Ракета-носій Сатурн IB

Saturn IB (Saturn 1B) була американською носієм ракетою, що використовувалася в 1965–1975 роках для виведення космічних апаратів на низьку орбіту, зокрема для програм Apollo і Skylab. Ракета базувалася на Saturn I, але мала потужніші двигуни першого ступеня та новий другий ступінь з одним великим двигуном замість шести малих.

Розробка проходила в NASA Marshall Space Flight Center під керівництвом Вернера фон Брауна. Saturn IB здійснила дев’ять успішних запусків. Єдиним серйозним інцидентом стала пожежа Apollo 1, яка не була пов’язана з ракетою. Saturn IB означала значний технологічний прогрес, зокрема у водневих двигунах, а її другий ступінь пізніше використовувався як третій ступінь ракети Saturn V.

Протягом розробки Saturn I його конфігурація часто змінювалася, а нові концепції з’являлися майже щомісяця. Початковий план з ракетою Titan як другим ступенем був розширений новими технологіями, включаючи двигуни на рідкому водні. У рамках переходу ABMA під Національне управління аеронавтики і космонавтики була створена комісія Silverstein, яка мала оцінити запропоновані концепції.

Ці концепції були поділені на групи A, B і C, причому група C включала водневі двигуни та інноваційні кріогенні технології, які пропонували найвищі показники. Врешті-решт комісія обрала варіанти C-1, C-2 та C-3. Після подальших змін залишився лише двоступеневий концепт C-1, який мав мати другий ступінь з чотирма двигунами XLR-119. Коли розробка цих двигунів виявилася проблематичною, їх скасували, і C-1 був оснащений шістьма слабшими двигунами RL-10. Це призвело до розробки нового концепту C-1B, пізніше перейменованого на Saturn IB.

Комбінація рідкого кисню та водню як ракетного пального була для інженерів NASA дуже привабливою, тому наприкінці 1959 року були проведені дослідження, спрямовані на розробку більш потужних двигунів. Тодішній двигун RL-10 мав тягу лише 67 кН, тоді як для місячних місій була потрібна тяга на рівні кількох сотень кілоньютонів. У першій половині 1960 року були зібрані колишні члени комісії Silverstein, щоб обрати компанію для розробки двигуна J-2. У липні 1960 року була обрана компанія Rocketdyne, а контракт був підписаний у вересні. Безпека була головною метою, оскільки це був перший потужний двигун для пілотованих польотів.

Розробка двигуна швидко просунулася, і вже в листопаді 1960 року відбувся перший тест форсунок. Rocketdyne побудував велику вакуумну камеру для симуляції умов космосу та застосував нову комп’ютерну аналізу. Перший тестовий запуск відбувся в січні 1962 року. У червні 1962 року NASA підписала з Rocketdyne ще один контракт на виробництво 55 двигунів J-2. Одночасно було оголошено про будівництво двоступеневої ракети-носія Saturn C-1B, здатної виводити космічний корабель Apollo.

Другий ступінь S-IVB був оснований на оригінальному S-IV ракети Saturn I, причому позначення IV було обрано, оскільки він планувався як четвертий ступінь скасованого концепту C-4. Контракт на розробку оригінального S-IV був наданий компанії Douglas Aircraft Company у квітні 1960 року. Цей вибір викликав критику, оскільки конкурент Convair мав більший досвід у роботі з водневими двигунами.

Після оголошення наміру побудувати нові ракети C-1B та C-5 контракт з Douglas був розширений на розробку версії S-IVB з одним двигуном J-2. Ця вдосконалена версія мала служити як другий ступінь Saturn IB і як третій ступінь Saturn V. Метою було прискорити програму Apollo шляхом стандартизації компонентів.

Дизайн S-IVB був сильно під впливом концепції місячної місії «Lunar orbit rendezvous», згідно з якою потрібно було вивести корабель на паркувальну орбіту та через кілька годин виконати запуск для переходу на орбіту Місяця. Однак Saturn IB мав за завдання доставити Apollo без місячного модуля на низьку орбіту Землі, тому не було потреби в повторному старті, і версія для Saturn IB була полегшена за рахунок зменшення кількості тискових балонів з гелієм.

Для ракети Saturn IB були внесені зміни в перший і другий ступінь. Ступені S-I та S-IB були схожими, але нова версія була на чотири тонни легшою і могла вмістити більше пального. Аеродинамічні елементи стали легшими та краще спроектованими.

Перший ступінь S-IB оснащений двигунами H-1b, які мали підвищений тяговий потенціал: спочатку 890 кН, пізніше — 912 кН. Різниця у вазі між H-1 та H-1b становила 635 кг проти 988 кг, що сприяло збільшенню загальної вантажопідйомності. Для стартів Saturn IB модернізували пускові комплекси LC-34 та LC-37 на мисі Канаверал, що призвело до перенесення старту останньої місії Saturn I на 30 липня 1965 року.

Перший старт Saturn IB відбувся 26 лютого 1966 року на пусковому комплексі 34. Це був перший суборбітальний тестовий політ, що тривав приблизно 32 хвилини. Ракета досягла висоти понад 480 км і впала в південну частину Атлантики. Наступні місії, як і для Saturn I, були спрямовані на тестування космічного корабля Apollo та місячного модуля, а також перевірку компонентів запланованої ракети Saturn V.

Saturn IB була двоступеневою носієм ракет з рідким паливом. Основна конфігурація для більшості місій складалася з першого ступеня, другого ступеня з приладовою секцією та космічного корабля Apollo. У місіях без Apollo на верхівці ракети встановлювався аеродинамічний ковпак. Перший ступінь забезпечував тягу під час підйому через атмосферу. Ця фаза тривала близько 155 секунд, за які ракета піднялася на висоту понад 60 км. Друга фаза починалася після вимкнення двигунів першого ступеня та запуску другого ступеня, який вивів решту ракети на орбіту. Жодна частина ракети не була спроектована для повторного використання.

Перший ступінь S-IB

Перший ступінь S-IB був майже ідентичний ступеню Saturnu I. Складається з восьми баків ракети Redstone та одного бака ракети Jupiter. Чотири баки Redstone містили паливо RP-1, а інші чотири — рідкий кисень. Бак Jupiter розташовувався по центру і також містив рідкий кисень. Діаметр баків Redstone становив 178 см, Jupiter — 267 см, а загальний діаметр першого ступеня — 660 см. Довжина баків Redstone була збільшена з 12 до 16 метрів, що дозволило вмістити більше пального. Загальна висота першого ступеня разом з двигунами та адаптером другого ступеня становила 25,5 метра. При заповненні кисневих баків виникали деформації до 63,5 мм, тому баки на верхньому носії були розташовані ковзно.

Бакі були розділені на пари, кожна з яких живила два двигуни. Для стабілізації положення баків були встановлені системи перекачування, які компенсували рівні пального. Це також дозволяло перенаправляти паливо у випадку виходу з ладу одного з двигунів. Центральний кисневий бак забезпечував киснем зовнішні двигуни, що мали керований тяговий потужність. Під час старту виникали вібрації, що викликали коливання пального в баках, тому були додані перегородки, які запобігали цьому.

Для компенсації обсягу пального під час польоту використовувалися два незалежні системи. Перша система регулювала об’єм рідкого кисню за допомогою теплового обмінника, який підігрівав частину рідкого кисню до газоподібного стану. Друга система, яка регулювала об’єм RP-1, була простішою — це були балони з азотом, які поступово підживлювали баки.

Для кріплення баків використовувалися балки, що нагадували павутиння, відомі як «spider beam» (павучий балка). Вони виготовлялися з алюмінієвих профілів у формі L. Конструкція виконувала дві функції: під час монтажу служила центрувальним пристроєм, а після — залишалася частиною ступеня.

Нижня частина ступеня була оснащена восьмома двигунами H-1b, які були вдосконаленою версією двигунів H-1. Чотири двигуни розташовувалися на краях ступеня і могли регулювати тягу в двох осях, що дозволяло ефективно керувати польотом ракети. У процесі запуску Saturn IB не виникало серйозних проблем з двигунами, оскільки більшість труднощів була вирішена під час тестових польотів Saturnu I.

Другий ступінь Сатурна IB

Другий ступінь ракети Сатурн IB був обладнаний двигуном J-2, який спалював рідкий кисень і водень. Резервуари були виготовлені з зварних алюмінієвих пластин завтовшки 19 мм і мали спеціальну перегородку, що розділяла рідкий водень (угорі) та рідкий кисень (внизу). Ця перегородка забезпечувала теплову ізоляцію та посилення, оскільки температури в резервуарах суттєво відрізнялися — рідкий кисень зберігався при -172 °C, тоді як рідкий водень — при -253 °C. Ємність резервуарів становила 72 700 літрів для кисню та 229 000 літрів для водню.

Виробництвом другого ступеня займалася компанія Douglas Aircraft Company, яка використовувала сучасні числово-керовані верстати для заклепування та зварювання алюмінієвих листів. Кожен зварний шов ретельно контролювався за допомогою рентгенівських та капілярних випробувань.

Ізоляція резервуарів була критично важливою, і хоча бальза була ідеальною, її доступність була обмежена, тому було розроблено альтернативний матеріал зі скловолокна. Цей матеріал формувався у панелі, які були встановлені в контрольованих умовах.

Паливна система складалася з двигуна J-2, паливопроводів і системи тиску в резервуарах. Заправка проводилася в три етапи, причому для зменшення температурного шоку застосовувалося повільне початкове заповнення. Тиск у резервуарах забезпечував безперебійне постачання пального і підвищення жорсткості конструкції.

Система ефективного використання пального забезпечувала балансування ракети, розподіляючи рідкий водень по окремих резервуарах. Двигун J-2 мав тягу 1000 кілоньютонів, що було ключовим елементом для успішного польоту.

Ракета Saturn IB в програмі Apollo

Ракета Saturn IB стала важливим етапом у програмі Apollo, оскільки була єдиною ракетою, здатною вивести серійний командний та сервісний модулі. Перед її тестуванням необхідно було завершити серію випробувань системи аварійного виходу, які проводилися на полігоні White Sands у Нью-Мексико за допомогою ракети Little Joe II. Після їх завершення команда з космічного центру Маршалла та інших компаній готувала Saturn IB до старту з комплексу 34 на мисі Канаверал.

Перша місія, AS-201 (Apollo–Saturn 201), відбулася 26 лютого 1966 року і стала першим тестовим польотом ракети, а також серійного космічного корабля Apollo. Ракета підняла корабель на висоту 425 км, після чого Apollo досягнув 488 км. Ракета працювала за планом, за винятком кількох незначних збоїв на борту.

Друга місія, AS-203, стартувала 5 липня 1966 року і мала на меті протестувати другий ступінь S-IVB в умовах нульової гравітації. Ракета вивела Apollo на низьку орбіту з апогеєм 212 км, що було важливим для розробки Saturn V, який також використовував ступінь S-IVB. Третя місія, AS-202, знову перевіряла ракету і досягла апогею понад 1100 км, при цьому Apollo пройшов відстань 25 000 км.

Перший пілотований політ, AS-204 (Apollo 1), планувався на перше триместру 1967 року з екіпажем Гриссома, Уайта і Чаффі. Проте під час підготовки сталася трагедія, внаслідок якої загинула вся команда. Однак сама ракета залишилася непошкодженою і була використана в наступній місії. Останньою безпілотною місією стала Apollo 5, яка стартувала 22 січня 1968 року і успішно протестувала місячний модуль на орбіті Землі.

Перелік місій ракети Saturn IB

Серійний номер	Місія	Дата запуску	COSPAR	Примітки
AS-201	AS-201	26 лютого 1966	–	Перший тестовий політ. Суборбітальний тест космічного корабля Apollo.
AS-203	AS-203	5 липня 1966	1966-059A	Другий тестовий політ. Тест другого ступеня, всього чотири оберти навколо Землі.
AS-202	AS-202	25 серпня 1966	–	Третій тестовий політ. Суборбітальний тест космічного корабля Apollo.
AS-204	Apollo 5	22 січня 1968	1968-007A	Тест місячного модуля на орбіті Землі. Ракета була спочатку призначена для місії Apollo 1.

Пілотовані місії ракети Saturn IB

Першим пілотованим польотом була місія Apollo, яка стартувала 11 жовтня 1968 року з LC-34 на мисі Канаверал. У складі екіпажу були Валі Ширра, Донн Ейзл і Уолтер Каннінгем. Запуск пройшов гладко; астронавти лише зафіксували легкі вібрації та шум пального, без інших проблем. Після досягнення орбіти космічний корабель Apollo від’єднався від другого ступеня S-IVB. Через кілька годин Apollo знову наблизився до S-IVB для симуляції з’єднання з місячним модулем. Все пройшло успішно, але покривні панелі адаптера не відкрилися повністю, що могло викликати серйозні проблеми під час місії з місячним модулем. Тому було додатково оснащено систему для повного відкриття. Цей політ завершив участь Saturn IB у місячній програмі, наступні місії Apollo вже запускалися ракетами Saturn V.

Наступний старт Saturn IB відбувся лише в 1973 році для станції Skylab. Сама станція Skylab була виготовлена з модифікованого ступеня S-IVB, призначеного для Saturn IB серійного номера AS-212. Перший політ до станції стартував 25 травня 1973 року. Місія отримала назву Skylab 2, а в її складі були Чарльз Конрад, Пол Уайтц і Джозеф Кервін. Запуск пройшов за планом без жодних збоїв. Наступні польоти до станції також відбулися успішно, підтверджуючи надійність ракети. Місія Skylab 3 стартувала 28 липня 1973 року з екіпажем у складі Алана Біна, Оуена Гарріота та Джека Лоусми. Останнім польотом до станції став Skylab 4, який стартував 16 листопада 1973 року з екіпажем Джеральда Карра, Вільяма Поуга та Едварда Гібсона. У разі надзвичайної ситуації на станції була підготовлена рятувальна місія Skylab Rescue, пілотами якої повинні були бути Ванс Бранд і Дон Лінд.

Останнім польотом стала спільна радянсько-американська місія Sojuz-Apollo, що стартувала 15 липня 1975 року. Екіпаж складався з Томаса Стаффорда, Ванса Бранда та Дональда Слейтона. Запуск знову пройшов без проблем. Для цієї місії довелося модифікувати систему з’єднання другого ступеня та космічного корабля Apollo, оскільки ракета мала вивезти спеціальний адаптер для з’єднання з кораблем Sojuz 19.

Перелік пілотованих місій ракети Saturn IB

Серійний номер	Місія	Дата старту	COSPAR	Примітки
AS-205	Apollo 7	11 жовтня 1968	1968-089A	Перший пілотований політ програми Apollo. Екіпаж: Валі Ширра, Донн Ейзл, Уолтер Каннінгем. 163 оберти. Останній старт з комплексу 34.
AS-206	Skylab 2	25 травня 1973	1973-032A	Перший політ до станції Skylab. Екіпаж: Чарльз Конрад, Пол Уайтц, Джозеф Кервін.
AS-207	Skylab 3	28 липня 1973	1973-050A	Другий політ до Skylab. Екіпаж: Алан Бін, Оуен Гарріот, Джек Лоусма.
AS-208	Skylab 4	16 листопада 1973	1973-090A	Третій і останній політ до Skylab. Екіпаж: Джеральд Карр, Вільям Поуг, Едвард Гібсон.
AS-209	Skylab Rescue	1973–1974	–	Запланований рятувальний політ, не відбувся. Екіпаж: Ванс Бранд, Дон Лінд.
AS-210	Соjуз-Apollo	15 липня 1975	1975-066A	Радянсько-американський політ. Екіпаж: Томас Стаффорд, Ванс Бранд, Дональд Слейтон. Остання місія Saturn IB.
AS-211	Не використано. Перший ступінь з макетом другого ступеня виставлені в Alabama Welcome Center в Ардморе, штат Алабама. Другий ступінь експонується в U.S. Space and Rocket Center в Хантсвіллі, де служить як макет станції Skylab.
AS-212	Не використано. Перший ступінь був знищений. Другий ступінь перебудований і слугував як космічна станція Skylab.
AS-213	Побудований лише перший ступінь, демонтований.
AS-214	Побудований лише перший ступінь, демонтований.