Vývoj nosnej rakety Saturn V

Odborníci z NASA uvažovali o raketách pre let človeka k Mesiacu dlho predtým, než prezident Kennedy predniesol v máji 1961 svoju výzvu k Spojeným štátom. Už v čase štartu Sputnika 1 navrhol Wernher von Braun so svojimi spolupracovníkmi z Armádnej agentúry pre balistické rakety silný nosič nazvaný Super Jupiter, schopný vyvynúť ťah 68 ton (po novom by sme uviedli okolo 6,8 MN). V rokoch 1959-1960, po prechode oboch projektov, ako aj von Braunovej skupiny do NASA, zvažovaný návrch novej rakety dostal označenie Saturn (ďaľšia planéta za Jupiterom). Raketa Saturn 1 mala v prvom stupni S-1 celkove osem motorov. Pri jej premiére to na štartovacej rampe vyvolalo rôzne vtipkovanie. V druhom stupni S-IV mala šesť motorov.Ukazovalo sa však, akým vynikajúcim a predvídavým krokom bolo pre budúcnosť amerického kozmického programu, že v roku 1959 vedenie NASA podpísalo s Raqketovou divíziou spoločnosti North American Aviation dohodu o vývoji nového mohutného raketového motora, zamýšlaného pôvodne pre USAF (dnes je známy pod označením F-1), ktorý ako samostatná jednotkas vyvinul pri Zemi ťah 68 ton a vo vákuu dokonca 77,5 ton. Tento motor totiž nakoniec otvoril USA cestu na Mesiac. Začiatkom roku 1960 vtedajší prezident Dwight Eisenhower udelili novej rakete Saturn a návrhu “superrakety” štatút najvyššej národnej dôležitosti. intenzívnych úvahách a rozhovoroch sa vytvorila definitívna podoba rodiny rakiet Saturn, ktorej vrcholný článok Saturn V mal dopraviť človeka na Mesiac. Saturn 1 bol -ako sme už uviedli- dvojstupňová skúšobná raketa a v rokoch 1961 - 1965 uskutočnila 10 bezchybných štartov. Saturn IB bol už pokročilejšou dvojstupňovou raketou (niekedy označovanou aj “zosilnený Saturn 1”). V prvom stupni mal osem motorov, ktoré umožňovali vynášať na obežnú dráhu okolo Zeme skúšobné diely lode Apollo. Nakoniec táto raketa dopravili na obežnú dráhu aj kozmonautov pri skúšobnom lete prvého pilotovaného Apolla a neskôr pri doprave posádok na orbitálnej stanici Skylab. Raketa Saturn V bola obrovskou trojstupňovou raketou. Jej prvý stupeň (označený S-IC) poháňalo päť motorov Rocketdyne F-1, vyvýjajúcich celkovú ťahovú silu 340 ton (každý motor bol vysoký 5,5 m, jeho dýza mala výstupný priemer vyše 3,5 m a vážil okolo 10 ton - pohonnou látkou bol tekutý kyslík a petrolej.

Druhý stupeň (S-II) mal takisto päť motorov, no iného typu (Rocketdyne J-2, kryogénna pohonná zmes tekutého kyslíka a tekutého vodíka, každý s ťahomvou silou 10,4 ton). V treťom stupni bol použitý (S-IVB) jeden motor Rocketdyne J-2 s možnosťou viacnásobného naštartovania (prvým zapálením naviedol kozmickú loď na parkovaciu dráhu okolo Zeme, druhým zapálením na dráhu translunárnu. Po oddelení Apolla letel súbežne k Mesiacu, avšak v bezpečnej vzdialenosti niekoľko tisíc kilometrov. Pri prvých výpravách Apollo vždy Mesiac minul - tieto stupne dodnes lietajú po dráhe umelých planétok - no od štartu Apolla 13 bola dráha stupňa S-IB upravená tak, aby dopadol na mesačný povrch, vedecké prístroje zaznamenávali spôsobené otrasy a tieto výsledky slúžili na ďaľšie poznávanie štruktúry Mesiaca). Raketa Saturn V dokázala vyniesť na nízku obežnú dráhu okolo Zeme viac ako 130 ton, k Mesiacu až 47 ton a k blízkym planétam približne 20 ton užitočného nákladu. Ttretí stupeň Saturna V sa preveroval už ako druhý stupeň rakety Saturn IB. Prvý stupeň (S-IC) sa pokladal za konvenčný, pretože motor F-1 používal osvedčené pohonné látky (tekutý kyslík a petrolej RP-1) a takisto klasické bolo riešenie jeho základnej konštrukcie. zvyšok však vyžadoval výrazné zdokonalenie. Prísne požiadavky špičkovej technológie museli napríklad spĺnať silné raketové motory (jeden motor spotreboval každú sekundu takmer 8000 litrov pohonných látok - približne 1,8 ton kyslíka a 0,9 ton petroleja). Prvý stupeň Saturna V vyrobila firma Boeing.Objednávku dostala koncom roku 1961. Mal dĺžku 42,5 m a priemer 10,1 m. V spodnej časti bol vybavený aerodynamickými stabilizátormi v tvare krídel s celkovým rozpätím 18 metrov. Prázdny mal hmotnosť 132 ton. Nádrže pohonných látok pojali takmer 2010 ton paliva a okysličovadla, 757 100 litrov petroleja RP-1 (niektoré pramene uvádzajú 810 000 litrov) a 1 249 200 litrov tekutého kyslíka. Veľké rozmery nádrží kládli vysoké nároky na kvalitu zvarov. Montáž každého stupňa trvala 14 mesiacov. Pri skúškach na pozemných stavoch zlyhalo veľa motorov F-1, no už v roku 1966 bol motor spôsobilý letieť s ľudskou posádkou. Treba dodať, že stupeň S-IC nikdy neohrozil časový plán Apolla.

Nedá sa to však povedať o stupni S-II, ktorý stavala spoločnosť North American Aviation. Veľa problémov vyplynulo z vývoja motora J-2 na tekutý vodík a tekutý kyslík. Prednosťou tejto kryogénnej pohonnej zmesi je, že pri rovnakom objeme je oveľa účinnejšia ako zmes kyslíka a petroleja. Výkon kryogénneho motora J-2 bol o 40% väčší než podobne veľkého motora s klasickým palivom (vodík je totiž približne osemkrát ľahší než petrolej a jeho spaľovaním sa získava o 75% viac energie). V prvom stupni Saturna V sa kreogénne motory nepoužívali práve pre tieto vlastnosti, pretože by boli potrebné oveľa väčšie nádrže, čo by nežiadúco pôsobilo na celkovú hmotnosť rakety a na jej aerodynamický tvar. Použitie kryogénnych motorov však prinieslo aj veľa technických problémov. Vodík sa musí skladovať pri teplote pod -253 stupňov Celzia (pre tekutý kyslík stačí -173 stupňov Celzia), čo si vyžiadalo konštrukciu z dokonalého izolačného systému, ktorý mal zabrániť prenosu teploty z vonkajšieho prostredia a z nádrží tekutého kyslíka (nakoniec sa podarilo vyrobiť izoláciu, zaručujúcu iba 6% tepelných strát za hodinu). Iným zásadným problémom vývoja stupňa S-II bolo zváranie - 1000 metrov všetkých zvarov muselo byť doslova chirurgicky čistých a bez akýchkoľvek trhlín, s presnosťou vyššou než 0,5 mm. Motor J-2 zápasil s vývojovými problémami, typickými síce pre každý nový raketový motor, no vedenie NASA sa začalo vážne obávať čoraz väčšieho oneskorovania pri výrobe a skúškach. Zmeny, ku ktorým došlo vo vedení North American a na prvý pohľad, paradoxne, aj sklz vyvolaný tragickým požiarom kabíny Apollo AS-204 na rampe kozmodrómu v januári 1967, vytvorili viac voľného priestoru, potrebného na dosiahnutie úspešného výsledku.

Pri opise rakety Saturn V sa prejavuje zjavné úsilie priblížiť jej gigantickú veľkosť a obrovskú silu vzletnými prirovnaniami: vyššia ako Socha Slobody, vyvvinula výkon ako 85 vodných elektrární, štartovacou hmotnosťou sa dá porovnať s námorným torpédoborcom, celková dĺžka zodpovedala dĺžke futbalového ihriska, prípadne výške 35 poschodovej budovy, tryska jedného motora F-1 mohla ukryť celú kabínu Mercury… Saturn V však bol svojho času predovšetkým vzorom vysokej presnosti i v najmenších detailoch. Príkladom bol prístrojový úsek IU (Instrument Unit). Mal tvar valca s výškou 0,9 m a s priemerom 6,6 m. Skladal sa z 24 panelov. Umiestnili ho medzi stupňom S-IVB a kozmickou loďou. V pravom zmysle slova bola táto jednotka mozgom Saturna V. Zrodila sa vo firme IBM. Vo výbave úseku bola inerciálna plošina Bendix ST-24M, rýchlostné gyroskopy, výkonný počítač IBM a batériové zdroje elektrickej energie.Inerciálna plošina zaznamenávala vzdialenosť, ktorú raketa urazila a porovnávala skutočnú dráhu s vypočítanou, uloženou v pamäti počítača IBM. Prípadne odchýlky sa okamžite opravovali povelmi počítača motorom, ktoré nakláňali dýzy presne podľa týchto pokynov. Prístrojová sekcia bola už niekoľko sekúnd pred štartom úplne napájaná z energetických zdrojov Saturna V. Okrem navádzania a riadenia riadila a sledovala všetky funkcie subsystémov rakety, kontrolovala a riadila vypnutie motorov i oddelenie jednotlivých stupňov, ako aj navedenie posledného stupňa s kozmickou loďou na obežnú dráhu okolo Zeme. Pri výpravách k Mesiacu IU takisto riadila všetky operácie navedenia lode Apollo na translunárnu dráhu a manévrovanie stupňna S-IVB. Počas šesťhodinového letu saturna V, ktorý uplynul od štartu až po činnosť na parkovacej dráhe okolo Zeme, IU odovzdávala informácie o polohe rakety a kozmickej lode, ako aj o činnosti subsystémov rakety do riadiaceho strediska na Zem rýchlosťou 300 strán údajov za sekundu. Inými slovami, palubný počítač IBM odovzdával každú pol sekundu do pozemného riadiaceho strediska informácie o stave približne 1400 subsystémov rakety. Príkladom úspešnosti Saturna V je aj to, že IU nikdy nemusela vydať povel na začatie núdzových operácií. Raketa Saturn V sa skladala približne z troch miliónov najrôznejších súčiastok. Počítač jednotky IU hral hlavnú úlohu pri automatickej kontrole činnosti všetkých subsystémov.

Počas troch mesiacov pred štartom spracovali okolo 30 000 kontrolných správ. Zodpovedali za ne technici a špecialisti v riadiacom stredisku štartu v Kennedyho kozmickom stredisku na Floride. Už v roku 1961 bolo zrejmé, že odpaľovacia základňa USAF na myse Canaveral nebude vyhovovať potrebám štartov rakiet Saturn V. Kongres preto rozhodol o vyvlastnení 56 656 hektárov piesčitej, zarastenej i zaplavenej pôdy na ostrove Merrit za Banánovou riekou, asi 25 km severne od dovtedajšieho kozmodrómu. Na toto miesto dopravovali nákladné člny a špeciálne upravené nákladné lietadlá Pregnant Guppy a Super Guppy jednotlivé rozmerné stupne rakety Saturn V a ďaľšie nevyhnutné vybavenie, ktoré tímy technikov zostavovali v obrovskom hangáre Vehicle Assembly Building VAB (o mohutnosti tejto budovy kolujú až legendy, niekedy i vymyslené, napríklad, že pri strope sa tvoria oblaky - napriek tomu však pri strope muselo byť dokonalé klimatizačné zariadenie. Hlavná budova mala podobu obrovskej obrátenej škatule so základňou 134 x 154 m a výškou 160 m. V štyroch halách sa dali súčasne pripravovať štyri rakety Saturn V. Ako vyslovený drobček vyzerala vedľajšia priľahlá pomocná budova s pôdorysom 133 x 83 m a s výškou hlavnej montážnej haly 64 metrov.) Zmontovaná raketa s pripojenou kozmickou loďou bola bez pohonných látok v hlavných nádržiach prepravovaná spolu s mobilnou rampou na jedno z dvoch štartovacích miest - 39A alebo 39B. štartovacie miesta boli od VAB 5,65 km ďaleko. Prepravu zabezpečoval špeciálny pásový 3000 ton ťažký transportér (náklad tvorilo ďalších 5000 ton: raketa, mobilná rampa a pomocná veža vysoká 140 m, celkove teda mala zostava vyše 8000 ton!) transportér sa pohyboval po betónovej dráhe, ktorú tvorili dva 12 m široké pásy, medzi ktorými bola viac ako 27 m široká medzera (každý meter z tejto cesty stál podľa cien z konca 60. rokov 4300 USD). Transportér sa pohyboval rýchlosťou maximálne 1,6 km/h (počas prepravy musel špeciálny hydraulický systém vyrovnávať náklon rakety s presnosťou 5 cm i pri jazde do 5 % svahu - pre názornosť uveďme, že keby sa vrchol Saturna V odchýlil viac než na približnú veľkosť futbalovej lopty, rakete hrozilo, že sa zrúti). Za istých okolností mohlo kontrolné stredisko povoliť i o niečo vyššiu transportnú rýchlosť.