Obsah > Nosiče > Saturn > Saturn 1 v L+K 1965

SATURN 1

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

Nosná raketa Saturn 1 na startovací rampě na mysu CanaveralRozvoj 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.

Postupně vyvíjené americké nosné rakety lze rozdělit do několika skupin, nazývaných často generacemi. První generaci tvoří Juno 1 a Vanguard, druhou pak Juno 2, Thor Able, Thor Agena a Thor Epsilon, tedy - s výjimkou v podstatě neúspěšného Vanguardu - vojenské rakety s poměrně malými adaptacemi, které však nijak pronikavě nezvýšily jejich schopnost vynést na oběžné dráhy větší užitečně zatížení. V tzv. přechodné fázi bylo využito, zase bez větších úprav, mezikontinentální balistické střely Atlas a vznikla řada Atlas Score, Atlas Mercury, Atlas Able a Atlas Agena A.

Třetí generace (rakety Scout, Thor Agena B, Atlas Agena B a Atlas Centaur) vznikla sice též s použitím vojenských raket nebo alespoň jejich motorů, ale s již patrným vlivem požadavků výzkumu kosmického prostoru. Tyto rakety jsou jakýmsi přechodem ke čtvrté generaci, konstruované již výlučně pro potřeby kosmonautiky, raketám 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.

Vývoj velkých nosných raket má však i svou “druhou stránku”. Se vzrůstajícím užitečným zatížením se zvyšují finanční náklady na každý start. Při použití menších raket, pracujících často neekonomicky - rozpočítáme-li tyto náklady na 1 kg váhy užitečného zatížení dopraveného na oběžnou dráhu - rostou výdaje nepoměrně rychleji.

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

Saturn 1 - tabulka č. 1

L+K č.7/1965

 

Nosná raketa

Přibližná váha užit. zatížení na oběž. dr. (kg)

Náklady na start (min. $)

Spolehlivost (%)

Náklady na vynesení 1 kg na oběžnou dráhu (tis. $)

Vanguard

22

3,0

27

485,00

Juno 1

14

4,0

50

592,00

Juno 2

91

5,0

50

110,00

Thor Delta

227

2,5

93

11,90

Scout

91

1,0

60

18,30

Thor Agena B

725

5,5

90

8,37

Atlas Agena B

2270

8,5

88

4,20

Saturn 1

9050

17,0

(90)

1,90

Saturn 1 B

13600

19,0

(90)

1,30

Saturn 5

100000

45,0

(90)

0,40  

Vraťme se však k raketám Saturn.

Schématický nákres nosné rakety Saturn 1Studie 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

Saturn 1 - tabulka č. 2

     
L+K č.7/1965

 

       

Nejdůležitější technická data

SA-1 27.10.1961

SA-2 25.4.1962

SA-3 16.11.1962

SA-4 28.3.1963

Start. Váha (t)

420

440

500

426

Tah 1. st. (Mp)

588

590

590

590

Max. rychlost (km/h)

5900

6000

6400

5760

Max. výška (km)

150

105

167

124

Doba letu (s)

484

nem.

480

420

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).

Řez nosnou raketou Saturn 1 (série II): (1:250)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.

Dříve než se podrobněji zmíníme o průběhu těchto letových zkoušek je nutno si ještě připomenout, že i u raket Saturn 1 (dvoustupňová varianta) a Saturn 1 B se uvažuje o použití kompletního Centauru jako 3. stupně, umožňujícího podstatné zvýšení užitečného zatížení při letech automatických stanic k Měsíci a k planetám. I když prozatím nejsou k dispozici hodnověrné údaje, předpokládá se, že by bylo možno zvýšit užitečné zatížení přibližné o 20 až 35 % (u standardních umělých družic).

Letové zkoušky

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

Hlavním posláním tohoto úspěšného pokusu bylo odzkoušení nosného systému. Raketa dlouhá 50 m vážila při startu cca 508 900 kg. Svazek raketových motorů 1. stupně vyvinul tah 682,2 Mp, motory obou stupňů pracovaly celkem 620 vteřin a 2. stupeň dosáhl rychlosti 7,4 km/s. Oddělování stupňů, operaci, kterou nelze staticky “simulovat" na zemi, snímalo osm filmových a jedna televizní kamera.

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.

Raketa vážila při startu 517 tun (není započítáno 6,3 tuny pohonných hmot - kapalného kyslíku a petroleje -, které shořely během 3 vteřin, než se raketa zvedla ze startovacího lože). Oddělování stupňů sledovalo osm filmových kamer, které se však nepodařilo vylovit (loď pověřená tímto úkolem musela být odvolána pro hurikán “Glady"). Je zajímavé, že i tento pokus měl stoprocentně dobrý výsledek - tak např. z 1238 měřených hodnot jen 12 částečně selhalo.

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.

SATURN 1 (USA)

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)
  1. 8 motorů 1. stupně (H-1),
  2. stabilizátory,
  3. vnější nádrže (4 na kapalný kyslík, 4 na petrolej),
  4. středová nádrž na kapalný kyslík,
  5. 51 nádrží na stlačené hélium (pro tlakování nádrží),
  6. 6 motorů 2. stupně (RL 10 A-3),
  7. nádrž na kapalný kyslík,
  8. nádrž na kapalný vodík,
  9. 2 motory 3. stupně (RL 10 A-3),
  10. nádrž na kapalný kyslík,
  11. nádrž na kapalný vodík,
  12. užitečné zatížení (prototyp kabiny Apollo),
  13. záchranné rakety (pro zkoušky prototypu kabiny Apollo).
  1. Saturn 1 na startovací rampě na mysu Canaveral - foto na obálce L+K č.10 / 1965 (barevné foto)

Přepis článku : M.Filip, 29.2.2004

Aktualizováno : 28.03.2004

[ Obsah | Rakety a kosmodromy | Saturn ]

Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.