První snímek planety Země z vesmíru pořídili Američané již 24. října 1946 s pomocí upravené německé rakety A4 (Aggregat), známější pod propagandistickým označením V-2 (Vergeltungswaffen). Tím byl učiněn první nesmělý krůček k využití průzkumných satelitů. Budoucí možnosti si uvědomovalo jen pár lidí v ozbrojených silách, ale postupně získávaly jejich představy konkrétnější podobu. Lákavé byly průzkumné satelity, vesmírné bojové lodě a vojenské základny na Měsíci.
Požadavky na výkon
Pro své nové „hračky“ potřebovali vojáci rakety s nosností v rozsahu 20 tisíc až 40 tisíc liber (9 070 až 18 140 kg) podle výšky oběžné dráhy kolem Země nebo urychlení nákladu 6 tisíc až 12 tisíc liber (2 720 až 5 440 kg) na únikovou rychlost potřebnou k dosažení Měsíce.
Práce na projektu, jehož výsledkem byly nosiče řady Saturn, zahájila Agentura pro vyspělé výzkumné projekty ARPA (Advanced Research Projects Agency) 15. srpna 1958. Organizací odpovědnou za výrobu nového nosiče byla Armádní agentura pro balistické rakety ABMA (Army Ballistic Missile Agency), kde pracoval mimo jiné tým původem německého konstruktéra Wernhera von Brauna. Statické testy motorů prvního stupně byly naplánované na konec roku 1959.
Na základě prvních výpočtů vyšel minimální tah motorů prvního stupně 6,7 MN. Žádný motor s takovým výkonem neexistoval. Práce na motoru F-1, který takovým tahem nakonec disponoval, byly teprve zahájeny. Statické testy proběhly v roce 1959, ale motor byl k dispozici až v roce 1965, což bylo pozdě.
Proto padlo nejprve rozhodnutí použít čtveřici motorů E-1 s tahem po 1,7 MN, které požadovaného tahu také dosáhly. Ve své době se jednalo o nejvýkonnější motory na světě. Motory byly vyvíjené jako záloha pro balistické rakety SM-68 Titan I a od nich odvozené nosiče řady Titan. Ale program byl zrušen ve prospěch dvoukomorových motorů Aerojet LR-87 s tahem 730 kN.
Poslední zvažovanou variantou „motorizace“ S-I bylo osm motorů H-1 spalujících petrolej RP-1 (Rocket Propellant). Jako okysličovadlo sloužil kapalný kyslík. Čtyři vnitřní motory byly navržené jako pevné, čtyři vnější byly v kardanových závěsech, což umožňovalo provádět opravy trajektorie změnou vektoru tahu. Motory s tahem po 890 kN vážily 830 kg vnitřní a 950 kg vnější. Tuto verzi nakonec schválili jako definitivní.
Raketa Saturn, dno stupně S-I s osmi motory H-1
Z důvodu úspory nákladů a zkrácení vývoje tvořil první stupeň S-I svazek osmi upravených nádrží balistických raket krátkého dosahu PGM-11 Redstone, seskupených kolem centrální nádrže rakety středního doletu PGM-19 Jupiter. Bílé nádrže s okysličovadlem a černé s palivem dávaly prvnímu stupni charakteristickou podobu.
NASA, která vznikla v polovině roku 1958, vytvořila jeden dlouho přetrvávající mýtus. Ve snaze vyvolat dojem, že vývoj bude bez větších rizik, vydala značně zjednodušené prohlášení, že první stupeň je vyroben z nádrží osvědčených raket Redstone a Jupiter.
To byla pravda jen částečně. Nádrže na Saturnu byly výrazně delší, zhruba 15,5 m, zatímco původní z Redstone měly délku jen 11,4 m a z Jupiteru jen 9 m. Nádrže měly stejný průměr, stejnou tloušťku stěny, takže se daly využít některé přípravky, stejné pracovní síly a výrobní postupy. Tím podoba končila. Dna nádrží byla odlišná a stejně tak i technologie jejich výroby.
První zážeh
V říjnu 1958 byl program pojmenovaný provizorně Juno. ARPA pověřila armádní velitelství řízených střel AOMC (Army Ordnance Missile Command) návrhem a výstavbou startovací rampy. Nově se řešila přeprava dílů rakety, především prvního stupně. Kvůli velikosti nebylo možné používat leteckou nebo silniční dopravu. Ideální se jevila lodní doprava, ale bylo nutné vybudovat přístaviště s příslušným vybavením a postavit speciální čluny Paleomon na jejich přepravu.
Další úspory mělo být dosaženo využitím částí nových raket SM-68 Titan a SM-65 Atlas na druhý stupeň. Z toho nakonec sešlo, protože prioritu měly dodávky pro armádu, a ta odmítla komponenty uvolnit.
V únoru 1959 dostal program nové jméno Saturn. Byly schválené dvě konfigurace. Slabší C-1 v kombinaci první stupeň S-I, druhý stupeň S-IV a třetí S-V. Výkonnější verze C-2 měla být čtyř nebo pětistupňová.
Raketa Saturn, řez druhým stupněm S-IV se společnou nádrži paliva a okysličovadla
Nově navržený druhý stupeň S-IV pohánělo šest kryogenních motorů Aerojet RL-10A-3S spalujících kapalný vodík a kapalný kyslík. Obě složky byly umístěné v jedné společné nádrži, oddělené přepážkou. Tímto inovativním řešením se podařilo ušetřit zhruba 20 % hmotnosti a zkrátit celkovou délku rakety. Motory s vlastní hmotností 134 kg měly tah po 67 kN. Jednotky řady RL-10 se staly prvními sériově vyráběnými kryogenními motory na světě.
Třetím stupněm rakety Saturn C-1 měl být S-V, vyvinutý firmou Convair. Stupeň používal dva motory RL-10A-1. Na nosiči byl použitý celkem čtyřikrát, ale ani jednou aktivně. Vzhledem k tomu, že šlo o suborbitální lety, byly nádrže napuštěné vodou, která představovala inertní balastní zátěž.
Ve dvou případech byla voda vypuštěna ve vesmíru v rámci programu Highwater. Projekt zkoumal chování paliva uniklého při destrukci rakety ve velké výšce. V obou případech bylo pyrotechnickými náložemi rozprášeno 87 tisíc litrů vody ve výšce 105, respektive 167 km. Ale to trochu předbíháme.
28. března 1960 proběhl první zážeh motorů stupně S-I v délce 1 sekundy. Při druhém testu 6. dubna, běžely motory 7 sekund. Při třetím 29. dubna 8 sekund. Statické testy probíhaly až do konce roku.
Muzejní expozice s raketou Saturn I v popředí
V lednu 1961 pověřila NASA společnosti North American a Ryan prověřením možnosti návratu prvního stupně na Rogallově křídle a jeho opětovném použití. K praktické realizaci nedošlo především kvůli zdlouhavému vývoji a problémům s opětovným použitím motorů H-1 po „koupeli“ ve slané vodě.
V červenci 1960 až květnu 1961 probíhaly studie proveditelnosti vícemístné kabiny, která měla nahradit jednomístné Mercury. Vesmírná loď, pojmenovaná Apollo, měla sloužit pro obsluhu orbitální stanice a průzkum Měsíce.
Když Sověti vypustili v dubnu 1961 prvního člověka do vesmíru, zareagoval prezident Kennedy projevem, ve kterém postavil před Spojené státy úkol, vyslat do konce dekády člověka na Měsíc, což zcela změnilo priority.
Program Saturn/Apollo dostal zelenou a byl okřesán o vše, co přímo nesouviselo s dobytím přirozeného satelitu Země. V květnu 1961 se upustilo od trojstupňové konfigurace, pro pilotované lety. Třetí stupeň měl sloužit jen pro speciální mise. Původní provedení se označovalo jako Block I, dvoustupňové jako Block II. Konfigurace Saturn C-2 byla definitivně zrušena. Vývoj se soustředil na „měsíční rakety“ Saturn V a Nova.
Saturn I mise SA-3 na rampě. Modrý kryt je ochrana před deštěm.
Poprvé ve vesmíru
K prvnímu letu nosné rakety Saturn I došlo 27. října 1961. Ve startovní konfiguraci měla raketa výšku 49,3 metru a hmotnost 460 tun. Funkční byl jen první stupeň, zbylé dva nahrazovaly hmotnostní makety. Vnitřní motory pracovaly 108 sekund, vnější ještě o 6 sekund déle. Raketa dosáhla výšky 136 km a dopadla ve vzdálenosti 398 km od rampy, asi 20 km od cílové plochy. Let byl považovaný za téměř bezvadný.
V následujících čtyřech letech proběhlo 10 letů, jejichž hlavním cílem bylo vyzkoušení nového nosiče tak, aby byl schopen vynášet kabiny s posádkou. Hlavním nákladem raket Saturn I byly hmotnostní simulátory kabin lodí Apollo, označené Boilerplate. Simulátory se používaly již od lodí Mercury, přes dvoumístné kabiny Gemini až po raketoplán Space Shuttle.
Simulátory Boilerplate lodí Apollo nesly označení BP-1 až BP-30. Kopírovaly tvar lodi, hmotnost a polohu těžiště, případně polohu a funkci dalších celků, jako jsou kryty padáků, záchranného vybavení nebo vstupní příklopy.
Obecně sloužily k testům, které vystačily jen s částečně funkčními celky, například testy nosných raket, testy záchranných věžiček, testy padákových systémů, kde představovaly jen balastní zátěž. Dále zkoušky dopadů do vody, testy stabilizačních plováků, výcvik posádek záchranných lodí a vrtulníků, výcvik astronautů v bazénu simulujícím stav beztíže apod.
Družice Pegasus pro výzkum mikrometeoritů. Družice se od druhého stupně neoddělovala.
Důležitým prvkem, nezbytným pro další cestu k Měsíci, bylo vypuštění tří satelitů Pegasus, zkoumajících množství a vliv mikrometeoritů. Jméno Pegasus bylo vybráno záměrně, protože satelity tvořila především dvě rozkládací „křídla“ s rozměry 29 x 4,3 m, se 104 senzory vybavenými panely. Ty sloužily ke snímání parametrů mikrometeoritů, které na křídla dopadly. Mikrometeority byly považované za riziko, které v případě proražení pláště mohly ohrozit bezpečnost posádek letících na Měsíc.
Nosná raketa Saturn I vydláždila cestu k modernizovanému nosiči Saturn IB, který posloužil k testům vesmírné lodi Apollo, lunárního modulu LEM a později k obsluze vesmírné stanice Skylab, ale to je již jiný příběh.
