Project Apollo: Saturn V-raketten

Sand Historie

O-D-I-N.org, PROJECT APOLLO fortsat

 

I dette afsnit sætter vi fokus på den nærmest legendariske Saturn V-raket.

Afsnittet er i uddrag baseret på Aulis Online, juni 2014.

Præsident John F. Kennedy talte visionært om en amerikansk måneraket af historiske dimensioner og muligheder. Den skulle sætte mennesket fri af Jordens tyngdefelt og bringe det til Månen. Giganten kom til at repræsentere det ypperste af, hvad USA (måske menneskeheden) kunne præstere i raketteknologi i løbet af 60’erne og begyndelsen af 70’erne. Eller det er, hvad vi har fået at vide.

De officielle data for Saturn V (“saturn-5”) kan hentes på Wikipedia.

Alligevel kom Saturn V snart til at stå i skyggen af, hvad russerne kunne præstere af løfteraket. Grundlaget for den sovjetisk udviklede raketteknologi efter Anden Verdenskrig var i princippet det samme som for USA. Det byggede på tysk V2-teknologi og den ekspertise, der kunne findes og overtales til at arbejde for den sovjetiske eller amerikanske raketudvikling i årene efter krigen. Efter alt at dømme var Vernher von Braun ikke den egentlige kapacitet “på gulvet”. Meget tyder på, at russerne allerede havde et forspring kort efter krigen.
Til forskel fra den amerikanske strategi, der gik ud på at skabe optimale betingelser for de naturaliserede tyskere og lægge den videre udvikling i hænderne på folk, der allerede udgjorde ekspertisen – sørgede russerne fra begyndelsen for selv at lære kunsten ved at afæske de tyske eksperter deres viden. Ruslands geografiske udstrækning, håbløsheden i at modarbejde styret og muligheden for at opnå en rimelig social status – har alle været stærkt formidlende faktorer.

Forsøg at forestille dig hastigheden 11,2 km/s eller 40.320 km/t. For nogen passer det med turen til købmanden og retur på 1 sekund. Det er den mindste hastighed, der er nødvendig for at overvinde Jordens tyngdefelt. Den nødvendige acceleration (hastighedsforøgelsen pr. tidsenhed) for at bygge en sådan hastighed op gennem atmosfæren kræver en formidabel energiudladning inden for relativ kort tid. Forestil dig energien der skal til for at få 45 tons nyttelast til at flyve 11,2 km/s på vej ud af Jordens tyngdefelt eller bare til et kredsløb om Jorden. Den totale startvægt for Saturn V-raketten oplyses at have været næsten 3.000 tons. Apollo-rejsernes kommando- og servicemodul, CSM, vejede fuldt bemandet og udrustet omkring 30 tons, fordelt med 5,5 tons på kommandomodulet og 24,5 tons på servicemodulet. Dertil kom vægten af månelandings- og startmodulet, LEM, på ca. 15 tons, altså små 45 tons tilsammen. Den officielle nyttelast var 118 tons til indsættelse i kredsløb om Jorden (LEO: Low Earth Orbit) og kun 43,5 tons til indsættelse i kredsløb om Månen (TLI: Trans-Lunar Injection). Resten af den samlede vægt var raket og brændstof.


En af første trins fem F-1 -motorer fra Rocketdyne. Foto: Internettet

 

Apollo V var en 3-trins raket. Det nederste (1.) trin var forsynet med 5 amerikansk udviklede kæmpemotorer af typen F-1 produceret af Rocketdyne. Denne motor havde ry for at være den kraftigste raketmotor, der nogen sinde er bygget. Imidlertid viser et 750 siders Architecture Study* af F-1 motoren, at den i 2005 hverken blev overvejet som reservemotor eller grundlag for en ny prototype i den fortsatte udvikling af raketmotorer. Den omtales kun perifert i den foreliggende detaljerede undersøgelse af NASA’s muligheder inden for raketvidenskab og -teknologi. (Arch. Study, 2005, side 467.)

*) Arch. Study, 2005: NASA, “NASA’s Exploration Systems Architecture Study – Final Report” (NASA-TM-214062), november 2005.

Efter alt at dømme skyldtes dette opgør med F-1, at motoren forårsagede strukturelle svingninger, der blev igangsat af vibrationer i trykkamrene. Det blev observeret i den anden test af Saturn V efter en ubemandet opsendelse den 4. april 1968, kendt som Apollo 6-missionen. De såkaldte pogo-svingninger** viste sig at være så kraftige, at de blev vurderet at være helbreds- eller ligefrem livstruende for mandskabet og ville kunne skade lasten, herunder månelandingsmodulet (LEM el. LM). Selv i 1968 indrømmede man: “Havde der været mennesker ombord på Apollo 6, ville besætningen sandsynligvis have afbrudt missionen under pogo-svingningerne, der ville ryste dem så voldsomt, at de ikke havde kunnet kontrollere fartøjet.” (Apollo, 1989, side 314. Ref.: Murray, Charles and Catherine Bly Cox, Apollo: The Race to the Moon, Simon & Schuster, New York,1989)

**) Selvforstærkende svingninger; navnet er hentet fra “Pogo-stylten”.

Til trods for den problematiske test i april 1968, løftede Saturn V-raketten vellykket (ifølge NASA’s rapporter) allerede i december 1968 Apollo 8 med en tre mands besætning ud i en bane til Månen. Meget senere, under den tredje ubemandede opsendelse af Saturn V med Skylab ombord, vendte problemet med vibrationerne tilbage. Under en opsendelse den 14. maj 1973 blev Skylab-stationen alvorligt beskadiget af svingningerne under første trins motorfase. Et solpanel rev sig løs fra hoveddelen og ramponerede den så voldsomt, at stationen en overgang blev anset for tabt.

Spørgsmålet trænger sig på: Hvordan kunne Saturn V-raketten fungere perfekt fra 1968 til 1972 og derefter, kun et halvt år efter afslutningen af Apollo-missionerne, retardere til niveauet fra før 1968? For det var præcis mellem den 2. og 3. ubemandede opsendelse af Saturn V, at alle de tilsyneladende succesfulde missioner til Månen foregik.

Disse historiske begivenheder kan være en hjælp i forsøget på at forstå de seneste beslutninger i NASA under den videre udvikling af et kraftigt løftefartøj. Uden at bekymre sig om Apollos-æraens ypperste teknologi har NASA kæmpet for og med et nyt design til en løfteraket af tilsvarende format. Projektet er stødt på umådelige problemer med vibrationer i motoren fuldstændigt som dem, der indtraf under mindst to ubemandede opsendelser af Saturn V.

I midten af 2009, omkring 18 måneder efter de første kommentarer til vibrationerne i første trin af Ares I, som den nye løfteraket blev kaldt, indrømmede GAO*** samtidig med Augustine komiteens**** rapport, at NASA stadig havde problemer med vibrationerne i Ares I: “Et andet problem i forhold til vibrationer er de akustiske svingninger – trykket fra disse svingninger, der skyldes affyringen af Ares I’s første trin og rakettens acceleration gennem atmosfæren, kan måske medføre strukturelle svingninger gennem hele Ares I og Orion. Ifølge agenturets talsmænd er NASA stadig i gang med at undersøge, hvordan disse vibrationer og akustiske effekter vil kunne påvirke fartøjerne.” (GAO, 2009, side 13.)

***) GAO, 2009: Government Accountability Office, “NASA: Constellation Program Cost and Schedule Will Remain Uncertain Until a Sound Business Case Is Established” (GAO-09-844), august 2009.

****) Augustine, 2009: Review of U.S. Human Spaceflight Plans Committee, “Seeking a Human Spaceflight Program Worthy of a Great Nation”, oktober 2009.

Augustine komiteen udtrykte sig tilsvarende om Ares I-raketten, uden at foreslå nogen reel løsning. “… NASA besluttede, at den oprindelige plan om at bruge rumfærgens hovedmotor i Ares I’s anden fase, ville blive for dyr … Men erstatningsmotoren leverede mindre tryk og havde elendig brændstoføkonomi, så raketterne til første fase måtte nødvendigvis modificeres for at kunne levere større total impuls. Denne ændring bidrog til et vibrationsproblem, hvis løsning endnu ikke er fundet.” (Augustine, 2009, side 111.)

Opsummerende: En fireårig researchperiode for at finde frem til et brugbart design mundede ud i et nøgleproblem analogt med det, der blev konstateret under de ubemandede Saturn V-missioner. Kort tid efter blev Ares-projektet droppet.
Angiveligt var vibrationsproblemet under Apollo 6 allerede blevet løst i december 1968, for Apollo 8-missionens løfteraket skulle have modtaget følgende modifikation: “Det nye helium-forkammer-tryksystem vil udføre S-IC (første fase af Saturn V-banen) for første gang. I dette system bliver gruber i forkamrene for den flydende ilt fyldt med helium for at danne buffere eller “stødabsorbere”, der skal dæmpe svingningerne. Dette system blev installeret for at forhindre for store svingninger om længdeaksen under Apollo 6-flyvningerne.” (Ap-8 PK, 1968, side 47. Ref.: NASA, “Apollo 8 Press Kit” (No. 68–208), 15 december 1968.)

Hvis problemet med svingninger virkelig var blevet løst, kan vi konstatere, at løsningen ikke blev brugt før uheldet med Skylab, og ingen har til dato foreslået den som en løsning i fremtiden. Igen ser vi, at i essentielle spørgsmål er tilliden hos moderne raketeksperter i USA til Apollo-projektets erfaringer – minimal, og historierne om alle de succesfulde Saturn V-opsendelser og de ni bemandede Apollo-missioner må anses for tvivlsomme.


Andet trin havde fem J-2 motorer (udviklet af Rocketdyne). Foto: Internettet

 

Saturn V-rakettens 2.  og 3. trin.


Tredie trin med en enkelt J-2 motor. Foto: Internettet

 

Uafhængigt af problemerne med første fases tunge løftefartøj havde man valgt en brintmotor, J-2X, til de efterfølgende faser. Raketten, der var planlagt til at udføre fasen fra banen om Jorden og videre ud i rummet, skulle være en J-2X, dvs. en nyudvikling, en slags derivat fra J-2 motoren, der allerede udførte anden fase i Apollo-Saturn-systemet (2. og 3. trin).

Kombinationen af motorerne F-1 og J-2 var det teoretiske grundlag for Apollo-projektets succes. J-2 motoren leverede et tryk, der ikke kunne opnås på nogen anden måde i forhold til mål og vægt. Det var nødvendigt at kunne sende kombinationen kommando-/servicemodul og landingsmodul ind i en yderlig bane om Jorden, hvorfra lasten yderligere ville blive slynget ud i en bane mod Månen. J-2 motoren var ikke blevet brugt efter Apollo-missionerne med undtagelse af en enkelt gang ved opsendelsen af en Saturn 1B-raket i 1975 som led i et rendezvous med et Soyuz-fartøj i lavt omløb om Jorden (Apollo-Soyuz Test Project).

I begyndelsen af CxP, (Constellation Program med målet: “Retur til Månen ikke senere end 2020.”) var NASA indstillet på at modificere J-2, skønt agenturet indrømmede, at der var problemer: “Brugen af J-2S motoren i frigørelsesfasen fra Jorden (EDS) er risikabelt, fordi J-2S motoren aldrig har været i luften. J–2S blev oprindeligt designet for at erstatte Saturn-rakettens J-2 motorer til øverste fase … Dermed frembyder den estimerede tid på 4 år til forberedelser, fabrikation og afprøvning af motoren en betydelig risiko for programmet.” (Arch. Study, 2005, side 8.)

Da analyserne og designarbejdet allerede havde stået på i 3–4 år, foretog GAO et foreløbigt skøn over de nødvendige ressourcer for redesign og udvikling: “Uviklingsplanen for J-2X er stram og har mindre end 7 år til rådighed fra udviklingens start og til første flyvning, og den må i vid udstrækning foregå parallelt med anden udvikling.” (GAO, 2008, side 12.)

Hvis J-2-motoren virkelig havde fungeret pålideligt o. 40 år tidligere, hvorfor skulle det så (den mellemliggende teknologisk udvikling taget i betragtning) kræve fuldgode syv år at udvikle den forfra? Og hvorfor skulle parallel udvikling være et forsinkende aspekt? Det kunne vel forventes, at NASA fra tidligere parallelle udviklingsforløb med Apollo-systemet havde opnået tillid til egne præstationer.

GAO når frem til en forbløffende konklusion vedrørende andenfasens J-2X motor: “Selvom J-2X er baseret på J-2 og J-2S motorerne fra Saturn V … er antallet af de planlagte ændringer ifølge NASA’s review-panel sådan, at den nødvendige indsats i virkeligheden svarer til udviklingen af en ny motor.” (GAO, 2008, side 10.)
Hvordan harmonerer den erkendelse med hele Apollo-programmet, der blev færdiggjort inden for 7 år gennem midten af 60’erne og i alle henseender konfronterede ukendte problemer og måtte løse dem parallelt med andre kritiske problemer – det hele for første gang i historien?

Konstruktionen af en kraftig løfteraket under CxP-projektet blev omsider opgivet i 2010.  Ares I blev testet ved en ubemandet flyvning en enkelt gang. Det var i oktober 2009, og det stod allerede da klart, at raketten ikke havde nogen fremtid. De bærende elementer i Saturn V-raketten fandt ikke nåde hos nogen, tværtimod udtryktes der mistillid til såvel den kraftfulde F-1-motor i første fase som til J-2-motoren i anden fase.

Under CxP projektet blev tidens nye måneraket baseret på en udvikling, der intet arvede fra Saturn V-raketten. Den legendariske F-1-motor nævnes end ikke i nutidens NASA-dokumentation. Det er som, havde den aldrig eksisteret. Når NASA endnu ikke råder over en kraftig og pålidelig løfteraket, styrkes mistanken om, at agenturet intet brugbart har kunnet hente fra Apollo-programmets floromvundne teknologiske landevindinger.

Saturn V rakettens løfteevne antagelig langt dårligere end oplyst

NASA har oplyst, at Saturn V-raketten var i stand til at sende 45 tons ind i en bane mod Månen, og det var den absolut nødvendige forudsætning for, at Apollo-missionerne kunne lykkes; for den samlede vægt af kommando-/servicemodulet og månelandingsfartøjet var netop 45 tons.

Mange har senere stillet spørgsmålet: Hvorfor skrottede NASA Saturn V og brugte nye milliarder af dollars på at fremstille et løftesystem forfra til rumfærgen, når de lige så godt kunne have placeret rumfærgen i forlængelse af Saturn V-rakettens 3. trin?
Det ville have sparet masser af ressourcer – fx i udviklingstid – på et system, der alligevel kun kunne transportere en brøkdel af, hvad Saturn V angiveligt kunne sende i kredsløb om Jorden, nemlig hele 118 tons.

Det oplagte svar er sandsynligvis, at Saturn V aldrig har kunnet løfte hverken 118 tons ind i et lavt kredsløb om Jorden eller 45 tons ind i en bane mod Månen.

Et interessant studium blev udført af russeren S. G. Pokrovsky (måske omkring 2010). Han var/er videnskabsmand inden for tekniske videnskaber og udførte to undersøgelser under overskrifterne:
Undersøgelse af Saturn V-rakettens fart og evne til at placere den påståede last i en bane mod Månen, hhv. Forbedrede estimater over Saturn V-rakettens fart og dens evne til at placere den påståede last i en bane mod Månen.

Den første af undersøgelserne resumeres således:
En undersøgelse blev foretage ramme-for-ramme af filmmaterialet fra første trins separation fra Apollo 11 Saturn V-raketten. Den fart, der var opnået i separationsøjeblikket, viste sig at være betydeligt mindre (800–1100 m/s) end nødvendigt for at gennemføre den planlagte flyvning. Denne opdagelse antyder, at den påståede løfteevne, der var nødvendig for at sende den pågældende mission til Månen og retur, ikke var til stede, og lasten kunne ikke have nået ind i en bane mod Månen.
Undersøgelserne blev oversat til engelsk i 2011, her er 1. del.

Den anden undersøgelse indeholder yderligere præciseringer:
I første del blev der udført et estimat af Saturn V-rakettens booster og Apollo 11-rumfartøjets fart i øjeblikket efter første trins adskillelse, baseret på eksisterende filmmateriale og fotografier. Det resulterende estimat viste, at den opnåede fart var betydeligt (800–1100 km/s) under den nødvendige fart for at opfylde formålet, nemlig at sende missionen til Månens overflade. Yderligere studier konkluderer, at ikke over 28 tons, inkluderende Apollo 11-rumfartøjet, ud af NASA’s påståede 45 tons kunne have været sendt ind i en bane mod Månen.
Her er undersøgelsens 2. del.

Pointen i S. G. Pokrovsky’s konklusion er, at hvis Apollo V-raketten på vej ud af Jordens tyngdefelt på det sted i banen, hvor 1. fase sluttede – endnu ikke havde opnået den tilstrækkelige fart til at sende 45 tons ind i en bane mod Månen – ville 2. og 3. trin ikke kunne kompensere for den manglende acceleration.

En maksimal last på 28 tons for rejser mod Månen (svarende til en slanket udgave af kommando-/servicemodulet UDEN månelandingsfartøjet!) repræsenterer i sig selv et påtrængende indicium for, at Apollo 11-månelandingen aldrig fandt sted.

Tidligere udvikling undsiges

Det gamle programs brugbarhed er med starten af det nye program seriøst blevet anfægtet inden for NASA (dog ikke udtrykkeligt, men gennem agenturets og forskellige ekspertpanelers implicitte afstandtagen). Hvis der ikke var megen ekspertise at arve fra det legendariske Apollo-program, så bringes spørgsmålet, om et sådant program overhovedet kunne have været gennemført for 40 år siden, alvorligt ind i søgelyset. NASA står stadig over for tekniske udfordringer, der efter alt, hvad vi har fået at vide, blev løst for mere end 40 år siden. Det overordnede budskab fra de seneste NASA-rapporter er, at den nødvendige teknologi for at rejse til Månen ikke er til rådighed. Det samme gælder en løfteraket, eller endda et modul til sikker transport af en besætning ud i rummet og tilbage til Jorden.

At starte fra Månens overflade var tilsyneladende ren rutine under Apollo-æraen, men siden er der opstået betydelige problemer med at overvinde den såkaldte dybe gravitationsbrønd. Desuden indrømmer NASA i dag, at agenturet ikke råder over tilstrækkelig viden om strålingen uden for det lave kredsløb om Jorden. Hvis bare ét af disse kritiske led mangler i kæden, bliver hele programmet med at oprette en månebase illusorisk.

Et sådant kritisk led er varmeskjoldet og dets evne til at beskytte returnerende besætninger efter rejser til det ydre rum ved genindtræden i Jordens atmosfære, og et sådant skjold mangler stadig at blive udviklet. Uden et effektivt og pålideligt varmeskjold vil enhver bemandet mission til det ydre rum, herunder til Jordens måne, være udelukket. Anflyvning af Jorden fra det ydre rum foregår ved langt højere hastighed, end ved “nedstigning” fra LEO, som eksisterende varmeskjolde udmærket kan beskytte imod. Under Apollo-missionerne beskrev man en meget direkte anflyvning af Jordens atmosfære. Indgangshastigheden var 11,2 km/s, samme hastighed, der kræves for at undvige Jordens tyngdefelt. Den type genindtræden, der samtidig (i princippet) forklarede, hvorfor kapslerne fra Apollo-missionerne landede umådelig præcist inden for et begrænset område i Stillehavet (man kan forestille sig, at den reelle genindtræden har været fra LEO), ville kræve et varmeskjold, der kunne modstå 2.700 ºC. Men i 2014–15 er videnskaben endnu ikke i stand til at frembringe et varmeskjold, der tåler mere end 2.200 ºC (rumfærgerne genererede 1.600 ºC ved genindtræden fra LEO). Igen er erfaringer fra Apollo-æraen ikke tilgængelige (sandsynligvis fordi de ikke eksisterer). Den eneste model, der planlægges for genindtræden fra fremtidige rejser til det ydre rum, har været brugt af russerne længe og indebærer, at rumfartøjet så at sige “slår smut” på atmosfæren og decelererer over en længere og fladere bane mod Jorden. Landingsstedet bliver samtidig langt mindre forudsigeligt (hvilket har mindre betydning over det russiske landområde end over Stillehavet, hvor luftrummet er internationalt).

I 2013 erkendte Tom Young, en tidligere chef for Lockheed Martin, at NASA (udviklingsmæssigt) beskriver “en faldende kurve”. Asteroiderne og Lagrange punkter kan være “trædesten” i udforskningen af rummet, men er ikke inspirerende nok i det lange løb. De praktiske landevindinger inden for rækkevidde er ret få: Jordens måne, månerne omkring Mars og Mars selv. Så ideen fra tidligere om at bygge en forpost på Månen (Arch. Study, 2005, side 56) har stadig betydning.

I lyset af de her nævnte og mange senere opdagelser og værdien af at kunne identificere problemerne på et ærligt grundlag og bane vejen for deres pragmatiske løsning – ville det så ikke være mere produktivt, hvis de ansvarlige erkendte, at de bemandede Apollo-missioner til Månen, som skulle have foregået for fire årtier siden, aldrig fandt sted?
Phil Kouts

Retur til første side  Næste afsnit: Anflyvning af Månen, landing og start