Saturn V

Сатурн-5 — американская сверхтяжёлая ракета-носитель, разработанная в 1960-х годах под руководством Вернера фон Брауна. Использовалась для пилотируемых полётов по программе «Аполлон» (доставка астронавтов на Луну) и для запуска орбитальной станции «Скайлэб». На момент создания являлась самой грузоподъёмной, мощной и крупногабаритной ракетой в истории. Всего было произведено 15 экземпляров, из которых 13 успешно стартовали, 2 использовались в качестве музейных экспонатов.

История создания

Предпосылки и конкуренция с СССР

В начале 1960-х годов Советский Союз удерживал лидерство в космической гонке: запуск первого спутника, первый полёт человека в космос (Юрий Гагарин). В ответ президент США Джон Кеннеди 25 мая 1961 года выступил с речью перед Конгрессом, поставив цель — высадка человека на Луну до конца десятилетия. Для этого требовалась ракета, способная вывести на траекторию к Луне полезный груз массой около 45 тонн (командный и лунный модули).

Существовавшие на тот момент ракеты «Атлас» и «Титан» не обладали необходимой грузоподъёмностью. Программа разработки сверхтяжёлого носителя получила обозначение Saturn (Сатурн). Первоначально рассматривались несколько вариантов: Saturn C-1 (позже Saturn I), Saturn C-2, Saturn C-3, Saturn C-4 и Saturn C-5. Последний, C-5, был утверждён в 1962 году как основной носитель для лунной экспедиции. В 1963 году обозначение сменили на Saturn V.

Разработка и ключевые участники

Головным разработчиком выступил Центр космических полётов имени Маршалла (NASA, Хантсвилл, Алабама) под руководством Вернера фон Брауна. Основные подрядчики:

• Первая ступень (S-IC) — компания Boeing.
• Вторая ступень (S-II) — компания North American Aviation (позже Rockwell International).
• Третья ступень (S-IVB) — компания Douglas Aircraft (позже McDonnell Douglas).
• Двигатели — Rocketdyne (F-1 для первой ступени, J-2 для второй и третьей).
• Система управления и навигации — Лаборатория имени Чарльза Старка Дрейпера (Массачусетский технологический институт).

Работы велись в условиях жёсткой конкуренции и сжатых сроков. Первый испытательный полёт (Аполлон-4) состоялся 9 ноября 1967 года. Первый пилотируемый полёт (Аполлон-8, облёт Луны) — 21 декабря 1968 года. Высадка на Луну (Аполлон-11) — 20 июля 1969 года.

Конструкция

Сатурн-5 представляла собой трёхступенчатую ракету с последовательным расположением ступеней. Общая длина — 110,6 метра, диаметр — 10,1 метра, стартовая масса — около 2970 тонн. Все ступени использовали жидкое топливо.

Первая ступень S-IC

• Длина: 42,1 м
• Диаметр: 10,1 м
• Сухая масса: 131 т
• Полная масса: 2280 т (из них 2147 т топлива)
• Двигатели: 5 × Rocketdyne F-1
• Тяга (на уровне моря): 34 020 кН (3468 тс) — суммарно
• Удельный импульс (на уровне моря): 263 с
• Топливо: керосин RP-1 (окислитель — жидкий кислород)

Четыре внешних двигателя устанавливались на карданных подвесах для управления вектором тяги. Центральный двигатель был зафиксирован жёстко. Ступень работала около 2,5 минут, поднимая ракету до высоты примерно 68 км и разгоняя до скорости около 2,7 км/с. После отделения ступень падала в Атлантический океан.

Вторая ступень S-II

• Длина: 24,9 м
• Диаметр: 10,1 м
• Сухая масса: 36 т
• Полная масса: 480 т (из них 444 т топлива)
• Двигатели: 5 × Rocketdyne J-2
• Тяга (в вакууме): 5 115 кН (521 тс) — суммарно
• Удельный импульс (в вакууме): 421 с
• Топливо: жидкий водород (окислитель — жидкий кислород)

Ступень использовала криогенное топливо (водород при −253 °C). Для уменьшения веса баки изготавливались из алюминиевого сплава с сотовым заполнителем. S-II работала около 6 минут, обеспечивая разгон до скорости около 7,0 км/с и вывод на низкую опорную орбиту. Отделение происходило на высоте около 170 км.

Третья ступень S-IVB

• Длина: 17,8 м
• Диаметр: 6,6 м
• Сухая масса: 13,5 т
• Полная масса: 120 т (из них 108 т топлива)
• Двигатели: 1 × Rocketdyne J-2
• Тяга (в вакууме): 1 023 кН (104 тс)
• Удельный импульс (в вакууме): 421 с
• Топливо: жидкий водород (окислитель — жидкий кислород)

S-IVB выполняла две функции: довыведение на опорную орбиту и затем повторное включение для перевода корабля «Аполлон» на траекторию полёта к Луне (транслунная инъекция). После этого ступень отделялась и либо сходила с орбиты, либо (в миссиях «Аполлон-13» и «Аполлон-14») преднамеренно сталкивалась с Луной для сейсмических исследований.

Система управления

Навигация и управление полётом осуществлялись бортовым компьютером Launch Vehicle Digital Computer (LVDC) — одним из первых в мире компьютеров на интегральных схемах. LVDC имел разрядность 26 бит, объём памяти 32 Кбайта (на магнитных сердечниках) и тактовую частоту 2,048 МГц. Программы хранились на перфоленте. Система обеспечивала автономную навигацию с коррекцией траектории по звёздам.

Модификации и варианты

Всего существовало несколько конфигураций Saturn V, отличавшихся незначительно:

• Saturn V (базовая) — для миссий «Аполлон-4» — «Аполлон-14».
• Saturn V (улучшенная) — для «Аполлон-15» — «Аполлон-17». Увеличенный объём баков S-II и S-IVB, более лёгкие конструкции, улучшенные двигатели.
• Saturn INT-21 — двухступенчатый вариант для вывода станции «Скайлэб» (1973 год). Третья ступень заменялась самим корпусом станции.

Эксплуатация

Программа «Аполлон»

С 1967 по 1972 год выполнено 12 запусков Saturn V, из них 9 пилотируемых (включая облётные миссии). Ключевые полёты:

• Аполлон-8 (декабрь 1968) — первый пилотируемый облёт Луны.
• Аполлон-11 (июль 1969) — первая высадка на Луну.
• Аполлон-13 (апрель 1970) — авария на борту, экипаж спасён, ракета отработала штатно.
• Аполлон-17 (декабрь 1972) — последняя пилотируемая лунная миссия.

Программа «Скайлэб»

14 мая 1973 года двухступенчатая Saturn V вывела на орбиту орбитальную станцию «Скайлэб» массой 77 тонн. Это был единственный нелунный запуск носителя.

Отменённые миссии

После завершения лунной программы три оставшихся Saturn V (SA-514, SA-515, SA-516) были законсервированы. Планировалось их использование для запуска тяжёлых межпланетных зондов (например, к Марсу по программе «Вояджер»), но эти проекты не были реализованы. В 1970-х годах производство Saturn V было прекращено.

Характеристики и рекорды

• Грузоподъёмность: на низкую опорную орбиту (200 км) — до 140 тонн; на траекторию к Луне — до 48,6 тонн.
• Максимальная тяга на старте: 34 020 кН (3468 тс) — до 2018 года оставалась рекордной для серийных ракет.
• Высота: 110,6 м — выше Статуи Свободы (93 м) и почти равна высоте 30-этажного дома.
• Масса при старте: 2970 тонн — примерно равна весу 40 железнодорожных вагонов.
• Скорость на момент выключения третьей ступени: около 10,8 км/с (для транслунной траектории).

Сравнение с другими ракетами

На момент создания Saturn V не имела аналогов. Советская сверхтяжёлая ракета Н-1 (разрабатывалась для лунной программы) потерпела четыре аварии и не была доведена до эксплуатации. Энергия (СССР, 1987 год) имела грузоподъёмность около 100 тонн на НОО, но запускалась лишь дважды. Современные ракеты (Falcon Heavy, SLS, Starship) превзошли Saturn V по отдельным параметрам, но ни одна из них не повторяет её трёхступенчатую схему с керосиново-кислородными и водородно-кислородными двигателями.

Наследие

Saturn V остаётся символом американской космической программы и эпохи «космической гонки». Три сохранившихся экземпляра выставлены в музеях:

• Космический центр имени Джонсона (Хьюстон, Техас) — собран из SA-514 и SA-515.
• Космический центр имени Кеннеди (мыс Канаверал, Флорида) — SA-500 (нелётный экземпляр).
• Центр космических полётов имени Маршалла (Хантсвилл, Алабама) — SA-500D (динамический макет).

Технологии, разработанные для Saturn V, легли в основу двигателей RS-25 (для Space Shuttle) и современных проектов NASA (SLS). В 2010-х годах компания SpaceX заявила, что её ракета Starship превзойдёт Saturn V по грузоподъёмности, однако на 2024 год Starship находился на стадии испытаний.

Интересные факты

• При старте Saturn V создавала звуковое давление до 200 дБ — на расстоянии 1 км могла вызвать необратимые повреждения слуха.
• Для охлаждения сопел двигателей F-1 использовалось топливо (керосин), циркулирующее по трубкам — температура в камере сгорания достигала 3300 °C.
• Бортовой компьютер LVDC имел вычислительную мощность, сопоставимую с современным калькулятором.
• При запуске «Аполлон-11» за 2,5 минуты работы первой ступени сжигалось около 2000 тонн топлива — это больше, чем среднесуточное потребление нефти в США в 1969 году.

Источники

• Bilstein, Roger E. «Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles». NASA SP-4206, 1996.
• NASA Technical Reports Server (NTRS): «Saturn V Flight Manual SA-507», 1969.
• «Apollo Program Summary Report». NASA, 1975.
• Jenkins, Dennis R. «Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System». 2001.
• «Saturn V: America’s Moon Rocket». Space History Division, Smithsonian National Air and Space Museum.