La familia de cohetes estadounidenses Saturn fue desarrollada por un equipo de antiguos ingenieros y científicos de cohetes alemanes dirigidos por Wernher von Braun para lanzar cargas útiles pesadas a la órbita terrestre y más allá. La familia Saturn utilizaba hidrógeno líquido como combustible en las etapas superiores . Originalmente propuestos como un lanzador 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 superpesada .
El nombre Saturno fue propuesto por von Braun en octubre de 1958 como sucesor lógico de la serie Júpiter y como reflejo de la poderosa posición del dios romano . [1]
En 1963, el presidente John F. Kennedy identificó el lanzamiento del Saturno I SA-5 como el punto en el que la capacidad de transporte 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 la Base Aérea Brooks en San Antonio el día antes de ser asesinado. [2] : 128
Hasta la fecha, el Saturno V es el único vehículo de lanzamiento que ha transportado seres humanos más allá de la órbita baja de la Tierra . Un total de 24 humanos volaron a la Luna en los cuatro años que van desde diciembre de 1968 hasta diciembre de 1972. Ningún cohete Saturno sufrió una falla catastrófica durante el vuelo. [3]
Todos los cohetes de la familia Saturno se enumeran aquí por fecha de introducción.
A principios de la década de 1950, la Marina y el Ejército de los EE. UU. desarrollaron activamente misiles de largo alcance con la ayuda de 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 Marina y el Corporal , Jupiter y Redstone del Ejército . Mientras tanto, la Fuerza Aérea de los EE. UU. desarrolló sus misiles Atlas y Titan , confiando más en los ingenieros estadounidenses.
Las luchas internas entre las distintas ramas del ejército eran constantes, y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) decidía qué proyectos financiar para su desarrollo. El 26 de noviembre de 1956, el secretario de Defensa, Charles E. Wilson , emitió un memorando en el que despojaba al ejército de los misiles ofensivos con un alcance de 320 kilómetros o más y entregaba sus misiles Júpiter a la Fuerza Aérea. [5] A partir de ese momento, la Fuerza Aérea sería la principal desarrolladora de misiles, especialmente de misiles de doble uso que también pudieran utilizarse como vehículos de lanzamiento espacial . [5]
A finales de 1956, el Departamento de Defensa publicó un requerimiento para un vehículo de carga pesada que orbitara una nueva clase de satélites de comunicaciones y "otros" (el programa de satélites espía era de alto secreto ). Los requerimientos, 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 kilogramos hasta alcanzar la velocidad de escape. [6]
Como el memorándum de Wilson sólo cubría armas, no vehículos espaciales, la Agencia de Misiles Balísticos del Ejército (ABMA) lo vio como una manera de continuar el desarrollo de sus propios proyectos de cohetes de gran tamaño. En abril de 1957, von Braun encargó a Heinz-Hermann Koelle , jefe de la rama de diseño de Proyectos Futuros, que estudiara diseños de vehículos de lanzamiento dedicados que pudieran construirse lo más rápidamente posible. Koelle evaluó una variedad de diseños de lanzadores derivados de misiles que podrían colocar un máximo de unos 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 todavía no cumplirían los requisitos del Departamento de Defensa para cargas pesadas. [7]
Para cubrir 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 planeado. [8] Para esta función propusieron utilizar una serie de misiles existentes agrupados para producir un único propulsor más grande; utilizando diseños existentes, analizaron la combinación de tanques de un Júpiter como núcleo central, con ocho tanques de diámetro Redstone unidos a él. [8] Esta configuración relativamente barata permitió que se utilizaran las instalaciones de fabricación y diseño existentes para producir este diseño "rápido y sucio". [8]
Se consideraron dos enfoques para construir el Super-Jupiter: el primero utilizó múltiples motores para alcanzar la marca de 1.500.000 lbf (6.700 kN), el segundo utilizó un solo motor mucho más grande. Ambos enfoques tenían sus propias ventajas y desventajas. Construir un motor más pequeño para uso agrupado sería una ruta de riesgo relativamente bajo a partir de los sistemas existentes, pero requería la duplicación de sistemas y aumentaba mucho la posibilidad de una falla de etapa (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 eliminaba la duplicación de "peso muerto" como la tubería de propulsión y el sistema hidráulico para dirigir los motores. En el lado negativo, nunca se había construido un motor de este tamaño antes y el desarrollo sería costoso y riesgoso. La Fuerza Aérea había expresado recientemente su 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 forma de cumplir con los requisitos en tiempo y presupuesto. [7]
El Super-Jupiter era el único cohete de la primera etapa; para colocar cargas útiles en órbita, se necesitarían etapas superiores adicionales. ABMA propuso utilizar el Titan o el Atlas como segunda etapa, [9] opcionalmente con la nueva etapa superior Centaur . [10] El Centaur había sido propuesto por General Dynamics (Astronautics Corp.) como 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 órbita baja de la Tierra. [11] El Centaur se basó en el mismo concepto de "tanque de globo" que el Atlas, y se construyó sobre los mismos soportes con el mismo diámetro de 120 pulgadas (3.000 mm). Como el Titan también se construyó deliberadamente con el mismo tamaño, esto significaba que el Centaur podría usarse con cualquiera de los dos misiles. [ cita requerida ] Dado que el Atlas era la mayor prioridad de los dos proyectos de ICBM y su producción estaba totalmente contabilizada, ABMA se centró en el diseño "de respaldo", el Titán, aunque propusieron extenderlo en longitud para transportar combustible adicional. [ cita requerida ]
En diciembre de 1957, la ABMA presentó al Departamento de Defensa la Propuesta: Un Programa Nacional Integrado de Desarrollo de Misiles y Vehículos Espaciales , en la que se detallaba su enfoque agrupado. [12] Propusieron un propulsor que consistía en un fuselaje de misil Júpiter rodeado de 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 la ABMA también dejó el diseño abierto a una futura expansión con un solo motor de 1.500.000 lbf (6.700 kN), lo que requeriría cambios relativamente menores en el diseño. La etapa superior era el Titán alargado, con el Centauro encima. 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 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 proyectó que el desarrollo y las pruebas de la etapa inferior se completarían en 1963, aproximadamente al mismo tiempo en que el Centaur debería estar disponible para pruebas en conjunto. El costo total de desarrollo de 850 millones de dólares durante los años 1958-1963 cubrió 30 vuelos de investigación y desarrollo. [13]
Mientras se estaba elaborando el programa Super-Jupiter, se estaban realizando los preparativos para el lanzamiento del primer satélite como contribución de Estados Unidos al Año Geofísico Internacional en 1957. Por razones políticas complejas, el programa había sido entregado a la Marina de Estados Unidos bajo el Proyecto Vanguard . El lanzador Vanguard consistía en una etapa inferior Viking combinada con nuevas etapas superiores adaptadas de cohetes de sondeo . ABMA proporcionó un valioso apoyo en Viking y Vanguard, ambos con su conocimiento de primera mano del V-2, así como desarrollando su sistema de guía. Los primeros tres vuelos de prueba suborbitales de Vanguard se habían realizado sin problemas, comenzando en diciembre de 1956, y se planeó un lanzamiento para fines de 1957.
El 4 de octubre de 1957, la Unión Soviética sorprendió al mundo con el lanzamiento del Sputnik I. Aunque había habido algunos indicios de que los soviéticos estaban trabajando para lograr ese objetivo, pocos en el estamento militar y científico de Estados Unidos consideraban seriamente esos esfuerzos.
Cuando en noviembre de 1954 se le preguntó sobre la posibilidad de que los soviéticos lanzaran un satélite, el Secretario de Defensa Wilson respondió: "No me importaría si lo hicieran". [14] Sin embargo, el público no lo vio de la misma manera, y el evento fue un gran desastre de relaciones públicas para los EE. UU. El lanzamiento del Vanguard estaba previsto poco después del Sputnik, pero una serie de retrasos lo pospusieron hasta diciembre, cuando el cohete explotó de manera espectacular. La prensa fue dura y se refirió al proyecto como "Kaputnik" [15] o "Proyecto Rearguard". [14] Como señaló la revista Time en ese momento:
Von Braun respondió al lanzamiento del Sputnik I afirmando que podría tener un satélite en órbita en 90 días desde que se le diera 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 del Vanguard, pero los continuos retrasos en el 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. [16] Vanguard finalmente tuvo éxito el 17 de marzo de 1958. [17]
Preocupado por el hecho de que los soviéticos seguían sorprendiendo a los EE. UU. con tecnologías que parecían estar más allá de sus capacidades, el Departamento de Defensa estudió el problema y concluyó que se trataba principalmente de una cuestión burocrática. Como todas las ramas del ejército tenían sus propios programas de investigación y desarrollo, había una considerable duplicación y luchas entre servicios por los recursos. Para empeorar las cosas, el Departamento de Defensa impuso sus propias normas bizantinas de adquisiciones y contrataciones, lo que añadió una considerable sobrecarga. Para abordar estas preocupaciones, el Departamento de Defensa inició la formación de un nuevo grupo de investigación y desarrollo centrado en los vehículos de lanzamiento y se le otorgaron amplios poderes discrecionales que trascendían las líneas tradicionales del Ejército, la Marina y la Fuerza Aérea. Al grupo se le encomendó 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 Departamento de Defensa para los lanzadores y comparó los diversos enfoques que estaban disponibles en ese momento.
Al mismo tiempo que la ABMA estaba elaborando la propuesta del Super-Júpiter, la Fuerza Aérea estaba en medio de su trabajo sobre el concepto del 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. El Titan C era una etapa intermedia que quemaba hidrógeno y que normalmente se ubicaría entre la etapa inferior del Titan y la etapa superior del Centaur, o podría usarse sin el Centaur para misiles de órbita baja terrestre como el Dyna-Soar . Sin embargo, como el hidrógeno es mucho menos denso que los combustibles "tradicionales" que se usaban 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 ese diámetro, pero esto daría como resultado un cohete alto y delgado, difícil de manejar, con una resistencia y estabilidad dudosas. En cambio, el Titán C propuso construir la nueva etapa con un diámetro mayor de 160", lo que significa que sería un cohete completamente nuevo.
En comparación, el diseño de Super-Jupiter se basó en componentes estándar, con la excepción de los motores E-1. Aunque también dependía del Centaur para misiones a gran altitud, el cohete podía utilizarse en órbita baja terrestre sin el Centaur, lo que ofrecía cierta flexibilidad en caso de que el Centaur tuviera problemas. ARPA estuvo de acuerdo en que la propuesta de Juno tenía más probabilidades de cumplir con los plazos requeridos, aunque consideró que no había ninguna razón de peso para utilizar el E-1 y recomendó un enfoque de menor riesgo también en este caso. La ABMA respondió con un nuevo diseño, el Juno V (como continuación de las series de cohetes Juno I y Juno II , mientras que Juno III y IV eran conceptos derivados de Atlas y Titan que no se construyeron), que reemplazó los cuatro motores E-1 con ocho H-1 , una actualización mucho más modesta del S-3D existente que ya se usaba en los misiles Thor y Jupiter, 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. [18]
Satisfecha con los resultados del rediseño, el 15 de agosto de 1958, ARPA emitió la Orden Número 14-59 que instaba a ABMA a:
El 11 de septiembre de 1958, se firmó 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 que ampliaba el alcance del programa, en el que se establecía que "además del lanzamiento dinámico cautivo..., se acuerda que este programa se debe ampliar 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". [20]
En ese momento, muchos en el grupo ABMA ya se referían al diseño como Saturno, ya que von Braun lo explicó como una referencia al planeta después de Júpiter. [21] El cambio de nombre se hizo oficial en febrero de 1959. [22]
Además de la ARPA, varios grupos dentro del gobierno de los EE. UU. habían estado considerando la formación de una agencia civil para manejar la exploración espacial. Después del lanzamiento del Sputnik, estos esfuerzos ganaron urgencia y avanzaron rápidamente. La NASA se formó el 29 de julio de 1958 e inmediatamente se puso a estudiar el problema de los vuelos espaciales tripulados, y los lanzadores necesitaban trabajar en este campo. Un objetivo, incluso en esta etapa temprana, 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 colocaba una sola nave espacial muy grande en órbita, que era capaz de volar a la Luna , aterrizar y regresar a la Tierra. Para lanzar una nave espacial tan grande, se necesitaría un nuevo propulsor con mucha más potencia; incluso el Saturno no era lo suficientemente grande. La NASA comenzó a examinar una serie de posibles diseños de cohetes en el marco de su programa Nova .
La NASA no estaba sola en el estudio de misiones lunares tripuladas. Von Braun siempre había expresado interés en este objetivo y había estado estudiando lo que se requeriría para una misión lunar durante algún tiempo. El Proyecto Horizon de ABMA proponía utilizar quince lanzamientos de Saturno para transportar componentes de naves espaciales y combustible que se ensamblarían en órbita para construir una única nave lunar muy grande. Este perfil de misión de encuentro en órbita terrestre requería la menor cantidad de capacidad de propulsor por lanzamiento y, por lo tanto, podía llevarse a cabo utilizando el diseño de cohete existente. Este sería el primer paso hacia una pequeña base tripulada en la Luna, que requeriría varios lanzamientos adicionales de Saturno cada mes para abastecerla.
La Fuerza Aérea también había iniciado su Proyecto Lunex en 1958, también con el objetivo de construir un puesto avanzado lunar tripulado. Al igual que la NASA, Lunex favorecía el modo de ascenso directo y, por lo tanto, requería propulsores mucho más grandes. Como parte del proyecto, diseñaron una serie de cohetes completamente nueva conocida como Space Launcher System , o SLS (que no debe confundirse con la parte del programa Artemis del Space Launch System ), que combinaba una serie de propulsores de combustible sólido con el misil Titan o una nueva etapa de propulsión personalizada para abordar una amplia variedad de pesos de lanzamiento. El vehículo SLS más pequeño consistía en un Titan y dos sólidos acoplados, lo que le daba un rendimiento similar al Titan C, lo que le permitía actuar como lanzador para Dyna-Soar. El más grande utilizó cohetes sólidos mucho más grandes y un propulsor mucho más agrandado para su misión de ascenso directo. Las combinaciones entre estos extremos se utilizarían para otras tareas de lanzamiento de satélites.
Se creó una comisión gubernamental, el "Comité de evaluación del vehículo Saturno" (más conocido como el Comité Silverstein ), para recomendar las direcciones específicas que la NASA podría tomar con el programa existente del ejército. El comité recomendó el desarrollo de nuevas etapas superiores que quemaran hidrógeno para el Saturno y esbozó ocho configuraciones diferentes para los propulsores de carga pesada, que iban desde soluciones de muy bajo riesgo que hacían un uso intensivo de la tecnología existente hasta diseños que dependían de hardware que aún no se había desarrollado, incluida la nueva etapa superior propuesta. Las configuraciones eran:
En 1960, Rocketdyne recibió contratos para el desarrollo de un nuevo motor de combustión de hidrógeno y, el mismo año, Douglas recibió contratos para el desarrollo de la etapa Saturno IV.
El desafío que el presidente John F. Kennedy le planteó a la NASA en mayo de 1961 de enviar un astronauta a la Luna antes de que terminara la década le dio una urgencia repentina al programa Saturno. Ese año hubo una oleada de actividad, ya que se evaluaron diferentes medios para llegar a la Luna.
Tanto el cohete Nova como el Saturno, que compartían un diseño similar y podían compartir algunas piezas, fueron evaluados para la misión. Sin embargo, se consideró que el Saturno sería más fácil de poner en producción, ya que muchos de los componentes estaban diseñados para ser transportados por aire. Nova requeriría nuevas fábricas para todas las etapas principales, y existían serias preocupaciones de que no pudieran completarse a tiempo. Saturno requería solo una nueva fábrica, para la más grande de las etapas inferiores propuestas, y fue seleccionado principalmente por esa razón.
El Saturno C-5 (que más tarde recibió el nombre de Saturno 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 cohete más potente para garantizar que hubiera suficiente energía. [24] La selección del método de encuentro en órbita lunar redujo los requisitos de peso de lanzamiento por debajo de los del Nova, dentro del rango del C-5.
Sin embargo, en ese momento las tres etapas solo existían en el papel y se comprendió que era muy probable que la nave espacial lunar real se desarrollara y estuviera lista para las pruebas mucho antes que el cohete propulsor. Por lo tanto, la NASA decidió continuar también el desarrollo del C-1 (más tarde Saturno I ) como vehículo de prueba, ya que su etapa inferior se basaba en tecnología existente ( tanque Redstone y Júpiter ) y su etapa superior ya estaba en desarrollo. Esto proporcionaría una valiosa plataforma de pruebas para el S-IV, así como una plataforma de lanzamiento para cápsulas y otros componentes en la órbita terrestre baja.
Los miembros de la familia Saturno que realmente se construyeron fueron:
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