Il Saturn V è un razzo multistadio a propellente liquido, non riutilizzabile, usato dalla NASA nei programmi Apollo e Skylab. È il modello fisicamente più grande mai prodotto della famiglia di razzi Saturn sviluppata sotto la direzione di Wernher von Braun e di Arthur Rudolph al Marshall Space Flight Center.
Un totale di 13 Saturn V furono lanciati tra il 1967 e il 1973 e tutti i lanci si conclusero con successo. Il carico principale per cui questi razzi furono utilizzati fu la serie di missioni Apollo che permisero a 12 astronauti di atterrare sulla Luna; è stato l'unico mezzo in grado di portare l'uomo su un altro corpo celeste.
Tutti i Saturn V furono lanciati dal Launch Complex 39, appositamente costruito al John F. Kennedy Space Center. Il controllo della missione veniva trasferito al Johnson Space Center di Houston (Texas) non appena il razzo lasciava la rampa di lancio.
Contesto storico
Nei primi anni sessanta l'Unione Sovietica raggiunse diversi traguardi nel settore spaziale prima degli Stati Uniti: su tutti il lancio del primo satellite artificiale Sputnik 1 nel 1957 e il primo volo umano nello spazio con Jurij Gagarin nel 1961. Il traguardo successivo, che avrebbe permesso a chi lo avesse raggiunto di essere visto dal resto del mondo come leader del settore spaziale, era il raggiungimento della Luna da parte di un uomo. Saturn V fu il razzo con cui gli Stati Uniti decisero di lanciare la corsa allo spazio.
Il 25 maggio 1961, il presidente John F. Kennedy annunciò a una sessione speciale del Congresso che gli Stati Uniti si sarebbero impegnati nell'obiettivo di mandare un uomo sulla Luna prima della fine del decennioGli esperti della NASA avevano indicato che l'atterraggio sulla Luna poteva essere realizzato già nel 1967, ma l'amministratore dell'agenzia, James E. Webb, ha preferito aggiungere due anni per tenere conto di potenziali contrattempi (Fonte: NASA - Monografia Progetto Apollo: una analisi retrospettiva)..
A quel tempo, l'unica esperienza degli Stati Uniti nel volo spaziale umano era rappresentata dal volo suborbitale di Alan Shepard nella missione Mercury-Redstone 3. Nessun razzo posseduto dagli statunitensi era in grado di inviare una navicella sulla Luna. Il razzo Saturn I era ancora in fase di sviluppo e non era mai decollato ed inoltre con le sue piccole dimensioni sarebbero occorsi diversi lanci per mettere in orbita tutte le componenti di un modulo lunare.
All'inizio del progetto, la NASA studiò tre differenti architetture per delle missioni lunari: il rendezvous in orbita terrestre (Earth Orbit Rendezvous o EOR) costituito da una serie di razzi piccoli con un carico parziale da montare in orbita, l'ascesa diretta e il rendezvous in orbita lunare (Lunar orbit rendezvous o LOR).
Anche se in un primo momento la NASA respinse l'idea dello scenario LOR perché considerato poco sicuro, quest'ultimo fu in seguito rivalutato e infine adottato sia per la sua semplicità, sia considerando che il suo sviluppo, richiedendo minor tempo, avrebbe permesso di centrare l'obiettivo nei tempi prestabiliti..
Il vantaggio più significativo dello scenario LOR era che non richiedeva, contrariamente all'ascesa diretta, un razzo di dimensioni tali come avrebbe dovuto essere il lanciatore Nova previsto in un primo momento.
La realizzazione della missione lunare LOR comunque richiese lo sviluppo di un lanciatore molto più potente di quelli disponibili nel 1960. La progettazione del nuovo veicolo di lancio fu assegnata al team diretto da Wernher von Braun. Il 10 gennaio 1962, la NASA annunciò la costruzione del Saturn V, all'epoca chiamato Saturn C-5. Nel 1963 fu costruito il primo motore. Dopo anni di progetti e test, il primo volo del razzo avvenne il 9 novembre 1967, con a bordo la capsula senza equipaggio Apollo 4.
Lo sviluppo del Saturn V
Saturn V è l'ultimo razzo della famiglia di veicoli di lancio Saturn, sviluppato nel 1960 presso il Marshall Space Flight Center (MSFC).
Da C-1 a C-4
Il razzo Saturn C-1 fu il primo progetto avviato dalle squadre dirette da Wernher von Braun, nell'aprile del 1957, per sviluppare veicoli di lancio per varie applicazioni sia militari che civili. Questi progetti avevano il nome di "Super Jupiter" e "Juno" prima di essere ribattezzati come "Saturn", nel febbraio 1959.
In seguito si arrivò a progettare il Saturn C-2 che fu presto abbandonato a favore del Saturn C-3 che utilizzava già due motori F-1 per il primo stadio, quattro motori J-2 per il secondo e dieci motori RL-10 per il terzo. Prima di essere fatta la scelta definitiva sullo scenario da seguire per la missione lunare, la NASA aveva previsto di utilizzare il C-3 come razzo vettore per lo scenario di rendezvous in orbita terrestre. In questo caso era previsto il lancio di quattro o cinque C-3 per realizzare un'unica missione lunare.
Ma il gruppo di sviluppo guidato da Von Braun sviluppò poco dopo il Saturn C-4 con prestazioni ancora più elevate. Esso disponeva di quattro motori F-1 per il primo stadio, un secondo stadio simile al C-3 e un unico motore J-2 per il terzo. Con il C-4 erano necessari soltanto due lanci per realizzare lo scenario di rendezvous in orbita terrestre.
C-5
Il 10 gennaio 1962, la NASA annunciò il programma per costruire il missile C-5. Fu previsto che fosse dotato di cinque motori F-1 per il primo stadio, cinque motori J-2 per il secondo e uno per il terzo. Inizialmente, i primi quattro voli dovevano essere dei test, i primi tre in successione per testare il corretto funzionamento dei tre stadi e il quarto come missione senza equipaggio in orbita lunare.
A metà del 1962, la NASA decise di realizzare un piano di test che prevedeva tutte le prove sugli stadi in un unico volo, il che ridusse notevolmente il tempo e il numero dei razzi necessari. Ma tutto ciò dipese dal buon funzionamento dei tre stadi fin dal primo lancio.
Nel 1963, il C-5 fu ribattezzato Saturn V e vennero prodotti i motori dall'azienda Rocketdyne. L'anno seguente il motore F-1 ricevette la qualifica completa per essere utilizzato in missioni con equipaggio.
Il 9 novembre 1967 si ebbe il primo lancio di un Saturn V con a bordo la navicella spaziale priva di equipaggio Apollo 4. Il primo lancio con equipaggio si ebbe nel 1968 con la missione Apollo 8 che portò gli astronauti Frank Borman (comandante), James Lovell e William Anders per la prima volta in orbita lunare. Inizialmente questa missione doveva essere soltanto un test del modulo lunare in orbita terrestre. Essendo la realizzazione di quest'ultimo in ritardo, i vertici della NASA decisero di cambiare i piani.
Tecnologia
Il Saturn V è senza dubbio una delle macchine più imponenti mai create dall'uomo.
Alto e largo 10, con una massa a vuoto di 130 t e una superiore a 3000 t a pieno carico, aveva una capacità teorica di lanciare in orbita bassa (LEO) 140 tonnellate. Il razzo Saturn V era un dispositivo colossale, per fare un raffronto di dimensioni, il Saturn V era approssimativamente alto come l'arco de La Défense a Parigi. Il suo primato di grandezza è stato battuto solo dal recente Starship, razzo della Space X.
Saturn V era stato progettato principalmente dal Marshall Space Flight Center di Huntsville in Alabama sotto la direzione di Wernher von Braun. Molti dei suoi vari componenti sono stati progettati da diversi appaltatori.
I progettisti decisero fin dall'inizio di usare al massimo la tecnologia già utilizzata per il Saturn I nel Saturn V. Così il terzo stadio S-IVB del Saturn V era basato sul primo stadio S-IV del Saturn I. Allo stesso modo, la strumentazione di bordo che controllava il volo del Saturn V possedeva caratteristiche in comune con quelle di Saturn I.
Il Saturn V è stato l'oggetto più grande mai fatto volare dall'uomo, secondo solo allo Starship di Space X, venuto quasi 50 anni dopo. Paragonabile per stazza ad una "nave volante", infatti era talmente pesante che la sua massa nel momento del decollo era pari a quella di una piccola nave da battaglia. Quando veniva lanciato dal Cape Kennedy, generava piccole scosse sismiche percepibili dai sismografi di tutto il Paese e le vibrazioni erano tali che, anche a di distanza, chi assisteva al lancio veniva scosso da queste. Per la grande quantità di carburante che aveva, veniva considerato una "bomba volante" e soltanto tre persone potevano infrangere il limite di sicurezza dei 3 km: gli astronauti. Infatti, se qualcosa fosse andato storto, chi si fosse trovato vicino avrebbe potuto subire gravi lesioni all'udito, oltre che rischiare di essere colpito dai detriti dell'esplosione.
Stadi del razzo
Tranne che per uno dei suoi voli, il razzo Saturn V fu sempre composto in tre stadi (S-IC, S-II e S-IVB) e una zona dedicata alla strumentazione di controllo. Tutti e tre gli stadi utilizzavano l'ossigeno liquido (LOX) come ossidante. Come propellente, inoltre, il primo stadio utilizzava Cherosene (RP-1), mentre il secondo e il terzo idrogeno liquido (LH2). I tre stadi furono anche dotati di piccoli motori a combustibile solido, utilizzati per dare una spinta aggiuntiva della durata di pochi secondi al razzo per favorire la separazione degli stadi durante il lancio e garantire che i propellenti liquidi fossero sempre in fondo ai serbatoi in modo da avere un corretto funzionamento delle pompe. Gli stadi furono sviluppati da diversi appaltatori per conto della NASA.
Stadio S-IC
Lo stadio S-IC fu costruito dalla Boeing presso il Michoud Assembly Center a New Orleans, dove venne in seguito costruito anche il serbatoio esterno dello Space Shuttle. Come per la maggior parte degli stadi dei razzi, quasi tutta la massa delle al decollo era costituita dal propellente, in questo caso il cherosene RP-1 e l'ossigeno liquido.
Lo stadio era alto 42 metri per 10 m di diametro e forniva una spinta di 3 500 tPer la precisione la spinta è di 34 MN. per le prime 38 miglia di salita (61 km).
I cinque motori F-1, di cui era dotato, possedevano una dislocazione a croce. Il motore centrale era fisso, mentre i quattro più esterni erano in grado di ruotare, grazie a dei martinetti idraulici, allo scopo di guidare il razzo.
Stadio S-II
Lo stadio S-II era costruito dalla North American Aviation a Seal Beach, in California. Come propellente utilizzava ossigeno e idrogeno liquidi e i suoi cinque motori J-2 avevano una disposizione simile a quelli di S-IC. Il secondo stadio era utilizzato per accelerare il Saturn V attraverso gli strati superiori dell'atmosfera, grazie a di spinta. A carico completo, il 97% del peso era dato dal propellente.
Invece di avere una struttura propria posta tra i due serbatoi di propellente, come la S-IC, S-II ne possedeva una di base comune tra il fondo del serbatoio del LOX e la parte superiore del serbatoio di LH2. La separazione era realizzata grazie a due fogli di alluminio realizzati in una struttura a nido d'ape. Essa era in grado di fornire un isolamento termico tra i due serbatoi che possedevano una differenza di temperatura di 70 °C.
Stadio S-IVB
Lo stadio S-IVB era prodotto dalla Douglas Aircraft Company a Huntington Beach, in California. Possedeva un motore J-2 che utilizzava lo stesso propellente di S-II. L'S-IVB possedeva inoltre anche una struttura di base comune per separare i due serbatoi. Questo stadio veniva utilizzato due volte nel corso di una missione lunare, la prima volta in orbita dopo aver finito l'utilizzo del secondo stadio e poi veniva acceso una seconda volta (Trans Lunar Injection o TLI) per inserire il complesso in una traiettoria di trasferimento verso la Luna.
Due sistemi di propulsione ausiliaria a combustibili liquidi venivano utilizzati per un controllo di assetto durante il passaggio dall'orbita parcheggio alla traiettoria di inserzione lunare. I due sistemi ausiliari erano anche utilizzati per garantire un corretto posizionamento dei propellenti prima della seconda accensione.