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 (363 фт)
Диаметр	10,1 м
Стартовая масса	2965 т при запуске Аполлона-16
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
История запусков
Состояние	Историческое: программа закрыта
Места запуска	стартовый комплекс (LC-39), Космический центр имени Джона Ф. Кеннеди
Число запусков	13
• успешных	12
• неудачных	0
• частично 00неудачных	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)». 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

Saturn 5 rocket

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.

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.

«^[англ.]» 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.

По проекту «^[англ.]» 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» — ^[англ.]. «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.

«» 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.

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. 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».

[[Файл:

Зависимость высоты, скорости (с учётом вращения Земли в точке старта) 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. 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.

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 ^[англ.], 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.

Сборка

Из-за колоссальных габаритов, сборка ракеты в горизонтальном положении оказалась нерациональной, т.к. её крайне сложно было бы установить в вертикальное положение. Для этой цели было построено (здание вертикальной сборки), высотой 160 метров со 139-метровыми воротами. Ракета собирается с помощью мостовых кранов и устанавливается на мобильную пусковую платформу, предварительно установленную на гусеничный транспортёр. Заправка ракеты осуществляется на стартовом комплексе.

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 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 их 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.

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», также предназначалась в качестве резервной для запуска «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. С учётом инфляции на программу «Сатурн-5» было за этот период потрачено 47,25 миллиарда долларов в ценах 2014 года. 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

<В> ЦК КПСС — товарищу УСТИНОВУ Д.Ф

Докладываю основные соображения, связанные с осуществлением ракетно-космических программ в СССР в свете последних событий.

1. СССР открыл в 1957 г. космическую эру и впервые сделал много замечательных основополагающих шагов в освоении космоса. Однако за последние несколько лет мы сдавали США одну позицию за другой, по мере того как эта страна продвигалась вперед в развитии космонавтики.

В настоящее время мировое общественное мнение оценивает положение США как ведущих в этой области человеческой деятельности.

Основным достижением США, производящем наиболее сильное впечатление на народы всех стран, является наличие у них успешно летающей самой мощной в мире ракеты-носителя (РН) с грузоподъемностью 127 тонн на опорной орбите ИСЗ и облет Луны тремя космонавтами с помощью этой РН на космическом корабле «Аполлон» в конце 1968 г. Более того, в мае — июне 1969 г. США намереваются высадиться на Луне. <…>

— (Академик Глушко); 29.01.1969; арх. №2583 (9-13)

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

Конструкторская документация

Чертежи "Сатурна-5" хранятся в (Центре космических полетов имени Маршалла) на микроплёнках. В федеральном архиве в ^[англ.], штат Джорджия, хранится 2900 кубических футов (~82м³) бумажной документации.

См. также

• (Нова) (Nova)

Примечания

1. Hitt, David What Was The Saturn V? (англ.). Rocketry. Washington: NASA Educational Technology Services. Дата обращения: 1 мая 2014. Архивировано из оригинала 11 октября 2012 года.
2. NASA - Saturn V (англ.). www.nasa.gov. Дата обращения: 18 января 2022. 14 января 2022 года.
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  (неопр.). Дата обращения: 19 июля 2008. 17 июня 2012 года.
7. Сатурн C-4 в Encyclopedia Astronautica  (неопр.). Дата обращения: 21 июля 2008. 17 июня 2012 года.
8. Сатурн C-3 в Encyclopedia Astronautica  (неопр.). Дата обращения: 19 июля 2008. 24 августа 2015 года.
9. Bilstein, Roger E. Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch (англ.). — DIANE Publishing, 1999. — P. 59—61. 2 февраля 2017 года.
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. Saturn V launch vehicle flight evaluation report - AS-506 Apollo 11 mission (англ.) // George C. Marshall space flight center : Научно-технический отчёт / Saturn flight evaluation working group. — 1969. — 20 сентябрь. — P. 1-280. 5 августа 2022 года.
17. Apollo Program Budget Appropriations  (неопр.). NASA. Дата обращения: 16 января 2008. Архивировано 9 февраля 2012 года.
18. The Inflation Calculator  (неопр.). Дата обращения: 16 декабря 2008. Архивировано из оригинала 21 июля 2007 года.
19. Письма и документы В. П. Глушко из архивов РКК «Энергия» им. С. П. Королёва (1944-1980). Письмо от 29.01.1969 // Избранные работы академика В.П.Глушко / Судаков В. С. — Химки: НПО «Энергомаш», 2008. — Т. 1. — С. 106. — 129 с. — 250 экз. 27 сентября 2022 года.
20. 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. 25 октября 2017 года.
21. Michael Paine. Saturn 5 Blueprints Safely in Storage. space.com. 13 марта 2000 года.

Литература

• Железняков А. Б. «Сатурн-5». Лунный исполин Вернера фон Брауна. — М.: Эксмо, 2017. — 176 с. — .
• Пол Эйзенштейн. Самый большой двигатель: Сатурн-V «Популярная механика». Июнь 2003.
• Левантовский В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении. — М.: Наука, 1970. — 492 с.
• Александров В. А., Владимиров В. В., Дмитриев Р. Д. и др. Ракеты-носители. — М.: Воениздат, 1981. — 315 с.
• Рахманин В. Ф. Проблематичное начало и драматический конец разработки ракеты-носителя Н1 // «Двигатель» : журнал. — М., 2013. — № 5(89). — С. 36—42.
• Ю. А. Мозжорин и др. Лунная программа // Так это было... Мемуары (Ю. А. Мозжорина). Мозжорин в воспоминаниях современников / (Н.А. Анфимов), В.И. Лукьященко, А.Д. Брусиловский. — М.: Международная программа образования, 2000. — 568 с. — 2500 экз. — .

• Akens, David S (1971). Saturn illustrated chronology: Saturn’s first eleven years, April 1957 — April 1968. NASA — Marshall Space Flight Center as MHR-5. Also available in PDF format.
• Benson, Charles D. and William Barnaby Faherty (1978). Moonport: A history of Apollo launch facilities and operations. NASA. Also available in PDF format. Published by University Press of Florida in two volumes: Gateway to the Moon: Building the Kennedy Space Center Launch Complex, 2001, and Moon Launch!: A History of the Saturn-Apollo Launch Operations, 2001
• Bilstein, Roger E. (1996). Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles. NASA SP-4206. . Also available in PDF format.
• Lawrie, Alan (2005). Saturn, Collectors Guide Publishing,
• Orloff, Richard W (2001). Apollo By The Numbers: A Statistical Reference. NASA. Also available in PDF format. Published by Government Reprints Press, 2001,
• Final Report — Studies of Improved Saturn V Vehicles and Intermediate Payload Vehicles (PDF). NASA — George C. Marshall Space Flight Center under Contract NAS&-20266
• Saturn 5 launch vehicle flight evaluation report: AS-501 Apollo 4 mission (PDF). NASA — George C. Marshall Space Flight Center (1968)
• Saturn 5 launch vehicle flight evaluation report: AS-508 Apollo 13 mission (PDF). NASA — George C. Marshall Space Flight Center (1970)
• Saturn V Flight Manual — SA-503 (PDF). NASA — George C. Marshall Space Flight Center (1968)
• Saturn V Press Kit. от 13 сентября 2005 на Wayback Machine Marshall Space Flight Center History Office.

Ссылки

• Apollo Lunar Surface Journal
• Saturn launch vehicles (PDF)
• Launch complex 39 facility description (PDF)
• Apollo Saturn Reference Page
• Project Apollo Archive
• ApolloTV.net Video
• Saturn V/Saturn IB simulation for Orbiter spaceflight sim