Saturn V este cel mai puternicvehicul de lansare (adus în stare operațională) din punctul de vedere al înălțimii, greutății și al sarcinii utile. Totuși racheta de producție ruseascăEnergia care a executat doar 2 zboruri de test avea o forță de propulsie verticală (în limba engleză,thrust =împingere) la decolare puțin mai mare.
În totalNASA a lansat 13 rachete de tipul Saturn V, între1967 și1973, fără să piardă vreodată încărcătura utilă. Principala sarcină a acestei rachete a fost să transporte oameni peLună. După întrerupereaProgramului Apollo, racheta a fost folosită pentru lansarea pe orbită a laboratorului spațialSkylab.
Cele trei trepte ale rachetei Saturn V au fost proiectate de diverse firme subcontractate deNASA. Cu toate acestea în urma unor multiple preluări și fuziuni toate au ajuns sub tutela firmeiBoeing. Treptele rachetei au fost testate laStennis Space Center de lângă Bay St. Louis,Mississippi. Baza a fost folosită ulterior pentru verificarea și testarea motorului principal alnavetei spațiale cât și a noilor motoareRS-68 ale rachetelor de tipDelta IV EELV șiAres V.
În ziua de25 mai1961 președintele americanKennedy a anunțat că SUA vor încerca să trimită oameni peLună până la sfârșitul acelui deceniu. La momentul respectiv singura experiență pe care o aveau americanii referitoare la zborurile spațiale cu oameni la bord era zborul suborbital de 15 minute al misiuniiFreedom 7, efectuat deAlan Shepard. Nicio rachetă purtătoare din lume nu putea în acel moment să efectueze o misiune spre Lună dintr-o singură lansare urmată de un singur zbor. Racheta purtătoareSaturn I era în dezvoltare în acel moment, dar nu zburase încă și, fiind prea mică, ar fi fost necesare mai multe zboruri pentru a plasa pe orbită toate componentelemodulului lunar.
În fazele inițiale ale proiectului NASA a luat în considerare trei metode posibile de desfășurare a misiunii spre Lună,Earth Orbit Rendezvous - EOR (Întâlnire pe orbitaPământului),Direct Ascent (Ascensiune directă) șiLunar Orbit Rendezvous - LOR (Întâlnire pe orbita Lunii), propusă de John Houbolt. Deși inițial metoda LOR a fost respinsă, luând în considerare faptul că americanii nu aveau niciun fel de experiență în conectarea vehiculelor spațiale, nici măcar pe orbita Pământului, a fost totuși până la urmă aleasă ca fiind cea mai ușoară și rapidă metodă pentru atingerea obiectivului propus de președintele Kennedy (a se vedea secțiuneaAlegerea metodei de aselenizare din articolulProgramul Apollo).
Versiunea inițială,C-1, a trecut prin toate fazele de proiectare, construcție și testare și a ajuns să fie cunoscută sub numele deSaturn I. ProiectulC-2 a fost abandonat încă din fazele inițiale în favoarea versiuniiC-3, care trebuia să folosească două motoare de tip F-1 pentru propulsiaprimei trepte, patru motoare de tipJ-2 pentru cea de-adoua treaptă, iar cea de-atreia treaptă,S-IV urma să aibă șase motoare de tipRL-10.
NASA plănuise să folosească versiunea C-3 ca parte a metodeiEarth Orbit Rendezvous, cu mențiunea clară că ar fi fost necesare cel puțin patru sau cinci lansări pentru o singurămisiune. Între timp, MSFC (Marshall Space Flight Center) plănuia deja să construiască o rachetă și mai mare, versiunea numităC-4, cu patru motoare de propulsie de tipF-1 echipând prima treaptă, o a doua treaptă de tip C-3 și o a treia treaptă (modelul numit S-IVB) cu un singur motor de tip J-2. Versiunea C-4 ar fi avut nevoie "doar" de două lansări pentru fiecare misiune.
Pe 10 ianuarie 1962 NASA a anunțat că plănuiește să construiască versiunea C-5. Aceasta urma să aibă pe prima treaptă cinci motoare de tip F-1, pe a doua treaptă cinci motoare de tip J-2, iar a treia treaptă era S-IVB, cu un singur motor J-2 care urma să fie folosit de două ori (pentru finalizarea înscrierii pe orbita terestră și mai apoi pentru TLI - Trans-Lunar Injection - evadarea de pe orbita terestră către Lună).
Inițial primele patru zboruri urmau să fie de testare, câte unul pentru fiecare din cele trei trepte, iar ultimul urma să fie un zbor circumlunar. O misiune cu oameni la bord era programată pentru anul 1969.
La mijlocul anului 1962 NASA a decis să modifice foaia de parcurs. Toate cele 3 trepte ale rachetei urmau să fie testate încă de la prima lansare. Astfel se reduceau drastic timpul necesar pentru teste și totodată numărul de rachete necesare, de la 25 la doar 15. Această schemă presupunea ca treptele rachetei să funcționeze perfect de la prima lansare.
În 1963 versiunea C-5 a primit numele de Saturn V, și firmaRocketdyne a produs primele motoare. În 1966, motorul F-1 a trecut de inspecția tehnică, NASA considerând că este complet pregătit pentru misiunea cu oameni la bord, care avea să aibă loc pe 6 septembrie.
Prima lansare a rachetei Saturn V a avut loc pe 9 noiembrie 1967, în cadrul misiuniiApollo 4, fără echipaj uman, iar prima lansare cu oameni la bord a urmat 1 an mai târziu, în decembrie 1968.Apollo 8 a avut misiunea să înconjoare Luna.
Racheta Saturn V este fără îndoială una din cele mai impresionante mașinării construite vreodată. Având peste 110 m (363 picioare) înălțime, 10 m (33 picioare) diametru, o masă totală de aproximativ 3000 detone și osarcină utilă de 118000 kg (pentru orbita joasă a Pământului), Saturn V face toate rachetele care au fost construite înainte, să pară minuscule pe lângă ea. Comparativ, ea este cu doar un picior (0,33 m) mai scundă decât Catedrala Sf. Paul dinLondra.
În principal, Saturn V a fost proiectată deMarshall Space Flight Center, numeroase componente - incluzând propulsoarele - au fost obținute de la subcontractori. Au fost folosite puternicele motoare de tipF-1 șiJ-2 care, la teste, provocau unde seismice perceptibile pe o rază de 80 km (50mile). Proiectanții au decis sa reutilizeze cât mai multă tehnologie rămasă de la rachetaSaturn I. În consecință treapta a treia, S-IVB, a rachetei Saturn V era bazată pe treapta a doua, SI-V, a rachetei Saturn I și Modulul de instrumente de control era similar cu cel folosit la racheta Saturn 1.
La toate zborurile în afară de unul, Saturn V a avut 3 trepte—1: S-IC, 2: S-II, 3: S-IVB --, plus modulul de instrumente. Toate cele trei trepte foloseauoxigenul lichid (LOX) caoxidant. Prima treaptă foloseaRP-1 drept combustibil, în timp ce a doua și a treia foloseauhidrogen lichid (LH2). Toate cele trei trepte aveau mici motoare auxiliare (ullage motors în engleză,ullage = spațiu gol din rezervor, deasupra combustibilului), cu combustibil solid, folosite pentru separarea treptelor în timpul lansării și pentru aducerea combustibilului lichid într-o poziție din care să poată fi pompat din rezervor.
Prima treaptă a luiApollo 8 Saturn V ridicată în hangarul de asamblare verticală (1 februarie 1968)
Secțiunea S-IC a fost construită în același loc unde astăzi sunt construiterezervoarele externe alenavetei spațiale. Cea mai mare pondere din masa sa uriașă de peste 2.000 de tone o are combustibilul (RP-1 și oxigen lichid), acest lucru fiind valabil în cazul oricărei trepte de rachetă purtătoare. A se observa și faptul că greutatea secțiunii S-IC reprezintă aproximativ două treimi din masa totală a rachetei. Avea 42 de metri înălțime, 10 metri în diametru și o forță de propulsie de 34.02 MN, destul pentru a acoperi primii 62 de kilometri din ascensiune. Cele cinci motoare de tip F-1 erau aranjate în formă de cruce. Motorul din mijloc era fix, iar celelalte patru puteau fi orientate hidraulic, pentru a controla racheta.
Primele modele ale secțiunii I-SC (9,10 și 11) la Michoud Assembly Facility
Contractul de construcție al secțiunii S-IC i-a fost atribuit firmeiBoeing pe 15 decembrie 1961. La momentul respectiv configurația generală fusese deja stabilită de inginerii de la Marshall Space Flight Center. Modulul S-IC avea să fie asamblat laMichoud Assembly Facility, New Orleans. Testele în tunelul de vânt urmau să aibă loc înSeattle iar uneltele necesare construcției trebuiau aduse dinWichita,Kansas.
MSFC a construit trei versiuni de teste (S-IC-T, S-IC-S și S-IC-F) și 2 versiuni pentru zbor (S-IC-1 și S-IC-2). Au fost asamblate folosind echipamente provenite din Wichita.
A durat în medie 7, până la 9 luni pentru construcția rezervoarelor și 14 luni pentru întreaga secțiune. Primul model construit de Boeing a fost S-IC-D, folosit tot pentru teste.
Cea mai mare și mai grea componentă a treptei S-IC a fost structura de susținere a propulsoarelor, cântărind peste 21 de tone. Trebuia să suporte forța de propulsie a celor 5 motoare și să o distribuie uniform la baza rachetei. Racheta era ținută la sol, în timp ce erau pornite motoarele, de 4 ancore masive. Acestea erau printre cele mai mari piese turnate din aliaj de aluminiu, produse vreodată în SUA, aveau 4,3 metri lungime și masa de 816 kilograme. Cele 4 aripioare de stabilizare trebuiau să reziste la temperaturi de peste 1.100 °C.
Următoarea componentă era rezervorul de combustibil. Acesta conținea 770.000 litri de combustibil RP-1. Rezervorul avea masa proprie de 11 tone și putea sa furnizeze 7.300 de litri pe secundă. Pentru a preveni coagularea combustibilului, se pompa azot prin partea de jos ca să îl țină în mișcare. În timpul zborului combustibilul era presurizat cuheliu, care era păstrat in containere speciale din interiorul rezervorului de oxigen lichid.
Între rezervoarele de RP-1 și oxigen lichid exista un rezervor intermediar pentru amestecare.
Rezervorul de oxigen lichid avea capacitatea de 204.000 de litri. Acesta a ridicat probleme de proiectare, deorece conductele de oxigen lichid trebuiau să fie drepte, deci să treacă prin rezervorul de RP-1. Era necesara izolarea acestora într-un tub, pentru a preveni înghețarea combustibilului RP-1 și efectuarea a încă 5 găuri in partea de sus a rezervorului.
Treapta a doua a rachetei Saturn V avea ca principal scop propulsia vehiculului prin atmosfera înaltă a Pământului. Aceasta foloseahidrogen lichid și oxigen lichid drept combustibil pentru cele 5 motoare de tip J-2, care erau dispuse similar cu cele de la treapta S-IC, și care dezvoltau o forță de propulsie de 5 MN. Timpul efectiv de ardere era de 367 de secunde.
Secțiunea S-II a luiApollo 6 în timpul asamblării.
Secțiunea S-II și-a început existența în decembrie 1959, când un comitet a recomandat construcția unui motor cu forță de propulsie mai mare, cu hidrogen lichid. Contractul pentru motor i-a fost acordat firmei Rocketdyne. Ulterior motorul a fost numit J-2. Între timp a început și proiectarea treptei propriu zise. Inițial treapta S-II trebuia să aibă 4 motoare, 22,5 metri lungime, și 6,5 metri în diametru.
În1961 Marshall Space Flight Center a început procesul de selecție a firmelor pentru construcția treptei. Din 30 de companii care au trimis reprezentanți la conferința de prezentare a proiectului, doar 7 au înaintat propuneri o lună mai târziu. Trei dintre acestea au fost eliminate după o nouă rundă de selecție. Mai târziu s-a decis că specificația inițială prevedea o treaptă prea mică pentru rachetă, deci era nevoie de o mărire a întregii secțiuni. Acest lucru a ridicat probleme pentru cele 4 companii rămase în cursă. În același timp, NASA nu se hotărâse încă asupra dimensiunilor și a componentelor care urmau să fie plasate deasupra acestei secțiuni.
În final, pe 11 septembrie 1961, contractul a fost acordat firmeiNorth American Aviation , care primise și contractul pentrumodulul de comandă al rachetei. Construcția a început în hangarul construit de guvern în Seal Beach, California.
Masa totală a treptei S-II a fost de aproximativ 500.000 de kilograme, din care o pondere de 97% o avea combustibilul. Ca să o facă mai ușoară, inginerii de la NASA au fost nevoiți sa recurgă la un artificiu tehnic. Rezervoarele de hidrogen lichid și oxigen lichid aveau o parte comună (partea de sus a rezervorului de oxigen și partea de jos a rezervorului de hidrogen), constituită din două folii dealuminiu separate de o structura tip fagure, realizată dinfenol. Acest material ajuta la izolarea termică a părții comune a rezervoarelor, diferența de temperatură dintre ele fiind de 70 °C (125 °F). Această inovație a redus greutatea totală cu 3,6 tone.
Rezervorul cu oxigen lichid era un container de forma elipsoidală, cu diametrul de 10 metri și 6,7 metri înălțime. A fost modelat sudând 12 secțiuni triunghiulare și două circulare la vârf și la bază. Secțiunilor triunghiulare li s-a dat formă, prin explozii controlate, într-un bazin cu apă de 211.000 de litri.
Rezervorul cu hidrogen lichid a fost construit din 6 cilindri: 5 de 2,4 metri înălțime și al șaselea de 0,69 metri înălțime. Cea mai mare problemă a fost izolația. Hidrogenul lichid trebuie ținut la -252 °C, foarte aproape de minima absolută (-273 °C). Încercările inițiale de izolare a rezervorului nu au dat roade, așa că izolația a fost pusă manual.
Secțiunea S-II a fost construită vertical pentru a facilita sudura și pentru a ține componentele mari, circulare, în pozițiile corecte.
Treapta S-IVB (cunoscută și ca S4b) a fost construită deDouglas Aircraft Company laHuntington Beach, California. În timpul misiunilor spre Lună era folosită de două ori la fiecare zbor: pentru inserția pe orbita Pământului după separarea treptei inferioare (156 de secunde de funcționare) și pentru înscrierea pe traiectoria spre Lună (335 de secunde de funcționare).
Aceasta a fost singura secțiune a rachetei Saturn V care putea fi transportată cu avionul. A fost folosit un aparat de tipSuper Guppy.
S-IVB a evoluat din treapta superioară a rachetei Saturn I (S-IV) și a fost prima componentă proiectată pentru racheta Saturn V. Principalele diferențe între S-IV și S-IVB au constat în: numărul și tipul motoarelor, respectiv porțiunile de conectare cu alte trepte. S-IV folosea 6 motoare, cu același tip de combustibil ca S-IVB. De asemenea ea trebuia să fie a patra treaptă a rachetei C-4 (de unde și numele de S-IV).
Unsprezece companii au înaintat propuneri pentru construcția treptei, la termen, până pe 29 februarie 1960. Administratorul de atunci al NASA,T. Keith Glennan, a decis să acorde contractul firmei Douglas. Firma concurentă,Convair, a fost refuzată pentru că acest contract ar fi pus-o într-o poziție de monopol, ea ocupându-se deja de construcția unei trepte a racheteiCentaur. Un alt motiv pentru care Douglas a primit contractul, au fost similaritățile dintre S-IV și S-IVB.
În final, MSFC a decis să folosească modelul C-5 (numit mai târziu Saturn V) cu doar trei trepte și o versiune avansată a S-IV, adică S-IVB. Urma să aibă un singur motor J-2 în loc de 6 mai mici. În același timp s-a decis construcția rachetei C-IB (Saturn IB), care avea să fie folosită la testarea modulului de comandă pe orbita Pământului. S-IVB constituia cea de-a doua treaptă a rachetei Saturn IB.
Douglas a construit două versiuni distincte ale S-IVB, seria 200 și seria 500. Versiunea din seria 200 a fost folosită pentru racheta Saturn IB, și diferea de cea din seria 500 din mai multe puncte de vedere: avea mai puține containere presurizate cu heliu, pentru că avea un singur timp de ardere, deci nu trebuiau repornite motoarele; nu avea motoare auxiliare (cu combustibil solid), pentru stabilizarea hidrogenului și a oxigenului lichid din rezervoare, operațiune necesară pentru repornirea motorului J-2.
Rezervoarele conțineau 72.700 litri de oxigen lichid și 229.000 de litri de hidrogen lichid.
Carcasa unei trepte de tip S-IVB nefolosită a devenit mai târziu învelișul exterior alSkylab, prima stație spațială a Statelor Unite. În timpul misiunilorApollo 13,Apollo 14,Apollo 15,Apollo 16 șiApollo 17, treptele S-IVB au fost prăbușite intenționat pe Lună pentru a face măsurători seismice, utile pentru determinarea structurii interne a Lunii. Un model evoluat de S-IVB avea să constituie una din treptele racheteiAres I.
Modulul de instrumente al rachetei Saturn V era o structură cu forma inelară, situată deasupra treptei S-IVB, sub modulul lunar și cel de comandă. A fost construit deIBM laSpace Systems Center în Huntsville,Alabama.
Modulul de instrumente era funcțional din momentul lansării și până la abandonarea treptei S-IVB. El conținea sistemele de ghidare și telemetrie ale rachetei. Cu ajutorul unor senzori se puteau calcula: accelerația, viteza, înclinarea și poziția vehiculului. Computerul de bord putea să corecteze automat deviațiile de la traiectorie, pe baza informațiilor primite de la acești senzori. Mai exista un computer care monitoriza starea tuturor componentelor rachetei, iar în caz de urgență lua măsuri prestabilite, cea mai importantă sarcină a sa fiind să activeze sistemele de salvare a echipajului.
În caz de extremă urgență, dacă era necesară distrugerea rachetei, ofițerul (RSO - Range Safety Officer) care era însărcinat cu acest lucru trebuia să trimită un semnal de activare, unor încărcături explozive plasate strategic pe suprafața vehiculului. Deflagrațiile aveau ca scop secționarea rezervoarelor de combustibil, pentru a ajuta la dispersia rapidă a oxigenului și hidrogenului lichid, și totodată prevenirea amestecului acestora. La câteva minute după lansare, când racheta se afla deja pe orbita josă a Pământului, după aruncarea turnului de salvare a echipajului, încărcăturile explozive erau dezactivate. Turnul de salvare a echipajului era plasat în vârful rachetei și era constituit dintr-o mini rachetă, care avea rolul să deplaseze capsula echipajului din zona periculoasă în eventualitatea apariției unei situații de urgență la lansare.
Wernher von Braun pare minuscul pe lângă creațiile sale, motoarele F-1.Graficul variației forței de propulsie (treapta I-SC) în timpul misiunii Apollo 15. F = 34.8 MN.
Echivalentulsovietic al lui Saturn V a fost rachetaN-1[2]. Saturn V era mai înaltă, mai grea, avea o forță de propulsie mai mare și o sarcină utilă mai mare[3], dar diametrul primei trepte al rachetei N-1 era mai mare. Uniunea Sovietică a efectuat 4 lansări de test ale rachetei N-1, după care a hotărât să întrerupă programul. Toate cele 4 zboruri s-au soldat cu eșecuri catastrofale, chiar din primele faze ale lansării. Saturn V folosea 5 motoare foarte puternice pentru prima treapă, în timp ce N-1 avea 30 de motoare mai mici, sovieticii nu reușiseră să construiască motoare echivalente cu F-1. În timpul misiunilorApollo 6 șiApollo 13 computerul de bord al rachetei Saturn V a reușit să salveze vehiculul, în urma unor incidente la sistemul de propulsie. N-1 avea un sistem asemănător, dar acesta nu a reușit să facă față cu succes unor situații în care unul sau mai multe motoare nu au funcționat la capacitate maximă. În timpul uneia dintre lansări, sistemul a oprit toate motoarele primei trepte, distrugând vehiculul și rampa de lansare. Principalul motiv pentru eșecurile rachetei N-1 se pare că a fost lipsa acută de fonduri, care nu a permis testarea riguroasă a primei trepte.
Varianta cu trei trepte a rachetei Saturn V a avut o forță de propulsie maximă de cel puțin 34,02 MNewtoni (SA-510 și următoarele)[4], și o sarcină utilă de 118.000 kg, pentru orbita joasă a Pământului. SA-510 (Apollo 15) a avut o forță de propulsie de 34,8 MN, iar SA-513 (Skylab), puțin mai mult, 35,1 MN. Asemenea valori au mai fost atinse doar în timpul celor 2 zboruri de test ale rachetei ruseștiEnergia, care avea aceeași forță ca și SA-513, 35,1 MN.
Versiuni ipotetice ale rachetei sovietice Energia ar fi urmat să aibă o forță de propulsie semnificativ mai mare, de 46 MN, și o sarcină utilă de 175 de tone în configurația "Vulkan". Versiunile următoare ale rachetei Saturn V urmau să folosească motoare de tip F1-A, deci o forță de propulsie cu 18% mai mare și o sarcină utilă de aproximativ 137 de tone[5]. NASA a plănuit să construiască rachete mai mari din familiaSaturn, acestea incluzând și rachetaNova, dar acest lucru nu s-a realizat din cauza întreruperii programului Apollo datorită lipsei de fonduri.
Naveta spațială generează o forță de propulsie maximă de 30,1 MN, și are o sarcină utilă (excluzând greutatea vehiculului) de 28.800 kg, ceea ce reprezinta 25% din sarcina utilă a rachetei Saturn V[6]. Dacă luăm în considerare și greutatea navetei, sarcina utilă este de aproximativ 112.000 kg. Pentru comparație se poate lua ca exemplu treapta S-IVB a rachetei Saturn V în timpul misiuniiApollo 15, care avea o masă totală de 140.976 kg.
Alte vehicule de lansare mai noi au doar o fracțiune din sarcina utilă rachetei Saturn V:
Datorită dimensiunilor sale, forța de propulsie a treptei S-IC este deseori comparată cu a altor rachete de dimensiuni mari. Totuși, există câțiva factori care fac aceste comparații mai complicate decât par la prima vedere:
Valorile care indică forța de propulsie sunt de fapt "specificații", ele nu sunt obținute în urma unor măsurători. Forța de propulsie reală a diverselor modele construite poate fi semnificativ mai mică sau mai mare decât cea specificată.
Specificația pentru motoarele F-1 a fost mărită începând cuApollo 15 (SA-510) de la 1,5 milioane livre-forță la 1,522 milioane livre-forță, deci forța de propulsie totală a primei trepte a ajuns la 31,85 MN. Această mărire s-a datorat unor modificări a orificiilor de injecție a combustibilului și creșterii debitului de combustibil prin motor. Totuși, valoarea reală măsurată in timpul lansării misiunii Apollo 15 a fost de 34,8 MN.
Nu există nici o metodădirectă de măsurare a forței de propulsie în timpul zborului. Valorile se obțin indirect, prin calcule care țin cont de presiunea în camera de combustie, viteza, debitul și densitatea combustibilului, forma orificiilor de injecție și condițiile atmosferice.
Forța de propulsie variază în funcție de altitudine, chiar și la un motor care are unflux de combustibil constant pe toată durata funcționarii. În cazul Apollo 15, propulsia măsurată la decolare a fost de 7,823 milioane livre-forță, aceasta crescând treptat până la 9,18 milioane livre-forță, în momentul opririi motoarelor primei trepte.
Forța de propulsie este de obicei specificată pentru vid sau la nivelul mării, de multe ori neprecizându-se în ce condiții este valabilă specificația.
De multe ori forța de propulsie specificată este de fapt forța medie, sau forța maximă atinsă, fără să se precizeze despre care este vorba. Chiar și la un motor cu flux constant de combustibil, forța de propulsie poate să varieze din cauza unor factori mai mult sau mai puțin aleatori: schimbarea raportului de masă combustibil/oxidant, variația ușoară a densității combustibilului sau modificările suferite de componentele motorului în timpul funcționării.
Comparațiile sunt deseori inexacte din cauza necunoașterii metodelor tehnice și matematice de calcul a forței de propulsie pentru fiecare rachetă în parte. Valorile măsurate în timpul zborului pot să difere semnificativ de specificație, în plus sau în minus. De cele mai multe ori nu se precizează în ce condiții este valabilă specificația.
Sarcina utilă poate fi mărită, fără a modifica în vreun fel sistemul de propulsie, prin schimbarea traiectoriei sau reducerea greutății unor componente ale vehiculului.
Performanțele rachetei Saturn V au fost înregistrate și analizate riguros, după fiecare lansare în parte. Există rapoarte detaliate a parametrilor de funcționare la fiecare dintre zboruri. Aceste rapoarte sunt disponibile pe pagina web a Centrului Spațial Kennedy[7].
Din cele prezentate mai sus tragem concluzia că nu se pot preciza exact valorile pentru forța de propulsie și sarcina utilă a unei rachete. Există valori specificate, valori măsurate și o multitudine de metode de determinare a acestora.
Saturn V (Apollo 10) în timpul transportului spre locul de lansare
După ce erau construite, fiecare din cele 3 trepte era trimisă la Kennedy Space Center. Primele două erau atât de mari încât nu puteau fi transportate decât pe apă, cu ajutorul unor barje. Treapta S-IC fiind construită laNew Orleans, trebuia transportată pe fluviulMississippi până înGolful Mexic, și apoi înFlorida. Exista un canal special amenajat care permitea transportul secțiunilor de rachetă până în apropierea Clădirii de Asamblare Verticală (numită acum Clădirea de Asamblare a Vehiculului). Treapta S-II era construită înCalifornia, așa că trebuia adusă prinCanalul Panama. Treapta S-IVB și modulul de instrumente puteau fi transportate cu avioane special modificate pentru NASA, numitePregnant Guppy șiSuper Guppy.
După ce ajungea la destinație, fiecare secțiune era verificată amănunțit, și, abia apoi era ridicată în poziție verticală. NASA a construit mai multe structuri de formă cilindrică, care erau folosite în locul oricărei trepte, în cazul în care aceasta era livrată cu întârziere. Aceste structuri aveau aceleași dimensiuni, masă egală cu a modulelor reale, și aveau conexiuni compatibile pentru instalația electrică.
NASA a decis să folosească o platformă de lansare mobilă, construită deMarion Power Shovel înOhio. Racheta era asamblată direct pe rampa de lansare, care era capabilă sa se miște din clădirea de asamblare a vehiculului până la locul de lansare. Aceeași platformă este folosită în ziua de azi pentrunaveta spațială. Trenul de rulare era format din 4 seturi de șenile duble, fiecare șenilă având 57 zale, fiecare za cântărind aproximativ 900 kg. Dispozitivul de transport trebuia să țină racheta perfect verticală pe tot parcursul drumului de 5 km până la locul de lansare.
Secvența de funcționare în timpul misiunilor spre Lună
Principala misiune a rachetei Saturn V a fost să transporte oameni spre Lună. Pentru toate misiunile Apollo a fost folosit ca punct de lansare Complexul 39 de la Kennedy Space Center (Centru Spațial Kennedy). După ce racheta părăsea turnul de lansare controlul misiunii era preluat deJohnson Space Center dinHouston, Texas.
În timpul unei misiuni racheta era folosită, în medie, cam 20 de minute. Totuși au existat și excepții, în timpul misiunilorApollo 6 șiApollo 13. Din cauza funcționării defectuoase a unora dintre motoare, computerul de bord a trebuit să compenseze, arzând combustibilul pentru un timp mai lung decât cel normal prin motoarele rămase în stare de funcționare.
Saturn V (Apollo 11) trecând printr-un nor de condensare, în atmosfera joasă a Pământului
Prima treaptă avea un timp de ardere de 2,5 minute, în care ridica racheta pănă la o altitudine de 61 de kilometri, cu o viteză de 8.600 km/h. Se consumau cam 2.000.000 de kg (2.000 de tone) de combustibil.
Cu 8,9 secunde înainte de lansare începea secvența de aprindere a motoarelor primei trepte. Inițial era pornit motorul central, acesta fiind urmat de celelalte 4, care porneau 2 câte 2 (opuse) la un interval de 300 de milisecunde, pentru a evita suprasolicitarea structurii de rezistență a vehiculului. Când computerul de bord detecta atingerea propulsiei maxime, racheta era "eliberată" în 2 faze: mai întâi erau retrase ancorele de la baza primei trepte, iar apoi, pe măsură ce racheta se ridica, mai multe bolțuri metalice folosite pentru susținere ieșeau din orificiile lor. Cea de-a doua fază avea o durată de jumătate de secundă. După ridicare nu mai exista nici o metodă de repunere în siguranță a rachetei pe rampa de lansare, în cazul în care motoarele nu mai funcționau.
Rachetei îi trebuiau cam 12 secunde să părăsească turnul de lansare. În timpul ridicării, racheta se deplasa și în lateral, depărtându-se de rampa de lansare, pentru a evita o coliziune provocată de vânt sau de o eventuală problemă la motoare. La altitudinea de 130 de metri racheta începea să se rotească și să-și modifice tangajul, după un program prestabilit în funcție de vânturile înregistrate cu o lună înainte de lansare. Programul prestabilit se încheia la 38 de secunde după pornirea celei de-a doua trepte a vehiculului. Cele 4 motoare exterioare erau orientate în așa fel încât forța de propulsie să fie direcționată spre centrul de greutate al rachetei. Această orientare permitea continuarea zborului în cazul în care un motor ar fi cedat. Saturn V avea o accelerație destul de mare, la 2 kilometri altitudine ea atingând viteza de 500 m/s. În fazele inițiale ale zborului era mai importantă altitudinea decât viteza.
La 80 de secunde după lansare, racheta atingea punctul de presiune dinamică maximă. Presiunea dinamică e proporțională cu densitatea aerului și pătratul vitezei. Deși viteza crește, densitatea aerului scade mult cu altitudinea.
După 135,5 secunde motorul central era oprit pentru a reduce accelerația, care creștea din ce în ce mai mult datorită ușurării vehiculului. Motoarelor de tip F-1 nu li se putea varia forța de propulsie, deci aceasta era cea mai bună metodă de micșorare a accelerației. Punctul de accelerație maximă (39 m/s²) era atins exact înainte de oprirea motoarelor primei trepte. Celelalte 4 motoare continuau să funcționeze până când senzorii din rezervoare detectau golirea acestora. La 600 de milisecunde după oprirea motoarelor, prima treapta era lăsată în urmă, desprinderea făcându-se cu ajutorul a 8 mini rachete cu combustibil solid. Separarea avea loc la 62 de kilometri altitudine. Treapta S-IC își continua ascensiunea până la 110 km iar apoi cădea înOceanul Atlantic, la aproximativ 560 de kilometri de locul lansării.
Apollo 6 - desprinderea secțiunii intermediare dintre treptele S-IC și S-II
Timpul de ardere al treptei S-II era de 6 minute. În acest interval racheta atingea 185 de km altitudine și viteza de 25.600 km/h, aproape de viteza necesară menținerii pe orbită.
Secvența de aprindere a motoarelor treptei S-II avea două faze. Mai întâi erau pornite 8 mici motoare cu combustibil solid, care aveau rolul de a aduce combustibilul la baza rezervorului, pentru a facilita pomparea acestuia. Numărul acestora s-a modificat de-a lungul Programului Apollo. Au fost inițial 8, apoi 4, iar la ultimele 4 lansări nu s-a folosit nici unul. După această operațiune erau aprinse motoarele principale de tip J-2. La 30 de secunde după desprinderea primei trepte urma o manevră care trebuia să fie foarte precisă: desprinderea secțiunii de legătură. Un contact între ea și unul din motoare ar fi putut avea urmări catastrofale, deci trebuia evitat cu orice preț. Distanța de siguranță era de numai 1 m. În același timp era aruncat și turnul de salvare al echipajului, din vârful rachetei, care nu mai putea fi folosit la acea altitudine.
La 38 de secunde după pornirea celei de-a doua trepte se termina programul prestabilit de tangaj. Modulul de instrumente prelua controlul și încerca să mențină traiectoria pe baza informațiilor primite de la senzorii de accelerație și altitudine. Dacă racheta se depărta prea mult de la traiectoria prestabilită, echipajul putea să oprească misiunea sau să încerce să corecteze manual deviația cu ajutorul panoului de instrumente din capsulă.
Cu 90 de secunde înainte de desprinderea treptei S-II, motorul central era oprit pentru a reduce oscilațiile longitudinale. Începând cuApollo 14 NASA a folosit un sistem de compensare a acestor oscilații. Cu toate acestea motorul central a fost din nou oprit. În același timp raportul de masă combustibil/oxidant era modulat, pentru a se folosi optim cantitatea rămasă în rezervoare.
În partea de jos a fiecărui rezervor existau 5 senzori de nivel. Când 2 dintre acești senzori rămâneau descoperiți computerul de bord iniția procedura de desprindere a treptei S-II. Separarea avea loc la 1 secundă după oprirea motoarelor, iar după alte 100 de milisecunde se aprindea motorul celei de-a treia trepte. Mini rachete cu combustibil solid, orientate în sens invers, asigurau desprinderea rapidă a treptei. Aceasta se prăbușea în mare la 4.200 de km de locul lansării.
Treapta S-IVB pe orbită în timpul misiuniiApollo 7.
Treapta a treia avea un prim timp de ardere de 2,5 minute. Ea rămânea atașată în timp ce astronava orbita de două ori și jumătate în jurul Pământului. În acest timp echipajul examina vehiculul pentru a vedea dacă toate sistemele sunt în stare de funcționare. Secțiunea intermediară dintre treptele 2 și 3 se desprindea odată cu treapta a doua, deși ea fusese construită ca parte componentă a treptei a treia.
La 10 minute și 30 de secunde după lansare Saturn V se afla la o altitudine de 164 de kilometri. Astronava se afla pe o orbită eliptică de 180 pe 165 de kilometri. Era o orbită destul de joasă care nu ar fi rămas foarte mult timp stabilă din cauza interacțiunilor dintre vehicul și atmosfera Pământului. În cazul misiunilorApollo 9 șiSkylab orbita a fost mult mai înaltă.
În tot acest timp echipajul pregătea astronava pentru înscrierea pe traiectoria spre Lună. La 2 ore după lansare motorul treptei S-IVB era repornit pentru a propulsa vehiculul spre Lună. După 6 minute de ardere, în momentul opririi motorului, se atingea o viteză de 10 km/s, destul de mare pentru a scăpa de atracția gravitațională a Pământului.
După încă 2 oremodulul de comandă se desprindea de rachetă, efectua o întoarcere de 180 de grade, și se conecta lamodulul lunar, care era transportat dedesubt. Urma apoi desprinderea de treapta a treia a rachetei. Combustibilul rămas în rezervoare era evacuat pentru a schimba traiectoria treptei, care mai târziu ar fi putut prezenta un pericol pentru misiune. Toate treptele S-IVB începând cu cea folosită în misiuneaApollo 13 au fost îndreptate intenționat spre suprafața Lunii. Undele seismice rezultate în urma impactului au fost înregistrate de seismografele plasate în misiunile anterioare, putându-se determina astfel structura internă a Lunii. Treptele S-IVB folosite înainte de Apollo 13, cu excepția celor din misiunileApollo 9 șiApollo 12, au fost trimise pe lângă Lună, pe o orbită în jurul Soarelui. Treapta S-IVB din misiunea Apollo 9 a fost pusă direct pe o orbită solară.
Treapta S-IVB din misiunea Apollo 12 a avut altă soartă. Pe 3 septembrie 2002,Bill Yeung a descoperit un asteroid căruia i-a dat denumirea temporară deJ002E3. Acesta părea că se află pe o orbită în jurul Pământului, și, după o analiză mai amănunțită, s-a descoperit că este acoperit de o vopsea bogată în dioxid de titan, același tip de vopsea folosit pentru Saturn V. Specialiștii de la centrul de control au vrut să trimită treapta pe o orbită solară, dar arderea a durat prea mult, și aceasta a ajuns pe o orbită instabilă în jurul Pământului și al Lunii. În 1971, datorită unor perturbații gravitaționale, aceasta a intrat pe o orbită solară, și a ajuns înapoi pe orbita Pământului 31 de ani mai târziu. A dispărut din nou în iunie 2003.
Ultima lansare a rachetei Saturn V. Treapta a treia a fost înlocuită de laboratorul spațialSkylab
În anul 1968 a fost creatApollo Applications Program (Programul Apollo pentru aplicații) care avea ca principal scop găsirea unor metode de utilizare în scopuri științifice a echipamentelor rămase nefolosite în urma Programului Apollo de aselenizare. Majoritatea planurilor convergeau spre ideea unei stații spațiale, ceea ce a dus la construcția laboratorului spațialSkylab. Skylab a fost lansat cu ajutorul unei versiuni cu 2 trepte a rachetei Saturn V,Saturn INT-21[1]. Aceasta a fost singura lansare a rachetei Saturn V care nu a avut legătura cu Programul Apollo pentru aselenizare.
Inițial s-a dorit folosirea metodeiwet workshop care presupunea lansarea unei trepte de rachetă, modificarea și dotarea acesteia în spațiu. Această idee a fost abandonată în favoarea conceptuluidry workshop: o treaptă S-IVB rămasă de la rachetaSaturn IB a fost transformată în stație spațială și a fost lansată pe orbită cu ajutorul rachetei Saturn V. O versiune de rezervă, obținută tot în urma conversiei unei trepte de tip S-IVB, este expusă laNational Air and Space Museum.
Trei echipaje au locuit la bordul stației spațiale din25 mai1973 până pe8 februarie1974. Skylab a rămas pe orbită până în luna mai 1979.
NASA a sperat că Skylab va rămâne în spațiu destul de mult timp și că va putea să fie folosit pentru primele misiuni alenavetei spațiale. Aceasta ar fi putut să-l pună pe o orbită mai înaltă iar astfel să poată fi utilizat ca punct de pornire pentru stații spațiale viitoare. Totuși naveta nu a zburat până în 1981. Mai târziu specialiștii de la NASA și-au dat seama căSkylab nu ar fi fost foarte util deoarece nu a fost proiectat ca să poată fi ușor recondiționat și realimentat cu provizii.
A doua serie de rachete Saturn V urma să fie echipată cu motoare de tip F-1A pe prima treaptă, ceea ce ar fi dus la o îmbunătățire substanțială a performanțelor vehiculului. Aripioarele de stabilizare urmau să fie scoase, deoarece beneficiile aduse stabilității erau prea mici comparate cu greutatea lor. Treapta S-IC trebuia să fie lățită pentru a putea să facă față noilor motoare și motoarele J-2 urmau să fie înlocuite de versiunea mai nouă J-2s.
Au existat mai multe propuneri de vehicule bazate pe Saturn V. Printre ele se aflau: Saturn INT-20 care avea o treaptă S-IVB montată direct peste treapta S-IC și Saturn V-23(L) care avea cinci motoare de tip F-1 montate pe prima treaptă și în plus patru propulsoare auxiliare cu câte 2 motoare F-1 fiecare, deci, în total 13 motoare F-1 la lansare[8].
Naveta spațială a fost concepută inițial pentru a funcționa în tandem cu Saturn V. Au fost propuse mai multe configurații în care naveta era lansată cu ajutorul rachetei Saturn V, s-a luat în considerare și posibilitatea de a reutiliza treapta S-IC. Naveta urma să se fie folosită pentru logistică și racheta pentru plasarea componentelor pe orbită. Întreruperea programului a lăsat NASA fără un vehicul de lansare de mare capacitate. Ar fi fost necesare doar câteva zboruri pentru lansareaStației Spațiale Internaționale, dacă ar fi fost folosită racheta Saturn V. Unele voci susțin că ar fi putut fi evitat și dezastrul naveteiChallanger din 1986.
Au mai existat și alte proiecte strâns legate de Saturn V care au fost abandonate total sau parțial la întreruperea programului Apollo.
Majoritatea rachetelor propuse pentru construcție (peste 30 la număr) între 1950 și 1980, mai mari decât Saturn V, au purtat numele de codNova.
Wernher von Braun și alții aveau planuri de construcție a unei rachete cu 8 motoare F-1 pe prima treaptă. Aceasta ar fi putut fi folosită pentru o lansare directă spre Lună a unei capsule cu oameni la bord. Alte concepte prevedeau folosirea unei racheteCentaur ca treaptă superioară sau atașarea unor propulsoare auxiliare. Aceste îmbunătățiri ar fi permis lansarea unor vehicule spațiale de mari dimensiuni spre planetele îndepărtate din sistemul solar sau a unei misiuni cu echipaj uman spreMarte.
Începând cu 2006 NASA are în vedere construcția unei rachete de mare capacitate, numităAres V. Acesta este din aceeași clasă cu Saturn V din punctul de vedere al înălțimii și masei. Numele a fost ales pentru a omagia racheta Saturn V. Principala ei funcție va fi să plaseze pe orbită echipamentul necesar unor misiuni spre Lună sau chiar Marte.
Spre deosebire de Saturn V, Ares V este prevăzută doar cu 2 trepte. Prima treaptă ar trebui să aibă același diametru ca și secțiunile S-IC și S-II și să fie la fel de înaltă ca cele două puse la un loc. Drept combustibil va fi folosit hidrogenul lichid și oxigenul lichid. Zborul va fi asistat în primele două minute de o pereche de propulsoare auxiliare cu combustibil solid, care vor avea 5 segmente față de cele 4 ale propulsoarelor actuale ale navetei spațiale. Prima treaptă va dispune de 5 motoareRS-68, amplasate similar cu motoarele de la treapta S-IC, în formă de cruce. Inițial Ares V trebuia să folosească același tip de motoare ca și naveta spațială, dar, în urma utilizării cu succes a motoarelor RS-68 pentru rachetaDelta IV, au fost alese acestea. Propulsoarele RS-68 mai au și alte avantaje: sunt mai puternice și mai ușor de construit. Pentru a doua treaptă vor fi folosite probabil unul sau mai multe motoare de tip J-2X, versiuni modernizate ale motoarelor J-2.
Din 1964 până în 1973 au fost alocate 6,5 miliarde de dolari pentru construcția rachetelor Saturn V, maximul fiind atins în 1966, suma prevăzută în bugetul pentru anul respectiv fiind de 1,2 miliarde USD[9].
Unul din principalele motive pentru întreruperea programului Apollo a fost costul uriaș. În anul 1966 NASA a primit 4,5 miliarde de dolari, sumă care reprezenta 0,5% din produsul intern brut al SUA în acea vreme. În același an Ministerului Apărării (Department of Defense) i-au fost alocate 63,5 miliarde de dolari.
Dintre acestea 3 doar versiunea de la Johnson Space Center este compusă integral din secțiuni construite si echipate pentru zbor. LaU.S. Space & Rocket Center înHuntsville se află de asemenea o machetă cu scara 1:1, singura expusă vertical. Prima treaptă a versiunii SA-515 se află laMichoud Assembly Facility înNew Orleans, Louisiana. A treia treaptă a fost convertită într-o versiune de rezerva pentru Skylab, și se află laNational Air and Space Museum.
Prin anul 1996 a început să se răspândească un zvon potrivit căruia NASA ar fi pierdut sau distrus toate schițele rachetei Saturn V. Acest zvon este total neadevărat, planurile fiind păstrate pe microfilme laMarshall Space Flight Center[10].
enSaturn illustrated chronology: Saturn's first eleven years, April 1957 - April 1968.HTML sauPDF
enMoonport: A history of Apollo launch facilities and operations.HTMLArhivat în, laWayback Machine. sauPDF (publicată de University Press, Florida în două volume:Gateway to the Moon: Building the Kennedy Space Center Launch Complex, 2001,ISBN 0-8130-2091-3 șiMoon Launch!: A History of the Saturn-Apollo Launch Operations, 2001ISBN 0-8130-2094-8
enApollo By The Numbers: A Statistical Reference.HTML sauPDF (publicată de Government Reprints Press, 2001,ISBN 1-931641-00-5)
