|
Popis startu rakety Saturn IA-5 a vyvíjených těžkých nosných raket Saturn v programu Apollo
Pro časopis Křídla vlasti zpracoval: Inž. Vladimír Němec (KV č. 6 / 1964)
Snímky: archiv, ČTK
Koncem
ledna 1964 zaznamenal světový tisk zprávu, že Spojené státy severoamerické vypustily
29. ledna v 17.25 hodin našeho času - po 48 hodinovém odkladu - ze základny
na Kennedyho mysu raketu typu SATURN I. Přesné označení této rakety je SATURN
IA-5; to znamená, že to byl celkem pátý pokus s raketou řady IA. Západní tisk
neopomenul zdůraznit, že šlo o první typ skutečně “operačního" SATURNA.
Celková váha této dvoustupňové rakety byla 562 tuny, její délka asi 50 m. První stupeň nosné rakety vynesl na oběžnou dráhu kolem Země těleso o váze 17,1 tuny: “vyhořelý" druhý stupeň rakety, schránku s registračními vysílacími přístroji a hlavici, která obsahovala 9,5 tuny mokrého písku. Cílem pokusu bylo vyzkoušet maximální tah motorů obou stupňů rakety SATURN.
To je stručný výtah četných komentářů denního tisku. Čtenáři je na první pohled patrné, že USA vyvíjejí značné úsilí, aby dohnaly náskok Sovětského svazu v konstrukci velkých raket, schopných dopravit na oběžnou dráhu kolem Země veliké a těžké náklady.
9,5 tuny užitečného zatížení, které SATURN vynesl do prostoru, je jistě úspěchem amerických vědců a techniků. Raketa měla nový, zdokonalený motor na kapalné pohonné hmoty - kerosen spalovaný s kapalným kyslíkem. Realizace takového motoru je nebezpečná a delikátní záležitost; velmi důležité je správné seřízení - a mnoho amerických techniků je placeno hlavně za to, že dokonale zná vrtochy takového motoru.
Pro zajímavost uveďme dílčí váhové údaje sedmnáctitunového
umělého kosmického tělesa:
trup posledního stupně (motor a prázdná nádrž) .…………………………………………. 6 500 kg,
hlavice posledního stupně (ochranný kónický kryt) .………………………………………..1 150 kg,
model kabiny (obsahuje adaptér užitečného zatížení, přístroje a vlhký písek)
…………9 470 kg.
Je
to dosud největší užitečné zatížení dopravené do kosmického prostoru. Nabízí
se proto srovnání se sovětskými kosmickými loďmi. Při takovém srovnání je však
nutno uvědomit si zeměpisnou polohu americké základny Cap Kennedy a sovětské
základny Bajkonur. Poloha základny Cap Kennedy umožňuje zvýšit počáteční rychlost
startující rakety využitím rotace Země. Roviny drah používaných při vypouštění
raket z americké základny svírají s rovinou rovníku úhly kolem 33°, zatímco
u zmíněné sovětské základny jsou to úhly kolem 64°. Tento rozdíl ve sklonech
drah způsobuje, že raketa vypuštěná z americké základny Cap Kennedy může nést
o 800 kg větší užitečné zatížení - aniž by bylo zapotřebí zvětšovat tah jejího
motoru - než stejná raketa startující ze základny Bajkonur. Bylo by absurdní
domnívat se - takový dojem se snaží vyvolat část západního tisku - že vypuštění
rakety SATURN IA-5 signalizuje převahu této americké rakety nad sovětskými nosnými
raketami. Je však nesporné, že vypuštěním rakety SATURN IA-5 se zařadily USA
poprvé vedle SSSR, jako uživatelé “supertěžkých raketových střel". Je to
jistě pozoruhodný výsledek.
Snad
bude zajímavé připomenout si při této příležitosti něco z historie postupného
vývoje rakety SATURN, který je součástí kosmického programu APOLLO.
Program APOLLO (jehož konečným cílem je dopravit na povrch Měsíce dva kosmonauty a zabezpečit přitom jejich bezpečný návrat na Zemi) je velmi náročný, nejenom pokud jde o technickou stránku věci, ale i pokud jde o náklady. V období od r. 1961 do r. 1970 vyžadovala NASA k jeho financování úvěry ve výši 20 miliard dolarů - z toho např. na rok 1964 5,72 miliardy dolarů; americký kongres povolil pouze 5,1 miliardy dolarů. Je jasné, že projektanti byli nuceni svůj program poněkud revidovat, aby ušetřili 620 miliónů dolarů, což bude mít největší vliv na zpomalení vývoje raketové “rodiny" SATURN (která je největším “spotřebitelem" nákladů z rozpočtovaného programu). Přidržme se tedy v dalším pouze otázek týkajících se raket SATURN - přestože problémy kolem měsíční expedice APOLLO jsou neméně zajímavé a odrážejí se v nich výrazně vztahy americké finanční a technické hierarchie.
Hlavním
organizátorem celého programu SATURN je Americký úřad pro aeronautiku a kosmický
prostor (NASA). Vývoj rakety řídí pracovníci Střediska pro kosmické lety (G.
C. Marshall Space Flight Center) v Huntsville, ve státě Alabama, jehož ředitelem
je bývalý nacistický konstruktér rakety V 2, dr. Wernher von Braun. Raketa SATURN
je celkem osmým stupněm celé vývojové série raket, plánované na 10 velkých etap
(v závorce je uvedeno užitečné zatížení, které je raketa schopna vynést do kosmického
prostoru): 1. Scout (68 kg), 2. Delta (230 kg), 3. Thor-Agena B (450 kg), 4.
Atlas (1 200 kg), 5. Atlas-Agena B (2 200 kg), 6. Titan II (2 700
kg), 7. Centaur (3 800 kg), 8. Saturn (9 000 kg), 9. Saturn C5 (90 000 kg),
10. Nova (160 000 kg).
Výzkumné středisko v Huntsville zaměstnává asi 7 000 lidí, kteří však obsáhnou pouze asi 10 % úkolů spojených s vývojem raket SATURN; 90% těchto úkolů zadává středisko různým průmyslovým podnikům po celých Spojených státech. V roce 1963 mělo toto středisko domácí rozpočet (tj. vydání spojená s provozem střediska) 1,5 miliardy dolarů. Středisko má vlastní dílny, zkušebny a rozsáhlé laboratoře pro výzkum řídicích systémů raket, takže může pečlivě kontrolovat výrobky mnoha set subdodavatelů.
První vyvinutou raketou třídy SATURN byl dvoustupňový SATURN I, jehož vývoj začal v roce 1958. První letové zkoušky, zahájené koncem roku 1963, pokračovaly v lednu 1964. Celkem bylo plánováno deset zkušebních startů. Při prvních čtyřech startech tvořily druhý stupeň a hlavice pouze zátěž a také motory byly nahrazeny pouze zátěží. Při dalších šesti startech se budou zkoušet také pohonné jednotky druhého stupně rakety (první z těchto šesti startů byl uskutečněn již 29. ledna 1964). Do r. 1965 má být raketa dokonale vyzkoušena a má vynést na oběžnou dráhu kolem Země dvě části kabiny typu APOLLO (v jedné části mají být řídicí orgány, v druhé pohonné jednotky a dílčí zásoba pohonných hmot), aby bylo možno prověřit spolehlivost funkce celého systému v kosmických podmínkách.
První stupeň rakety SATURN I je opatřen osmi raketovými motory Rocketdyne H-1, které spalují kerosen s kapalným kyslíkem. Každý z těchto motorů je schopen vyvinout tah 85 000 kg. Celkový tah všech osmi motorů je tedy 680 tun. Motory typu H-1 jsou v podstatě dalším vývojovým stupněm pohonných jednotek, kterých se již léta používá ve vojenských dálkových raketách typu ATLAS, THOR a JUPITER, a patří dnes - po nákladném desetiletém vývoji - k nejspolehlivějším motorům jimiž USA disponují. Do konce roku 1963 jich bylo postaveno více než 100 kusů.
Celková startovní váha obou stupňů rakety SATURN I je asi 550 tun; přebytek startovní síly - 130 tun - umožňuje získat potřebné zrychlení.
Čtyři
vnitřní motory jsou uloženy uprostřed tělesa rakety, čtyři vnější motory jsou
zavěšeny výkyvně a lze je hydraulickým zařízením vyklánět v podélné a v příčné
ose rakety; tím se vytvářejí síly mimo osu souměrnosti, které poskytují potřebné
řídicí momenty. První stupeň rakety má celkem devět nádrží na pohonné hmoty.
Osm nádrží (z toho čtyři na kerosen a čtyři na kapalný kyslík) je uspořádáno
na vnějším obvodě tělesa rakety, devátá, o něco objemnější nádrž (na kapalný
kyslík), je uložena uprostřed - v ose rakety. Každý z osmi raketových motorů
má vlastní turbočerpadlo, poháněné plynovým generátorem. Je zajímavé, že se
motory nespouštějí najednou, nýbrž ve skupinách po dvou, s časovým rozdílem
asi 200 milisekund, aby statické zatížení důležitých konstrukčních dílů tahovými
silami bylo sníženo na minimum. Celková doba chodu všech motorů prvního stupně
je 120 vteřin. Zásoba pohonných hmot pro všech 8 motorů váží 386 000 kg (váhový
údaj pro současnou verzi rakety). Snadno můžeme vypočítat, že za jednu vteřinu
shoří v motorech 3200 kg paliva.
K zvýšení dynamické stability bylo na první stupeň připevněno osm velkých kýlových ploch (počínaje pátým pokusem). Raketové motory prvního stupně se zkoušejí na zvláštní rampě v Huntsville. Pod tělesem rakety je umístěn tzv. “vychylovač proudících plynů" (vlastně deflektor), který odvádí a usměrňuje žhavé plyny tryskající z rakety. Aby se neroztavil, je chlazen vodou: na deflektor je nutno vychrlit každou minutu 160 tun vody.
Druhý stupeň rakety SATURN I, označený S-4, vyvinula firma Douglas Aircraft Company; vývoj započal v r. 1960. Byly postaveny celkem čtyři pokusné jednotky a objednáno celkem 12 dalších, schopných provozního použití; z úsporných důvodů byla objednávka později snížena z 12 kusů na 6 kompletních stupňů S-4. Druhý stupeň je opatřen šesti raketovými motory Pratt& Whitney XLR-10 A3 na kapalné pohonné hmoty (kapalný kyslík a kapalný vodík); každý z nich váží 132 kg a vyvíjí tah 6800 kg (ve vakuu). Celková doba chodu motoru je asi 470 vteřin. Spalovací komory pracují při tlaku asi 24 at a teplotě asi 3300° C. Stupně S-4 bylo poprvé použito 29. ledna při vypuštění rakety SATURN IA-5. (Pozn.: Pokus byl původně plánován na konec prosince 1963. Při provozních zkouškách nádrží na vodík se však zjistilo, že v ohybech potrubí se usazují uvolněné částečky laků, použitých k izolaci vnitřků nádrží.) Při zkouškách motorů XLR-10 (vyvíjených od r. 1958) se ukázaly četné těžkosti, které způsobily, že druhý stupeň rakety SATURN I byl dodán značně později než bylo původně plánováno. Zvláště “zlobilo" předehřívací zařízení pro systém vodíkových a kyslíkových nádrží. Teprve v červnu 1962 byl motor hotov a vyzkoušen.
Další plánovanou verzí rakety SATURN je SATURN IB. Jeho hlavním úkolem bude dopravit na oběžnou dráhu kolem Země úplnou kosmickou loď APOLLO s kabinou kosmonautů a tzv. měsíčním tančíkem. Tento program se urychleně dokončuje - na úkor programu SATURN IA.
První
stupeň má být asi o 8700 kg lehčí než u verze IA. Snížení váhy se má dosáhnout
odlehčením kýlových ploch, nádrží a přístrojového vybavení; jinak se bude verze
IB zcela podobat verzi IA a bude vybavena stejnými motory. Druhý stupeň (označovaný
S-4B) bude však opatřen pouze jediným kapalinovým motorem (vodík a kyslík) Rocketdyne
J-2 tahu 91 000 kg (ve vakuu). Váží sice 1350 kg, tj. desetkrát více než motor
Pratt & Whitney XLR-10, vyvíjí však dvanáctinásobek tahu motoru XLR-10.
Pomocí stupně S-4B bude možno dopravit na nízkou oběžnou dráhu kolem Země nejméně
14 500 kg. Práce na motoru J-2 si vyžádají pravděpodobně ještě dva roky.
Řídicí systém (vyvinutý většinou firmami Bendix a IBM), servomechanismy a přístrojové vybavení - telemetrie, rádio, energetické zdroje apod., jsou u všech raket typu SATURN uloženy v uzavřené (válcové) přístrojové komoře, která se nachází nad druhým stupněm.
Z dvanácti plánovaných stanů raket SATURN IB budou čtyři (plánované na r. 1966 a 1967) sloužit k ověření spolehlivosti řídicího systému. Každá ze čtyř raket (s úplnými druhými stupni) vynese na oběžnou dráhu kolem Země jako užitečné zatížení jednotlivé části kosmické lodi APOLLO - bez posádky. Koncem r. 1966 má startovat kompletní SATURN IB s kabinou APOLLO a s posádkou. Tyto pokusy, při nichž budou nádrže jen zčásti naplněny pohonnými hmotami, umožní vycvičit posádky v zacházení se všemi zařízeními kosmické lodi APOLLO za letu v kosmických podmínkách. Dalším velmi důležitým úkolem bude prověřit metodu setkání kabin na oběžné dráze.
Původně měly být rakety SATURN I třístupňové - jak je vidět na kresbě v záhlaví článku. Nakonec zůstalo při dvoustupňové raketě, neboť třetího stupně by bylo potřeba teprve tehdy, kdyby měla raketa dosáhnout únikové rychlosti, tj. překonat zemskou přitažlivost. Pro lety menšími rychlostmi (přibližně do M =24) po nižších oběžných drahách se vystačí se dvěma stupni, přičemž druhý stupeň ponese užitečné zatížení kolem 10 tun. Variantu SATURN IB lze pokládat za přechodný typ mezi raketou SATURN IA a konečnou variantou, gigantickou raketou SATURN C5.
Třístupňová raketa SATURN C5, určená k dopravě užitečného zatížení o váze 110 tun na oběžnou dráhu kolem Země, nebo 4 tun na Měsíc, je podstatně větší než obě předchozí varianty. Raketa o celkové váze 2700 tun bude asi 130 m vysoká a bude mít průměr 10 m.
Plánuje
se celkem 6 zkušebních startů; náklady - asi 600 miliónů dolarů - nejsou pochopitelně
započítány do nákladů na výzkum, vývoj a konstrukci. První zkušební prototyp
(s kompletním prvním stupněm; druhý a třetí stupeň, který ponese kabinu APOLLO,
mají být naplněny vodou), bude hotov začátkem roku 1967.
Druhá pokusná raketa SATURN C5 ponese již druhý stupeň s pohonnými hmotami a při třetím pokusu budou opatřeny pohonnými jednotkami všechny tři stupně. Zkoušky s kabinou APOLLO začnou až při čtvrtém pokusu. Sedmá raketa SATURN C5 vynese pak první tři astronauty v kabině APOLLO na oběžnou dráhu kolem Země.
První stupeň rakety SATURN C5 bude mít pouze pět motorů, ale každý z nich bude vyvíjet stejný tah jako osm motorů rakety SATURN I - 680 tun (celkový tah 3400 tun). Přepočteme-li kinetickou energii výtokových plynů na výkon v koních, dostaneme hodnotu 120 miliónů koňských sil, pohánějících raketu při startu. Motory prvního stupně mají pracovat 120 vteřin. Vnitřní motor je uložen pevně, čtyři vnější motory lze hydraulicky vychylovat, a tak upravovat dráhu letu. Turbočerpadlo jednoho motoru má výkon 60 000 k; pro pět motorů je tedy instalován v prvním stupni čerpadlový výkon 300 000 k. Startovací váha rakety, přibližně 2700 tun, představuje startovací váhu asi 25 plně naložených tryskových velkoletadel Boeing 707.
Druhý stupeň má pět motorů Rocketdyne J-2. Třetí stupeň (označovaný S-4B) odpovídá druhému stupni rakety SATURN IB; je opatřen jediným motorem J-2.
Největším
problémem zůstávají zatím raketové motory prvního stupně, jejichž vývoj provázejí
nesmírné obtíže (např. vibrace v přívodech pohonných hmot, nestabilita spalování,
rezonance vstřikovacího injektoru pohonných hmot atd.). Je jisté, že specialisté
budou nuceni vyvinout ještě velké úsilí, aby za letu vše “klapalo". Každý
z motorů Rocketdyne F-1, které spotřebují asi 3 tuny pohonných hmot za vteřinu
a váží - bez palivového čerpadla - 9 tun, je 5,5 m vysoký.
Způsob startu rakety SATURN C5 se teprve podrobně analyzuje a není dosud zcela vyjasněn. Neméně složitá je i práce kontrolního střediska, které řídí start rakety, uvádí ji na stanovenou dráhu a sleduje let i přistání kabiny.
Poslední článek celé vývojové série těžkých nosných raket, projekt NOVA, vlastně již k raketové “rodině" SATURN nepatří.
* * *
Američané vyvíjejí ohromné úsilí, aby dohnali Sovětský svaz ve stavbě těžkých raket. I když zdůrazňují, že jejich program vývoje raket typu SATURN má sloužit výhradně mírovým účelům, není sporu o tom, že se o výsledky výzkumu velmi zajímají také vojenské kruhy.
Gigantická technická práce na realizaci takových programů v USA a v SSSR otevírá celému lidstvu nové oblasti poznání. Skutečnost, že si Sovětský svaz - který realizuje svůj kosmický program s nesmírnou důkladností - udržuje vedoucí postavení v tomto oboru technického dění, je vizitkou tvůrčích schopností rozvíjených v podmínkách socialismu.
Fotografie a nákresy k článku ,,Dožene Saturn náskok?,, : (Snímky: archiv, ČTK)
• 1, 7) přívod kapalného kyslíku
• 2) vnitřní skupina raketových motorů (4 motory H-1)
• 3) dvojité odstředivé čerpadlo systému dodávky pohonných hmot
• 4) vyústění turbíny
• 5, 8) stabilizační raketové motory (na tuhé pohonné hmoty)
• 6) vnější skupina výkyvně uložených (10°) raketových motorů (4 motory H-1)
• 7, 1) přívod kapalného kyslíku
• 8, 5) stabilizační raketové motory (na tuhé pohonné hmoty)
• 9) nádrž na kapalný kyslík (O 2,60 m)
• 10) potah trupu nosné rakety
• 11) plnicí otvor jedné z nádrží na pohonné hmoty
• 12) explozivní uzávěry tzv. kotevního systému (nosná raketa je před startem
připoutána na startovací plošině)
• 13) vnitřní konstrukce nosné rakety
• 14) vypínací zařízení
• 15, 16) nádrže na pohonné hmoty
• 17) nádrže se stlačeným plynem nutným pro spalovací proces
• 18) raketové motory druhého stupně (4 motory XLR-115)
• 19) konstrukce spojující první a druhý stupeň nosné rakety
• 20) horní základna prvního stupně nosné rakety
• 21) nádrž na kapalný kyslík
• 22) explozivní uzávěry
• 23) nádrž na kapalný kyslík
• 24) raketové motory třetího stupně (2 motory XLR-115)
• 25) stabilizační motory
• 26) vyústění různých přívodů (mj. přívodů pozemního energetického a kontrolního
systému), odpojovaných automaticky v okamžiku startu nosné rakety
• 27) pomocné (brzdicí) raketové motory kosmické kabiny
• 28) pomocné motory, které mají umožnit záchranu posádky kosmické kabiny
v případě neúspěšného startu nosné rakety
• 29) kosmická kabina pro dva kosmonauty
Raketový
motor Rocketdyne F-1, určený pro první stupeň rakety SATURN C5. Snímek
je z výstavy uspořádané v USA. U motoru stojí (první zprava) profesor dr.
inž. Rudolf Pešek, člen korespondent ČSAV a předseda astronautické komise
ČSAV
uložení
střední nádržeCo? Proč? Jak? (odpověď na dotaz čtenáře časopisu Křídla vlasti 1964)
• INŽ. K. MANKOVECKÝ, OLOMOUC:
NAPIŠTE, KOLIK BYLO VYKONÁNO POKUSŮ S RAKETOU “SATURN" A S JAKÝM VÝSLEDKEM.
(Křídla vlasti č. 21/1964)
Raketa “Saturn I" byla dosud vypuštěna sedmkrát:
“Saturn I" SA-I: 27. října 1961 - let po balistické dráze. Podle plánu pracovaly pouze motory I. stupně S-1 (tato varianta rakety nese označení “Block I").
“Saturn I” SA-2: 25. dubna 1962 - let po vzestupném rameni balistické dráhy, ukončený explosí rakety ve výšce 104 km s rozptýlením vodní přítěže v ionosféře (tzv. pokus Highwater) .
“Saturn I" SA-3: 16. listopadu 1962 - obdoba předchozího letu; experiment Highwater proveden ve 166 km nad Atlantikem.
“Saturn I" SA-4: 28. března 1963 - balistický let, obdoba prvního pokusného startu.
“Saturn I" SA-5: 29 ledna 1964 - Poprvé fungoval i druhý stupeň (S-IV), který dosáhl spolu s dalšími úseky rakety oběžné dráhy kolem Země. Tato umělá družice., označená “1964-05 A", bude obíhat asi 18 měsíců. Užitá raketa byla “Saturn I" Block II.
“Saturn I" SA-6: 28. května 1964 - Raketa téže varianty jako v předchozím pokusu vynesla na dráhu kolem Země zjednodušenou maketu kosmické lodi “Apollo", která zůstala spojena s vyhořelým druhým stupněm. Celé těleso zaniklo v hustých vrstvách atmosféry dne 1. června 1964.
“Saturn I" SA-7: 18. září 1964 - Šlo o obdobný pokus jako v předchozím případě. Na oběžnou dráhu bylo vyneseno těleso o váze asi 16,6 tuny. Patřila k němu i maketa kosmické lodi “Apollo", která podle plánu zanikla v atmosféře 22. 9. tr.
Všechny dosavadní letové zkoušky “Saturna I" byly úspěšné. O bližších informacích se dočtete v připravovaném článku “Saturn létá”, který volně navazuje na stať “Dožene Saturn náskok?”
dr. G.
[ Obsah | Rakety a kosmodromy | Saturn ]