SATURN 5
Popis
vývoje zkoušek a technických parametrů těžkých nosných raket Saturn 5
Pro časopis Letectví a kosmonautika: Inž. Milan LEDVINA
(L+ K č. 9 / 1965)
Snímky a originály kreseb: NASA
Poslední člen rodiny raket Saturn, označovaný nyní jako Saturn
5, je současně nejmohutnější vyprojektovanou a “zveřejněnou" raketou.
Rozhodnutí o zahájení prací bylo učiněno na podzim roku 1961,
práce byly zahájeny počátkem roku 1962. Již od počátku se sledují souběžně dva
cíle: hlavním je vyslání trojice kosmonautů na Měsíc, druhým, ale neméně významným,
je využití dvoustupňové varianty k vynesení velkého užitečného zatížení na oběžnou
dráhu kolem Země. Předpokládá se, že by takto bylo možno zřídit družice o váze
okolo 100 tun. Saturn 5 by se tedy měl stát v období kolem roku 1970 nosnou
raketou pro nejvyšší užitečné zatížení a přispět nejen k dosažení naší přirozené
družice, ale i ke zřízení stálé oběžné stanice s posádkou. Uvažuje se i o tom,
že po přistání lidí na Měsíci bude nutno zřídit na jeho povrchu základnu, která
by umožnila lety k planetám. Pro tyto účely by bylo možno využít i Saturnu 5
jako “nákladní" rakety; s přidaným dalším stupněm by mohl Saturn 5 dopravovat
poměrně velké užitečné zatížení ke vzdáleným planetám.
Třístupňová
varianta (určená pro let k Měsíci) o průměru cca 10 metrů (včetně stabilizátorů
19,2 m) je 88 metrů dlouhá (bez užitečného zatížení), váží při startu 2725 tun
(bez užitečného zatížení) a motory 1. stupně mají vyvíjet tah 3400 Mp. Tyto
nejzákladnější údaje poskytují také nejlepší představu o mohutnosti rakety,
jejíž váha při startu se rovná váze 37 letadel Tu-104 A nebo váze 48 letadel
Il-18 “Moskva". Je schopna vynést na oběžnou dráhu dvanáctinásobek užitečného
zatížení letadla Tu-104 A nebo téměř osminásobek zatížení letadla Il-18; přitom
se počítá se značnou rezervou tahu, takže by raketa mohla splnit úkol i kdyby
selhal jeden z pěti motorů 1. stupně! Saturn 5 s užitečným zatížením je téměř
dvojnásobně vyšší než petřínská rozhledna v Praze.
První stupeň tvoří 5 motorů F-1 o celkovém tahu 3400 Mp (po
680 Mp). Stupeň S-1C, vyvíjený firmou Boeing od počátku roku 1962, váží 122,8
tun a skládá se z 68,7 tuny těžké konstrukce, z pohonného systému o váze 48,6
tuny, 5,5 tuny těžkého pokusného (měřícího) zařízení, včetně systému autodestrukce,
a konečně z jedné tuny telemetrického zařízení a naváděcího systému. Nádrže
pojmou více než 2000 tun pohonných hmot, z toho 600 tun leteckého petroleje
a 1400 tun kapalného kyslíku.
Konstrukce 1. stupně sestává ze sekce pohonného systému, v
níž je pět motorů F-1 v rámu přenášejícím tah, aerodynamických krytů čtyř obvodových
motorů, které je možno natáčet v žádaném směru (podle povelů naváděcího systému)
a z nádrže na petrolej a na kapalný kyslík; dále jsou součástí stupně aerodynamické
stabilizátory a přechodová část, spojující jej s 2. stupněm.
Konstrukčním materiálem jsou zejména hliníkové slitiny (americké
označení 2219) s velmi výhodnými vlastnostmi i za extrémně nízkých teplot. Stěna
nádrže na palivo, dlouhá okolo 13 m a opatřená podélnými i příčnými výztuhami,
je silná pouze 6,3 mm. Je pochopitelné, že při tak slabé stěně by muselo dojít
k deformaci vlastní vahou a proto se udržuje v nádrži přetlak plynným héliem.
Nádrž na okysličovadlo je dlouhá 19,5 m a její stěna je silná jenom necelých
5 mm; podélné výztuhy jsou umístěny ve vzdálenostech okolo 25 cm, příčné výztuhy
po cca 100 cm. Přehrady zároveň zabraňují přelévání kapaliny, které nepříznivě
ovlivňuje stabilitu rakety.
Z hliníkové slitiny je vyrobena i konstrukce mezi oběma nádržemi
a přechodová část.
Každý z motorů F-1 váží 8265 kg a je dlouhý celkem 5,4 m; maximální
průměr - 2,9 m - má výstupní otvor trysky. Čerpadla musí dopravit do spalovací
komory každou vteřinu asi 2700 kg pohonných hmot (motor rakety V-2 z roku 1944
měl vteřinovou spotřebu pohonných hmot cca 135 kg, přičemž vyvíjel v úrovni
mořské hladiny tah okolo 25 Mp). Čerpadla pohání plynová turbína o výkonu 60
000 koní (motory atomového ledoborce “Lenin" mají výkon “jenom" 44
000 koní).
Spolehlivost motoru F-1 je značně vyšší než očekávali jeho
konstruktéři. Při posledních 39 statických zkouškách na plný chod (tj. na 150
vteřin) fungoval stoprocentně, při více než 300 zkouškách prokázal spolehlivost
95,6 %; pouze dvakrát došlo k závadám, které by při letu mohly ohrozit (překročením
přípustného pracovního tlaku) konstrukci a tím i funkci motoru. Jeden z motorů
se zkoušel - bez poškození - dokonce dvanáctkrát, a to pokaždé na plný tah.
Další z motorů se zkoušel třikrát na dvojnásobnou dobu, tj. na 300 vteřin, opět
bez závad. Z toho je patrné, že motor F-1 je skutečně “nadějnou" konstrukcí.
Letové zkoušky 1. stupně - a tím vývoj stupně – mají být ukončeny v průběhu
roku 1966.
Vývojem 2. stupně, označeného S-2, byla pověřena firma North
American, jíž byly udány následující základní parametry: délka 25 m, průměr
10 m, pohon pěti motory J-2 (typ použitý pro 2. stupeň rakety Saturn 1B) s celkovým
tahem 453,5 Mp; váha bez pohonných hmot nesměla překročit 37,5 tuny.
Při konstrukci se opět využilo v nejširším měřítku hliníkových
slitin (2014 a 7075 -T 6). Zvláštností konstrukce nádrží je to, že jejich stěny
jsou dvouvrstvé, s evakuovaným meziprostorem; toto opatření (vyzkoušené již
u stupně Centaur) je nutné u všech raket opatřených motory spalujícími kapalný
vodík. Pohonné hmoty váží okolo 422 tun. Motor J-2 o jmenovitém tahu 90,7 Mp
je dlouhý 3 m (průměr výstupního otvoru trysky cca 2 m) a váží 900 kg; jeho
váha plně odpovídá dnešním konstrukčním možnostem a je v ní skryta ještě další
“rezerva" pro případné budoucí snížení. Motory jsou uloženy v kardanových
závěsech a mají volnost naklonění ± 10°.
I tento motor úspěšné prochází statickými zkouškami na stavu;
jeho spolehlivost je též značně vysoká, v každém případě snese srovnání se spolehlivostí
motorů na “klasické" pohonné hmoty.
O kvalitách motoru J-2 svědčí mj. i to, že je uzpůsoben pro
několikeré uvedení v chod a zastavení, nezbytné při letu po projektované dráze
k Měsíci. Byly vyřešeny i některé dílčí problémy, jako dodržení přesného dávkování
paliva (kapalného vodíku) i v tom případě, že jeho část je již zplyněna, regenerativní
chlazení kapalným vodíkem apod.
Třetí
stupeň rakety Saturn 5, známý v hlavních rysech již z popisu 2. stupně rakety
Saturn 1B (stupeň S-4 B), má též jediný motor J-2. Konstrukce
obou zmíněných stupňů je do značné míry podobná, rozdíly jsou jen v rozměrech
a ve zvýšení tuhosti (vzhledem k podstatně vyššímu užitečnému zatížení rakety
Saturn 5). Motor J-2 v 2. stupni rakety Saturn 1B bude pracovat nepřetržitě,
kdežto u Saturnu 5 se plně využije jeho cenné vlastnosti, že jej lze opakovaně
uvést v činnost.
Stupeň S-4 B pro raketu Saturn 5 je dlouhý 21 m (průměr 6,6
m) a váží - bez pohonných hmot - cca 14 tun. Motor J-2 je uložen v kardanovém
závěsu a lze jej naklánět v rozmezí ± 7,5°. Konstrukce nádrží je již známa z
předchozích typů raket Saturn. Menší nádrž na kapalný kyslík, umístěná v nádrži
s kapalným vodíkem, je chráněna zvláštní tepelnou izolací.
Snahy maximálně “vylepšit" konstrukci rakety jsou zaměřeny
jednak na snížení váhy “mrtvé" konstrukce, tj. váhy rakety bez pohonných
hmot a užitečného zatížení, jednak na použití výhodnějších pohonných hmot, respektive
zvýšení tahu motorů jiným způsobem. Uvažuje se také o použití přídavných “startovacích"
motorů.
Za nejreálnější z těchto možností lze pokládat zvýšení
tahu motorů zvýšením pracovního tlaku ve spalovací komoře (zkoušky motorů, o
nichž jsem se zmínil v předchozích odstavcích, ukazují schůdnost této cesty
bez nebezpečí havárie) nebo “obohacení" kapalného kyslíku kapalným fluorem.
Tento způsob zvýšení specifického impulsu pohonných hmot, označovaný v odborné
literatuře jako způsob “flox" (fluor - oxygen), má vést ke
zvýšení “výkonu" o cca 12 až 15 % (při přídavku asi 20 % kapalného fluoru).
Výsledky, jichž se prozatím pokusně dosahuje u menších jednotek, jsou nadějné,
s realizací se však počítá až v pozdější fázi vývoje rakety Saturn 5.
Ačkoli jsou výsledky vývoje rakety Saturn 5 vcelku úspěšné,
převládají již dnes v odborných kruzích NASA obavy, že termín uskutečnění letu
k Měsíci (posunutý bývalým presidentem USA Kennedym z roku 1970 na rok 1968)
přece jen nebude dodržen.
* * *
Rakety řady Saturn, které mají umožnit první přistání lidí
na Měsíci - i když je sporné, zda je tam dopraví právě raketa Saturn 5, budování
stálých oběžných stanic Země a průzkum vzdálených planet naší sluneční soustavy,
prozatím uzavírají řadu velkých nosných raket v konkrétní podobě. Větší a mohutnější
rakety existují dosud jenom v alternativních návrzích a v ideových projektech,
jejichž převedení do konstrukčních kanceláří si vyžádá ještě hodně práce a času.
SATURN 5 (USA)
Vývoj: 1962-1968 (?)
Použití: od r. 1968 (?)
Celková délka (cca) 110 m (s kosm. lodí Apollo)
88 m bez užitečného zatížení
Maximální průměr trupu 10 m
Rozpětí stabilizátorů 19,2 m
Váha rakety při startu cca 2725 t (bez užitečného zatížení)
Užitečné zatížení (cca) 100 -110 tun na standard. oběž. dráze
41 tun pro dosaženi únikové rychlosti
Počet stupňů 3
Zadavatel vývoje NASA
1. stupeň:
řešitel Boeing
váha (cca) 2122,8 tuny (z toho 122,8 t váha konstrukce)
délka (cca) 42 m
maximální průměr 10 m
typ motorů 5 x F - 1
pohonné hmoty petrolej (RP 1), kapalný kyslík
obsah pohonných hmot (cca) 2000 tun (600 t RP 1,
1400 t kapal. kyslíku)
tah motorů - při mořské hladině 3400 Mp
doba funkce (cca) 150 s
sekundová spotřeba (cca) 2,7 t/s
specifický impuls - při mořské hladině 260 kps/kg
rychlost na konci hoření (cca) M = 6
konec hoření ve výšce (cca) 40 km
konstrukce: čtyři z pěti motorů F - 1 uloženy výkyvně; tlakování nádrží
stlačeným héliem; dodávku pohonných hmot do spalovacích
komor motorů zabezpečuje turbočerpadlový systém (10
čerpadel); maxi-málně využito hliníkových slitin
2. stupeň:
řešitel North American
váha (cca) 460 tun (z toho 37,5 t váha konstrukce)
délka (cca) 25
maximální průměr 10 m
typ motorů 5 x J-2
pohonné hmoty kapalný vodík, kapalný kyslík
obsah pohonných hmot (cca) 422,5 t
tah motorů - ve vakuu 453,5 Mp
doba funkce (cca) 390 s
sekundová spotřeba (cca) 1,1 t/s
specifický impuls - ve vakuu 420 kps/kg
rychlost na konci hoření téměř kruhová
konec hoření ve výšce 120 - 150 km
konstrukce: motory zavěšeny; stěny nádrží dvouvrstvé s evakuovanou
mezivrstvou; maximálně využilo hliníkových slitin
3. stupeň:
řešitel Douglas
váha (cca) 119 t (z toho 14 tun vlastní konstrukce)
délka (cca) 21 m
maximální průměr 6,6 m
typ motoru J-2
pohonné hmoty kapalný vodík, kapalný kyslík
váha pohonných hmot (cca) 105 tun
tah motoru 90,7 Mp
doba funkce až 500 s
(cca 135 s do dosažení oběžné dráhy, potom cca 300 s
do udělení únikové rychlosti)
sekundové spotřeba (cca) 0,22 t/s
rychlost na konci hoření (cca) 1. 7,6 km/s na kruh. dráze
2. 10,97 km/s - únik. rychlost
konec hoření ve výšce (cca) 1. 160 km
2. neuvedeno
konstrukce: konstrukce nádrží stejná jako u 2. stupně; využito
hliníkových slitin; orientace a stabilizace stupně
zabezpečena motory fy. Tapco o tahu 68 kp
Fotografie a nákresy k článku ,,Saturn V,, : (Snímky: NASA)
- Nosná raketa Saturn 5 startuje (kresba)
- Schématický nákres nosné rakety Saturn 5
- Porovnání různých verzí raket Saturn (Saturn
1, Saturn 1B, Saturn 5)
- Řez nosnou raketou Saturn 5 (1 : 500)
- 5 motorů 1. stupně (F-1),
- stabilizátory,
- nádrž na palivo,
- nádrž na okysličovadlo,
- 5 motorů 2. stupně (J-2),
- nádrž na okysličovadlo,
- nádrž na palivo,
- motor 3. stupně (J-2), 9 - nádrž na okysličovadlo,
- nádrž na palivo,
- expediční (exkursní) část kosmické lodi Apollo,
- pohonná část kosmické lodi Apollo,
- kabina kosmické lodi Apollo,
- záchranné rakety
Přepis článku : M.Filip, 29.2.2004
Aktualizováno : 25.04.2004
[ 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/lk3.htm)
