Saturn I: Первая американская ракета-носитель среднего класса.

Введение

Американская ракета, используемая космической программой – ракета Сатурн I – была разработана как первый американский носитель среднего класса для вывода полезных нагрузок на низкую околоземную орбиту. Первая ступень ракеты была построена как объединение топливных баков, спроектированных на основе более ранних разработок ракетных баков, что заставило критиков в шутку называть её «Последний рубеж кластера». Разработка ракеты была передана от Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA) в 1958 году новообразованному гражданскому NASA. Конструкция ракеты оказалась надёжной и гибкой. Сатурн I успешно положил начало разработке жидководородных ракетных двигателей, запустил спутники «Пегас» и обеспечил лётную проверку аэродинамики фазы запуска командного и сервисного модулей «Аполлон». Десять ракет Сатурн I были запущены, прежде чем их сменил носитель большей грузоподъёмности – Сатурн IB, который использовал более мощную вторую ступень с большим полным импульсом и усовершенствованную систему наведения и управления. Это также проложило путь к созданию сверхтяжёлого носителя Сатурн V, который доставил первых людей на Луну в рамках программы «Аполлон». Президент Джон Ф. Кеннеди считал, что Сатурн I, и особенно запуск SA-5, стали моментом, когда возможности США по выведению грузов превзошли советские, после того как они отставали с момента запуска «Спутника».

Происхождение

Проект "Сатурн" был начат как одно из нескольких предложений для выполнения нового требования Министерства обороны (DoD) к сверхтяжелой ракете-носителю для вывода на орбиту нового класса спутников связи и других. Вопреки тому, что сообщалось в прессе в то время (и широко распространялось впоследствии), баки не были просто баками от ракет Redstone и Jupiter, а представляли собой значительно удлиненные версии, изготовленные заново при том же диаметре. Была инициирована программа разработки для создания крупной ракеты-носителя весом около 1,5 миллиона фунтов тяги, основанной на объединении доступных ракетных двигателей. Непосредственной целью программы являлась демонстрация полномасштабного динамического испытания на стенде к концу 1959 года. 11 сентября 1958 года был заключен контракт с Rocketdyne на начало работ по H 1. 23 сентября 1958 года ARPA и Командование ракетной артиллерии Армии (AOMC) заключили дополнительное соглашение, расширяющее рамки программы, в котором указывалось: "В дополнение к динамическому испытанию на стенде, настоящим согласовано расширение программы для проведения летных испытаний этой ракеты-носителя приблизительно к сентябрю 1960 года". Кроме того, они хотели, чтобы ABMA произвела три дополнительных ракеты-носителя, последние две из которых должны были быть "способны выводить на орбиту ограниченную полезную нагрузку". Фон Браун возлагал большие надежды на эту конструкцию, считая, что она станет отличным испытательным стендом для других двигательных систем, в частности, для F 1, если она будет доведена до совершенства. Он определил области применения Juno V в качестве универсального носителя для исследований и разработки "наступательного и оборонительного космического оружия". Были предусмотрены конкретные варианты использования для каждого вида вооруженных сил, включая навигационные спутники для ВМС; разведывательные, коммуникационные и метеорологические спутники для Армии и ВВС; поддержку пилотируемых миссий ВВС; и обеспечение Армии материально-техническими средствами на расстояниях до 6400 километров. Фон Браун также предложил использовать Juno V в качестве основы для пилотируемой лунной миссии в рамках проекта Horizon. Juno могла выводить до 9000 кг на низкую околоземную орбиту, и он предложил запустить 15 таких ракет для сборки лунного космического корабля на околоземной орбите. Уже в этот момент неофициально использовалось название "Сатурн", как "после Юпитера". В одном из ранних отчетов ARPA отмечалось: "Сатурн считается первым настоящим космическим аппаратом, подобно тому, как Douglas DC 3 был первым настоящим авиалайнером и надежным рабочим инструментом в авиации". Официальное изменение названия произошло в феврале 1959 года.

The Saturn project was started as one of a number of proposals to meet a new Department of Defense (DoD) requirement for a heavy lift vehicle to orbit a new class of communications and "other" satellites. Contrary to what was reported to the press at the time (and propagated commonly ever since), the tanks were not simply Redstone and Jupiter tanks, but much longer versions built anew at the same diameter. Initiate a development program to provide a large space vehicle booster of approximately 1,500,000 lb. thrust based on a cluster of available rocket engines. The immediate goal of this program is to demonstrate a full scale captive dynamic firing by the end of CY 1959. This was followed on 11 September 1958 with another contract with Rocketdyne to start work on the H 1. On 23 September 1958, ARPA and the Army Ordnance Missile Command (AOMC) drew up an additional agreement enlarging the scope of the program, stating "In addition to the captive dynamic firing , it is hereby agreed that this program should now be extended to provide for a propulsion flight test of this booster by approximately September 1960". Further, they wanted ABMA to produce three additional boosters, the last two of which would be "capable of placing limited payloads in orbit". von Braun had high hopes for the design, feeling it would make an excellent test bed for other propulsion systems, notably the F 1 if it matured. He outlined uses for the Juno V as a general carrier vehicle for research and development of "offensive and defensive space weapons". Specific uses were forecast for each of the military services, including navigation satellites for the Navy; reconnaissance, communications, and meteorological satellites for the Army and Air Force; support for Air Force crewed missions; and surface to surface logistics supply for the Army at distances up to 6400 kilometers. von Braun also proposed using the Juno V as the basis of a crewed lunar mission as part of Project Horizon. Juno could lift up to 20,000 pounds (9,000 kg) into low Earth orbit, and he proposed launching 15 of them to build a lunar spacecraft in Earth orbit. Even by this point the name "Saturn", as "the one after Jupiter" was being used. One early ARPA report noted: "The SATURN is considered to be the first real space vehicle as the Douglas DC 3 was the first real airliner and durable work horse in aeronautics". The name change became official in February 1959.

Передача в НАСА

Формирование НАСА 29 июля 1958 года привело к усилиям по консолидации существующих программ разработки тяжелых ракет-носителей и выбору единого набора конструкций для дальнейшей работы. В то время и ВВС, и армия США имели команды, разрабатывавшие такие ракеты: армейский «Сатурн» и космическая система запуска ВВС (SLS). SLS использовал набор общих модульных компонентов с твердотопливными ускорителями и кислородно-водородными верхними ступенями, что позволяло создавать широкий спектр пусковых конфигураций и выводить полезные грузы различной массы. Обе группы также разработали планы пилотируемых лунных баз: ABMA «Horizon» с методом орбитального сближения на околоземной орбите для сборки крупной лунной ракеты, и проект Lunex ВВС, предусматривавший запуск единого огромного посадочного модуля с использованием самой мощной конфигурации SLS. Как будто этого было недостаточно, собственные инженеры НАСА приступили к разработке серии ракет «Нова», планируя использовать их по схеме прямого восхождения, аналогичной подходу ВВС. Фон Брауна попросили возглавить комитет для изучения текущих разработок и подготовки рекомендаций. Комитет представил свой отчет 18 июля 1958 года, начав с критики неэффективного управления американской программой на тот момент и указав на явное превосходство советской программы. Далее в отчете описывалось пять «поколений» ракет, начиная с ранней «Vanguard», через «Juno», межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) типа «Atlas» и «Titan», кластерные конструкции, такие как «Сатурн», и, наконец, вершину развития – кластер с использованием двигателей F-1 общей тягой. В отчете также была представлена программа пилотируемых исследований с использованием этих ракет: существующие МБР позволят создать небольшую четырехместную космическую станцию к 1961 году, кластерные ракеты обеспечат пилотируемую высадку на Луну в 1965–1966 годах и строительство крупной 50-местной космической станции к 1967 году, а самые мощные ракеты позволят осуществлять крупные лунные экспедиции в 1972 году, создать постоянную лунную базу в 1973–1974 годах и запускать пилотируемые межпланетные полеты в 1977 году. В декабре 1958 года все команды собрались для презентации своих проектов. НАСА выбрало предложение Фон Брауна 6 января 1959 года, что дало ему значительный импульс. В конце января НАСА представило полную программу разработки, включающую верхние ступени «Vega» и «Centaur», а также ракеты-носители «Juno V» и собственные ускорители «Nova». «Vega» была позже отменена после рассекречивания информации о ранее секретной верхней ступени «Agena» (тогда известной как «Hustler»), которая имела характеристики, сопоставимые с разработкой НАСА.

The formation of NASA on 29 July 1958 led to an effort to collect the existing heavy launch rocket programs and select a single set of designs for future work. At the time, both the Air Force and US Army had teams developing such vehicles, the Army's Saturn and the Air Force's Space Launching System (SLS). The SLS used a set of common modular components with solid fuel boosters and hydrogen/oxygen upper stages to allow a wide variety of launch configurations and payload weights. Both groups had also developed plans for crewed lunar bases, ABMA's Horizon with its Earth Orbit Rendezvous method of building a large lunar rocket in Earth orbit, and the Air Force's Lunex Project which planned on launching a single huge lander using the largest of the SLS configurations. As if this were not enough, NASA's own engineers had started the design of their own Nova design series, planning to use it in the direct ascent profile similar to the Air Force's approach. Von Braun was asked to chair a committee to study the existing efforts and write up recommendations. The committee presented their report on 18 July 1958, starting with a criticism of how the US program had been mishandled to date and pointing out that the Soviet program was definitely ahead. It went on to describe five "generations" of rockets, starting with the early Vanguard, through the Juno, ICBMs like Atlas and Titan, clustered designs like the Saturn, and finally, the ultimate development, a cluster using the F 1 with of thrust. The report went on to outline a crewed exploration program using these rockets as they become available; using existing ICBMs a small four man space station could be operational 1961, the clusters would support a crewed lunar landing in 1965 1966 and a larger 50 man space station by 1967, while the largest of the rockets would support large Moon expeditions in 1972, set up a permanent Moon base in 1973–1974, and launch crewed interplanetary trips in 1977. In December 1958, all of the teams gathered to present their designs. NASA selected von Braun's proposal on 6 January 1959, giving it a vital boost. At the end of January, NASA outlined their complete development program. This included the Vega and Centaur upper stages, as well as the Juno V and their own Nova boosters. Vega was later cancelled when information on the formerly secret Agena upper stage was released (then known as "Hustler"), and it had performance roughly comparable to NASA's design.

Почти отменен

Прогресс в разработке ракеты-носителя "Сатурн" казалось, шел гладко. В апреле 1959 года первые двигатели H-1 начали поступать в ABMA, а в мае начались стендовые испытания. Строительство стартовых площадок комплекса 34 началось в Кейп-Канаверал в июне. Затем, совершенно неожиданно, 9 июня 1959 года Герберт Йорк, директор Управления исследований и разработок Министерства обороны, объявил о решении прекратить программу "Сатурн". Позже он объяснил это опасениями, что проект отвлекает средства ARPA от более приоритетных задач, и что, по всей видимости, модернизация существующих МБР позволит в краткосрочной перспективе получить необходимую грузоподъемность. Как выразился командующий ABMA Джон Б. Медарис:

"К этому времени у меня начало возникать подозрение, что что-то нечисто." Я задействовал своих людей, чтобы выяснить, что происходит и с кем нам предстоит конкурировать. Мы выяснили, что ВВС предложили совершенно другую, принципиально новую ракету-носитель для "Диназора", использующую кластер двигателей "Титан" с повышенной тягой для обеспечения необходимого импульса на первом этапе. Это детище именовалось по-разному: "Супер-Титан" или "Титан C". Никаких работ по созданию этой ракеты, кроме предварительных инженерных расчетов, не проводилось. Однако утверждалось, что ракета в двух- или трехступенчатой конфигурации сможет быть запущена быстрее, чем "Сатурн", над которым мы уже много месяцев упорно работали. К этому предложению были приложены сроки и оценки, которые в лучшем случае игнорировали множество факторов стоимости, а в худшем – являлись откровенной пропагандой. Чтобы предотвратить отмену, сторонники "Сатурна" из Министерства обороны и ARPA подготовили собственную записку с аргументами против прекращения программы. Против них играл тот факт, что ни армия, ни NASA на тот момент не имели официального запроса на создание этой ракеты-носителя. Последовала трехдневная встреча с 16 по 18 сентября 1959 года, в ходе которой Йорк и Драйден рассмотрели перспективы "Сатурна" и обсудили роли "Титана C" и "Новы". Результат оказался столь же неожиданным: Йорк согласился отложить отмену и продолжить краткосрочное финансирование, но лишь при условии, что NASA возьмет на себя команду ABMA и продолжит разработку без поддержки Министерства обороны. NASA также опасалось, что зависимость от сторонних организаций в вопросах ракет-носителей ставит под угрозу всю программу, и было весьма заинтересовано в принятии команды ABMA. В ходе дальнейших переговоров на следующей неделе было достигнуто соглашение: команда фон Брауна в ABMA будет сохранена и продолжит работу в качестве ведущих разработчиков "Сатурна", но вся организация будет передана в управление NASA. Президентским указом от 15 марта 1960 года ABMA был преобразован в Космический центр имени Джорджа Маршалла (КЦЖМ) NASA.

By this time, my nose was beginning to sniff a strange odor of "fish". I put my bird dogs to work to try to find out what was going on and with whom we had to compete. We discovered that the Air Force had proposed a wholly different and entirely new vehicle as the booster for Dynasoar, using a cluster of Titan engines and upgrading their performance to get the necessary first stage thrust for take off. This creature was variously christened the Super Titan, or the Titan C. No work had been done on this vehicle other than a hasty engineering outline. Yet the claim was made that the vehicle in a two stage or three stage configuration could be flown more quickly than the Saturn, on which we had already been working hard for many months. Dates and estimates were attached to that proposal which at best ignored many factors of costs, and at worst were strictly propaganda. Looking to head off the cancellation, Saturn supporters from the DoD and ARPA drafted their own memo arguing against the cancellation. Working against them was the fact that neither the Army nor NASA had any in writing requirement for the booster at that time. A three day meeting between 16 and 18 September 1959 followed, where York and Dryden reviewed Saturn's future and discussed the roles of the Titan C and Nova. The outcome was equally unexpected; York agreed to defer the cancellation and continue short term funding, but only if NASA agreed to take over the ABMA team and continue development without the help of the DoD. NASA was equally concerned that by relying on third parties for their boosters they were putting their entire program in jeopardy, and were very open to the idea of taking over the team. As the parties continued discussions over the next week an agreement was hammered out; von Braun's team at ABMA would be kept together and continue working as the lead developers of Saturn, but the entire organization would be transferred to NASA's management. By a presidential executive order on 15 March 1960, ABMA became NASA's George C. Marshall Space Flight Center (MSFC).

Выбор верхних ступеней

В июле 1959 года от ARPA был получен запрос на модернизацию верхней ступени до гораздо более мощной конструкции с использованием четырех новых двигателей, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, в более крупной второй ступени. Также предлагалось модернизировать Centaur, используя два двигателя той же конструкции для третьей ступени. По этому поводу Медарис отметил: «По соображениям экономии мы рекомендовали, и это было одобрено, использовать при строительстве второй ступени тот же диаметр, что и у первой ступени Titan – 120 дюймов. Основные затраты на оснастку для изготовления ракетных баков и основной конструкции связаны с диаметром. Изменения в длине практически не требуют дополнительной оснастки. То, как разделены баки внутри, как усилена конструкция, или тип конструктивных элементов, используемых для крепления конструкции к большому ускорителю внизу или к ступени большего размера сверху, оказывают незначительное влияние на проблемы с оснасткой. Однако изменение диаметра ставит серьезный вопрос об оснастке, стоимости и сроках. Внезапно, совершенно неожиданно, поступила директива о приостановке работ над второй ступенью и запрос на новую серию расчетов стоимости и сроков, включая рассмотрение возможности увеличения диаметра второй ступени до 160 дюймов. Похоже, доктор Йорк включился в работу и указал на то, что будущие требования к проекту Dynasoar несовместимы с диаметром 120 дюймов. Он задал вопрос, возможно ли спроектировать Saturn таким образом, чтобы он мог служить ускорителем для этого проекта ВВС. Мы были шокированы и ошеломлены. Это не была новая проблема, и мы не видели причин, по которым ее нельзя было рассмотреть, если это необходимо, в период, когда Министерство обороны и NASA обсуждали вопрос о том, какие верхние ступени следует использовать. Тем не менее, мы незамедлительно приступили к оценке проекта, исходя из принятия диаметра 160 дюймов. Одновременно нам было предложено представить коммерческие предложения по полной оперативной программе для вывода Dynasoar на орбиту для определенного количества полетов. Как обычно, нам предоставили два-три варианта вместо одного фиксированного числа и попросили оценить каждый из них. Чтобы достичь некоторого компромисса, в декабре была сформирована группа из представителей NASA, ВВС, ARPA, ABMA и Управления исследований и разработок Министерства обороны под руководством Комитета Сильверштейна. Фон Браун скептически относился к использованию жидкого водорода в качестве топлива для верхней ступени, но Комитет убедил его, что это путь к будущему развитию верхних ступеней. После этих изменений проект NASA полностью освободился от зависимости от военных разработок. Любая верхняя ступень стала возможной, и, как заключил Комитет, «если эти двигатели будут приняты для сложных применений на верхней ступени, то нет веских инженерных причин не использовать высокоэнергетические двигатели для менее сложных применений на промежуточных ступенях». Комитет представил ряд потенциальных конфигураций запуска, сгруппированных в три основные категории. Группа «A» включала малорисковые варианты, аналогичные проектам Saturn, предложенным до встречи; первоначальный проект с использованием верхних ступеней Titan и Centaur стал A 1, а другой вариант, заменяющий Titan кластером МБР, стал A 2. Проект B 1 предлагал новую вторую ступень, заменяющую кластер A 2s новой конструкцией с четырьмя двигателями, аналогичными двигателям H 1 на нижней ступени. Наконец, были три модели серии C, которые заменили все верхние ступени на водородные. C 1 использовал существующую нижнюю ступень S I с кластерным расположением, добавив новую ступень S IV с четырьмя новыми двигателями и сохранив двухдвигательный Centaur наверху, который теперь назывался ступенью S V. Модель C 2 добавила новую ступень S III с двумя новыми двигателями, сохранив S IV и S V наверху. Наконец, конфигурация C 3 добавила ступень S II с четырьмя такими же двигателями, сохранив только S III и S IV наверху. Модели C значительно превосходили модели A и B, и имели дополнительное преимущество – взаимозаменяемость и возможность построения для удовлетворения любых требований к полезной нагрузке.

In July 1959, a change request was received from ARPA to upgrade the upper stage to a much more powerful design using four new liquid hydrogen / liquid oxygen powered engines in a larger diameter second stage, with an upgraded Centaur using two engines of the same design for the third stage. On this change Medaris noted:

For reasons of economy we had recommended, and it had been approved, that in building the second stage, we would use the same diameter as the Titan first stage120 inches. The major costs of tooling for the fabrication of missile tanks and the main structure is related to the diameter. Changes in length cost little or nothing in tooling. How the tanks are divided internally, or the structure reinforced inside, or the kind of structural detail that is used at the end in order to attach the structure to a big booster below, or to a different size stage above, have very little effect on tooling problems. However, a change in diameter sets up a major question of tools, costs, and time. Suddenly, out of the blue came a directive to suspend work on the second stage, and a request for a whole new series of cost and time estimates, including consideration of increasing the second stage diameter to 160 inches. It appeared that Dr. York had entered the scene, and had pointed up the future requirements of Dynasoar as being incompatible with the 120 inch diameter. He had posed the question of whether it was possible for the Saturn to be so designed as to permit it to be the booster for that Air Force project. We were shocked and stunned. This was no new problem, and we could find no reason why it should not have been considered, if necessary, during the time that the Department of Defense and NASA were debating the whole question of what kind of upper stages we should use. Nevertheless, we very speedily went about the job of estimating the project on the basis of accepting the 160 inch diameter. At the same time, it was requested that we submit quotations for a complete operational program to boost the Dynasoar for a given number of flights. As usual, we were given two or three numbers, rather than one fixed quantity, and asked to estimate on each of them. In order to reach some sort of accommodation, a group pulled from NASA, Air Force, ARPA, ABMA, and the Office of the Department of Defense Research and Engineering formed under the Silverstein Committee in December. von Braun was skeptical of liquid hydrogen as an upper stage fuel, but the Committee convinced him that it was the way to go on future upper stage development. Once these changes had been made, NASA's booster project was now entirely free of any dependence on military developments. At that point any sort of upper stage was fair game, and "If these propellants are to be accepted for the difficult top stage applications", the committee concluded, "there seem to be no valid engineering reasons for not accepting the use of high energy propellants for the less difficult application to intermediate stages". The Committee outlined a number of different potential launch configurations, grouped into three broad categories. The "A" group were low risk versions similar to the Saturn designs proposed prior to the meeting; the original design using Titan and Centaur upper stages became the A 1, while another model replacing the Titan with a cluster of IRBMs became A 2. The B 1 design proposed a new second stage replacing the A 2s cluster with a new four engine design using the H 1 like the lower stage. Finally, there were three C series models that replaced all of the upper stages with liquid hydrogen ones. The C 1 used the existing S I clustered lower, adding the new S IV stage with four new engines, and keeping the two engine Centaur on top, now to be known as the S V stage. The C 2 model added a new S III stage with two new engines, keeping the S IV and S V on top. Finally, the C 3 configuration added the S II stage with four of these same engines, keeping only the S III and S IV on top. The C models easily outperformed the A's and B's, with the added advantage that they were interchangeable and could be built up in order to fit any needed payload requirement.

Сатурн появляется

Из этих новых конструкций только S IV была поставлена, но не в той форме, которая была представлена в отчете Комитета. Чтобы уложиться в график разработки, на новой ступени был установлен кластер из шести двигателей Centaur, чтобы создать "новый" S IV с производительностью, примерно сопоставимой с первоначальными четырьмя модернизированными двигателями. Большое количество небольших двигателей менее эффективно и более проблематично, чем меньшее количество крупных, что сделало эту конструкцию целью для ранней модернизации до одного двигателя J 2. Получившаяся ступень, S IVB, настолько улучшила характеристики, что "Сатурн" смог запускать космический корабль Apollo CSM, что оказалось бесценным в ходе проекта "Аполлон". В конечном итоге Titan C так и не был поставлен, и ВВС предпочли использовать "усиленные тягой" Titan II с использованием кластеров твердотопливных ракет. Эти новые конструкции, Titan III, стали основной тяжелой ракетой-носителем Министерства обороны на десятилетия вперед, поскольку их производство и запуск обходились значительно дешевле, отчасти благодаря использованию гиперголических компонентов топлива, которые можно было хранить при комнатной температуре. Важным фактором в этом решении было то, что Министерство обороны предпочитало иметь ракету-носитель, находящуюся под их полным контролем, а не делиться "Сатурном" с NASA (из всех ракет Titan III/IV, запущенных за 40 лет эксплуатации, лишь немногие несли полезную нагрузку NASA). Разработка Titan III также устранила необходимость в "гибких" схемах ступеней "Сатурна", которые теперь предназначались исключительно для пилотируемых запусков в рамках программы "Аполлон". С исчезновением необходимости в гибкости конфигурации запуска большинство этих проектов были впоследствии отменены. Только S V сохранилась в исходном виде, в то время как S IV появилась в модифицированном виде, а "Сатурн" V получил совершенно другую ступень S II. "Сатурн" I совершил свой первый полет 27 октября 1961 года с макетной верхней ступенью и частично заправленной первой ступенью. Напряжение в стартовом комплексе было велико, поскольку до этого ни одна ракета-носитель не была успешной при первой попытке, и широко распространялся страх взрыва на стартовой площадке. Поскольку "Сатурн" был самой большой ракетой, когда-либо запущенной, такое событие наверняка было бы крайне разрушительным и могло бы вывести стартовый комплекс из строя на шесть месяцев. Однако эти опасения развеялись, когда ракета-носитель стартовала и совершила безупречный испытательный полет. За следующие 17 месяцев последовали еще три полета с макетными верхними ступенями, которые были полностью или в основном успешными. В двух из них S IV была заполнена водой и взорвана на большой высоте после отделения ступени, чтобы образовать ледяное облако, которое затем было сфотографировано. Пятый полет в январе 1964 года стал первым, на котором был установлен действующий S IV, который перезапустил свой двигатель на орбите, чтобы выйти на большую высоту, где он оставался до схода с орбиты через два года. В течение года последовали еще два полета с макетами космического корабля Apollo CSM. Однако к этому моменту появление Titan III лишило "Сатурн" роли ракеты-носителя для Министерства обороны, а с разработкой более новой и улучшенной "Сатурна" IB (поскольку космический корабль Apollo CSM оказался тяжелее, чем ожидалось, и требовал более мощной ракеты-носителя), ракета-носитель быстро потеряла перспективу и не нашла практического применения.

Of these new stage designs, only the S IV would ever be delivered, and not in the form that was drawn up in the Committee report. In order to meet development schedules a cluster of six Centaur engines were placed in the new stage to produce the "new" S IV of roughly the same performance as the original four upgraded engines. A large number of small engines are less efficient and more problematic than a smaller number of large engines, and this made it a target for an early upgrade to a single J 2. The resulting stage, the S IVB, improved performance so much that the Saturn was able to launch the Apollo CSM, proving invaluable during the Apollo Project. In the end, the Titan C was never delivered, and the Air Force instead turned to "thrust augmented" Titan IIs using clustered solid fuel rockets. These new designs, the Titan IIIs, became the DoD's main heavy lift launch vehicle for decades afterward as it cost significantly less to manufacture and fly, in part due to using hypergolic propellants that could be stored at room temperature. An important factor in this decision was that the DoD preferred to have a launch vehicle that they were in complete control of instead of having to share the Saturn with NASA (of all Titan III/IV vehicles launched during its 40 year run, only a handful carried NASA payloads). Likewise, the development of the Titan III eliminated the need for the "flexible" staging concepts of the Saturn, which was now only intended to be used for crewed launches in the Apollo program. With the need for flexibility in launch configuration removed, most of these designs were subsequently dropped. Only the S V survived in its original form, while the S IV would appear in modified form and the Saturn V would feature an entirely different S II stage. The Saturn I made its maiden flight on 27 October 1961 with a dummy upper stage and partially fueled first stage. Tension in the blockhouse was high as no launch vehicle to date had been successful on the first attempt and there was the widespread fear of a pad explosion. As the Saturn was the largest booster yet flown, such an event was sure to be extremely destructive, possibly putting the launch complex out of use for six months. In the end, however, these worries subsided as the booster lifted and performed a flawless test flight. Three more flights with dummy upper stages followed over the next 17 months, which were all completely or mostly successful. Two of them had the S IV filled with water and detonated at high altitude after stage separation to form an ice cloud that was then photographed. Flight #5 in January 1964 was the first to carry a live S IV, which restarted its engine in orbit to boost to a high altitude where it would remain until decaying two years later. Another two flights followed during the year with boilerplate Apollo CSMs. By this point, however, the advent of the Titan III had robbed the Saturn of a role as a DoD launcher and with the newer, improved Saturn IB in development (as the Apollo CSM ended up being heavier than originally expected and so needed a more powerful launch vehicle), the booster quickly became orphaned and no practical use could be found for it.

Использование в эксплуатации

Основной полезной нагрузкой ракеты-носителя "Сатурн-I" являлась макетная версия командного и сервисного модулей "Аполлон" и системы аварийного спасения. Последние три ракеты также несли микрометеоритные спутники "Пегас" в адаптере космического аппарата второй ступени. "Сатурн-I" рассматривался для запуска космического самолета X-20 Dyna Soar, а позднее – для запуска капсулы "Джемини" в рамках предлагаемой окололунной миссии. Однако эти предложения так и не были реализованы, поскольку финансирование проекта Dyna Soar было сокращено в 1963 году, а разработка "Аполлона" уже значительно продвинулась. Значительно позже "Сатурн-I" также рассматривался как система баллистических ракет малой дальности в концепции TABAS. TABAS предполагал оснащение "Сатурна" обычным оружием в механической системе несущего устройства, обеспечивающей поражение и уничтожение вражеской взлетно-посадочной полосы, выводя ее из строя на три дня. Система считалась слишком опасной для развертывания, поскольку ее запуск мог быть воспринят как ядерное нападение и спровоцировать ответный удар.

Технические характеристики

Третья ступень S V была разработана на базе ступени ракеты Centaur. Она четыре раза совершала бесполетные испытания на ракете-носителе Saturn I с заполненными водой баками. Активных миссий она не выполняла. S V должна была стать верхней ступенью для ракет-носителей Atlas Centaur и Titan III и их модификаций.

Параметр | S I | S IV | S V
------- | -------- | -------- | --------
Высота (м) | 24,48 | 12,19 | 9,14
Диаметр (м) | 6,52 | 5,49 | 3,05
Валовая масса (кг) | 432 681 | 50 576 | 15 600
Пустая масса (кг) | 45 267 | 5 217 | 1 996
Двигатели | Восемь – H 1 | Шесть – RL10 | Два – RL10
Тяга (кН) | 7 582 | 400 | 133
ISP (секунды) | 288 | 410 | 425
ISP (км/с) | 2,82 | 4,02 | 4,17
Длительность горения (с) | 150 | 482 | 430
Топливо | LOX / RP 1 | LOX / LH2 | LOX / LH2

С-I стадия

Первая ступень S I работала на восьми ракетных двигателях H 1, использующих топливо RP 1 с жидким кислородом (LOX) в качестве окислителя. Топливные баки состояли из центрального бака ракеты Jupiter, содержащего LOX, окруженного группой из восьми баков ракеты Redstone: четыре, окрашенных в белый цвет, содержащих LOX, и четыре, окрашенных в черный цвет, содержащих топливо RP 1. Четыре боковых двигателя были установлены на карданных подвесах, что позволяло отклонять их для управления ракетой. На ракетах-носителях блока II (SA 5 - SA 10) восемь стабилизаторов обеспечивали аэродинамическую устойчивость при полете в атмосфере.

С-IV стадия

Этап S IV приводился в действие шестью двигателями RL10, работающими на жидком кислороде и жидком водороде (LOX/LH2), установленными на поворотном устройстве. Для разделения баков с жидким кислородом и жидким водородом использовалась одна общая перегородка, что позволило снизить вес конструкции на 20%, а также уменьшить длину и сложность изготовления.

Инструментальная установка Сатурн I

Ракета-носитель Saturn I Block I (SA 1 – SA 4) управлялась приборами, размещенными в контейнерах на верхней части первой ступени S I, и включала стабилизированную платформу ST 90, изготовленную компанией Ford Instrument Company и использовавшуюся в ракете Redstone. Эти первые четыре ракеты следовали по баллистической, неорбитальной траектории, а макетные верхние ступени не отделялись от единственной рабочей ступени. Ракеты Block II (SA 5 – SA 10) включали две рабочие ступени и выходили на орбиту. Начиная с SA 5, навигационные приборы размещались на приборном отсеке (IU), непосредственно перед ступенью S IV. Первая версия IU имела диаметр и высоту, и была спроектирована и построена Центром космических полетов Маршалла. Компоненты навигации, телеметрии, слежения и энергоснабжения размещались в четырех герметичных цилиндрических контейнерах, прикрепленных к центральной ступице подобно спицам. Эта версия использовалась на SA 5, SA 6 и SA 7. MSFC использовал версию 2 IU на SA 8, SA 9 и SA 10. Версия 2 имела тот же диаметр, что и версия 1, но высоту. Вместо герметичных контейнеров компоненты крепились внутри цилиндрической стенки, что позволило снизить вес. Компьютер управления для Block II был IBM ASC 15. Другие приборы, находившиеся на борту IU, включали активные компоненты, обеспечивавшие управление ракетой, и пассивные компоненты, передававшие данные телеметрии на Землю для испытаний и оценки с целью использования в последующих полетах. Стабилизированная платформа ST 90 была активным инерциальным измерительным блоком (IMU) для SA 5 и первой ступени SA 6. ST 124 был пассивным прибором на SA 5 и активным на второй ступени SA 6 и последующих миссиях. IU имел оптическое окно для выравнивания инерциальной платформы перед запуском.

С-V стадия

Этап S V предназначался для работы на двух двигателях RL-10A-1, использующих жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя. Для разделения топлива и окислителя в топливных баках использовалась общая перегородка. Этап S V был запущен четыре раза в рамках миссий SA-1 – SA-4; во всех этих четырех миссиях баки S V были заполнены водой для использования в качестве балласта при запуске. Эта ступень никогда не использовалась в активной конфигурации ни на одной ракете-носителе Saturn. Эта ступень также применялась на ракете Atlas LV3C в качестве Centaur, современные модификации которой до сих пор совершают полеты, что делает её единственной ступенью ракеты Saturn, находящейся в эксплуатации на данный момент.

Пробные транспортные средства блока 1

SA T Первая ступень статического испытания ракеты-носителя "Сатурн-I". Изготовлена в Космическом центре Маршалла, использовалась в нескольких статических огневых испытаниях MSFC, начиная с 1960 года, затем была отправлена и использовалась на сборочном предприятии Мишу для проверочных испытаний на соответствие, после чего была возвращена в Алабаму. В настоящее время экспонируется в горизонтальном положении рядом со статической испытательной башней в Космическом центре Маршалла. В 2019 году сообщалось, что НАСА предложило эту ступень для передачи в дар организации, при условии оплаты транспортных расходов в размере около 250 000 долларов США. Поскольку, по всей видимости, ни одно квалифицированное учреждение не проявило интереса к получению ступени SA T, ускоритель был демонтирован 4 апреля 2022 года или около этой даты. SA D Динамический испытательный образец ракеты-носителя "Сатурн-I" Блок 1. Изготовлен в MSFC, использовался в нескольких динамических испытаниях MSFC в 1962 году. В настоящее время экспонируется в вертикальном положении с макетом верхней ступени в ракетном парке возле штаб-квартиры MSFC, рядом с несколькими образцами исторических ракет, такими как ракета V-2 (A4), Redstone, Jupiter C и Jupiter IRBM.

Пробная машина блока 2

SA D5 Block 2 Dynamic Test Vehicle состоит из разгонного блока S I D5 Booster stage и гидростатической/динамической верхней ступени S IV H/D, использовавшихся в испытаниях на динамической установке MSFC в 1962 году. Он также был доставлен и использован для проверок на стартовой площадке LC 37B на мысе Канаверал в 1963 году. Затем он был возвращен в Алабаму и модифицирован для использования в качестве динамической испытательной ступени S IB. НАСА/MSFC передало его штату Алабама одновременно с динамическим испытательным образцом Saturn V, и сейчас он экспонируется в вертикальном положении в Космическом и ракетном центре США (ранее Космическом и ракетном центре Алабамы) в Хантсвилле, штат Алабама, где стал хорошо известной местной достопримечательностью.