. Motory dokážu vyvinúť ťah pri štarte až 7,582 MN (8x 947 700 kN vo vákuu) a za sekundu spália dohromady 3 200 kg RP-1 a kvapalného kyslíka. Celková hmotnosť prvého stupňa predstavuje 430 000 kg, z čoho približne 380 000 je palivo (hmotnosti sa líšia podľa verzie). Pre vyššiu aerodynamickú stabilitu bolo na zadok pridaných osem kýlových plôch.
Druhý stupeň S-IV
Druhý stupeň S-IV
Druhý stupeň disponoval šiestimi motory RL-10 poháňanými tekutým vodíkom a kyslíkom. Motory mali systém smerovania ťahu a mohli tak riadiť smer letu, rovnako ako prvý stupeň. Motory pracovali na princípe expandéru (pozri Raketový motor na kvapalné pohonné látky). Palivo bolo vedené skrz zahriate časti motora, kde sa zahrieva a následne bolo privedené do turbíny. V turbíne palivo expanduje a poháňa tak turbínu, ktorá ďalej roztáča turbočerpadlo. Každý motor je vybavený samostatným palivovým systémom (vlastná turbína aj turbočerpadlo). Celková hmotnosť stupňa je 50 500 kg, samotný stupeň bez paliva 5 200 kg. Spotreba všetkých šiestich motorov je približne 90 kilogramov kvapalného vodíka a kyslíka za sekundu. Nádrže na LH2 a LOX boli oddelené iba ľahkou priečkou a tvorili tak v podstate jedinú nádrž s dvomi oddelenými priestormi. Toto riešenie prinieslo úsporu takmer desiatich ton hmotnosti.
Navádzacia výbava
Navádzacia sústava Block II, staršia verzia s pretlakovými kontajnermi
Rakety Saturn I Block I (lety S-1 až S4) mali navádzaciu sústavu nachádzajúcu sa na prednej časti prvého stupňa. Vybavenie bolo rovnaké, aké používali rakety Redstone a dokázalo viesť raketu len po balistickej dráhe. Pri týchto prvých štyroch letoch mala raketa len maketu druhého stupňa, ktorá sa počas letu neoddeľovala.
Rakety Block II už mali plne funkčný druhý stupeň a prístrojové vybavenie bolo umiestnené v samostatnej sekcii IU (Instrument Unit) na prove druhého stupňa. IU mala 3,9 metra v priemere a bola vysoká 1,5 metra. Prístroje boli umiestnené v štyroch pretlakových kontajneroch spojených cez centrálny uzol. Pre posledné tri lety bol použitý vylepšený model vysoký iba 860 milimetrov. Nový typ už nebol vybavený pretlakovými kontajnermi, ale prístroje boli zavesené na obvode steny, čo ušetrilo hmotnosť. Navádzací systém používal počítač IBMASC-15 používaný aj na raketách Titan 2 a Titan 3.[5]
Lety Saturnu I
Pred skutočnými štartmi prebiehalo testovanie v supersonickom aerodynamickom tuneli v Lewis (dnes Glenn) Research Center. Pri testoch bol použitý model s ôsmimi funkčnými motormi, každý s ťahom približne 1,1 kN. Testy simulovali reálne letové podmienky a poskytli cenné informácie o stabilite rakety a rozložení tlaku.[6]
Testovacie lety SA-1 až SA-4 slúžili pre otestovanie spoľahlivosti rakety a overenie koncepcie zväzkov motorov. Pri testoch bol funkčný len prvý stupeň, druhý stupeň bol len maketa. Prvý štart s funkčným druhým stupňom bol SA-5, 29. januára1964 a išlo zároveň o rekordný let pri ktorom bol vynesený historicky najväčší náklad. Celková hmotnosť vynesená na orbitu bola 17 120 kg, motory a prázdne nádrže posledného stupňa vážili 6 500 kg, aerodynamický kryt 1 150 kg a maketa kabíny 9 470 kg (ako zaťaženie kabíny bol použitý vlhký piesok). Podobne prebiehali nasledovné testy A-101 a A-102 (SA-6 a SA-7), pri ktorých bola študovaná tuhosť konštrukcie nosiča, správanie kabíny Apollo a ďalšie parametre. Misie A-103 až A-105 mali za úlohu vyniesť satelity programu Pegasus, ktoré študovali výskyt a účinky mikrometeoritov.[7]
↑MORSE, Mary Louise; ERTEL, Ivan D.. The Apollo spacecraft A Chronology - Volume 1. Washington, DC : NASA, 1976. Dostupné online.ISBN B000E1CB52Chybné ISBN. Kapitola Concept to Apollo. Archivované 2008-02-05 z originálu. (po anglicky)
↑BILSTEIN, Roger E.. Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles. [s.l.] : NASA, 1980. ISBN 0-16-048909-1. Kapitola THE SILVERSTEIN COMMITTEE, s. 45. (po anglicky)
↑MSFC History Office - Pegasus Satellite was Lofted into Space in 1965 [online]. [Cit. 2009-08-23]. Dostupné online. Archivované 2009-07-16 z originálu.
Literatúra
LÁLA, Petr; VÍTEK, Antonín. Malá encyklopedie kosmonautiky. Praha : Mladá fronta, 1982.
DOŽENE SATURN NÁSKOK?. Křídla vlasti, 6 1964. Dostupné online.
BILSTEIN, Roger E.. Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles. [s.l.] : NASA, 1980. Dostupné online.ISBN 0-16-048909-1.
EMME, Eugene M.. Aeronautics and Astronautics Chronology, 1915-1960. Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915-1960. Washington, DC : NASA, 1962. Dostupné online. Archivované 2009-08-13 z originálu.
Chariots for Apollo. [s.l.] : Government Printing Office, 1979. Dostupné online. Archivované 2015-10-20 z originálu.
AKENS, David S.. SATURN ILLUSTRATED CHRONOLOGY. [s.l.] : Historical Office (U.S. George C. Marshall Space Flight Center), 1971. Dostupné online. (po anglicky)
