К 50-летию Аполлона-11: Семейство Сатурнов

Готовясь к будущим межпланетным полетам, в NASA быстро поняли, что конверсия межконтинентальных баллистических ракет в ракеты космического назначения для этого не годится. Было необходимо создание космических носителей целевого назначения.

Мы уже упоминали про ракету «Нова». Идею этого сверхтяжелого носителя в NASA предложили еще в 1959 году. Основной задачей ракеты обозначались миссии на Луну, а в перспективе – на Венеру и Марс. Рассмотрев все предложения и варианты будущей ракеты, специалисты NASA видели облик «Новы» примерно так: стартовая масса от 4500 тонн, масса полезного груза на околоземной орбите – 170 тонн, на траекторию полетов к Венере и Марсу – 45 тонн. Первая ступень работает на кислороде и керосине, последующие – на кислороде и водороде. Для установки на первую ступень предлагались восемь двигателей F-1 с тягой до 690 тс каждый, на вторую ступень – четыре двигателя М-1, на третьей ступени – J-1 тягой по 90 тс, на четвертой и пятой ступенях – двигатели RL-10 тягой по 6,8 тс.

Решение о создании F-1 было принято летом 1958 года. Этот однокамерный двигатель, работающий на кислороде и керосине, должен был превзойти в 6-8 раз четырехкамерные советские двигатели РД-107 и РД-108 – на тот момент эти двигатели ракет семейства «Р-7» были самыми мощными в мире. Контракт на разработку F-1 в январе 1959 года получила фирма Rocketdyne, на разработку J-2 эта же фирма получила заказ в сентябре 1960 года. Разработку двигателя М-1 в апреле 1962 года поручили фирме «Aerojet».

Ракета-носитель «Нова» в современном 3D-представлении

Первоначальный вариант лунного экспедиционного корабля, предназначенного для «прямой» схемы полета на Луну с использованием ракеты «Нова»

Проект ракеты «Нова» отвечал идее прямой схемы полета, без стыковок и расстыковок частей лунного корабля на пути к Луне. Однако объем необходимого финансирования на разработку и экспериментальную отработку изделия оказался слишком большим. Выбор схемы полета с раздельными орбитальным и лунным модулями предрешил выбор NASA в пользу ракет-носителей семейства «Сатурн». Над ними работала команда Вернера фон Брауна. В рамках этого проекта был создан проектный ряд носителей с последовательным увеличением их возможностей.

Разработка ракет «Сатурн» началась еще в 1957 году. Первоначально они задумывались как военные носители и были заказаны Минобороны фон Брауну в 1958 году. Тогда первый легкий вариант носителя представлял собой «гибрид» военных ракет «Редстоун» и «Юпитер», оснащенный восемью двигателями H-1. Ракета носила наименование «Джуно-5». Но в феврале 1959 года её переименовали в «Сатурн». Бывший вариант «Джуно-5» стал называться «Сатурн С-1». Помимо него, разрабатывались варианты ракет «Сатурн С-2», «Сатурн С-3», «Сатурн С-4» и «Сатурн С-5». От ракеты «Нова» носители «Сатурн» унаследовали двигатели F-1 и J-2, предполагалось оснащение ступеней различным количеством этих двигателей в зависимости от полетного назначения.

После подчинения работ по «Сатурнам» программе «Аполлон», была продолжена разработка только трех вариантов носителей. Уже испытанный вариант «Сатурн С-1» стал «Сатурном-1». Его усовершенствованным вариантом стал «Сатурн-1Б». На нем была установлена вторая ступень с одним двигателем J-2. Этой же ступени предстояло стать третьей ступенью «Сатурна С-5». Эта ракета, оснащенная пятью F-1 на первой ступени, пятью J-2 на второй и одним J-2 на третьей, осталась единственным носителем сверхтяжелого класса в семействе «Сатурнов», после того, как окончательной схемой лунной миссии стала схема Д. Хуболта. В феврале 1963 года из названий оставшихся ракет исключили букву «С», и три разработанных носителя получили окончательные имена – «Сатурн-1», «Сатурн-1Б» и «Сатурн-5».

Что же представляли собой данные ракеты?

Реализованная линейка ракет-носителей семейства «Сатурн» — «Сатурн-1», «Сатурн-1Б», «Сатурн-5 — Аполлон» и «Сатурн-5 — Скайлэб»

Сатурн-1

Третий запуск «Сатурна-1» 16 ноября 1962 года

Экспериментальная ракета-носитель, первая из семейства «Сатурн» и первая американская космическая ракета. Предназначалась для отработки некоторых общих узлов ракет «Сатурн», а также вывода на околоземную орбиту первых макетов космического корабля «Аполлон».

Состояла из двух ступеней. На первой (S-I) устанавливалось восемь кислород-керосиновых двигателей H-1, на второй (S-IV) – шесть кислородно-водородных двигателей RL-10. Предполагалась установка третьей ступени с двумя RL-10. Производством двигателей H-1 первоначально занимался Центр Маршалла, а позднее – фирма Chrysler. Вторую ступень разработала и выпускала фирма Douglas Aircraft. Высота готовой к старту ракеты составляла 55 метров, а вес 510 тонн. Максимальный вес полезной нагрузки на низкой околоземной орбите – около 10 тонн. В ходе десяти успешных запусков ракет были успешно отработаны новые двигатели, прежде всего с использованием жидкого водорода в качестве топлива.

Кроме испытаний первых опытных образцов командно-служебных модулей кораблей «Аполлон», также использовалась для научных экспериментов.

Сатурн-1Б

Старт первого пилотируемого корабля «Аполлон-7» 11 октября 1968 года с использованием ракеты «Сатурн-1Б»

Усовершенствованная модификация ракеты «Сатурн-1». Основным отличием от предшественника была вторая ступень S-IVB, с новым кислородно-водородным двигателем J-2. «Сатурн-1Б» мог вывести на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку весом в 18 тонн, то есть полностью оснащенный командно-служебный модуль «Аполлона» с экипажем или беспилотный лунный модуль. Максимальная высота ракеты – 68 метров, стартовая масса – 590 тонн. Как и «Сатурн-1», «Сатурн-1Б» мог стартовать со стартовых комплексов LC-34 и SLC-37 на космодроме им. Д. Кеннеди на мысе Канаверал. Всего было осуществлено девять успешных запусков, в ходе которых продолжались испытания командного и лунного модулей корабля «Аполлон», а также выполнены несколько пилотируемых миссий.

Сатурн-5

Ракета-носитель сверхтяжелого класса, которая на сегодня остается самой большой из всех созданных человеком ракет. Разработка будущего «Сатурна-5» началась в 1961 году и обошлась бюджету США в 4,9 миллиарда долларов. Несмотря на простоту компоновки конструкции, габариты изделия стали основной сложностью при изготовлении, монтаже и подготовке к запуску.

Первая ступень (S-IC) изготавливалась компанией Boeing. Высота ступени 42,5 метра, диаметр 10,1 метра. Незаправленная ступень весила 135 тонн, заправленная – 2145 тонн. На первой ступени устанавливались пять кислородно-керосиновых двигателей F-1 фирмы Rocketdyne. Четыре боковых двигателя устанавливались на карданных подвесах для управления траекторией полета, пятый центральный двигатель устанавливался неподвижным. Двигатели работали после старта 150 секунд и поднимали ракету на высоту 70 км.

Двигатель первой ступени F-1

До 2008 года F-1 был самым мощным летавшим однокамерным ЖРД, его максимальная тяга составила 690 тс, или 500-600 реактивных истребителей тех лет. Главной трудностью при разработке F-1, тем не менее, оказались не его размеры, а проблема неустойчивости горения. За семь лет разработки было проведено 1332 огневых испытания двигателя и затрачено более 4 миллиардов долларов. Но достигнутый уровень надежности двигателя остается одним из наиболее высоких в истории космической техники и в конечном итоге обеспечил полностью безаварийную работу первой ступени.

Вторая ступень (S-II) изготавливалсь фирмой North American Aviation. Высота ступени — 25 метров, диаметр — 10,1 метра. В незаправленном состоянии ступень весила 37,6 тонн, а в заправленном – 458,7 тонн. Вторая ступень была оснащена пятью кислородно-водородными двигателями J-2, изготовленными фирмой Rocketdyne. Всего при разработке двигателей J-2 было проведено 1645 огневых испытаний. Ступень имела максимальную тягу 104,3 тс, работала 367 секунд и выводила ракету на высоту 186 км, придавая ей скорость полета в 6,88 км/с.

Двигатель второй и третьей ступеней J-2

Третья ступень (S-IVB), ранее отработанная на ракете «Сатурн-1Б», предназначалась для окончательного выведения на околоземную орбиту лунного экспедиционного комплекса «Аполлон», его последующего разгона до второй космической скорости и полета к Луне. Разработку ступени сначала осуществляла компания Douglas Aircraft Company, а после объединения с фирмой McDonnell Aircraft в 1967 году — новым предприятием McDonnell Douglas.Высота ступени составляла 17,8 метра, диаметр — 6,6 метра, она оснащалась одним кислородно-водородным двигателем J-2, который в полете включался дважды. В специальном адаптере на вершине ступени устанавливался лунный модуль, защищенный четырьмя защитными створками головного обтекателя. На обтекателе размещался командно-служебный модуль «Аполлона», где размещался экипаж, защищенный на случай аварии при выведении системой аварийного спасения.

Третья ступень «Сатурна-5» по сути также являлась полезной нагрузкой. В ходе первых полетов к Луне после отделения корабля «Аполлон» ступень автоматически ориентировалась на переход на гелиоцентрическую орбиту. Начиная с полета «Аполлона-13» третья ступень ориентировалась на прямое столкновение с Луной для проведения сейсмических экспериментов.

В собранном состоянии высота «Сатурна-5» составляла 110 метров, то есть в пять раз выше первой американской пилотируемой ракеты «Редстоун», в два раза выше последующей космической системы «Спейс Шаттл» или в два раза выше Статуи Свободы.

Первая, вторая и третья ступени ракеты «Сатурн-5» с переходным адаптером-обтекателем и космическим кораблем «Аполлон»

Максимальная стартовая масса «Сатурна-5» составила 2965 тонн (при запуске «Аполлона-16»). На низкую околоземную орбиту ракета выводила 140 тонн полезного груза, на траекторию полета к Луне – 65,5 тонн.

© Арсений Котовский для сообщества «Твой сектор космоса», 2019