La familia de cohetes estadounidenses Saturn fue desarrollada por un equipo de ex ingenieros y científicos de cohetes alemanes liderados por Wernher von Braun para lanzar cargas útiles pesadas a la órbita terrestre y más allá. La familia Saturno utilizó hidrógeno líquido como combustible en las etapas superiores . Originalmente propuestos como lanzadores de satélites militares , fueron adoptados como vehículos de lanzamiento para el programa Apollo Moon . Se construyeron y volaron tres versiones: el Saturn I de carga media , el Saturn IB de carga pesada y el Saturn V de carga súper pesada .
El nombre de Saturno fue propuesto por von Braun en octubre de 1958 como sucesor lógico de la serie de Júpiter y de la poderosa posición del dios romano . [1]
En 1963, el presidente John F. Kennedy identificó el lanzamiento del Saturn I SA-5 como el punto en el que la capacidad de elevación de Estados Unidos superaría a la soviética , después de haber estado rezagada desde el Sputnik . La última vez que mencionó esto fue en un discurso pronunciado en Brooks AFB en San Antonio el día antes de su asesinato.
Hasta la fecha, el Saturn V es el único vehículo de lanzamiento capaz de transportar seres humanos más allá de la órbita terrestre baja . Un total de 24 humanos volaron a la Luna en los cuatro años que abarcaron desde diciembre de 1968 hasta diciembre de 1972. Ningún cohete Saturno falló catastróficamente en vuelo. [2]
Todos los cohetes de la familia Saturn se enumeran aquí por fecha de introducción.
A principios de la década de 1950, la Armada y el Ejército de los EE. UU. desarrollaron activamente misiles de largo alcance con la ayuda de los ingenieros de cohetes alemanes que participaron en el desarrollo del exitoso V-2 durante la Segunda Guerra Mundial. Estos misiles incluían el Viking de la Armada y el Cabo , Júpiter y Redstone del Ejército . Mientras tanto, la Fuerza Aérea de EE.UU. desarrolló sus misiles Atlas y Titan , confiando más en ingenieros estadounidenses.
Las luchas internas entre las distintas ramas fueron constantes, y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) decidía qué proyectos financiar para el desarrollo. El 26 de noviembre de 1956, el Secretario de Defensa Charles E. Wilson emitió un memorando despojando al Ejército de misiles ofensivos con un alcance de 200 millas (320 km) o más, y entregando sus misiles Júpiter a la Fuerza Aérea. [4] A partir de ese momento, la Fuerza Aérea sería el principal desarrollador de misiles, especialmente para misiles de doble uso que también podrían usarse como vehículos de lanzamiento espacial . [4]
A finales de 1956, el Departamento de Defensa publicó un requisito para que un vehículo de carga pesada orbitara una nueva clase de satélites de comunicaciones y "otros" (el programa de satélites espía era ultrasecreto ). Los requisitos, elaborados por la entonces no oficial Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA), exigían un vehículo capaz de poner en órbita entre 9.000 y 18.000 kilogramos, o acelerar entre 2.700 y 5.400 kg para escapar de la velocidad. [5]
Dado que el memorando de Wilson cubría sólo armas, no vehículos espaciales, la Agencia de Misiles Balísticos del Ejército (ABMA) vio esto como una manera de continuar el desarrollo de sus propios proyectos de cohetes grandes. En abril de 1957, von Braun ordenó a Heinz-Hermann Koelle , jefe de la rama de diseño de Proyectos Futuros, que estudiara diseños de vehículos de lanzamiento específicos que pudieran construirse lo más rápido posible. Koelle evaluó una variedad de diseños para lanzadores derivados de misiles que podrían colocar un máximo de aproximadamente 1.400 kg en órbita, pero podrían ampliarse hasta 4.500 kg con nuevas etapas superiores de alta energía. En cualquier caso, estas etapas superiores no estarían disponibles hasta 1961 o 1962 como muy pronto, y los lanzadores aún no cumplirían con los requisitos del Departamento de Defensa para cargas pesadas. [6]
Para satisfacer la necesidad proyectada de cargas de 10.000 kg o más, el equipo de ABMA calculó que se necesitaría un propulsor (primera etapa) con un empuje de aproximadamente 1.500.000 lbf (6.700 kN), mucho mayor que cualquier misil existente o planificado. . [7] Para esta función propusieron utilizar varios misiles existentes agrupados para producir un único propulsor más grande; Utilizando diseños existentes, buscaron combinar tanques de un Júpiter como núcleo central, con ocho tanques de diámetro Redstone adjuntos. [7] Esta configuración relativamente económica permitió que las instalaciones de diseño y fabricación existentes se utilizaran para producir este diseño "rápido y sucio". [7]
Se consideraron dos enfoques para construir el SuperJúpiter; el primero utilizó varios motores para alcanzar la marca de 1.500.000 lbf (6.700 kN), el segundo utilizó un único motor mucho más grande. Ambos enfoques tenían sus propias ventajas y desventajas. Construir un motor más pequeño para uso agrupado sería un camino de riesgo relativamente bajo a partir de los sistemas existentes, pero requirió la duplicación de sistemas e hizo que la posibilidad de una falla de etapa fuera mucho mayor (agregar motores generalmente reduce la confiabilidad, según la ley de Lusser ). Un solo motor más grande sería más confiable y ofrecería un mayor rendimiento porque eliminaría la duplicación de "peso muerto", como las tuberías del propulsor y el sistema hidráulico para dirigir los motores. El lado negativo es que nunca antes se había construido un motor de este tamaño y su desarrollo sería costoso y arriesgado. La Fuerza Aérea había expresado recientemente interés en un motor de este tipo, que se convertiría en el famoso F-1 , pero en ese momento apuntaban a 1.000.000 lbf (4.400 kN) y los motores no estarían listos hasta mediados de la década de 1960. El grupo de motores parecía ser la única manera de cumplir los requisitos en tiempo y presupuesto. [6]
Super-Júpiter fue sólo el propulsor de la primera etapa; para colocar cargas útiles en órbita, se necesitarían etapas superiores adicionales. ABMA propuso utilizar Titan o Atlas como segunda etapa, [8] opcionalmente con la nueva etapa superior Centaur . [9] El Centaur había sido propuesto por General Dynamics (Astronautics Corp.) como una etapa superior para el Atlas (también su diseño) con el fin de producir rápidamente un lanzador capaz de colocar cargas de hasta 8.500 lb (3.900 kg) en la Tierra baja. orbita. [10] El Centaur se basó en el mismo concepto de "tanque de globo" que el Atlas y se construyó con las mismas plantillas y el mismo diámetro de 120 pulgadas (3000 mm). Como el Titán también se construyó deliberadamente con el mismo tamaño, esto significaba que el Centauro podía usarse con cualquiera de los misiles. [ cita necesaria ] Dado que el Atlas era la mayor prioridad de los dos proyectos de misiles balísticos intercontinentales y su producción estaba totalmente contabilizada, ABMA se centró en el diseño de "respaldo", Titán, aunque propusieron ampliar su longitud para transportar combustible adicional. [ cita necesaria ]
En diciembre de 1957, ABMA entregó la Propuesta: Un Programa Nacional Integrado de Desarrollo de Misiles y Vehículos Espaciales al Departamento de Defensa, detallando su enfoque agrupado. [11] Propusieron un propulsor que consistía en una estructura de avión de misiles Júpiter rodeada por ocho Redstones que actuaban como tanque, una placa de empuje en la parte inferior y cuatro motores Rocketdyne E-1 , cada uno con 380.000 lbf (1.700 kN) de empuje. El equipo de ABMA también dejó el diseño abierto a futuras ampliaciones con un único motor de 1.500.000 lbf (6.700 kN), lo que requeriría cambios relativamente menores en el diseño. El escenario superior era el Titán alargado, con el Centauro en la cima. El resultado fue un cohete muy alto y delgado, bastante diferente del Saturno que finalmente surgió.
Se pronosticaron usos específicos para cada uno de los servicios militares, incluidos los satélites de navegación para la Armada; satélites de reconocimiento, comunicaciones y meteorológicos para el Ejército y la Fuerza Aérea; apoyo a misiones tripuladas de la Fuerza Aérea; y suministro logístico tierra-tierra para el Ejército a distancias de hasta 6400 km. Se proyectaba que el desarrollo y las pruebas de la pila de la etapa inferior se completarían en 1963, aproximadamente al mismo tiempo que el Centaur debería estar disponible para pruebas en combinación. El coste total de desarrollo de 850 millones de dólares durante los años 1958-1963 cubrió 30 vuelos de investigación y desarrollo. [12]
Mientras se elaboraba el programa Super-Júpiter, se llevaban a cabo los preparativos para el primer lanzamiento de un satélite como contribución de Estados Unidos al Año Geofísico Internacional en 1957. Por complejas razones políticas, el programa había sido entregado a la Marina de los Estados Unidos en el marco del Proyecto Vanguard . El lanzador Vanguard consistía en una etapa inferior Viking combinada con nuevas partes superiores adaptadas de cohetes sonoros . ABMA brindó un valioso apoyo en Viking y Vanguard, ambos con su conocimiento de primera mano del V-2, así como en el desarrollo de su sistema de guía. Los primeros tres vuelos de prueba suborbitales Vanguard se habían realizado sin problemas, comenzando en diciembre de 1956, y se planeó un lanzamiento para finales de 1957.
El 4 de octubre de 1957, la Unión Soviética sorprendió al mundo con el lanzamiento del Sputnik I. Aunque había algunos indicios de que los soviéticos estaban trabajando para lograr este objetivo, pocos en el establishment militar y científico estadounidense consideraron seriamente estos esfuerzos.
Cuando se le preguntó en noviembre de 1954 sobre la posibilidad de que los soviéticos lanzaran un satélite, el Secretario de Defensa Wilson respondió: "No me importaría si lo hicieran". [13] Sin embargo, el público no lo vio de la misma manera y el evento fue un gran desastre de relaciones públicas para Estados Unidos. Se planeó lanzar Vanguard poco después del Sputnik, pero una serie de retrasos lo retrasaron hasta diciembre, cuando el cohete explotó de manera espectacular. La prensa fue dura y se refirió al proyecto como "Kaputnik" [14] o "Proyecto Retaguardia". [13] Como señaló la revista Time en ese momento:
Von Braun respondió al lanzamiento del Sputnik I afirmando que podría tener un satélite en órbita dentro de 90 días después de recibir el visto bueno. Su plan era combinar el cohete Júpiter C existente (confusamente, una adaptación de Redstone, no un Júpiter) con los motores de combustible sólido del Vanguard, produciendo el Juno I. No hubo una respuesta inmediata mientras todos esperaban el lanzamiento de Vanguard, pero los continuos retrasos en Vanguard y el lanzamiento del Sputnik II en noviembre dieron como resultado que se diera el visto bueno ese mes. Von Braun cumplió su promesa con el exitoso lanzamiento del Explorer I el 1 de febrero de 1958. [15] Vanguard finalmente tuvo éxito el 17 de marzo de 1958. [16]
Preocupado porque los soviéticos siguieran sorprendiendo a Estados Unidos con tecnologías que parecían estar más allá de sus capacidades, el Departamento de Defensa estudió el problema y concluyó que era principalmente burocrático. Como todas las ramas del ejército tenían sus propios programas de investigación y desarrollo, hubo una considerable duplicación y luchas entre servicios por los recursos. Para empeorar las cosas, el Departamento de Defensa impuso sus propias reglas bizantinas de adquisición y contratación, añadiendo considerables gastos generales. Para abordar estas preocupaciones, el Departamento de Defensa inició la formación de un nuevo grupo de investigación y desarrollo centrado en vehículos de lanzamiento y con amplios poderes discrecionales que trascienden las líneas tradicionales del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea. Al grupo se le asignó la tarea de alcanzar a los soviéticos en tecnología espacial lo más rápido posible, utilizando cualquier tecnología que pudiera, independientemente de su origen. Formalizado como Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA) el 7 de febrero de 1958, el grupo examinó los requisitos del lanzador del Departamento de Defensa y comparó los diversos enfoques que estaban disponibles actualmente.
Al mismo tiempo que ABMA estaba elaborando la propuesta de Super-Júpiter, la Fuerza Aérea estaba trabajando en su concepto Titan C. La Fuerza Aérea había adquirido una valiosa experiencia trabajando con hidrógeno líquido en el proyecto del avión espía Lockheed CL-400 Suntan y confiaba en su capacidad para utilizar este combustible volátil para cohetes. Ya habían aceptado los argumentos de Krafft Ehricke de que el hidrógeno era el único combustible práctico para las etapas superiores y comenzaron el proyecto Centaur basándose en la solidez de estos argumentos. Titan C era una etapa intermedia de combustión de hidrógeno que normalmente se ubicaría entre el Titan inferior y el Centaur superior, o podría usarse sin el Centaur para misiles de órbita terrestre baja como Dyna-Soar . Sin embargo, como el hidrógeno es mucho menos denso que los combustibles "tradicionales" que se utilizan entonces, especialmente el queroseno , la etapa superior tendría que ser bastante grande para contener suficiente combustible. Como el Atlas y el Titán se construyeron con diámetros de 120", tendría sentido construir el Titán C también con este diámetro, pero esto daría como resultado un cohete alto y delgado, difícil de manejar, con dudosa resistencia y estabilidad. En cambio, el Titán C propuso construir el nueva etapa con un diámetro mayor de 160", lo que significa que sería un cohete completamente nuevo.
En comparación, el diseño del Super-Júpiter se basó en componentes disponibles en el mercado, con la excepción de los motores E-1. Aunque también dependía del Centaur para misiones a gran altitud, el cohete se podía utilizar para órbita terrestre baja sin Centaur, lo que ofrecía cierta flexibilidad en caso de que Centaur tuviera problemas. ARPA estuvo de acuerdo en que era más probable que la propuesta de Juno cumpliera con los plazos requeridos, aunque consideró que no había una razón sólida para utilizar el E-1, y también recomendó un enfoque de menor riesgo en este caso. ABMA respondió con un nuevo diseño, el Juno V (como una continuación de las series de cohetes Juno I y Juno II , mientras que Juno III y IV eran conceptos no construidos derivados de Atlas y Titan), que reemplazó los cuatro motores E-1 con ocho H-1 , una mejora mucho más modesta del S-3D existente que ya se utiliza en los misiles Thor y Júpiter, aumentando el empuje de 150.000 a 188.000 lbf (670 a 840 kN). Se estimó que este enfoque ahorraría hasta 60 millones de dólares en desarrollo y reduciría hasta dos años de tiempo de investigación y desarrollo. [17]
Feliz con los resultados del rediseño, el 15 de agosto de 1958, ARPA emitió la Orden Número 14-59 que pedía a ABMA que:
A esto le siguió, el 11 de septiembre de 1958, otro contrato con Rocketdyne para comenzar a trabajar en el H-1. El 23 de septiembre de 1958, ARPA y el Comando de Misiles de Artillería del Ejército (AOMC) redactaron un acuerdo adicional ampliando el alcance del programa, declarando: "Además del disparo dinámico cautivo..., por la presente se acuerda que este programa debería ahora ampliarse para permitir una prueba de vuelo de propulsión de este propulsor aproximadamente en septiembre de 1960". Además, querían que ABMA produjera tres propulsores adicionales, los dos últimos de los cuales serían "capaces de colocar cargas útiles limitadas en órbita". [19]
En este punto, muchos en el grupo ABMA ya se referían al diseño como Saturno, como lo explicó von Braun como una referencia al planeta después de Júpiter. [20] El cambio de nombre se hizo oficial en febrero de 1959. [21]
Además de ARPA, varios grupos dentro del gobierno de Estados Unidos habían estado considerando la formación de una agencia civil para encargarse de la exploración espacial. Después del lanzamiento del Sputnik, estos esfuerzos adquirieron urgencia y rápidamente avanzaron. La NASA se formó el 29 de julio de 1958 e inmediatamente se dedicó a estudiar el problema de los vuelos espaciales tripulados, y los lanzadores necesitaban trabajar en este campo. Un objetivo, incluso en esta etapa inicial, era una misión lunar tripulada. En ese momento, los paneles de la NASA consideraron que el perfil de misión de ascenso directo era el mejor enfoque; esto colocó en órbita una única nave espacial muy grande, que era capaz de volar hasta la Luna , aterrizar y regresar a la Tierra. Para lanzar una nave espacial tan grande, se necesitaría un nuevo propulsor con mucha mayor potencia; Incluso Saturno no era lo suficientemente grande. La NASA comenzó a examinar varios diseños potenciales de cohetes bajo su programa Nova .
La NASA no fue la única que estudió las misiones lunares tripuladas. Von Braun siempre había expresado interés en este objetivo y durante algún tiempo había estado estudiando lo que se necesitaría para una misión lunar. El Proyecto Horizon de ABMA propuso utilizar quince lanzamientos a Saturno para transportar componentes y combustible de la nave espacial que se ensamblarían en órbita para construir una única nave lunar de gran tamaño. Este perfil de misión de encuentro en órbita terrestre requirió la menor cantidad de capacidad de refuerzo por lanzamiento y, por lo tanto, pudo llevarse a cabo utilizando el diseño de cohete existente. Este sería el primer paso hacia una pequeña base tripulada en la Luna, lo que requeriría varios lanzamientos adicionales a Saturno cada mes para abastecerla.
La Fuerza Aérea también había iniciado su Proyecto Lunex en 1958, también con el objetivo de construir un puesto lunar tripulado. Al igual que la NASA, Lunex favorecía el modo de ascenso directo y, por tanto, necesitaba propulsores mucho más grandes. Como parte del proyecto, diseñaron una serie de cohetes completamente nueva conocida como Sistema de Lanzamiento Espacial , o SLS (que no debe confundirse con el Sistema de Lanzamiento Espacial que forma parte del programa Artemis ), que combinaba varios propulsores de combustible sólido con el misil Titan o una nueva etapa de refuerzo personalizada para abordar una amplia variedad de pesos de lanzamiento. El vehículo SLS más pequeño constaba de un Titan y dos sólidos con correa, lo que le daba un rendimiento similar al Titan C, permitiéndole actuar como lanzador de Dyna-Soar. Los más grandes utilizaron cohetes sólidos mucho más grandes y un propulsor mucho mayor para su misión de ascenso directo. Las combinaciones entre estos extremos se utilizarían para otras tareas de lanzamiento de satélites.
Se reunió una comisión gubernamental, el "Comité de Evaluación de Vehículos Saturno" (más conocido como Comité Silverstein ), para recomendar direcciones específicas que la NASA podría tomar con el programa existente del Ejército. El comité recomendó el desarrollo de nuevas etapas superiores que queman hidrógeno para el Saturn y esbozó ocho configuraciones diferentes para propulsores de carga pesada que van desde soluciones de muy bajo riesgo que hacen un uso intensivo de la tecnología existente hasta diseños que se basan en hardware que no había aún no se han desarrollado, incluida la nueva etapa superior propuesta. Las configuraciones fueron:
Los contratos para el desarrollo de un nuevo motor de hidrógeno se otorgaron a Rocketdyne en 1960 y para el desarrollo de la etapa Saturn IV a Douglas el mismo año.
El desafío que el presidente John F. Kennedy planteó a la NASA en mayo de 1961 para que enviara un astronauta a la Luna para finales de la década dio una repentina nueva urgencia al programa de Saturno. Ese año se produjo una oleada de actividad a medida que se evaluaban diferentes formas de llegar a la Luna.
Para la misión se evaluaron los cohetes Nova y Saturn, que compartían un diseño similar y podían compartir algunas partes. Sin embargo, se consideró que sería más fácil poner en producción el Saturn, ya que muchos de los componentes estaban diseñados para ser transportables por aire. Nova necesitaría nuevas fábricas para todas las etapas principales y había serias preocupaciones de que no pudieran completarse a tiempo. Saturn requirió sólo una nueva fábrica, para la mayor de las etapas inferiores propuestas, y fue seleccionada principalmente por esa razón.
El Saturn C-5 (más tarde llamado Saturn V ), la configuración más potente del Comité Silverstein, fue seleccionado como el diseño más adecuado. En ese momento no se había seleccionado el modo de misión, por lo que eligieron el diseño de propulsor más potente para garantizar que hubiera suficiente potencia. [23] La selección del método de encuentro en la órbita lunar redujo los requisitos de peso de lanzamiento por debajo de los del Nova, dentro del alcance del C-5.
En este punto, sin embargo, las tres etapas sólo existían en el papel, y se comprendió que era muy probable que la nave espacial lunar real estuviera desarrollada y lista para pruebas mucho antes que el propulsor. Por lo tanto, la NASA decidió continuar también el desarrollo del C-1 (más tarde Saturn I ) como vehículo de prueba, ya que su etapa inferior se basaba en tecnología existente ( tanques de Redstone y Júpiter ) y su etapa superior ya estaba en desarrollo. Esto proporcionaría pruebas valiosas para el S-IV, así como una plataforma de lanzamiento para cápsulas y otros componentes en órbita terrestre baja.
Los miembros de la familia Saturn que realmente se construyeron fueron:
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