Сатурн V [a] — бывшая американская сверхтяжелая ракета-носитель, разработанная НАСА в рамках программы «Аполлон» по исследованию Луны человеком . Ракета была рассчитана на человека , имела три ступени и работала на жидком топливе . С 1967 по 1973 год он использовался для девяти пилотируемых полетов на Луну и для запуска Скайлэб , первой американской космической станции .
По состоянию на 2024 год «Сатурн-5» остается единственной ракетой-носителем, которая доставила людей за пределы низкой околоземной орбиты (НОО). Сатурн-5 является рекордсменом по самой тяжелой запущенной полезной нагрузке и наибольшей грузоподъемности на низкую околоземную орбиту: 311 152 фунта (141 136 кг), включая третью ступень и несгоревшее топливо , необходимое для отправки командно-служебного модуля Аполлона и лунного модуля на Луну.
Самая крупная серийная модель ракет семейства Сатурн , Сатурн V, была разработана под руководством Вернера фон Брауна в Центре космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама ; ведущими подрядчиками были Boeing , North American Aviation , Douglas Aircraft Company и IBM . Всего было построено 15 летных машин, плюс три для наземных испытаний. Тринадцать были запущены из Космического центра Кеннеди без потерь экипажа и полезной нагрузки . Всего на Луну с «Аполлона-8 » (декабрь 1968 г.) по «Аполлон-17» (декабрь 1972 г.) было отправлено 24 астронавта .
В сентябре 1945 года [12] правительство США доставило немецкого ракетного технолога Вернера фон Брауна и более 1500 немецких ракетных инженеров и техников в Соединенные Штаты для участия в операции «Скрепка» , [13] [14] программе, санкционированной президентом Трумэном . [15] Фон Браун, который участвовал в создании ракеты Фау-2 , был назначен в армейский ракетный конструкторский отдел. [16] Между 1945 и 1958 годами его работа ограничивалась передачей идей и методов, лежащих в основе Фау-2, американским инженерам, [12] хотя он писал книги и статьи в популярных журналах. [17]
Этот подход изменился в 1957 году, когда Советы запустили Спутник-1 на межконтинентальной баллистической ракете Р-7 , которая могла доставить термоядерную боеголовку в США. [18] [19] [20] Армия и правительство начали предпринимать серьезные шаги по отправке американцев в космос. . Они обратились к команде фон Брауна, которая создавала и экспериментировала с серией ракет «Юпитер» . [21] Ракета «Юнона-1» запустила первый американский спутник в январе 1958 года. [22] Фон Браун считал серию «Юпитер» прототипом и называл ее «младенцем Сатурна». [23]
Названный в честь шестой планеты от Солнца , дизайн Сатурна произошел от ракет серии Юпитер. [24]
Между 1960 и 1962 годами Центр космических полетов Маршалла (MSFC) разработал серию ракет «Сатурн», которые можно было использовать для различных миссий на околоземной орбите или на Луне. [25]
НАСА планировало использовать Сатурн C-3 как часть метода сближения на околоземной орбите (EOR), при этом для одной лунной миссии потребуется как минимум два или три запуска. [26] Однако MSFC планировала еще более крупную ракету, C-4, которая будет использовать четыре двигателя F-1 на первой ступени, увеличенную вторую ступень C-3 и S-IVB , ступень с одной Двигатель J-2 , как его третья ступень. C-4 потребуется всего два запуска для выполнения лунной миссии EOR. [27]
10 января 1962 года НАСА объявило о планах построить C-5. Трехступенчатая ракета будет состоять из первой ступени S-IC с пятью двигателями F-1; вторая ступень S-II с пятью двигателями J-2; и третья ступень S-IVB с одним двигателем J-2. [28]
C-5 должен был пройти испытания компонентов еще до того, как была построена первая модель. Третья ступень S-IVB будет использоваться в качестве второй ступени для C-1B, которая послужит как для демонстрации концепции и осуществимости C-5, так и для предоставления полетных данных, имеющих решающее значение для разработки C-5. 5. [29] Вместо того, чтобы проходить испытания каждого основного компонента, C-5 будет тестироваться по принципу «все вверх», а это означает, что первый испытательный полет ракеты будет включать в себя полные версии всех трех ступеней. При одновременном тестировании всех компонентов перед запуском с экипажем потребуется гораздо меньше испытательных полетов. [30] C-5 был подтвержден в качестве выбора НАСА для программы «Аполлон» в начале 1962 года и получил название «Сатурн V». [31] [32] C-1 стал «Сатурном I», а C-1B стал «Сатурном IB». [32] Фон Браун возглавлял команду MSFC по созданию корабля, способного доставить на Луну космический корабль с экипажем. [33] Во время этих изменений команда отказалась от одного двигателя в конструкции Фау-2 и перешла к конструкции с несколькими двигателями. [34]
Окончательный проект Saturn V имел несколько ключевых особенностей. Для первой ступени были выбраны двигатели F-1, [9] а для второй и третьей ступени — новая двигательная установка на жидком водороде под названием J-2. [35] [11] НАСА завершило свои планы по продолжению разработки Сатурна фон Брауном, и космическая программа «Аполлон» набрала обороты. [36]
После завершения конфигурации НАСА обратило свое внимание на профили миссий. Возникли разногласия между использованием места встречи лунного модуля на лунной орбите или места встречи на околоземной орбите. Совет по управлению пилотируемыми космическими полетами отдал предпочтение LOR, а Президентский научно-консультативный комитет предпочел EOR. После серии исследований Джеймс Уэбб 7 ноября подтвердил, что место встречи лунного модуля было выбрано на лунной орбите. [37] Ступени были спроектированы Центром космических полетов имени Маршалла фон Брауна в Хантсвилле, а для строительства были выбраны сторонние подрядчики: Boeing ( S-IC ), North American Aviation ( S-II ), Douglas Aircraft ( S-IVB ), и IBM ( приборный блок ). [36]
На ранних этапах процесса планирования НАСА рассматривало три метода миссии на Луну: сближение на околоземной орбите (EOR), прямое восхождение и сближение на лунной орбите (LOR). Конфигурация прямого подъема потребует чрезвычайно большой ракеты, чтобы отправить космический корабль из трех человек на посадку прямо на поверхность Луны. EOR запустит космический корабль прямой посадки на две меньшие части, которые объединятся на околоземной орбите. Миссия LOR будет включать в себя запуск одной ракетой двух космических кораблей: базового корабля и меньшего по размеру посадочного модуля для двух человек , который должен будет встретиться с основным космическим кораблем на лунной орбите. Посадочный модуль будет выброшен, а материнский корабль вернется домой. [38]
Сначала НАСА отклонило LOR как более рискованный вариант, поскольку космическое сближение еще предстояло провести на околоземной орбите, а тем более на лунной орбите. Несколько представителей НАСА, в том числе инженер Исследовательского центра Лэнгли Джон Хуболт и администратор НАСА Джордж Лоу , утверждали, что встреча на лунной орбите обеспечивает простейшую посадку на Луну с использованием наиболее экономичной ракеты-носителя и лучший шанс совершить посадку на Луну в пределах космического пространства. десятилетие. [39] Другие официальные лица НАСА убедились в этом, и 7 ноября 1962 года LOR был официально выбран в качестве конфигурации миссии для программы «Аполлон». [40] Артур Рудольф стал директором проекта ракетной программы «Сатурн-5» в августе 1963 года. Он разработал требования к ракетной системе и план миссии по программе «Аполлон». Первый запуск Сатурна-5 стартовал с космодрома Кеннеди и прошел безупречно 9 ноября 1967 года, в день рождения Рудольфа. [41] Затем в мае 1968 года он был назначен специальным помощником директора MSFC, а затем ушел из НАСА 1 января 1969 года. [42] 16 июля 1969 года «Сатурн-5» запустил «Аполлон-11» , отправив первых людей на Луне. [43]
Размер и грузоподъемность Сатурна V затмевали все предыдущие ракеты, успешно летавшие в то время. С космическим кораблем «Аполлон» наверху он имел высоту 363 фута (111 м) и, без учета плавников, диаметр 33 фута (10 м). Полностью заправленный топливом Сатурн-5 весил 6,5 миллионов фунтов (2 900 000 кг) [3] и имел полезную нагрузку на низкой околоземной орбите (НОО), первоначально оценивавшуюся в 261 000 фунтов (118 000 кг), но был рассчитан на отправку не менее 90 000 фунтов (41 000 кг). ) на Луну. [48] Более поздние обновления увеличили эту емкость; в последних трех лунных миссиях Аполлона он отправил на Луну до 95 901 фунта (43 500 кг). [6] (Он никогда не использовался для запуска полной полезной нагрузки на околоземной орбите.)
На высоте 363 футов (111 м) Сатурн V был на 58 футов (18 м) выше Статуи Свободы от земли до факела, [49] и на 48 футов (15 м) выше Башни Элизабет . где находится Биг-Бен Вестминстерского дворца . [50] Напротив, ракета-носитель «Меркурий-Редстоун», использовавшаяся на «Фридом-7 », первом американском космическом полете с экипажем, была примерно на 11 футов (3,4 м) длиннее, чем ступень S-IVB , и обеспечивала меньшую тягу на уровне моря (78 000 фунтов силы (78 000 фунтов силы (78 000 фунтов силы) 350 кН)) [51] , чем ракета Launch Escape System (тяга 150 000 фунтов силы (667 кН) на уровне моря), установленная на командном модуле Apollo. [52] Аполлон LES стрелял в течение гораздо более короткого времени, чем Меркурий-Редстоун (3,2 секунды против 143,5 секунды). [51] [52]
Сатурн-5 был в основном разработан Центром космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама , хотя многие основные системы, включая двигательную установку, были разработаны субподрядчиками. В качестве силовой установки использовались мощные ракетные двигатели F-1 и J-2 ; они разбили окна близлежащих домов во время испытаний в Космическом центре Стенниса. [53] На раннем этапе проектировщики решили попытаться использовать как можно больше технологий программы «Сатурн-1». Следовательно, третья ступень S-IVB -500 Saturn V была основана на второй ступени S-IVB-200 Saturn IB . Приборный блок , управлявший Сатурном V, имел общие характеристики с блоком Сатурна IB. [54]
Saturn V в основном был построен из алюминия . Его также изготавливали из титана , полиуретана , пробки и асбеста . [55] Чертежи и другие планы Сатурна-5 доступны на микрофильмах в Центре космических полетов Маршалла. [56]
Он состоял из трех ступеней — первой ступени S-IC , второй ступени S-II и третьей ступени S-IVB — и приборного блока . На всех трех стадиях в качестве окислителя использовался жидкий кислород (LOX) . На первой ступени в качестве топлива использовался РП-1 , а на второй и третьей — жидкий водород (LH2). LH2 имеет более высокую удельную энергию (энергию на единицу массы), чем RP-1, что делает его более подходящим для орбит с более высокой энергией, таких как транслунная инъекция, необходимая для миссий Аполлона. И наоборот, РП-1 предлагает более высокую плотность энергии (энергию на единицу объема) и более высокую тягу, чем LH2, что делает его более подходящим для снижения аэродинамического сопротивления и гравитационных потерь на ранних этапах запуска. Если бы на первой ступени использовался LH2, требуемый объем был бы более чем в три раза больше, что с точки зрения аэродинамики неосуществимо. [57] На верхних ступенях также использовались небольшие твердотопливные двигатели , которые помогали разделить ступени во время запуска и гарантировать, что жидкое топливо находится в правильном положении для всасывания в насосы. [58]
S-IC был построен компанией Boeing на сборочном заводе Мишуд в Новом Орлеане , где позже компания Lockheed Martin будет строить внешние баки космического корабля "Шаттл" . Большую часть его массы при запуске составляло топливо: топливо РП-1 с жидким кислородом в качестве окислителя . [59] Это было 138 футов (42 м) в высоту и 33 фута (10 м) в диаметре. Ступень обеспечивала тягу в 7 750 000 фунтов силы (34 500 кН) [10] на уровне моря. Ступень S-IC имела сухую массу около 303 000 фунтов (137 000 кг); при полной заправке при запуске его общая масса составляла 4 881 000 фунтов (2 214 000 кг). Он был оснащен пятью двигателями Rocketdyne F-1, расположенными в форме квинконкса . Центральный двигатель удерживался в фиксированном положении, а четыре внешних двигателя можно было поворачивать гидравлически с помощью подвесов для управления ракетой. [9] В полете центральный двигатель выключался примерно на 26 секунд раньше, чем подвесные двигатели, чтобы ограничить ускорение. Во время запуска S-IC запускал двигатели в течение 168 секунд (возгорание произошло примерно за 8,9 секунды до старта), а при выключении двигателя аппарат находился на высоте около 42 миль (67 км) и находился на дальности полета около 58 миль (93 км). ) и двигался со скоростью около 7500 футов в секунду (2300 м/с). [60]
Хотя она и не была запущена в производство, предложенной заменой первой ступени стал AJ-260x . Этот твердотопливный ракетный двигатель упростил бы конструкцию за счет отказа от пятидвигательной конфигурации и, в свою очередь, снизил бы затраты на запуск. [61]
S-II был построен компанией North American Aviation в Сил-Бич, Калифорния . Используя жидкий водород и жидкий кислород, он имел пять двигателей Rocketdyne J-2 , расположенных аналогично S-IC, а также внешние двигатели для управления. S-II имел высоту 81,6 футов (24,87 м) и диаметр 33 фута (10 м), идентичен S-IC [62] [63] и, таким образом, был самой большой криогенной ступенью до запуска космического корабля «Шаттл» . в 1981 году. S-II имел сухую массу около 80 000 фунтов (36 000 кг); при полной заправке он весил 1 060 000 фунтов (480 000 кг). Вторая ступень разогнала Сатурн V через верхние слои атмосферы с тягой в 1 100 000 фунтов силы (4900 кН) в вакууме. [35]
В загруженном состоянии топливо составляло значительно более 90 процентов массы ступени; однако сверхлегкая конструкция привела к двум неудачам при структурных испытаниях. Вместо межбаковой конструкции для разделения двух топливных баков, как это было в S-IC, в S-II использовалась общая переборка , которая была построена как из верхней части бака LOX, так и из нижней части бака LH2. Он состоял из двух алюминиевых листов, разделенных сотовой структурой из фенольной смолы . [63] [35] Эта переборка должна была изолировать от разницы температур в 126 ° F (70 ° C) между двумя резервуарами. Использование общей переборки сэкономило 7900 фунтов (3,6 т) за счет исключения одной переборки и уменьшения длины ступени. [35] Как и S-IC, S-II был доставлен с завода-изготовителя на мыс Кеннеди морским путем. [64]
S -IVB был построен компанией Douglas Aircraft Company в Хантингтон-Бич, Калифорния . Он имел один двигатель J-2 и использовал то же топливо, что и S-II. [11] В S-IVB использовалась общая переборка для разделения двух баков. Он имел высоту 58,6 футов (17,86 м) и диаметр 21,7 футов (6,604 м), а также был спроектирован с высокой массовой эффективностью, хотя и не так агрессивно, как S-II. S-IVB имел сухую массу около 23 000 фунтов (10 000 кг) и с полной заправкой весил около 262 000 фунтов (119 000 кг). [65]
S-IVB была единственной ракетной ступенью Сатурна V, достаточно маленькой, чтобы ее мог транспортировать грузовой самолет Aero Spacelines Pregnant Guppy . [64]
Во время лунных миссий его запускали дважды: сначала для вывода на околоземную орбиту после отключения второй ступени, а затем для транслунного выведения (TLI).
Приборный блок был построен компанией IBM и размещен на вершине третьей ступени. Он был построен в Центре космических систем в Хантсвилле, штат Алабама . Этот компьютер контролировал работу ракеты с самого начала до момента списания S-IVB. В его состав входили системы наведения и телеметрии ракеты. Измеряя ускорение и положение транспортного средства , он мог рассчитать положение и скорость ракеты и скорректировать любые отклонения. [66]
После завершения строительства и наземных испытаний каждой ступени ее отправили в Космический центр Кеннеди. Первые две ступени были настолько массивными, что транспортировать их можно было только на баржах. S-IC, построенный в Новом Орлеане, был перевезен по реке Миссисипи в Мексиканский залив . [67]
После обхода Флориды сцены были перевезены по внутрибережному водному пути в здание сборки транспортных средств (первоначально называвшееся зданием вертикальной сборки). По сути, это был тот же маршрут, который позже будет использоваться для доставки внешних баков космического корабля "Шаттл" . S-II был построен в Калифорнии и отправился во Флориду через Панамский канал . Третья ступень и приборный блок перевозились на самолетах Aero Spacelines Pregnant Guppy и Super Guppy , но при необходимости их можно было перевозить и на барже. [67]
По прибытии в здание вертикальной сборки каждая ступень была проверена в горизонтальном положении, а затем ориентирована вертикально. НАСА также построило большие конструкции в форме катушек, которые можно было использовать вместо ступеней, если конкретная ступень задерживалась. Эти катушки имели ту же высоту и массу и содержали те же электрические соединения, что и настоящие ступени. [67]
НАСА установило (собрало) Сатурн V на мобильную пусковую установку , которая состояла из стартовой пуповины с девятью поворотными рычагами (включая рычаг доступа к экипажу), краном-молотом и системой подавления воды, которая активировалась перед запуском. После завершения сборки весь штабель был перемещен из здания сборки транспортных средств (VAB) на стартовую площадку с помощью гусеничного транспортера (CT). Построенный компанией Marion Power Shovel Company (и позже использовавшийся для транспортировки меньшего и более легкого космического корабля «Шаттл»), CT имел четыре двухгусеничные гусеницы, каждая из которых имела 57 «башмаков». Каждый ботинок весил 2000 фунтов (910 кг). Этот транспортер также должен был поддерживать уровень ракеты на протяжении 3 миль (4,8 км) до стартовой площадки, особенно при 3-процентном уклоне , встречающемся на стартовой площадке. На CT также была установлена мобильная сервисная структура (MSS), которая позволяла техническим специалистам иметь доступ к ракете за восемь часов до запуска, когда она была перемещена в «половинную» точку Гусеничного пути (соединение между VAB и двумя стартовыми площадками). . [67]
С 1964 по 1973 год на исследования, разработки и полеты «Сатурна-5 » в общей сложности было выделено 6,417 млрд долларов США (что эквивалентно 39,5 млрд долларов США в 2022 году) [68] , при этом максимум в 1966 году составил 1,2 млрд долларов США (что эквивалентно 8,31 млрд долларов США в 2022 году). ). [1] В том же году НАСА получило свой самый большой общий бюджет в размере 4,5 миллиардов долларов, что составляло около 0,5 процента валового внутреннего продукта (ВВП) Соединенных Штатов на тот момент. [68]
Двумя основными причинами отмены последних трех миссий «Аполлон» были крупные инвестиции в «Сатурн-5» и постоянно растущие затраты США на войну во Вьетнаме в деньгах и ресурсах. В период с 1969 по 1971 год стоимость запуска миссии «Сатурн-5 Аполлон» составляла от 185 000 000 до 189 000 000 долларов США, [1] [2] из которых 110 миллионов долларов США были использованы для производства аппарата [69] (что эквивалентно 1,14 миллиарда долларов США ). 1,16 миллиарда долларов в 2022 году). [68]
«Сатурн-5» выполнял все лунные миссии «Аполлона», [70] которые были запущены со стартового комплекса 39 в Космическом центре Джона Ф. Кеннеди во Флориде . [71] После того, как ракета покинула стартовую башню, управление полетом было передано в Центр управления полетами Космического центра Джонсона в Хьюстоне, штат Техас . [72] В среднем миссия использовала ракету всего 20 минут. Хотя на «Аполлоне-6» отказало три двигателя, [73] и на «Аполлоне-13» отключился один двигатель, [74] бортовые компьютеры смогли компенсировать это, проработав оставшиеся двигатели дольше, чтобы достичь парковочной орбиты. [73]
В случае прерывания, требующего уничтожения ракеты, офицер безопасности полигона дистанционно выключит двигатели и через несколько секунд подаст еще одну команду на взрыв кумулятивных зарядов взрывчатого вещества, прикрепленных к внешним поверхностям ракеты. Это приведет к сокращению баков с топливом и окислителем, чтобы быстро распределить топливо и свести к минимуму смешивание. Пауза между этими действиями дала бы время экипажу спастись через стартовую аварийно-спасательную башню или (на более поздних этапах полета) двигательную установку служебного модуля. Третья команда, «безопасно», использовалась после того, как ступень S-IVB достигла орбиты, чтобы необратимо деактивировать систему самоуничтожения. Система бездействовала, пока ракета находилась на стартовой площадке. [75]
Первая ступень горела примерно 2 минуты 41 секунду, подняв ракету на высоту 42 мили (68 км) и скорость 6 164 мили в час (2 756 м/с) и сжег 4 700 000 фунтов (2 100 000 кг) топлива. [76]
За 8,9 секунды до запуска началась последовательность зажигания первой ступени. Первым загорелся центральный двигатель, а затем с интервалом в 300 миллисекунд загорелись противоположные внешние пары, чтобы уменьшить структурные нагрузки на ракету. Когда бортовые компьютеры подтвердили тягу, ракету «мягко выпустили» в два этапа: во-первых, прижимные рычаги освободили ракету, а во-вторых, когда ракета начала ускоряться вверх, ее замедлили конические металлические детали. штифты протягивались через отверстия за полсекунды. [9]
После того, как ракета взлетела, она не могла безопасно опуститься обратно на площадку, если двигатели отказали. Астронавты считали это одним из самых напряженных моментов в полете на «Сатурне-5», поскольку, если ракета не взлетела после запуска, у них были низкие шансы на выживание, учитывая большое количество топлива. Для повышения безопасности система аварийного обнаружения Сатурна (EDS) запретила выключение двигателя в течение первых 30 секунд полета. Если бы все три ступени взорвались одновременно на стартовой площадке, что маловероятно, общая взрывная мощность «Сатурна-5» составила бы 543 тонны в тротиловом эквиваленте или 0,543 килотонны (2 271 912 000 000 Дж или 155 143 фунта потери веса), что составляет 0,222 кт для первый этап, 0,263 уз для второго этапа и 0,068 уз для третьего этапа. [77] (См. Приборный блок Saturn V ) [9]
Ракете потребовалось около 12 секунд, чтобы преодолеть башню. За это время он отклонился на 1,25 градуса от башни, чтобы обеспечить достаточный зазор, несмотря на встречный ветер; это отклонение, хотя и небольшое, можно увидеть на фотографиях запуска, сделанных с востока или запада. На высоте 430 футов (130 м) ракета выкатилась на правильный азимут полета , а затем постепенно снизилась до 38 секунд после зажигания второй ступени. Эта программа питча была составлена с учетом преобладающих ветров в течение месяца запуска. [9]
Четыре подвесных двигателя также были наклонены наружу, чтобы в случае преждевременного выключения подвесного двигателя оставшиеся двигатели прошли через центр масс ракеты . Сатурн V достиг скорости 400 футов в секунду (120 м/с) на высоте более 1 мили (1600 м). Большая часть начала полета была потрачена на набор высоты, а требуемая скорость пришла позже. «Сатурн-5» преодолел звуковой барьер чуть более чем за 1 минуту на высоте от 3,45 до 4,6 миль (от 5,55 до 7,40 км). В этот момент вокруг нижней части командного модуля и верхней части второй ступени сформируются ударные воротники или конденсатные облака. [9]
Примерно на 80 секунде ракета испытала максимальное динамическое давление (max q). Динамическое давление на ракету зависит от плотности воздуха и квадрата относительной скорости . Хотя скорость продолжает увеличиваться, плотность воздуха с высотой уменьшается так быстро, что динамическое давление падает ниже максимального q. [9]
Топливо только в S-IC составляло около трех четвертей всей стартовой массы Сатурна V и расходовалось со скоростью 13 000 килограммов в секунду (1 700 000 фунтов в минуту). Второй закон движения Ньютона гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение, или, что эквивалентно, ускорение равно силе, деленной на массу, поэтому, когда масса уменьшалась (а сила несколько увеличивалась), ускорение возрастало. С учетом гравитации стартовое ускорение составило всего 1 .+1/4 г , т . е. космонавты чувствовали 1+1/4 g , в то время как ракета ускорялась вертикально со скоростью 1/4 g . Поскольку ракета быстро теряла массу, общее ускорение, включая гравитацию, увеличилось почти до 4 g за Т+135 секунд. В этот момент внутренний (центральный) двигатель был выключен, чтобы ускорение не превышало 4 g . [9]
Когда во всасывающих агрегатах обнаруживалось исчерпание окислителя или топлива, оставшиеся четыре подвесных двигателя отключались. Отделение первой ступени произошло чуть менее чем через секунду после этого, чтобы обеспечить прекращение тяги F-1. Восемь небольших двигателей с разделением твердого топлива поддерживали S-IC от остальной части машины на высоте около 42 миль (67 км). Первая ступень баллистически продолжила полет на высоту около 68 миль (109 км), а затем упала в Атлантический океан примерно на 350 миль (560 км) вниз. [9]
Для запуска Скайлэба была изменена процедура остановки двигателя, чтобы избежать повреждения телескопической установки Аполлона . Вместо того, чтобы выключать все четыре подвесных двигателя одновременно, они отключались по два одновременно с задержкой, чтобы еще больше снизить пиковое ускорение. [9]
После отделения S-IC вторая ступень S-II горела в течение 6 минут и развила корабль до скорости 109 миль (175 км) и 15 647 миль в час (25 181 км/ч), что близко к орбитальной скорости . [35]
При первых двух беспилотных запусках на четыре секунды зажигались восемь твердотопливных двигателей незаполненного объема для разгона ступени S-II, после чего следовало зажигание пяти двигателей J-2. В первых семи миссиях «Аполлон» с экипажем на S-II использовались только четыре двигателя с незаполненным запасом энергии, и в последних четырех запусках они были исключены. Примерно через 30 секунд после отделения первой ступени межкаскадное кольцо упало со второй ступени. Это было сделано с инерционно фиксированным положением - ориентацией вокруг его центра тяжести - так, чтобы промежуточная ступень, находившаяся всего в 3 футах 3 дюймах (1 м) от подвесных двигателей J-2, падала чисто, не задев их, как могла бы сделать промежуточная ступень. потенциально повредил два двигателя J-2, если бы он был прикреплен к S-IC. Вскоре после разделения ступеней была списана и система аварийного спасения . [35]
Примерно через 38 секунд после запуска второй ступени «Сатурн-5» переключился с заранее запрограммированной траектории на «замкнутый контур» или режим итеративного наведения. Приборный блок теперь в реальном времени рассчитывал наиболее экономичную траекторию движения к целевой орбите. В случае выхода из строя приборного блока экипаж мог переключить управление «Сатурном» на компьютер командного модуля, взять на себя ручное управление или прервать полет. [35]
Примерно за 90 секунд до отключения второй ступени центральный двигатель выключился, чтобы уменьшить продольные продольные колебания. Примерно в это же время скорость потока LOX уменьшилась, изменив соотношение смеси двух видов топлива и гарантируя, что в конце полета второй ступени в баках останется как можно меньше топлива. Это было сделано с заранее заданным значением delta-v . [35]
Пять датчиков уровня в нижней части каждого топливного бака S-II были активированы во время полета S-II, что позволяло любым двум запускать отключение и постановку S-II, когда они были обнаружены. Через секунду после отключения второй ступени она отделилась, а через несколько секунд загорелась третья ступень. Твердотопливные ретро-ракеты , установленные на промежуточной ступени в верхней части S-II, стреляли, чтобы отодвинуть его от S-IVB. S -II упал примерно в 2600 милях (4200 км) от места запуска. [35]
Во время миссии «Аполлон-13» внутренний двигатель пострадал от сильных продольных колебаний, что привело к преждевременному автоматическому отключению. Чтобы обеспечить достижение достаточной скорости, оставшиеся четыре двигателя оставались включенными дольше, чем планировалось. Чтобы избежать этого, на более поздних миссиях Аполлона был установлен подавитель продольной устойчивости, хотя раннее отключение двигателя 5 оставалось для уменьшения перегрузок . [74]
В отличие от двухплоскостного разделения S-IC и S-II, ступени S-II и S-IVB разделяются за один шаг. Хотя он был построен как часть третьей очереди, промежуточная ступень осталась прикрепленной ко второй ступени. Третья ступень не использовала много топлива, чтобы выйти на НОО (низкую околоземную орбиту), потому что вторая ступень выполнила большую часть работы. [11]
Во время типичной лунной миссии «Аполлона-11» третья ступень горела около 2,5 минут до первого отключения на 11 минуте 40 секундах. В этот момент он находился на расстоянии 1645,61 мили (2648,35 км) по дальности полета и на парковочной орбите на высоте 118 миль (190 км) и скорости 17 432 миль в час (28 054 км / ч). Третья ступень оставалась прикрепленной к космическому кораблю, пока он оборачивался вокруг Земли полтора раза, пока астронавты и диспетчеры миссии готовились к транслунной инъекции (TLI). [11]
Эта стояночная орбита была довольно низкой по стандартам околоземной орбиты и просуществовала недолго из-за аэродинамического сопротивления. Для сравнения: нынешняя МКС находится на орбите примерно 250 миль (400 км) и требует перезагрузки примерно раз в месяц. Это не было проблемой во время лунной миссии из-за недолгого пребывания на парковочной орбите. S-IVB также продолжал работать на низком уровне, стравливая газообразный водород, чтобы топливо оставалось в баках и предотвращало образование газообразных полостей в линиях подачи топлива. Эта вентиляция также поддерживала безопасное давление, поскольку жидкий водород испарялся в топливном баке. Эта выходная тяга легко превышала аэродинамическое сопротивление. [ нужна цитата ]
Для последних трех полетов «Аполлона» орбита временной стоянки была еще ниже (приблизительно 107 миль или 172 километра), чтобы увеличить полезную нагрузку для этих миссий. Миссия « Аполлон -9» была запущена на номинальную орбиту, соответствующую орбите «Аполлона-11», но космический корабль смог использовать свои собственные двигатели, чтобы поднять перигей достаточно высоко, чтобы выдержать 10-дневную миссию. «Скайлэб» был выведен на совершенно другую орбиту с перигеем в 270 миль (434 км), который поддерживал его в течение шести лет, а также с более высоким наклоном к экватору (50 градусов против 32,5 градусов у «Аполлона»). [11]
На «Аполлоне-11» TLI появился через 2 часа 44 минуты после запуска. S-IVB горел почти шесть минут, придав космическому кораблю скорость, близкую к скорости убегания Земли, составляющую 25 053 миль в час (40 319 км/ч). Это обеспечило энергоэффективный переход на лунную орбиту, при этом Луна помогла захватить космический корабль с минимальным расходом топлива CSM. [11]
Примерно через 40 минут после TLI командно-служебный модуль (CSM) Аполлона отделился от третьей ступени, развернулся на 180 градусов и состыковался с лунным модулем (LM), который находился под CSM во время запуска. CSM и LM отделились от отработавшей третьей ступени через 50 минут в ходе маневра, известного как перемещение, стыковка и извлечение . [11]
Если бы он оставался на той же траектории, что и космический корабль, S-IVB мог бы представлять опасность столкновения, поэтому его оставшееся топливо было выпущено, а вспомогательная двигательная установка сработала, чтобы отодвинуть его. В ходе лунных миссий до «Аполлона-13» S-IVB был направлен к заднему краю Луны на ее орбите, чтобы Луна вывела его за пределы скорости отрыва от Земли и на солнечную орбиту. Начиная с «Аполлона-13», диспетчеры направляли S-IVB на полет на Луну. [78] Сейсмометры , оставленные предыдущими миссиями, обнаружили удары, и эта информация помогла составить карту внутренней структуры Луны . [79]
В 1965 году была создана Программа приложений Apollo (AAP) для изучения научных миссий, которые можно было бы выполнить с использованием оборудования Apollo. Большая часть планирования была сосредоточена на идее космической станции. В более ранних планах Вернера фон Брауна (1964 г.) использовалась концепция « мокрой мастерской », при которой отработанная вторая ступень S-II Saturn V выводилась на орбиту и оснащалась в космосе. В следующем году AAP изучила станцию меньшего размера, используя вторую ступень Saturn IB . К 1969 году сокращение финансирования «Аполлона» устранило возможность закупки большего количества оборудования «Аполлона» и привело к отмене некоторых более поздних полетов по высадке на Луну. Это высвободило по крайней мере один Сатурн-5, что позволило заменить мокрый цех концепцией «сухого цеха»: станция (теперь известная как Скайлэб) будет построена на земле из лишней второй ступени Сатурна-IB и запущена на вершине первой. две действующие ступени Сатурна V. [80] Резервная станция, построенная на основе третьей ступени Сатурна V, была построена и сейчас выставлена в Национальном музее авиации и космонавтики . [81]
«Скайлэб» был единственным запуском, не связанным напрямую с программой высадки на Луну «Аполлона». Единственные существенные изменения в Сатурне V по сравнению с конфигурациями Аполлона включали некоторую модификацию S-II, чтобы он действовал в качестве конечной ступени для вывода полезной нагрузки Скайлэб на околоземную орбиту и стравливал излишки топлива после выключения двигателя, чтобы отработавшая ступень не разорвалась. на орбите. S-II оставался на орбите почти два года и совершил неконтролируемый вход в атмосферу 11 января 1975 года. [82]
Три экипажа жили на борту «Скайлэба» с 25 мая 1973 года по 8 февраля 1974 года. [83] «Скайлэб» оставался на орбите до 11 июля 1979 года. [84]
После «Аполлона» планировалось, что «Сатурн-5» станет основной ракетой-носителем «Проспектора» , который будет запущен на Луну. «Проспектор» представлял собой предлагаемый 330-килограммовый (730 фунтов) роботизированный вездеход, похожий на советские луноходы «Луноход-1» и «Луноход-2», [85] марсианские зонды «Вояджер» и увеличенную версию межпланетных зондов «Вояджер» . [86] Он также должен был стать ракетой-носителем для программы испытаний ядерной ракеты RIFT и для некоторых версий более поздней NERVA . [87] Все эти запланированные использования Сатурна V были отменены, причем стоимость была основным фактором. Эдгар Кортрайт , который был директором НАСА в Лэнгли , спустя десятилетия заявил, что «Лаборатории реактивного движения никогда не нравился масштабный подход. Они всегда выступали против него. Вероятно, я был ведущим сторонником использования Сатурна V, и я проиграл. Я потерял." [86]
Отмененная вторая серийная партия Saturn V, скорее всего, на первой стадии использовала бы двигатель F-1A , что обеспечило бы существенный прирост производительности. Другими вероятными изменениями могли бы стать удаление килей (что, как оказалось, принесло мало пользы по сравнению с их весом), удлиненная первая ступень S-IC для поддержки более мощных F-1A и модернизированные J-2 или M. -1 для верхних ступеней. [88]
На базе Saturn V был предложен ряд альтернативных транспортных средств Saturn, начиная от Saturn INT-20 со ступенью S-IVB и промежуточной ступенью, установленной непосредственно на ступени S-IC , до Saturn V-23(L), который не только пять двигателей F-1 на первой ступени, но и четыре навесных ускорителя по два двигателя F-1 в каждой, что в общей сложности дает тринадцать двигателей F-1, работающих при запуске. [89]
Отсутствие второго производственного запуска Сатурна-5 положило конец этому плану и оставило Соединенные Штаты без сверхтяжелой ракеты-носителя. Некоторые представители космического сообщества США стали сожалеть об этой ситуации, [90] поскольку продолжение производства могло бы позволить поднять Международную космическую станцию, используя конфигурацию «Скайлэб» или «Мир» с американскими и российскими стыковочными портами, всего за несколько запусков. Концепция « Сатурн -Шаттл» также могла бы исключить твердотопливные ракетные ускорители космического корабля «Шаттл» , которые в конечном итоге спровоцировали аварию «Челленджера» в 1986 году. [91]
.png/1280px-Saturn_V-Shuttle-Ares_I-Ares_V-Ares_IV-SLS_Block_1_comparison_(2019).png)
Предложения США по ракете большего размера, чем Сатурн-5, с конца 1950-х по начало 1980-х годов обычно назывались «Нова» . Более тридцати различных проектов крупных ракет носили название Nova, но ни один из них не был разработан. [92]
У Вернера фон Брауна и других также были планы по созданию ракеты, которая будет оснащена восемью двигателями F-1 на первой ступени, как Сатурн C-8 , что позволит совершить прямой полет на Луну. Другие планы относительно Saturn V предусматривали использование Centaur в качестве верхней ступени или установку накладных ускорителей . Эти усовершенствования позволили бы запускать большие автоматические космические корабли к внешним планетам или отправлять астронавтов на Марс . Другие проанализированные производные Saturn V включали семейство Saturn MLV «модифицированных ракет-носителей», которые почти удвоили грузоподъемность стандартного Saturn V и предназначались для использования в предполагаемой миссии на Марс к 1980 году . [93]
В 1968 году компания Boeing изучала еще одну модификацию Saturn-V, Saturn C-5N , которая включала ядерный тепловой ракетный двигатель для третьей ступени корабля. [94] Сатурн C-5N будет нести значительно большую полезную нагрузку для межпланетных космических полетов . Работы над ядерными двигателями, как и над всеми Saturn V ELV , закончились в 1973 году. [95]
Comet HLLV была массивной тяжелой ракетой-носителем , разработанной для программы First Lunar Outpost , которая находилась на этапе проектирования с 1992 по 1993 год в рамках Инициативы по исследованию космоса . Это была ракета-носитель на базе Сатурна V с вдвое большей полезной нагрузкой, которая полностью полагалась бы на существующие технологии. Все двигатели представляли собой модернизированные версии своих аналогов «Аполлона», а топливные баки должны были быть удлинены. Его основной целью была поддержка программы «Первая лунная застава» и будущих миссий на Марс с экипажем. Он был разработан, чтобы быть максимально дешевым и простым в эксплуатации. [96]
В 2006 году в рамках предложенной программы «Созвездие» НАСА обнародовало планы по созданию двух ракет-носителей на базе шаттлов, « Арес I» и «Арес V» , которые будут использовать часть существующего оборудования и инфраструктуры «Спейс Шаттл» и «Сатурн V». Две ракеты были предназначены для повышения безопасности за счет специализации каждой машины для различных задач: Ares I для запуска экипажа, а Ares V для запуска грузов. [97] Первоначальная конструкция тяжеловесного корабля «Арес V», названного в честь «Сатурна V», имела высоту 360 футов (110 м) и имела основную ступень, созданную на основе внешнего бака космического корабля «Шаттл», диаметром 28 футов. (8,4 м). Он должен был быть оснащен пятью РС-25 и двумя пятисегментными твердотопливными ракетными ускорителями (SRB) космического корабля "Шаттл". По мере развития конструкции двигатели RS-25 были заменены пятью двигателями RS-68 , теми же двигателями, которые использовались на Delta IV . Переход с РС-25 на РС-68 был призван снизить стоимость, поскольку последний был дешевле, проще в изготовлении и мощнее, чем РС-25, хотя более низкий КПД РС-68 требовал увеличения мощности. диаметр активной ступени до 33 футов (10 м), такой же диаметр, как у ступеней S-IC и S-II корабля Saturn V. [97]
В 2008 году НАСА снова модернизировало конструкцию Ares V, удлинив основную ступень, добавив шестой двигатель RS-68 и увеличив количество SRB до 5,5 сегментов каждый. [98] Этот аппарат имел высоту 381 фут (116 м) и производил общую тягу примерно 8 900 000 фунтов силы (40 МН ) при взлете, что больше, чем у Сатурна V или советской Энергии , но меньше, чем у советского Н- 1 . По прогнозам, «Арес V» сможет вывести на орбиту около 400 000 фунтов (180 т) и превзойдет «Сатурн V» по грузоподъемности. Верхняя ступень, ступень отправления с Земли , должна была использовать более совершенную версию двигателя J-2, J-2X . «Арес V» должен был вывести лунный посадочный аппарат «Альтаир» на низкую околоземную орбиту. Транспортное средство с экипажем «Орион» , запущенное на «Аресе I», должно было состыковаться с «Альтаиром», а этап отправления с Земли затем отправил бы объединенный штаб на Луну. [99]
После отмены программы «Созвездие» – а, следовательно, «Арес I» и «Арес V» – НАСА объявило о создании тяжелой ракеты-носителя Space Launch System (SLS) для исследования космоса за пределами низкой околоземной орбиты. [100] SLS, как и оригинальная концепция Ares V, оснащен четырьмя двигателями RS-25 и двумя пятисегментными двигателями SRB. Его конфигурация Блока 1 может поднять на НОО около 209 000 фунтов (95 т). В конфигурацию Block 1B будет добавлена верхняя ступень разведки , оснащенная четырьмя двигателями RL10 , для увеличения грузоподъемности. Возможный вариант Block 2 будет модернизирован до усовершенствованных ускорителей, что увеличит полезную нагрузку на НОО как минимум до 290 000 фунтов (130 т). [101]
Одно из предложений по усовершенствованным ускорителям будет использовать производную от F-1 Сатурна V , F-1B, и увеличить полезную нагрузку SLS примерно до 330 000 фунтов (150 тонн) на НОО. [102] F-1B должен иметь лучший удельный импульс и быть дешевле, чем F-1, с упрощенной камерой сгорания и меньшим количеством деталей двигателя, при этом производя тягу в 1 800 000 фунтов силы (8,0 МН) на уровне моря, что больше, чем у F-1B. приблизительно 1 550 000 фунтов силы (6,9 МН), достигнутые усовершенствованным двигателем Apollo 15 F-1, [103]
3 сентября 2002 года астроном Билл Юнг обнаружил предполагаемый астероид , которому было присвоено обозначение открытия J002E3 . Судя по всему, он находился на орбите вокруг Земли, и вскоре с помощью спектрального анализа было обнаружено, что он покрыт белым диоксидом титана , который был основным компонентом краски, используемой на Сатурне-5. Расчет орбитальных параметров привел к предварительной идентификации как Ступень Аполлона-12 S-IVB. [110] Диспетчеры миссии планировали отправить S-IVB «Аполлона-12» на солнечную орбиту после отделения от космического корабля «Аполлон», но считается, что горение длилось слишком долго, и, следовательно, он не был отправлен достаточно близко к Луне, поэтому он остался в едва устойчивая орбита вокруг Земли и Луны. Считается , что в 1971 году в результате серии гравитационных возмущений он вышел на солнечную орбиту, а затем 31 год спустя вернулся на слабо захваченную околоземную орбиту. В июне 2003 года он снова покинул околоземную орбиту. [111]
.jpg/1280px-Saturn_V,_Davidson_Center_for_Space_Exploration_(Huntsville,_Alabama,_USA).jpg)
{{cite press release}}: CS1 maint: другие ( ссылка )