Сатурн-5

Сатурн-5 (англ. Saturn V) — американская сверхтяжёлая ракета-носитель семейства Сатурн. Использовалась для реализации пилотируемой посадки на Луну и подготовки к ней по программе «Аполлон», а также, в двухступенчатом варианте, для выведения на околоземную орбиту орбитальной станции «Скайлэб». Главный конструктор — Вернер фон Браун.

Сатурн-5

Первая ракета «Сатурн-5» (AS-501) на стартовой площадке, перед запуском «Аполлон-4». Фото НАСА
Общие сведения
Страна  США
Семейство Сатурн
Назначение ракета-носитель
Изготовитель Boeing (S-IC)
North American (S-II)
Douglas (S-IVB)
Основные характеристики
Количество ступеней 3
Длина (с ГЧ) 110,6 м
Диаметр 10,1 м
Стартовая масса 2965 т при запуске Аполлона-16[1]
Масса полезной нагрузки
 • на НОО ≈140 т (связка корабля Аполлон и третьей ступени носителя с остатком топлива). Третья ступень являлась полезной нагрузкой, так как выводила корабль к Луне.
 • на траекторию к Луне 43,5 т [2]
История запусков
Состояние программа закрыта
Места запуска стартовый комплекс LC-39, Космический центр имени Джона Ф. Кеннеди
Число запусков 13
 • успешных 12
 • неудачных 0
 • частично неудачных 1 (Аполлон-6)
Первый запуск 9 ноября 1967
Последний запуск 14 мая 1973
Первая ступень — S-IC
Стартовая масса 2290 тонн
Маршевые двигатели 5 × F-1
Тяга 34 343 кН (суммарная у земли)
Удельный импульс 263 c (2580 Н·с/кг)
Время работы 165 с
Горючее керосин
Окислитель жидкий кислород
Вторая ступень — S-II
Стартовая масса 496,2 тонн
Маршевые двигатели 5 × J-2
Тяга 5096 кН (суммарная в вакууме)
Удельный импульс 421 с (4130 Н·с/кг)
Время работы 360 с
Горючее жидкий водород
Окислитель жидкий кислород
Третья ступень — S-IVB
Стартовая масса 132 тонны
Маршевый двигатель J-2
Тяга 1019,2 кН (в вакууме)
Удельный импульс 421 с (4130 Н·с/кг)
Время работы 165 + 335 с (2 включения)
Горючее жидкий водород
Окислитель жидкий кислород
 Медиафайлы на Викискладе

Ракета «Сатурн-5» остаётся крупнейшей по величине, массе, мощности и грузоподъёмности из созданных на данный момент человечеством ракет, выводивших полезную нагрузку на орбиту, превосходя более поздние «Спейс Шаттл», «Энергию» и «Falcon Heavy»[3][4]. Ракета выводила на низкую околоземную орбиту 141 т по официальным данным (что включает в себя корабль «Аполлон» и последнюю ступень с остатками топлива для разгона межпланетного полёта), и на траекторию к Луне 47 т полезного груза (65,5 т вместе с 3-й ступенью носителя). Полная масса, выведенная на орбиту при запуске станции Скайлэб, составила 147,36 т, в том числе станция Скайлэб с головным обтекателем — 88,5 т и вторая ступень с остатком топлива и неотделившимся переходником.

Ракета-носитель выполнена по трёхступенчатой схеме, с последовательным расположением ступеней.

На первой ступени устанавливались пять кислородно-керосиновых ЖРД F-1, которые по сей день остаются самыми мощными однокамерными ракетными двигателями из когда-либо летавших.

На второй устанавливались пять двигателей J-2, работающих на топливной паре жидкий водород-жидкий кислород, на третьей ступени — один водородно-кислородный ЖРД, аналогичный использованному на второй ступени.

Разработка

От C-1 к C-4

С 1960 по начало 1962 гг. в Центре космических полётов им. Джорджа Маршалла НАСА рассматривались проекты ракет-носителей серии «Сатурн C» (Сатурн C-1, C-2, C-3, C-4) для осуществления (кроме «Сатурн C-1», предназначенной только для полётов на околоземную орбиту; проект «Сатурн C-1» был реализован впоследствии в ракете-носителе «Сатурн-1») пилотируемого полёта на Луну[5].

Ракеты-носители, разрабатывавшиеся по проектам C-2, C-3 и C-4, предполагалось использовать для сборки на орбите Земли лунного корабля, после чего он должен был выйти на траекторию к Луне, прилуниться и взлететь с Луны. Масса такого корабля на околоземной орбите должна была составлять, по разным проектам, от примерно 140 до более чем 300 тонн.

«Сатурн С-2» должна была выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой в 21,5 тонны, по этому проекту предполагалось собрать корабль для полёта на Луну за пятнадцать пусков[6].

По проекту «Сатурн C-3» предусматривалось создание трёхступенчатой ракеты-носителя, на первой ступени которой должны были быть установлены два двигателя F-1, на второй — четыре двигателя J-2, а третья ступень представляла собой вторую ступень ракеты-носителя «Сатурн-1» — S-IV. «Сатурн C-3» должна была выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой 36,3 тонны, и по этому проекту лунный корабль должен был быть собран за четыре или пять пусков[7].

«Сатурн C-4» также должна была быть трёхступенчатой ракетой, первая ступень которой должна была иметь четыре двигателя F-1, вторая ступень была той же, что и на C-3, и третьей ступенью была S-IVB — увеличенный вариант ступени S-IV. «Сатурн C-4» должна была выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой 99 тонн и по этому проекту лунный корабль должен был быть собран за два запуска[8].

C-5

10 января 1962 года НАСА опубликовала планы строительства ракеты-носителя «Сатурн C-5». На первой её ступени должны были быть установлены пять двигателей F-1, на второй ступени — пять двигателей J-2, и на третьей — один J-2[9]. С-5 должна была выводить на траекторию к Луне полезную нагрузку массой 47 тонн.

В начале 1963 года НАСА окончательно выбрала схему пилотируемой экспедиции на Луну (основной корабль остаётся на орбите Луны, посадку же на неё совершает специальный лунный модуль) и дало ракете-носителю «Сатурн C-5» новое имя — «Сатурн-5».

Технические данные
Схема ракеты-носителя «Сатурн-5».
Зависимость высоты, скорости и перегрузки от времени на активном участке траектории ракеты «Сатурн-5» миссии «Аполлон-17». Вертикальными пунктирными линиями между разными цветами отмечены времена отделения первой и второй ступени.

Ступени

«Сатурн-5» состояла из трёх ступеней: S-IC — первая ступень, S-II — вторая и S-IVB — третья. Все три ступени использовали жидкий кислород как окислитель. Горючим в первой ступени был керосин, а во второй и третьей — жидкий водород

Первая ступень, S-IC
Основная статья: S-IC
Первая ступень, использованная в запуске «Аполлона-8» в корпусе вертикальной сборки на космодроме

S-IC производилась компанией «Боинг». На ступени было установлено пять кислородно-керосиновых двигателей F-1, суммарная тяга которых была более 34 000 кН. Первая ступень работала около 160 секунд, разгоняла последующие ступени и полезную нагрузку до скорости около 2,7 км/с (в инерциальной системе отсчёта; 2,3 км/с относительно земли), и отделялась на высоте около 70 километров[10]. После разделения ступень поднималась до высоты около 100 км, затем падала в океан. Один из пяти двигателей был зафиксирован в центре ступени, четыре других симметрично расположены по краям под обтекателями и могли поворачиваться для управления вектором тяги. В полёте центральный двигатель выключался раньше, чтобы уменьшить перегрузки. Диаметр первой ступени 10 метров (без обтекателей и аэродинамических стабилизаторов), высота 42 метра.

Вторая ступень, S-II
Основная статья: S-II

S-II производилась компанией «Норт Америкэн». Ступень использовала пять кислородно-водородных двигателей J-2, общая тяга которых составляла около 5100 кН. Как и на первой ступени, один двигатель был в центре и на внешнем круге четыре остальных, которые могли поворачиваться для управления вектором тяги. Высота второй ступени 24,9 метра, диаметр 10 метров, как и у первой ступени. Вторая ступень работала приблизительно 6 минут, разгоняя ракету-носитель до скорости 6,84 км/с и выводя её на высоту 185 км[11].

Третья ступень, S-IVB
Основная статья: S-IVB

S-IVB производилась компанией «Дуглас» (с 1967 года — компанией «Мак-Доннэл Дуглас»). На ступени был установлен один двигатель J-2, который использовал жидкий кислород в качестве окислителя и жидкий водород в качестве горючего (аналогично второй ступени S-II). Ступень развивала тягу более 1000 кН. Размеры ступени: высота 17,85 метра, диаметр 6,6 метра. Во время полётов на Луну ступень включалась дважды, первый раз на 2,5 минуты для довыведения «Аполлона» на околоземную орбиту и во второй раз — для вывода «Аполлона» на траекторию к Луне.

Программа отработки надёжности
Огневые технологические испытания первой ступени S-IC в сборе с пятью ЖРД F-1 на стенде Космического центра Маршалла. 1967 год.

Особенностью предполётной отработки «Сатурна-5» стал беспрецедентный объём наземных испытаний ракетного комплекса. Один из руководителей Управления пилотируемых полётов НАСА Джордж Эдвин Миллер, ответственный по этому вопросу, сделал ставку на наземную стендовую отработку всех ракетных систем и в первую очередь ЖРД. Он наглядно и убедительно показал, что только чёткое разделение отработки на наземные и лётные этапы позволит уложиться в сроки полёта на Луну. Для этого были построены дорогостоящие стендовые сооружения, необходимые для проведения огневых технологических испытаний (ОТИ) как отдельных двигателей F-1 и J-2, так и целиком первых и вторых ступеней ракеты[12][13][14].

Сборка

Транспортировка
Основная статья: Гусеничный транспортёр НАСА
Гусеничный транспортёр

Для перевозки ракет «Сатурн-5» к стартовой площадке использовались специальные гусеничные транспортёры (англ. crawler-transporter). В то время (1965—1969 годы; до появления в 1969 году шагающего экскаватора 4250-W) они являлись крупнейшими и наиболее тяжёлыми образцами наземной самоходной техники в мире. Эти транспортёры также оставались самыми большими и тяжёлыми гусеничными машинами в мире до 1978 года (когда появился экскаватор Bagger 288).


Скайлэб
Последний запуск «Сатурн-5», выводящий на низкую околоземную орбиту орбитальную станцию «Скайлэб»
Основная статья: Скайлэб

Орбитальная станция «Скайлэб» была изготовлена из неиспользованной второй ступени ракеты-носителя «Сатурн-1Б» — S-IVB. Первоначально планировалось, что ступень будет преобразована в орбитальную станцию уже непосредственно на околоземной орбите: после того как она вместе с наружным полезным грузом будет выведена на орбиту в качестве действующей ракетной ступени, освободившийся бак жидкого водорода прибывшие космонавты переоборудовали бы в жилой орбитальный модуль, правда без иллюминаторов. Однако после отмены (в 1970 году, вследствие резкого урезания перспективного бюджета НАСА) миссии «Аполлон-20», а затем и отмены (в том же году) полётов «Аполлонов −18 и −19» к Луне, НАСА отказалось от этого плана — теперь в её распоряжении оставалось три неиспользованных ракеты-носителя «Сатурн-5», которые могли вывести на орбиту полностью оснащённую орбитальную станцию без необходимости использования её в качестве ракетной ступени.

Орбитальная станция «Скайлэб» была запущена 14 мая 1973 года с помощью двухступенчатой модификации ракеты-носителя «Сатурн-5».

Запуски Сатурна 5

В 1967-73 годах произведено 13 пусков ракеты-носителя «Сатурн-5». Все признаны успешными[15].

Коллаж запусков ракеты-носителя «Сатурн-5»
Серийный номер Полезная нагрузка Дата старта Описание
SA-501
 Аполлон-4 9 ноября 1967 Первый испытательный полёт
SA-502
 Аполлон-6 4 апреля 1968 Второй испытательный полёт
SA-503
 Аполлон-8 21 декабря 1968 Первый пилотируемый облёт Луны.
SA-504
 Аполлон-9 3 марта 1969 Околоземная орбита. Испытания лунного модуля.
SA-505
 Аполлон-10 18 мая 1969 Лунная орбита. Испытания лунного модуля.
SA-506
 Аполлон-11 16 июля 1969 Первый пилотируемый полёт с посадкой на Луне в Море Спокойствия.
SA-507
 Аполлон-12 14 ноября 1969 Прилунение около автоматической межпланетной станции «Сервейер-3» в Океане Бурь.
SA-508
 Аполлон-13 11 апреля 1970 Авария в полёте. Облёт Луны. Команда спасена.
SA-509
 Аполлон-14 31 января 1971 Прилунение около кратера Фра Мауро.
SA-510
 Аполлон-15 26 июля 1971 Прилунение в Болоте Гниения на юго-восточной окраине Моря Дождей. Первый «Лунный Ровер» (американский транспортный луноход).
SA-511
 Аполлон-16 16 апреля 1972 Прилунение у кратера Декарт.
SA-512
 Аполлон-17 7 декабря 1972 Первый и единственный ночной старт. Прилунение в Море Ясности долины Тавр-Литтров. Последний лунный полёт по программе «Аполлон».
SA-513
 Скайлэб 14 мая 1973 Изготовлена для «Аполлонов-18/19/20». Затем модернизирована в двухступенчатый вариант. На орбиту выведена станция «Скайлэб»
SA-514
 - - Изготовлена для «Аполлонов-18/19/20», но никогда не использовалась.
SA-515
 - - Изготовлена для «Аполлонов-18/19/20». Затем предназначалась в качестве резервной для «Скайлэб», но никогда не использовалась.

Стоимость

С 1964 по 1973 год из федерального бюджета США было выделено на программу «Сатурн-5» 6,5 миллиарда долларов. Максимум пришёлся на 1966 год — 1,2 миллиарда[16]. С учётом инфляции на программу «Сатурн-5» было за этот период потрачено 47,25 миллиарда долларов в ценах 2014 года[17]. Приблизительная стоимость одного запуска «Сатурн-5» составляла 1,19 миллиарда долларов в ценах 2014 года.

Одна из главных причин досрочного прекращения лунной программы США после трёх облётов Луны пилотируемыми кораблями (в том числе один — «Аполлон-13» — аварийный) и шести успешных высадок на Луну (первоначально планировались два облёта пилотируемыми кораблями и 10 высадок) была её высокая стоимость. Так, в 1966 году НАСА получила самый большой (если учитывать инфляцию) бюджет за свою историю — 4,5 миллиарда долларов (что составляло около 0,5 % тогдашнего ВВП США).

Оценки
Военно-промышленное руководство СССР о Сатурн-5

<В> ЦК КПСС <…> Максимальный полезный груз, выводимый отечественной ракетой-носителем УР-500 на орбиту ИСЗ, составляет 20 т, в то время как США располагают ракетоносителем «Сатурн-5» с полезным грузом на орбите ИСЗ до 135 т. Наличие у США тяжелого носителя позволило создать уникальную орбитальную станцию «Скайлэб», масса которой вместе с кораблем составляет 91 тонну. Используя ракету-носитель «Сатурн-5», США реализовали программу лунных экспедиций «Аполлон» и добились в области пилотируемых полетов на Луну убедительного превосходства. Помимо престижных задач американская программа «Сатурн-Аполлон» имела сильный политический резонанс и значительно повысила научный и технический потенциал США <…>

— Л. Смирнов, С. Афанасьев, В. Куликов, М. Келдыш, В. Глушко; 4.11.1974; арх. №13216, л. 192-195[18]

См. также

Примечания
  1. Hitt, David What Was The Saturn V? (англ.) (недоступная ссылка). Rocketry. Washington: NASA Educational Technology Services. Дата обращения: 1 мая 2014. Архивировано 11 октября 2012 года.
  2. NASA - Saturn V (англ.). www.nasa.gov. Дата обращения: 18 января 2022.
  3. Советская ракета-носитель Н-1 имела тягу 1-й ступени от 45 до более чем 50 МН — почти в 1,5 раза больше, чем «Сатурн-5» — но все 4 проведённых запуска были неудачными, полезная нагрузка не была выведена на орбиту ни в одном из пусков.
  4. Максимальная полезная масса для Сатурна-5 учтена с массой последней ступени, при этом, ракета Энергия выводила на орбиту полезный груз 105 тонн с более северного космодрома
  5. Железняков, 2017, Ракеты-носители серии «Сатурн», с. 33.
  6. Сатурн C-2 в Encyclopedia Astronautica
  7. Сатурн C-4 в Encyclopedia Astronautica
  8. Сатурн C-3 в Encyclopedia Astronautica
  9. Bilstein, Roger E. Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch (англ.). — DIANE Publishing, 1999. — P. 59—61.
  10. Saturn V News Reference: First Stage Fact Sheet
  11. Saturn V News Reference: Second Stage Fact Sheet
  12. Рахманин, 2013, с. 38.
  13. Мозжорин, 2000: «...американцы так уверенно шесть раз садились на Луну именно потому, что каждый носитель их прошёл огневую обкатку на Земле, и выявленные при этом дефекты были устранены на всех 20 носителях».
  14.  Огневые технологические испытания первой ступени S-IC. Видеоролик NASA's Marshall Space Flight Center. 6 мин.
  15. В. П. Глушко (ред.). Космонавтика энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1985. — 585 с.
  16. Apollo Program Budget Appropriations. NASA. Дата обращения: 16 января 2008. Архивировано 9 февраля 2012 года.
  17. The Inflation Calculator (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 декабря 2008. Архивировано 21 июля 2007 года.
  18. Письма и документы В. П. Глушко из архивов РКК «Энергия» им. С. П. Королёва (1974-1988). Письмо от 04.11.1974 // Избранные работы академика В.П.Глушко / Судаков В. С. — Химки: НПО «Энергомаш», 2008. — Т. 3. — 139 с. — 250 экз.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.