Saturn V vs SLS: сравнение лунных ракет

Пока весь мир, затаив дыхание, следит за возвращением человечества на Луну (а оно все откладывается), предлагаем сравнить лунные ракеты. Итак, Saturn V против Space Launch System.

Хотя эти ракеты предназначены для одной грандиозной задачи, различий у них больше, чем сходств. Все-таки их разделяют полвека — по сути, разные эры научно-технического прогресса, и, что важнее, принципиально отличный подход к разработке.

Разработка

Saturn V

К проектированию Saturn V НАСА приступило с 1962 года. Работы велись быстро, не считаясь с расходами — на кону стоял вопрос международного престижа. Результатом стало настоящее инженерное чудо, появившееся в невероятно сжатые сроки с нуля — первый полет уже в 1967-м.

В ходе разработки и тестирования пришлось столкнуться с многочисленными трудностями — все было в новинку и задача-максимум по тем временам стояла более чем грандиозная. Самым серьезным вызовом оказалась неустойчивость горения в двигателе F-1 первой ступени: акустические стоячие волны буквально разрывали ее. Еще одной проблемой стали низкочастотные продольные автоколебания всей ракеты, которые в итоге и послужили причиной единственного не на 100% удачного запуска. Неожиданным препятствием стала перевозка многотонного монстра к месту старта — пришлось построить специальный транспортер, который долго оставался самой большой и тяжелой гусеничной машиной в мире и использовался до 2011 года.

Почти все сложности удалось преодолеть. Во многом — благодаря принципиальному решению конструкторов провести максимум испытаний на Земле, а в полете тестировать полностью собранную ракету. Результатом стали 13 удачных запусков из 13 — рекорд надежности, которым может похвастаться далеко не каждая современная ракета. Упомянутый выше инцидент с колебаниями тоже признан успешным, хоть и с замечаниями, поскольку полезная нагрузка вышла на заданную траекторию.

История «Сатурна» была яркой, но непродолжительной. Последнюю ракету изготовили в 1968 году — за год до первой высадки. Проект закрыли ввиду дороговизны и достигнутой политической победы в космической гонке. Кроме того, «Спейс Шаттл» тогда считался куда перспективнее (а оказался в итоге дороже ожидаемого).

SLS

SLS разрабатывается «всем миром». Это и многочисленные частные подрядчики, и использование наработок программы «Спейс Шаттл». С одной стороны, это сделало ракету куда дешевле, с другой — изрядно затянуло процесс: он идет с 2011 года, свою лепту внесла и бюрократия. Сегодня на счету SLS всего один успешный запуск — беспилотный полет Orion вокруг Луны и обратно.

Различия

За техническими подробностями обратимся в соответствующую тему на Quora.

Ступени

Saturn V: три, причем последняя — с возможностью повторного включения для транс-лунной инъекции (выхода с околоземной орбиты).

SLS: центральная ступень с двумя пятисегментными ускорителями по бокам, промежуточная криогенная ступень ICPS (сейчас) или более мощная Exploration Upper Stage (начиная с Artemis IV).

Топливо

Saturn V: первая ступень — керосин (RP-1)/жидкий кислород (LOX), вторая и третья — жидкий водород (LH2)/жидкий кислород.

SLS: центральная ступень — криогенное LH2/LOX для всех двигателей; твердотопливные ускорители — композитное топливо на основе перхлората аммония.

Основные двигатели

Saturn V: первая ступень — пять двигателей F-1 (керосин/LOX) — самые мощные однокамерные двигатели своего времени; вторая ступень — пять J-2; третья — один J-2.

SLS: центральная ступень — четыре двигателя RS-25 (модернизированные SSME от шаттла) на LH2/LOX. Каждый ускоритель SRB дает значительную дополнительную тягу (происходят от ускорителей шаттла, но с пятью сегментами вместо четырех).

Тяга

Saturn V: оптимальное соотношение тяги (33 000 кН, на деле свыше 34 500) и массы на старте (2900 тонн) давало быстрый рост ускорения с высотой.

SLS Block 1: стартовая тяга ≈39 000 кН, более поздние Block 1B/2 дадут еще большую производительность.

Полезная нагрузка

Saturn V: ≈140 000 кг на низкую околоземную орбиту (LEO); ≈43 500–48 000 кг на на транс-лунную инъекцию (TLI).

SLS Block 1: ≈95 000 кг на LEO; >27 000 кг на TLI (зависит от верхней ступени и профиля миссии); Block 1B (с EUS): ≈38 т на TLI (с экипажем и сопутствующей полезной нагрузкой) или ≈42 т (карго); Block 2: >46 т на TLI (карго), до 130 т на LEO.

Габариты:

Saturn V — 110 метров, SLS — 98 метров, в дальнейшем «подрастет» до 112.

Что общего у лунных ракет и многоразовых кораблей

Что касается сходства — обе ракеты одноразовые. Но SLS создана с использованием наработок многоразовых шаттлов. Это прежде всего двигатели, ускорители, авионика, и даже некоторые детали от челноков применили в самых первых ракетах. Такое решение сделало проектирование и изготовление SLS куда дешевле.

Если подытожить, SLS вышел вполне достойным наследником легендарного «Сатурна». Он выигрывает в стартовой тяге (самый мощный стартовый импульс в истории ракетостроения), но уступает в массе полезной нагрузки, во всяком случае, в текущей редакции. Да и запуски, с учетом одноразовой конструкции, дороговаты — от 2 до 4 миллиардов долларов. В версии Block 1B/Block 2 ракета станет больше, мощнее — и еще дороже.

Starship

Напрашивается еще одно сравнение — со Starship. И хотя оно не вполне уместно (во-первых, он полностью многоразовый, во-вторых, этот монстр — не конкурент лунной программе, а ее непосредственный участник).

Высота ~120–123 метров, тяга на старте ~7000–10000+ тонн, полезная нагрузка на LEO до 150–200 тонн. Будет иметь возможность дозаправки в космосе, которая будет использована в полете на Луну в 2028 году, если все сложится хорошо.

Кое-что еще

И еще одно сравнение провели энтузиасты во главе с аэрокосмическим инженером из Стэнфорда Таггартом Дёррантом. Памятуя об ужасающих слухах среди обывателей о катастрофически разрушительном шуме Saturn V, он договорился с НАСА, и ему позволили измерить громкость запуска SLS в 2022 году.

Звуковая мощность ракеты составила 202,4 дБ — на расстоянии пять километров гремит, как бензопила над ухом.

И все же — на 2–2,3 дБ меньше, чем Saturn V. Это означает не только более щадящее отношение к окружающей среде, но и, что важнее, больший КПД — ведь меньшая часть энергии превращается в бесполезный шум.

Остается добавить, что обе ракеты собраны в Космическом центре имени Кеннеди и запускаются с его стартовой площадки 39B.