Saturn V [f] — американская сверхтяжелая ракета-носитель, разработанная NASA в рамках программы Apollo для исследования Луны человеком . Ракета была рассчитана на пилотируемые полеты , имела три ступени и работала на жидком топливе . Она летала с 1967 по 1973 год и использовалась для девяти пилотируемых полетов на Луну, а также для запуска Skylab , первой американской космической станции .
По состоянию на 2024 год [обновлять]Saturn V остается единственной ракетой-носителем, которая вывела людей за пределы низкой околоземной орбиты (НОО). Saturn V удерживает рекорд по самой большой грузоподъемности на низкой околоземной орбите — 311 152 фунта (141 136 кг), включая несгоревшее топливо, необходимое для отправки командно-сервисного модуля Apollo и лунного модуля на Луну.
Самая большая серийная модель семейства ракет Saturn , Saturn V, была разработана под руководством Вернера фон Брауна в Космическом центре имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама ; ведущими подрядчиками по строительству ракеты были Boeing , North American Aviation , Douglas Aircraft Company и IBM . Было построено пятнадцать летательных аппаратов, не считая трех, использовавшихся для наземных испытаний. Всего из Космического центра Кеннеди было запущено тринадцать миссий , девять из которых доставили 24 астронавта на Луну с Аполлона-8 (декабрь 1968 года) по Аполлон-17 (декабрь 1972 года).
В сентябре 1945 года [12] правительство США привезло немецкого ракетного технолога Вернера фон Брауна и более 1500 немецких ракетных инженеров и техников в Соединенные Штаты для участия в операции «Скрепка» [ 13] [14] программы, одобренной президентом Трумэном . [15] Фон Браун, который помог создать немецкую ракету V-2 , был назначен в армейское подразделение ракетного дизайна. [16] В период с 1945 по 1958 год его работа ограничивалась передачей идей и методов, лежащих в основе V-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 борту МБР Р-7 , которая могла нести термоядерную боеголовку в США [18] [19] [20] Армия и правительство начали прилагать больше усилий для отправки американцев в космос раньше Советов. Они обратились к команде фон Брауна, которая создала серию ракет Jupiter . [21] Ракета Juno I запустила первый американский спутник в январе 1958 года. [22] Фон Браун считал серию ракет Jupiter прототипом будущей серии ракет Saturn и называл ее «младенцем Saturn». [23]
Названные в честь шестой планеты от Солнца , конструкции различных ракет «Сатурн» произошли от аппаратов Юпитера. [24]
В период с 1960 по 1962 год Центр космических полетов имени Маршалла (MSFC) разработал серию ракет «Сатурн», которые можно было выводить на околоземную орбиту и совершать лунные миссии. [25]
NASA планировало использовать Saturn C-3 как часть метода сближения на околоземной орбите (EOR) для лунной миссии, при этом для одной посадки на Луну требовалось не менее двух или трех запусков. [26] Однако MSFC планировало еще большую ракету, C-4, которая будет использовать четыре двигателя F-1 на первой ступени, увеличенную вторую ступень C-3 и S-IVB , ступень с одним двигателем J-2 , в качестве третьей ступени. C-4 нужно будет выполнить только два запуска для выполнения лунной миссии EOR. [27]
10 января 1962 года НАСА объявило о планах по созданию C-5. Трехступенчатая ракета должна была состоять из первой ступени S-IC с пятью двигателями F-1; второй ступени S-II с пятью двигателями J-2; и третьей ступени S-IVB с одним двигателем J-2. [28]
C-5 должен был пройти компонентные испытания еще до того, как была построена первая модель. Третья ступень S-IVB должна была использоваться в качестве второй ступени для C-1B, что должно было служить как для демонстрации концепции и осуществимости C-5, так и для предоставления полетных данных, критически важных для разработки C-5. [29] Вместо того, чтобы проходить испытания для каждого основного компонента, C-5 должен был испытываться в режиме «все включено», что означало, что первый испытательный полет ракеты включал бы полные версии всех трех ступеней. Испытывая все компоненты одновременно, требовалось бы гораздо меньше испытательных полетов перед запуском с экипажем. [30] C-5 был утвержден в качестве выбора NASA для программы Apollo в начале 1962 года и был назван Saturn V. [31] [32] C-1 стал Saturn I, а C-1B стал Saturn IB. [32] Фон Браун возглавил команду в MSFC по созданию транспортного средства, способного запустить пилотируемый космический корабль на Луну. [33] В ходе этих доработок команда отказалась от однодвигательного проекта V-2 и перешла к многодвигательному проекту. [34]
Окончательный проект ракеты Saturn V имел несколько ключевых особенностей. Для первой ступени были выбраны двигатели F-1, [9] а для второй и третьей ступени — новая жидководородная двигательная установка J-2. [35] [11] НАСА завершило разработку планов по продолжению работ над проектами ракеты Saturn фон Брауна, и космическая программа Apollo набирала обороты. [36]
Ступени были спроектированы Центром космических полетов имени Маршалла фон Брауна в Хантсвилле, а для строительства были выбраны внешние подрядчики: Boeing ( S-IC ), North American Aviation ( S-II ), Douglas Aircraft ( S-IVB ) и IBM ( приборный блок ). [36]
На раннем этапе планирования НАСА рассматривало три метода для миссии на Луну: сближение на околоземной орбите (EOR), прямое восхождение и сближение на лунной орбите (LOR). Конфигурация прямого восхождения потребовала бы чрезвычайно большой ракеты для отправки трехместного космического корабля для посадки непосредственно на поверхность Луны. EOR запускал бы космический корабль прямой посадки двумя меньшими частями, которые объединялись бы на околоземной орбите. Миссия LOR включала бы одну ракету, запускающую два космических корабля: материнский корабль и меньший, двухместный посадочный модуль , который бы сближался с основным космическим кораблем на лунной орбите. Посадочный модуль был бы сброшен, а материнский корабль вернулся бы домой. [37]
Сначала НАСА отвергло LOR как более рискованный вариант, поскольку космическое рандеву еще не было выполнено на орбите Земли, не говоря уже о лунной орбите. Несколько должностных лиц НАСА, включая инженера Исследовательского центра Лэнгли Джона Хоуболта и администратора НАСА Джорджа Лоу , утверждали, что рандеву на лунной орбите обеспечивает самую простую посадку на Луну с наиболее экономически эффективной ракетой-носителем и наилучшую возможность выполнить посадку на Луну в течение десятилетия. [38] Другие должностные лица НАСА были убеждены, и LOR был официально выбран в качестве конфигурации миссии для программы Apollo и объявлен администратором НАСА Джеймсом Э. Уэббом 7 ноября 1962 года. [39] Артур Рудольф стал директором проекта ракетной программы Saturn V в августе 1963 года. Он разработал требования к ракетной системе и план миссии для программы Apollo. Первый запуск Saturn V стартовал из Космического центра Кеннеди и прошел безупречно 9 ноября 1967 года, в день рождения Рудольфа. [40] Затем в мае 1968 года он был назначен специальным помощником директора MSFC, а затем ушел из НАСА 1 января 1969 года. [41] 16 июля 1969 года «Сатурн-5» запустил «Аполлон-11» , доставив первых людей на Луну. [42]
Размер и грузоподъемность Saturn V затмили все предыдущие ракеты, успешно запущенные в то время. С космическим кораблем Apollo наверху, он имел высоту 363 фута (111 м) и, не считая стабилизаторов, был 33 фута (10 м) в диаметре. Полностью заправленный Saturn V весил 6,5 миллионов фунтов (2 900 000 кг) [3] и имел грузоподъемность на низкой околоземной орбите (LEO), первоначально оцениваемую в 261 000 фунтов (118 000 кг), но был разработан для отправки не менее 90 000 фунтов (41 000 кг) на Луну. [47] Более поздние модернизации увеличили эту грузоподъемность; в последних трех лунных миссиях Apollo он отправил до 95 901 фунта (43 500 кг) на Луну. [6]
При высоте 363 фута (111 м) Saturn V был на 58 футов (18 м) выше Статуи Свободы от земли до факела, [48] и на 48 футов (15 м) выше Башни Елизаветы , в которой находится Биг-Бен в Вестминстерском дворце . [49] Напротив, ракета-носитель Mercury-Redstone, использованная на Freedom 7 , первом американском пилотируемом космическом полете, была примерно на 11 футов (3,4 м) длиннее ступени S-IVB и обеспечивала меньшую тягу на уровне моря (78 000 фунтов силы (350 кН)) [50], чем ракета Launch Escape System (тяга на уровне моря 150 000 фунтов силы (667 кН)), установленная на командном модуле Apollo. [51] Apollo LES работала гораздо меньше, чем Mercury-Redstone (3,2 секунды против 143,5 секунды). [50] [51]
Saturn V был в основном разработан Центром космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама , хотя многочисленные основные системы, включая двигательные установки, были разработаны субподрядчиками. Ракета использовала мощные ракетные двигатели F-1 и J-2 ; во время испытаний в Космическом центре Стенниса сила, развиваемая двигателями, разбила окна близлежащих домов. [52] Конструкторы на раннем этапе решили попытаться использовать как можно больше технологий из программы Saturn I для Saturn V. Следовательно, третья ступень S-IVB -500 Saturn V была основана на второй ступени S-IVB-200 Saturn IB . Приборный блок , который управлял Saturn V, имел общие характеристики с тем, который был установлен на Saturn IB. [53]
Saturn V был в основном построен из алюминия . Он также был сделан из титана , полиуретана , пробки и асбеста . [54] Чертежи и другие планы ракеты доступны на микрофильмах в Центре космических полетов имени Маршалла. [55]
Saturn V состоял из трех ступеней — первой ступени S-IC , второй ступени S-II и третьей ступени S-IVB — и приборного блока . Все три ступени использовали жидкий кислород (LOX) в качестве окислителя . Первая ступень использовала RP-1 в качестве топлива, в то время как вторая и третья ступени использовали жидкий водород (LH2). LH2 имеет более высокую удельную энергию (энергию на единицу массы), чем RP-1, что делает его более подходящим для более энергетических орбит, таких как транслунный ввод, необходимый для миссий Apollo. Наоборот, RP-1 обеспечивает более высокую плотность энергии (энергию на единицу объема) и более высокую тягу, чем LH2, что делает его более подходящим для снижения аэродинамического сопротивления и потерь гравитации на ранних стадиях запуска. Если бы первая ступень использовала LH2, требуемый объем был бы более чем в три раза больше, что было бы аэродинамически невыполнимо в то время. [56] Верхние ступени также использовали небольшие двигатели на твердом топливе , которые помогали разделять ступени во время запуска и обеспечивать, чтобы жидкое топливо находилось в правильном положении для всасывания в насосы. [57]
S-IC был построен компанией Boeing на сборочном заводе Michoud в Новом Орлеане , где позже Lockheed Martin построила внешние баки Space Shuttle . Большая часть его массы при запуске была заполнена топливом: топливом RP-1 с жидким кислородом в качестве окислителя . [58] Ступень была 138 футов (42 м) в высоту и 33 фута (10 м) в диаметре. Она обеспечивала тягу 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 ее общая масса составляла 4 881 000 фунтов (2 214 000 кг). S-IC был оснащен пятью двигателями Rocketdyne F-1, установленными по схеме квинконс . Центральный двигатель удерживался в фиксированном положении, в то время как четыре внешних двигателя могли гидравлически поворачиваться с помощью карданов для управления ракетой. [9] В полете центральный двигатель выключался примерно на 26 секунд раньше, чем внешние двигатели, чтобы ограничить ускорение. Во время запуска S-IC запускал свои двигатели в течение 168 секунд (зажигание произошло примерно за 8,9 секунды до взлета), и при выключении двигателей аппарат находился на высоте около 42 миль (67 км), находился на расстоянии около 58 миль (93 км) и двигался со скоростью около 7500 футов в секунду (2300 м/с). [59]
Хотя и не запущенный в производство, предложенной заменой для первой ступени был AJ-260x . Этот твердотопливный ракетный двигатель упростил бы конструкцию, убрав пятимоторную конфигурацию и, в свою очередь, снизил бы стоимость запуска. [60]
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 в аналогичной компоновке с S-IC, а также использовал четыре внешних двигателя для управления. S-II был 81,6 футов (24,87 м) в высоту и 33 фута (10 м) в диаметре, идентичный S-IC, [61] [62] и, таким образом, был самой большой криогенной ступенью до запуска космического челнока 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 разгоняла Saturn V через верхние слои атмосферы с тягой 1 100 000 фунтов-силы (4 900 кН) в вакууме. [35]
При загрузке топливом более 90 процентов массы ступени составляло топливо; однако сверхлегкая конструкция привела к двум неудачам в структурных испытаниях. Вместо того, чтобы иметь межбаковую структуру для разделения двух топливных баков, как это было сделано в S-IC, S-II использовал общую переборку , которая была построена как из верхней части бака LOX, так и из нижней части бака LH2. Она состояла из двух алюминиевых листов, разделенных сотовой структурой из фенольной смолы . [62] [35] Эта переборка должна была быть способна изолировать от разницы температур в 126 °F (70 °C) между двумя баками. Использование общей переборки сэкономило 7900 фунтов (3,6 т) как за счет устранения одной переборки, так и за счет уменьшения длины ступени. [35] Как и S-IC, S-II был доставлен с завода-изготовителя на мыс Кеннеди по морю. [63]
Ступень S-IVB была построена компанией Douglas Aircraft Company в Хантингтон-Бич, Калифорния . Она имела один двигатель Rocketdyne J-2 и использовала то же топливо, что и S-II. [11] S-IVB использовала общую переборку для разделения двух баков. Она была 58,6 футов (17,86 м) в высоту и 21,7 футов (6,604 м) в диаметре и также была спроектирована с высокой массовой эффективностью, хотя и не столь агрессивно, как S-II. S-IVB имела сухую массу около 23 000 фунтов (10 000 кг) и, при полной заправке, весила около 262 000 фунтов (119 000 кг). [64]
S-IVB была единственной ступенью ракеты Saturn V, достаточно маленькой, чтобы ее можно было перевозить на грузовом самолете Aero Spacelines Pregnant Guppy . [63]
В ходе лунных миссий он запускался дважды: первый раз для выхода на околоземную орбиту после отключения второй ступени и второй раз для транслунного выведения (TLI).
Приборный блок Saturn V был построен IBM и был помещен на верхнюю часть третьей ступени ракеты. Он был построен в Центре космических систем в Хантсвилле, штат Алабама . Этот компьютер управлял операциями ракеты с момента непосредственно перед стартом до тех пор, пока S-IVB не был сброшен. Он включал в себя системы наведения и телеметрии для ракеты. Измеряя ускорение и положение транспортного средства , он мог вычислять положение и скорость ракеты и корректировать любые отклонения. [65]
После завершения строительства и наземных испытаний каждой ступени каждая из них была отправлена в Космический центр Кеннеди. Первые две ступени были настолько массивными, что единственным способом их транспортировки была баржа. S-IC, построенная в Новом Орлеане, была перевезена по реке Миссисипи в Мексиканский залив . [66]
После обхода Флориды ступени 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 использовался для перевозки внешних баков космического челнока . S-II был построен в Калифорнии и доставлен во Флориду через Панамский канал . Третья ступень и приборный блок перевозились на судах Aero Spacelines Pregnant Guppy и Super Guppy , но также могли перевозиться на барже, если бы это было оправдано. [66]
По прибытии в здание вертикальной сборки каждая ступень была осмотрена в горизонтальном положении, прежде чем быть ориентированной вертикально. НАСА также построило большие катушечные конструкции, которые могли использоваться вместо ступеней, если конкретная ступень задерживалась. Эти катушки имели ту же высоту и массу и содержали те же электрические соединения, что и фактические ступени. [66]
NASA сложил (собрал) Saturn V на мобильной пусковой установке , которая состояла из стартовой башни с девятью поворотными рычагами (включая рычаг доступа экипажа), крана «молоток» и системы подавления воды, которая активировалась до зажигания двигателя во время запуска. 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 Space Shuttle, а также Space Launch System ), CT работал на четырех двухгусеничных гусеницах, каждая с 57 «башмаками». Каждый башмак весил 2000 фунтов (910 кг). Этот транспортер также должен был поддерживать ракету в горизонтальном положении, пока она проходила 3 мили (4,8 км) до стартовой площадки, особенно на 3-процентном уклоне, встречающемся на стартовой площадке. На CT также находилась мобильная сервисная структура (MSS), которая позволяла техническим специалистам получать доступ к ракете до восьми часов до запуска, после чего ее перемещали на «половину» пути на гусеничном ходу (соединение между VAB и двумя стартовыми площадками). [66]
С 1964 по 1973 год на исследования и разработки , а также полеты Saturn V было выделено 6,417 млрд долларов США (что эквивалентно 40,9 млрд долларов США в 2023 году) [67] , при этом максимальная сумма была выделена в 1966 году и составила 1,2 млрд долларов США (что эквивалентно 8,61 млрд долларов США в 2023 году). [1] В том же году NASA получила свой самый большой общий бюджет в размере 4,5 млрд долларов США, что составляет около 0,5 процента от валового внутреннего продукта (ВВП) Соединенных Штатов в то время. [67]
Две основные причины отмены последних трех миссий Apollo были крупные инвестиции в Saturn V и постоянно растущие расходы США на войну во Вьетнаме в деньгах и ресурсах. В период с 1969 по 1971 год стоимость запуска миссии Saturn V Apollo составляла от 185 000 000 до 189 000 000 долларов, [1] [2] из которых 110 миллионов долларов были использованы на производство корабля [68] (что эквивалентно 1,18–1,2 миллиарда долларов в 2023 году). [67]
Saturn V выполнил все лунные миссии Apollo, [69] которые были запущены с пускового комплекса 39 в Космическом центре имени Джона Ф. Кеннеди во Флориде . [70] После того, как ракета покинула стартовую башню, управление полетом перешло в Центр управления полетами в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне, штат Техас . [71] В среднем миссия использовала ракету в общей сложности всего 20 минут. Хотя у Apollo 6 было три отказа двигателя, [72] а у Apollo 13 было одно отключение двигателя, [73] бортовые компьютеры смогли компенсировать это, дольше сжигая оставшиеся двигатели, чтобы достичь парковочной орбиты. [72]
В случае аварийного прекращения полета, требующего уничтожения ракеты, офицер по безопасности на полигоне дистанционно отключил двигатели и через несколько секунд послал еще одну команду на детонацию кумулятивных взрывных зарядов, прикрепленных к внешним поверхностям ракеты. Это сделало бы разрезы в топливных и окислительных баках, чтобы быстро рассеять топливо и минимизировать смешивание. Пауза между этими двумя действиями дала бы время экипажу покинуть ракету через пусковую 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 также оставалась неактивной, пока ракета все еще находилась на стартовой площадке. [74]
Первая ступень работала около 2 минут и 41 секунды, подняв ракету на высоту 42 мили (68 км) и разогнав ее до скорости 6 164 миль в час (2 756 м/с) и сжигая 4 700 000 фунтов (2 100 000 кг) топлива. [75]
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 снизить структурные нагрузки на ракету. Когда тяга была подтверждена бортовыми компьютерами, ракета была «мягко выпущена» в два этапа: во-первых, прижимные рычаги освободили ракету, а во-вторых, когда ракета начала ускоряться вверх, ее замедлили конические металлические штифты, протянутые через отверстия в течение половины секунды. [9]
После того, как ракета взлетела, она не могла безопасно опуститься на площадку, если бы двигатели отказали. Астронавты считали это одним из самых напряженных моментов в полете на Saturn V, поскольку если бы ракета не взлетела после отделения, у них было мало шансов выжить, учитывая большое количество топлива. Для повышения безопасности система обнаружения аварийных ситуаций Saturn (EDS) блокировала выключение двигателя в течение первых 30 секунд полета. Если бы все три ступени взорвались одновременно на стартовой площадке, что маловероятно, общая взрывная мощность Saturn V составила бы 543 тонны тротила или 0,543 килотонны (2 271 912 000 000 Дж или 155 143 фунта потери веса), что составляет 0,222 кт для первой ступени, 0,263 кт для второй ступени и 0,068 кт для третьей ступени. [76] (См. приборную часть Сатурна V ) [9] Вопреки расхожему мифу , производимый шум не мог расплавить бетон . [77] [78]
Ракете потребовалось около 12 секунд, чтобы преодолеть башню. За это время она отклонилась на 1,25 градуса от башни, чтобы обеспечить достаточный зазор, несмотря на неблагоприятные ветры; это отклонение, хотя и небольшое, можно увидеть на фотографиях запуска, сделанных с востока или запада. На высоте 430 футов (130 м) ракета перевернулась на правильный азимут полета , а затем постепенно снизилась до 38 секунд после зажигания второй ступени. Эта программа тангажа была установлена в соответствии с преобладающими ветрами в течение месяца запуска. [9]
Четыре внешних двигателя также были наклонены наружу, так что в случае преждевременного отключения внешнего двигателя оставшиеся двигатели проталкивались через центр масс ракеты . Saturn V достигал скорости 400 футов в секунду (120 м/с) на высоте более 1 мили (1600 м). Большая часть начальной части полета была потрачена на набор высоты, а необходимая скорость появилась позже. Saturn V преодолел звуковой барьер всего 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 вокруг верхней части второй ступени должны были образоваться ударные воротники или облака конденсации. [9]
Примерно через 80 секунд ракета испытала максимальное динамическое давление (max q). Динамическое давление на ракету меняется в зависимости от плотности воздуха и квадрата относительной скорости . Хотя скорость продолжает увеличиваться, плотность воздуха уменьшается с высотой так быстро, что динамическое давление падает ниже max q. [9]
Топливо только в S-IC составляло около трех четвертей всей стартовой массы Сатурна V, и оно потреблялось со скоростью 13 000 килограммов в секунду (1 700 000 фунтов/мин). Второй закон движения Ньютона гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение, или, что то же самое, ускорение равно силе, деленной на массу, поэтому по мере уменьшения массы (и некоторого увеличения силы) ускорение росло. Включая гравитацию, стартовое ускорение составляло всего 1+1 ⁄ 4 g , т. е. астронавты чувствовали 1+1 ⁄ 4 g , в то время как ракета ускорялась вертикально на 1 ⁄ 4 g . Поскольку ракета быстро теряла массу, общее ускорение, включая гравитацию, возросло почти до 4 g в T+135 секунд. В этот момент внутренний (центральный) двигатель был выключен, чтобы предотвратить увеличение ускорения более 4 g . [9]
Когда в узлах всасывания было обнаружено истощение окислителя или топлива, оставшиеся четыре внешних двигателя были выключены. Разделение первой ступени произошло чуть менее чем через секунду после этого, чтобы обеспечить откат тяги F-1. Восемь небольших двигателей разделения твердого топлива поддерживали S-IC от остальной части транспортного средства на высоте около 42 миль (67 км). Первая ступень продолжила движение по баллистической траектории до высоты около 68 миль (109 км), а затем упала в Атлантический океан примерно в 350 милях (560 км) ниже по дальности. [9]
Процедура выключения двигателя была изменена для запуска Skylab, чтобы избежать повреждения телескопической установки Apollo . Вместо того, чтобы выключить все четыре подвесных двигателя одновременно, они были выключены по два за раз с задержкой, чтобы еще больше снизить пиковое ускорение. [9]
После отделения S-IC вторая ступень S-II работала в течение 6 минут и разогнала корабль до высоты 109 миль (175 км) и скорости 15 647 миль в час (25 181 км/ч), что близко к орбитальной скорости . [35]
Для первых двух беспилотных запусков восемь двигателей на твердом топливе зажигались на четыре секунды для ускорения ступени S-II, после чего следовало зажигание пяти двигателей J-2. Для первых семи пилотируемых миссий Apollo на S-II использовались только четыре двигателя на незаполненном объеме, и они были исключены для последних четырех запусков. Примерно через 30 секунд после отделения первой ступени межступенчатое кольцо сбрасывалось со второй ступени. Это было сделано с инерциально фиксированным положением — ориентацией вокруг ее центра тяжести — так что межступень, находящаяся всего в 3 футах 3 дюймах (1 м) от внешних двигателей J-2, падала чисто, не задев их, поскольку межступень могла потенциально повредить два двигателя J-2, если бы она была прикреплена к S-IC. Вскоре после межступенчатого отделения также была сброшена система аварийного покидания старта . [35]
Примерно через 38 секунд после зажигания второй ступени Saturn V переключился с заранее запрограммированной траектории на «замкнутый контур» или режим итерационного наведения. Теперь приборный блок в реальном времени вычислял наиболее экономичную траекторию к целевой орбите. Если приборный блок выходил из строя, экипаж мог переключить управление Saturn на компьютер командного модуля, взять ручное управление или прервать полет. [35]
Примерно за 90 секунд до отключения второй ступени центральный двигатель отключился, чтобы уменьшить продольные колебания pogo. Примерно в это же время расход LOX снизился, изменив соотношение смеси двух топлив и обеспечив, чтобы в конце полета второй ступени в баках осталось как можно меньше топлива. Это было сделано при заданной 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 из них активировать отключение и ступенчатую остановку S-II, когда они были раскрыты. Через секунду после отключения второй ступени она отделилась, а через несколько секунд загорелась третья ступень. Твердотопливные тормозные ракеты , установленные на промежуточной ступени в верхней части S-II, сработали, чтобы отвести ее от S-IVB. S-II упал примерно в 2600 милях (4200 км) от места запуска. [35]
В миссии Apollo 13 внутренний двигатель испытал сильные колебания pogo, что привело к раннему автоматическому отключению. Чтобы обеспечить достижение достаточной скорости, оставшиеся четыре двигателя оставались активными дольше, чем планировалось. Для более поздних миссий Apollo был установлен подавитель pogo, чтобы избежать этого, хотя раннее отключение пятого двигателя оставалось для снижения перегрузок . [73]
В отличие от двухплоскостного разделения S-IC и S-II, ступени S-II и S-IVB разделялись одним шагом. Хотя он был построен как часть третьей ступени, промежуточная ступень оставалась прикрепленной ко второй ступени. Третья ступень не использовала много топлива, чтобы выйти на низкую околоземную орбиту (НОО), поскольку вторая ступень выполнила большую часть работы. [11]
Во время миссии Apollo 11 , типичной лунной миссии, третья ступень горела около 2,5 минут до первого отключения в 11 минут 40 секунд. В этот момент она находилась на расстоянии 1645,61 миль (2648,35 км) вниз по направлению 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 облетал Землю полтора раза, в то время как астронавты и диспетчеры миссии готовились к транслунному выводу (TLI). [11]
Для последних трех полетов Apollo временная стояночная орбита была еще ниже (приблизительно 107 миль или 172 километра), чтобы увеличить полезную нагрузку для этих миссий. Миссия Apollo 9 на околоземную орбиту была запущена на номинальную орбиту, соответствующую Apollo 11, но космические аппараты смогли использовать свои собственные двигатели, чтобы поднять перигей достаточно высоко, чтобы выдержать 10-дневную миссию. Skylab был запущен на совершенно другую орбиту, с перигеем 270 миль (434 км), который поддерживался в течение шести лет, а также с более высоким наклоном к экватору (50 градусов против 32,5 градусов у Apollo). [11]
На Apollo 11 TLI произошел через 2 часа 44 минуты после запуска. S-IVB горел почти шесть минут, давая космическому кораблю скорость, близкую к скорости убегания Земли 25 053 миль в час (40 319 км/ч). Это дало энергоэффективный переход на лунную орбиту, а Луна помогла захватить космический корабль с минимальным расходом топлива CSM. [11]
Примерно через 40 минут после TLI командно-служебный модуль Apollo (CSM) отделился от третьей ступени, развернулся на 180 градусов и состыковался с лунным модулем (LM), который находился ниже CSM во время запуска. CSM и LM отделились от отработанной третьей ступени 50 минут спустя в ходе маневра, известного как транспозиция, 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 сброшено, а вспомогательная двигательная система была запущена, чтобы отодвинуть его. Для лунных миссий до Аполлона-13 S-IVB был направлен к заднему краю Луны на ее орбите, так что Луна вывела бы его за пределы скорости убегания Земли на солнечную орбиту. Начиная с Аполлона-13, диспетчеры направляли S-IVB на столкновение с Луной. [79] Сейсмометры, оставленные предыдущими миссиями, зафиксировали удары, и эта информация помогла составить карту внутренней структуры Луны . [80]
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. Более ранние планы Вернера фон Брауна (1964) использовали концепцию « мокрой мастерской », когда отработанная вторая ступень S-II Saturn V выводилась на орбиту и оснащалась в космосе. В следующем году AAP изучала меньшую станцию с использованием второй ступени Saturn IB . К 1969 году сокращение финансирования Apollo исключило возможность закупки большего количества оборудования Apollo и вынудило отменить некоторые более поздние полеты с посадкой на Луну. Это освободило по крайней мере один Saturn V, что позволило заменить мокрый цех концепцией «сухого цеха»: станция (теперь известная как Skylab) будет построена на земле из излишков второй ступени Saturn IB и запущена поверх первых двух рабочих ступеней Saturn V. [81] Резервная станция, построенная из третьей ступени Saturn V, была построена и сейчас экспонируется в Национальном музее авиации и космонавтики . [82]
Skylab был единственным запуском, не связанным напрямую с программой посадки на Луну Apollo. Единственные существенные изменения в Saturn V по сравнению с конфигурациями Apollo включали некоторую модификацию S-II, чтобы он действовал как конечная ступень для вывода полезной нагрузки Skylab на околоземную орбиту и для сброса излишков топлива после отключения двигателя, чтобы отработанная ступень не разорвалась на орбите. S-II оставался на орбите почти два года и совершил неконтролируемый повторный вход в атмосферу 11 января 1975 года. [83]
Три экипажа жили на борту «Скайлэба» с 25 мая 1973 года по 8 февраля 1974 года. [84] «Скайлэб» оставался на орбите до 11 июля 1979 года. [85]
После Apollo, Saturn V планировалось использовать в качестве основного носителя Prospector для запуска на Луну. Prospector был предложенным 330-килограммовым (730 фунтов) роботизированным вездеходом, похожим на два советских лунохода , [86] марсианские зонды Voyager и увеличенную версию межпланетных зондов Voyager . [87] Saturn V также должен был стать средством запуска для программы испытаний ядерной ракеты RIFT и для некоторых версий предстоящего проекта NERVA . [88] Все эти запланированные варианты использования Saturn V были отменены, поскольку стоимость была основным фактором. Эдгар Кортрайт , который был директором NASA Langley , заявил спустя десятилетия, что «JPL никогда не нравился большой подход. Они всегда выступали против него. Я, вероятно, был главным сторонником использования Saturn V, и я проиграл. Вероятно, очень мудро, что я проиграл». [87]
Отмененный второй производственный запуск Saturn V, скорее всего, использовал бы двигатель F-1A на первой ступени, что обеспечило бы существенное повышение производительности. Другими вероятными изменениями были бы удаление килей (которые, как оказалось, давали мало преимуществ по сравнению с их весом), удлиненная первая ступень S-IC для поддержки более мощных F-1A и улучшенные J-2 или M -1 для верхних ступеней. [89]
На основе Saturn V было предложено несколько альтернативных ракет-носителей Saturn, начиная от Saturn INT-20 со ступенью S-IVB и промежуточной ступенью, установленной непосредственно на ступени S-IC , и заканчивая Saturn V-23(L), которая имела бы не только пять двигателей F-1 на первой ступени, но и четыре дополнительных ускорителя с двумя двигателями F-1 на каждом, что давало бы в общей сложности тринадцать двигателей F-1, работающих при запуске. [90]
Отсутствие второго производственного цикла Saturn V погубило эти планы и оставило Соединенные Штаты без сверхтяжелой ракеты-носителя. Некоторые в американском космическом сообществе стали сетовать на эту ситуацию, [91] поскольку продолжение производства могло бы позволить Международной космической станции, используя конфигурацию Skylab или Mir с американскими и российскими стыковочными узлами, быть поднятой всего за несколько запусков. Концепция Saturn-Shuttle также могла бы исключить твердотопливные ракетные ускорители Space Shuttle , которые в конечном итоге привели к аварии Challenger в 1986 году. [92]
.png/1280px-Saturn_V-Shuttle-Ares_I-Ares_V-Ares_IV-SLS_Block_1_comparison_(2019).png)
Предложения США по ракете, большей, чем Saturn V, с конца 1950-х до начала 1980-х годов обычно назывались Nova . Более тридцати различных предложений по большим ракетам носили название Nova, но ни одно из них не было реализовано. [93]
У Вернера фон Брауна и других также были планы по созданию ракеты, которая бы имела восемь двигателей F-1 на первой ступени, как у Saturn C-8 , что позволило бы осуществить прямой полет на Луну. Другие планы по Saturn V предусматривали использование Centaur в качестве верхней ступени или добавление дополнительных ускорителей . Эти усовершенствования позволили бы запускать большие роботизированные космические аппараты на внешние планеты или отправлять астронавтов на Марс . Другие проанализированные производные Saturn V включали семейство Saturn MLV «модифицированных ракет-носителей», которые почти удвоили бы грузоподъемность стандартного Saturn V и были предназначены для использования в предлагаемой миссии на Марс к 1980 году . [94]
В 1968 году Boeing изучал еще одну производную от Saturn-V, Saturn C-5N , которая включала ядерный тепловой ракетный двигатель для третьей ступени транспортного средства. [95] Saturn C-5N должен был нести значительно большую полезную нагрузку для межпланетных космических полетов . Работа над ядерными двигателями, наряду со всеми Saturn V ELV , была завершена в 1973 году. [96]
Comet HLLV была массивной тяжелой ракетой-носителем, разработанной для программы First Lunar Outpost , которая находилась в стадии проектирования с 1992 по 1993 год в рамках Инициативы по исследованию космоса . Это была созданная на основе Saturn V ракета-носитель с более чем вдвое большей грузоподъемностью, которая полностью полагалась бы на существующие технологии. Все двигатели Comet HLLV были модернизированными версиями своих аналогов Apollo, а топливные баки были бы удлинены. Ее главной целью была поддержка программы First Lunar Outpost и будущих пилотируемых миссий на Марс. Она была разработана так, чтобы быть максимально дешевой и простой в эксплуатации. [97]
В 2006 году в рамках предлагаемой программы Constellation НАСА представило планы по созданию двух ракет-носителей Shuttle Derived Launch Vehicles, Ares I и Ares V , которые будут использовать некоторые существующие аппаратные средства и инфраструктуру Space Shuttle и Saturn V. Две ракеты были предназначены для повышения безопасности за счет специализации каждой ракеты для различных задач, Ares I для запусков экипажа и Ares V для грузовых запусков. [98] Первоначальный проект тяжелого Ares V, названного в честь Saturn V, имел высоту 360 футов (110 м) и включал в себя основную ступень на основе внешнего бака Space Shuttle диаметром 28 футов (8,4 м). Он должен был быть оснащен пятью двигателями RS-25 и двумя пятисегментными твердотопливными ракетными ускорителями Space Shuttle (SRB). По мере развития конструкции двигатели RS-25 были заменены пятью двигателями RS-68 , теми же двигателями, которые использовались на Delta IV . Переход от RS-25 к RS-68 был направлен на снижение стоимости, поскольку последний был дешевле, проще в производстве и мощнее, чем RS-25, хотя более низкая эффективность RS-68 потребовала увеличения диаметра основной ступени до 33 футов (10 м), что соответствует диаметру ступеней S-IC и S-II ракеты «Сатурн-5». [98]
В 2008 году НАСА снова перепроектировало Ares V, удлинив основную ступень, добавив шестой двигатель RS-68 и увеличив количество SRB до 5,5 сегментов каждый. [99] Этот аппарат должен был быть высотой 381 фут (116 м) и выдавать общую тягу приблизительно 8 900 000 фунтов силы (40 МН ) при старте, больше, чем у Saturn V или советской «Энергии» , но меньше, чем у советской N-1 . Планировалось, что Ares V выведет на орбиту приблизительно 400 000 фунтов (180 т), что превзойдет Saturn V по грузоподъемности. Верхняя ступень, Earth Departure Stage , будет использовать более совершенную версию двигателя J-2, J-2X . Ares V должен был вывести лунный посадочный аппарат Altair на низкую околоземную орбиту. Пилотируемый корабль «Орион» , запущенный с Ареса I, должен был состыковаться с «Альтаиром», а затем ступень отлета с Земли должна была отправить объединенную сборку на Луну. [100]
После отмены программы Constellation — и, следовательно, Ares I и Ares V — NASA объявило о создании ракеты-носителя Space Launch System (SLS) большой грузоподъемности для исследования космоса за пределами низкой околоземной орбиты. [101] SLS, аналогичная оригинальной концепции Ares V, оснащена четырьмя двигателями RS-25 и двумя пятисегментными SRB. Ее конфигурация Block 1 может поднять около 209 000 фунтов (95 т) на НОО. Конфигурация Block 1B добавит верхнюю ступень Exploration Upper Stage , оснащенную четырьмя двигателями RL10 , для увеличения грузоподъемности. Окончательный вариант Block 2 будет модернизирован до усовершенствованных ускорителей, увеличив полезную нагрузку на НОО по крайней мере до 290 000 фунтов (130 т). [102]
Одно из предложений по усовершенствованным ускорителям предполагает использование производной от F-1 ракеты Saturn V , F-1B, и увеличение полезной нагрузки SLS до примерно 330 000 фунтов (150 тонн) на низкой околоземной орбите. [103] F-1B должен иметь лучший удельный импульс и быть дешевле, чем F-1, с упрощенной камерой сгорания и меньшим количеством деталей двигателя, при этом создавая 1 800 000 фунтов силы (8,0 МН) тяги на уровне моря, что больше, чем приблизительно 1 550 000 фунтов силы (6,9 МН), достигаемых зрелым двигателем Apollo 15 F-1, [104]
3 сентября 2002 года астроном Билл Йенг обнаружил предполагаемый астероид , которому было присвоено обозначение открытия J002E3 . Он, по-видимому, находился на орбите вокруг Земли, и вскоре было обнаружено с помощью спектрального анализа, что он был покрыт белым диоксидом титана , который был основным компонентом краски, использованной на Сатурне V. Расчет орбитальных параметров привел к предварительной идентификации как ступени S-IVB Аполлона 12. [111] Контролеры 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, не отправило его достаточно близко к Луне, поэтому он оставался на едва стабильной орбите вокруг Земли и Луны. В 1971 году из-за серии гравитационных возмущений он, как полагают, вышел на солнечную орбиту, а затем вернулся на слабо захваченную околоземную орбиту 31 год спустя. Он снова покинул околоземную орбиту в июне 2003 года. [112]
.jpg/1280px-Saturn_V,_Davidson_Center_for_Space_Exploration_(Huntsville,_Alabama,_USA).jpg)
{{cite press release}}: CS1 maint: другие ( ссылка )