Как люди на Луну летали, часть 3. Ракета

Часть 1. Программа "Джемини":  https://author.today/post/184058

Часть 2. Варианты трассы: https://author.today/post/186034

Сколько было "Сатурнов", если ракета, улетевшая на Луну, называлась "Сатурн-5"? А вот и нет, их было всего три. Причём Сатурна за номером 1 было две. И понимайте это как хотите.

Сатурн-1 был чисто экспериментальной ракетой с целью отработать инженерные решения на практике (где-то мы это уже слышали, да). Затем его модернизировали, заменив вторую ступень, и получились Сатурн-1B. А потом эту вторую ступень сделали третьей, и так получился Сатурн-5. А ещё чуть позже точно такую же неиспользованную ступень превратили в "Скайлэб". 

Это пример наглядно показывает одну из основных парадигм ракетной техники, которую на тот момент использовали американцы и которая повсеместно используется и сегодня: модульность. Вместо того, чтобы разрабатывать супертяжёлую ракету с нуля, они взяли уже готовую вторую ступень (на которой уже летали макеты "Аполлонов") и просто подняли её наверх, а макет заменили настоящим кораблём. Экономия налицо - хотя, как по мне, слово "экономия" применительно к программе "Аполлон" звучит как ругательство.

Однако задача перед янки всё равно стояла нетривиальная. Нужно было поднять на низкую опорную орбиту аж 140 тонн, из которых около 50 занимал сам корабль, а остальное - это третья ступень, которая давала импульс для запуска на траекторию к Луне. Это вам не это, как говорится: по сей день "Сатурн-5" остаётся самой грузоподъёмной и тяжёлой ракет из созданных человеком, но вовсе не потому, что никто не может повторить этот шедевр, а потому, что под него тупо нет задач. Т. е. американцам пришлось спроектировать супер-БелАЗ, который после завершения программы остался не у дел. 

Основная суть "Сатурна-5" мало чем отличалась от других ракет, разве что ступеней было аж три: это по-прежнему были огромные баки с топливом, к которым снизу прибили двигатели. Отличия были не в сути, а в цифрах, потому что двигателям тоже пришлось быть очень мощными, чтобы поднять весь этот хлам на орбиту. Вот простенькая схема:

Здесь стоит отметить ещё одну парадигму, которая, на мой взгляд, стала одним из решающих факторов в лунной гонке. Как проходила разработка ракетно-космической техники раньше? Очень просто: инженеры что-то посчитали, построили, запустили, посмотрели, что с ней случилось. Если упала - давайте искать ошибки. Надо понимать, что никаких CAD/CAM/CAE систем тогда не существовало, всё чертили и считали ручками. Причём, к примеру, в сопромате уже существовал метод конечных элементов, но область его применения оставалась весьма ограниченной из-за ограничения мощности компьютеров. А чертили примерно вот так:

Однако в случае с двигателем F-1 всё получилось немного иначе. Изначально он не предназначался для "Сатурна", просто в один прекрасный день вояки пришли в Рокетдайн и сказали: 

- Слушайте, ребята, тут через тридцать лет Ваха выйдет, мы хотим быть готовыми к этому знаменательному событию. Нам нужен БОЛЬШОЙ ракетный двигатель.

- Насколько большой? - спрашивают в Рокетдайн. А военные такие:

Ну а этим что, ваши деньги - ваши капризы. Взяли и разработали. Правда, на полпути какая-то светлая голова в ВВС задумалась о том, где этот двигатель применять, и оказалось, что негде, поэтому разработку бросили - ну, эти американцы, вы понимаете... Но чертежи благоразумно сохранили, и не зря - вскоре с тем же вопросом к ним постучались уже из NASA. Только в отличие от вояк там уже знали, для чего им нужен БОЛЬШОЙ ракетный двигатель.

Чтоб вы поняли, насколько он большой, вот вам Вернер фон Браун на фоне ракетной жопы:

И вот инженеры посмотрели на то, что получается, и подумали: ребзя, а ведь если такая штука бабахнет, мало никому не покажется. Вон, со стабильностью горения куча проблем, то и дело прототипы жахают. И бабла такой комплекс стоит немеренно. Может, сначала получше проверим всё?

- А давайте, - сказали в NASA, подкрепили свои слова очередной порцией вечнозелёных, и все заверте...

В общем, инженеры построили стенд и модели, битком набитые датчиками, а к камере сгорания присоединили специальные патрубки, в которых взрывали небольшие бомбы. Поток газов от этих бомб устремлялся в камеру, и можно было легко отследить, как ведёт себя конструкция, и внести необходимые коррекции. В результате денег вбухали в это дофига, зато ни один из "Сатурнов" в конечном итоге не бабахнул - двигатели работали как часы. Аналогичные стенды устроили для двигателей других ступеней, а потом и для самих ступеней тоже. Вот как выглядели огневые испытания F-1:

Короче говоря, американцы вспомнили про старую поговорку "семь раз отмерь - один отрежь", и в то время как в СССР бабахала Н-1, они спокойно продолжали доводить конструкцию до совершенства (ну, ладно, Н-1 пускать начали когда американцы уже собирались на Луну высаживаться). Да, это стоило сотен нефти. Но зато двигатели не бабахали. Вообще.

Тут стоит сделать небольшое отступление и пояснить, зачем это нужно. Жидкостные ракетные двигатели работают в крайне экстремальных условиях. Хотя конструктивно первая ступень ракеты это просто огромный бак с двигателями, от него требуется охренеть какая тяга и высокий удельный импульс, да ещё и внешние условия изменяются по мере набора высоты. Более того, обычные для самолётов воздушно-реактивные двигатели не годятся для ракет, потому что в какой-то момент воздух попросту заканчивается (существует проект SABRE, который может переключаться между режимами, но это исключение). Как следствие, надёжность ЖРД снижается по мере увеличения тяговооружённости, и компенсировать это следует тотальной проверкой всего, что только можно.

Почему же всё-таки Сатурн-5 имеет номер 5? Потому что проектов действительно было пять, просто до реализации добрались только Сатурн-1 и Сатурн-5. Остальные так и остались концептами.

Ракета оказалась настолько большой, что делали её по частям: первую ступень - "Боинг" (а двигатели - "Рокетдайн"), вторую - "Норт Амэрикен", третью - "МакДоннел Дуглас". Командный модуль "Аполлона" делали "Рокуэлл", а лунный - "Грумман". А сколько было субподрядчиков, и вовсе не счесть. Потом это аукнется американцам во время полёта "Аполлона-13", к которому мы ещё вернёмся, но в целом из-за описанного выше подхода надёжность всей системы была просто беспрецедентной. 

Спокойно, ребята, мы всё рассчитали!