Ракета-носитель «Сатурн-5

Сатурн-5 (англ. Saturn V) — американская сверхтяжёлая ракета-носитель, разработанная в 1960-х годах под руководством Вернера фон Брауна в Центре космических полётов имени Маршалла (НASA) для программы «Аполлон». Является самой грузоподъёмной ракетой-носителем, когда-либо успешно эксплуатировавшейся: она способна выводить на низкую опорную орбиту (НОО) до 140 тонн полезного груза, а на траекторию полёта к Луне — до 48,6 тонн. Всего было произведено 15 экземпляров «Сатурн-5», из которых 13 состоялись в качестве пусков (все успешные), а два использовались для наземных испытаний. Ракета остаётся единственным средством доставки человека за пределы низкой околоземной орбиты.

История создания

Предпосылки и начало разработки

После запуска советского спутника в 1957 году и полёта Юрия Гагарина в 1961 году президент США Джон Кеннеди поставил задачу высадки человека на Луну до конца десятилетия. Для этого требовался носитель, способный доставить на лунную орбиту корабль «Аполлон» массой около 45 тонн. В начале 1960-х годов в США уже существовали ракеты «Атлас» и «Титан», но их грузоподъёмность не превышала нескольких тонн.

В 1961 году НАСА начало программу «Сатурн» (первоначально — серия ракет для военных целей, разрабатываемая Агентством по баллистическим ракетам армии США). Вернер фон Браун, работавший в Центре космических полётов имени Маршалла, предложил концепцию трёхступенчатой ракеты с использованием водородно-кислородных двигателей на верхних ступенях. В 1962 году проект получил обозначение «Сатурн-5» (Saturn V — «пять» по римской нумерации, так как предшествовали «Сатурн-1» и «Сатурн-1Б»).

Разработка и испытания

Разработка велась в рамках программы «Аполлон» с 1962 по 1967 год. Первая ступень S-IC создавалась компанией Boeing, вторая ступень S-II — North American Aviation, третья ступень S-IVB — Douglas Aircraft Company. Двигатели F-1 для первой ступени разрабатывались Rocketdyne, а J-2 для верхних ступеней — той же компанией. Первый испытательный полёт (Аполлон-4) состоялся 9 ноября 1967 года — ракета успешно вывела на орбиту беспилотный корабль. Второй испытательный полёт (Аполлон-6) в апреле 1968 года выявил проблемы с двигателями, но после доработок ракета была признана готовой к пилотируемым миссиям.

Эксплуатация

«Сатурн-5» использовался для пилотируемых полётов по программе «Аполлон» с 1968 по 1972 год. Первый пилотируемый полёт (Аполлон-8) состоялся в декабре 1968 года — астронавты облетели Луну без посадки. Первая высадка на Луну (Аполлон-11) была осуществлена 20 июля 1969 года. Всего было выполнено 13 успешных пусков, включая 12 пилотируемых миссий (в том числе «Аполлон-13», который не достиг Луны из-за аварии, но ракета отработала штатно) и один запуск орбитальной станции «Скайлэб» в 1973 году. Последний полёт «Сатурн-5» состоялся в мае 1973 года (Аполлон-17 — последняя высадка на Луну). В 1975 году ракета-носитель была снята с эксплуатации из-за завершения лунной программы и перехода к программе «Спейс Шаттл».

Конструкция

«Сатурн-5» представлял собой трёхступенчатую ракету с последовательным расположением ступеней. Общая длина ракеты составляла 110,6 метра, диаметр — 10,1 метра (первая ступень), стартовая масса — около 2970 тонн. Тяга двигателей на старте — 34,5 МН (3,5 млн кгс).

Первая ступень S-IC

Первая ступень S-IC была самой мощной из когда-либо созданных ракетных ступеней. Она оснащалась пятью жидкостными ракетными двигателями F-1, работающими на керосине RP-1 и жидком кислороде. Каждый двигатель развивал тягу 6,7 МН (680 тс) на уровне моря. Четыре двигателя были установлены по углам, один — в центре. Центральный двигатель был зафиксирован, а боковые — отклонялись для управления вектором тяги. Ступень имела длину 42 метра, диаметр 10,1 метра, сухую массу около 130 тонн, заправлялась 770 тоннами керосина и 620 тоннами жидкого кислорода. Время работы — около 150 секунд.

Вторая ступень S-II

Вторая ступень S-II оснащалась пятью двигателями J-2, работающими на жидком водороде и жидком кислороде. Каждый двигатель развивал тягу 1,03 МН (105 тс) в вакууме. Четыре двигателя были установлены по углам, один — в центре. Ступень имела длину 24,9 метра, диаметр 10,1 метра, сухую массу около 36 тонн, заправлялась 72 тоннами жидкого водорода и 270 тоннами жидкого кислорода. Время работы — около 360 секунд.

Третья ступень S-IVB

Третья ступень S-IVB оснащалась одним двигателем J-2 (модификация J-2S), работающим на жидком водороде и жидком кислороде. Тяга двигателя — 1,03 МН (105 тс) в вакууме. Ступень имела длину 17,8 метра, диаметр 6,6 метра, сухую массу около 13 тонн, заправлялась 12 тоннами жидкого водорода и 70 тоннами жидкого кислорода. Время работы — около 480 секунд. S-IVB могла повторно запускаться в космосе для коррекции траектории.

Система управления и навигации

Управление полётом осуществлялось с помощью инерциальной навигационной системы, установленной в приборном отсеке (Instrument Unit) на верхней части третьей ступени. Система включала гироскопы, акселерометры и бортовой компьютер IBM System/4 Pi. Компьютер рассчитывал траекторию, управлял двигателями и ступенями. Для коррекции курса использовались двигатели системы ориентации (RCS) на гидразине.

Классификация и модификации

«Сатурн-5» не имел официальных модификаций, но различались версии для разных миссий:

• «Сатурн-5» (базовая) — для пилотируемых миссий «Аполлон» (все 12 полётов).
• «Сатурн-5» (версия для «Скайлэб») — использовалась для запуска орбитальной станции «Скайлэб» в 1973 году. Отличалась уменьшенной массой полезного груза (станция весила 75 тонн) и отсутствием пилотируемого корабля.

Существовал проект модификации «Сатурн-5» с увеличенной грузоподъёмностью (Saturn V-ELV), но он не был реализован.

Применение

Программа «Аполлон»

Основное назначение «Сатурн-5» — доставка космического корабля «Аполлон» к Луне. Ракета выводила на траекторию полёта к Луне связку из командного модуля, служебного модуля и лунного модуля (общей массой около 45 тонн). После выхода на орбиту Земли третья ступень повторно запускалась для перехода на траекторию к Луне (транслунная инъекция). Все 12 пилотируемых миссий (включая «Аполлон-13», где ракета отработала штатно) были успешными.

Запуск станции «Скайлэб»

В 1973 году «Сатурн-5» вывел на низкую орбиту орбитальную станцию «Скайлэб» массой 75 тонн. Это был единственный случай использования ракеты для нелунной миссии. После запуска станция была повреждена, но экипажи «Аполлонов» (доставленных на орбиту ракетой «Сатурн-1Б») смогли её отремонтировать.

Интересные факты

• «Сатурн-5» остаётся самой мощной ракетой-носителем в истории по тяге на старте (34,5 МН). Для сравнения, советская ракета «Н-1» (неудачная) имела тягу 45 МН, но не совершила ни одного успешного полёта.
• Двигатели F-1 первой ступени сжигали 2,5 тонны керосина и 2,5 тонны жидкого кислорода в секунду каждый.
• При старте «Сатурн-5» создавал звуковое давление до 220 децибел, что могло вызывать разрушения на расстоянии до 1 километра.
• Третья ступень S-IVB после отделения от корабля «Аполлон» часто использовалась для создания искусственного «лунного землетрясения» — её намеренно сталкивали с Луной для сейсмических исследований.
• В 1970-х годах обсуждалось использование «Сатурн-5» для запуска ядерных ракетных двигателей (проект NERVA), но программа была закрыта.
• Все сохранившиеся экземпляры «Сатурн-5» находятся в музеях: в Космическом центре имени Кеннеди (Флорида), в Космическом центре имени Джонсона (Техас) и в Национальном музее авиации и космонавтики (Вашингтон).

Критика и наследие

«Сатурн-5» подвергался критике за высокую стоимость (каждый пуск обходился в 185—200 миллионов долларов в ценах 1960-х годов, что эквивалентно 1,5—2 миллиардам долларов в 2020-х) и за то, что программа «Аполлон» была завершена после 6 высадок на Луну. Некоторые историки полагают, что ракета была избыточной для задач, поставленных после «Аполлона», и что её снятие с эксплуатации было связано с политическими решениями, а не с техническими проблемами. Тем не менее, «Сатурн-5» считается одним из величайших инженерных достижений XX века, доказавшим возможность межпланетных перелётов. В 2020-х годах НАСА разрабатывает новую сверхтяжёлую ракету SLS (Space Launch System), которая частично наследует технологии «Сатурн-5», в том числе двигатели RS-25 (модификация J-2) и конструкцию верхних ступеней.

Источники

• Bilstein, Roger E. «Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles». NASA SP-4206, 1996.
• «Saturn V Launch Vehicle Flight Evaluation Report: AS-501 (Apollo 4)». NASA, 1968.
• «Saturn V Flight Manual SA-503». NASA, 1969.
• «Apollo Program Summary Report». NASA, 1975.
• «Skylab: A Guidebook». NASA, 1973.