Сатурн-1

Программа отработки надёжности

Огневые технологические испытания первой ступени S-IC в сборе с пятью ЖРД F-1 на стенде Космического центра Маршалла. 1967 год.

Особенностью предполётной отработки «Сатурна-5» стал беспрецедентный объём наземных испытаний ракетного комплекса. Один из
руководителей Управления пилотируемых полётов НАСА Джордж Эдвин Миллер, ответственный по этому вопросу, сделал ставку на наземную стендовую отработку всех ракетных систем и в первую очередь ЖРД. Он наглядно и убедительно показал, что только чёткое разделение отработки на наземные и лётные этапы позволит уложиться в сроки полёта на Луну. Для этого были построены дорогостоящие стендовые сооружения, необходимые для проведения огневых технологических испытаний (ОТИ) как отдельных двигателей F-1 и J-2, так и целиком первых и вторых ступеней ракеты.

Запуски Сатурн-1Б

Миссия Аполлон-5

Saturn IB на специальной ферме-переходнике, миссия Скайлэб-2

Первоначально запускались с площадок LC-34 и SLC-37. Поскольку к 1973 году они были разобраны, то для экспедиций посещения орбитальной станции «Скайлэб» (Скайлэб-2, Скайлэб-3, Скайлэб-4) была использована стартовая площадка LC-39B, с которой запускали «Сатурн-5». Для более коротких ракет «Сатурн-1Б» была модифицирована мобильная пусковая платформа № 1. Использование специальной фермы-переходника, позволило использовать стартовую башню и мобильную пусковую платформу от ракеты-носителя «Сатурн-5».

В 1966-75 гг произведено 9 пусков ракеты-носителя Сатурн-1Б , все признаны успешными.

Все запуски Saturn IB: от AS-201 до ASTP

Операции для старта

Отсчет предстартового времени начинается за шесть суток до отправки ракеты в космос. Это стандартная процедура, проводившаяся и с «Сатурном-5». В течение этого периода проводилось несколько пауз, во избежание сбоев и последующей отсрочки вылета. Окончательный отсчет стартовал за 28 часов до запуска.

Заправка первой ступени происходила за двенадцать часов. Причем заливался только керосин, а жидкий кислород подавался в баки за четыре часа до пуска. Перед заправкой все баки проходили процедуру охлаждения. Окислитель сначала подавался в баки второй ступени на сорок процентов, потом в баки третьей на сто. Далее заполнялись до конца емкости второй конструкции, и только потом окислитель попадал в первую. Благодаря такой интересной процедуре, работники убеждались в отсутствии утечки кислорода из баков второй ступени. Общее время подачи криогенного топлива во время заправки составляло 4,5 часа.

После подготовки всех систем ракету переводили в автоматический режим. Из пяти двигателей первой ступени первым запускался центральный неподвижный, и только потом периферийные по схеме противоположности. Далее в течение пяти секунд ракета находилась на удержании, а потом мягко выходила из держателей, которые ее выпускали, отклоняясь в стороны.

Компьютер, располагавшийся в инструментальном блоке, управлял тангажом и креном ракеты. Все маневры, предполагаемые по тангажу, заканчивались на 31 секунде полета, но программа продолжала подавать импульсы до полного отсоединения первой ступени.

Динамический напор начинался на семидесятой секунде. Периферийные двигатели работали до момента окончания топлива в баках, а серединный отключался еще на 131 секунде после взлета, дабы предотвратить большие перегрузки на ракетный корпус. Отделение первой ступени происходило примерно на 65 километрах над земной поверхностью, а скорость ракеты к этому моменту была уже 2,3 километра в секунду.

Но отделяясь, ступень не падала сразу вниз. Согласно конструкционным особенностям, она продолжала набирать высоту до ста километров и только потом уходила в воды Атлантического океана на расстоянии в 560 километров от места запуска.

Запуск двигателей второй ступени начинался через секунду после отстыковки первой. Все пять силовых установок запускались одновременно, а через 23 секунды происходил сброс нижнего переходника второй ступени. После этого экипаж брал дело в свои руки с помощью бортового компьютера. Отделение второй ступени происходило на высоте в 190 километров над земной поверхностью, и работа переходила на маршевый двигатель. Его управлением занимались астронавты. И после вывода космического корабля на лунную орбиту третья ступень отделялась от управляемого модуля при выключении двигателя вручную через восемьдесят минут. Таким образом «Сатурн-5» смог доставить астронавтов на Луну и позволить американцам стать первыми покорителями естественного спутника Земли.

Три ступени «успеха»

Сатурн-5

Сатурн 5 ракета носитель обладала последовательным расположением ступеней и была выполнена по трехступенчатой схеме. На первую ступень были установлены пять жидкостных (кислородно-керосиновых) ракетных двигателей F-1, которые и на данный момент остаются наиболее мощными из когда-либо летавших однокамерных ракетных двигателей. Вторая ступень была оснащена пятью двигателями, работающими на топливной паре из жидкого водорода и жидкого кислорода. А третья ступень — одним водородно-кислородным жидкостным ракетным двигателем, аналогичным использованному на предыдущей ступени.

Технические данные

Схема ракеты-носителя «Сатурн-5».

Зависимость высоты, скорости и перегрузки от времени на активном участке траектории ракеты «Сатурн-5» миссии «Аполлон-17». Вертикальными пунктирными линиями между разными цветами отмечены времена отделения первой и второй ступени.

Ступени

«Сатурн-5» состояла из трёх ступеней: S-IC — первая ступень, S-II — вторая и S-IVB — третья. Все три ступени использовали жидкий кислород как окислитель. Горючим в первой ступени был керосин, а во второй и третьей — жидкий водород

Первая ступень, S-IC

Основная статья: S-IC

Первая ступень, использованная в запуске «Аполлона-8» в корпусе вертикальной сборки на космодроме

S-IC производилась компанией «Боинг». На ступени было установлено пять кислородно-керосиновых двигателей F-1, суммарная тяга которых была более 34 000 кН. Первая ступень работала около 160 секунд, разгоняла последующие ступени и полезную нагрузку до скорости около 2,7 км/с (в инерциальной системе отсчёта; 2,3 км/с относительно земли), и отделялась на высоте около 70 километров. После разделения ступень поднималась до высоты около 100 км, затем падала в океан. Один из пяти двигателей был зафиксирован в центре ступени, четыре других симметрично расположены по краям под обтекателями и могли поворачиваться для управления вектором тяги. В полёте центральный двигатель выключался раньше, чтобы уменьшить перегрузки. Диаметр первой ступени 10 метров (без обтекателей и аэродинамических стабилизаторов), высота 42 метра.

Вторая ступень, S-II

Основная статья: S-II

S-II производилась компанией «Норт Америкэн». Ступень использовала пять кислородно-водородных двигателей J-2, общая тяга которых составляла около 5100 кН. Как и на первой ступени, один двигатель был в центре и на внешнем круге четыре остальных, которые могли поворачиваться для управления вектором тяги. Высота второй ступени 24,9 метра, диаметр 10 метров, как и у первой ступени. Вторая ступень работала приблизительно 6 минут, разгоняя ракету-носитель до скорости 6,84 км/с и выводя её на высоту 185 км.

Третья ступень, S-IVB

Основная статья: S-IVB

S-IVB производилась компанией «Дуглас» (с 1967 года — компанией «Мак-Доннэл Дуглас»). На ступени был установлен один двигатель J-2, который использовал жидкий кислород в качестве окислителя и жидкий водород в качестве горючего (аналогично второй ступени S-II). Ступень развивала тягу более 1000 кН. Размеры ступени: высота 17,85 метра, диаметр 6,6 метра. Во время полётов на Луну ступень включалась дважды, первый раз на 2,5 минуты для довыведения «Аполлона» на околоземную орбиту и во второй раз — для вывода «Аполлона» на траекторию к Луне.

Запуски

В период 1961—1965 гг. было произведено 10 беспилотных запусков ракеты-носителя Сатурн-1, все признаны успешными.

1-й старт SA-1

Это был первый испытательный старт ракеты-носителя Сатурн-1. В этом суборбитальном полете использовалась только первая ступень, вторая — была заполнена водой. Высота полёта 136.5 км, дальность 345.7 км. Полет достиг своей цели — была проверена аэродинамика и управление ракетой.

2-й старт SA-2

1-я ступень подняла на высоту 105 км заполненные водой 2-ю и 3-ю ступени, где они были взорваны, заставляя 86 000-килограммовый водный балласт создать искусственное облако. Этот эксперимент известен как Проект Хайуотер-1. Максимальная скорость составляла приблизительно 6000 км/ч.

3-й старт SA-3

1-я ступень, отработав положенные 4 минуты 53 секунды подняла ракету на высоту 167 км, 2-я и 3-я ступени, были заполнены 87 000 литрами воды. На этой высоте они были взорваны по радиокоманде, распыляя воду в ионосфере, сформировав массивное облако ледяных частиц размером в несколько км в диаметре. Эксперимент Хайуотер-2 должен был дать данные о состоянии атмосферы, но плохая телеметрия сделала результаты сомнительными.

4-й старт SA-4

Суборбитальный полет — высота 129 км и пиковая скорость — 5906 км/ч. Был поставлен эксперимент — после 100 секунд полета таймер отключил двигатель № 5, чтобы проверить автоматику ракеты-носителя: топливо было перераспределено к другим семи двигателям, и полет продолжился.

5-й старт SA-5

В этом полете впервые полностью отработали 1-я и 2-я ступени. Первый вывод на орбиту весовой нагрузки, сошла с орбиты 30 апреля 1966 года. Начальные параметры орбиты 264км-760км-94,8мин-31,5град. Телеметрия передала информацию более чем по 11 000 параметрам.

6-й старт SA-6

Это был первый полет модели космического корабля Аполлон. «Аполлон модель 1» представлял из себя алюминиевую конструкцию, моделирующую размер, вес, форму и центр тяжести корабля. В конце работы первой ступени один из 8 двигателей отключился на 24 сек раньше положенного времени, автоматика ‘заставила’ оставшиеся 7 двигателей проработать на 2 сек больше положенного времени, корабль был выведен на орбиту, близкую к расчётной. Начальные параметры орбиты 179км-204км-88,5мин-31,8град. На 50-м витке 1 июня 1964 года корабль вошёл в плотные слои атмосферы и сгорел. Главная цель запуска — дальнейшая модернизация ракеты-носителя Сатурн-1.

7-й старт SA-7

Полет корабля «Аполлон модель 2». На первой ступени были установлены 8 кинокамер для видеозаписи событий. После окончания работы первой ступени они были отстрелены, но восстановить их было невозможно. Начальные параметры орбиты 178км-203км-88,4мин-31,7град. Сошёл с орбиты и сгорел в атмосфере после 59 витков 22 сентября 1964 года.

8-й старт SA-9

Вывод на орбиту кораблей «Аполлон модель 3» и «Пегас-1». «Пегас-1» — первый активный полезный груз, выведенный на орбиту Сатурном-1. Начальные параметры орбиты 430км-523км-94,1мин-31,7град. Сошёл с орбиты 17 сентября 1978 года.

9-й старт SA-8

Вывод на орбиту кораблей «Аполлон модель 4» и «Пегас-2». Начальные параметры орбиты 467км-594км-95,2мин-31,7град. Сошел с орбиты 3 ноября 1979 года.

10-й старт SA-10

Вывод на орбиту кораблей «Аполлон модель 5» и «Пегас-3». Начальные параметры орбиты 535км-567км-95,3мин-28,9град. Сошел с орбиты 4 августа 1969 года.

Через тернии к звездам …

В начале мая 1966 года были проведены первые испытания по запуску «Сатурна» в открытый космос, которые не увенчались успехом – в момент запуска вторая ступень ракеты вышла из строя и была полностью разрушена. После этого было принято решение данную ракету отправить на необходимую доработку и ориентировочно в начале 1967 года провести повторные испытания по ее запуску.

Но в итоге ракета пробыла на ремонтных работах значительно дольше, чем было изначально запланировано, и только 9 ноября 1967 года смогла осуществить повторную попытку беспилотного полета, которая на этот раз оказалась весьма успешной.

Следующий полет, состоявшийся 4 апреля 1968 года, должен был подтвердить отлаженную работоспособность ракеты и быть заключительным в череде запланированных испытаний, но потерпел провал из-за отказа двигателей второй ступени, а третью ступень в момент пуска, вообще, разорвало на части. В общем, проблем было множество, и для их решения были запланированы долгие ремонтные работы.

Лунная программа: миф или правда?

Прошло уже почти полвека, но разговоры о сфабрикованной лунной программе не утихают. Кто-то уверен, что отправка астронавтов на Луну с использованием ракеты «Сатурн-5» — мистификация. Таким людям любые доказательства о великих достижениях американцев чужды, и, по их утверждениям, видеозаписи делали, не вылетая за пределы планеты Земля.

Иногда ходят слухи, что прекрасно сконструированный «Сатурн» слишком идеален для того, чтобы быть настоящим. Даже если программа «Сатурна» имела место быть, то почему американцы не стали ее продолжать, сославшись на утерю всей конструкционной документации ракеты «Сатурн-5», и стали выпускать шаттлы стоимостью в разы выше? Зачем надо было начинать весь рабочий процесс разработки схожей ракеты с нулевой точки? Да и как вообще можно было потерять технологическую карту производства ракеты «Сатурн-5»? Ведь это не песчинка среди песочного пляжа.

В целом, ракета «Сатурн-5» — первая в своем роде, создававшаяся не только для доставки астронавтов на Луну, но и для их успешного возвращения домой. Плюс ко всему, посадка со всем оборудованием, включающим и лунный модуль с двумя живыми пассажирами, должна была быть очень плавной и мягкой, иначе это был бы их последний полет. Частично массу смогли разделить путем отсоединения лунного модуля от командного корабля, который, в свою очередь, оставался на лунной орбите и ждал завершения всех работ.

Американская ракета «Сатурн-5» могла поднять и вывести на околоземную орбиту до 140 тонн груза. А вот, например, наиболее используемая тяжеловесная ракета «Протон» может донести на своем «теле» только 22 тонны. Впечатляющая разница, не так ли?

Как известно, «Сатурнов» было выпущено несколько, и последний выводил космическую станцию «Скайлэб» в 77 тонн веса. Она была настолько огромной, что при потере опорной точки внутри астронавт зависал в воздухе на несколько минут, дожидаясь ветра со стороны вентиляционной системы. Собственно, данный рекорд побил только «Мир», состоявший из нескольких модулей. Но именно ракета «Сатурн-5» все еще является самым грандиозным проектом в мире и самой мощной космической машиной, рекорд которой побить пока не смогла ни одна другая ракета-носитель.

Интересные факты

Разрабатывать ракету «Сатурн» США начали еще в 1962 году, и через четыре года уже состоялся первый испытательный полет. Точнее, испытание полностью было провалено, так как вторая ступень ракеты, установленная для запуска на полигоне вблизи Сент-Луиса, просто-напросто взорвалась и разлетелась на части. Согласно историческим записям, беспилотный полет ракеты постоянно откладывался из-за бесконечных поломок и недоработок, но осенью 1967 года американцы все же смогли добиться успеха. Однако на втором испытательном этапе программы «Аполлон-6» попытка беспилотного пилотирования опять провалилась. Из пяти имеющихся двигателей на первой ступени в работу включились только три, двигатель на третьей ступени вообще не завелся, а после вся конструкция неожиданно для всех развалилась.

Несмотря на это, через десять дней было принято беспрецедентное решение — отправить ракету-носитель «Сатурн-5» без повторных испытаний на Луну. Ведь не стоит забывать о холодной войне с СССР и гонкой вооружений. Все торопились и, даже опасаясь непоправимых трагических последствий, все равно приняли решение покорить естественный спутник Земли без третьего испытательного запуска.

Выше говорилось о мистических исчезновениях технической документации и характеристик ракеты «Сатурн-5», но по факту американцы опровергают данную информацию и называют ее байкой. Эта история появилась еще в 1996 году в одной научной книге об истории формирования астронавтики. Проще говоря, автор сообщал в ее строках, что НАСА просто потеряло чертежи. Но по словам сотрудника НАСА — Пола Шавкросса, занимавшего должность в подразделении по внутренней инспекции, чертежей правда не осталось, а вот опыт и инженерный «мозг» сохранились невредимыми: все данные поместили в мелкие кусочки фотопленки — микрофильмы.

Цена Править

С 1964 года по 1973-й из федерального бюджета США было выделено на программу «Сатурн-5» 6,5 миллиардадолларов. Максимум пришелся на 1966 год — 1,2 миллиарда. С учетом инфляции на программу «Сатурн-5» было за этот период потрачено 47.25 миллиардов долларов в ценах 2014 года. Приблизительная стоимость одного запуска «Сатурн-5» составляла 1,19 миллиарда долларов в ценах 2014 года.

Одна из главных причин досрочного прекращения лунной программы США после трех облетов Луны пилотируемыми кораблями (в том числе один — «Аполлон-13» — аварийный) и шести успешных высадок на Луну (первоначально планировались два облета пилотируемыми кораблями и 10 высадок) была её высокая стоимость. Так, в 1966 году НАСА получила самый большой (если учитывать инфляцию) бюджет за свою историю — 4,5 миллиарда долларов (что составляло около 0,5 процента тогдашнего ВВП США).

Инструментальный блок

Все электронные системы располагались в инструментальном блоке, который был чуть меньше метра в высоту и диаметром около 6,6 метров. Он наложен на третью ступень. Внутри кольца располагались блоки, управлявшие стартом ракеты, ее ориентацией в пространстве, а также полетом по заданной траектории. Тут же имелись приборы навигации и аварийной системы.

Система управления была представлена бортовым компьютером и инерциальной платформой. Весь блок управления имел систему температурного режима и терморегуляции. Абсолютно вся ракета была усыпана датчиками, выявляющими любые неисправности. Они подавали найденные данные по аварийному состоянию того или иного электронного объекта на пульт управления в кабине астронавтов.

Подготовка к пуску

Всю предполетную проверку ракеты «Сатурн-5» и корабля «Аполлон» проводила специальная комиссия из пятисот человек. Тысячи рабочих принимали участие в старте и подготовке на мысе Канаверал. В Космическом центре, расположенном в пяти километрах от пускового места, происходила вертикальная сборка.

Примерно за десять недель до вылета все части ракеты перевозились на стартовую позицию. Для таких тяжеловесных объектов использовались гусеничные транспортные средства. Когда все части ракеты соединялись воедино и все электроприборы подключались, производили проверку коммуникаций, включая радиосистему — как бортовую, так и наземную.

Далее начинались обездвиженные испытания управления ракетой, происходила имитация полета. Проверяли работу космодрома и ЦУПа в Хьюстоне. И последние испытательные работы проводились уже с непосредственной заправкой баков топливом до периода, предполагающего запуск первой ступени.

Конструкция первой ступени

Ее производителем стал всемирно известный «Боинг». Из всех трех именно первая ступень была самой высокой, ее длина составляла 42,5 метра. Время работы — около 165 секунд. Если рассматривать ступень снизу вверх, то в ее конструкции можно обнаружить непосредственно сам отсек с пятью двигателями, топливный бак с керосином, межбаковый отсек, бак с окислителем в виде жидкого кислорода и переднюю юбку.

В двигательном отсеке находились самые большие двигатели «Сатурна-V» — F-1, производителем которых являлась американская фирма «Рокетдайн». Сама двигательная система же состояла непосредственно из силовой конструкции, стабилизирующих агрегатов и теплозащиты. Один из двигателей был закреплен по центру в неподвижном положении, а четыре остальных подвешивались на кардановых подвесах. Также на боковых силовых установках были установлены обтекатели, дабы защитить двигатели от нагрузок аэродинамики.

В топливном отсеке располагалось пять труб, проводящих окислитель к основному горючему, которое уже в готовом виде подавалось с помощью десяти трубопроводов в двигатели. Юбка имела функцию соединения первой и второй ступеней. Когда выполнялись полеты четвертого и шестого «Аполлонов», на конструкции крепились камеры для отслеживания работы силовой установки, отделения ступеней и контроля за жидким кислородом.