Семейство американских ракет Saturn было разработано группой бывших немецких инженеров и ученых под руководством Вернера фон Брауна для запуска тяжелых грузов на околоземную орбиту и дальше. Семейство Saturn использовало жидкий водород в качестве топлива на верхних ступенях . Первоначально предложенные как военная пусковая установка для спутников, они были приняты в качестве ракет-носителей для программы Apollo Moon . Было построено и запущено три версии: Saturn I средней грузоподъемности , Saturn IB большой грузоподъемности и Saturn V сверхтяжелой грузоподъемности .
Название Сатурн было предложено фон Брауном в октябре 1958 года как логическое продолжение ряда Юпитера , а также могущественного положения римского бога . [1]
В 1963 году президент Джон Ф. Кеннеди определил запуск Saturn I SA-5 как точку, в которой возможности США по подъему превзойдут возможности Советов , после отставания со времен Спутника . В последний раз он упомянул об этом в речи, произнесенной на авиабазе Брукс в Сан-Антонио за день до своего убийства. [2] : 128
На сегодняшний день Saturn V является единственной ракетой-носителем, способной вывести людей за пределы низкой околоземной орбиты . Всего за четыре года с декабря 1968 по декабрь 1972 года на Луну было отправлено 24 человека. Ни одна ракета Saturn не потерпела катастрофических неудач в полете. [3]
Все ракеты семейства Saturn перечислены здесь по дате выпуска.
В начале 1950-х годов ВМС США и Армия США активно разрабатывали ракеты дальнего радиуса действия с помощью немецких ракетных инженеров, которые участвовали в разработке успешного V-2 во время Второй мировой войны. Эти ракеты включали ВМС Viking и Армейские Corporal , Jupiter и Redstone . Тем временем ВВС США разрабатывали свои ракеты Atlas и Titan , больше полагаясь на американских инженеров.
Вражда между различными ветвями власти была постоянной, и Министерство обороны США (DoD) решало, какие проекты финансировать для разработки. 26 ноября 1956 года министр обороны Чарльз Э. Уилсон издал меморандум, лишавший армию наступательных ракет с дальностью 200 миль (320 км) или больше и передавший их ракеты Jupiter Военно-воздушным силам. [5] С этого момента Военно-воздушные силы стали основным разработчиком ракет, особенно ракет двойного назначения, которые также могли использоваться в качестве космических ракет-носителей . [5]
В конце 1956 года Министерство обороны опубликовало требования к тяжелому транспортному средству для орбиты нового класса коммуникационных и «других» спутников ( программа спутников-шпионов была совершенно секретной ). Требования, составленные тогда еще неофициальным Агентством перспективных исследовательских проектов (ARPA), предусматривали транспортное средство, способное выводить на орбиту от 9000 до 18000 килограммов или разгоняться до скорости от 2700 до 5400 кг до второй космической скорости. [6]
Поскольку меморандум Вильсона охватывал только оружие, а не космические аппараты, Армейское управление по баллистическим ракетам (ABMA) увидело в этом способ продолжить разработку собственных проектов больших ракет. В апреле 1957 года фон Браун поручил Хайнцу-Герману Келле , руководителю отдела проектирования будущих проектов, изучить специальные проекты ракет-носителей, которые можно было бы построить как можно быстрее. Келле оценил различные проекты ракетных пусковых установок, которые могли бы вывести на орбиту максимум около 1400 кг, но могли быть расширены до 4500 кг с помощью новых высокоэнергетических верхних ступеней. В любом случае, эти верхние ступени не будут доступны до 1961 или 1962 года, самое раннее, и пусковые установки все равно не будут соответствовать требованиям Министерства обороны по тяжелым нагрузкам. [7]
Чтобы удовлетворить прогнозируемую потребность в нагрузках в 10 000 кг или более, команда ABMA подсчитала, что потребуется ускоритель (первая ступень) с тягой около 1 500 000 фунтов силы (6 700 кН), что намного больше, чем у любой существующей или планируемой ракеты. [8] Для этой роли они предложили использовать несколько существующих ракет, объединенных вместе, чтобы создать один более крупный ускоритель; используя существующие конструкции, они рассмотрели возможность объединения баков из одного Юпитера в качестве центрального ядра с восемью баками диаметром Редстоун, прикрепленными к нему. [8] Эта относительно дешевая конфигурация позволила использовать существующие производственные и проектные мощности для производства этой «быстрой и грязной» конструкции. [8]
Рассматривались два подхода к созданию Super-Jupiter: первый использовал несколько двигателей для достижения отметки 1 500 000 фунтов силы (6 700 кН), второй использовал один гораздо более крупный двигатель. Оба подхода имели свои преимущества и недостатки. Создание меньшего двигателя для кластерного использования было бы относительно малорискованным путем по сравнению с существующими системами, но требовало дублирования систем и значительно увеличивало вероятность отказа ступени (добавление двигателей, как правило, снижает надежность, согласно закону Люссера ). Один более крупный двигатель был бы более надежным и обеспечивал бы более высокую производительность, поскольку устранял бы дублирование «мертвого груза», такого как топливный трубопровод и гидравлика для управления двигателями. С другой стороны, двигатель такого размера никогда раньше не строился, и разработка была бы дорогой и рискованной. ВВС недавно выразили интерес к такому двигателю, который должен был развиться в знаменитый F-1 , но в то время они нацелились на 1 000 000 фунтов силы (4 400 кН), и двигатели не были бы готовы до середины 1960-х годов. Двигатель-кластер, казалось, был единственным способом удовлетворить требования в срок и бюджет. [7]
Super-Jupiter был только первой ступенью ускорителя; для вывода полезных грузов на орбиту требовались дополнительные верхние ступени. ABMA предложила использовать Titan или Atlas в качестве второй ступени, [9] опционально с новой верхней ступенью Centaur . [10] Centaur был предложен General Dynamics (Astronautics Corp.) в качестве верхней ступени для Atlas (также их разработки) для того, чтобы быстро создать пусковую установку, способную выводить грузы до 8500 фунтов (3900 кг) на низкую околоземную орбиту. [11] Centaur был основан на той же концепции «баллонного бака», что и Atlas, и построен на тех же кондукторах с тем же диаметром 120 дюймов (3000 мм). Поскольку Titan был намеренно построен того же размера, это означало, что Centaur можно было использовать с любой ракетой. [ необходима цитата ] Учитывая, что Atlas был более приоритетным из двух проектов МБР и его производство было полностью учтено, ABMA сосредоточилась на «резервной» конструкции Titan, хотя они предложили увеличить ее длину, чтобы нести дополнительное топливо. [ необходима цитата ]
В декабре 1957 года ABMA представила DoD Proposal: A National Integrated Missile and Space Vehicle Development Program , в котором подробно описала свой кластерный подход. [12] Они предложили ускоритель, состоящий из корпуса ракеты Jupiter, окруженного восемью Redstones, выступающими в качестве резервуаров, упорной пластины внизу и четырех двигателей Rocketdyne E-1 , каждый из которых имел тягу 380 000 фунтов силы (1700 кН). Команда ABMA также оставила конструкцию открытой для будущего расширения с одним двигателем 1 500 000 фунтов силы (6700 кН), что потребовало бы относительно небольших изменений в конструкции. Верхней ступенью был удлиненный Titan с Centaur наверху. Результатом стала очень высокая и тонкая ракета, сильно отличавшаяся от Saturn, которая в конечном итоге появилась.
Конкретные применения были спрогнозированы для каждой из военных служб, включая навигационные спутники для ВМС; разведывательные, коммуникационные и метеорологические спутники для армии и ВВС; поддержка пилотируемых миссий ВВС; и логистическое обеспечение «земля-земля» для армии на расстоянии до 6400 км. Разработка и испытания нижней ступени, как предполагалось, должны были быть завершены к 1963 году, примерно в то же время, когда Centaur должен был стать доступным для испытаний в сочетании. Общая стоимость разработки в размере 850 миллионов долларов в течение 1958-1963 годов покрывала 30 научно-исследовательских и опытно-конструкторских полетов. [13]
Пока разрабатывалась программа Super-Jupiter, велась подготовка к первому запуску спутника в качестве вклада США в Международный геофизический год в 1957 году. По сложным политическим причинам программа была передана ВМС США в рамках проекта Vanguard . Пусковая установка Vanguard состояла из нижней ступени Viking в сочетании с новыми верхними частями, адаптированными из зондирующих ракет . ABMA оказала ценную поддержку Viking и Vanguard, как своими непосредственными знаниями о V-2, так и разработкой ее системы наведения. Первые три испытательных суборбитальных полета Vanguard прошли без сучка и задоринки, начавшись в декабре 1956 года, а запуск был запланирован на конец 1957 года.
4 октября 1957 года Советский Союз удивил мир запуском Спутника I. Хотя были некоторые признаки того, что Советы работали над достижением этой цели, мало кто в военном и научном сообществе США воспринимал эти усилия всерьез.
Когда в ноябре 1954 года его спросили о возможности запуска Советами спутника, министр обороны Уилсон ответил: «Мне было бы все равно, даже если бы они это сделали». [14] Однако общественность восприняла это иначе, и это событие стало крупной катастрофой в области связей с общественностью для США. Запуск Vanguard планировался вскоре после запуска Спутника, но из-за ряда задержек он был перенесен на декабрь, когда ракета взорвалась впечатляющим образом. Пресса была резкой, называя проект «Капутник» [15] или «Проект Арьергард». [14] Как отметил в то время журнал Time :
Фон Браун ответил на запуск Спутника I, заявив, что он может вывести спутник на орбиту в течение 90 дней с момента получения разрешения. Его план состоял в том, чтобы объединить существующую ракету Jupiter C (что сбивает с толку, это была адаптация Redstone, а не Jupiter) с твердотопливными двигателями Vanguard, создав Juno I. Немедленного ответа не последовало, пока все ждали запуска Vanguard, но продолжающиеся задержки с запуском Vanguard и ноябрьский запуск Спутника II привели к тому, что разрешение было дано в том же месяце. Фон Браун сдержал свое обещание, успешно запустив Explorer I 1 февраля 1958 года. [16] Vanguard, наконец, был успешно запущен 17 марта 1958 года. [17]
Обеспокоенное тем, что Советы продолжали удивлять США технологиями, которые, казалось, были за пределами их возможностей, Министерство обороны изучило проблему и пришло к выводу, что она была в первую очередь бюрократической. Поскольку все ветви армии имели свои собственные программы исследований и разработок, имело место значительное дублирование и борьба между службами за ресурсы. Что еще хуже, Министерство обороны ввело свои собственные византийские правила закупок и заключения контрактов, что значительно увеличило накладные расходы. Чтобы решить эти проблемы, Министерство обороны инициировало формирование новой группы исследований и разработок, сосредоточенной на ракетах-носителях и наделенной широкими дискреционными полномочиями, выходящими за рамки традиционных линий Армии/Военно-морского флота/ВВС. Группе было поручено как можно быстрее догнать Советы в области космических технологий, используя любые доступные технологии, независимо от их происхождения. Официально зарегистрированная как Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA) 7 февраля 1958 года, группа изучила требования Министерства обороны к пусковым установкам и сравнила различные подходы, которые были доступны в то время.
В то же время, когда ABMA разрабатывала предложение Super-Jupiter, ВВС были в самом разгаре работы над своей концепцией Titan C. ВВС приобрели ценный опыт работы с жидким водородом в проекте самолета-разведчика Lockheed CL-400 Suntan и были уверены в своей способности использовать это летучее топливо для ракет. Они уже приняли аргументы Крафта Эрике о том, что водород является единственным практичным топливом для верхних ступеней, и начали проект Centaur, основываясь на силе этих аргументов. Titan C был промежуточной ступенью, работающей на водороде, которая обычно располагалась между нижней ступенью Titan и верхней ступенью Centaur или могла использоваться без Centaur для низкоорбитальных ракет, таких как Dyna-Soar . Однако, поскольку водород намного менее плотный, чем «традиционные» виды топлива, которые тогда использовались, особенно керосин , верхняя ступень должна была быть довольно большой, чтобы вмещать достаточно топлива. Поскольку Atlas и Titan были построены с диаметром 120 дюймов, имело бы смысл построить Titan C также с таким же диаметром, но это привело бы к созданию громоздкой, высокой и тонкой ракеты с сомнительными прочностью и устойчивостью. Вместо этого Titan C предложил построить новую ступень с большим диаметром 160 дюймов, то есть это была бы совершенно новая ракета.
Для сравнения, конструкция Super-Jupiter была основана на готовых компонентах, за исключением двигателей E-1. Хотя она также полагалась на Centaur для высотных миссий, ракета могла использоваться на низкой околоземной орбите без Centaur, что давало некоторую гибкость в случае возникновения проблем с Centaur. ARPA согласилось, что предложение Juno с большей вероятностью уложится в требуемые сроки, хотя они посчитали, что нет веских причин использовать E-1, и рекомендовали подход с меньшим риском и здесь. ABMA ответила новым проектом Juno V (как продолжение серий ракет Juno I и Juno II , в то время как Juno III и IV были нереализованными концепциями, полученными от Atlas и Titan), который заменил четыре двигателя E-1 на восемь H-1 , гораздо более скромную модернизацию существующего S-3D, уже использовавшегося на ракетах Thor и Jupiter, увеличив тягу с 150 000 до 188 000 фунтов силы (с 670 до 840 кН). Было подсчитано, что такой подход сэкономит до 60 миллионов долларов на разработке и сократит до двух лет времени НИОКР. [18]
Удовлетворенное результатами модернизации, 15 августа 1958 года ARPA издало Приказ № 14-59, в котором ABMA предписывалось:
За этим последовал 11 сентября 1958 года еще один контракт с Rocketdyne на начало работы над H-1. 23 сентября 1958 года ARPA и Командование артиллерийских ракет армии (AOMC) составили дополнительное соглашение, расширяющее масштаб программы, в котором говорилось: «В дополнение к динамическому запуску с захватом... настоящим согласовано, что эта программа должна быть расширена для обеспечения летных испытаний этого ускорителя примерно к сентябрю 1960 года». Кроме того, они хотели, чтобы ABMA изготовила три дополнительных ускорителя, последние два из которых будут «способны выводить ограниченные полезные нагрузки на орбиту». [20]
К этому моменту многие в группе ABMA уже называли проект Сатурном, поскольку фон Браун объяснил это как ссылку на планету после Юпитера. [21] Изменение названия стало официальным в феврале 1959 года . [22]
Помимо ARPA, различные группы в правительстве США рассматривали возможность создания гражданского агентства для управления исследованием космоса. После запуска «Спутника» эти усилия приобрели актуальность и быстро продвигались вперед. 29 июля 1958 года было сформировано NASA , которое немедленно приступило к изучению проблемы пилотируемого космического полета и пусковых установок, необходимых для работы в этой области. Одной из целей, даже на этой ранней стадии, была пилотируемая лунная миссия. В то время группы NASA посчитали, что профиль миссии прямого подъема был наилучшим подходом; это выводило на орбиту один очень большой космический корабль, который был способен долететь до Луны , приземлиться и вернуться на Землю. Для запуска такого большого космического корабля требовался новый ускоритель с гораздо большей мощностью; даже Saturn был недостаточно большим. NASA начало изучать ряд потенциальных конструкций ракет в рамках своей программы Nova .
NASA не была одинока в изучении пилотируемых лунных миссий. Фон Браун всегда проявлял интерес к этой цели и некоторое время изучал, что потребуется для лунной миссии. Проект Horizon ABMA предлагал использовать пятнадцать запусков Saturn для доставки компонентов космического корабля и топлива, которые будут собираться на орбите для создания одного очень большого лунного корабля. Этот профиль миссии сближения на орбите Земли требовал наименьшего количества мощности ускорителя на запуск и, таким образом, мог быть выполнен с использованием существующей конструкции ракеты. Это было бы первым шагом к небольшой пилотируемой базе на Луне, для снабжения которой потребовалось бы несколько дополнительных запусков Saturn каждый месяц.
В 1958 году ВВС также начали свой проект Lunex , также с целью создания пилотируемого лунного форпоста. Как и NASA, Lunex отдавала предпочтение режиму прямого восхождения и, следовательно, требовала гораздо более крупных ускорителей. В рамках проекта они разработали совершенно новую серию ракет, известную как Space Launcher System , или SLS (не путать с частью Space Launch System программы Artemis ), которая объединяла ряд твердотопливных ускорителей либо с ракетой Titan, либо с новой специальной ступенью ускорителя для решения широкого спектра стартовых весов. Самый маленький корабль SLS состоял из Titan и двух навесных твердых, что давало ему производительность, аналогичную Titan C, что позволяло ему выступать в качестве пусковой установки для Dyna-Soar. Самый большой использовал гораздо более крупные твердотопливные ракеты и значительно увеличенный ускоритель для своей миссии прямого восхождения. Комбинации между этими крайностями будут использоваться для других задач по запуску спутников.
Правительственная комиссия, «Комитет по оценке транспортных средств Saturn» (более известный как Комитет Сильверстайна ), была собрана, чтобы рекомендовать конкретные направления, которые NASA могло бы использовать в существующей программе армии. Комитет рекомендовал разработку новых верхних ступеней, работающих на водороде, для Saturn и наметил восемь различных конфигураций для тяжелых ускорителей, начиная от очень малорисковых решений, интенсивно использующих существующие технологии, до конструкций, которые полагались на оборудование, которое еще не было разработано, включая предлагаемую новую верхнюю ступень. Конфигурации были следующими:
В 1960 году контракты на разработку нового двигателя, работающего на водороде, были переданы компании Rocketdyne, а в том же году — компании Douglas на разработку ступени Saturn IV .
Задача, которую президент Джон Ф. Кеннеди поставил перед НАСА в мае 1961 года — отправить астронавта на Луну к концу десятилетия, внезапно придала программе «Сатурн» новую срочность. В том году наблюдался всплеск активности, поскольку оценивались различные способы достижения Луны.
Обе ракеты Nova и Saturn, которые имели схожую конструкцию и могли совместно использовать некоторые детали, были оценены для этой миссии. Однако было решено, что Saturn будет легче запустить в производство, поскольку многие компоненты были разработаны для транспортировки по воздуху. Nova потребовала бы новых заводов для всех основных ступеней, и были серьезные опасения, что они не будут завершены вовремя. Saturn потребовалась только одна новая фабрика для самой большой из предложенных нижних ступеней, и была выбрана в первую очередь по этой причине.
Saturn C-5 (позже получивший название Saturn V ), самая мощная из конфигураций Комитета Сильверстайна, была выбрана как наиболее подходящая конструкция. На тот момент режим миссии не был выбран, поэтому они выбрали самую мощную конструкцию ускорителя, чтобы гарантировать достаточную мощность. [24] Выбор метода сближения на лунной орбите снизил требования к массе запуска ниже, чем у Nova, до диапазона C-5.
Однако на тот момент все три ступени существовали только на бумаге, и было осознано, что весьма вероятно, что реальный лунный космический корабль будет разработан и готов к испытаниям задолго до ускорителя. Поэтому НАСА решила также продолжить разработку C-1 (позже Saturn I ) в качестве испытательного корабля, поскольку его нижняя ступень была основана на существующих технологиях ( резервуары Redstone и Jupiter ), а его верхняя ступень уже находилась в разработке. Это обеспечило бы ценные испытания для S-IV, а также пусковую платформу для капсул и других компонентов на низкой околоземной орбите.
Фактически построенными членами семейства Сатурн были:
.jpg/1280px-Saturn_C-1,_1959_(cropped).jpg){kind=small}
