Popis vývoje zkoušek a technických parametrů těžkých nosných raket Saturn 1

Pro časopis Letectví a kosmonautika: Inž. Milan LEDVINA (L+ K č. 7 / 1965)

Snímky a originály kreseb: NASA

Rozvoj kosmonautiky a její úspěchy si doslova vynutily konstrukci nosných raket, které by byly schopny vynést na standardní oběžné dráhy užitečné zatížení o váze vyšší než 10 tun a dopravit k Měsíci, respektive na jeho povrch, umělé kosmické těleso s lidskou posádkou. Tyto úkoly má splnit skupina velkých nosných raket USA, souhrnně označovaných jako rakety typu Saturn.

“Rodina" raket Saturn zaujímá mezi americkými nosnými raketami zcela výjimečné postavení, odpovídající výjimečným úkolům na ně kladeným. Všechny tři realizované typy - Saturn 1, Saturn 1B a Saturn 5 - mají přispět svým dílem při realizaci amerického projektu Apollo, jehož cílem je přistání kosmonautů na Měsíci ještě v tomto desetiletí. Saturn 1 a Saturn 1B budou sloužit při ověřovacích zkouškách kosmické lodi Apollo za letů po oběžné dráze kolem Země, raketě Saturn 5 je přisouzena úloha dopravit tři kosmonauty - z nichž dva potom přistanou na měsíčním povrchu - na oběžnou dráhu kolem Měsíce.

Rakety Saturn se kromě toho samozřejmě uplatní také jako nosné rakety pro těžké umělé družice, stacionární družice a pro automatické meziplanetární stanice.

Těchto několik údajů, umožňujících i trochu nahlédnout do finančního “zákulisí" raketové techniky, přesvědčivě hovoří o přednostech velkých nosných raket.

Vraťme se však k raketám Saturn.

Studie byly vlastně zahájeny již v roce 1957, kdy vojenské vývojové orgány začaly zkoumat možnost spojení několika raketových motorů do jednoho svazku; cílem bylo vytvoření svazku o tahu okolo 700 Mp. Tato studie, která později měla dvě alternativy - svazek raketových motorů a jediný motor o stejném tahu - byla někdy označována Juno 5. V roce 1959, kdy bylo již rozhodnuto, že se nebude řešit jenom svazek motorů, ale celá nosná raketa, byl projekt přejmenován na projekt Saturn a koncem roku předán Národnímu úřadu pro letectví a kosmický prostor (NASA) a začala se jím zabývat skupina vědců, vedená známým konstruktérem Wernherem von Braunem.

Cesta od počátečních návrhů k nynější verzi Saturn 1 byla velmi dlouhá - nikoliv časově, ale konstrukčním hledáním optimální varianty. Tak např. pod označením A-1 se uvažovalo o kombinaci 1. stupně, sestaveného z osmi motorů H-1 (i dnes používaný 1. stupeň), s dvoustupňovou mezikontinentální raketou Titan (možnost dopravit 10 tun na standardní oběžnou dráhu nebo 1 tunu s přistáním na Měsíci). Kombinace zmíněného 1. stupně s modifikovanou mezikontinentální raketou ve 2. a 3. stupni (možnost dopravit 16 tun na standardní oběžnou dráhu) nesla označení B 1. Pod označením C1 se skrývá v podstatě dnešní varianta - a to je vysvětlení, proč se Saturn také někdy označuje jako Saturn C 1 - u níž však známe též dvojí různé uspořádání 2., respektive 3. stupně.

První Saturn 1, staticky odzkoušený již v dubnu 1960 (tehdy šlo pouze o zkoušku 1. stupně), byl sestaven ve velmi krátké době - zhruba za 18 měsíců po rozhodnutí o celkové konstrukci rakety.

Příprava na první letovou zkoušku, při níž byl 1. stupeň doplněn maketami 2. a 3. stupně, trvala opět jenom 18 měsíců. Tímto pokusem byla zahájena řada zkoušek rakety Saturn 1 - tzv. I. série.

Nejdůležitější technická data

Při těchto zkouškách 1. stupně rakety Saturn byla spolehlivě odzkoušena funkce motorů a úspěšně ověřeny prvky naváděcí soustavy i celková pevnost konstrukce. Pro meteorologický výzkum měly určitý význam i pokusy SA-2 a SA-3, při nichž byla explozemi rozprášena vodní zátěž (nad Atlantickým oceánem; tzv. projekt High Water).

Na základě výsledků zkoušek se přikročilo k některým úpravám; byly prodlouženy nádrže na pohonné hmoty (zvýšení váhy KPH z 340 tun na 385 tun) a 1. stupeň byl opatřen stabilizátory, čímž se zvýšila aerodynamická stabilita. Konstrukce 1. stupně a řada konstrukčních zajímavostí bude podrobněji popsána v následujícím článku o raketě Saturn 1 B. Nyní se budeme zabývat 2. stupněm, který se u dalších variant zatím neobjevuje.

Druhý stupeň, označovaný jako S-4, se letově zkouší u raket Saturn 1 z tzv. série II, z níž byly zatím uskutečněny tři letové zkoušky kompletní dvoustupňové rakety s pracujícími motory obou stupňů (další tři zkoušky jsou plánovány na letošní rok 1965).

Druhý stupeň rakety Saturn 1 byl vyvíjen od roku 1960, kdy bylo zásadně rozhodnuto, že vyšší stupně raket Saturn budou opatřeny motory spalujícími kapalný kyslík a kapalný vodík. I u 2. stupně se uplatnil princip svazku společně pracujících raketových motorů, ověřený již dříve u prvního stupně. Zvolený typ motoru, RL 10 A-3, je znám již ze stupně Centaur, používaného převážné v kombinaci s raketou Atlas. Ve stupni Centaur sestává svazek jenom ze dvou motorů, u 2. stupně rakety Saturn ze šesti, což podstatně zvyšuje pravděpodobnost závady. Přesto však byly tři dosud uskutečněné letové zkoušky rakety Saturn 1 s oběma pracujícími stupni plně úspěšné, zatímco u méně komplikované rakety Atlas Centaur dochází k častým závadám s vážnými následky.

29. leden 1964 se stal významným dnem nejenom pro vývoj nosné rakety Saturn 1, ale i pro světovou kosmonautiku. Při první zkoušce kompletu rakety Saturn 1 z II. série (SA-5) bylo vyneseno na oběžnou dráhu kolem Země do té doby největší zatížení - 17120 kg (včetně vyhořelého 2. stupně); místo užitečného zatížení nesla raketa 9470 kg zvlhčeného písku.

Následující pokus (SA-6), uskutečněný 28. května 1964, byl opět zkouškou nosné rakety; při této příležitosti se měly získat první experimentální výsledky s kabinou Apollo. Na oběžnou dráhu bylo uvedeno celkem 16 920 kg (včetně vyhořelého 2. stupně), z čehož připadlo na kabinu cca 8,5 tuny. Hlavním cílem pokusu bylo ověření letových vlastností rakety s kabinou (oddělení kabiny od nosné rakety se neplánovalo). Zdařilý průběh pokusu vytvořil předpoklad pro realizaci dalšího experimentu (SA-7), uskutečněného 18. září 1964.

Zkoušel se opět nosný systém i letové vlastnosti rakety s kabinou Apollo (současně se ověřovala tuhost celku) a kromě toho také odhoz záchranných raket.

Zkoušky nosné rakety Saturn 1 nejsou ještě skončeny. Předání rakety do “sériového" používání budou předcházet ještě tři plánované pokusy, jichž bude využito i pro vědecký výzkum.

Rakety SA-8 až 10 ponesou družice “Pegasus" - určené pro studium výskytu mikrometeoritů -, které se “rozvinou" až na oběžné dráze na konečný rozměr 30,5x4,3 m. První z těchto družic (které mají získat informace, jichž se později využije i k zabezpečení letu posádky kosmické lodi Apollo) byla vypuštěna 16. února 1965. Předpokládá se, že zkoušky nosné rakety Saturn 1 budou ukončeny ve druhém, nejpozději ve třetím čtvrtletí tohoto roku - tedy v době, kdy bude pravděpodobně připravena ke zkouškám další raketa “rodiny" Saturn - Saturn 1 B.

Vývoj: 1958 (1957) - 1965
Použití: Od r. 1965(?)
Celková délka: 56 m (s kabinou Apollo)
Maximální průměr trupu: 6,5 m
Rozpětí stabilizátorů: 12 m (série II)
Váha rakety při startu: až 517 tun (SA-7)
Užitečné zatížení (cca): 9100 kg na standard, oběž. dráze, 1000 kg přistání na Měsíc
Počet stupňů: 2 (série II)
Zadavatel vývoje: NASA

1. stupeň:
řešitelé: Marshall Space Flight Center (NASA)
váha: 435 tun
délka: 25 m
maximální průměr: 6,5 m (série II)
rozpětí stabilizátorů: 12 m (série II)
typ motorů: 8 x Rocketdyne H - 1
pohonné hmoty: petrolej (RP 1), kapalný kyslík
obsah pohonných hmot: 385 tun (série II)
tah motorů - při mořské hladině: 680 Mp
doba funkce: 150 s
sekundová spotřeba (cca): 2560 kg/s
specifický impuls - při mořské hladině: 255 kps/kg
rychlost na konci hoření (cca): M = 6
konec hoření ve výšce (cca): 45 km
konstrukce: svazek osmi motorů (4 pevné + 4 výkyvně uložené) v konstrukci pro přenos tahu, upevněné na střední nádrži a na čtyřech vnějších nádržích na kapalný kyslík; vesměs použito hliníkových slitin
navádění: modifikovaná inerciální naváděcí aparatura rakety Jupiter

2. stupeň:
řešitelé: Douglas Aircraft Co. (od r. 1960)
váha: 51,8 tuny
délka: 12,5 m
maximální průměr: 5,6 m
typ motorů: 6 x Pratt/Whitney RL 10 A-3
pohonné hmoty: kapalný vodík, kapalný kyslík
obsah pohonných hmot: 45,4 tuny
tah motorů - ve vakuu: 40,8 Mp
doba funkce: až 470 s
sekundová spotřeba: 96,5 kg/s (při chodu 470 s)
specifický impuls - ve vakuu: 420 kps/kg
konstrukce: konstrukčním materiálem opět převážně hliníkové slitiny

(Podrobnější popis - viz Atlas Centaur, KV č. 22/64)

Fotografie a kresby k článku ,,Saturn 1,, : (Snímky: NASA)

1. Nosná raketa Saturn 1 na startovací rampě na mysu Canaveral
2. Schématický nákres nosné rakety Saturn 1
3. Řez nosnou raketou Saturn 1 (série II): (1:250)

4. Saturn 1 na startovací rampě na mysu Canaveral - foto na obálce L+K č.10 / 1965 (barevné foto)