 |
| Saturn V:n tarina on saatavissa kuunnelmana |
Saturnuksen tarina alkaa kolmannen valtakunnan suuruuden päivistä. Wernher von Braun oli kehittänyt nestekäyttöisiä raketteja jo 1930-luvun alusta saakka. Berliinin teknillisen korkeakoulun fuxi vuodelta 1930 paukutti dippatyönsä jo 1932 ja edelleen fysiikan tohtorin heinäkuussa 1934, mihin aikoihin hän laukoi rakettejaan jo 3,5 km korkeuteen. Natsipuolueeseen 1937 jäsennumerolla 5738692 liittynyt Von Braun liittyi edelleen SS:ään jäsennumerolla 185068. Natsi nakattiin ennen pitkää Peenemünden saarelle, natsi-Saksan Rovajärvelle tekemään kolttosiaan. Siellä rakentuivat Aggregat-sarjan raketit, joista neljäs malli, A-4, tultiin tuntemaan ensimmäisenä ballistisena ohjuksena, V-2:na.
Etanolia (75%, loput vettä) ja nestehappea polttava Hitlerin kosto painoi 12,5 tonnia ja toimitti hieman vajaan tonnin (910 kg) amatolia (60 % trinitrotolueenia, 40 % ammoniumnitraattia) 320 km päähän käyden matkallaan yli 80 km korkeudessa. A-4 käytti neljää merkittävää ja mullistavaa teknologiaa: nestemäisen polttoaineen lisäksi se käytti yliääniaerodynamiikkaa, gyroskooppivakautusta (yksi gyro vaaka-, ja toinen pystyakselin ympäri) sekä suihkuvirtauksen ohjaukseen käytettiin neljää suurta grafiittilaippaa, millä alusta myös ohjattiin neljän pyrstösiivekkeen ohella.
Polttoainetta ja hapetinta pumpattiin polttokammioon höyryturbiinilla, jota ajoi konsentroidun vetyperoksidin kaasuuntuminen natriumpermanganaattikatalyytissä. Vesietanoliseosta ajettiin polttokammioon 1224 suuttimen kautta, minkä lisäksi seosta ajettiin pitkin polttokammion reunaa, missä se toimi jäähdyttävänä kerroksena ja paloi vasta päästessään suihkusuuttimesta ulos vapaaseen ilmaan (tämän takia V-2:n lentoliekki on niin sakea ja kirkkaan oranssi; sodanjälkeisissa koelaukaisuissa ilman tätä sivupuhallusta liekki on kirkas ja muodostaa Machin timantteja, kuten muutkin raketit). Gyroskoopit syöttivät asentodataa primitiiviselle analogiselle tietokoneelle, joka sääti raketin atsimuuttia eli suunnan horisontaalikomponenttia. Lentoradan pituutta sääti Brennschluss, mikä saattoi toimia eri vaiheissa sotaa joko Doppler-tyyppisen radioaltimetrin ohjauskäskyllä, kiihtyvyysantturin kynnyksen avulla tai kuparilevylle lasketun hapon luomalla kemiallisella ajastimella – kun suurin osa kuparista oli liuennut, virtapiiri katkesi ja moottori sammutettiin. Tästä eteenpäin puikoissa oli Sir Isaac Newton.
 |
| V-2. |
Matka universumiin
Kun Hitlerin arvio tuhatvuotisen valtakunnan kestosta heitti 988 vuodella keväällä 1945, von Braun ja noin 500 V-2:n kanssa työskennellyttä insinööriä antautuivat amerikkalaisille Österbaumissa. Operaatio Paperiliitin oli himoinnut näitä natsiaivoja jo pitkään, joten SS-Strurmbannführer (majuri) von Braun ja loput natsit kiidätettiin El Pasoon, mistä heidät rahdattiin Korean sodan aikana Alabaman Huntsvilleen, Amerikan Raaheen. Tässä nekrunsyöjien valtakunnassa natsit laitettiin tekemään rakettikokeitaan, mutta suurin syy porukan läsnäoloon oli se, että neukut eivät saaneet heitä käsiinsä. Amerikkalaiset eivät oikein tahtoneet millään innostua raketeista ennen sitä kohtalokasta päivää lokakuussa 1957, kun neukkulainen avaruuskynttelikkö R-7 myskäisi kiertoradalle piipittävän alumiinimelonin, Sputnikin.Tästä tempusta presidentti Eisenhower sai aimoluokan paskahalvauksen. Mitätön 58-senttinen pallo ja neljä antennia olivat tunkeutuneet hänen maailmaansa ilman rasvaa. Neuvostoliitto sai kaksi merkittävä propagandavoittoa heti kerralla: ensmmäisen satelliitin maata kiertävälle radalle ja osoituksen siitä, että sen ohjukset olivat riittävät suuria ja kehittyneitä uhatakseen läntistä pallonpuoliskoa.
Eisenhower oli aiemmin kieltänyt satelliittien koelaukaisut, koska ei ollut olemassa oikeuskäytäntöä siitä, minne asti valtioiden ilmatilan suvereniteetti oikein ulottui. Toisekseen hän ei halunnut käyttää kokeisiin sotilasraketteja, mikä ei olisi ollut hyväksi toisen maailmansodan kenraalille ja Korean sodan aikaiselle presidentille. Siksi kostoiskuun määrättiin laivaston Vanguard-raketti, joka oli täysi raakile. Jo sen hyötykuormaksi kyhätty 1,8-kiloinen mikrosatelliitti oli säälittävä. Vielä nöyryyttävämpi oli yritys laukaista se joulukuun kuudentena 1957: ykkösvaiheen rakettimoottorin polttoaineputkessa tapahtui paineenlaskua, eikä siinä ollut takaiskuventtiiliä, joten liekki pääsi polttoainekanavaan, poltti sen puhki ja päästi polttoaineet tykkänään raketista ulos mikä edelleen räjäytti sen lennon kestettyä 1,2 metriä. Onneton satelliitti putosi raketin nokasta kuin varpusenkyynel, ja sen radio alkoi lähettää piipitystä palavalta laukaisualustalta. Kaikki tämä tapahtui TV-kameroiden edessä, kun Neuvostoliitto oli laukaissut jo toisen rakettinsa, tällä kertaa mukanaan ensimmäinen elävä olento avaruudessa, Laika-koira, jo marraskuun puolella. Nöyryytys oli nyt täydellinen: Neuvostoliitto vittuili vielä YK:n yleiskokouksessakin, että he voivat tarjota teknillistä apua kehitysmaille.
 |
| Vanguardin nöyryyttävä tuho. |
Hitlerin kosto
Tässä vaiheessa Eisenhower sai aimoluokan paskahalvauksen, ja kaapista kaivettiin ummehtunut natsi. Von Braun totesi happamasti, että he olivat tienneet jo 1955 Neuvostoliiton ehtivän ensin eikä Vanguard-ohjelmalla ollut toivoakaan tehdä sille yhtään mitään. Ovelalla natsilla oli kuitenkin hihassa ässä, oli ollut jo kaksi vuotta: Von Braun oli kehittänyt armeijalle Huntsvillessä jo 1953 PGM-11 Redstone-ohjuksen, jota jatkokehitettiin edelleen PGM-19 Jupiter –IRBM:ksi. Osana tätä ohjelmaa von Braunin ryhmä kehitti myös Jupiter-C:n, joka ei ollut Jupiter, vaan oikeastaan Redstonen pidennetty versio. Se oli tarkoitettu Jupiterin taistelukärkien maahanpaluun testaamiseen, mutta von Braun kehitti siitä myös Juno I -kantoraketin lisäämällä vapaasti kelluvaan kärkeen neljännen vaiheen. Tämä alusta moottoreineen laitettiin pyörimään jo laukaisualustalla, mikä antoi sille hyrrävoimaa pitämään sen vakaana ja näin sillä voitiin nostaa ryönää avaruuteen ilman ohjainsiipiä, gyroskooppeja ja ohjausraketteja. Tämä oli yksinkertaisin tapa tehdä kiertoratakykyinen kantoraketti, mutta Jupiter-C ja Juno I samalla osoittivat, että tarkan kiertoradan saavuttamiseen vaadittaisiin ohjailukykyinen raketin ylimmäinen vaihe.Rotaatiostabiloitu Juno I myskäisi lopulta 1. helmikuuta 1958 USA:n ensimmäisen satelliitin, Explorer 1:n. Vaikka se oli Sputnikia pienempi, JPL:n suunnitelemalla satelliitilla oli hyötykuorma: geigerputki kosmisen säteilyn mittaamiseen, lämpötila-anturit ja pölynilmaisin, eli se oli ensimmäinen varsinainen tiedesatelliitti. Se myös teki ensimmäisen tieteellisen satelliittihavainnon: James Van Allen, joka myös oli satelliitin pääsuunnittelija, havaitsi mittarin hiljenevän 2000 km korkeudessa mutta saturoituvan 500 km korkeudessa. Myöhemmät satelliitit vahvistivat havainnon: Explorer 1 lensi Maan magneettikentän vangitsemien aurinkotuulihiukkasvöiden läpi. Nämä vyöhykkeet tunnetaan nykyään Van Allenin vöinä. Von Braun oli ansainnut kannuksensa.
Kilpajuoksu maailmankaikkeuteen
USA oli kuitenkin yllätetty housut kintuissa. Neuvostoliitto panosti luonnontieteisiin vahvemmin kuin USA, ja se näkyi myös rakettien koossa: R-7 myski 4,4 meganewtonia työntövoimaa, kun Juno I tyytyi 416 kilonewtoniin ja PGM-19 Jupiterkin 667 kilonewtoniin. Paskahalvauksen saanut Eisenhower päätti näyttää neukuille mistä kana pissii. Hän jyräsi kongressissa läpi lain siviiliavaruushallinnon, NASA:n, muodostamiseksi aiemmasta aerodynamiikan instituutti NACA:sta heinäkuussa 1958. Seuraavana vuonna armeijan avaruusohjelmat siirrettiin NASA:aan ja 1960 Redstonen asevarikko muutettiin Marshallin avaruuskeskukseksi. Von Braun oli sen johtaja. Saturnus-ohjelma alkoi.Sillä välin panoksia kovennettiin Neuvostoliitossa. Muutaman epäonnistuneen yrityksen jälkeen Luna 2- luotain iskeytyi ensimmäisen ihmiskäden jälkenä Kuuhun 13. syyskuuta 1959. Luna 3 seurasi perässä pari viikkoa myöhemmin, kuvaten ensimmäistä kertaa Kuun pimeän puolen. USA:n Ranger-ohjelman luotaimet epäonnistuivat jatkuvasti, ja ensimmäinen onnistunut luotain, Ranger 7, saatiin Kuuhun vasta heinäkuussa 1964.
 |
| Juri Gagarin. Kuva: Daily Mavercik |
Mercury
NASA vastasi myskäisemällä toukokuun viidentenä Redstone-raketilla Freedom 7:n, jonka hyötykuormana oli maailman eturivin cocacolajuoppo Alan Shepard (kaikkien Mercury-ohjelman lentojen numero oli 7, mutta jokaisella oli eri erisnimi. Tapa juontui ensimmäiseen avaruusohjelmaan valitusta 7 astronautin ryhmästä). Oikeastaan ilmaisu on väärä: Shepardin lennon oli tarkoitus kestää noin 20 minuuttia, joten aluksessa ei ollut minkäänlaista virtsankeräysjärjestelmää. Koko Mercury-kapseli oli niin ahdas, että siihen lähestulkoon ei kivuttu sisään, vaan se puettiin ylle. Lento kuitenkin myöhästyi ensin pilvisyyden, sitten varavirtalähteen vaihtamisen ja lennonjohtotietokoneen boottaamisen takia yhteensä kolme tuntia. Shepard oli juopotellut aamulla kahvia ja appelsiinimehua, joten tässä vaiheessa miehellä oli melkoinen kupla otsassa. Aluksesta poistuminen tässä vaiheessa olisi ollut mahdotonta, joten Shepard kylmän viileästi ilmoitti laskevansa alleen. |
| Alan Shepard. Kuva: Denver Post |
Neuvostoliitto otti tässäkin kisassa vielä sarjan riemuvoittoja. Baikonurista ammuttiin taivaalle alle 24 tunnin välein alukset Vostok 3 ja 4 elokuussa 1962, ja ne lähenivät alimmillaan 6,5 km päähän toisistaan. Niistä puuttui enää ohjausrakettijärjestelmä, joka olisi kyennyt kytkemään ne yhteen. Kesäkuussa 1963 temppu toistettiin, ja Vostok 6:n kosmonautti Valentina Tereshkova oli ensimmäinen nainen avaruudessa. Myös Kennedy epäröi, sillä kuulento oli todella kallis. Hän ehdotti Hrustseville yhteistä kuulentoprojektia ensin 1961 ja uudestaan 1963, jolloin Hrustsev harkitsi jo myöntymistä – yritys olisi myös Neuvostoliitolle yhtä kallis. Kennedy kuitenkin ammuttiin Dallasissa marraskuussa 1963, eikä Hrustsev luottanut seuraaja Johnsoniin sen enempää kuin tämä Hrustsoviin.
Gemini
Mercury-ohjelmaa jatkoi Gemini, jossa oli nimensä mukaan kahden hengen miehistö. Kehityskaari oli pitkä: Maasta ei voitaisi millään laukaista niin suurta alusta, joka olisi yksinään kyennyt lentämään Kuuhun, laskeutumaan sinne ja nousemaan takaisin. Kuollutta painoa olisi ollut kertakaikkiaan liikaa. Siksi Gemini tuli välivaiheeksi, missä kehitettiin teknologiaa, missä voitaisiin koota alus osista avaruudessa. Alusten piti kyetä vaihtamaan kiertoratoja, telakoitumaan toisiinsa avaruudessa, pystyä olemaan siellä yli viikon, ja astronauttien piti pystyä poistumaan aluksesta avaruuden tyhjiöön. Samalla vaadittiin suurempia oleskeluaikoja avaruudessa, ja suurempaa miehistöä. Siksi projekti sai nimen Gemini, kaksoset.Gemini oli jokseenkin laajennetty Mercury. Sitä oli tosin modernisoitu: happisäiliöt ynnä muu tilpehööri oli koottu irrotettavaan huoltomoduliin kapselin taakse, ja alukseen oli asennettu kahdeksan jarruraketin patteri. Lisäksi 16 ohjausrakettia pystyivät liikuttamaan Geminiä kaikkia kolmea akselia pitki, ei ainoastaan niiden ympäri kuten Mercury. Suorastaan atleettisen Redstonen sijaan se myös laukaistiin matkaan mannertenvälisellä ohjuksella, Titanilla.
 |
| Gemini 6 & 7. Kuva: Wikipedia |
SATURN
Saturnus-perheen esikoinen oli loogisesti nimetty Saturn I. Se perustuu jo ABMA:n 50-luvun hahmotelmiin käyttää klusteria olemassaolevia raketteja muodostamaan suurempi kantoraketti, mutta lopulta piirrettiin kuitenkin puhtaalta pöydältä NASA:n ohjauksessa. Perusajatus kuitenkin säilyi: 1. vaihe, S-I käyttää kahdeksaa H-1 –moottoria, jotka oli jatkokehitetty Jupiter-ohjuksen moottoreista. Päähappisäiliökin oli Jupiterista, ja kahdeksan sivusäiliötä Redstonesta. Toinen vaihe, S-IV, on happea ja nestevetyä käyttävä kuusimoottorinen. Saturn I laukaistiin kaikkiaan 10 kertaa 1961-65, kaikki onnistuneesti. 4 lennolla mukana oli Apollon komentomoduulin koeversio ja kahdella S-IV-vaihe.
Jatkokehitelmä Saturn IB on sangen suoraviivainen: Ykkösvaiheena oli hieman voimakkaammilla moottoreilla varustettu S-IB ja kakkosvaiheena vastaavasti jatkokehitetty S-IVB. Toinen vaihe tosin oli kehitetty pidemmälle: siinä oli vain yksi suuri J-2-moottori, joka voitiin uudelleenkäynnistää avaruudessa. S-IVB myös levennettiin ensimmäisen vaiheen halkaisijaan, ja sitä vastaavasti lyhennettiin. Saturn IB laukaistiin kaikkiaan 9 kertaa, joista 3 oli Apolloja ja toiset 3 sen koelentoja. Loput olivat Skylab-lentoja ja yksi Apollo-Sojuz.
Kuulennon anatomia
Von Braun ja monet muut NASA:ssa hahmottelivat suunnitelmansa yhden suuren aluksen ympärille, joka koottaisiin avaruudessa maan kiertoradalla ja lennettäisiin kokonaisena Kuuhun ja takaisin. Se vaatisi 5-7 nyt suunniteltavan massiivisen kantoraketin laukaisua tai vielä paljon ylimassiivisempaa rakettia - joka NASA:ssa todella oli kehitteillä, projekti Nova. NASA:n insinööri John C. Houbolt oli kuitenkin toista mieltä. Aluksen osien kohtaaminen Kuun kiertoradalla, tai oikeammin matkalla sinne, ja ennenkaikkea erillisen lasketumismodulin käyttö kevensivät koko alusta huomattavasti. Näin Kuuhun ei tarvitsi laskeutua raskaiden maahanpaluukapselin ja huoltomoduulin kanssa, ja mikä tärkeintä, niiden ei tarvitsisi nousta sieltä. NASA lopulta hyväksyi Houboltin suunnitelman sen kustannustehokkuuteen nojautuen 1962. Apollo-ohjelman edetessä myös laskeutuja päätettiin ampua matkaan muiden osien kanssa samalla raketilla.Kun aluksen tyypistä oltiin päästy sopuun, piti alus vielä saada Kuuhun. Lusserin lain mukaan järjestelmän luotettavuus on sen osien luotettavuuksien tulo, mikä yksinkertaistaen tarkoittaa, että mitä enemmän osia laitteessa on, sitä todennäköisemmin se vikaantuu. Tämän vuoksi rakettimoottorien määrän lisääminen lisää sekä redundanssia että vikaantumistodennäköisyyttä. Saturnista oli tulossa niin massiivinen, ettei ylimääräiseen redundanssiin olisi varaa, koska kuuraketin massan kasvaminen johti helposti itseään ruokkivaan kierteeseen: enemmän moottoreita vaatii enemmän polttoainepumppuja ja putkistoa,jotka vaativat lisää tilavuutta rakettiin,jonka rakentaminen vaatii lisää runkorakenteita, joiden kaikkien massa vaatii lisää rakettimoottoreita. Siksi redundanssi piti vetää välttämättömään minimiin, jonka katsottiin olevan viisi moottoria. Ne olisivat ennenäkemättömän voimakkaita, lähes 7 000 kilonewtonia.
Rocketdyne F-1
Rakettimoottorin kasvattaminen ei juurikaan onnistu vain kasvattamalla edellisen mallin mittoja. Kaikki massat ja osien monimutkaisuus kasvavat väistämättä. Rakenteet joutuvat kannattamaan omaa massaansa. Tämä piti tehdä pilkuntarkasti, sillä rakettimoottorissa tapahtuu käytännössä yhtäjaksoinen, hallittu räjähdys. Tehtävän sai Rockwellin Rocketdyne-divisioona ja sen projektipäällikkö David E. Aldrich. Homma oli valtava: jo aikaisemman E-1 –moottorin polttoainesuuttimien kasvattaminen vaadittuun mittaan oli ollut puolentoista vuoden työ.Huntsvilleen rakennettiin valtava betoninen bunkkeri, mihin moottorin prototyyppi nostettiin ja sen pakoliekki ohjattiin sivulle. Koko testipenkki kirvoitti happamia kommentteja Huntsvillen asukkailta, joiden ikkunat rämähtivät säpäleiksi vähän väliä, vaikka kaupunki sijaitsi kukkulan takana. Pian nähtiin myös ennenäkemättömiä.
Paloliekki paloi epävakaasti – itse asiassa se pyöri polttokammiossa 2000 kertaa sekunnissa, mikä oli sen seinämille liikaa. Ongelmaa ei voitu ratkaista juuri muuten kuin yrityksen ja erehdyksen ja virtausdynamiikan laskujen kautta – jotka taas piti 1960-luvulla tehdä laskutikulla ja paperilla. Liekin karkaaminen saatiin jäljitettyä tapaan, millä polttoainetta ruiskutettiin polttokammioon. Tämä tehtiin räjäyttämällä moottorin käydessä suuttimen ulkopuolella räjähdepanoksia, joiden vaikutuksesta moottorin sisäiseen painejakaumaan voitiin laskea virtaukseen tarvittavat vastapainevyöhykkeet. Suuttimen ympärille aseteltiin kuparilaippoja, jotka muuttivat polttoainesuihkun sisäistä painejakaumaa, ja estivät sen lähtemistä pyörimisliikkeeseen.
Polttoainejärjestelmänä F-1 –moottori käyttää kaasugeneraattorisykliä, eli siinä on erillinen esipoltin, joka polttaa raketin polttoaineita, lentokerosiinia ja nestehappea luomaan painetta turbopumpuille, jotka syöttävät ajoaineita pääpolttokammioon. Turbiinikammion pakokaasu puhalletaan eri kanavaa pitkin, joten sen toimintaan osallistuvat ajoaineet eivät osallistu raketin liikkeeseen. Tämän hukatun energian vastineeksi turbiinin ei tarvitse huolehtia palokammion vastapaineesta, joka oli noin 7 MPa.
 |
| Rocketdyne F-1. Kuva: Wikipedia |
SATURN V
Saturn V ei oikeastaan ole raketti, vaan kolmen raketin muodostama kokonaisuus. Sen nimi tulee Silverstein-komitealle esitetyistä suunnitelmista, joista lopulta toteutettiin suunnitelma Saturn C-5. Raketin osat on nimetty oikeastaan niiden järjestyksen mukaan: S-IVB:n alkuperäinen tarkoitus oli olla neliosaisen raketin neljäs vaihe.
Saturn V:n ensimmäinen vaihe oli Saturn IC. Sen viiden F-1 –moottorin tehtävä oli nostaa Saturn 68 kilometrin korkeuteen ja 9920 km/h nopeuteen, ja tähän tehtävään se söi 770 000 litraa kerosiinia ja 1 305 000 litraa nestehappea noin kahdessa ja puolessa minuutissa. Moottorit puskivat 33 000 kN eli 3,3 miljoonaa kiloa työntövoimaa, mitä piteli 21-tonninen ripustuskaukalo, mihin viisi moottorikehtoa oli kytketty. Neljä ulkokehän moottori oli ripustettu hydraulisesti kääntyviin moottorikehtoihin (gimbal), joilla kantoraketin työntövoimaa voitiin ohjata erityisesti moottorin pettäessä. Viides moottorikehto keskellä oli kiinteä ja sen poltto sammutettiin 26 sekuntia ennen ulkokehän moottoreita, raketin kiihtyvyyden rajoittamiseksi. Mahtavat F-1:t ovat edelleen suurimpia koskaan rakennettuja nestepolttoainerakettimoottoreita, joiden ankaran kömytyksen vuoksi moottorikehtoihin asennettiin myös muhkeat iskunvaimentimet. Kerosiinipolttoaineen vuoksi tämä raketin vaihe on ainoa, joka tuottaa mustaa kömyä. Vaihe myös emittoi heliumia ilmakehään, sillä ajoainesäiliöiden painetta ylläpidettiin pienten heliumsäiliöiden tuottamalla paineella.
S-II
Toinen vaihe oli Saturn II. Se polttaa nesteytettä vetyä ja happea edelleen Rocketdynen kehittämissä J-2 –moottoreissa ja ne toimivatkin jokseenkin samoin kuin F-1:t, mutta pumppuratkaisu eroaa hieman. Ajoaineita syötettiin kahdella eri turbopumpulla, yksi polttoaineelle ja toinen hapettimelle. Polttoainepuolen turbiinimoottori poltti vetyä ja happea kaasugeneraattorissa, mistä se pakeni kahden turbiinivaiheen kautta ulos luovutettuaan 7800 hevosvoimaa akselitehoa 7-vaiheselle aksiaaliselle turbopumpulle, joka nyt pumppasi tällä teholla ja 27 000 kierrosta minuutissa vetyä raketin polttokammioon nostaen sen paineen säiliön 210 kilopascalista 8450 kPa:iin. Tämän turbiinin palokaasut ohjattiin hapettimen turbiinivaiheeseen.Hapetinpuolen turbopumppu oli yksivaiheinen sentrifugikompressori, jota polttoainepuolen korkeapaineisesta turbopumpun turbiinista putkistoa pitkin purkautuva kaasu pyöritti kahden turbiinivaiheen avulla 2200 hevosvoiman teholla ja 8600 RPM nopeudella. Se pukkasi hapelle painetta 7400 kPa. Pakokaasut työnnettiin lämmönvaihtimen kautta pakosuuttimen jatkeeseen ilmapatjaksi, kuten F-1:ssäkin. Lämmönvaihtimessa lämpöä siirrettiin nestehapen kiehuttamiseen happisäiliön paineistuksen ylläpitämiseksi. Järjestelmän osia voideltiin nestemäisellä tai kaasumaisella vedyllä tai hapella, riippuen siitä mikä osa järjetelmästä oli kyseessä ja missä muodossa kumpikin fluidi siinä virtasi.
Kun Apollo-alus kasvatti vähän massaa, oli S-II –vaihetta suunnitellut North American Aviation ongelmissa. Vastaava massa piti purkaa muualta kantoraketista, mikä ei enää helpolla onnistunut ykkösvaiheesta, jonka suunnittelu oli pitkällä. Se piti siis leikata ylemmistä vaiheista, minkä vuoksi North American käytti kahden erillisen ajoainesäiliön sijaan yhtä jaettua säiliötä. Näin voitiin eliminoida yksi raskas päätylaipio, ja lisäksi vaihe keveni koska sen korkeutta voitiin laskea. Nyt ongelmaksi tuli kuitenkin kahden erilämpöisen (lämpötilaero noin 70 astetta) polttoaineen säilöminen toisiaan vasten, mitä varten välilaipio rakennettiin kahdesta alumiiniohutlevystä, jotka erotettiin toisistaan fenolihartsisella hunajakennoeristeellä. Superkylmät ajoaineet piti myös eristää Floridan kuumalta auringolta, mihin insinöörit hakivat oppia Kalifornian surffareilta. He olivat käyttäneet hunajakennorakennetta ja hartsia lautojen rakentamiseen jo pitkään, joten heiltä sai arvokasta oppia rakenteiden valmistamiseen käytännössä. Säiliöt itsessään rakennettiin kolmiomaisista lohkoista, jotka muovattiin räjäytysmuovauksella vesisäiliössä ja hitsattiin yhteen.
S-IVB
Saturn V:n kolmas vaihe oli Saturn IVB. Se oli ainoa Saturnin vaihe, jota käytettiin kahdesti, ensin nostamaan Apollo Maan kiertoradalle, ja myöhemmin laukaisemaan se kohti Kuuta. Siksi sen ainoa J-2-moottori piti pystyä sytyttämään kahdesti. Sen kaasumaista vetyä sisältävä starttisäiliö täytettiin moottorin käydessä kiertoratapolton aikana vaiheen nestevetysäiliöstä. Pienet ohjausraketit (ullage motor), 2 x 750 N, sytytettiin hetki ennen uudelleenkäynnistäystä. Näiden rakettien pieni työntövoima pukkasi alusta hieman eteenpäin, joka johti tihemmän ja siksi massaltaan hitaamman nestemäisen faasin mäjähtämisen pääsäiliöissä säiliön pohjaan ja edelleen sitä kautta turbopumppujen imuaukkoon. Polttoainetta myös kierrätettiin suuttimessa sen lämpötilan stabiloimiseksi ja starttisäiliön paineella ajettiin turbiini liikkeelle. Kolmannessa vaiheessa J-2 -moottorin turbopumppujen pakokaasun lämmönvaihtimella nostettiin heliumkaasun lämpötilaa, millä ylläpidettiin säiliöiden painetta. Kun noin 6,5 minuutin poltto kohti Kuuta oli päättynyt, Apollo irrotettiin S-IVB:stä. Alus kääntyi 180 astetta, ja poimi nokkaansa kuumodulin, joka oli ollut Apollon alla koko nousun ajan. Apollo erkani hitaasti S-IVB:stä, joka lennoilla Apollo 13-17 törmäytettiin Kuuhun, missä astronauttien asentamat seismografit rekisteröivät sen iskun.
Aivot
S-IVB:n päällä jökötti Saturnin alumiinihunajakennorunkoinen instrumentointiyksikkö. Inertiaohjausta käyttävä järjestelmä toimi Apollon laitteista riippumatta nousun aikana ja painoi jokseenkin tasan kaksi tonnia, mitä osin selittää sen rooli kantavana rakenteena rakettivaiheiden välissä. 14-bittinen (viimeinen oli paritettiibitti) digitaalinen tietokone toimi autopilottina ja ajoi laukaisua edeltävää ja lennonaikaista diagnostiikkaa. 2048 kHz kellotaajuudella tikittävä siru louskutti reilu 10 000 käskyä sekunnissa. Muisti oli 28-bittinen, joista 2 viimeistä oli pariteettiibittejä, ja sen laajuus oli 32 kilotavua. Koko muisti oli RAM-muistia, ja FORTRAN-kieliset käskyt käännettiin sinne käsin assembleriksi. Se on ollut kirjaimellisesti käsityötä, sillä muisti oli ferrittirengasmuistia, mihin ykköset ja nollat käytännössä neulotaan kuparilangalla rautarenkaiden läpi. Se oli tarkkaa työtä, mutta esiohjelmointi ei ollut ongelma, sillä tietokone ajoi laukaisuhetkestä lukien käskyjään puhtaasti vain ajan funktiona ja sen tehtävä oli olla autopilotti tietyillä esiohjelmoiduilla vikatilanneilmoituksiin reagoinneilla. Astronautit eivät siihen koskeneet. |
| Instrumenttiyksikkö. Kuva: Apollo maniacs |
Tietokone käynnisti ensimmäisen vaiheen irrotusohjelman, kun polttoainemittari näytti tiettyä lukemaa. Toisen ja kolmannen vaiheen ohjauksessa käytettiin lisäksi navigointitietoja. Siksi instrumenttiyksikössä oli kolme gyroskooppia, joista kukin mittaasi yhtä akselia. Lisäksi siinä oli kolme kiihtyvyysanturia (nekin yksi kullekin akselille), kaksi heiluria ja kaksi prismaa, jotka tuottivat dataa päätietokoneelle. Liikuvat osat oli laakeroitu typpikaasulla paineistetuilla kaasulaakereilla, mikä vaati erityisen tarkkaa koneistusjälkeä: toleranssi oli 0,5 mikrometriä ja laakereiden välys 15-20 mikrometriä. Prismat heijastivat laukaisualustan läheisyydestä teodoliitin avulla lähetettyä infrapunasädettä, millä mitattiin gyroskooppiyksikön ätsimuutin säätöä. Gyroskoopit oli koneistettu berylliumista, joka alkuaineena 4 oli sangen kevyt ja vieläpä käyttäytyi stabiilisti eri lämpötiloissa. Instrumenttiyksikköä jäähdytettiin 60% glykoliseoksella, jota kierrätettiin typpikaasun paineella. Se ajettiiin komponenteissa kierrettyään 16 sublimaatiojäähdyttimeen, missä seos ensin jäätyi ilmakehän paineen ja lämpötilan laskiessa Saturnin noustessa, ja edelleen alkoi alipaineessa haihtua suoraan jääfaasista.
APOLLO
Apollo 6 myskäistiin taivaalle seuraavassa huhtikuussa. Nyt valtavan raketin tärinät osoittautuivat sittenkin hallitsemattomiksi. Kaasun virtaus ja palamisnopeus ei voinut millään olla kaikissa viidessä moottorissä täsmälleen yhdenmukaista, joten sekä seisova paineaalto liikkuu että virtaukseen syntyy dynaamista aaltoliikettä. Niiden osuessa titeylle taajuudelle, joka on resonanssissa joko raketin itsesä tai sen osien, kuten polttoaineputkien kanssa, syntyy konstruktiivinen interferenssi eli tärinä alkaa vahvistaa itseään. Se oli nyt niin rajua, että kolmosvaiheen ja huoltomodulin välisestä adapterista alkoi irrota paneeleja.
Tärinä oli irrottanut yhden kakkosvaiheen kakkosmoottorin sytyttimen vetyputken, ja niin sytytin, jossa normaalisti virtaa sekä vetyä että happea jotka sähköinen sytytystulppa sytyttää, pukkasikin polttokammioon pelkkää happea. Normaalisti palaminen on lämpötilan hillitsemiseksi stökiömetrialtaan aavistuksen polttoaine- eli tässä tapauksessa vetyrikasta. Liekkiin puhalletty happi nosti lämpötilan niin suureksi, ettei suuttimen jäähdytys riittänyt, vaan rakenne petti alta. Instrumentointiyksikkö sammutti tällöin moottorin automaattisesti ja käänsi muita moottoreita korjaamaan sammuneen moottorin aiheuttaman epäsymmetrisen työnnön. Kakkos- ja kolmosmoottorien venttiilien johdot oli kuitenkin erehdyksessä kytketty ristiin, joten sammutuskomento sammutti kolmosmoottorin. Saturn II oli nyt aivan voimiensa äärirajoilla, käyden kolmella moottorilla. Tietokone kuitenkin kykeni nippa nappa kallistamaan vastakkaiset moottorit ääriasentoonsa ja puskemaan kaiken polttoaineen niille, joten Saturn nousi kiertoradalle – joka tosin oli alitehoisesta ja liian pitkästä poltosta johtuen paljon elliptisempi kuin oli haluttu.
Apollo 6:n viat olivat vakavia, mutta ne myös osoittivat, miten kykenevä Saturn V lopulta oli. Se kykeni korjausliikkeisiin automaattisesti ja pelastamaan aluksen. Apollo 6 oli NASA:n silmissä siis järjestelmän koeponnistus: Saturn V oli vikaturvallinen.Viat myös olivat suhteellisen helposti korjattavissa: moottoreiden iskunvaimentimia vahvistettiin ja ajoaineputket esipaineistettin heliumilla, jolloin kaasun täyttämät putket toimivat kaasujousen tavoin. Venttillien johtosarjat suunniteltiin nyt eripituisiksi, joten niitä ei voinut enää kytkeä vääriin venttiileihin. Sytyttimen joustavat letkut, jotka superkylmän nesteen virratessa muuttuivat koviksi ja hauraiksi, korvattiin paikalleen ankkuroiduilla rosteriputkilla. NASA luotti nyt uljaaseen sotaratsuunsa siinä määrin, että seuraava Saturn V- lento oli miehitetty. Eikä se ollut pelkkä koelento.
Apollo 8
Se oli kylmä aamu, joulukuun 21. Euroopan hulluna vuonna 1968. Rocketdyne F-1:t murahtivat käyntiin. Mahtava kirkas liekki syöksyi laukaisualusta 39A:n liekkikilvistä, ja maailma tärisi. Saturn V kipusi majesteetillisesti laukaisutornin ohi, ja ensimmäinen matka Kuuhun alkoi. Apollo 8:n piti oikeastaan olla kuumodulin koelento Maan kiertoradalla, mutta Neuvostoliitto oli ampunut Zond 5 –kapselin Kuun ympäri syyskuussa. Sen lastina oli eläviä kilpikonnia, ja NASA piti varmana, että kyseessä oli miehitettyä lentoa valmisteleva koelento. Nyt USA:n oli pakko ehtiä ensin, joten tehtäväprofiilia muutettiin, ja niin Saturn V myskäisi Apollo 8:n ja sen astronautit, Frank Bormanin, James Lovellin ja Bill Andersin Kuun ympäri. Luotaimilla oli jo kuvattu Kuun pimeää puolta, mutta nyt ihmissilmä sai ensi kertaa nähdä sen suoraan. Ihminen todisti ensi kertaa myös henkeäsalpaavaa ilmiötä: Maannousua. |
| Earthrise |
Irrotakseen oman liikemääränsä aiheuttamasta vapaan paluun radasta, joka linkoaisi aluksen takaisin Maahan, olisi sen menetettävä nopeutta, mikä tehtäisiin polttamalla aluksen rakettimoottoria vastasuuntaan. Tehtävä oli yksinkertainen mutta vaarallinen: se oli tehtävä Kuun pimeällä puolella, jolloin radioyhteys Maahan pysähtyi Kuun massan tullessa eteen. Liian lyhyt poltto saisi aluksen hallitsemattomalle elliptiselle radalle, liian pitkä taas ajaisi sen Kuun pintaan. Astronautit ohjelmoivat rataparametrinsä Apollon ohjaustietokoneeseen, ja säiliöt alkoivat sylkeä huoltomodulin polttokammioon hydratsiinia N2H4 , dimetyylihydratsiinia C2H8N2, ja typpitetroksidia N2O4. Tämä seos on hypergolinen, eli se syttyy itsestään ilman ulkoista lämmönlähdettä. Apollo 8 myski leipää tähän kemian omituiseen näytelmään neljän ja puolen minuutin ajan. Näin ihminen kiersi ensi kertaa toista taivaankappaletta.
Tieteelliset ja taiteelliset saavutukset eivät olleet ainoita Apollo 8:n tunteita herättäviä hetkiä. Jouluaattona 1968 miehistö luki ensimmäisen Mooseksen kirjan alkusanat, Genesiksen, mikä oli suuren yleisön suosioon mutta rikkoi Yhdysvaltain perustuslain 1. lisäystä, uskonnonvapautta. Seurannut oikeusjuttu oli NASA:lle nolo, ja se pidättäytyikin vastaisuudessa ainakin näin julkisista uskonnollisista kommenteista (Buzz Aldrin kyllä lennollaan Kuun pinnalla nautti ehtoollisen, mutta teki sen mikrofoni suljettuna). Lentäjä Lovell taas huomasi Hiljaisuuden meressa Seccin kraateria kiertävässä vuorijonossa omituisen säännöllisen kolmikulmaisen huipun. Kukaan ei ollut nähnyt sitä aikaisemmin, joten Lovell saattoi antaa vaimolleen kerrassaan poikkeuksellisen, romanttisen lahjan: hän antoi sen nimeksi Mount Marilyn.
Se oli suuri riemuvoitto. Pankaa se merkille. Valtava menestys. Apollo 8:n miehistöä kuljetettiin riemusaatossa läpi USA:n suurimpien kaupunkien. Neljännes Maan väestöstä näki joululähetyksen televisiosta tai elokuvateattereissa. Lähetyksille myönnettiin Emmy-palkinto, TV-alan korkein tunnustus. Maannousu levisi lehtien kannessa ympäri Maan, ja se toimi innoituksena Earth Day –liikkeelle. Time-lehti myös julisti miehistön vuoden miehiksi.
Ja niin apinan vuosi 1968 päättyi toisen kädellisen riemuvoittoon.
Seuraava vuosi näki ihmeitä. Saturn V nosti Apollo 11:n matkoista suurimmalle, Kuun pinnalle heinäkuussa 1969, ja niin alkoi aikakausi. Ihminen ei ollut enää sidottu pieneen maanpiiriinsä, vaan koko Aurinkokunta oli hänelle avoinna.
 |
| Apollo 11:n laukaisu |
Se oli
pilvipoutainen päivä, heinäkuun 16. kukon vuonna 1969. Aurinko kiipesi
taivaanrannan takaa, ja Floridan niemimaa alkoi peittyä sen säteiden pehmeään
syleilyyn. Se kahmi syleilyynsä pitkät hiekkarannat, hotellit, golfkentät
ja Evergladesin suot. Tähän
maanantaipäivään heräävä kansa ei lomakaudesta huolimatta kerääntynyt rannoille
ja terasseille, vaikka lämmin päivä oli jo 29-asteinen. Se oli kerääntynyt Cape
Canaveralia ympäröiville rannoille ja maanteiden varsille.
Sillä Aurinko ei
kahmaissut syleilyynsä vain gonahtanutta turismiosavaltiota. Sen ensimmäiset
säteet itärannikolla olivat valaisseet laukaisukompleksi 39A:n tornin, jonka
tukivarret kannattelivat, maailman kahdeksatta ihmettä, Saturn viittä.
Sitten turbiinit karjaisivat. Esipolttimet syttyivät, mikä ajoi lentokerosiinin ja nestehapen palokaasut turbopumppuihin, jotka syytivät koko tehollaan kerosiinia ja happea hirviömäisiin pääpolttokammioihin. Mahtavat kirkkaankeltaiset lieskat syöksyivät laukaisukehdon liekkikuiluun, ja maa vapisi kilometrien päässä. Liekit kantoivat mukanaan yli kolme miljoonaa kiloa työntövoimaa, mikä majesteetillisesti nosti gargantuaanisen kantoraketin irti maaemon kehdosta. Ja niin alkoi kaikkien aikojen suurin seikkailu.
Pari minuuttia myöhemmin
Saturn V ryki irti ensimmäisen vaiheensa, ja toinen syttyi. Sitten sekin oli
ajanut säiliönsä tyhjäksi ja heitettiin menemään. Kolmas vaihe syttyi, ja puski
aluksen kiertoradalle Maan ympäri. Ja niin Apollo 11 oli ottanut ensimmäisen
askeleensa.
Puolitoista
kierrosta myöhemmin raketin polttokammio syttyi uudelleen. Vedyn ja hapen
elämänliekki myskäisi Apollo 11:n kohti Kuuta . Puoli tuntia myöhemmin nähtiin
erikoinen näytelmä.
Räjähtävä
tulilanka huoltomodulin pohjassa
laukesi, ja irrotti modulin istukastaan. Sama räjäytys lennätti istukan neljä
paneelia avaruuteen, jolloin sen sisällä, huoltomodulin alla, matkannut
kuumoduli paljastui. Tulilangan paineaalto työnsi huoltomodulia, ja sen päässä
jäkittävää komentomodulia kauemmas, kunnes komentomodulin ohjaaja Michael
Collins käänsi aluasta ohjausraketeilla 180 astetta. Hän työnsi niillä alusta
hitaasti taaksepäin, ja ajoi sen S-IVB:n
päässä ässehtivän kuumodulin päällä päivystävään istukkaan. Alukset telakoituivat,
ja Collins kytki nyt ohjausraketit päinvastaiseen suuntaan, vetäen koko
orkesterin irti S-IVB:stä. Polttoaineensa ja rahtinsa luovuttanut
kantoraketin kolmas vaihe oli nyt viraton, ja se hylättiin.
 |
| Apollo-alusten omalaatuinen järjestys: kuumoduli matkaa avaruuteen komento- ja huoltomodulien alla. Kuumoduli noukitaan komentomodulin yhteyteen, sen kärkeen, vasta avaruudessa |
Apollo 11
sensijaan jatkoi radallaan kohti Kuun painovoimakaivoa, ja syöksyi sinne 19.
heinäkuuta. Miehistö käynnisti pimeällä puolella päämoottorinsa, mikä hidasti
alusta niin, että se siirtyi Kuun kiertoradalle. Alkuperäinen rata, vapaan
paluun rata, olisi syössyt sen takaisin Maata kohti. Apollo 11 alkoi siis tehdä
työtä omaa vauhtiaan vastaan: moottori söi aluksen nopeutta noin 3 kilometriä
sekunnissa, jolloin sen normaalikiihtyvyys oli yhtäsuuri kuin Kuun
vetovoima. Ja niin Apollo 11 pysäköi
itsensä Kuun kiertoradalle.
Seuraavana päivänä Kuumoduli Eagle separoitui komentomoduli Columbiasta. Collinsin kuitattua kaiken olevan kunnossa, se käynnisti moottorinsa kulkusuuntaansa vastaan 30 sekunniksi. Tämä pudotti sen matalalle ellipsiradalle, missä ässehdittiin kunnes alukset olivat kiertäneet Kuun takaa jälleen Maan puolelle, jolloin Eagle myskäisi koneensa jälleen käyntiin. Tämä poltto söi siltä suurimman osan sen kiertoratanopeudesta, jolloin käytännössä ainoa alukseen vaikuttava voimavektori oli kuun vetovoima. Kuu veti aluksen itseensä, ja kuualus jarrutti pääkoneellaan putoamisnopeutta vastaan. Eagle liikkui vaakasuunnassa liian nopeasti koko lentonsa ajan, ja sen tietokone ylikuormittui.
Komentaja Neil Armstrong otti aluksen puoliautomaattiseen käsiohjaukseen, ja kuumodulin ohjaaja Buzz Aldrin alkoi vaistomaisesti ladella tälle korkeus- ja nopeustietoja mittarilentäjän tapaan. Liian suuren vaakanopeuden vuoksi Eagle ohitti aiotun laskeutumispaikkansa, joten Armstrong etsi kuumeisesti uutta länttiä, minne pysäköidä 15-tonninen avaruusrakkineensa. Tietokoneen tähtäimessä oli tasaisen näköinen paikka, mutta lähempänä paljastui, että sen keskellä oli kraateri. Sen takana kuitenkin näkyi tasainen läiskä. Armstrong ohjasi aluksen sitä kohti.
Eaglen
laskeutumisjalka osui Kuun pintaan, kun polttoainetta oli jäljellä noin 25
sekunniksi. Ja niin Kotka oli laskeutunut.
Kuusi ja puoli
tuntia myöhemmin Armstrong astui avaruusasussaan ulos Eaglen luukusta,
laskeutui portaat ja kytki aluksen kamerapuomin päälle ennen viimeistä askelmaa
ja kuulusia sanojaan ” tämä on pieni askel ihmiselle, mutta jättiloikka
ihmiskunnalle”. Ja niin ihminen käveli ensi kertaa toisen taivaankappaleen
pinnalla. John F. Kennedy oli lunastanut sanansa haudan takaa.
Lähteet:
https://www.boeing.com/history/products/saturn-v-moon-rocket.page
http://www.astronautix.com/s/saturnv.html
https://www.popularmechanics.com/space/rockets/a26013658/saturn-v-rocket-wernher-von-braun/
Discovery Channel: Moon Machines – Saturn V (2008) Haettu: https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=E-_NUesnfxM
http://www.spacelaunchreport.com/satstg2.html
https://www.apollomaniacs.com/apollo/computer_e.htm#Computer_on_Saturn_booster
http://apollo.josefsipek.net/LVDC.html
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19700023342.pdf
https://history.nasa.gov/SP-4206/ch8.htm
Jim Lovell & Jefferey Kluger: Apollo 13. ISBN 951-611-746-5.
https://en.wikipedia.org/wiki/Lusser's_law
https://newatlas.com/saturn-v-birth-moon-rocket/54867/#gallery
Kuvat: Wikipedia, ellei muuta mainittu.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti