Monstrózní třístupňová raketa Wernhera von Brauna, která vynesla lidstvo na Měsíc v programu Apollo a dosud zůstává 100% spolehlivou ikonou.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Monstrózní rozměry a ohlušující výkon
2.Tři stupně k cestě na Měsíc
3.Mozek rakety: Přístrojová jednotka (Instrument Unit)
4.Historické dědictví
5.Zdroje a reference

Nosná raketa Saturn V: Stroj, který dopravil člověka na Měsíc

Saturn V (vyslovováno Saturn pět) je nejslavnější, nejmohutnější a nejúspěšnější nosnou raketou v celých dějinách pilotované kosmonautiky 20. století. Byla vyvinuta pod vedením legendárního raketového konstruktéra Wernhera von Brauna v Marshallově středisku vesmírných letů NASA v Alabamě s jediným cílem: splnit výzvu prezidenta Johna F. Kennedyho a přistát s lidskou posádkou na Měsíci a bezpečně ji vrátit na Zemi před koncem dekády 60. let.

Raketa létala v letech 1967 až 1973 v rámci legendárního lunárního programu Apollo a v roce 1973 vynesla na oběžnou dráhu první americkou vesmírnou stanici Skylab.

Během všech svých 13 startů dosáhla stoprocentní úspěšnosti – žádná posádka ani náklad nebyly nikdy ztraceny.

1. Monstrózní rozměry a ohlušující výkon #

Měřítka rakety Saturn V dodnes vzbuzují posvátný úžas:

Výška: 110,6 metru (byla vyšší než Socha Svobody nebo věž katedrály svatého Víta v Praze).
Hmotnost při startu: Neuvěřitelných 2 970 tun (z toho 90 % tvořilo palivo a okysličovadlo).
Startovní tah: Ohromujících 34,5 Meganewtonů (MN) – ekvivalent výkonu desítek jaderných elektráren nebo 160 milionů koňských sil.
Nosnost: Dokázala vynést 140 tun nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země (LEO) a 48 tun směrem k Měsíci (TLI).

Při zážehu prvního stupně byl hluk motorů tak ničivý, že vytvářel seismické vlny zaznamenatelné tisíce kilometrů daleko a zvukový tlak v okruhu několika kilometrů dokázal rozechvět betonové budovy.

2. Tři stupně k cestě na Měsíc #

Saturn V byla třístupňová nosná raketa na kapalné pohonné látky:

První stupeň (S-IC): Pohánělo jej pět gigantických motorů F-1 spalujících letecký petrolej (RP-1) a kapalný kyslík ( $LOX$ ). Motory F-1 zůstávají dodnes nejvýkonnějšími jednokomorovými raketovými motory na kapalné palivo, jaké kdy byly zkonstruovány. Během pouhých 160 sekund hoření spálil tento stupeň přes 2 100 tun pohonných látek (neuvěřitelných 13 tun za jedinou sekundu!) a vynesl raketu do výšky 67 km při rychlosti 8 600 km/h.
Druhý stupeň (S-II): Poháněn pěti motory J-2 spalujícími extrémně energetickou směs kapalného vodíku ( $LH_2$ ) a kapalného kyslíku ( $LOX$ ). Během 6 minut vynesl raketu do výšky 175 km rychlostí přes 24 000 km/h.
Třetí stupeň (S-IVB): Poháněn jediným motorem J-2. Měl unikátní schopnost dvojího zážehu: prvním zážehem navedl kosmickou loď Apollo s lunárním modulem na parkovací oběžnou dráhu kolem Země a po prověření všech systémů provedl druhý, rozhodující zážeh (tzv. TLI – Trans-Lunar Injection), kterým urychlil posádku na únikovou rychlost 39 000 km/h směrem k Měsíci.

3. Mozek rakety: Přístrojová jednotka (Instrument Unit) #

Na vrcholu třetího stupně se nacházel třímetrový prstenec o tloušťce 90 cm – Instrument Unit (IU) vyvinutý společností IBM. Šlo o autonomní navigační a řídicí systém celé rakety. Obsahoval analogové i digitální počítače, gyroskopy a akcelerometry, které každou milisekundu vyhodnocovaly trajektorii rakety a hydraulicky natáčely obří motory, aby udržely raketu v dokonalém kurzu.

4. Historické dědictví #

Saturn V vynesla do vesmíru celkem 27 astronautů k Měsíci, z nichž 12 se úspěšně prošlo po lunárním povrchu (počínaje Neilem Armstrongem a Buzzem Aldrinem v misi Apollo 11 v červenci 1969). Raketa definovala zlatý věk kosmonautiky a její konstrukce dodnes představuje nepřekonatelný symbol inženýrského triumfu lidské civilizace.

5. Zdroje a reference #

Bilstein, R. E. (1980). Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles. NASA SP-4206.
Brooks, C. G., et al. (1979). Chariots for Apollo: A History of Manned Lunar Spacecraft. NASA SP-4205.
NASA Marshall Space Flight Center / Saturn V Technical Information Summary.

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Nosná raketa Saturn V – Konstrukční termomechanika, pohonné cykly a letová balistika

1. Technická specifikace a třístupňová konfigurace #

Saturn V (AS-501 až AS-513) byl super-těžký třístupňový nosič vyvinutý v rámci programu Apollo (NASA MSFC / Boeing, North American, Douglas, IBM).

Celková výška sestavy: $110.64,\text{m}$ (s únikovou věží LES $111,\text{m}$ ).
Maximální průměr: $10.06,\text{m}$ (stupně S-IC a S-II).
Startovní hmotnost (Apollo 11): $M_0 = 2,970,000,\text{kg}$ .
Nosnost na LEO ( $185,\text{km}$ , $i = 28.5^\circ$ ): $140,000,\text{kg}$ .
Nosnost na TLI (Trans-Lunar Injection): $48,600,\text{kg}$ .

2. Pohonné stupně a raketové motory #

Stupeň 1: S-IC (Boeing) #

Suchá hmotnost: $131,000,\text{kg}$ , plná hmotnost $2,280,000,\text{kg}$ .
Pohon: 5× motor Rocketdyne F-1 (spalovací cyklus s plynovým generátorem, palivo RP-1 / okysličovadlo LOX).
Tlak ve spalovací komoře: $p_c = 7.0,\text{MPa}$ ( $70,\text{bar}$ ).
Tah na hladině moře: $5 \times 6.77,\text{MN} = 33.85,\text{MN}$ (ve vakuu až $34.5,\text{MN}$ ).
Specifický impuls ( $I_{\text{sp}}$ ): $263,\text{s}$ (hladina moře) / $304,\text{s}$ (vakuum).
Průtok paliva: $\dot{m} = 12,890,\text{kg/s}$ (čerpadlo spotřebovávalo výkon 41 MW na každý motor).

Stupeň 2: S-II (North American Aviation) #

Suchá hmotnost: $36,000,\text{kg}$ , plná hmotnost $480,000,\text{kg}$ .
Pohon: 5× motor Rocketdyne J-2 (palivo tekutý vodík $LH_2$ / okysličovadlo $LOX$ ).
Tah ve vakuu: $5 \times 1.03,\text{MN} = 5.15,\text{MN}$ .
Specifický impuls ( $I_{\text{sp}}$ ): $421,\text{s}$ ve vakuu.
Strukturální inovace: Společná mezistěna (common bulkhead) z fenolického voštinového sendviče oddělující nádrž na $LH_2$ ( $20,\text{K}$ ) od nádrže na $LOX$ ( $90,\text{K}$ ).

Stupeň 3: S-IVB (Douglas Aircraft) #

Suchá hmotnost: $10,000,\text{kg}$ , plná hmotnost $120,000,\text{kg}$ .
Pohon: 1× motor Rocketdyne J-2 s možností restartu ve vakuu.
Tah ve vakuu: $1.03,\text{MN}$ , $I_{\text{sp}} = 421,\text{s}$ .
Zážeh 1 (vstup na parkovací orbit LEO): Doba hoření cca 150 s.
Zážeh 2 (TLI manévr): Doba hoření cca 350 s, $\Delta v_{\text{TLI}} \approx 3,050,\text{m/s}$ .

3. Ciolkovského rovnice a energetická efektivita #

Celkový přírůstek rychlosti sestavy Saturn V:

\Delta v_{\text{tot}} = \sum_{i=1}^3 g_0 I_{\text{sp},i} \ln \left( \frac{M_{0,i}}{M_{f,i}} \right) - \Delta v_{\text{grav}} - \Delta v_{\text{aero}} \approx 12\,500\,\text{m/s}

kde gravitační a aerodynamické ztráty v hustých vrstvách atmosféry činily $\Delta v_{\text{loss}} \approx 1,600 - 1,800,\text{m/s}$ .

4. Instrument Unit (IBM IU) #

Prstenec o průměru 6.6 m a hmotnosti 1 990 kg na bázi křemíkových tranzistorů:

Navigační počítač LVDC (Launch Vehicle Digital Computer): Frekvence 2.048 MHz, paměť 32 768 slov (28-bitových), trojitá modulární redundance (TMR) s většinovým hlasováním pro eliminaci poruch jednotlivých komponent.
Inerciální plošina ST-124-M3: Tříosý gyro-stabilizovaný systém s plovoucími gyroskopy.

5. Akademické reference #

Bilstein, R. E. (1980). Stages to Saturn. NASA SP-4206, Washington D.C.
NASA MSFC (1968). Saturn V Flight Manual SA-503. MSFC, Alabama.
Brooks, C. G., et al. (1979). Chariots for Apollo. NASA SP-4205.

Název rakety	Saturn V
Hlavní konstruktér	Wernher von Braun
Výrobce / Agentura	NASA / Boeing, North American, Douglas, IBM
Období provozu	1967–1973 (13 startů)
Úspěšnost startů	100 % (žádná havárie za letu)
Výška rakety	110,6 metru
Startovní hmotnost	2 970 tun
Startovní tah	34,5 Meganewtonů (MN)
Klíčový úspěch	Přistání 12 lidí na Měsíci (Apollo 11 až 17)

Počet stupňů	3 stupně na kapalná paliva
Motory 1. stupně	5× Rocketdyne F-1 (RP-1/LOX, tah 34 MN)
Motory 2. stupně	5× Rocketdyne J-2 (LH2/LOX, tah 5,15 MN)
Motor 3. stupně	1× Rocketdyne J-2 s restartem ve vakuu
Nosnost na L E O	140 000 kg
Nosnost na T L I ( Měsíc)	48 600 kg
Spotřeba paliva v 1. stupni	13 tun za sekundu
Řídicí počítač	IBM LVDC (trojitá redundance TMR, 2 MHz)

Nosná raketa Saturn V

Nosná raketa Saturn V

Obsah hesla

Nosná raketa Saturn V: Stroj, který dopravil člověka na Měsíc

1. Monstrózní rozměry a ohlušující výkon #

2. Tři stupně k cestě na Měsíc #

3. Mozek rakety: Přístrojová jednotka (Instrument Unit) #

4. Historické dědictví #

5. Zdroje a reference #

Nosná raketa Saturn V – Konstrukční termomechanika, pohonné cykly a letová balistika

1. Technická specifikace a třístupňová konfigurace #

2. Pohonné stupně a raketové motory #

Stupeň 1: S-IC (Boeing) #

Stupeň 2: S-II (North American Aviation) #

Stupeň 3: S-IVB (Douglas Aircraft) #

3. Ciolkovského rovnice a energetická efektivita #

4. Instrument Unit (IBM IU) #

5. Akademické reference #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Nosná raketa Saturn V

Obsah hesla

Nosná raketa Saturn V: Stroj, který dopravil člověka na Měsíc

1. Monstrózní rozměry a ohlušující výkon #

2. Tři stupně k cestě na Měsíc #

3. Mozek rakety: Přístrojová jednotka (Instrument Unit) #

4. Historické dědictví #

5. Zdroje a reference #

Nosná raketa Saturn V – Konstrukční termomechanika, pohonné cykly a letová balistika

1. Technická specifikace a třístupňová konfigurace #

2. Pohonné stupně a raketové motory #

Stupeň 1: S-IC (Boeing) #

Stupeň 2: S-II (North American Aviation) #

Stupeň 3: S-IVB (Douglas Aircraft) #

3. Ciolkovského rovnice a energetická efektivita #

4. Instrument Unit (IBM IU) #

5. Akademické reference #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík