Saturn V (Saturn 5) je americká vícestupňová nosná raketa, používaná v programu Apollo a Skylab. Byla to největší raketa typu Saturn, i když NASA měla připravené návrhy i větších a silnějších raket, například rakety Nova. Saturn V byl navržen a vyvinut v Marshall Space Flight Center pod vedením Wernhera von Brauna, který v průběhu druhé světové války pracoval na německém programu raketových střel V-2. Hlavními dodavateli byly firmy Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft a IBM.
Od 1967 do 1973 NASA vypustila třináct raket Saturn V bez toho, aby ztratila jedinou. Apollo 6 a Apollo 13 měly sice poruchy motorů, palubní počítače to ale dokázaly eliminovat tím, že ostatní motory nechaly běžet déle. Hlavní úlohou těchto raket bylo vynést kosmickou loď Apollo, která potom dopravila astronauty NASA na Měsíc. Tyto rakety též vynesly kosmickou stanici Skylab a byly plánovány i jako hlavní nosné rakety pro později zrušený program kosmických sond na Mars (Voyager). Tento projekt byl v roce 1976 nahrazen programem Viking.
Pozadí náhled|left|Arthur Rudolph – vedoucí projektu Saturn V Na přelomu padesátých a šedesátých let dvacátého století měl Sovětský svaz v kosmických závodech výrazný náskok před Spojenými státy. V roce 1957 Sověti vypustili Sputnik 1, první umělou družici a 12. dubna 1961 se Jurij Gagarin stal prvním člověkem, který uskutečnil oblet Země.
25. května 1961 prezident USA Kennedy oznámil, že Amerika se pokusí do konce dekády přistát na Měsíci. V té době jedinou zkušeností Spojených států s pilotovanými kosmickými loďmi byl 15minutový suborbitální let lodě Freedom 7 s astronautem Alanem Shepardem. Žádná raketa na světě by v té době nebyla schopná vynést najednou celou kosmickou loď na Měsíc. Raketa Saturn I byla sice ve vývoji, ale ještě neletěla. I tak by kvůli své malé velikosti bylo nutno více startů na vynesení všech součástí kosmické lodi pro cestu k Měsíci.
Na začátku plánovacího procesu NASA uvažovala o třech hlavních způsobech letu na Měsíc: Spojení na zemské orbitě, přímý let a spojení na lunární orbitě. Jako první NASA zavrhla spojení na orbitě Měsíce (s odůvodněním, že tato spojení by mělo proběhnout nejprve na zemské orbitě). Nakonec se rozhodlo, že spojení na zemské orbitě je nejrychlejší a nejsnazší způsob jako dosáhnout cíle, který vytyčil prezident Kennedy.
Od 1960 do 1962 Marshall Space Flight Center (MSFC) vyvíjelo rakety, které se daly použít pro různé mise. Začínalo s modelem C-1, z něhož se později vyvinul model Saturn I. Ve své první verzi jako Saturn I měl dva stupně a byl určen na testy maket lodí Apollo na oběžné dráze Země. První stupeň byl poháněn osmi motory H-1 (tah 8× 835 kN), které spalovaly kapalný kyslík a letecký petrolej RP-1. Druhý stupeň S-IV měl šest motorů RL-10 (tah 6× 67 kN), které spalovaly kapalný kyslík a vodík. Nosnost byla 9 100 kg. Saturn IB vznikl výměnou druhého stupně za stupeň S-IVB, který měl jen jeden kyslíkovo-vodíkový motor J-2 (tah 1 000 kN).
První stupeň měl tah zesílený na 8× 912 kN. Nosnost tím vzrostla na 14 000 kg. Vývoj rakety C-2 se nedostal daleko. MSFC jej zrušila ve prospěch vývoje modelu C-3, kde použila dva motory F-1 na prvním stupni, čtyři motory J-2 na druhém stupni a na stupni S-IV šest motorů RL-10. NASA plánovala použít tuto raketu jako součást konceptu spojení na zemské oběžné dráze, kdy by potřebovala nejméně čtyři až pět startů pro jedinou misi.
MSFC ale plánovalo postavit ještě větší raketu C-4. Ta by použila stupeň S-IVB s jedním motorem J-2.Bilstein, kapitola Mission Profile and Design, s. 59–60. Na jejím prvním stupni by byly čtyři motory F-1. Druhý stupeň měl být zvětšená verze druhého stupně rakety C-3.Sloop, s. 230–235. Tato raketa by potřebovala jen dva starty pro jednu misi.
10. ledna 1962 NASA oznámila plán postavit raketu C-5. Ta měla mít pět motorů F-1 na prvním stupni, pět motorů J-2 na druhém stupni a třetí stupeň S-IVB. V třístupňové verzi měla nosnost 45 000 kg k Měsíci. První čtyři starty měly otestovat všechny stupně rakety s tím, že poslední testovací let měl být okolo Měsíce. První pilotovaný let se neměl uskutečnit dříve než v roce 1969 (nakonec se však první let s lidskou posádkou uskutečnil v prosinci 1968).
V polovině roku 1962 se NASA rozhodla, že otestuje všechny tři stupně už na prvním testovacím letu. To by zkrátilo čas na testy a vývoj, ale jen v případě, že všechny tři stupně by pracovaly perfektně. Též zredukovala počet potřebných raket z 25 na 15. V roce 1963 byla raketa C-5 přejmenována na Saturn V. V tom samém roce firma Rocketdyne dodala do Marshall Space Flight Center první motory F-1, určené pro statické testy.Bilstein, kapitola From Static Test Through Flight Test, s. 124. Ve druhé polovině roku 1966 vrcholila série statických zkoušek a 6. září byl motor F-1 kvalifikován pro mise s lidskou posádkou. Po několika letech intenzivního vývoje a testů raketa poprvé vzlétla 9. listopadu 1967 s nepilotovanou kosmickou lodí Apollo 4.
Technologie Saturn V byl více než 110 m vysoký s průměrem 10 m. Naplněn palivem vážil necelé tři tisíce tun, byl schopen vynést 118 000 kg užitečného nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země. Pro porovnání, výškou by se vyrovnal druhému největšímu mrakodrapu v České republice City Tower na Pankráci. Svými parametry tedy vysoce převyšoval všechny do té doby postavené nosné rakety.
Saturn V byl navržen v Marshall Space Flight Center v Huntsville. Používal nové výkonné motory F-1 a J-2. Vývojáři od počátku vycházeli z technologii a zkušenosti získaných při vývoji rakety Saturn I. Třetí stupeň, S-IVB, rakety Saturn V byl postaven na základě druhého stupně S-IV rakety Saturn I a byl identický s druhým stupněm Saturnu IB. Přístrojová sekce, která kontrolovala všechny měřené veličiny a řídila Saturn V během aktivní fáze letu, byla dalším vývojovým stupněm jednotek použitých už na Saturnu I a byla identická s jednotkou Saturnu IB.
Stupně náhled|Schéma rakety Saturn V
Saturn V se skládal z tří stupňů a přístrojové části, které byly vyvinuty a dodány společnostmi Boeing North American Aviation a Douglas Aircraft. V současnosti je vlastníkem všech tří dodavatelů firma The Boeing Company. Dodavatelem motorů byla společnost Rocketdyne. Dalšími subdodavateli byly například společnosti IBM, Honeywell, Texas Instruments, Chrysler.Bilstein, Appendix E: Saturn V Subcontractors.
Všechny tři stupně používaly i malé motory na tuhé palivo společnosti Thiokol, které po oddělení stupeň zpomalily a zabránily tak zpětnému kontaktu popřípadě srážce se zbytkem rakety. Další série pomocných motorů, tentokrát na kapalné pohonné látky, byla umístěna na třetím stupni. Jejich úkol byl dodat stupni počáteční impuls, při druhém zážehu. Druhý zážeh probíhal ve stavu beztíže a toto „postrčení“ bylo potřeba pro natlačení kapalného paliva k sacímu hrdlu turbočerpadel.Bilstein, kapitola Propulsion: Propellant Utilization Subsystem, s. 181–182. (viz Raketový motor na kapalné pohonné látky – nevýhody)
V případě, že by přerušení letu vyžadovalo zničení rakety, příslušný pracovník Eastern Test Range by vyslal povel k aktivaci sebedestrukční sekvence. Nejprve měly být odstaveny motory, poté by byl aktivován únikový systém, který by zajistil oddělení velitelského modulu a oddálil ho od rakety. Poté by byly odpáleny tvarové nálože, které byly navrženy na přesné protržení nádrží a bezpečný rozptyl pohonných látek do okolí.Bilstein, kapitola Stage Separation and Ordnance, s. 225–226.
S-IC první stupeň náhled|left|První stupeň Apollo 8 Saturn V je vztyčován VAB 1. ledna 1968
První stupeň S-IC byl zcela jiné konstrukce než první stupeň Saturnu I a Saturnu IB. Tyto předchozí stupně byly sestaveny z trupů starších raket Redstone a Jupiter a vycházely z koncepce von Braunova projektu Super-Jupiter (viz Saturn I – historie). Nový stupeň však měl být mnohem větší a byl projektován zcela od začátku. V raných stádiích konceptu Saturnu V, tehdy ještě pod názvem C-5, byly definovány základní parametry. Průměr měl být 10 metrů, výška 40 metrů a měl být vybaven čtyřmi motory F-1 na RP-1 a kapalný kyslík. Na počátku roku 1961 byl počet motorů zvýšen na pět. Kontrakt na vývoj a výrobu byl udělen společnosti Boeing a práce probíhaly v Michoud Assembly Facility v New Orleans. (později zde byly vyráběny externí nádrže pro Space Shuttle).
Konstrukce stupně sestávala z oddělených nádrží na palivo a okysličovadlo, podpůrné konstrukce, a předního adaptéru pro druhý stupeň. Rozměry těchto hlavních komponent byly obrovské a jejich výroba představovala velký problém. Většina konstrukčních prvků byla vyrobena ze slitin hliníku a spojování částí bylo realizováno pomocí svarů. Kvůli velikosti jednotlivých segmentů musely být svary velmi dlouhé a zároveň dokonalé. Byly proto vyvinuty nové postupy svařování a každý svár musel být kontrolován na průsaky a skryté vady. Svařování bylo komplikováno také rozdílnými tloušťkami spojovaných plátů a obtížnou svařitelností nových slitin. Na práce dohlíželi zástupci Marshall Space Flight Center, kteří na průběh prací v Michoud Assembly Facility dohlíželi a podíleli se na vývoji.
S-II druhý stupeň S-II byl postaven firmou North American Aviation v Seal Beach. Jako palivo používal tekutý vodík a jako okysličovadlo tekutý kyslík. Jeho pět motorů J-2 bylo uspořádáno podobně jako na stupni S-IC. Druhý stupeň poháněl Saturn V během průletu horními vrstvami atmosféry a disponoval tahem 5 MN. Po natankování tvořilo 97 % hmotnosti stupně palivo a okysličovadlo. Namísto toho, aby byly nádrže fyzicky oddělené podobně jako u prvního stupně, použili u S-II konstruktéři příčku na vrchu nádrže s kyslíkem a na spodku nádrže s vodíkem. Příčka byla složená ze dvou hliníkových desek oddělených plastem z fenolové živice. Ta měla izolovat 70 °C teplotní rozdíl mezi nádržemi. Použití této příčky ušetřilo 3,6 tuny.Bilstein, kapitola S-II Configuration, s. 211–213.
S-IVB třetí stupeň right|náhled|Řez třetím stupněm S-IVB byl postaven ve firmě Douglas Aircraft Company v Huntington Beach. Používal jeden motor J-2 a stejné palivo jako druhý stupeň. Tento stupeň byl v průběhu mise použit dvakrát: poprvé po oddělení druhého stupně pro vstup na oběžnou dráhu a později pro navedení na translunární dráhu.Bilstein, kapitola Mission Profile and Design, s. 161–163. Tento stupeň též měl fenolovou příčku na oddělení nádrží. S-IVB byl jediný ze stupňů Saturnu V, který byl dostatečně malý na to, aby se dal převážet letadlem, v tomto případě letadlem Aero Spacelines Super Guppy. Kromě mezistupňového adaptéru byl tento stupeň skoro identický se druhým stupněm rakety Saturn IB.
Přístrojová část Přístrojová část Saturnu byla vyvinuta firmou IBM a byla umístěna na vrchu třetího stupně. Postavena byla v Space Systems Center v Huntsville. Počítač kontroloval a řídil operace od několika sekund před startem až po odhození třetího stupně. To zahrnovalo řízení navigačních a telemetrických systémů rakety. Měřením zrychlení a dosažené výšky byl schopen vypočítat pozici a rychlost rakety a upravit odchylky.Bilstein, kapitola Evolution of the IU, s. 244–245.
Porovnání right|náhled|Raketové motory F-1 na prvním stupni S-IC spolu se svým tvůrcem Wernherem von Braunem.