Saturn I

Wernher von Braun s modelmi rakiet vo svojej kancelárii v Huntsvile

Wernher von Braun a jeho tím boli po druhej svetovej vojne prevezení do Spojených štátov (pozri Operácia Paperclip), kde spočiatku pracovali na testoch ukoristených V2 a ich amerických verziách. Neskôr sa venovali vývoju nových rakiet stredného doletu pre americkú armádu. Výskum prebiehal v Redstone Arsenal v Huntsvile v Alabame. Tu boli vyvinuté rakety PGM-11 Redstone a PGM-19 Jupiter. Po kríze vyvolanej vypustením Sputnika 1 sa von Braunov tím ujal iniciatívy a na základe rakety Redstone vyvinuli raketu Juno I ktorá vyniesla prvý americký satelit Explorer 1 a neskôr Juno II, postavenú na základe PGM-19 Jupiter.

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.

Statický test zväzku motorov prvého stupňa

Projekt bol oficiálne zahájený výnosom 14-59 agentúry ARPA z 15. augusta 1958.[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. septembra 1958.[2] 26. septembra 1958 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.

Koncept z roku 1959 pre projekt Horizont

Prechod ABMA k NASA, 1. júl 1960

Založenie NASA 29. júla 1958 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. júla 1959 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, ICBM rakety 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. júla 1960 a ABMA a celé zariadenie v Huntsvile bolo premenované na Marshall Space Flight Center.

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.

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.

Prvý stupeň S-I

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 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 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 IBM ASC-15 používaný aj na raketách Titan 2 a Titan 3.[5]