Сатурн (сімейство ракет-носіїв)

«Сатурн» (англ. Saturn) — серія американських ракет-носіїв. Було побудовано й запущено три версії: «Сатурн I» середньої вантажопідйомності, «Сатурн IB» ^[en] і «Сатурн V» надвеликої вантажопідйомності. Розробка цих ракет велася в рамках космічної програми «Аполлон».

Сатурн
Країна походження	США
Сатурн у Вікісховищі

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Сатурн.

Сімейство ракет-носіїв «Сатурн»: «Сатурн I», «Сатурн IB» і «Сатурн V».

Американські ракети сімейства «Сатурн» були розроблені групою колишніх німецьких ракетних інженерів і вчених на чолі з Вернером фон Брауном для запуску важких вантажів на навколоземну орбіту і за її межі. У верхніх ступенях ракет сімейства «Сатурн» як паливо використовувався рідкий водень. Спочатку їх планувати використовувати як ракети-носії для ^[en], але згодом вони стали ракетами-носіями для програми «Аполлон», основною метою якою було висадження людини на Місяць.

Назву «Сатурн» запропонував Вернер фон Браун у жовтні 1958 року як логічне продовження серії «Юпітер».

У 1963 році президент США Джон Кеннеді назвав запуск ракети-носія «Сатурн I SA-5» тим моментом, коли США випередять Радянський Союз, від якого вони почали відставати того, як той 12 квітня 1961 року здійснив перший політ людини в космос. Востаннє Кеннеді згадав про це у промові, виголошеній на військово-повітряній базі Брукс у Сан-Антоніо за день до його вбивства.

На сьогодні (2024 рік) «Сатурн V» є єдиною ракетою-носієм, яка транспортувала людей за межі низької навколоземної орбіти. Загалом протягом чотирьох років, з грудня 1968 по грудень 1972 року, на Місяць були доставлені 24 астронавти. Жодна ракета «Сатурн» не зазнала катастрофічної аварії в польоті.

Короткий опис моделей ракет

Нижче перелічено всі ракети сімейства «Сатурн» за датою створення.

Назва	Серійний номер	Призначення	Перший політ	Останній політ	Запуски			Примітки
					Загалом	Успішні	Невдалі
«Сатурн I» Block I	SA-14	Опрацювання	27.10.1961	28.03.1963	4	4	0	Тільки перший етап наживо.
«Сатурн I» Block II	SA-5-10	Опрацювання	29.01.1964	30.07.1965	6	6	0	Несла на борту стандартні супутники «Аполлон» CSM і супутники ^[en]» для вивчення мікрометеороїдів.
«Сатурн IB»	SA-200	Орбітальний носій космічного корабля «Аполлон» на навколоземній орбіті	26.02.1966	15.07.1975	9	9	0	Використовувалася для екіпажів «Аполлона-7», «Скайлеб» та випробувального проєкту «Союз — Аполлон».
«Сатурн V».	SA-500	Носій космічного корабля «Аполлон» під час польоту до Місяця	09.11.1967	14.05.1973	13	12	1	Запущено дев'ять пілотованих місячних місій та космічну станцію «Скайлеб».

Історія

Початкова розробка

На початку 1950-х років Військово-морські сили та армія США активно розробляли ракети великої дальності, долучаючи до цього німецьких інженерів-ракетників, які брали участь у створенні успішної ракети «Фау-2» під час Другої світової війни. У Військово-морських сил це були ракета ^[en]», а в армії — ^[en], PGM-19 Jupiter і ^[en]. Тим часом Повітряні сили США розробляли свої ракети «Атлас» і «Титан», покладаючись більше на американських інженерів.

Між різними командами постійно точилася боротьба за фінансування, а Міністерство оборони США вирішувало, які проєкти варто підтримувати. 26 листопада 1956 року міністр оборони Чарлз Вілсон видав меморандум, яким позбавив армію наступальних ракет дальністю 200 миль (320 км) і більше, а ракети «Юпітер» передав Повітряним силам. З цього моменту Повітряні сили стануть головним розробником ракет, особливо ракет подвійного призначення, які також можуть бути використані як космічні ракети-носії.

Наприкінці 1956 року Міністерство оборони США оприлюднило технічні вимоги до важкої ракети-носія, призначеної для виведення на орбіту супутників зв'язку нового класу та «інших» супутників (програма розвідувальних супутників була надсекретною). Вимоги, розроблені тоді ще неофіційним Агентством передових дослідних проєктів США (ARPA, нині DARPA), передбачали створення ракети-носія, здатної виводити на орбіту від 9000 до 18 000 кг вантажу або розганяти від 2700 до 5400 кг до злітної швидкості.

Оскільки меморандум Чарлза Вілсона стосувався лише зброї, а не космічних апаратів, ^[en] (ABMA) побачило можливість продовжити розробку власних проєктів важких ракет. У квітні 1957 року фон Браун доручив ^[en], керівнику конструкторського відділу Future Projects, проаналізувати проєкти спеціальних ракет-носіїв, які можна було б побудувати якнайшвидше. Кьолле оцінив кілька різноманітних проєктів ракет-носіїв, максимальна вантажопідйомність яких становила близько 1400 кг, але могла бути збільшена до 4500 кг за допомогою нових високоенергетичних розгінних блоків. Утім, ці розгінні блоки залишалися доступними до 1961 або 1962 року, а ракети-носії все одно не відповідали вимогам Міністерства оборони щодо важких вантажів.

Щоб задовольнити прогнозовану потребу у виведенні на орбіту вантажів масою 10 000 кг і більше, за розрахунками команди ABMA, потрібен був прискорювач (перший ступінь) із тягою близько 6700 кН — набагато більшою, ніж у будь-якої ракети, яка на той момент вже існувала або розроблялася. Для розв'язання цієї задачі розробники пропонували згрупувати кілька вже існуючих ракет разом, створивши таким чином потужніший прискорювач. Проаналізувавши наявні конструкції, вони розглядали можливість узяти за основу бак від однієї ракети «Юпітер» і приєднати до нього вісім баків із таким діаметром, як у «Редстоуна». Ця відносно дешева конфігурація дала б змогу «швидко й грубо» створити потрібну конструкцію, скориставшись наявними виробничими й конструкторськими потужностями.

Ракета «Юпітер-С» виводить на орбіту супутник «Експлорер-1» (1958)

Було розглянуто два підходи до побудови супер-«Юпітера»: поєднати кілька двигунів у кластер так, щоб їхня сумарна тяга досягала 6700 кН, або створити один набагато потужніший двигун. Обидва підходи мали свої переваги й недоліки. Створити невеликий двигун для кластерного використання було б відносно нескладно, оскільки ризики, пов'язані з експлуатацією існуючих систем, уже були відомі, але це вимагало дублювання систем і значно підвищувало ймовірність відмови ступенів (додавання двигунів, як правило, знижує надійність, згідно із ^[en]). Один великий двигун був би надійнішим й ефективнішим, оскільки він не потребував дублювання «мертвої ваги», як-от паливна система й гідравліка для керування кожного окремого двигуна. З іншого боку, двигун такого розміру ще ніколи не будували, а його розробка була б дорогою й ризикованою. Повітряні сили уже висловлювали зацікавленість у потужному двигуні (згодом ним став знаменитий Rocketdyne F-1), але на той час їхньою метою була тяга лише в 4400 кН; крім того, станом на середину 1960-х років такі двигуни ще не були створені. Єдиним способом задовольнити вимоги вчасно і в рамках бюджету здавався кластерний двигун.

Супер-«Юпітер» був лише першим ступенем ракети-носія; для виведення корисного навантаження на орбіту потрібні були додаткові ступені. ABMA запропонувало використовувати як другий ступінь ракети «Титан» або «Атлас» — можливо, з новим розгінним блоком «Центавр». Компанія General Dynamics (Astronautics Corp.) запропонувала «Центавр» як розгінний блок для ракети «Атлас» власної розробки, щоб пришвидшити створення ракети-носія, здатної виводити на низьку навколоземну орбіту вантажі вагою до 3900 кг. «Центавр» базувався на тій самій концепції «цистерна з внутрішнім тиском», що й «Атлас», і був побудований на тих самих конструкціях діаметром 3000 мм. Оскільки «Титан» цілеспрямовано будували такого ж розміру, це означало, що «Центавр» можна поставити на будь-яку ракету. Оскільки «Атлас» був пріоритетнішим з двох проєктів міжконтинентальної балістичної ракети (МБР), а його виробництво було повністю враховано, ABMA зосередилася на «запасному» проєкті — «Титані», хоча вони пропонували збільшити довжину ступеня, щоб вмістити додаткове паливо.

У грудні 1957 року ABMA представила Міністерству оборони США документ «Пропозиція: національна інтегрована програма розвитку ракет і космічних апаратів», у якому детально описувався кластерний підхід. Команда ABMA пропонувала прискорювач, який складався з корпуса ракети «Юпітер», до якого приєднувалися вісім «Редстоунів», що виконували роль баків, перехідник у нижній частині та чотири двигуни ^[en], кожен із яких забезпечував тягу в 1700 кН. Крім того, команда передбачила можливість майбутнього розширення конструкції за допомогою одного двигуна потужністю 6700 кН, що потребувало б внесення відносно незначних змін. Розгінний блок являв собою подовжений «Титан», а зверху розміщувався «Центавр». У результаті вийшла дуже висока й тонка ракета, зовсім не схожа на «Сатурн», який з'явився зрештою.

Для кожного з родів військ прогнозувалося конкретне використання, зокрема навігаційні супутники для Військово-морських сил; розвідувальні, комунікаційні й метеорологічні супутники для Армії США і Повітряних сил; підтримка пілотованих місій Повітряних сил; і логістичне забезпечення Армії на відстанях до 6400 км. Розробку й випробування розгінного блоку планувалося завершити до 1963 року — приблизно тоді, коли «Центавр» мав стати доступним для випробувань у складі ракети-носія. Загальна вартість розробки протягом 1958—1963 років становила 850 млн дол. і охоплювала 30 дослідних польотів.

Несподіваний радянський супутник

Вибух ракети-носія «Венгард TV3» під час запуску 6 грудня 1957 року.

Поки тривала робота над розробкою «Супер-Юпітера», йшла підготовка до запуску першого супутника, який вважався внеском США в Міжнародний геофізичний рік — 1957-й. Через складні політичні причини програму передали Військово-морським силам США, де вона отримала назву «Венгард» (англ. Vanguard — «авангард»). Ракета-носій «Венгард» складалася з нижнього ступеня ^[en]», до якого приєднувалися нові розгінні блоки, взяті з метеорологічних ракет і адаптовані. Цінну підтримку в розробці «Вікінга» й «Венгарда» надала ABMA, поділившись своїми знаннями з перших рук про ракету «Фау-2», а також розробивши її систему наведення. Перші три суборбітальні випробувальні польоти «Венгарда», починаючи з грудня 1956 року, пройшли без проблем, а її повноцінний запуск був запланований на кінець 1957 року.

Але 4 жовтня 1957 року Радянський Союз шокував світ запуском першого штучного супутника Землі. Хоча певні ознаки того, що СРСР працює в цьому напрямку, спостерігалися й раніше, мало хто з американських військовиків і науковців сприймав їх серйозно. Коли в листопаді 1954 року міністра оборони Чарлза Вілсона запитали, чи здатен СРСР запустити свій супутник, той відповів:

Мені байдуже, запустять вони супутник чи ні.

Однак пересічні американські сприйняли цю подію інакше: вона стала великою катастрофою для США в галузі зв'язків із громадськістю. Запуск «Венгарда» планувався невдовзі після запуску «Супутника», але через низку затримок його старт відсунувся на грудень, а під час старту ракета потужно вибухнула. Преса відреагувала різко: у газетах ракету називали «Капутнік» і «Проєкт „Ар'єргард“». Журнал «Тайм» висловився так:

…У розпал холодної війни смілива наукова мета «Венгарда» виявилася катастрофічно скромною: росіяни дісталися туди [у космос] першими. Реакція Білого дому на запуск «Супутника», — мовляв, США не брали участі в супутникових «перегонах» із Росією — це не просто виправдання постфактум. Доктор Гаген казав ще десять місяців тому: «Ми взагалі не збиралися змагатися з росіянами». Утім, в очах світу США, хотіли вони того чи ні, таки брали участь у супутникових перегонах, і через провал уявлень Адміністрації [президента], який дорого їй обійшовся, проєкт «Венгард» ледь волоче ноги, а натомість він мав би бігти щосили. Він ще перебував на етапі реалізації, а короткі звукові сигнали «Супутника» вже сповістили світові, що авангардною є російська супутникова програма, а не американська.

Фон Браун відреагував на запуск першого штучного супутника, заявивши, що в разі потреби може вивести супутник на орбіту протягом 90 днів після отримання дозволу. Його план полягав у тому, щоб поєднати існуючу ракету «Юпітер-С» (яка, за іронією, є адаптацією «Редстоуна», а не «Юпітера») із твердопаливними двигунами «Венгарда», і запустити ^[en]». Поки всі чекали на запуск «Веннгарда», негайної відповіді не було, але через постійні затримки з «Венгардом» і листопадовий запуск «Супутника-2» дозвіл на запуск було надано того ж місяця. Фон Браун дотримав своєї обіцянки і 1 лютого 1958 року здійснив успішний запуск «Експлорера-1». 17 березня 1958 року програма «Венгард» нарешті стала успішною.

ARPA обирає «Юнону»

«Юнона-2» запускає «Піонер-4», 3 березня 1959 року.

Занепокоєне тим, що Радянський Союз продовжував демонструвати свої несподівано ефективні технології, яких у США, здавалося, узагалі не було, Міністерство оборони США проаналізувало цю проблему і дійшло висновку, що вона має переважно бюрократичний характер. Оскільки кожний вид збройних сил США виконував власні програми досліджень і розробок, значна кількість окремих задач виконувалася двічі або тричі і точилася міжвідомча боротьба за ресурси. До того ж Міністерство оборони запровадило власні бюрократичні правила закупівель і укладання контрактів, через що значно зросли накладні витрати.

Щоб розв'язати ці проблеми, Міністерство оборони ініціювало створення нової науково-дослідної групи з розробки ракет-носіїв із широкими повноваженнями, які виходили за межі традиційного поділу на армію, флот і повітряні сили. Перед групою було поставлено завдання: якнайшвидше наздогнати СРСР у космічних технологіях, використовуючи будь-яку технологію, незалежно від її походження. 7 лютого 1958 року ця новостворена група була оформлена як Агентство перспективних дослідницьких проєктів (ARPA). Група аналізувала вимоги Міністерства оборони США до ракети-носія і порівнювала різні доступні на той час підходи.

Поки ABMA розробляло супер-«Юпітер», Повітряні сили працювали над концепцією ракети «Титан C». Повітряні сили набули цінний досвід роботи з рідким воднем, працюючи над проєктом розвідувального літака ^[en], і були впевнені у своїй спроможності використовувати це летке паливо в ракетах. Вони вже погодилися з аргументом ^[en], що водень є єдиним практичним паливом для верхніх ступенів, і, спираючись на нього, розпочали роботу над «Центавром». «Титан C» був проміжним ступенем, який працював на водні і зазвичай розташовувався між «Титаном» і «Центавром»; на низькоорбітальних ракетах, як-от Dyna-Soar, його можна було використовувати без «Центавра». Однак, оскільки водень має набагато меншу густину, ніж традиційні види палива, особливо гас, верхній ступінь мав бути досить великим, щоб вмістити достатню кількість палива. Оскільки і «Атлас», і «Титан» мали діаметр 120 дюймів (трохи більше 3 м), здавалося логічним зробити такого діаметра й «Титан С», але в результаті утворилася б висока й тонка ракета із сумнівною міцністю і стабільністю. Натомість у проєкті передбачалося, що «Титан C» буде новим ступенем зі збільшеним діаметром 160 дюймів (більше 4 м), — тобто це мала бути абсолютно нова ракета.

Для порівняння, проєкт супер-«Юпітер» базувався на вже готових компонентах, за винятком двигунів E-1. Хоча для виконання високоорбітальних місій він також покладався на «Центавр», ракету можна було використовувати для виведення вантажу на низькі навколоземні орбіти і без «Центавра», що забезпечувало певну гнучкість на випадок, якщо в «Центавра» виникнуть проблеми. Агентство ARPA погодилося, що запропонована «Юнона» з більшою ймовірністю вкладеться в необхідні часові рамки, хоча агентство вважало, що для використання E-1 немає вагомих підстав, і рекомендувало використовувати підхід з меншим ризиком і в цьому випадку. У відповідь ^[en] (ABMA) запропонувало новий проєкт ^[en]» (як продовження серій ^[en]» і ^[en]»; «Юноною III» і «Юноною IV» вважалися незавершені концепції на базі ракет «Атлас» і «Титан»), який замінив чотири двигуни E-1 на вісім H-1 (не плутати з радянською ракетою Н-1) — набагато скромнішу модернізацію існуючих двигунів ^[en], які вже використовувалися на ракетах ^[en]» і «Юпітер». Це дало змогу збільшити тягу з від 670 до 840 кілоньютонів. За оцінками, такий підхід мав заощадити до 60 мільйонів доларів на розробку і скоротити до двох років часу на НДДКР.

15 серпня 1958 року Агентство ARPA, задоволене результатами оновлення, видало наказ № 14-59, у якому закликало ABMA

...розпочати програму розробки великого прискорювача для космічного корабля з тягою приблизно 1 500 000 фунтів на основі кластера наявних ракетних двигунів. Безпосередньою метою цієї програми є демонстрація повномасштабних динамічних випробувань до кінця 1959 року.

Після цього 11 вересня 1958 року було укладено ще один контракт із Rocketdyne на початок робіт над двигуном H-1. 23 вересня 1958 року ARPA і ^[en] (AOMC) уклали додаткову угоду, яка розширювала рамки програми, зазначивши:

На додаток до динамічних випробувань…, цим погоджується, що ця програма тепер має бути розширена з метою забезпечити проведення льотних випробувань цього прискорювача приблизно до вересня 1960 року.

Крім того, ARPA хотіло, щоб ABMA виготовило три додаткові прискорювачі, останні дві з яких були б «здатні виводити на орбіту обмежене корисне навантаження».

Уже до цього моменту члени групі ABMA часто називали проєкт «Сатурн», оскільки фон Браун подавав його як логічне розвинення «Юпітера» (Сатурн — наступна за Юпітером планета). У лютому 1959 року цю назву затверлили, і вона стала офіційною.

Див. також

• Космічна програма «Аполлон»

Посилання

• Кінокамери на щаблях ракет серії «Сатурн»

Примітки

1. Helen T. Wells; Susan H. Whiteley & Carrie E. Karegeannes. Origin of NASA Names. NASA Science and Technical Information Office. p. 17.
2. Stone, Robert; Andres, Alan (2019). Chasing the Moon: The People, the Politics, and the Promise That Launched America into the Space Age. New York: Ballantine Books. ISBN 9781524798123.
3. Saturn I and IB Rockets | Historic Spacecraft. historicspacecraft.com. Процитовано 12 травня 2024.
4. Apollo 6 had engine failures in second and third stage, preventing restart. Spacecraft still attained orbit.
5. Internet Archive, Deborah (2006). Space race : the epic battle between America and the Soviet Union for dominion of space. New York : HarperCollins. ISBN .
6. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/stages-to-saturn-sp-4206.pdf
7. H. H. Koelle et al., «Juno V Space Vehicle Development Program, Phase I: Booster Feasibility Demonstration», ABMA, Redstone Arsenal, Report DSP-TM-10-58, October 13, 1958
8. Internet Archive, Michael J. (2007). Von Braun : dreamer of space, engineer of war. New York : A.A. Knopf. ISBN .
9. Internet Archive, Michael J. (2007). Von Braun : dreamer of space, engineer of war. New York : A.A. Knopf. ISBN .
10. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/04/sp-4230.pdf
11. «Proposal: A National Integrated Missile and Space Vehicle Development Program», ABMA, Redstone Arsenal, Report D-R-37, December 10, 1957
12. The Apollo Spacecraft - A Chronology. Table of Contents. www.hq.nasa.gov. Процитовано 28 травня 2024.
13. TIME Magazine -- U.S. Edition -- October 21, 1957 Vol. LXX No. 17. content.time.com (en-us) . Процитовано 2 червня 2024.
14. The Federal File (7 грудня 2017), Satellite A Bust - Vanguard TV3 Launch Failure, процитовано 2 червня 2024
15. Author, No (1 жовтня 2007). Sputnik's legacy. Physics World (брит.). Процитовано 2 червня 2024.
16. TIME (21 жовтня 1957). National Affairs: PROJECT VANGUARD. TIME (англ.). Процитовано 2 червня 2024.
17. Explorer 1 Overview - NASA (амер.). 18 березня 2015. Процитовано 10 червня 2024.
18. NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details. nssdc.gsfc.nasa.gov. Процитовано 10 червня 2024.
19. https://www.eisenhowerlibrary.gov/sites/default/files/research/oral-histories/oral-history-transcripts/bethe-hans.pdf
21. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/stages-to-saturn-sp-4206.pdf#27
22. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/stages-to-saturn-sp-4206.pdf#28
23. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/stages-to-saturn-sp-4206.pdf#31
24. Internet Archive, Deborah (2006). Space race : the epic battle between America and the Soviet Union for dominion of space. New York : HarperCollins. ISBN .
25. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2023/06/stages-to-saturn-sp-4206.pdf#37, с. 37.