Saturn V

Od 1960 do 1962 Marshall Space Flight Center (MSFC) vyvíjalo rakety, ktoré sa dali použiť pre rôzne misie. Začínalo s modelom C-1, ktorý sa neskôr vyvinul do modelu Saturn I. Vo svojej prvej verzii ako Saturn I mala dva stupne a bola určená na testy makiet lodí Apollo na obežnej dráhe Zeme. Prvý stupeň bol poháňaný ôsmimi motormi H-1 (ťah 8 x 835 kN), ktoré spaľovali kvapalný kyslík a letecký benzín. Druhý stupeň S-IV mal šesť motorov RL-10 (ťah 6 x 67 kN), ktoré spaľovali kvapalný kyslík a vodík. Nosnosť bola 9 100 kg. Saturn IB vznikol výmenou druhého stupňa za stupeň S-IVB, ktorý mal iba jeden kyslíkovo-vodíkový motor J-2 (ťah 1 000 kN). Prvý stupeň mal zosilnený ťah na 8 x 912 kN, nosnosť vzrástla na 14 000 kg. Vývoj rakety C-2 sa nedostal ďaleko predtým, ako ho MSFC zrušila v prospech vývoja modelu C-3, kde použila dva motory F-1 na prvom stupni, štyri motory J-2 na druhom stupni a na stupni S-IV šesť motorov RL-10. NASA plánovala použiť túto raketu ako súčasť konceptu spojenia na zemskej orbite, keď by potrebovala najmenej štyri až päť štartov pre jednu misiu.

Ale MSFC plánovalo postaviť ešte väčšiu raketu C-4. Tá by použila stupeň S-IVB s jedným motorom J-2. Na jej prvom stupni by boli štyri motory F-1. Druhý stupeň mala byť zväčšená verzia druhého stupňa rakety C-3. Táto raketa by potrebovala iba dva štarty pre jednu misiu.

Dňa 10. januára 1962 NASA oznámila plán postaviť raketu C-5. Tá mala mať päť motorov F-1 na prvom stupni, päť motorov J-2 na druhom stupni a tretí stupeň S-IVB. V trojstupňovej verzii mala nosnosť 45 000 kg k Mesiacu. Prvé štyri štarty mali otestovať všetky stupne rakety s tým, že posledný testovací let mal byť okolo Mesiaca. Prvý pilotovaný let sa nemal uskutočniť skôr ako v roku 1969 (nakoniec sa však prvý let s ľudskou posádkou uskutočnil v decembri 1968).

V polovici roka 1962 sa NASA rozhodla, že otestuje všetky tri stupne už na prvom testovacom lete. To by skrátilo čas na testy a vývoj, ale iba v prípade, že všetky tri stupne by pracovali perfektne. Tiež zredukovala počet potrebných rakiet z 25 na 15. V roku 1963 bola raketa C-5 premenovaná na Saturn V. V tom istom roku firma Rocketdyne vyrobila prvý raketový motor. V roku 1966 motor F-1 prešiel išpekciou NASA a bol pripravený pre let s ľudskou posádkou, ktorý bol naplánovaný na 6. september. Po niekoľkých rokoch intenzívneho vývoja a testov, raketa po prvýkrát vzlietla 9. novembra 1967 s nepilotovanou kozmickou loďou Apollo 4.

Schéma rakety Saturn V

Saturn V sa skladal z troch stupňov a prístrojovej časti, ktoré boli vyvinuté a dodané rôznymi dodávateľmi NASA. Zaujímave je, že v súčasnosti je vlastníkom všetkých troch dodávateľov firma Boeing a to vďaka rôznym zlúčeniam a prebratiam.

Všetky tri stupne používali aj malý motor na tuhé palivo, ktorý pomáhal oddeľovať stupne počas letu a zaisťoval, že kvapalné palivá boli na správnom mieste pred tankovaním do púmp.

V prípade, že prerušenie letu vyžadovalo deštrukciu rakety, príslušný pracovník vyslal povel na odpálenie výbušnín pripevnených na vonkajšom povrchu rakety. Signál mal najprv zastaviť prívod paliva a oxidačného činidla a zamedziť miešaniu obidvoch látok a po odhodení únikovej veže mohli rozbušky bezpečne vybuchnúť.

Vztyčovanie prvého stupňa Saturnu V pre misiu Apollo 8 v montážnej hale VAB, 1. február 1968

S-IC bol postavený firmou Boeing v Michoud Assembly Facility New Orleans, kde sa neskôr vyrábali externé palivové nádrže pre Space Shuttle. Tak ako pri každom raketovom stupni, väčšina hmotnosti (> 2 000 ton) pripadá na palivo, v tomto prípade na raketové palivo RP-1 a okysličovadlo tekutý kyslík. Prvý stupeň bol 42 metrov vysoký a priemer mal 10 metrov. Bol schopný vyvinúť ťah 33,4 MN a prejsť prvých 61 kilometrov letu. Päť motorov F-1 bolo umiestnených do kríža. Centrálny motor bol pevne uchytený, kým ostatné štyri mohli byť hydraulicky vychyľované pre riadenie letu rakety.

S-II bol postavený firmou North American Aviation v Seal Beach. Ako palivo používal tekutý vodík a ako okysličovadlo tekutý kyslík. Jeho päť motorov J-2 bolo usporiadaných podobne ako na stupni S-IC. Druhý stupeň zrýchlil Saturn V cez hornú atmosféru ťahom 5 MN. Po natankovaní tvorilo 97 % hmotnosti stupňa palivo. Namiesto vnútornej štruktúry pre oddelenie nádrží ako mal prvý stupeň, S-II použil priečku na vrchu nádrže s kyslíkom a na spodku nádrže s vodíkom. Priečky boli zložené z dvoch hliníkových platní oddelených plastom z fenolovej živice. Tá mala izolovať 70 °C teplotný rozdiel medzi nádržami. Použitie tejto priečky ušetrilo 3,6 tony.

S-IVB bol postavený vo firme Douglas Aircraft Company v Huntington Beach. Používal jeden motor J-2 a rovnaké palivo ako druhý stupeň. Tento stupeň sa počas misie použil dvakrát: prvýkrát po oddelení druhého stupňa pre vstup na obežnú dráhu a neskôr pre vstup na translunárnu dráhu. Tento stupeň tiež použil fenolovú priečku na oddelenie nádrží. S-IVB bol jediný zo stupňov Saturnu V, ktorý bol dostatočne malý na to, aby sa dal prevážať lietadlom, v tomto prípade lietadlom Super Guppy. Okrem medzistupňového adaptéra bol tento stupeň skoro identický s druhým stupňom rakety Saturn IB.

Prístrojová časť Saturnu bola vyvinutá firmou IBM a bola umiestnená na vrchu tretieho stupňa. Postavená bola v Space Systems Center v Huntsville. Počítač kontroloval a riadil operácie od pár sekúnd pred štartom až po odhodenie tretieho stupňa. To zahŕňalo riadenie navigačných a telemetrických systémov rakety. Meraním zrýchlenia a dosiahnutej výšky bol schopný vypočítať pozíciu a rýchlosť rakety a upraviť odchýlky.

Raketové motor F-1 na prvom stupni S-IC spolu s ich tvorcom Wernherom von Braunom

Sovietska raketa porovnateľná so Saturnom V bola raketa N-1. Saturn V bol vyšší a ťažší[1], ale prvý stupeň N-1 mal väčší priemer[2]. Počas jej štyroch testov, predtým ako bol vývoj zrušený, N-1 nikdy nevydržala do úspešného oddelenia prvého stupňa – najúspešnejší pokus zlyhal približne 10 sekúnd pred oddelením. Rozhodnutie použiť na prvom stupni rakety Saturn V päť veľmi výkonných motorov sa ukázalo byť lepšia konfigurácia ako tridsať menších motorov na prvom stupni rakety N1 (Sovieti v tom čase nemali podobne silný raketový motor). Počas letov Apollo 6 a Apollo 13 bol Saturn V dokonca schopný nahradiť vypadnutý motor dlhšou prevádzkou zostávajúcich motorov. N-1 síce mala počítač naprogramovaný na vykrytie prípadných výpadkov motorov, ale nikdy ho úspešne nepoužila – v jednom príprade dokonca počítač vypol všetky motory prvého stupňa namiesto jedného chybného.

Trojstupňová raketa Saturn V mala maximálny ťah 34,02 MN (SA-504 a nasledujúce)[3] a vedela vyniesť 118 000 kg na nízku obežnú dráhu. Iba niekoľko z novších rakiet môže ohroziť niektoré rekordy vytvorené Saturnom V:

• sovietska Energija bola dokonca silnejšia ako Saturn V, s ťahom 46 MN v konfigurácii „Vulkan“ dokázala vyniesť až 175 ton na nízku obežnú dráhu. Nikdy však s takou kapacitou nevzlietla. Štartovala iba dvakrát (obidva štarty boli úspešné).
• Space Shuttle dokázal vyvinúť ťah 34,8 MN aj keď užitočná hmotnosť, ktorú vedel vyniesť, dosahovala iba 28 800 kg.

Európska Ariane 5 v novej verzii Ariane 5 ECA vynesie do 12 000 kg na geostacionárnu dráhu. Americká Delta 4, ktorá štartovala s maketou satelitu 21. decembra 2004, má kapacitu 13 100 kg na geosynschónnu obežnú dráhu. Raketa Atlas V (postavená na základe ruských rakiet) vie vyniesť na nízku obežnú dráhu do 25 000 kg a 13 605 kg na geostacionárnu dráhu.

Prvý stupeň horel 2,5 minúty, vyniesol raketu do výšky 61 kilometrov a udelil jej rýchlosť 8 600 km/h. Pritom spálil 2 000 000 kg paliva.

8,9 sekundy pred štartom sa začala sekvencia zapálenia prvého stupňa. Najprv bol zapálený stredný motor, nasledovaný protiľahlými pármi motorov s 300 milisekundovým oneskorením. V momente, keď palubné počítače zaznamenali plný ťah, raketa bola v dvoch krokoch uvoľnená. Najprv sa odpojili zadržiavacie ramená štartovacej veže a potom, keď raketa začala smerom nahor zrýchľovať, boli do pol sekundy odstránené ostatné kovové časti, ktorými bola raketa prichytená k veži. Keď sa raketa začala pohybovať smerom nahor, neexistoval v prípade zlyhania motorov bezpečný spôsob, ako ju dostať na zem.

Trvalo približne šesť sekúnd, kým raketa opustila vežu. Ako opúšťala vežu, pootočila sa, aby si zabezpečila dostatočnú voľnosť v prípade protivetra alebo zlyhania motorov. Vo výške 130 metrov sa raketa začala otáčať a naklánať do správneho azimutu. Od štartu až do 38 sekúnd po zapálení druhého stupňa letel Saturn V predprogramovaným sklonom podľa prevládajúcich vetrov v mesiaci štartu. Štyri bočné motory sa odklonili od centrálneho, aby v prípade, že sa niektorý z nich vypol skôr, ostatné smerovali k ťažisku rakety. Saturn V rýchlo akceleroval. Vo výške dvoch kilometrov mal rýchlosť 500 m/s. Začiatok letu bol sústredený na získanie výšky s tým, že potrebná rýchlosť príde neskôr.

Asi 80 sekúnd po štarte raketa dosiahla bod maximálneho dynamického tlaku ("Max Q"). Dynamický tlak na raketu je priamo úmerný atmosférickému tlaku v okolí rakety a štvorcu rýchlosti. Aj keď sa rýchlosť zvyšovala, atmosférický tlak klesal s tým, ako sa raketa dostala vyššie.

135,5 sekúnd po štarte sa vypol centrálny motor, aby sa znížilo preťaženie, pretože sa raketa po spálení paliva stávala ľahšou. Motor F-1 sa nedal priškrtiť, takže to bola najľahšia metóda. Posádka zažila najväčšie preťaženie, 4 g (39 m/s²), tesne pred oddelením prvého stupňa. Ostatné motory pokračovali v činnosti až kým nevyčerpali okysličovadlo alebo palivo, čo bolo signalizované senzormi v nasávaní. 600 milisekúnd po zastavení motorov bol prvý stupeň pomocou spätných rakiet na tuhé palivo oddelený. Stalo sa to vo výške okolo 62 km. Prvý stupeň pokračoval až do výšky 110 km a potom dopadol do Atlantického oceánu asi 560 km od štartovacej rampy.

Oddelenie medzistupňa pri misii Apollo 6

Po oddelení stupňa S-IC sa na 6 minút zapálil druhý stupeň S-II, ktorý dostal loď do výšky 185 km a udelil jej rýchlosť 24 600 km/h, blízku orbitálnej rýchlosti.

Zapálenie druhého stupňa sa skladalo z dvoch častí. V prvom kroku sa na štyri sekundy zapálilo osem raketových motorov na pevné palivo, aby udelilo rakete pozitívne zrýchlenie a v potom sa zapálilo päť motorov J-2. V druhom kroku, asi tridsať sekúnd po oddelení prvého stupňa, bol od druhého stupňa oddelený medzistupeň. Toto bol dôkladne kontrolovaný manéver, lebo bolo neprípustné, aby sa medzistupeň dotkol hociktorého z motorov a vzdialenosť od nich bola iba jeden meter. V rovnakom čase ako medzistupeň bol oddelený aj Štartovací únikový systém. Pozri Spôsoby záchrany z lode Apollo pre viac informácii o rôznych spôsoboch záchrany, ktoré mohli byť použité počas štartu.

38 sekúnd po zapálení druhého stupňa, automatická kontrola letu Saturnu V prepla z predprogramovaného riadenia sklonu rakety na interaktívne, ktoré zabezpečovala prístrojová jednotka rakety na základe údajov o zrýchlení a výške. Ak prístrojová jednotka neudržala raketu v stanovených hraniciach, posádka mohla prebrať riadenie pomocou ručného riadenia v kapsule.

Asi 90 sekúnd pred oddelením druhého stupňa bol vypnutý centrálny motor aby sa zredukovala výšková pogo oscilácia. Prístoj, ktorý potláčal túto osciláciu, bol po prvýkrát nainštalovaný v misii Apollo 14, ale centrálny motor bol aj tak vypnutý skôr. V tom čase sa hladina tekutého kyslíka znížila, čo zmenilo pomer obidvoch zložiek paliva, aby sa zaistilo, že po oddelení druhého stupňa v nádrži ostane čo najmenej paliva.

Na dne každej nádrže S-II bolo päť senzorov. Keď dva z nich ostali nezakryté, Prístrojová jednotka iniciovala oddelenie druhého stupňa. O jednu sekundu bol stupeň oddelený a o ďalších desať sekúnd sa zapálil tretí stupeň. S-II dopadol asi 4 200 km od štartovacej rampy.

Stupeň S-IVB z misie Apollo 7 letí na zemskej orbite. Hoci Apollo 7 použilo ako nosnú raketu Saturn IB, stupeň S-IVB sa používal na obidvoch nosných raketách. Na letoch Saturnu V štyri panely spájajúce loď a lunárny modul boli odhodené, aby bol umožnený prístup do lunárneho modulu

Tretí stupeň bol zapálený na nasledujúcich 2,5 minúty okolo 12 minút po štarte. Ku kozmickej lodi zostal pripojený aj dva a pol obehu na parkovacej obežnej dráhe okolo Zeme, kým astronauti neskontrolovali loď aj raketu, aby sa uistili, že všetky systémy pracujú normálne.

Na rozdiel od predchádzajúceho oddelenia, toto oddelenie nebolo dvojfázové. Medzistupeň medzi druhým a tretím stupňom zostal totiž pripojený k druhému stupňu (aj keď bol vyrobený ako časť tretieho).

10 minút a 30 sekúnd po štarte bol Saturn V vo výške 164 km a 1 700 km vzialený od miesta štartu. Po zhruba 5 minútovom zážihu bol motor tretieho stupňa vypnutý. Loď v tom čase bola vo výške okolo 180 km. To je veľmi nízka orbita, ktoré nie je stabilná veľmi dlho a to kvôli brzdeniu zemskou atmosférou. Pre dve misie Saturnu V iba na obežnú dráhu Zeme, Apollo 9 a Skylab, bola obežná dráha vyššie. Nasledujúcich dva a pol obehu bolo využitých na kontrolu lodných systémov a prípravu lode na TLI manéver (Trans Lunar Injection), ktorým sa loď dostala na dráhu k Mesiacu.

TLI prišiel okolo dva a pol hodiny po štarte, keď bol znova zapálený tretí stupeň, aby vyniesol loď k Mesiacu. S-IVB horel skoro šesť minút takže rýchlosť celej lode pri oddelení prekročila 10 km/s, únikovú rýchlosť.

Niekoľko hodín po manévri TLI bol Veliteľský a servisný modul (CSM) oddelený od tretieho stupňa, otočený o 180 stupňov a pripojený k Lunárnemu modulu, ktorý bol počas štartu uložený pod ním. CSM a LM sa potom oddelili od tretieho stupňa.

Ak by tretí stupeň ostal na rovnakej dráhe ako kozmická loď, mohlo by to ohroziť ďalší priebeh misie, takže bol vypustený zvyšok paliva z nádrží a tým sa zmenila jeho trajektória. Po rozhodnutí riadiaceho strediska, tretí stupeň z misie Apollo 13 dopadol na Mesiac. Seizmometre, ktoré zanechala na povrchu predchádzajúca misia dopad zaznamenali a informácie pomohli zmapovať vnútro Mesiaca. Tretie stupne z prechádzajúcich misií (okrem Apolla 9 a Apolla 12) boli navedené na prelet okolo Mesiaca a poslané na heliocentrickú dráhu. Tretí stupeň Apolla 9' S-IVB bol na slnečnú orbitu poslaný priamo.

Stupeň S-IVB z misie Apolla 12 mal iný osud. 3. septembra 2002 Bill Yeung objavil podozrivú planétku, ktorú dočasne označil J002E3. Vyzeralo to, že obieha okolo Zeme a čoskoro bolo špeciálnou analýzou zistené, že jej povrch je pokrytý bielym oxidom titaničitým, rovnakým, aký sa použil na natretie Saturnu V. Aj keď tretie stupne z Apolla 8, 9, 10, 11 a 12 vstúpili na obežnú dráhu okolo Slnka, najprijateľnejšie vysvetlenie bolo, že to je tretí stupeň z Apolla 12. Riadiace stredisko misie plánovalo poslať ho po prelete okolo Mesiaca na slnečnú orbitu, zážih po oddelení od kozmickej lode Apollo trval príliš dlho a S-IVB poslal na kvázi stabilnú dráhu okolo Zeme a Mesiaca. V roku 1971 sa predpokladalo, že po sérii gravitačných turbulencií vstúpi na obežnú dráhu okolo Slnka a vráti sa na zemskú orbitu o 31 rokov neskôr. Zemskú orbitu opustil v júni 2003.

• Nosné rakety Saturn (PDF)
• Štartovací komplex 39 – popis zariadenia (PDF)

• Apollo Saturn referenčná stránka
• Archív Programu Apollo
• História kozmických rakiet

• 3D Saturn V – simulátor štartov
• Saturn V/Saturn IB simulácia pre orbitálny let