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Saturn (Rakete)

Die Familie der Saturn-Raketen gehört zu den leistungsstärksten Trägersystemen der Raumfahrt, die jemals gebaut wurden. Sie wurden hauptsächlich von deutschen Wissenschaftlern und Technikern unter Leitung Wernher von Brauns für die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA im Rahmen des Apollo-Programms entwickelt.

Inhaltsverzeichnis

Bauarten

Im zweiten Halbjahr 1959 wurden verschiedene Möglichkeiten untersucht, wie eine neue, sehr starke Rakete zusammengesetzt sein könnte. Der Name Saturn stand dafür bereits fest.

Es gab drei prinzipielle Möglichkeiten, die mehr oder weniger auf existierenden Raketen basierten: Saturn A, Saturn B und Saturn C. Davon gab es noch acht Untertypen: A-1, A-2, B-1 und C-1 bis C-5. Das Entwicklungsteam entschied sich für die Variante C-5 und entwickelte parallel die Version C-1 weiter, die zwar nicht so leistungsfähig war, jedoch schneller zur Verfügung stehen würde. 1962 wurde entschieden, dass eine stärkere Version der C-1 benötigt werden würde, die C-1B. 1963 wurde das C aus den Bezeichnungen gestrichen, und die drei Raketen in Saturn I, Saturn IB und Saturn V umbenannt.

Das bekannteste und größte Mitglied der Familie, die Saturn V, wurde für die Mondlandungen benutzt und ist gleichzeitig eine der größten und stärksten Raketen, die je eingesetzt wurden. Sie bestand aus drei Stufen und trug an der Spitze das Apollo-Raumschiff, bestehend aus Lunar Module, Service- und Kommandomodul sowie der Apollo-Rettungsrakete (LES).

Innerhalb der Saturn-Raketenfamilie baute jeweils das nächstgrößere Modell auf die bereits für die Vorgängerversion entwickelte Technik auf und ersetzte einzelne Komponenten durch leistungsfähigere.

Saturn I

Sie war das Grundmodell, das ursprünglich nur für Testflüge entwickelt wurde. Um Zeit und Entwicklungskosten zu sparen, bestand ihre erste Stufe (S-1 genannt) im Zentrum aus einem Tank mit dem Durchmesser einer Jupiter-Rakete der von acht Tanks umgeben wurde, die den Durchmesser von Redstone-Raketen hatten. Beide Raketentypen waren in den Jahren zuvor von Wernher von Braun für die US Army entwickelt worden. Der zentrale Tank wurde mit Sauerstoff befüllt, die ihn umgebenen Tanks mit geringerem Durchmesser jeweils abwechselnd mit Sauerstoff oder mit Kerosin der Sorte RP-1 (Rocket Petrol). Am unteren Ende der ersten Stufe befanden sich sehr große Stabilisierungsflossen. Die Stufe verwendete acht H-1-Triebwerke.

Die zweite Stufe (S-4) war eine komplette Neuentwicklung. Erstmalig wurde die hochenergetische, aber schwierig zu beherrschende Treibstoffkombination Wasserstoff/Sauerstoff verwendet. Wie dieses bei heutigen Raketen üblich ist, wurden die beiden Tanks durch einen gut isolierten Zwischenboden getrennt. Die Stufe verwendete das für die Centaur-Oberstufe der Atlas-Centaur vorgesehene Triebwerk RL-10, weil das ursprünglich vorgesehene große J-2-Wasserstoff/Sauerstoff-Triebwerk noch in Entwicklung war. Wegen ihrer im Vergleich zur Centaur enormen Größe verwendete die S-4-Stufe sechs RL-10 anstatt nur zwei, wie bei der damals geplanten Centaur.

Zuerst wurde die erste Stufe nur mit Attrappen der zweiten Stufe im Flug getestet, danach die ganze Rakete komplett. Wider aller Erwartungen waren alle Flüge der Saturn I erfolgreich, so dass es bei den letzten Testflügen an der Rakete nichts mehr zu testen gab. Die letzten Flüge wurden daher für die ersten Testflüge der Apollo-Raumschiffe (ohne Servicemodule) genutzt und zum Transport der Pegasus-Satelliten in die Erdumlaufbahn. Dabei wurde das Apollo-Raumschiff oberhalb des Transportraumes der Pegasus-Satelliten montiert.

Saturn IB

Die Saturn IB diente der Erprobung des kompletten Apollo-Raumschiffs oder der Mondlandefähre in der Erdumlaufbahn. Dabei wurden die meisten Testflüge unbemannt durchgeführt, jedoch wurde mit ihr nie das Apollo-Raumschiff zusammen mit der Mondlandefähre gestartet.

Die erste Stufe der Saturn IB (S-1B) war weitgehend mit der S-1-Erststufe der Saturn I identisch, jedoch hatte sich gezeigt, dass die sehr großen und schweren Stabilisierungsflossen überdimensioniert waren, weshalb sie durch kleinere und leichtere ersetzt wurden, um das Leergewicht der Stufe zu senken. Außerdem verwendete sie eine überarbeitete und stärkere Version der H-1-Triebwerke.

Die zweite Stufe (S-4B) war eine stark modifizierte Version der S-4 Zweitstufe der Saturn I. Der Durchmesser der Stufe stieg von 5,58 m bei der Saturn I auf 6,6 m bei der Saturn IB an. Außerdem war sie wesentlich länger, so dass der Treibstoffvorrat sich stark vergrößerte. Jetzt stand auch das neue, wesentlich stärkere J-2-Wasserstoff/Sauerstoff Triebwerk zur Verfügung, von dem in jeder S-4B Stufe nur eines verwendet wurde.

Nach Abschluss des Apollo-Mondprogramms transportierte die Saturn IB noch drei Mal Astronauten zur Raumstation Skylab und startete ein Apollo-Raumschiff mit einem speziellen Kopplungsadapter für das Apollo-Sojus-Projekt.

Saturn V

Die Saturn V war die eigentliche Mondflugrakete. Nach nur zwei unbemannten Testflügen wurde die Rakete für einsatzbereit erklärt und startete danach, bis auf den letzten Flug mit der Raumstation Skylab, immer bemannt. Nur bei Apollo 9 und dem Start von Skylab steuerte sie eine erdnahe Umlaufbahn an.

Die erste Stufe der Saturn V, die S-1C, war eine komplette Neukonstruktion, die mit den Erststufen der Saturn I und IB außer der verwendeten Treibstoffkombination nichts gemeinsam hatte. Die Stufe war riesig und hatte bei einer Länge von 42 m einen Durchmesser von 10 m. In der Stufe befanden sich zwei separate Tanks. Unten befand sich der Tank für Kerosin RP (Rocket propellant) 1, durch den die Sauerstoffleitungen auf geradem Weg zu den Triebwerken hindurchliefen, und darüber der Tank für flüssigen Sauerstoff. Die Stufe verwendete fünf der neuen ebenfalls riesigen F-1-Triebwerke. Die Triebwerke waren in ihrem Schubgerüst so angeordnet wie die fünf Punkte auf einem Würfel, wobei die vier äußeren Triebwerke zur Steuerung schwenkbar waren. Um die Beschleunigung der Rakete nicht zu stark ansteigen zu lassen, wurde während des Fluges das mittlere F-1-Triebwerk vorzeitig abgeschaltet.

Die zweite Stufe (S-II) war ebenfalls eine Neukonstruktion mit 10 m Durchmesser. Sie verwendete die Treibstoffkombination Wasserstoff/Sauerstoff und hatte einen Tank, der durch einen isolierten Zwischenboden in zwei Räume für die beiden Treibstoffkomponenten getrennt wurde. Die Stufe verwendete fünf J-2-Triebwerke, die genauso angebracht waren wie die Triebwerke der Erststufe.

Die dritte Stufe war eine leicht modifizierte S-4B-Stufe, die unmodifiziert auch schon als zweite Stufe der Saturn IB verwendet wurde. Die Modifikationen beschränkten sich auf eine in den Tanks angebrachte Isolation, damit der Treibstoff mehrere Stunden flüssig blieb, damit die Stufe auch nach mehreren Erdumläufen wiederzündbar war, wie das für Mondflüge nötig war.

Beim Start von Skylab wurde die Saturn V einmal nur mit den beiden ersten Stufen eingesetzt.

Die Saturn V konnte bis zu 120 Tonnen Nutzlast in den Erd-Orbit transportieren und bis zu 45 Tonnen Nutzlast auf Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen.

Das Ende

Der letzte Start der Saturn V erfolgte am 14. Mai 1973, als die Raumstation Skylab in die Erdumlaufbahn gebracht wurde. Der letzte Start einer Saturn-I-B erfolgte am 15. Juli 1975 im Rahmen des Apollo-Sojus-Projekts.

Zum Ende des Apollo-Programms waren noch vier Saturn-IB-Raketen (SA-211 bis SA-214) und zwei Saturn-V-Raketen (SA-514 und SA-515) im Bau. Die betriebsbereite Rakete SA-209 war als Ersatz für das Apollo-Sojus-Projekt verwendet worden.

Drei Saturn-V-Raketen werden zur Zeit ausgestellt, jedoch bestehen sie aus Teilen von verschiedenen Raketen, teils aus flugfähigen Stufen, teils aus Testexemplaren. Das einzige Ausstellungsstück, das vollständig aus flugtauglichen Modulen besteht, liegt seit 1977 vor dem Lyndon B. Johnson Space Center in Houston. Sie gehört inzwischen dem Smithsonian Institution's National Air and Space Museum.

Im "KSC Visitor Complex" des Kennedy Space Center sind eine Saturn IB und eine Saturn V ausgestellt. Die Saturn IB ist die SA-209, wobei eine Attrappe des Apollo-Raumschiffes (Facility Verification Vehicle) aufgesetzt wurde, die bis 1968 zur Überprüfung von Vorrichtungen und Abläufen eingesetzt wurde. Die erste Stufe der Saturn V ist ebenfalls ein Testartikel, die zweite und die dritte Stufe dagegen stammen von der SA-514, die für Apollo 18 geplant war.

Eine dritte Saturn V liegt im U.S. Space and Rocket Center in Huntsville, Alabama in der Nähe des Marshall Space Flight Center. Ihre drei Stufen bestehen aus Exemplaren, die dort für Testzündungen verwendet wurden.

Verbleib der Saturn-Raketen

Nr. Typ Verwendungszweck (geplant) Verbleib der Saturn
SA-209 Saturn IB Für Skylab-Rescue Mission Kennedy Space Center
SA-211 Saturn IB - 1. Stufe: Alabama Welcome Center bei Ardmore
SA-212 Saturn IB - - (2. Stufe zu Skylab umgebaut)
SA-213 Saturn IB - - (nur 1. Stufe gebaut)
SA-214 Saturn IB - - (nur 1. Stufe gebaut)
SA-513 Saturn V 1. und 2. Stufe für Skylab 3. Stufe: Lyndon B. Johnson Space Center
SA-514 Saturn V Für Apollo 18 1. Stufe: Lyndon B. Johnson Space Center
2. und 3. Stufe: Kennedy Space Center
SA-515 Saturn V Für Apollo 19 1. Stufe: Michoud Assembly Facility
2. Stufe: Lyndon B. Johnson Space Center
3. Stufe: National Air and Space Museum

Technische Daten der Saturn I

Stufe Länge/Durchmesser Triebwerke Treibstoff Firma
1 (S-IB) 24,5 m x 6,53 m 8 x H-1 Kerosin, Sauerstoff Chrysler
2 (S-IV) 10 m x 5,58 m 6 x RL-10 Wasserstoff, Sauerstoff Douglas Aircraft Company

Anm.: die größere Gesamthöhe von 50 m ergibt sich aus zusätzlichen Stufenadaptern, u.a. für die Parkbucht die von den Pegasus Satelliten genutzt wurde, sowie dem Apollo-Mutterschiff einschließlich der Apollo-Rettungsrakete.

Technische Daten der Saturn IB

Stufe Länge/Durchmesser Triebwerke Treibstoff Firma
1 (S-IB) 24,5 m x 6,53 m 8 x H-1 Kerosin, Sauerstoff Chrysler
2 (S-IVB) 18 m x 6,6 m 1 x J-2 Wasserstoff, Sauerstoff Douglas Aircraft Company

Anm.: die größere Gesamthöhe von 68 m ergibt sich aus zusätzlichen Stufenadaptern, u.a. für die Parkbucht des Lunar Module, sowie dem Apollo-Mutterschiff einschließlich der Apollo-Rettungsrakete.

Technische Daten der Saturn V

Stufe Länge/Durchmesser Triebwerke Treibstoff Firma
1 (S-IC) 42 m x 10 m 5 x F-1 Kerosin, Sauerstoff Boeing
2 (S-II) 24 m x 10 m 5 x J-2 Wasserstoff, Sauerstoff North American Aviation
3 (S-IVB) 18 m x 6,6 m 1 x J-2 Wasserstoff, Sauerstoff Douglas Aircraft Company

Anm.: die größere Gesamthöhe von 110 m ergibt sich aus zusätzlichen Stufenadaptern, u.a. für die Parkbucht des Lunar Module, sowie dem Apollo-Mutterschiff einschließlich der Apollo-Rettungsrakete.

Datenblatt

Typ Stufen Höhe Durchmesser Max. Nutzlast Startgewicht Startschub Einsatzzeit
Saturn I 2 57,9 m/37,7 m 6,55 m/5,58 10 t 512 t 675 t 1961-1965
Saturn IB 2 68 m/43 m 6,6 m 18 t 588 t 726,4 t 1966-1975
Saturn V 3 110,6 m/85 m 10,06 m/6,6 m 133 t 2.934,8 t 3.424 t 1967-1973

Höhe angegeben mit und ohne Apollo-Raumschiff. Nutzlast bezieht sich auf die Nutzlast in einem Low Earth Orbit (LEO). Quellen: NASA, Technische Daten aus [1]

Ablauf der Mondmission

S-IC-Sequenz

Die Apollo-Missionen begannen ihre Reise zum Erdtrabanten vom Startkomplex 39 des John F. Kennedy Space Center. Nach erfolgtem Start brannte die erste Stufe der Saturn V für 2,5 Minuten und brachte die Rakete so auf eine Höhe von 61 Kilometern. Die Geschwindigkeit betrug bei Brennschluss 8.600 km/h. Es wurden in diesen 2,5 Minuten etwa 2.000 t Treibstoff verbrannt.

S-II-Sequenz

Nach Abwurf der ersten Stufe zündete die zweite und brannte für weitere sechs Minuten. Deren Brennschluss erfolgte in etwa 185 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von 24.600 km/h.

S-IVB-Sequenz

Für weitere 2,5 Minuten übernahm nun die dritte Stufe den Antrieb. Sie brannte insgesamt bis zwölf Minuten nach dem Start und wurde während der nächsten zweieinhalb Erdumrundungen nicht abgeworfen. Während dieser Zeit wurde das Raumschiff auf Funktionalität überprüft, bis das "Go" für den Einschuss in die Mondbahn gegeben werden konnte.

Einschuss in die Mondbahn

Die dritte Stufe wurde zum Einschuss in die Mondbahn noch einmal für mehr als fünf Minuten gezündet. Nach Brennschluss war das Raumschiff auf einer Geschwindigkeit von 37.500 km/h (10,4 km/s, etwas weniger als die Fluchtgeschwindigkeit) und auf Kurs zum Mond.

Die Mondlandefähre, die während der ganzen Zwischenzeit im oberen Teil der dritten Stufe verweilte, wurde nun nach Abkopplung des Apollo-Raumschiffs und dessen Drehung um 180° aus der Stufe gezogen.

Abschließend musste durch eine Kurzzündung des Triebwerks die dritte Stufe noch auf eine andere Bahn als das Apollo-Raumschiff gebracht werden, damit im nachhinein keinerlei Kollisionsmöglichkeit gegeben war. Bis Apollo 12 wurde sie in einen solaren Orbit eingeschossen, ab Apollo 13 auf einen Kollisionskurs mit dem Mond gebracht. Der Einschlag wurde mit den von früheren Missionen aufgestellten Seismometern aufgezeichnet.

Siehe auch: Skylab, Geschichte der Raumfahrt, Wernher von Braun, N1, Guppy (Flugzeug)


Flüge der Saturn-Raketen

Datum Typ Nummer Mission Bemerkung
27. Oktober 1961 Saturn I SA-1 Suborbitaler Testflug für die erste Stufe. Anstatt der zweiten Stufe wurde Wasser als Ballast mitgeführt
25. April 1962 Saturn I SA-2 High Water I Weiterer suborbitaler Testflug für die erste Stufe. Die mit Wasser gefüllten zweite und dritte Stufen wurden in 105 km Höhe zur Explosion gebracht, um eine künstliche Wolke zu erzeugen
16. November 1962 Saturn I SA-3 High Water II wie High Water I. Künstliche Wolke in 167 km Höhe
28. März 1963 Saturn I SA-4 Weiterer suborbitaler Testflug für die erste Stufe. Geplantes Abschalten eines Triebwerks, um zu testen, ob die anderen Triebwerke wie vorgesehen länger arbeiten.
29. Januar 1964 Saturn I SA-5 Erster Flug einer zweistufigen Saturn-I in einen Orbit
28. Mai 1964 Saturn I SA-6 mit Attrappe des Apollo-Raumschiffs
18. September 1964 Saturn I SA-7 mit Attrappe des Apollo-Raumschiffs und Fluchtturm
16. Februar 1965 Saturn I SA-9 Pegasus 1 mit Attrappe des Apollo-Raumschiffs, Fluchtturm und Satellit
25. Mai 1965 Saturn I SA-8 Pegasus 2 wie Pegasus 1
30. Juli 1965 Saturn I SA-10 Pegasus 3 wie Pegasus 1
26. Februar 1966 Saturn IB SA-201 AS-201 Erster Start der Saturn IB, suborbital
5. Juli 1966 Saturn IB SA-203 AS-203
25. August 1966 Saturn IB SA-202 AS-202 suborbital
9. November 1967 Saturn V SA-501 Apollo 4 Erster Start der Saturn V
22. Januar 1968 Saturn IB SA-204 Apollo 5  
4. April 1968 Saturn V SA-502 Apollo 6
11. Oktober 1968 Saturn IB SA-205 Apollo 7 Erster bemannter Start der Saturn IB
21. Dezember 1968 Saturn V SA-503 Apollo 8 Erster bemannter Start der Saturn V
3. März 1969 Saturn V SA-504 Apollo 9
18. Mai 1969 Saturn V SA-505 Apollo 10
16. Juli 1969 Saturn V SA-506 Apollo 11 Erste bemannte Mondlandung
14. November 1969 Saturn V SA-507 Apollo 12
11. April 1970 Saturn V SA-508 Apollo 13
31. Januar 1971 Saturn V SA-509 Apollo 14
26. Juli 1971 Saturn V SA-510 Apollo 15
16. April 1972 Saturn V SA-511 Apollo 16
7. Dezember 1972 Saturn V SA-512 Apollo 17 letzter Start der Saturn V zum Mond
14. Mai 1973 Saturn V SA-513 Skylab 1 letzter Start der Saturn V (allerdings nur mit zwei Stufen), Raumstation Skylab wird in die Erdumlaufbahn gebracht
25. Mai 1973 Saturn IB SA-206 Skylab 2
28. Juli 1973 Saturn IB SA-207 Skylab 3
16. November 1973 Saturn IB SA-208 Skylab 4
15. Juli 1975 Saturn IB SA-210 ASTP letzter Start der Saturn-IB

Anekdote

Der Start einer Saturn V soll nach der Explosion einer Atombombe das am weitesten zu hörende menschengemachte Geräusch gewesen sein. Im etwa 12 km entfernten Titusville sind bei jedem Start dutzende Scheiben aus den Fenstern geflogen und im Startbunker schneite der Putz von der Decke.

Siehe auch

 Commons: Saturn – Bilder, Videos und Audiodateien

Besichtigung

Interessierte können in der Mensa der Hochschule Mittweida (FH) ein J-2-Triebwerk einer Saturn-V-Rakete besichtigen.