Satúrnus V

Þróun

Á sjötta áratug tuttugustu aldar var Huntsville í Alabama lítill og rólegur bær með aðeins um átján þúsund íbúa. Meðal þeirra voru þýsku eldflaugaverkfræðingarnir, sem komu til Bandaríkjanna, eftir Seinni heimsstyrjöldina með Wernher von Braun í broddi fylkingar.

Við upphaf Kóreustríðsins voru Þjóðverjarnir fluttir frá Nýju Mexíkó til Huntsville þar sem hópur von Brauns vann að þróun eldflauga fyrir bandaríska herinn. Árið 1960 tók NASA þennan hóp yfir og setti á laggirnar Marshall geimferðamiðstöðina sem von Braun stýrði. Eftir það fékk Huntsville fljótt gælunafnið The Rocket City eða Eldflaugaborgin.

Von Braun vissi að til þess að komast til tunglsins þurfti að smíða öflugri eldflaug en nokkru sinni fyrr, eldflaug sem hefði meiri burðargetu en nokkur önnur. Í Eldflaugaborginni hófst hópur von Braun handa við að þróa nýja tegund eldflauga sem nefndar voru Satúrnus og mundu, að lokum, flytja menn frá jörðinni til tunglsins.

Í lok maí árið 1961, þegar Kennedy bandaríkjaforseti tilkynnti um tungláætlun sína, stóðu verkfræðingar og yfirmenn hjá NASA frammi fyrir stórri og mikilvægri spurningu: Hvernig átti að komast til tunglsins og heim aftur? Draga þurfti, eins og frekast var kostur, úr áhættunni og kostnaðinum við tunglferðir. Ekki var hægt að hefjast handa við smíði tunglfarsins fyrr en ákveðið hafði verið hvernig heimsækja ætti Mánann.

Í fyrstu veltu menn því helst fyrir sér, að senda eitt geimfar í heilu lagi til tunglsins og aftur til baka. Sú aðferð kemur líklega fyrst upp í huga flestra. Það er einmitt sú aðferð sem oftast er notuð í vísindaskáldsögum og kvikmyndum. Þannig fóru til dæmis þeir Prófessor Vandráður, Tinni og Kolbeinn kafteinn til tunglsins. Gallinn við þessa aðferð var hins vegar sú, að hún krafðist risavaxinnar eldflaugar og var því óheyrilega dýr.

Aðrir stungu upp á að skjóta nokkrum eldflaugum út í geiminn og setja tunglfarið saman á braut um jörðina. Þetta samsetta geimfar myndi síðan fljúga til tunglsins og snúa aftur til jarðar í heilu lagi. Wernher von Braut leyst einna best á þessa aðferð, þótt hún krefðist allt að fimmtán geimskota til að koma öllum hlutum væntanlegrar tunglflaugar á braut um jörðina.

Enn aðrir vildu skjóta tveimur eldflaugum á loft. Önnur eldflaugin átti að vera birgðarflaug með eldsneyti sem færi til tunglsins og lenti þar, en hin flaugin hefði geimfara innanborðs. Þegar geimfararnir kæmu til tunglsins myndu þeir dæla eldsneyti á mannaða geimfarið úr birgðarflauginni, sem væri nokkus konar bensínstöð á tunglinu og fara aftur heim.

Stefnumót á braut um tunglið

John Houbolt, ungur verkfræðingur sem starfaði í Langley rannsóknarmiðstöð NASA í Virginíu, leyst illa á allar þessar hugmyndir. Hann hafði um nokkurn tíma velt vöngum yfir þeim verkfræðilegu vandamálum sem tengdust tunglferðum og komst að því, að allar fyrrgreindu leiðirnar voru bæði of dýrar og tæknilega erfiðar.

Houbolt var sannfærður um, að eina raunhæfa leiðin til að koma mönnum til tunglsins og heim aftur, með eins litlum tilkostnaði og mögulegt var, væri að senda tvískipt geimfar til tunglsins með einni eldflaug. Þessi aðferð kallaðist lunar orbit rendezvous eða stefnumót á braut um tunglið.

Aðferð Houbolts byggði á hugmyndum úkraínska verkfræðingsins Júrí Kondratyuk [kondratjúk] frá árinu 1916 og þýska verkfræðingsins Hermanns Oberth frá árinu 1923. Hún gekk út að senda mannað geimfar á braut um jörðina, tengja það saman við ómannaða tunglferju og fljúga síðan til tunglsins. Við komuna til tunglsins myndi tunglferjan, þá með tvo geimfara um borð, losna frá stjórnfarinu og lenda. Á meðan tveir gengju á tunglinu, hringsólaði þriðji geimfarinn um tunglið einn í stjórnfarinu.

Tunglferjunni yrði skipt í tvö þrep og myndi það neðra sjá um lendinguna en hið efra flugtakið frá tunglinu aftur. Að lokinni tunglgöngu myndu geimfararnir yfirgefa tunglið með efra þrepinu, tengjast aftur við stjórnfarið og halda heim til jarðar.

Annar verkfræðingur, Tom Dolan að nafni, vakti athygli NASA á þessari aðferð um svipað leyti en talaði fyrir daufum eyrum. Dolan og Houbolt vissu báðir að þyngd geimfarsins væri einn mikilvægasti þátturinn í að koma mönnum til tunglsins. Helsti kostur aðferðar Houbolts og Dolans var sá, að ekki var gerð krafa um lendingu á tunglinu með fullan eldsneytistank. Þannig væri hægt að draga verulega úr þyngd geimfarsins og minnka það, sem aftur drægi enn frekar úr þyngdinni. Mun ódýrara er að skjóta léttum geimförum út í geiminn en þungum, því eldflauginn getur verið smærri.

Margir, bæði verkfræðingar og yfirmenn hjá NASA, óttuðust að þessi aðferð væri alltof áhættusöm. Árið 1961 höfðu menn ekki enn prófað að tengja saman geimför á braut um jörðu, hvað þá á braut um tunglið.

Houbolt talaði fyrir daufum eyrum eins og Dolan og mætti víða mjög mikilli andstöðu. Stundum voru viðbrögð manna jafnvel fjandsamleg. Maxime Faget, verkfræðingurinn sem hafði umsjón með hönnun Mercury geimfarsins og síðar Gemini og Apollo geimfaranna, sparaði ekki stóru orðin og sagði að tölur Houbolts væru lygi og að hann hefði ekkert vit á þessu.

Þrátt fyrir mikla andstöðu ákvað Houbolt að fanga athygli æðstu yfirmanna NASA með óhefðbundnum leiðum. Árið 1961 sendi hann Robert Seamans, aðstoðarforstjóra NASA, níu blaðsíðna bréf þar sem hann útlistaði kosti aðferðarinnar. Í fyrstu var Seamans ekki skemmt og velti fyrir sér að biðja yfirmann Houbolts í Langley að aðvara hann.

En þegar Seamans las bréfið vandlega yfir fór honum að lítast æ betur á aðferð Houbolts. Hann bað verkfræðinginn Brainerd Holmes, sem stýrði geimferðaáætluninni hjá NASA, að skoða hugmynd Houbolts ítarlega. Tveimur vikum síðar var Holmes sannfærður og benti æðstu stjórnendum NASA, þeim James Webb og Robert Seamans, að skoða þennan möguleika af fullri alvöru.

Með þrautseigju tókst Houbolt smám saman að sannfæra yfirmenn NASA um ágæti aðferðar sinnar en erfiðast gekk að sannfæra von Braun og hans menn í Huntsville. Þann 7. júní árið 1962 funduðu yfirmenn NASA með von Braun og var á köflum mikill hiti í mönnum. Eftir meira en sex klukkustunda þref var von Braun þó loks sannfærður.

Mánuði síðar, þegar Mercury geimáætlunin stóð sem hæst, tilkynnti NASA að Bandaríkin myndu nota aðferð Houbolts — stefnumót á braut um tunglið — til að heimsækja þennan næsta nágranna okkar í geimnum.

Satúrnus 1

Í lok október árið 1961, innan við ári áður en NASA tilkynnti um tunglferðaáætlun sína, hófust prófanir á fyrstu Satúrnus eldflaug von Brauns, Satúrnus 1.

Satúrnus 1 var næstum 60 metra há og vó 510 tonn. Mikilvægast var þó að Satúrnus I var fyrsta tveggja þrepa eldflaugin sem Bandaríkjamenn prófuðu. Ef fara átti til tunglsins var nauðsynlegt að koma upp þrepaskiptum eldflaugum. Þegar eldsneyti klárast í einu þrepi, losnar það burt og næsta þrep tekur við. Þannig mátti létta eldflaugina og gera henni kleift að ferðast hraðar og hærra. Til að komast til tunglsins þurfti eldflaug með að minnsta kosti þrjú þrep.

Mikil spenna ríkti í stjórnstöðinni þegar skjóta átti Satúrnus I á loft í október 1961, ekki aðeins vegna þess að um geysimikilvæga tilraun væri að ræða, heldur óttuðust menn að flaugin myndi springa á skotpallinum. Misheppnuð geimskot voru enda tíð á þessum tíma. Satúrnus I var langöflugasta eldflaugin og ef hún spryngi, myndi skotpallurinn gereyðileggjast og seinka frekari tilraunum um allt að hálft ár.

Áhyggjurnar reyndust óþarfar því geimskot Satúrnus I gekk fullkomlega. Með þessu hafði von Braun og teymi hans sýnt fram á tæknina sem þurfti til að komast til tunglsins. Næstu mánuði fóru frekari prófanir fram sem allar heppnuðust og ruddu brautina fyrir þróun sjálfrar tunglflaugarinnar. 

Satúrnus 5

Strax í janúar 1962 hófst þróun á þriggja þrepa eldflaug sem í fyrstu var kölluð C-5 en hlaut síðar nafnið Satúrnus 5.

Satúrnus 5 átti að vera 111 metra löng, 36 metrum hærri en Hallgrímskirkjuturn og lengri en fótboltavöllur. Með eldsneyti átti hún að vega 3000 tonn, næstum fimm sinnum meira en Airbus 380  farþegaþotan og geta borið 120 tonn á braut um jörðina eða 45 tonn til tunglsins.

Til samanburðar var Redstone eldflaugin sem flutti Alan Shepard fyrstan bandaríkjamanna út í geiminn aðeins þremur og hálfum metra hærri en þriðja þrep Satúrnus 5 og næstum helmingi aflminni en flóttaturninn, eldflaugin ofan á Apollo geimfarinu.

Satúrnus 5 eldflaugin var svo stór að sérsmíðaða byggingu þurfti til að setja hana saman og reisa hana við. Árið 1966 var lokið smíði Vertical Assembly Building, eða Tunglflaugabyggingarinnar, á Canaveralhöfða í Flórída og var hún þá stærsta bygging heims að rúmtaki og 160 metrar á hæð

Von Braun og teymi hans í Marshall geimferðamiðstöðinni í Huntsville í Alabama sá um hönnun Satúrnus flaugarinnar en smíði mismunandi hluta hennar var í höndum undirverktaka eins og Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company og loks sá IBM um að þróa tölvubúnaðinn og leiðsögukerfið.

Fyrsta þrepið og F-1 hreyflarnir

Á pappírnum var Satúrnus 5 eldflaugin fær um að ferja menn til tunglsins, en var hægt að smíða þessa risaflaug og koma henni út í geiminn?

Þróun flaugarinnar gekk alls ekki þrautalaust fyrir sig. Fyrsta þrep Satúrnus 5 var stærst og öflugast og varð að geta lyft flauginni upp í 67 km hæð og koma henni á tæplega 10.000 km hraða á klukkustund.

Til þess þurfti fimm geysiöfluga eldflaugahreyfla sem kallaðir voru F-1. Við geimskot varð hver F-1 hreyfill að brenna næstum 3 tonnum af eldsneyti á sekúndu, samanlagt um 13.000 lítrúm á sekúndu, til að lyfta eldflauginni stóru af skotpallinum. F-1 hreyflarnir voru lykillinn að því að komast til tunglsins og sennilega mesta verkfræðiafrek Apollo verkefnisins.

Verulegar tækniframfarir þurfti nefnilega til, til að útbúa F-1 hreyflana. Þeir áttu aðeins að vera í gangi í tvær og hálfa mínútu en þola gríðarlegt afli. Búa þurfti til nýjar málmblöndur og nýja framleiðslutækni til að hreyflarnir þyldu þann mikla hita og titring sem myndaðist þegar þeir voru ræstir.

Það fór ekki framhjá neinum íbúa í Huntsville í Alabama þegar fyrsta prófunin á F-einn hreyfli fór fram þann 16. apríl 1965. Sérsmíða þurfti mannvirki sem bægði 3000 gráðu heitum gasstróknum til hliðar, ella gæti byggingin hreinlega lyfst upp. Þegar hreyfillinn var ræstur var hávaðinn slíkur að hús í næsta nágrenni léku á reiðiskjálfi. Nokkra kílómetra í burtu, í miðbæ Huntsville, sprungu rúður í húsum þegar höggbylgjan frá hreyflinum skall á þeim. Stuttu síðar barst gufuskýið yfir bæinn. Þetta gerðist reyndar aðeins í tiltekinni vindátt og var hreyfillinn því aðeins prófaður þegar vindur var hagstæður. Drunurnar sýndu þó að Bandaríkin færðust sífellt nær því að uppfylla markmið Kennedys um að ferðast frá jörðinni til tunglsins.

Frekari prófanir á F-1 hreyflinum leiddu í ljós vandamál sem nauðsynlegt var að leysa. Stærsta vandamálið var brennsluóstöðugleiki (combustion instability). Strókurinn sem stóð út úr hreyflinum snerist um sjálfan sig, um það bil 2000 sinnum á sekúndu. Þessi brennsluóstöðugleiki gat orðið til þess að hreyfillinn sprakk. Sem gerðist enda annað slagið. Verkfræðingarnir leituðu lengi að lausn á þessu vandamáli og fundu hana endanum, sem fólst í að breyta því hvernig eldsneytinu var dælt inn í brennsluholið, sprengirýmið þar sem eldsneytið brennur.

Annað þrepið

Þegar fyrsta þrepið hafði lokið sínu verki átti annað þrepið að taka við, rétt rúmum tveimur og hálfri mínútu eftir flugtak. Annað þrepið var næstum 25 metrar á hæð og 10 metra breitt, rétt eins og fyrsta þrepið. Með eldsneyti vó það 480 tonn en aðeins 38 tonn án eldsneytis. Á því voru fimm hreyflar, mun aflminni en F-einn hreyflarnir.

Annað þrepið var verkfræðingum síst minni höfuðverkur, og raunar meiri vegna þess að Apollo geimfarið sjálft, sem sitja átti ofan á þriðja þrepinu, þyngdist sífellt í þróunarvinnunni svo létta þurfti annað þrepið eins og kostur var.

Til að létta þrepið þurfti að breyta eldsneytistönkunum. Upphaflega áttu tankarnir að vera tveir, annar ofan á hinum, fullir af mjög hvarfgjörnum eldsneytisvökvum við mismunandi hitastig.

Í stað tveggja tanka var brugðið á það ráð að nota einn og setja hettu á milli sem aðskildi vökvana. Þannig var hægt að minnka þrepið og létta það um leið. Þetta þýddi hins vegar að aðeins 1 sentímetri skildi eldsneysvökvana að. Þetta var erfiðasta vandamálið sem leysa þurfti í öðru þrepinu.

Eldsneytið í öðru þrepinu var mjög kalt og koma þurfti í veg fyrir að það hitnaði í sólinni í Flórída. Oftast höfðu eldsneytistankarnir verið einangraðir með efni með vaxkökumynstri sem límt var á tankana. Það gekk hins vegar illa í tilviki Satúrnus 5 flaugarinnar, því efnið losnaði sífellt af.

Hjálp barst úr óvæntri átt. Þrepið var í smíðum skammt frá vinsælu brimbrettasvæði í Kaliforníu. Þannig vildi til að brimbrettafólkið notaði sama einangrunarefni á brimbrettin sín og nota átti á eldsneytistanka tunglflaugarinnar. Brimbrettafólkið var sérstaklega lagið við að festa efnið á brimbrettin og ákváðu verkfræðingarnir að ráða það í vinnu til sín. Þau leystu verkefnið fullkomlega en eini gallinn var sá að þegar brimið var gott, mætti fólkið ekki í vinnuna.

Þriðja þrepið

Þriðja þrepið var talsvert minna en fyrstu tvö þrepin eða næstum 18 metrar á hæð og rúmlega 6,5 metrar á breidd.

Sérstæða þrepsins lá í því, að ræsa þurfti eina hreyfil þess oftar en einu sinni: Fyrst til að koma Apollo geimfarinu á braut um jörðina og síðan aftur til að ýta því frá jörðinni og áleiðis til tunglsins.

Smíði þriðja þrepsins gekk heldur ekki þrautalaust fyrir sig. Til að halda þyngd þess í algjöru lágmarki voru málmplöturnar í þrepinu misþykkar. Erfiðlega gekk að sjóða þær saman og eina leiðin til að leysa það var að endurhanna logsuðutækin.

Ofan á þriðja þrepinu var tækjaeining sem innihélt tölvur og leiðsögubúnað eldflaugarinnar en þróun og smíði hennar var í höndum IBM fyrirtækisins. Efst var síðan sjálft Apollo geimfarið en fjallað verður sérstaklega um það síðar.

Þótt langan tíma tæki að leysa verkfræðilegu vandamálin, var stærsta vandamálið við Satúrnus 5 ekki bundið við tækjabúnaðinn, heldur hugmyndir manna um prófanir á þeim. Von Braun og hópur hans vildi prófa hvert þrep fyrir sig. Þótt sú nálgun hljómi skynsamlega og tryggi bæði vandvirkni og návæmni, var hún bæði dýr og mjög tímafrek og þann tíma hafði Apollo geimáætlunin ekki. NASA ákvað því, þvert á óskir von Braun, að í stað þess að prófa hvert þrep fyrir sig, yrði áhættan tekin og öll þrepin prófuð í einu með því að skjóta Satúrnus 5 eldflaugum á loft.

Samsetning flaugarinnar

Þegar smíði þrepanna var lokið voru þau flutt til Kennedy geimferðamiðstöðvarinnar í Flórída. Fyrstu tvö þrepin voru svo stór að útilokað var að aka þeim til Flórída. Eina leiðin var að sigla með þau.

Boeing fyrirtækið í New Orleans sá um smíði fyrsta og stærsta þrepsins. Þar var því komið fyrir á pramma sem sigldi niður Mississippi fljótið í Mexíkóflóa, umhverfis Flórídaskaga og síðan til hafnar við tunglflaugabygginguna.

Annað þrepið var smíðað á vesturströnd Bandaríkjanna, hjá North American Aviation í Kaliforníu. Ekki var heldur hægt að aka því yfir Bandaríkin þver og endilöng, svo það var líka sett á pramma og því siglt suður í gegnum Panamaskurðinn.

Þriðja þrepið og tækjaeiningin voru mun smærri í sniðum. Þau voru flutt með sérstakri flutningaflugvél sem kallast Pregnant Guppy, flugvél sem lítur út eins og búrhvalur.

Við komuna í Kennedy geimferðamiðstöðina var hvert þrep yfirfarið vel og vandlega áður en það var reist við.

Flaugin var sett saman á hreyfanlegum palli sem á voru níu stuðningsarmar sem héldu flauginni fastri auk krana. Eftir samsetninguna ók pallurinn með eldflaugina á skotpallinn sem var í 4,8 km fjarlægð frá samsetningarbyggingunni. Sú ökuferð tók um sex klukkustundir.

Prófanir

Þann 9. nóvember 1967 tók NASA áhættuna og prófaði Satúrnus 5 eldflaugina í fyrsta sinn. Efst á flauginni var ómannað geimfar, Apollo 4, en annar liður í tilrauninni var að prófa Apollo geimfarið í fyrsta sinn og lenda því aftur á Kyrrahafinu. Spennan var mikil enda þurfti allt að virka snuðrulaust í flóknasta tæki sem menn höfðu smíðað.

Fréttamaðurinn góðkunni Walter Cronkite lýsti geimskotinu í beinni útsendingu hjá CBS sjónvarpsstöðinni úr fréttaskýli í aðeins 6 km fjarlægð frá skotpallinum.

F-1 hreyflarnir voru ræstir. Næstum 13 tonn af eldsneyti brunnu á hverri sekúndu. 160 milljón hestöfl þurfti til að koma þessari öflugustu eldflaug sögunnar á loft. 

Krafturinn í flauginni var slíkur að skýlið hrundi næstum og varð Cronkite að styðja við glerglugga til að koma í veg fyrir að hann splundraðist. Hann lýsti gríðarlegum hávaða, enda var þetta háværasta vél í heimi.

Geimskot Apollo 4 heppnaðist fullkomlega. Leiðangurinn stóð yfir í aðeins rúmlega átta og hálfa klukkustund en á þeim tíma voru öll markmiðin uppfyllt. „Einn mesti geimvísindasigur Bandaríkjamanna“ sagði í fyrirsögn á forsíðu Morgunblaðsins föstudaginn 10. nóvember.

Þetta fyrsta tilraunaflug Satúrnus 5 sýndi verkfræðingum þó til hvaða varrúðarráðstafana nauðsynlegt var að grípa til, svo verja mætti byggingar í nánd við skotpallinn fyrir afli eldflaugarinnar.

Í næstu geimskotum á eftir var vatnsúðakerfi sett upp á skotpallinn sem sprautaði vatni undir flaugina við geimskot. Vatnið hafði aðeins það hlutverk að draga úr hávaðanum. Þeir miklu gufubólstrar sem sjá má þegar geimfari er skotið á loft, eru komnir til vegna þess vatns sem gufar upp.

Annað tilraunaflug Satúrnus 5 fór fram þann 4. apríl 1968. Þótt geimskotið hafi aðeins heppnast að hluta, vegna þess að annað þrepið drap of snemma á sér og þriðja þrepið, sem ýta þurfti Apollo geimfari til tunglsins klikkaði, lýsti NASA yfir að prófunum væri lokið og að í næsta geimskoti Satúrnus 5 yrðu geimfarar með í för.

Rúmu hálfu ári síðar, í desember 1968, hófst fyrsta mannaða flug Satúrnus 5 þegar Apollo 8 var skotið á loft. Um borð voru þrír geimfarar, þeir Frank Borman, Jim Lovell og Bill Anders og urðu þeir fyrstu mennirnir sem ferðuðust frá jörðinni til tunglsins.