Saturn rakétacsalád

A Saturn rakétacsalád a NASA által az Apollo-program során használt hordozórakéták gyűjtőneve. Saturn név alatt három hordozóeszköz született, a Saturn I, majd ennek „egyenes ági leszármazottja”, a Saturn IB, végül a köztudatba holdrakéta néven bevonult Saturn V. A rakétacsalád összeforrt Wernher von Braun nevével, mivel ő volt a fejlesztést koordináló főkonstruktőr mindhárom rakéta esetében (bár a közhiedelemmel ellentétben nem ő tervezte minden részüket).

A Saturn rakétákat az Amerikai Egyesült Államok első nagy számban elterjedt interkontinentális ballisztikus rakétájának a Jupiter, vagy más néven Juno rakétának az utódául, atomrobbanófej-hordozónak szánták és a velük szemben támasztott fő követelmény a lehető legnagyobb tolóerő elérése volt. Végül a NASA-hoz sorolták át, mert a hadseregnek „túl jó” lett.

Az Egyesült Államokban az 1940-es–50-es években a rakétafejlesztések a különböző haderőnemeknél egymástól függetlenül folytak, gyakorlatilag konkurálva egymással. Az ötvenes évek közepére a szovjet rakétatechnika előretörése miatt egyre nagyobb szüksége volt az USA-nak nagy teljesítményű katonai hordozóeszközökre, így született meg egy követelményrendszer egy olyan rakétára, amely 9000–18 000 kilogramm között lett volna képes hasznos terhet Föld körüli pályára juttatni. A követelményrendszert az akkortájt még hivatalosan nem is létező – az USA Hadügyminisztériumának egyik osztályaként, még név nélkül működő – DARPA ügynökség állította össze (amely még manapság is a hadsereg számára fejlesztendő új technológiákért felelős szervezet). A leendő új rakétát már ekkor – a Szputnyik első repülése előtt – műholdak pályára állítására és atomrobbanófejek hordozására tervezték hadrendbe állítani. A műholdak felbocsátásával megjelent az űralkalmazások iránti igény, ám a cél a hadsereg számára kommunikációs és „egyéb” (akkoriban gyakran ezzel a terminológiával emlegették a szigorúan titkos kémműholdakat) űreszközök bevetése volt, az ARPA-nál szó sem esett semmiféle békés űrkutatási felhasználásról. (Később, a nukleáris és termonukleáris robbanófejek méretcsökkenése miatt a rakétát atomhordozóként már nem vették számításba.)

Megkezdődtek a számítások, hogyan lehet elérni a kívánt teljesítményt (az az idő tájt rendelkezésre álló legerősebb eszköz 1400 kg-ot tudott orbitális pályára juttatni) és eredményként közel 800 tonnás tolóerő jött ki. Ennek elérésére két út kínálkozott: az egyik, a meglevő rakétákból többet egy szerkezetbe foglalva, többhajtóműves hordozóeszközök építésével elérni a kívánt erőt, a másik pedig egyetlen hatalmas, erős rakétahajtóművet fejleszteni a feladathoz. Utóbbi nagyon hosszú folyamatnak ígérkezett (végül a 60-as évek második felére született meg az e koncepcióra épülő F–1 hajtómű, amelyet a Saturn V rakétában használtak fel, katonai alkalmazására nem került sor).

A szovjetek jó (propaganda)érzékkel a rakétafejlesztések eredményeinek demonstrálására az űrkísérleteket választották és a Szputnyik szondákkal – és hordozórakétáikkal – világraszóló sikereket arattak, nem mellesleg pillanatnyi előnyre tettek szert a katonai csúcstechnika területén. Az USA-nak mindenáron szüksége volt egy sikeres űrstartra. Elemzők rögtön rámutattak arra a rendszerhibára, amely miatt lemaradásba kerültek: a különböző haderőnemeknél szétszórva, koordinálatlanul folyó fejlesztések nem voltak hatékonyak, helyette egy kézbe összevont koncentrált projektekkel kell(ett volna) operálni. Ekkor, erre a felismerésre alapozva alakult meg a NASA, a szervezet, amely minden amerikai repülési és űrhajózási programot egy helyen koncentráltan képes kezelni.

De még mielőtt a NASA megalakult volna, a Hadügyminisztérium formálisan is megalapította az ARPA-t 1958. február 8-án a hadseregtől, amely első feladatául a rakétafejlesztésekkel kapcsolatos követelmények kidolgozását és a rendelkezésre álló alternatívák összehasonlítását kapta feladatul.

Az ABMA – a hadsereg rakétaműhelye – a Super-Juno terven dolgozott éppen, az Air Force pedig a Titan-C koncepción. Az ARPA végül a rakétaprogramok közül szelektálva csak a legígéretesebbeknek adott zöld utat és fejlesztési kapacitást. Az akkoriban folyó fejlesztések közül a Jupiter rakéták fejlesztése tartott a legelőrébb, ez mutatkozott egyedül megfelelőnek a 9–18 tonna közötti kiíráshoz. A kiírás alapján a Rocketdyne láthatott neki egy új rakétahajtómű, a H-1 (a későbbi Saturn I és Saturn IB hajtóművének) gyártásához.

Az ARPA azonban nem állt meg a H-1 hajtómű útra bocsátásában, amire a hadsereg bátorította, hanem kibővítve a követelményrendszert, olyan hordozóeszközök alapelveit fektette le, amelynek alkalmasnak kellett lennie űrrepülésre is. Ez a továbbfejlesztett kiírás kapta a Saturn munkanevet (egyszerűen abból a megfontolásból, ahogy a Szaturnusz (Saturn) bolygó következik a Jupiter után a sorban, úgy következik a Saturn a Jupiter után a gyártásban). A munkanév 1959 februárjában vált hivatalossá.

Az űrhivatal megalakulása után rögtön elkezdődött a lehetséges irányok kijelölése, a lehetséges űrprogramok kialakítása és a hozzájuk szükséges eszközök követelményeinek kidolgozása. A Hold elérése már ebben a kezdeti időszakban is felmerült, így a NASA le is fektette az alapokat: ez idő tájt leszállási módszernek a direkt leszállás kínálkozott, amelyhez egy gigantikus hordozórakéta szükségeltetett, amely a Nova nevet kapta. Ám mivel a lehetséges űrprogramokhoz választandó megoldások és eszközök ekkor még képlékenyek voltak, további alternatívák kidolgozásával bíztak meg független hivatalokat vagy bizottságokat. Ilyen bizottság volt a Saturn Vehicle Evaluate Committee, vagy ismertebb nevén a Silverstein-bizottság, amely az ARPA Saturn koncepciójának NASA-beli felhasználásának lehetőségeivel foglalkozott. A Silverstein-bizottság vezetője, Abe Silverstein által fejlesztett hidrogén-oxigén hajtású fokozat második, vagy harmadik fokozatkénti alkalmazásával kialakított különböző hordozórakéta-variánsokat ajánlott a NASA-nak.

Variációk Saturnra:

• Saturn A
  • A-1 – Saturn többhajtóműves első fokozat, Titan második fokozat és Centaur harmadik fokozat
  • A-2 – Saturn többhajtóműves első fokozat, Jupiter többhajtóműves második fokozat és Centaur harmadik fokozat
• Saturn B
  • B-1 – Saturn többhajtóműves első fokozat, Titan többhajtóműves második fokozat, S-IV harmadik fokozat és Centaur negyedik fokozat
• Saturn C
  • C-1 – Saturn többhajtóműves első fokozat, S-IV második fokozat
  • C-2 – Saturn többhajtóműves első fokozat, S-II második fokozat és S-IV harmadik fokozat
  • C-3, C-4, és C-5 – mindegyik egy újonnan fejlesztendő, a későbbi F-1 hajtóművön alapuló első fokozat, valamint az S-II és az S-IV fokozat különböző variációján alapul

Ezekből az építőkockákból hamarosan kibontakozott egy olyan rakéta képe, amely kezelhető számú starttal tűnt képesnek nagyobb tömeg Föld körüli pályára állítására, vagy szökési sebességre gyorsításában.

1961. május 25-én John F. Kennedy amerikai elnök gyökeres fordulatot hozott mind a NASA, mind az űrkutatás által követett irányban, benne a Saturn koncepcióban is. A cél a holdra szállás lett a NASA számára, ezért a lehető leghamarabb megfelelő rakétára volt szükség égitestszomszédunk elérésére, amelyre a Nova és a Saturn tervek látszottak megfelelőnek. A két rakéta között legfőképpen méret- és teljesítménybeli különbségek voltak, ezért az űrhivatal azt választotta közülük a leendő holdrakétának, amelynek előbb lehetett kész a fejlesztésével. A szerencse is segített, hisz a leszállási koncepciók közül győzedelmeskedő LOR-hoz elegendő volt a kisebb kapacitású rakéta is. Ezért a Saturn rakéták fejlesztése és megvalósítása indult el.

A Saturn rakétacsalád három típusból állt össze, amelyek fejlesztése a mind nagyobb tolóerő elérésére irányult, és ennek a követelménynek maximálisan megfeleltek, minden fejlesztési lépcső ugrásszerű fejlődést mutatott az előzőekben elért szinthez képest.

Bővebben: Saturn I

A Saturn I a Saturn rakétafejlesztési program során elsőként elkészült hordozóeszköz, amelyen vadonatúj technológiákat alkalmaztak és ezzel értek el addig példátlan tolóerőt. Wernher von Braun két forradalmi újítást alkalmazott. Egyrészt az ún. „cluster-technológiát” alkalmazta, azaz több hajtóművet foglalt egyetlen szerkezetbe az egyes fokozatoknál. Másrészt ebben a rakétában alkalmaztak először hidrogén–oxigén hajtóművekkel szerelt fokozatot. Ezekkel az újításokkal a Föld körüli pályára állítható hasznos tömeg a korábbi legnagyobb 5–6-szorosára növekedett.

A Saturn I pályafutása alatt végig tesztrakéta maradt. 1961 és 1965 között összesen tíz felszállást teljesítettek vele, ám egyetlen alkalommal sem szállított „éles” Apollo űrhajót. Kísérleti jellege ellenére minden startja sikeres volt.

Bővebben: Saturn IB

A Saturn IB a rakétatechnika az 1950-es és 1960-as évek fordulóján tapasztalt forradalmának köszönhetően jött létre. Ebben az időszakban rekordgyorsasággal születtek az újabb és erősebb hajtóművek, amelyek beépítésével mindig egy-egy újabb rakétatípus is született. Így valósították meg a Saturn I továbbfejlesztésével, a korszerűbb hajtóművekkel ellátott, nagyobb tolóerejű változatot, a Saturn IB-t. A Saturn I első fokozatának nyolc darab H-1 hajtóműve szerkezetileg ugyan nem sokat változott, de tolóerejét közel 10%-kal sikerült megnövelni, a második fokozatba viszont teljesen új hajtómű került. Az eredeti második fokozat 6 darab Centaur hajtóműve helyett egy darab J-2 hajtóművet építettek be, amely egymaga kétszer akkora tolóerőt biztosított, mint a hat elődje összesen.

A hajtóművek fejlődésével lehetővé vált, hogy a Saturn IB tolóereje elegendő legyen a holdutazásokra tervezett Apollo űrhajó Föld körüli pályára állítására. Végül összesen kilenc repülésen, három különböző űrprogramban is használták az Apollo űrhajó és űrhajósai pályára állítására.

Bővebben: Saturn V

A Saturn V, ismertebb nevén a holdrakéta, mindmáig a technikatörténet leghíresebb rakétája, amely hírnevét gigantikus tolóerejével és megbízható működésével érte el. A Wernher von Braun főművének tekinthető hordozóeszköz 140 tonnányi hasznos tömeget volt képes Föld körüli pályára és 48 tonnát szökési sebességre gyorsítani. Ezekkel a teljesítményadatokkal máig a legerősebb szolgálatba állított rakétának számít, mert bár az egykori Szovjetunióban készült Enyergija nagyobb tolóerejű volt nála, azt két tesztrepülésen kívül nem használták.

Három fokozatából egy (az S-IC jelű első fokozat) kerozin-oxigén, míg a másik kettő (S-II és S-IVB) hidrogén–oxigén hajtású volt, a harmadik fokozat pedig a világon elsőként többször újraindítható rakétahajtóművel rendelkezett. A Saturn V két fokozatában is az ún. „cluster-technológiát” használta. A nagyrakéta pályafutása rövid volt, a NASA mindössze hat évig, 1967 és 1973 között használta, összesen 12 repülésen.

A Saturn V alváltozata, amely mindössze egyetlen alkalommal repült, a Skylab-űrállomást állították vele pályára. Annyiban különbözött a holdrakétától, hogy ez kétfokozatú volt, nem használta az S-IVB harmadik fokozatot.

Bővebben: Apollo-program

A Saturn rakétacsalád fő felhasználási területe a holdprogram volt, az Apollo-program keretében a család mindhárom változatát használták. Kezdetben természetesen az elsőként elkészült Saturn I felhasználására került sor két fő céllal. Egyrészt a Hold eléréséhez megfelelő hordozóeszköz (illetve az ahhoz szükséges technika) kifejlesztésére alkalmazták, másrészt a szintén újonnan fejlesztett Apollo űrhajó első tesztjeihez, méret- és tömeghű, de nem működőképes űrhajók repülési tulajdonságainak kutatásához használták.

A Saturn IB felhasználása is kettős volt a program során. Egyrészt ezt a változatot is az Apollo űrhajó és a holdkomp repülési tesztjeihez használták, másrészt később az első ember vezette repülés(ek) – a tragédiával végződött Apollo–1 és a sikeres szűzfelhasználás, az Apollo–7 – hordozóeszközéül szolgált.

A család leghíresebb tagja, a Saturn V pedig a holdra szállások legendás hordozóeszközeként vonult be a történelembe. Föld körüli pályára állította a Holdra tartó űrszerelvényt, majd egy rövid ellenőrzést követően a harmadik fokozat újraindítható hajtóművének köszönhetően holdirányú pályára gyorsította. A holdrakéta minden egyes startja sikeres volt. „Másodlagos hasznosítása” is volt a hatalmas hordozóeszköznek: egyrészt az Apollo–4 és Apollo–6 repülésekkel a végső tesztek eszköze volt a holdra szállásokhoz szükséges, távirányítású űrhajókkal végzett startoknál, másrészt a holdirányra állt S-IVB fokozatok megfelelő célzásával és Holdba csapódtatásával mesterséges holdrengéseket idéztek elő a már a korábbi expedíciókon a holdfelszínen felállított ALSEP mérőállomások műszerei számára.

Bővebben: Skylab-program

Az Apollo-programot követő amerikai űrprogram egy – a szovjetekétől nagyobb – űrállomás építésére irányult, és a NASA az Apollo hardverből próbálta megvalósítani. Az űrállomás testét Saturn rakéták S-IVB fokozatából alakították ki, személy- (és ellátmány szállító) űrhajóként pedig az Apollo űrhajót alkalmazták. A felbocsátásokhoz természetesen az ehhez az eszközrendszerhez leginkább illő Saturn rakétákat használták. A 74 tonnás űrállomás startjához egy átalakított Saturn V-öt, a Saturn INT-21-et használták, amely a holdrakéta S-IVB nélküli, kétfokozatú változata volt.

A személyzetek feljuttatására az utoljára az Apollo–7-nél használt Saturn IB-t vették elő, amely tökéletesen megfelelt a célra. A kisebbik Saturn használatában csak egyetlen fontosabb eltérés volt a holdprogramhoz képest, hogy a startok a 39-es indítóállásról történtek, és a sokkal nagyobb holdrakéta mobil indítótornyáról bocsátották fel a rakétát egy adapter közbeiktatásával.

Bővebben: Apollo–Szojuz-program

Az Apollo hardver legutolsó fellépése a már fejlesztés alatt álló többször felhasználható űrhajó – az űrrepülőgép – rendszerbe állítása előtt a világ első nemzetközi űrprogramja, a Szovjetunió és az Egyesült Államok közös repülése, az Apollo–Szojuz-program volt. A politikai enyhülés légkörében lehetővé vált, hogy a két nagyhatalom kezet nyújtson egymásnak és erre a politikailag addig is szimbolikusnak számító űrkutatás látszott a legmegfelelőbbnek. 1975. július 15. és 1975. július 25. között öt űrhajós – három amerikai és két szovjet – részvételével közös programot hajtottak végre. Az amerikai Apollo-űrhajó feljuttatására a Saturn IB-t használták, a Skylabnél kikísérletezett módon, a nagyrakéta 39-es jelű indítóállását alkalmazva. Ez a start volt a Saturn rakétacsalád legutolsó indítása.

• The Saturn Reference Page Összefoglaló oldal a Saturn rakétákról (angol nyelvű oldal)
• Courtney G. Brooks. James M. Grimwood and Loyd S. Swenson, Jr.: Chariots for Apollo: A History of Manned Lunar Spacecraft Archiválva 2015. október 20-i dátummal a Wayback Machine-ben Online könyv az Apollo-hardver kifejlesztéséről (angol nyelvű oldal)
• Roger E. Bilstein: Stages to Saturn – A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles Online könyv a Saturn rakétákról (angol nyelvű oldal)
• NASA Saturn Információgyüjtemény a Saturn rakétákról (angol nyelvű oldal)