SATURN 1B
Popis
vývoje zkoušek a technických parametrů těžkých nosných raket Saturn 1B
Pro časopis Letectví a kosmonautika: Inž. Milan LEDVINA
(L+ K č. 8 / 1965)
Snímky a originály kreseb: NASA
Náklady na vývoj nosných raket stoupají úměrně s jejich velikostí;
totéž platí do jisté míry i o čase potřebném pro tento vývoj. Konstruktéři se
proto snaží co nejlépe využít již vyzkoušených dílů, popřípadě celých stupňů
raket; tak nyní vzniká “rodina" raket Saturn.
Zrod dalšího člena této rodiny si vynutila nutnost vyzkoušet
části kosmické lodi Apollo (určené pro let k Měsíci) a potom i celou odlehčenou
kabinu, jejíž váha se bude pohybovat okolo 15 tun. Tento úkol již nemohla zvládnout
raketa Saturn 1, schopná dopravit zhruba 10 tun na standardní oběžnou dráhu.
Aby se maximálně snížily náklady na vývoj i výrobu a zkrátila doba pro přípravu
další varianty rakety Saturn, využilo se všech zkušeností získaných při vývoji
rakety Saturn 1 a pokud možno i co největšího počtu jednotlivých dílů a zařízení.
Z rozborů vyplynul požadavek nové konstrukce 2. stupně, která se uplatní
také u následujícího člena rodiny - rakety Saturn 5.
|
Saturn 1 B - tabulka
|
L+K č.8/1965 |
|
|
|
|
|
|
Nosná raketa
|
Počet stupňů
|
|
Stupeň
|
|
|
1.
|
2.
|
3.
|
|
Saturn 1
|
2
|
S - 1
|
S - 4
|
zatím nemá
|
|
Saturn 1B
|
2
|
S - 1
(S - 1 B)
|
S - 4 B
|
zatím nemá
|
|
Saturn 5
|
3
|
S - 1 C
|
S - 2
|
S - 4 B
|
| |
|
|
|
|
|
Poznámka: K raketám Saturn 1 a 1 B je možno připojit ještě
další stupeň, o němž se někdy uvažuje.
|
Každý
ze tří typů dosavadních raket Saturn má kompletní stupeň, kterého již bylo použito
- s určitými odchylkami (přechodové části mezi stupni, resp. adaptéry pro užitečné
zatížení) - u jiné nosné rakety (u rakety Saturn 1 B dokonce obou stupňů).
Možnost záměny stupňů značně zkracuje dobu od započetí konstrukčních
prací do prvního pokusného startu rakety. Vývoj rakety Saturn 1 si vyžádal šest
let (od roku 1958 do 29.1.1964, kdy byly poprvé vyzkoušeny oba stupně), u typu
Saturn 1 B nepřekročí doba vývoje čtyři roky (spíše bude kratší). Vývoj podstatně
mohutnější a komplikovanější rakety Saturn 5 má být ukončen nejdéle za šest
let!
Zadávací podmínky pro 1. stupeň rakety Saturn (v podstatě shodný
u variant 1 i 1 B) byly opravdu přísné: ačkoli se použilo osmi motorů - což
je faktor, který zcela zákonitě snižuje spolehlivost systému - bylo naopak potřeba
zvýšit celkovou spolehlivost. Tento rozpor byl řešen “změkčením" podmínek
pro přesnost dosažení předepsané velikosti tahu 1. stupně, takže se zjednodušil
systém regulace přívodu kapalných pohonných hmot a nebylo nutno použít řídicích
motorků (nároky na řízení vrchního stupně tím samozřejmě vzrostly). Spolehlivost
rakety se podařilo zvýšit zvětšením tzv. koeficientu bezpečnosti, v tomto případě
zesílením stěny spalovací komory, aby snesla tlak o určité procento vyšší než
skutečný pracovní tlak. U prvního stupně rakety Saturn 1 je bezpečnostní koeficient
zvýšen asi o 20 % (proti hodnotám obvyklým u ostatních raket); celý stupeň je
pevnější a lze jej znovu použít. S touto možností se počítá zejména u varianty
1 B; návrat stupňů a přistání na hladině moře by zajistil systém brzdicích raket
a padáků. Stupeň S-1 je konstruován tak, aby raketa splnila svůj úkol i tehdy,
selže-li jeden z motorů okamžitě po startu a dojde-li popřípadě po šedesáti
vteřinách letu k poruše dalšího motoru; nesmí však vysadit dva z výkyvně uložených
řídicích motorů. Všechny motory se uvádějí v činnost jediným elektrickým impulsem
a jejich funkci lze ukončit současně, opět jediným povelem.
Zpočátku nebylo možno přesně určit užitečné zatížení, které
raketa jednou ponese, ani způsob jeho připojení k poslednímu stupni, přitom
však bylo nutno zajistit použitelnost rakety pro splnění nejrůznějších úkolů.
Proto má konstrukce stupně S-1 poměrně vysokou tuhost.
Na spodním nosném kruhu je umístěno (na speciálních ramenech
vycházejících ze středu kruhu) osm raketových motorů Rocketdyne H-1. Nádrže
na pohonné hmoty jsou vyrobeny z hliníkového plechu; střední nádrž na kapalný
kyslík má stěnu silnou 6,35 mm, osm vnějších nádrží (čtyři na kapalný kyslík,
čtyři zbývající na petrolej) má stěny silné jen 2,3 mm. Střední nádrž o průměru
2,67 m je dlouhá 18,2 m, ostatní nádrže mají průměr 1,78 m. U 2. série raket
Saturn 1 a u všech raket Saturn 1 B určených pro letové zkoušky jsou nádrže
o 1,8 m delší, což umožnilo prodloužit dobu chodu motorů. Zvětšené nádrže pojmou
celkem 385 tun pohonných hmot (cca 115 tun petroleje a 270 tun kapalného kyslíku)
- proti maximálně 340 tunám u původních nádrží. Nádrže na petrolej jsou pouze
volně zavěšeny; nelze je totiž upevnit k nádržím na kapalný kyslík, které se
po naplnění zkrátí asi o 7 cm (smrštění vlivem nízké teploty). Přenos tahu od
motorů k vrchnímu stupni zprostředkuje ze 60 % střední nádrž, jejíž stěny jsou
proto vyztuženy podélníky.
Motory H-1 jsou odvozeny od motoru S-3-D, použitého u typu
Thor, vojenské rakety se středním doletem.
Na
první pohled je patrno, že vývojem došlo ke značnému zjednodušení (zvyšujícímu
celkovou spolehlivost motoru) - a to o plných 90 % funkčních součástek. Stěny
spalovací komory jsou vyrobeny z tenkých niklových trubiček, jimiž protéká (a
tak je chladí) petrolej přiváděný do komory (teplota ve spalovací komoře dosahuje
cca 2750° C). Motor o průměru 1,52 m (ústí trysky) je dlouhý 2,44 m a váží 635
kg. Za 1,5 vteřiny od spuštění vyvíjí tah 85 Mp. Dalším zdokonalením motoru
(zejména zlepšením čerpadel) se má zvýšit tah na 90,5 Mp. Svazek motorů určený
pro raketu Saturn 1 B by tedy měl celkový tah 724 Mp, což by umožnilo dopravit
na oběžnou dráhu asi 16 tun užitečného zatížení.
Čtyři vnější výkyvně uložené motory lze hydraulicky naklánět
žádaným směrem. Stupeň je vybaven inerciálním naváděcím systémem. Pro déletrvající
lety se počítá s nyní vyvíjeným speciálním počítačem o velmi malém objemu, který
by programoval 15 až 20 parametrů důležitých pro let rakety.
Snad stojí za zmínku obtíže spojené s dopravou 1. stupně z
továrny na základnu. Průměr stupně (6,5 m) vylučuje dopravu vzduchem, neuvažujeme-li
speciální vzducholodi. Rozebraný stupeň by sice bylo možno transponovat jedenácti
nákladními letadly, ale tento způsob přepravy by byl příliš drahý. Proto se
dopravují stupně po vodě - zvlášť konstruovanými bárkami, schopnými plavby i
po moři; než dorazí na Kennedyho mys, putují asi 2400 km po řekách a 1200 km
po moři.
Druhý stupeň rakety Saturn 1 B, vyvinutý a vyráběný firmou
Douglas, je odlišný od stupně rakety Saturn 1, ale bude se v podstatě shodovat
s 3. stupněm rakety Saturn 5. Stupeň, označený S-4 B, tvoří motor J-2, spalující
kapalný kyslík a kapalný vodík. J-2 je první motor, u něhož se dosáhne touto
kombinací pohonných hmot (jejíž účinnost se blíží maximu možností chemického
pohonu raket) tak vysokého tahu - plných 90,7 Mp. Také doba funkce motoru je
úctyhodná (až 500 vteřin). U motorů připravovaných pro raketu Saturn 5 se předpokládá
několikanásobné přerušení funkce a opětné uvedení do chodu.
Varianta
stupně určená pro raketu Saturn 1 B je dlouhá 18 m (21 m u rakety Saturn 5)
při průměru 6,6 m. Motor je uložen výkyvně (s maximální možnou výchylkou ± 7,5°)
na rámu ze speciálních hliníkových slitin, velmi často uplatňovaných při konstrukci
raket Saturn. Použití kapalného kyslíku v kombinaci s kapalným vodíkem si vyžádalo
- podobně jako u stupně Centaur a u 2. stupně rakety Saturn 1 - zvláštní opatření
v důsledku velkého rozdílu teplot obou látek (kapalný vodík cca -240 °C, kapalný
kyslík cca -180 °C). Bylo nutno vytvořit speciální tepelnou ochranu zabraňující
nežádoucímu přestupu tepla mezi oběma nádržemi (které pojmou celkem 105 tun
pohonných hmot), čímž se poněkud zvýšila váha stupně - zhruba na 14 tun. Orientaci
a stabilizaci stupně zajišťují motory firmy Tapco o tahu 68 kp.
Zkoušky nosné rakety Saturn 1 B (s největší pravděpodobností
bude při prvních zkouškách použito ještě stupňů S - 1 s nezvýšeným tahem motorů,
vyráběných firmou Chrysler) mají být zahájeny v letošním roce 1965. Přesto však
lze již nyní říci, že půjde zřejmě o kombinaci celkem úspěšnou, protože i zkoušky
motoru J - 2 na statickém stavu jsou úspěšné; motor byl zkoušen - a to bez závad
- na plnou dobu chodu (500 vteřin). I když ještě budou pokračovat také zkoušky
1. stupně, jsou konstruktéři přesvědčeni, že se podařilo v podstatě vyřešit
problém funkce svazku raketových motorů s větším počtem jednotek. Toto přesvědčení
dostává konkrétní podobu v konstrukci rakety Saturn 5, při níž se plně využije
nejenom dosud získaných zkušeností, ale také jednotlivých dílů předchozích typů
raket.
SATURN 1 B (USA)
Vývoj: 1962 (2. stupeň) - 1966 (?)
Použití: od r. 1966 (?)
Celková délka asi 63 m (s kosmickou lodí Apollo)
Maximální průměr trupu 6,5 m (1. stupeň)
6,6 m (2. stupeň)
Rozpětí stabilizátorů 10 m
Váha rakety při startu (cca) 567 tun
Užitečné zatížení (cca) 14 tun na standard. oběžné dráze
16 tun po zvýšení tahu motorů
Počet stupňů 2 (možnost doplnění stupněm Centaur)
Zadavatel vývoje NASA
1. stupeň:
(Viz Saturn 1, L+K č. 7/65)
sériová výroba: firma Chrysler
Poznámka: vyvíjí se zdokonalená verze, označovaná jako S-1 B, u níž se
váha konstrukce sníží o cca 8 tun a tah motoru zvýší asi o 5,5 Mp.
2. stupeň:
řešitelé Douglas Aircraft Co. (od roku 1962)
váha 119 tun
délka 18 m
maximální průměr 6,6 m
typ motoru J - 2
pohonné hmoty kapalný vodík, kapalný kyslík
obsah pohonných hmot 105 tun
tah - ve vakuu 90,7 Mp
doba funkce až 500 s
sekundová spotřeba (cca) 210 kg/s (při 500 s chodu)
specifický impuls - ve vakuu 420 kps/kg
konstrukce: převážně použito hliníkových slitin (jako u stupně Centaur) ;
motor J - 2 uložen výkyvně; nádrže na KPH odděleny od
sebe speciální přepážkou k zabránění přestupu tepla;
tlakování nádrží stlačeným héliem
Fotografie a nákresy k článku ,,Saturn 1 B,, : (Snímky: NASA)
- Nosná raketa Saturn Saturn 1 (1. stupeň shodný s variantou
1 B)
- Schématický nákres nosné rakety Saturn 1 B
- Řez nosnou raketou Saturn 1 (série I): 1 - nádrže
1. stupně, 2 - nádrž 2. stupně, 3 - nádrž 3. stupně, 4 - užitečné zatížení,
5 - motory 1. stupně, 6 - motory 2. stupně, 7 - motory 3. stupně
- Schéma dráhy při pokusu SA -7: 1 - oddělení
1. stupně, 2 - dopad 1. stupně a pouzder s kamerami, 3 - odhození záchranných
raket kabiny Apollo, 4 - dopad těchto raket, 5 - oddělení pouzder s kamerami,
6 - uvedení 2. stupně a kabiny Apollo na oběžnou dráhu
- Řez nosnou raketou Saturn 1 B: (1 : 500)
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 - motor 2. stupně (J-2),
7 - nádrž na kapalný kyslík,
8 -nádrž na kapalný vodík,
9 - užitečné zatížení (prototyp kosmické lodi Apollo),
10 - záchranné rakety (pro zkoušky prototypu kosmické lodi Apollo)
Přepis článku : M.Filip, 29.2.2004
Aktualizováno : 18.04.2004
[ Obsah | Rakety
a kosmodromy | Saturn ]
Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.
(originál je na https://mek.kosmo.cz/nosice/usa/saturn/lk2.htm)
