W monstrum na Księżyc – Saturn V

25 maja 1961 roku prezydent Stanów Zjednoczonych, J.F. Kennedy, na specjalnej sesji Kongresu ogłosił ambitny plan wysłania człowieka na Księżyc, nim skończy się dekada. Była to odpowiedź Ameryki na lot Gagarina z 12 kwietnia 1961 roku, którego to lotu nie udało się przyćmić przygodą Alana Shepparda z 5 maja. Związek Sowiecki wygrał wyścig o pierwszego człowieka w kosmosie – Ameryka musiała więc dokonać czegoś więcej. Tym czymś miało być pierwsze lądowanie na Księżycu.

Dlatego wkrótce potem, kiedy Kennedy ogłosił swoją wizję programu kosmicznego, a NASA na dobre rozkręcała program lotów Merkury, a później i Gemini, w tle pracowano już nad programem Apollo, który miał zanieść ludzi na Księżyc. Ale by tego dokonać, potrzeba było zbudowania zupełnie nowej rakiety – o ówcześnie niespotykanej mocy. Zbudowania tej rakiety podjął się Wernher von Braun.

Wernher von Braun i jego marzenie

Von Braun marzył o locie na Księżyc od wczesnej młodości – choć jego głównym marzeniem było osobiste postawienie nogi na Srebrnym Globie. Dlatego od wczesnej młodości rozwijał swoje zainteresowanie technologią rakietową. Jednak wybuch II Wojny Światowej sprawił, iż von Braun musiał porzucić chwilowo swoje marzenia o Księżycu, kiedy został zwerbowany do prac wojennych. Był obywatelem Niemiec, został więc wciągnięty w wir wojny, a także w Partię Nazistowską.

Wernher_von_Braun
Wernher von Braun, w tle modele zaprojektowanych przez niego rakiet (NASA)

Do dziś toczą się dyskusje (bez definitywnej odpowiedzi) na temat tego, czy von Braun był nazistą, czy tylko udawał, by móc przetrwać i rozwijać technologię rakietową. Bez względu na to, faktem jest, iż to właśnie Wernher von Braun był liderem projektu rakiet V2, które w czasie II Wojny Światowej, zabiły tysiące osób.

Kiedy wojna zbliżała się ku końcowi i było oczywiste, że Niemcy przegrywają, von Braun zebrał swoich naukowców i wraz z planami rakiet i możliwym do zabrania sprzętem, uciekł na zachód, by oddać się w ręce Amerykanów. Werner von Braun wraz ze swoimi naukowcami oddał się w ręce Amerykanów w ramach Operacji Paperclip (Spinacz do papieru), kiedy to Amerykanie przetransportowali naukowców do USA i umieścili ich w barakach wojskowych. Przez kolejne lata von Braun przekazywał amerykańskim inżynierom swoją wiedzę na temat budowy rakiet V-2, choć wciąż marzył o locie na Księżyc – w wielu napisanych przez siebie artykułach próbował przekonać rząd USA do rozwijania programu kosmicznego, krytykując przy tym rozwój programu Vanguard – rakiet nośnych, które częściej wybuchały, niż osiągały jakiś sukces.

Pod koniec lat 40-tych, zespół naukowców przeniesiony został do Alabamy, by dalej rozwijać technologię rakietową, gdzie w ramach kontraktów rządowych w małym miasteczku Huntsville, zbudowano nowe ośrodki naukowe i fabryki, które wkrótce miały stać się Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla. Huntsville przeżyło swój renesans – miasteczko na nowo podniosło się po bankructwie, wywołanym upadkiem dominującego wcześniej przemysłu wojskowego.

Tam, w Alabamie, Wernher von Braun pracował nad swoim projektem rakiet zdolnych do wynoszenia obiektów na orbitę. Z uwagi na politykę nie udało mu się jednak przekonać rządu USA do wystrzelenia pierwszego sztucznego satelity. Dopiero Sputnik zmienił podejście amerykanów. Kiedy powołano NASA po 1957 roku, von Braun dostrzegł swoją szansę, by zrealizować marzenie lotów na Księżyc.

Dla von Brauna, Sputnik 1 okazał się kartą przetargową. Sputnik 1 został wystrzelony przez Związek Radziecki 4 października 1957 roku. Rząd USA szybko zwrócił się do ignorowanego wcześniej von Brauna. Ten, z nowym budżetem i wolną ręką, opracował rakiety Jupiter, które wkrótce, w styczniu 1958 roku wyniosły na orbitę pierwszego amerykańskiego sztucznego satelitę. To na bazie Jupiterów von Braun zaczął rozwijać projekt pierwszych Saturnów. Na przestrzeni kolejnych lat opracowano Saturna I i Saturna IB, które testowały technologie, a przede wszystkim silniki rakietowe F-1 i J-2.

Saturn I
Saturn I

By zrealizować plan Kennedy’iego, NASA potrzebowała rakiety tak potężnej, jak nigdy wcześniej. Zadania zbudowania największej rakiety świata podjął się właśnie Wernher von Braun, wtedy kierujący już należącym do NASA Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla.

Rakiety nośnej, zdolnej do wyniesienia obiektów na orbitę, nie dało się jednak zbudować od razu. Zanim bowiem Kennedy ogłosił swój plan księżycowy, USA rozwijało już projekt lotów kosmicznych. Ale nawet w 1961 wszyscy wiedzieli, iż trzeba będzie zacząć od prostszych rakiet.

Rola programów Merkury i Gemini

5 maja 1961 roku na niską orbitę poleciał Alan Sheppard. Był to lot w ramach programu lotów załogowych Merkury. Ale Merkury – pierwszy poważny program NASA, zaczął się od lotów bezzałogowych na małych rakietach Little Joe. Dopiero później NASA zaczęła eksperymentować z lotami z szympansami, by w końcu w 1961 roku wysłać na suborbitę pierwszego Amerykanina. Dopiero jakiś czas później, 20 lutego 1962 roku, oficjalnie na orbitę poleciał John Glenn – technicznie ujmując, pierwszy Amerykanin w kosmosie.

Pierwsze loty odbywały się na rakietach nośnych Little Joe, a później też na Atlasach, Redstone oraz Scoutach. Większość misji Little Joe i Scout było misjami bezzałogowymi, lub z załogą w postaci pojedynczych szympansów. Loty załogowe Merkury odbywały się już na Atlasach i Redstone. Same rakiety nośne Atlas i Redstone były zmodyfikowaną wersją Atlasów i Redstone’ów służących do przenoszenia ładunków nuklearnych – astronauci latali po prostu na zmodyfikowanych pociskach międzykontynentalnych.

Misje Gemini różniły się od Merkury ilością załogi – rakiety i kapsuły stawały się coraz większe, a w samych kapsułach latało już dwoje astronautów. Programy Merkury i Gemini miały charakter rozwojowy i eksperymentalny. Naukowcy oraz inżynierowie, łącznie z pracującym przy programach Wernherem von Braunem, opracowywali technologie, od samych rakiet nośnych przez elementy kapsuł i systemy awaryjnej ucieczki (montowane na szczycie kapsuł). Wszystkie te elementy były niezbędne do opracowania na potrzeby realizacji lotu na Księżyc.

Pierwszy Saturn

Kiedy NASA rozwijała technologie w ramach programów Merkury i Gemini, Wernher von Braun już wtedy pracował także nad rakietą, zdolną dostarczyć ludzi na Księżyc.

Przemówienie Kennedy’iego zdawać się może zaledwie dodatkiem, choć może i nawet źródłem dodatkowej motywacji i budżetu, bowiem NASA dała zielone światło na opracowanie księżycowej rakiety nośnej już w sylwestra 1959 roku, na wiele miesięcy przed przemówieniem styczniowym.

Saturn I, mający 49 metrów wysokości, wystartował 27 października 1961 roku, zataczając łuk nad Atlantykiem, wynosząc ładunek 136 kilometrów w górę. Saturn I startował na suborbitę cztery razy, do 28 marca 1963 roku.

29 stycznia 1964 roku poleciał Saturn IB – udoskonalona wersja Saturna. Rakieta miała za zadanie wynieść ładunek aż na orbitę, głównie z pomocą drugiego członu. Na orbitę w postaci makiety dostarczono 17 ton. Już 28 maja tego samego roku kolejny lot nowej wersji Saturna ponowił, z sukcesem, dostarczenie makiety na orbitę. Saturn I miał potem polecieć jeszcze 4 razy, już z misjami naukowymi (dostarczając na orbitę satelity eksperymentalne Pegasus). Nowe Saturny wynosiły ładunek nawet na orbitę na wysokość 740 kilometrów.

10 stycznia 1962 roku NASA dała oficjalnie zielone światło na budowę C-5, co było oznaczeniem kodowym Saturna V. W 1963 roku, kiedy coraz więcej testów nowej rakiety zwracało pozytywne rezultaty, NASA oficjalnie ogłosiła, iż załogowe misje Apollo polecą na Saturnach V. To właśnie w tym roku zmieniono nazwę z C-5 na oficjalną: Saturn V. NASA, wraz z Centrum Marshalla, wybrała podwykonawców: Boeing zbudował pierwszy człon, North American Aviation drugi, Douglas Aircraft trzeci, a IBM zajęło się jednostkami instrumentów z elektroniką itp.

25 maja 1966 roku, von Braun w końcu wytoczył do testów rakietę o oznaczeniu AS-500F – był to pierwszy gotowy Saturn V. Rzymska cyfra V znalazła się w nazwie rakiety z uwagi na liczbę głównych silników F-1, których było pięć w pierwszym członie.

Saturn V Apollo 17
Saturn V na stanowisku startowym – zdjęcie z ostatniej misji Apollo, o numerze 17 (NASA)

Saturn V

Saturn V był ponad 2 razy większy, niż rakiety Saturn I i Saturn IB. Miał 111 metrów wysokości. To prawie 18 metrów więcej, niż ma Statua Wolności. Nasz warszawski Pałac Kultury ma nieco ponad 180 metrów, można więc sobie nieco porównać. Waga rakiety, zatankowanej do pełna, wynosiła 2,8 miliona kilogramów. Saturny V były w stanie wynieść na orbitę Ziemi aż 130 ton, a na Księżyc dostarczyć 50 ton.

Każdy z Saturnów V składał się z 3 milionów części. Kiedy startował, produkował tyle energii, że byłby w stanie zasilić cały Nowy Jork przez 75 minut. Wszystko opracowano i zbudowano w zakładach Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville, w stanie Alabama.

Na potrzeby Saturnów V na Florydzie zbudowano wielką halę, w której cała rakieta była składana – później ta sama hala była wykorzystywana do składania wahadłowców kosmicznych. Zbudowane człony dostarczane były na Florydę, najczęściej na pływających barkach, testowano je w poziomie, a następnie składane były, pionowo, w hali montażowej. Pierwszy człon budowano w Nowym Orleanie i płynął na Florydę wielką rzeką Mississippi. Drugi człon budowano w Kalifornii i transportowano przez Kanał Panamski. Trzeci człon transportowano wielkim samolotem.

Złożone i ponownie przetestowane, Saturny V trafiały na Mobilną Platformę Startową, która była transportowana z hali montażowej na stanowisko startowe przez wielki crawler – olbrzymi gąsienicowy transporter, który lata później przewoził tą samą drogą wahadłowce kosmiczne.

Saturn V
Saturn V na mobilnej platformie startowej, transportowanej przez olbrzymi crawler – w tle, hala montażowa na Florydzie (NASA)

Pierwszą załogową misją Apollo, która poleciała na Saturnie, było Apollo 8. Załoga okrążyła Księżyc bez lądowania. Kolejne misje Apollo 9 i Apollo 10 testowały lądowniki na orbicie Ziemi i Księżyca, a dopiero Apollo 11 zaniósł pierwszych ludzi na powierzchnię Księżyca. Wszystkie misje Apollo od Apollo 4 aż do Apollo 17, latały na Saturnach V.

Każdy z Saturnów V misji Apollo miał trzy człony, które po kolei odpalały swoje silniki aż do wyczerpania paliwa. Kiedy dolny człon wypalał paliwo, był odstrzelony, a silniki drugiego członu podejmowały pracę i tak jeszcze raz, aż do trzeciego członu. Pierwsze dwa człony Saturnów V spadały na Ziemię, do oceanu, częściowo płonąc w atmosferze. Natomiast ostatni, trzeci człon albo zostawał na orbicie Ziemi, albo rozbijał się na Księżycu.

Pierwszy człon to S-IC, to najniższy człon z głównymi silnikami. Zbudował go Boeing, a pracował na silnikach F-1, opracowanych przez Rocketdyne. Każdy z silników F-1 produkował 1,5 miliona funtów ciągu, a było ich w pierwszym członie aż pięć sztuk. Wszystkie pięć silników spalało 15 ton kerosenu i ciekłego tlenu na sekundę. Drugi człon to S-II, napędzany pięcioma silnikami J-2, spalającymi ciekłe wodór i tlen. Trzeci człon to S-IVB, zasilany był pojedynczym silnikiem J-2. Ten człon zbudował McDonnell Douglas.

Pomiędzy poszczególnymi członami znajdowały się moduły łączące, pełne sprzętu potrzebnego do bezpiecznego odstrzelenia dolnego członu przez zapłonem wyższego, na który składały się głównie retrorakiety, służące do bezpiecznego odstrzelenia członu. Powyżej trzeciego członu znajdowała się osłona lądownika księżycowego, a nad nią sam pojazd Apollo – kapsuła wraz z modułem serwisowym.

Jeszcze wyżej znajdowała się wieża systemu awaryjnego – opracowana jeszcze na potrzeby programu Merkury, zawierała kilka rakiet, które w razie sytuacji awaryjnej odlatywały wraz z kapsułą załogową na bezpieczną odległość.

Pierwszy człon odpalał przez około 2 i pół minuty, po czym był odstrzelony. Drugi człon wynosił rakietę wyżej i odpalał przez 6 minut. W ten sposób Apollo docierało na wysokość 185 kilometrów, gdzie po odstrzeleniu drugiego członu, trzeci podejmował pracę, umieszczał pojazd na orbicie okołoziemskiej, po czym kierował go w kierunku Księżyca. Odpalał tym samym przez prawie 3 minuty. Ten ostatni człon nie był od razu odstrzeliwany – wpierw wynosił pojazd Apollo na orbitę okołoziemską, gdzie w ciągu sekund podejmowano decyzję „go/no-go” – czyli decyzję o kontynuacji misji. Jeśli wszystko szło sprawnie, trzeci człon odpalał ponownie i słał załogę na Księżyc, osiągając prędkość ucieczki – zdolną do przerzucenia pojazdu poza orbitę okołoziemską.

Jeśli coś by poszło nie tak, przed ponownym odpaleniem trzeciego członu można było go odstrzelić, a kapsułę Apollo skierować z powrotem na Ziemię.

Zejście ze sceny

Po zakończeniu programu Apollo i wyniesieniu na orbitę stacji Skylab, Saturny V miały dalej być wykorzystywane, na przykład do wystrzelenia sond Voyager 1 i 2, a nawet do wynoszenia wahadłowców kosmicznych. Główną przyczyną rezygnacji z tych planów były koszta – bez względu na moc i myśl technologiczną, Saturn V był niezwykle drogą rakietą do zbudowania i wystrzelenia. W przeliczeniu na dzisiejsze pieniądze, każda misja Apollo kosztowała około 800 milionów dolarów. Cały program Saturnów V – opracowania, budowy i wystrzelenia – w przeliczeniu na dzisiejsze pieniądze kosztował ponad 41 miliardów dolarów – a suma ta nie uwzględnia kapsuł i kosztów samej misji załogowej – tylko budowę i wystrzelenie rakiety nośnej.

Werner von Braun planował dalej rozwijać Saturny, zwiększając ilość silników, a także poprawiając ich osiągi, chcąc nawet wysłać ludzi na Marsa – dwa razy potężniejszy niż Saturn V, planowany Saturn MLV miał dostarczyć dwa razy więcej ładunku aż na Marsa w misjach planowanych w okolicach 1980 roku. Program Constellation po 2006 roku planował budowę Aresów na bazie Saturnów, a dzisiejszy program SLS od NASA to również spadkobierca projektów von Brauna.

Saturn V używany był regularnie do lotów misji Apollo na Księżyc, a następnie w programie stacji orbitalnej Skylab. To właśnie wtedy, w 1973 roku, ostatni Saturn V poleciał na orbitę Ziemi, wynosząc tam Skylaba. Do dziś jest najpotężniejszą rakietą w historii, a do tego rakietą z największych w historii udźwigiem, jeśli chodzi o ładunek wyniesiony poza orbitę Ziemi.

W sumie poleciało 13 Saturnów V, choć zbudowano ich 15 sztuk.

Kiedy Apollo 17 okazało się ostatnią misją na Księżyc, co było wynikiem potyczek finansowych i politycznych, NASA została z trzema Saturnami V, które zbudowano wcześniej – 12 rakiet wyniosło misje Apollo. Jeden z Saturnów został nieco zmodyfikowany w trzecim członie dla misji Skylab. Pozostałe dwa Saturny V trafiły ostatecznie do muzeów. Jeden z nich znajduje się w Centrum Kosmicznym Kennedy’iego na Florydzie, a drugi w Houston, w stanie Texas, w tamtejszym Centrum Kosmicznym. W Huntsville zaś, gdzie budowano Saturny, znajduje się replika rakiety w skali 1:1.

Popularną plotką krążącą w światku jest stwierdzenie, iż zgubiono plany techniczne Saturnów. Plotkę tę puścił John Lewis w swojej książce „Mining the Sky”. Samych dokumentów technicznych znaleźć faktycznie się nie udało, co potwierdziło NASA, ale oryginalne plany wciąż znajdują się w archiwach na mikrofilmach.

Do dziś Saturn V pozostaje najpotężniejszą rakietą świata, która pobiła rekord wynoszonego ładunku. Saturn V jest również jedyną rakietą w historii, która wyniosła ludzi poza orbitę okołoziemską. Ta rakiety nośne są cudem myśli inżynieryjnej XX wieku – myśli, która poszerzyła granice naszego bezpośredniego poznania dalej, niż sądzono, iż jest to możliwe w latach 60-tych.