Сатурн (ракетное семейство) - Saturn (rocket family)

В SA-9 (Сатурн I Блок II), восьмой полет Сатурна I, стартовал из LC-37B 16 февраля 1965 года. Это был первый Сатурн с боевой нагрузкой, Пегас I спутник обнаружения метеороидов.

В Сатурн семья американских ракеты был разработан командой в основном Немецкие ракетологи во главе с Вернер фон Браун для запуска тяжелых грузов в Околоземная орбита и дальше. Семья Сатурн использовала жидкий водород как топливо в верхние ступени. Первоначально предлагалось как военный спутник пусковой установки, они были приняты как ракеты-носители для Программа Аполлона Луны. Были построены и запущены три версии: средний подъем Сатурн I, то с большой грузоподъемностью Сатурн IB, а сверхтяжелый подъем Сатурн V.

Название Сатурн было предложено фон Брауном в октябре 1958 года в качестве логического преемника Юпитер серии, а также римский бог сильная позиция.^[1]

В 1963 г. президент Джон Ф. Кеннеди определил Сатурн I СА-5 запуск как точка, где грузоподъемность США превзойдет Советы, после отставания с Спутник. В последний раз он упомянул об этом в речи, произнесенной на База Брукс в Сан-Антонио за день до его убийства.

На сегодняшний день "Сатурн-5" - единственная ракета-носитель, способная транспортировать людей за пределы низкая околоземная орбита. А всего 24 Люди были отправлены на Луну за четыре года, с декабря 1968 по декабрь 1972 года. Ни одна из ракет Сатурна не вышла из строя в полете.^[2]

фон Брауна с F-1 двигатели первой ступени Сатурна V на Космический и ракетный центр США

История

Ранняя разработка

Сатурн I (SA-1 ) отрыв от LC-34

Сатурн IB (AS-202 ) отрыв от LC-34

Выкатите Сатурн V из Аполлона-11 на стартовой площадке

В начале 1950-х гг. ВМС США и Армия Соединенных Штатов активно развивались ракеты большой дальности с помощью немецких ракетостроителей, которые участвовали в разработке успешных V-2 во время Второй мировой войны. Эти ракеты включали ВМФ Викинг, и армия Капрал, Юпитер и Редстоун. Между тем ВВС США разработал свой Атлас и Титан ракеты, полагаясь больше на американских инженеров.

Вражда между различными отраслями была постоянной, Министерство обороны США (DoD) решает, какие проекты финансировать для развития. 26 ноября 1956 г. министр обороны Чарльз Э. Уилсон выпустили меморандум об освобождении армии от наступательных ракет с дальностью действия 200 миль (320 км) и более и передаче их ракет «Юпитер» ВВС.^[3] С этого момента ВВС будут основным разработчиком ракет, особенно ракет двойного назначения, которые также могут использоваться в качестве космических. ракеты-носители.^[3]

В конце 1956 года министерство обороны выпустило требование о том, чтобы на орбите была установлена ​​тяжелая машина для связи нового класса и "других" спутников ( спутник-шпион программа была совершенно секретно ). Требования, составленные тогда еще неофициальным Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA), призвал к созданию транспортного средства, способного вывести на орбиту от 9000 до 18000 кг или разогнать 2700 до 5400 кг до космической скорости.^[4]

Поскольку меморандум Вильсона касался только оружия, а не космических аппаратов, Армейское агентство по баллистическим ракетам (ABMA) увидели в этом способ продолжить разработку своих собственных проектов по созданию больших ракет. В апреле 1957 года фон Браун поставил Хайнц-Германн Коелле, руководитель дизайнерского подразделения Future Projects, чтобы изучить конструкции специальных ракет-носителей, которые можно было бы построить как можно быстрее. Коелле оценил различные конструкции ракетных пусковых установок, которые могут выводить на орбиту максимум около 1400 кг, но могут быть расширены до 4500 кг за счет новых высокоэнергетических разгонных ступеней. В любом случае эти разгонные ступени не будут доступны до 1961 или 1962 года, и пусковые установки все равно не будут соответствовать требованиям Министерства обороны США для тяжелых грузов.^[5]

Команда ABMA подсчитала, что для удовлетворения прогнозируемой потребности в грузах массой 10 000 кг и более потребуется ускоритель (первая ступень) с тягой около 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), что намного больше, чем у любой существующей или планируемой ракеты. .^[6] Для этой роли они предложили использовать несколько существующих ракет, сгруппированных вместе, чтобы произвести одну большую ракету-носитель; Используя существующие конструкции, они рассмотрели возможность объединения резервуаров от одного Юпитера в качестве центрального ядра с прикрепленными к нему восемью резервуарами диаметром Редстоун.^[6] Эта относительно дешевая конфигурация позволила использовать существующие производственные и конструкторские мощности для создания этой «быстрой и грязной» конструкции.^[6]

Ракетный двигатель F-1 на выставке Космический центр Кеннеди с Ракетный сад

Были рассмотрены два подхода к построению Суперюпитера; в первом использовалось несколько двигателей для достижения отметки в 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), во втором - один двигатель гораздо большей мощности. У обоих подходов были свои преимущества и недостатки. Создание меньшего двигателя для кластерного использования было бы путем относительно низкого риска по сравнению с существующими системами, но требовало дублирования систем и значительно увеличивало вероятность отказа ступени (добавление двигателей обычно снижает надежность, согласно Закон Люссера ). Один более крупный двигатель был бы более надежным и обладал бы более высокими характеристиками, поскольку он устранял бы дублирование «собственного веса», такого как трубопровод подачи топлива и гидравлическая система для управления двигателями. С другой стороны, двигатель такого размера никогда раньше не строился, и разработка была бы дорогостоящей и рискованной. Недавно ВВС проявили интерес к такому двигателю, который впоследствии стал знаменитым. F-1, но в то время они были нацелены на 1 000 000 фунтов силы (4 400 кН), и двигатели не были готовы до середины 1960-х годов. Блок двигателя оказался единственным способом уложиться в сроки и в рамках бюджета.^[5]

Супер-Юпитер был только ускорителем первой ступени; для вывода полезных нагрузок на орбиту потребуются дополнительные разгонные блоки. ABMA предложила использовать Титан или Атлас в качестве второй ступени,^[7] опционально с новым Кентавр верхняя ступень.^[8] Кентавр был предложен Общая динамика (Astronautics Corp.) в качестве разгонного блока для Атласа (также их дизайн), чтобы быстро создать пусковую установку, способную выводить на низкую околоземную орбиту грузы массой до 8 500 фунтов (3900 кг).^[9] Centaur был основан на той же концепции «баллонного баллона», что и Atlas, и построен на тех же приспособлениях с тем же диаметром 120 дюймов (3000 мм). Поскольку «Титан» был намеренно построен одного и того же размера, это означало, что «Кентавр» можно было использовать с любой ракетой.^{[нужна цитата ]} Учитывая, что «Атлас» был высшим приоритетом из двух проектов межконтинентальных баллистических ракет и его производство полностью учитывалось, ABMA сосредоточилась на «резервной» конструкции «Титан», хотя они предложили увеличить его длину, чтобы нести дополнительное топливо.^{[нужна цитата ]}

В декабре 1957 года ABMA поставила Предложение: Национальная комплексная программа разработки ракет и космических аппаратов. Министерству обороны, подробно описав их кластерный подход.^[10] Они предложили ракета-носитель, состоящая из корпуса ракеты Юпитера окружена восемь Redstones действует как осадок в баке, упорная пластина на дне, и четыре Рокетдайн Е-1 двигатели, каждый из которых имеет тягу 380 000 фунтов-силы (1700 кН). Команда ABMA также оставила конструкцию открытой для будущего расширения с одним двигателем мощностью 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), что потребовало бы относительно незначительных изменений конструкции. Верхняя ступень представляла собой удлиненный Титан с Кентавром наверху. В результате получилась очень высокая и тощая ракета, сильно отличающаяся от Сатурна, который в итоге появился.

Были спрогнозированы конкретные виды использования каждой военной службы, включая навигационные спутники для ВМФ; разведывательные, коммуникационные и метеорологические спутники для армии и авиации; поддержка командировок ВВС; и наземное тыловое обеспечение армии на дистанции до 6400 км. Планировалось, что разработка и испытания блока нижней ступени будут завершены к 1963 году, примерно в то же время, когда Centaur должен стать доступным для испытаний в комбинации. Общая стоимость разработки в течение 1958-1963 годов составила 850 миллионов долларов, включая 30 научно-исследовательских и опытно-конструкторских полетов.^[11]

Спутник ошеломляет мир

Пока разрабатывалась программа Super-Juno, велась подготовка к запуску первого спутника в качестве вклада США в Международный геофизический год в 1957 г. По сложным политическим причинам программа была передана ВМС США под Проект Авангард. Пусковая установка "Авангард" состояла из Викинг нижняя ступень в сочетании с новым верхом, адаптированным из зондирующие ракеты. ABMA оказала ценную поддержку Viking и Vanguard, как своими знаниями о V-2 из первых рук, так и разработкой системы наведения. Первые три суборбитальных испытательных полета Vanguard прошли без сбоев, начиная с декабря 1956 года, а запуск планировался на конец 1957 года.

4 октября 1957 г. Советский Союз неожиданно запущенный Спутник I. Хотя существовало некоторое представление о том, что Советы работали для достижения этой цели, даже публично, никто не считал это очень серьезным. Когда на пресс-конференции в ноябре 1954 года его спросили о такой возможности, министр обороны Уилсон ответил: «Мне было бы все равно, если бы они это сделали».^[12] Однако общественность не восприняла это так же, и это событие стало для США серьезной рекламной катастрофой. Запуск «Авангарда» планировался вскоре после спутника, но из-за ряда задержек это было перенесено на декабрь, когда ракета взорвалась эффектным образом. Пресса была резкой, называя проект «Капутник».^[13] или «Проект Арьергард».^[12] Так как Время журнал отметили в то время:

Но в разгар "холодной войны" холодная научная цель Vanguard оказалась катастрофически скромной: русские достигли ее первыми. Объяснение Белого дома после сообщения Sputnik о том, что США не участвуют в сателлитной "гонке" с Россией, было не просто алиби постфактум. Десять месяцев назад доктор Хаген сказал: «Мы никоим образом не пытаемся соревноваться с русскими». Но в глазах всего мира США участвовали в гонке сателлитов, независимо от того, хотели они этого или нет, и из-за дорогостоящего отказа администрации от воображения проект «Авангард» продолжал действовать, хотя он должен был действовать. Это все еще продолжалось, когда звуковые сигналы спутника сообщили миру, что спутниковая программа России, а не США, была авангардом.^[12]

Фон Браун ответил на запуск Спутника I, заявив, что он может вывести спутник на орбиту в течение 90 дней после получения разрешения. Его план состоял в том, чтобы объединить существующие Юпитер C ракета (что сбивает с толку, адаптация Редстоуна, а не Юпитер) с твердотопливными двигателями от Авангарда, производящая Юнона I. Не было немедленного ответа, пока все ждали запуска Vanguard, но продолжающиеся задержки в Vanguard и ноябрьский запуск Спутник 2 привело к тому, что в этом месяце было дано добро. Фон Браун сдержал свое обещание, успешно запустив Исследователь I 1 февраля 1958 г.^[14] 17 марта 1958 года Vanguard наконец добился успеха.^[15]

ARPA выбирает Juno

Обеспокоенный тем, что Советы продолжали удивлять США технологиями, которые, казалось, выходили за рамки их возможностей, Министерство обороны изучило проблему и пришло к выводу, что в первую очередь это бюрократический характер. Поскольку все виды вооруженных сил имели свои собственные программы исследований и разработок, имело место значительное дублирование и межведомственная борьба за ресурсы. Что еще хуже, Министерство обороны ввело собственное византийский правила закупок и заключения контрактов, что увеличивает накладные расходы. Чтобы решить эти проблемы, Министерство обороны инициировало формирование новой группы исследований и разработок, сосредоточенной на ракетах-носителях и получившей широкие дискреционные полномочия, которые пересекают традиционные линии армии / флота / ВВС. Группе была поставлена ​​задача как можно быстрее догнать Советы в области космических технологий, используя любую возможную технологию, независимо от происхождения. Формализована как Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA) 7 февраля 1958 года группа исследовала требования к пусковым установкам Министерства обороны и сравнила различные подходы, которые были доступны в настоящее время.

В то же время, когда ABMA разрабатывала предложение Super-Juno, ВВС работали над своим Титан C концепция. В ВВС накоплен ценный опыт работы с жидкий водород на Lockheed CL-400 Солнцезащитный крем самолет-шпион и были уверены в своей способности использовать это летучее топливо для ракет. Они уже приняли Крафт Эрике аргументы, что водород был единственным практическим топливом для верхних ступеней, и начал проект Centaur, основываясь на силе этих аргументов. Титан C был промежуточной ступенью, сжигающей водород, которая обычно располагалась между нижней частью Титана и верхней частью Кентавра или могла использоваться без Кентавра для ракет на низкой околоземной орбите, таких как Dyna-Soar. Однако, поскольку водород гораздо менее плотен, чем "традиционные" виды топлива, его использование, особенно керосин, верхняя ступень должна быть достаточно большой, чтобы вмещать достаточно топлива. Поскольку Atlas и Titan были построены с диаметром 120 дюймов, было бы разумно построить Titan C и с этим диаметром, но это привело бы к получению громоздкой, высокой и тощей ракеты с сомнительной прочностью и стабильностью. Вместо этого Titan C предложил построить ракету. новая ступень большего диаметра 160 дюймов, что означает, что это будет совершенно новая ракета.

Для сравнения, конструкция Super-Juno была основана на готовых компонентах, за исключением двигателей E-1. Хотя он также полагался на Centaur для высотных миссий, ракету можно было использовать для низкой околоземной орбиты без Centaur, что давало некоторую гибкость на случай, если Centaur столкнется с проблемами. ARPA согласились с тем, что предложение Juno с большей вероятностью уложится в требуемые сроки, хотя они сочли, что нет веских причин для использования E-1, и рекомендовали здесь подход с меньшим риском. ABMA ответила новым дизайном, Юнона V (как продолжение Юнона I и Юнона II серии ракет, в то время как Juno III и IV были ненастроенными концепциями, производными от Атласа и Титана), которые заменили четыре двигателя E-1 восемью H-1s, гораздо более скромная модернизация существующих S-3D уже использовались на ракетах «Тор» и «Юпитер», увеличивая тягу с 150 000 до 188 000 фунтов силы (670 до 840 кН). Было подсчитано, что такой подход позволит сэкономить до 60 миллионов долларов на разработке и сократить время НИОКР на два года.^[16]

Довольный результатами редизайна, 15 августа 1958 года ARPA издала приказ № 14-59, в котором ABMA призывалось:

Начать программу разработки по созданию большого космического корабля-носителя весом примерно 1 500 000 фунтов. тяга на базе группы имеющихся ракетных двигателей. Ближайшая цель этой программы - продемонстрировать полномасштабную динамическую стрельбу в неволе к концу 1959 г.^[17]

После этого 11 сентября 1958 года был подписан еще один контракт с Rocketdyne на начало работы над H-1. 23 сентября 1958 года ARPA и Армейское ракетное командование (AOMC) подписали дополнительное соглашение, расширяющее масштабы программы, в котором говорится: «В дополнение к динамической стрельбе из плена ... настоящим соглашается, что эта программа должна теперь быть продлен, чтобы обеспечить летные испытания этой ракеты-носителя примерно к сентябрю 1960 года ". Кроме того, они хотели, чтобы ABMA произвела три дополнительных ускорителя, последние два из которых были бы «способны выводить на орбиту ограниченные полезные нагрузки».^[18]

К этому моменту многие в группе ABMA уже называли этот дизайн Сатурном, поскольку фон Браун объяснил это ссылкой на планету после Юпитера.^[19] Смена названия стала официальной в феврале 1959 года.^[20]

Участие НАСА

Помимо ARPA, различные группы в правительстве США рассматривали возможность создания гражданского агентства по исследованию космоса. После запуска спутника эти усилия приобрели актуальность и были быстро продвинуты. НАСА была сформирована 29 июля 1958 года и сразу приступила к изучению проблемы пилотируемого полета в космос и необходимых для работы ракет-носителей в этой области. Одной из целей, даже на этой ранней стадии, была лунная миссия с экипажем. В то время группы НАСА считали, что прямое восхождение профиль миссии был лучшим подходом; это вывело на орбиту один очень большой космический корабль, способный лететь к Луна, приземлиться и вернуться на Землю. Для запуска такого большого космического корабля потребуется новый ускоритель с гораздо большей мощностью; даже Сатурн был недостаточно большим. НАСА приступило к изучению ряда потенциальных проектов ракет под своим Новая звезда программа.

Не только НАСА изучает лунные миссии с экипажем. Фон Браун всегда проявлял интерес к этой цели и некоторое время изучал, что потребуется для лунной миссии. ABMA's Проект Горизонт предложила использовать пятнадцать запусков Сатурна для доставки компонентов космического корабля и топлива, которые будут собраны на орбите для создания одного очень большого лунного корабля. Эта Встреча на околоземной орбите профиль миссии требовал наименьшего количества бустерной мощности за запуск, и, таким образом, могла осуществляться с использованием существующей конструкции ракеты. Это будет первым шагом к созданию небольшой базы на Луне с экипажем, для обеспечения которой потребуется несколько дополнительных запусков Сатурна каждый месяц.

ВВС тоже начали свою Люнекс Проект в 1958 году, также с целью строительства лунной заставы с экипажем. Как и НАСА, Lunex предпочитал режим прямого всплытия и поэтому требовал гораздо более мощных ускорителей. В рамках проекта они разработали совершенно новую серию ракет, известную как Космическая пусковая установка, или SLS (не путать с Система космического запуска часть Программа Artemis ), который сочетал в себе ряд твердотопливных ускорителей либо с ракетой «Титан», либо с новой настраиваемой ступенью ускорителя для решения широкого диапазона пусковых масс. Самая маленькая машина SLS состояла из «Титана» и двух крепежных элементов, что придавало ему характеристики, аналогичные «Титану С», что позволяло ему действовать как пусковая установка для Dyna-Soar. Самый крупный из них использовал гораздо более крупные твердотопливные ракеты и значительно увеличенный ускоритель для прямого восхождения. Комбинации между этими крайностями будут использоваться для других задач по запуску спутников.

Комитет Сильверстайна

Правительственная комиссия «Комитет по оценке транспортных средств Сатурна» (более известная как Комитет Сильверстайна ), был собран, чтобы рекомендовать конкретные направления, которые НАСА могло бы использовать с существующей программой армии. Комитет рекомендовал разработать новые верхние ступени, работающие на водороде, для Сатурна и обрисовал в общих чертах восемь различных конфигураций ускорителей большой грузоподъемности, начиная от решений с очень низким уровнем риска, интенсивно использующих существующие технологии, и заканчивая проектами, основанными на оборудовании, которое не использовалось. еще не разработаны, включая предлагаемую новую верхнюю ступень. Конфигурации были:

• Сатурн А
  • А-1 - Сатурн нижняя ступень, Титан второй этап, и Кентавр третий этап (первоначальная концепция фон Брауна).
  • А-2 - Нижняя стадия Сатурна, предложенная вторая стадия скопления Юпитера и третья стадия Кентавра.
• Сатурн B
  • В-1 - Нижняя ступень Сатурна, предложенная вторая ступень кластерного Титана, предложенная S-IV третья ступень и четвертая ступень Кентавра.
• Сатурн C
  • C-1 - нижняя ступень Сатурна, предлагается S-IV вторая стадия.
  • C-2 - нижняя ступень Сатурна, предлагается S-II вторая ступень, предлагалась S-IV третьей ступени.
  • С-3, С-4, и С-5 - все основано на различных вариантах новой нижней ступени с двигателями F-1, вариациях предлагаемых вторых ступеней S-II и предлагаемых третьих ступеней S-IV.

Контракты на разработку нового двигателя, работающего на водороде, были переданы Rocketdyne в 1960 году, а на разработку ступени Saturn IV - к Дуглас В том же году.

История запуска

График 1965 года, показывающий совокупную историю и проекцию запусков Сатурна по месяцам (вместе с Атласом и Титаном)

Программа Аполлон

Вызов, который президент Джон Ф. Кеннеди поставили в НАСА в мае 1961 г., чтобы космонавт на Луна к концу десятилетия программа Сатурна внезапно обрела новую актуальность. В том году наблюдался всплеск активности, когда оценивались различные способы достижения Луны.

Оба Новая звезда и ракеты «Сатурн», которые имели аналогичную конструкцию и могли разделять некоторые части, были оценены для этой миссии. Тем не менее, было решено, что Saturn будет легче запустить в производство, так как многие из компонентов были разработаны для перевозки по воздуху. Новая звезда потребуются новые фабрики для всех основных этапов, и были серьезные опасения, что они не могут быть завершены вовремя. Сатурну требовалась только одна новая фабрика, для самой большой из предложенных нижних ступеней, и была выбрана в первую очередь по этой причине.

Saturn C-5 (позже получил название Сатурн V ), самая мощная из конфигураций Комитета Сильверштейна, была выбрана как наиболее подходящая конструкция. В то время режим миссии не был выбран, поэтому они выбрали самую мощную конструкцию ускорителя, чтобы обеспечить достаточную мощность.^[22] Выбор рандеву на лунной орбите Метод снизил требования к стартовой массе ниже, чем у Nova, до диапазона C-5.

Однако на тот момент все три ступени существовали только на бумаге, и было ясно, что вполне вероятно, что настоящий лунный космический корабль будет разработан и готов к испытаниям задолго до ракеты-носителя. Поэтому НАСА решило также продолжить разработку C-1 (позже Сатурн I ) в качестве испытательного автомобиля, поскольку его нижняя ступень была основана на существующей технологии (Редстоун и Юпитер tankage), а его верхняя ступень уже находилась в разработке. Это обеспечит ценные испытания для S-IV, а также станет платформой для запуска капсул и других компонентов на низкой околоземной орбите.

Фактически были построены члены семейства Сатурн:

• Сатурн I - вылетело десять ракет: пять опытно-конструкторских и пять пусков шаблонный Apollo космический корабль и Спутники микрометеороида Пегас.
• Сатурн IB - девять пусков; усовершенствованная версия Saturn I с более мощной первой ступенью (обозначенная S-IB ) и используя Saturn V S-IVB как второй этап. На них находился первый экипаж «Аполлона», плюс три Скайлаб и один Аполлон-Союз экипажи на околоземную орбиту.
• Сатурн V - 13 пусков; Лунная ракета, которая отправила астронавтов Аполлона на Луну и несла Скайлаб космическая станция на орбиту.

использованная литература

Цитаты

Список используемой литературы

• Бильштейн, Роджер Э. (1996). Этапы полета к Сатурну: технологическая история ракет-носителей "Аполлон / Сатурн". Серия истории НАСА. Вашингтон: НАСА. ISBN  978-0-16-048909-9.
• Кэдбери, Дебора (2006). Космическая гонка: эпическая битва между Америкой и Советским Союзом за господство в космосе. Нью-Йорк: Издательство Харпер Коллинз. ISBN  978-0-06-084553-7.
• Dawson, Virginia P .; Марк Д. Боулз (2004). Укрощение жидкого водорода: разгонный блок "Кентавр" 1958–2002 гг. (PDF). Серия истории НАСА. Вашингтон: НАСА. ISBN  978-0-16-073085-6.
• Нойфельд, Майкл Дж. (2007). Фон Браун: мечтатель о космосе, инженер войны. Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф. ISBN  978-0-307-26292-9.

внешние ссылки

• Публикации серии истории НАСА (многие из которых находятся в сети)