NASA Apollo Saturn V

Сатурн V (англ. Saturn V) — американская сверхтяжёлая ракета-носитель, разработанная в 1960-х годах под руководством Вернера фон Брауна в Центре космических полётов имени Маршалла (НASA, США). Является самой большой, грузоподъёмной и мощной ракетой из когда-либо успешно эксплуатировавшихся в мире. Использовалась программой «Аполлон» (Apollo program) для доставки астронавтов на Луну, а также для вывода на орбиту Земли орбитальной станции «Скайлэб» (Skylab). Всего было произведено 15 лётных экземпляров, 13 из которых совершили успешные запуски, а два (SA-500F и SA-500D) использовались для наземных испытаний и отработки.

История создания

Предпосылки и начало разработки

После запуска советского спутника и начала космической гонки в 1957 году, президент США Дуайт Эйзенхауэр основал НАСА (NASA). В 1961 году президент Джон Ф. Кеннеди поставил цель — высадить человека на Луну до конца десятилетия. Для этого требовалась ракета, способная вывести на траекторию к Луне полезную нагрузку массой около 45 тонн.

Существовавшие на тот момент ракеты «Атлас» и «Титан» не обладали необходимой мощностью. В 1961 году НАСА начало программу «Сатурн» (Saturn), которая первоначально была задумана как семейство тяжёлых носителей. В 1962 году было принято решение о создании варианта «Сатурн V» (пять — по числу двигателей первой ступени в первоначальном проекте, хотя в итоге их стало пять, но на первой ступени — F-1, а не J-2, как планировалось изначально).

Разработка и испытания

Разработка велась в Центре космических полётов имени Маршалла (Хантсвилл, Алабама) под руководством Вернера фон Брауна. Главным подрядчиком по первой ступени (S-IC) стала компания Boeing, по второй (S-II) — North American Aviation, по третьей (S-IVB) — Douglas Aircraft Company. Двигатели F-1 для первой ступени разрабатывала компания Rocketdyne, а двигатели J-2 для второй и третьей ступеней — также Rocketdyne.

Первый испытательный полёт (без экипажа) состоялся 9 ноября 1967 года (миссия «Аполлон-4»). Ракета успешно вывела на орбиту командный модуль. Второй испытательный полёт («Аполлон-6», апрель 1968 года) выявил ряд проблем, в том числе с вибрацией и отключением двигателей, но после доработок ракета была признана готовой к пилотируемым полётам.

Конструкция

Сатурн V представляла собой трёхступенчатую ракету-носитель с последовательным расположением ступеней. Общая длина (с космическим кораблём «Аполлон») составляла 110,6 метра, диаметр — 10,1 метра, стартовая масса — около 2900 тонн. Тяга на старте — около 3400 тонн-сил (34,5 МН).

Первая ступень (S-IC)

• Длина: 42,1 м
• Диаметр: 10,1 м
• Сухая масса: около 130 тонн
• Топливо: керосин RP-1, окислитель — жидкий кислород (LOX)
• Двигатели: пять жидкостных ракетных двигателей Rocketdyne F-1, каждый развивал тягу 680 тонн-сил (6,7 МН) на уровне моря.
• Особенности: Центральный двигатель был закреплён неподвижно, четыре внешних могли отклоняться для управления вектором тяги. Ступень работала около 2,5 минут, поднимая ракету на высоту примерно 68 км и разгоняя до скорости около 2,7 км/с.

Вторая ступень (S-II)

• Длина: 24,9 м
• Диаметр: 10,1 м
• Сухая масса: около 36 тонн
• Топливо: жидкий водород (LH2), окислитель — жидкий кислород (LOX)
• Двигатели: пять жидкостных ракетных двигателей Rocketdyne J-2, каждый развивал тягу 104 тонны-силы (1,0 МН) в вакууме.
• Особенности: Ступень была самой сложной в производстве из-за необходимости работы с криогенным водородом. Она работала около 6 минут, отключалась на высоте около 185 км, разгоняя связку до скорости около 6,9 км/с.

Третья ступень (S-IVB)

• Длина: 17,8 м
• Диаметр: 6,6 м (сужение кверху)
• Сухая масса: около 10 тонн
• Топливо: жидкий водород (LH2), окислитель — жидкий кислород (LOX)
• Двигатели: один жидкостный ракетный двигатель Rocketdyne J-2, тяга 104 тонны-силы (1,0 МН) в вакууме.
• Особенности: Ступень могла повторно запускаться в космосе. После первого выключения и выхода на опорную орбиту, двигатель включался снова для перевода связки (третья ступень + корабль «Аполлон») на траекторию полёта к Луне. После отделения лунного модуля и командного модуля, ступень сбрасывалась.

Система управления и навигации

Навигация и управление полётом осуществлялись с помощью бортового компьютера (Instrument Unit — IU), разработанного компанией IBM. Он находился в цилиндрическом отсеке между третьей ступенью и лунным модулем. IU содержал гироскопы, акселерометры, систему наведения и телеметрии. Компьютер имел память на магнитных сердечниках и производил около 12 000 операций в секунду.

Модификации и варианты

Существовало несколько вариантов ракеты, различавшихся в основном конфигурацией полезной нагрузки и незначительными доработками:

• Сатурн V (Apollo 4, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17): Основная версия для лунных миссий. Отличалась массой топлива, конструкцией второй ступени (усиление после «Аполлона-6») и системой аварийного спасения.
• Сатурн V (Skylab): Для вывода на орбиту станции «Скайлэб» (1973 год) использовалась модификация, в которой третья ступень (S-IVB) была переоборудована в жилой отсек станции. Первая и вторая ступени работали в штатном режиме, но без третьей ступени ракета была короче и легче.
• Сатурн V (SA-500F и SA-500D): Наземные испытательные образцы, не предназначенные для полётов. Использовались для отработки сборки, транспортировки и заправки.

Запуски

Всего было произведено 13 запусков Сатурн V (включая два испытательных и один для «Скайлэб»). Все они были успешными, за исключением миссии «Аполлон-6», где возникли проблемы с вибрацией и отключением двигателей, но ракета выполнила основную задачу — вывела корабль на орбиту.

Основные миссии:

• Apollo 4 (9 ноября 1967): Первый испытательный полёт. Без экипажа. Успешный.
• Apollo 6 (4 апреля 1968): Второй испытательный полёт. Частично успешный (отказ двух двигателей, проблемы с вибрацией).
• Apollo 8 (21 декабря 1968): Первый пилотируемый полёт на Луну. Экипаж (Фрэнк Борман, Джеймс Ловелл, Уильям Андерс) облетел Луну и вернулся на Землю.
• Apollo 11 (16 июля 1969): Первая высадка человека на Луну. Экипаж (Нил Армстронг, Майкл Коллинз, Базз Олдрин).
• Apollo 13 (11 апреля 1970): Аварийная миссия. Взрыв кислородного бака на сервисном модуле, экипаж (Джеймс Ловелл, Джон Суайгерт, Фред Хейз) вернулся на Землю живым.
• Apollo 17 (7 декабря 1972): Последняя лунная миссия программы «Аполлон». Экипаж (Юджин Сернан, Рональд Эванс, Харрисон Шмитт).
• Skylab 1 (14 мая 1973): Вывод на орбиту станции «Скайлэб». Последний полёт Сатурн V.

Сравнение с другими ракетами

Сатурн V значительно превосходила по грузоподъёмности все существовавшие на тот момент ракеты. Для сравнения, советская сверхтяжёлая ракета Н-1, разрабатывавшаяся для лунной программы, имела стартовую массу около 2800 тонн, но ни один из четырёх её испытательных пусков не был успешным. Современные ракеты, такие как Falcon Heavy (SpaceX) или SLS (NASA), уступают Сатурн V по грузоподъёмности на низкую опорную орбиту (НОО): Falcon Heavy — около 64 тонн, SLS Block 1 — около 70 тонн, тогда как Сатурн V выводила на НОО до 140 тонн. На траекторию к Луне Сатурн V доставляла до 48,6 тонн.

Наследие и значение

Программа «Сатурн V» стала вершиной американской космической программы 1960-1970-х годов. Она позволила осуществить шесть успешных высадок на Луну (Apollo 11, 12, 14, 15, 16, 17) и доставила на Землю 382 кг лунного грунта. Ракета также вывела на орбиту единственную американскую орбитальную станцию «Скайлэб».

После завершения программы «Аполлон» в 1972 году производство Сатурн V было прекращено. В 1970-х годах предпринимались попытки возобновить выпуск (например, для программы «Спейс Шаттл»), но они не были реализованы из-за высокой стоимости и изменения приоритетов. В настоящее время сохранилось несколько экземпляров ракеты в музеях: в Космическом центре имени Кеннеди (Флорида), в Космическом центре имени Джонсона (Техас) и в Национальном музее авиации и космонавтики (Вашингтон, округ Колумбия).

Интересные факты

• Сатурн V до сих пор остаётся самой высокой ракетой в истории (110,6 м с кораблём «Аполлон»). Советская «Энергия» (60 м) и американский SLS (98 м) уступают ей по высоте.
• Двигатели F-1 первой ступени являются самыми мощными однокамерными жидкостными ракетными двигателями, когда-либо летавшими в космос (тяга 680 тонн-сил). Более мощные двигатели (например, РД-170/РД-171) имеют четырёхкамерную конструкцию.
• При старте Сатурн V сжигала около 15 тонн топлива в секунду (керосин и жидкий кислород).
• Ракета была собрана в здании вертикальной сборки (VAB) в Космическом центре имени Кеннеди. Для транспортировки к стартовой площадке использовался гусеничный транспортер (Crawler-Transporter), который до сих пор является самым большим самоходным транспортным средством в мире.
• В 2019 году, к 50-летию высадки на Луну, в США была выпущена памятная монета с изображением Сатурн V.

Источники

• NASA History Division. «Saturn V Launch Vehicle».
• Bilstein, Roger E. «Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles». NASA SP-4206, 1996.
• «Apollo Program Summary Report». NASA, 1975.
• «Saturn V Flight Manual SA-503». NASA, 1968.
• «The Saturn V: An Engineering Achievement». American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), 1973.