مهندسی بی‌نهایت: ساترن 5، پیش به سوی ماه

راکت ساترن ۵ (Saturn V) قدرت‌مندترین راکت ساخته‌شده توسط انسان است که ۱۱۰ متر ارتفاع داشت و از مجسمه‌ی آزادی نیز بلندتر بود. این راکت بین سال‌های ۱۹۶۷ تا ۱۹۷۳ توسط ناسا مورد استفاده قرار گرفت و یکی از عواملی بود که باعث شد انسان‌ها بتوانند به ماه سفر کنند. ساترن ۵ همان راکتی بود که فضاپیمای آپولو را به فضا برد و به دلیل قدرت خارق‌العاده‌ای که داشت، از شاهکارهای مهندسی آن زمان به‌شمار می‌رفت. توسعه‌ی ساترن ۵ پیشینه‌ای بسیار جالب دارد که شاید اگر برخی اتفاقات رخ نمی‌دادند، این راکت هیچ‌گاه ساخته نمی‌شد و انسان‌ها به ماه نمی‌رفتند.

ساترن ۵، یک راکت افسانه‌ای و بسیار بزرگ بود. این راکت، سه مرحله‌ای سوخت مایع بود و موتور آن نیروی پیش‌رانش بسیار زیادی تولید می‌کرد؛ به گونه‌ای که سفر به ماه به کمک فضاپیمای آپولو را ممکن کرد. ساترن ۵ بعد‌ها برای ساخت ایستگاه فضایی اسکای‌لب (Skylab) نیز مورد استفاده قرار گرفت؛ اما مهم‌ترین مأموریت‌هایی که با موفقیت به انجام رساند، مأموریت‌های آپولو بودند. ساترن ۵ در مجموع ۱۳ بار از مرکز فضایی کندی به فضا پرتاب شد که همگی آن‌ها موفقیت‌آمیز بودند. تا این لحظه که مقاله نوشته می‌شود، ساترن ۵ همچنان بلندترین، سنگین‌ترین و قدرت‌مندترین راکتی است که به‌صورت عملیاتی مورد استفاده قرار گرفته. رکورد حمل سنگین‌ترین محموله به مدار پایینی زمین (LEO) همچنان در اختیار ساترن ۵ است. این محموله‌ی ۱۴۰ هزار کیلوگرمی، شامل یک مرحله و پیشرانه بود که برای ارسال ماژول فرماندهی/سرویس آپولو و ماژول اقماری به سمت ماه، مورد نیاز بودند.

ساترن ۵ وقتی ساخته شد که اتحاد جماهیر شوروی و آمریکا در جنگ سرد به‌سر می‌بردند و رقابت فضایی بین آن‌ها اوج گرفته بود. وقتی که یوری گاگارین در سال ۱۹۶۱ به فضا رفت و عنوان نخستین فضانورد را به خود اختصاص داد، آمریکایی‌ها به‌شدت عصبانی شدند و نمی‌خواستند شوروی افتخارات فضایی بیشتری به‌ دست آورد. آمریکا در آن زمان مصمم شد که با فرستادن فضانوردهای خود به ماه، افتخارات را از شوروی پس بگیرد و خود را به‌عنوان یکه‌تاز عرصه‌ی فضا معرفی کند. البته چند عامل مهم در توسعه‌ی ساترن ۵ دخیل بودند که در ادامه آن‌ها را دقیق‌تر بررسی خواهیم کرد.

پیشینه‌ی توسعه و ساخت

نخستین چیزی که باید بدانید این است که آمریکا، راکت‌های فضایی خود را مدیون آلمان نازی و دانشمندان آن است. شخصی که به‌عنوان مهندس ارشد، مستقیماً در توسعه‌ی ساترن ۵ دست داشت، دکتر ورنر ماگنوس ماکسیمیلیان فرایهر فون براون یا به‌اختصار ورنر فون براون، از دانشمندان عضو اِس‌اِس (گردان حفاظتی آلمان نازی) بود. این دانشمند برجسته، پدر علم موشک‌سازی در جهان بود که پس از جنگ جهانی دوم به همراه تعداد زیادی از دانشمندان آلمان نازی به‌صورت مخفیانه و اجباری توسط دولت ترومن، به ایالات متحده‌ی آمریکا آورده شد. آمریکایی‌ها هرآن‌چه وی نیاز داشت، در اختیارش گذاشتند تا از علم او برای اهداف خود استفاده کنند. دکتر ورنر فون براون بعدها به خدمت ناسا درآمد تا بتواند به‌عنوان مهندس ارشد، روی توسعه‌ی موشک‌های قاره‌پیما و فضایی کار کند.

تا پیش از سقوط ارتش آلمان نازی و فتح برلین، این کشور از پیشگامان صنعت موشک‌ در جهان به‌شمار می‌رفت و آمریکا نیز پس از جنگ، چندین موشک پیشرفته‌ی آلمانی را به غنیمت گرفته بود. هری ترومن، رئیس جمهور وقت آمریکا، تصمیم گرفت با انتقال دانشمندان آلمانی به آمریکا، از تجربه‌ی موشک‌سازی این افراد به نفع آمریکا استفاده کند. برخی از این دانشمندان در ساخت موشک‌های جنگی آمریکا نقش داشتند تا بتواند در برابر اتحاد جماهیر شوروی در جنگ سرد، ایستادگی کند. البته شوروی نیز همچون آمریکا، سعی کرده بود تعدادی از دانشمندان آلمانی را به خدمت بگیرد؛ اما آمریکا بهترین‌ها را انتخاب کرد.

دکتر براون در کنار مرحله‌ی اول راکت ساترن ۵

دکتر ورنر فون براون، طی دوران خدمت خود در آلمان، به بخش صنایع دفاعی منتقل شد و آن‌جا کار روی توسعه‌ی موشکی قاره‌پیما را آغاز کرد. دکتر براون، خالق نخستین موشک بالستیک جهان است که با نام V-2 شناخته می‌شود. وقتی که دکتر براون به آمریکا آورده شد، دائماً به دولتمردان گوشزد می‌کرد که باید روی ساخت راکتی فضایی سرمایه‌گذاری کنند. وی مقاله‌های زیادی در مورد آینده‌ی راکت‌های فضایی نوشت؛ اما دولتمردان آمریکا ترجیح می‌دادند بیشتر بودجه‌ها را صرف توسعه‌‌ی نیروی هوایی و دریایی کنند؛ تا این‌که اتفاقی نظر آن‌ها را تغییر داد.

در سال ۱۹۵۷ میلادی، اتحاد جماهیر شوروی ماهواره‌ی اسپوتنیک ۱ را به‌عنوان نخستین ماهواره‌ی ساخت بشر، به فضا پرتاب کرد؛ اما این یک پرتاب معمولی نبود. اسپوتنیک ۱ توسط موشک قاره‌‌پیمای R-7 به فضا پرتاب شد. این موشک، توانایی این را داشت که کلاهک گرما هسته‌ای را تا خاک آمریکا حمل کند. در آن روزها بود که آمریکا خطر یک حمله‌ی اتمی را احساس کرد و تصمیم گرفت روی توسعه‌ی موشک‌های قاره‌پیما سرمایه‌گذاری کند. بالاخره آن‌ها به حرف دکتر براون گوش دادند و او را سرپرست تیم توسعه‌ای کردند که نتیجه‌ی کار آن‌، انسان را به ماه برد.

توسعه‌ی ساترن

ساترن، به گروهی از راکت‌های آمریکایی گفته می‌شود که توانستند محموله‌هایی را به فضا ببرند و به ترتیب با نام‌های رسمی ساترن ۱، ساترن ۲، ساترن ۳، ساترن ۴ و ساترن ۵ شناخته می‌شوند. این راکت‌ها به دنبال موفقیت‌های پی‌درپی راکت‌های گروه ژوپیتر (Jupiter) توسعه یافتند. ژوپیتر، گروهی از راکت‌های نظامی آمریکا بودند که با موفقیت‌های خود، پیش‌زمینه‌ی انقلابی در عصر فضا را ایجاد کردند.

سرپرستی توسعه‌ی راکت‌های گروه ساترن، بر عهده‌ی دکتر ورنر فون براون و دکتر آرتور رادولف بود. آن‌ها در مرکز پروازهای فضایی مارشال، واقع در آلاباما، مشغول توسعه‌ی این راکت‌ها شدند. بوئینگ، نورث امریکن اَویشن، داگلاس ایرکرفت و آی‌بی‌ام، از جمله‌ شرکت‌هایی بودند که برای کمک در این پروژه اعلام آمادگی کردند. بین سال‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۶۲، مرکز پروازهای فضایی مارشال، چند سری از راکت‌های ساترن را طراحی کرد که می‌شد از آن‌ها برای مأموریت‌هایی در مدار زمین یا ماه استفاده کرد. این چهار راکت اولیه، با نام‌های C-1 تا C-4 شناخته می‌شوند. راکت C-1 همان ساترن ۱ است، C-2 در همان مراحل اولیه‌ی توسعه به دلیل پاره‌ای از مشکلات کنار گذاشته شد. راکت C-3 یکی از بهترین‌های این مجموعه بود که در مرحله‌ی اول آن، از دو موتور قدرت‌مند F-1 استفاده شده بود. در مرحله‌ی دوم آن شاهد استفاده از چهار موتور J-2 بودیم و در مرحله‌ی S-IV آن، ۶ موتور RL10 استفاده شده بود.

ناسا در نظر داشت که از راکت C-3 به‌عنوان بخشی از مأموریت مفهومی EOR استفاده کند. این مأموریت فرضی، ایستگاهی را در مدار زمین در نظر می‌گرفت تا پروازهای سرنشین‌داری که به سمت ماه می‌روند، بتوانند به ایستگاه متصل شوند. در قالب این مأموریت، برای آن‌که انسان‌ها بتوانند یک‌بار به ماه بروند، باید ۴ یا ۵ پرتاب انجام شود که هزینه‌ای سرسام آور داشت. مرکز پروازهای فضایی مارشال به ناسا اعلام کرد که قصد دارد راکت‌ بزرگ‌تری توسعه دهد. این راکت بزرگ، C-4 نام داشت که در مرحله‌ی اول آن از چهار موتور F-1 استفاده شده بود، مرحله‌ی دوم آن دقیقاً شبیه به راکت C-3‌ بود و در مرحله‌ی S-IVB (مرحله‌ی سوم راکت)  از یک موتور J-2 استفاده شده بود. C-4‌ به اندازه‌ای بزرگ بود که برای بردن انسان به ماه در قالب مأموریت EOR، تنها به دو پرتاب نیاز داشت.

باز هم هزینه‌ها بالا بودند و محاسباتی که ناسا انجام داده بود، با بودجه‌ی اختصاص‌یافته هم‌خوانی نداشت. ناسا به مرکز پروازهای فضایی مارشال گفت به راکت بزرگ‌تری نیاز است. در تاریخ ۱۰ ژانویه سال ۱۹۶۲ بود که مرکز پروازهای فضایی مارشال خبر توسعه‌ی راکت بسیار بزرگ C-5‌ را اعلام کرد. این راکت غول‌آسا، همچون سایرین سه مرحله‌ای بود؛ اما با این تفاوت که در مرحله‌ی اول آن یا S-IC از ۵ موتور F-1، در مرحله‌ی دوم یا همان S-II از ۵ موتور J-2 و در مرحله‌ی سوم یا S-IVB از یک موتور J-2 استفاده شده بود. راکت C-5 می‌توانست محموله‌ای به وزن ۴۱ هزار کیلوگرم را به ماه ارسال کند.

فشارها روی مرکز پروازهای فضایی مارشال به اندازه‌ای بالا بودند که پیش از ساخت نخستین مدل واقعی از راکت C-5، همه‌ی مراحل آن به فاز آزمایش وارد شدند! سه مرحله‌ی راکت مانند همان چیزی که سازندگان در نظر داشتند، بررسی و آزمایش شدند؛ اما لازم بود یک‌ سری تغییرات اندک ایجاد شود. پس از آن‌که هر سه مرحله‌ی راکت به‌صورت جداگانه مورد آزمایش قرار گرفتند، مجوز ساخت نسخه‌ی اولیه‌ی راکت داده شد تا بتواند اولین پرواز آزمایشی را انجام دهد. با انجام یک پرواز آزمایشی، راکت سریع‌تر برای انجام مأموریت‌های سرنشین‌دار آماده می‌شد و آزمایش‌های بیشتری نیاز نبودند.

پس از موفقیت در انجام آزمایش‌ها، ناسا اوایل سال ۱۹۶۳ میلادی اعلام کرد راکت C-5‌ را برای انجام مأموریت‌های آپولو انتخاب کرده است و نام این راکت را ساترن ۵ گذاشت. این یک لحظه‌ی تاریخی بود و ساترن ۵ یک شاهکار مهندسی به شمار می‌رفت. ساترن ۵، در آن زمان روی لبه‌ی علم مهندسی قرار داشت و دکتر براون به‌عنوان سرپرست پروژه، توانسته بود وسیله‌ای خلق کند که انسان را به ماه می‌برد و راه را برای پیشرفت‌های بیشتر هموار می‌کند. پیش از آن‌که گروه دکتر براون تحت نظارت ناسا کار کنند، سعی کردند پیشرانه‌ی راکت را بهبود ببخشند، سیستم مدیریت را اندکی ساده‌تر کنند و از آن همه پیچیدگی بکاهند و سیستم‌های مکانیکی بهتری برای راکت طراحی کنند.

تمام طراحی این راکت را می‌توان با موشک قاره‌پیمای V-2 مقایسه کرد؛ اما با این تفاوت که در موشک V-2 از سیستم موتور تکی یکپارچه استفاده شده بود؛ ولی ساترن ۵ از چند مرحله‌ی مجزا با موتورهای چندگانه بهره می‌برد. این طراحی خاص باعث شد ناسا متقاعد شود که بهترین طراحی برای فرود انسان‌ها روی ماه، همین است. جفت شدن موتورهای F-1 در مرحله‌ی اول راکت با موتورهای J-2 در مرحله‌ی دوم که از سوخت هیدروژن مایع استفاده می‌کرد، بیشترین نیروی پیش‌رانش را به ارمغان می‌آورد. ناسا اواخر سال ۱۹۶۲ طراحی‌ ساترن ۵ را کاملاً تأیید کرد و به دکتر براون گفت قصد دارد برای مأموریت آپولو از این راکت استفاده کند. پس از آن، روند کار روی آپولو با سرعت بیشتری انجام شد.

ناسا پیش از هر چیزی، برای سفر به ماه و انجام مأموریت آپولو سه روش را پیشنهاد کرد تا کارشناسان روی آن بحث کنند. اولین پیشنهاد، ایجاد یک ایستگاه در مدار زمین بود که به‌عنوان محلی برای تجدید قوا مورد استفاده قرار می‌گرفت. این مأموریت با نام EOR معروف شد؛ اما به دلیل نیاز به دو مرحله پرتاب و سوخت‌گیری، کنار گذاشته شد. دومین پیشنهاد، پرتاب مستقیم به سوی هدف بود. ناسا گفت می‌توان بدون آن‌که نیاز به یک ایستگاه فضایی باشد، محموله‌ها را به سمت ماه یا دیگر سیاره‌ها به‌صورت مستقیم ارسال کرد. روش جالبی به نظر می‌رسید؛ اما نیاز به راکتی با قدرت بسیار زیاد داشت که البته ساترن ۵ روی کاغد می‌توانست از پس چنین کاری برآید. سومین پیشنهاد، ایجاد ایستگاه یا ایستگاه‌هایی در مدار ماه بود. این مأموریت فرضی که با نام LOR مطرح شد؛ این امکان را فراهم می‌کرد که فضاپیماها به محض ورود به مدار ماه، به یک ایستگاه متصل شوند تا بتوانند در آن‌جا تجدید قوا کنند. این پیشنهاد نیز کار را دو مرحله‌ای می‌کرد؛ اما هزینه‌ها را به شکل چشمگیری کاهش می‌داد.

LOR ‌یک مزیت دیگر نیز داشت. در قالب این مأموریت، یک راکت یک فضاپیما را مستقیماً به سمت ماه ارسال می‌کند؛ اما تنها بخش کوچکی از فضاپیما روی ماه فرود می‌آید سپس به هنگام بازگشت، به بخش اصلی فضاپیما در مدار ماه متصل می‌شود و خدمه به زمین باز می‌گردند. ناسا در ابتدا به دلیل وجود برخی خطرات جدی، LOR ‌را نادیده گرفت و گفت هنوز زود است که ایستگاه‌های فضایی در مدار زمین ساخته شوند و ایجاد یک ایستگاه موقت در مدار ماه غیرممکن است.

پس از گذشت چند وقت، مقامات ناسا با انجام بررسی‌های لازم، اعلام کردند که شاید LOR ‌بتواند ساده‌ترین روش ممکن برای فرود روی ماه باشد. این روش از نظر اقتصادی نیز به‌صرفه‌تر است و می‌تواند راه را برای انجام یک دهه مأموریت‌های پژوهشی روی ماه، هموارتر کند. دیگر اعضای ارشد ناسا نیز اعلام آمادگی کردند و سپس در سال ۱۹۶۲، رسماً روش LOR به‌عنوان پیکربندی مأموریت آپولو انتخاب شد.

ویژگی‌های ساترن ۵

راکت ساترن ۵ از نظر میزان محموله‌ای که می‌توانست به فضا حمل کند، بهترین بود و راکت‌های دیگری که وجود داشتند، نمی‌توانستند با ساترن ۵ رقابت کنند. وقتی که فضاپیمای آپولو در قسمت بالایی راکت قرار می‌گرفت، ارتفاع ساترن ۵ به حدود ۱۱۱ متر می‌رسید و قطر آن بدون باله‌های کناری، حدود ۱۰ متر بود. وقتی که مراحل مختلف راکت کاملاً سوخت‌گیری می‌شدند، وزن راکت به ۲,۹۵۰,۰۰۰ کیلوگرم می‌رسید و می‌توانست تا ۱۱۸ هزار کیلوگرم محموله را به مدار پایینی زمین و ۴۱ هزار کیلوگرم محموله را به ماه ارسال کند. مدت‌ها بعد و پس از انجام به‌روزرسانی‌ها، ظرفیت راکت اندکی افزایش یافت؛ به گونه‌ای که طی سه مأموریت آپولو به سمت ماه، ساترن ۵ توانست ۱۴۰ هزار کیلوگرم محموله را به مدار پایینی زمین و ۴۸,۶۰۰ کیلوگرم فضاپیما را به سمت ماه ارسال کند. ساترن ۵ با ارتفاع ۱۱۱ متری خود، حدود ۱۸ متر بلندتر از مجسمه‌ی آزادی و ۱۵ متر بلندتر از برج ساعت بیگ‌بنگ بود.

اکثر بخش‌های راکت در مرکز پروازهای فضایی مارشال طراحی و توسعه داده شدند؛ اما تعدادی از شرکا نیز در طراحی و ساخت همکاری کردند. ساترن ۵ از موتورهای جدید F-1 و J-2 برای تولید نیروی پیش‌رانش استفاده می‌کرد. وقتی که برای نخستین‌ بار این موتورها آزمایش شدند، شیشه‌ی ساختمان‌هایی که در اطراف بودند شکست. ساترن ۵ برخی از ویژگی‌های خود را از سایر موشک‌های ساترن به ارث برده است. به‌عنوان مثال، واحد تجهیزات ساترن ۵، دارای ویژگی‌های مشابهی با واحد تجهیزات راکت ساترن IB بود.

موتور راکت

همان‌طوری که گفته شد، ساترن ۵ از موتورهای قدرت‌مند F-1 و J-2 برای تولید نیروی پیش‌رانش لازم استفاده می‌کرد. شرکت آمریکایی راکتدین وظیفه‌ی ساخت این موتورها را بر عهده داشت. این شرکت، از سال ۲۰۰۵ تحت مالکیت بوئینگ فعالیت می‌کند و با آن ادغام شده است. F-1، یک موتور راکت در چرخه انرژی مولد گازی بود که اواخر دهه‌ی ۵۰ میلادی تولید شد و در راکت ساترن ۵ مورد استفاده قرار گرفت. در مرحله‌ی اول راکت ساترن ۵، از ۵ موتور F-1 استفاده شده است. هر موتور F-1 دارای ۵.۶ متر طول و ۳.۷ متر قطر بود و وزن خالص آن نیز ۸۴۰۰ کیلوگرم بود. هر موتور F-1 توانایی تولید ۷۷۷۰ کیلونیوتن نیروی پیش‌رانش در خلأ و ۶۷۷۰ کیلونیوتن پیش‌رانش در اتمسفر زمین داشت که در آن زمان بی‌رقیب بود. این موتور فقط در ساترن ۵ مورد استفاده قرار گرفت و پس از آن، کنار گذاشته شد.

F-1، قدرت‌مندترین موتور تک خروجی با سوخت مایع بود که نظیر آن تا به امروز ساخته نشده است. F-1 از اکسیژن مایع به‌عنوان اکسیدکننده استفاده می‌کرد و این اکسیژن مایع به همراه سوخت، توسط یک توربوپمپ به درون محفظه‌ی احتراق تزریق می‌شدند. محفظه‌ی پیشران، قلب این موتور را تشکیل می‌داد. در این محفظه، اکسیدکننده و سوخت با یکدیگر ترکیب می‌شدند تا نیروی پیشران تولید کنند. در بالای موتور نیز یک محفظه‌ی سرپوش‌دار قرار دارد که به‌عنوان منیفولد عمل می‌کند تا بتواند اکسیژن مایع را به سمت تزریق‌گرها هدایت کند و از سوی دیگر، نقش یک پایه را برای لرزش‌گیر یاتاقان‌هایی که نیروی پیش‌رانش را به بدنه‌ی راکت منتقل می‌کنند، ایفا می‌کند. سوختی که به تزریق‌گرها می‌رسد، از یک منیفولد جداگانه عبور می‌کند. مقداری از این سوخت نیز از ۱۷۸ مسیر استوانه‌ای عبور می‌کند تا به محفظه‌ی پیشران برسد.

هر موتور F-1، در هر ثانیه ۲۵۷۸ کیلوگرم سوخت و اکسیدکننده مصرف می‌کند که از این مقدار، ۱۷۸۹ کیلوگرم را اکسیژن مایع و ۷۸۹ کیلوگرم را سوخت جت کروزِن RP-1 یا نفت سفید تشکیل می‌دهند. مصرف این حجم از سوخت در هر ثانیه باعث می‌شود که موتور F-1 بتواند ۶.۷ میلیون نیوتن نیروی پیش‌رانش تولید کند که رقم خیره کننده‌ای است. هر موتور F-1 باید بتواند تا ۲ دقیقه و ۳۰ ثانیه در هر مأموریت کار کند و وقتی که ۵ موتور به‌صورت هم‌زمان طی این مدت کار می‌کنند، می‌توانند راکت ساترن ۵ را به ارتفاع ۶۸ کیلومتری از سطح زمین و سرعت آن را به ۹۹۲۰ کیلومتر بر ساعت برسانند. قدرت پیش‌رانشی که هر موتور F-1 برای ساترن ۵ فراهم می‌کند، برابر است با مجموع نیروی پیش‌رانشی که سه موتور برای شاتل‌های فضایی فراهم می‌آورند.

موتور دیگری که در مرحله‌ی دوم ساترن ۵ مورد استفاده قرار گرفت J-2 بود. این موتور نیز توسط شرکت راکتدین ساخته شد و در سال ۱۹۷۵ برای آخرین‌ بار مورد استفاده قرار گرفت. J-2 یک موتور برودتی است که برای نخستین‌بار در راکت ساترن IB مورد استفاده قرار گرفت و سپس مهندسان آن را در ساترن ۵ نیز به‌کار بردند. موتور J-2 از هیدروژن مایع بسیار سرد و اکسیژن مایع به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند. هر موتور J-2 می‌تواند در محیط خلأ، تا ۱۰۳۳.۱ کیلونیوتن نیروی پیش‌رانش ایجاد کند. استفاده از این موتور پس از پایان یافتن مأموریت‌های آپولو، متوقف شد.

هر موتور J-2 تا ۱۷۸۸ کیلوگرم وزن دارد و باید ۵۰۰ ثانیه در هر مأموریت کار کند. در مرحله‌ی دوم راکت ساترن ۵ از ۵ موتور J-2 استفاده شده است و در مرحله‌ی سوم راکت که همان مرحله‌ی S-IVB است، از یک موتور J-2 استفاده شده است. به محض جدایی مرحله‌ی اول راکت، مرحله‌ی دوم و ۵ موتور J-2 استارت می‌خورند و برای حدود ۲ دقیقه روشن می‌مانند و سپس خاموش می‌شوند؛ اما پس از مدتی باز هم روشن می‌شوند. طی این مدت، راکت به مدار پایینی زمین منتقل شده است و فضانوردان برای کنترل آپولو آماده می‌شوند. پس از آمادگی لازم، موتورها باز هم روشن می‌شوند و این‌بار تا ۶ دقیقه و ۳۰ ثانیه روشن می‌مانند تا آپولو را در مسیر حرکت به سمت ماه قرار دهند.

محفظه‌ی پیشران موتور J-2 به نوعی با تمام اجزای موتور در ارتباط است و از همه‌ی آن‌ها انشعابی وارد این بخش می‌شود. برخی از قسمت‌هایی که به محفظه‌ی پیشران می‌رسند عبارتند از: تزریق‌گرها، محفظه‌ی سرپوش‌دار، لرزش‌گیر و یاتاقان‌ها. بدنه‌ی محفظه‌ی پیشران از جنس فولاد ضد زنگ بوده و ۰.۳۰ میلی‌متر ضخامت دارد. محفظه‌ی پیشران، ناقوس شکل بوده و نرخ انبساط آن ۲۵.۵:۱ است که برای بهره‌وری بالا در ارتفاعات زیاد به‌کار می‌آید و توسط سوخت نیز خنک می‌شود. سوختی که از منیفولد عبور می‌کند، جایی بین گلوگاه محفظه‌ی پیشران و قسمت خروجی گیر می‌کند و در آن لحظه فشار سوخت به ۶۹۰۰ کیلو پاسکال می‌رسد.

همان‌طوری که گفته شد، موتورهای J-2‌ باید یک‌ بار در مدار پایینی زمین خاموش شوند و سپس دوباره روشن شوند. فرآیند این راه‌اندازی مجدد نیز در نوع خود جالب است. وقتی که ساترن ۵ در حال ارتفاع گرفتن است، موتورهای J-2 به وضعیتی ثابت می‌رسند و در آن لحظه باک سوخت آن‌ها توسط گاز هیدروژن اضافه‌ای که در بالا تعبیه شده، پُر می‌شود. این فرآیند پر شدن موقتی است و وقتی که موتورها در مدار پایینی زمین خاموش می‌شوند، سوخت‌گیری اصلی آغاز شده و باک‌ها تماماً از گاز هیدروژن سرد پُر می‌شوند. در این مرحله نیازی به سوخت‌گیری مجدد گاز هلیوم نیست؛ زیرا همان مقداری که در زمین به باک تزریق شده بود، برای سه‌بار راه‌اندازی موتور کفایت می‌کند. پس از پُر شدن مجدد باک‌ها، دریچه‌های ورودی سوخت به موتور و دریچه‌ی احتراق مجدد مرحله‌ی دوم راکت باز می‌شوند. سپس، اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به مدت ۵ دقیقه به چرخه‌ی سوخت‌رسانی وارد می‌شوند تا دمای موتور را تغییر داده و به وضعیت پایدار برسانند تا مطمئن شوند موتور در بهترین حالت ممکن راه‌اندازی می‌شود. پس از اتمام این کارها، یک پیغام به واحد فرماندهی مرحله‌ی دوم راکت فرستاده می‌شود و اعلام می‌کند که موتور برای راه‌اندازی آماده است. فاصله‌ی زمانی بین خاموش کردن موتورهای J-2 تا راه‌اندازی مجدد آن‌ها، باید بین حداقل ۱.۵ تا حداکثر ۶ ساعت باشد و این بستگی به تعداد مدارهایی دارد که باید طی شوند تا ماه در مسیر روبه‌روی راکت قرار بگیرد.

مراحل راکت

همان‌طوری که گفته شد، ساترن ۵ دارای سه مرحله‌ی مجزا است. راکت‌های چند مرحله‌ای گونه‌ای خاص و رایج از راکت‌ها هستند که در موارد نظامی و علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساترن ۵، یکی از نخستین راکت‌هایی بود که به‌صورت چند مرحله‌ای ساخته شدند. ساترن ۵ علاوه بر چند مرحله‌ای بودن، چند موتوره نیز هست و همین موضوع باعث برتری این راکت شده است. اولین مرحله‌ی این راکت، با نام S-IC، دومین مرحله با نام S-II و سومین مرحله نیز با نام S-IVB شناخته می‌شود که واحد تجهیزات نیز هست. تمامی این مراحل، از اکسیژن مایع به‌عنوان اکسید‌کننده استفاده می‌کنند. مرحله‌ی اول از سوخت جت کروزِن RP-1 یا نفت سفید به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند؛ اما مراحل دوم و سوم، هیدروژن مایع را به‌عنوان سوخت مصرف می‌کنند. مراحل بالای راکت، از چند موتور کوچک سوخت جامد نیز استفاده می‌کنند تا جداسازی مراحل اصلی راکت حین پرتاب، ساده‌تر انجام شود.

مرحله‌ی اول یا S-IC

S-IC ‌نام اولین مرحله‌ی راکت ساترن ۵ است که توسط شرکت بوئینگ ساخته شده است. همانند مرحله‌ی اول بسیاری از راکت‌ها، بیش از ۲ هزار تُن سوخت در این مرحله قرار گرفته است که در این‌جا از نوع کروزِن RP-1 ‌یا نفت سفید و اکسیژن مایع است. این مرحله از راکت دارای ۴۲ متر ارتفاع و ۱۰ متر قطر است و می‌تواند با ایجاد نیروی پیش‌رانشی ۳۳ هزار کیلونیوتنی، راکت را تا ارتفاع ۶۱ کیلومتر بالا ببرد. پیش‌تر نیز گفته شد که در مرحله‌ی اول راکت، ۵ موتور F-1 قرار گرفته که با آرایش پنج‌تایی (چهار موتور در گوشه و یک موتور در وسط) چیده شده‌اند. موتوری که در وسط قرار گرفته، ثابت است؛ اما دهانه‌ی خروجی چهار موتوری که در گوشه‌ها قرار گرفته‌اند، به‌صورت هیدرولیکی جهت زاویه دادن به حرکت کنترل می‌شود.

شرکت بوئینگ در سال ۱۹۶۱ بود که اعلام کرد وظیفه‌ی ساخت مرحله‌ی S-IC ساترن ۵ را بر عهده می‌گیرد. بوئینگ فقط وظیفه‌ی تولید را بر عهده داشت؛ زیرا طراحی کلی این مرحله توسط دکتر براون و گروهش در مرکز پروازهای فضایی مارشال انجام شده بود. محل اصلی تولید S-IC در نیو اورلئان بود؛ اما آزمایش آن در تونل باد کارخانه‌ی بوئینگ واقع در سیاتل انجام شد. کارهای پایانی تولید و برش‌کاری‌های لازم نیز در کانزاس انجام شدند. ساخت باک‌های سوخت بین ۷ تا ۹ ماه زمان برد و فرآیند تکمیل S-IC نیز ۱۴ ماه به طول انجامید.

بزرگ‌ترین و سنگین‌ترین قسمت مجزای مرحله‌ی S-IC، ساختار پیشرانه بود که ۲۱ تُن وزن داشت. این قسمت به گونه‌ای طراحی شده بود که بتواند وزن ۵ موتور F-1 را تحمل کرده و پایه‌ی اصلی راکت را تشکیل دهد. در قسمت بالای ساختار پیشرانه، باک سوخت قرار گرفته بود که ظرفیت ۷۷۰ هزار لیتر سوخت را داشت. باک سوخت وقتی که خالی بود ۱۱ تُن وزن داشت و می‌توانست در هر ثانیه ۷۳۰۰ تُن سوخت را به سمت موتور ارسال کند. پیش از پرتاب راکت، نیروژن به‌صورت فورانی به درون باک تزریق می‌شد تا سوخت و اکسید‌کننده را در حالت ترکیبی نگه‌ دارد. در جریان پرتاب، فشار باک به وسیله‌ی هلیم تثبیت می‌شد. این هلیم، در قسمت بالای مخزن اکسیژن مایع نگهداری می‌شد.

مخزن اکسیژن مایع، توانایی نگهداری ۱.۳۰۵.۰۰۰ لیتر اکسیژن مایع را دارا بود و باعث شد طراحان به هنگام توسعه‌ی طرح اولیه‌ی آن به یک‌سری مشکلات خاص برخورد کنند. برای آن‌که اکسیژن مایع بتواند به قسمت تزریق‌گرهای موتور حرکت کند، باید حتماً از خطوطی مستقیم عبور کند؛ همچنین این خطوط نیز باید از درون باک سوخت اصلی عبور کنند. این یعنی طراحان باید برای جلوگیری از یخ زدن خطوط چاره‌ای بیاندیشند و عایق‌بندی را تقویت کرده یا این‌که ۵ سوراخ اضافه در قسمت بالای مخزن اکسیژن مایع ایجاد کنند که البته هر دو کار انجام شد.

در این مرحله، چند موتور سوخت جامد کوچک نیز قرار گرفته تا فرآیند جداسازی را ساده کنند. وقتی که سوخت در مرحله‌ی اول به اتمام می‌رسد و راکت به ارتفاع مورد نظر رسیده است، موتورهای کوچک روشن می‌شوند تا با ایجاد نیروی عکس‌العمل، مرحله‌ی S-IC را از سایر مراحل راکت جدا کنند تا راکت بتواند به مسیر خود ادامه داده و موتورهای J-2 مرحله دوم روشن شوند. وقتی که راکت در حال ارتفاع گرفتن است، از ۵ موتور F-1، موتور وسط حدود ۲۶ ثانیه زودتر از سایرین خاموش می‌شود تا فرآیند شتاب‌گیری را محدود کند. مرحله‌ی S-IC برای حدود ۱۶۸ ثانیه می‌تواند راکت را به بالا ببرد و سپس از بدنه راکت جدا می‌شود.

مرحله‌ی دوم یا S-II

S-II نام دومین مرحله‌ی راکت ساترن ۵ است که توسط شرکت نورث اَمریکن اویشن ساخته شده است. این مرحله از اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند. موتورهای این مرحله، همگی J-2 بوده و همچون مرحله‌ی S-IC، با آرایش پنج‌تایی چیده شده‌اند. مرحله‌ی دوم وظیفه دارد که راکت را با نیروی پیشران ۴۴۰۰ کیلونیوتنی، به لایه‌های بالایی اتمسفر ببرد.

ایده اولیه‌ی ساخت مرحله‌ی S-II در سال ۱۹۵۹ مطرح شد. در آن زمان، مهندسان به دنبال پیمان‌کاری می‌گشتند که بتواند ساختاری با قابلیت تولید نیروی پیشران زیاد تولید کند و موتورهایی با سوخت مایع را در آن استفاده کند. وظیفه‌ی ساخت موتورهای این مرحله را باز هم شرکت راکتدین بر عهده گرفت و اعلام کرد که موتورهای J-2 برای این مرحله مناسب هستند. پس از انجام این کارها، طراحی اولیه‌ی مرحله‌ی S-II رسماً آغاز شد. در ابتدا قرار بود که در مرحله‌ی S-II از چهار موتور J-2 استفاده شود و این مرحله ۲۳ متر ارتفاع و ۶.۶ متر قطر داشته باشد.

در سال ۱۹۶۱، مهندسان مرکز پروازهای فضایی مارشال جستجو برای پیدا کردن پیمان‌کاری که بتواند ساختار مرحله‌ی J-2 را تولید کند، آغاز کردند. آن‌ها نشستی را ترتیب دادند که در آن بیش از ۳۰ شرکت هوافضایی آمریکایی حضور داشتند و برای ساخت این مرحله اعلام آمادگی کرده بودند؛ اما پس از بررسی‌های لازم، تنها ۷ شرکت واجد شرایط اعلام شدند که از این هفت شرکت، سه شرکت نیز پس از بررسی پیش شرط‌هایی که گذاشته بودند، توسط مهندسان مرکز پروازهای فضایی مارشال حذف شدند. در این لحظه مهندسان با خود گفتند اندازه‌ای که برای این مرحله در نظر گرفته‌اند بسیار کوچک است و نمی‌توان جزئیات مدنظر را در این فضای کوچک پیاده کرد. آن‌ها تصمیم گرفتند که اندازه‌ی مرحله S-II را افزایش دهند و همین موضوع کار را برای آن چهار شرکتی که باقی مانده بودند، دشوارتر می‌کرد. تمامی این تصمیمات در حالی اتخاذ شدند که ناسا هنوز هم در مورد جنبه‌های مختلف این مرحله از راکت، از جمله اندازه‌ی آن، هیچ تصمیمی نگرفته بود و هنوز نمی‌دانست که این مهندسان چگونه می‌خواهند مراحل دیگر راکت را در بالای مرحله‌ی S-II قرار دهند.

در تاریخ ۱۱ سپتامبر سال ۱۹۶۱، شرکت نورث اَمریکن اویشن به‌عنوان پیمان‌کار اصلی پروژه انتخاب شد و وظیفه‌ی ساخت مرحله‌ی S-II‌ را بر عهده گرفت. کارخانه‌ی تولیدی این شرکت، در کالیفرنیا قرار داشت که بعدها نیز ماژول فرماندهی آپولو ۱۱ را در همین کارخانه تولید کرد.

وقتی که سوخت‌گیری کامل انجام می‌شد، مرحله‌ی S-II وزنی برابر با ۴۸۱ تُن داشت. ۹۲.۶ درصد از این وزن را اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به خود اختصاص داده بودند و قسمت سخت‌افزاری تنها ۷.۶ درصد از این وزن را تشکیل داده بود. در قسمت پایینی ساختار پیشرانه‌ی مرحله S-II، موتورهای پنج‌گانه J-2 قرار گرفته بودند که موتور وسطی آن‌ها ثابت بود و چهار موتور اطراف به‌صورت مکانیکی کنترل می‌شدند تا زاویه‌ی حرکت تعیین شود. به جای استفاده از اینترتانک (یک باک سوخت خالی که بین دو مخزن هیدروژن و اکسیژن قرار می‌گیرد)، در مرحله S-II همانند مرحله‌ی S-IC‌ از یک دیواره‌ی عایق نسبتاً نازک استفاده شد که در قسمت بالایی مخزن اکسیژن مایع و در قسمت پایینی مخزن هیدروژن مایع قرار گرفته بود.

این دیواره‌ی نازک، از دو ورق آلومینیوم که توسط ساختاری کندو شکل از جنس رزین فنولی از یکدیگر جدا شده‌ بودند،‌ ساخته شده شده بود. این دیواره وظیفه دارد اختلاف دمای ۷۰ درجه‌ی سانتی‌گرادی بین دو مخزن سوخت را همواره ثابت نگه داشته و مانع از انتقال گرما به مخزن‌ها شود. استفاده از این ساختار باعث شد که ۳.۶ تُن از وزن مرحله S-II کاسته شود. مخزن اکسیژن مایع، ساختاری الیپسوئید یا بیضوی دارد که ۱۰ متر قطر داشته و ارتفاع آن ۶.۷ متر است و می‌تواند ۳۵۷.۸۸۲ کیلوگرم اکسیژن مایع را در خود نگه دارد.

مرحله‌ی سوم یا S-IVB

S-IVB نام سومین مرحله‌ی راکت ساترن ۵ است که توسط شرکت داگلاس ایرکرفت ساخته شده است. این مرحله از راکت، تنها یک موتور J-2 دارد که برای مأموریت‌های ماه، باید دوبار راه‌اندازی شود. S-IVB نیز همچون S-II از هیدروژن مایع و اکسیژن مایع به‌عنوان سوخت استفاده می‌کند. در ابتدا ۱۱ شرکت برای ساخت S-IVB اعلام آمادگی کردند؛ اما این‌بار ناسا گفت که خودش پیمان‌کار این پروژه را انتخاب می‌کند و نیازی به رأی مهندسان مرکز پروازهای فضایی مارشال نیست. مدیریت ناسا در تاریخ ۱۹ آوریل سال ۱۹۶۰ اعلام کرد که شرکت داگلاس ایرکرفت به‌عنوان پیمان‌کار اصلی پروژه انتخاب شده است. در ابتدا قرار بود که شرکت کانویر پیمان‌کار پروژه باشد؛ اما مدیریت ناسا اعلام کرد که این شرکت در حال حاضر باید روی یکی از مراحل راکت Centaur کار کند و اجازه دهد که داگلاس پیمان‌کار پروژه شود.

در همان روزها بود که مرکز پروازهای فضایی مارشال نام راکت C-5 را ساترن ۵ گذاشت و اعلام کرد مرحله‌ی S-IVB باید یک موتور J-2 داشته باشد و نیازی نیست  که از چند موتور استفاده شود. در همان زمان اعلام شد که مرکز مارشال تصمیم گرفته که راکت ساترن IB را نیز طراحی کند که در آن از مرحله‌ی سوم ساترن ۵ به‌عنوان مرحله‌ی دوم استفاده می‌شود تا بتواند فضاپیمای آپولو را در مدار زمین آزمایش کند.

شرکت داگلاس دو مدل متفاوت از مرحله‌ی S-IVB را با نام‌های سری ۲۰۰ و سری ۵۰۰ تولید کرد و گفت که سری ۲۰۰ در راکت ساترن IB استفاده می‌شود و تنها تفاوت آن با سری ۵۰۰ در سیستم تثبیت کننده‌ی هلیمی است. در سری ۲۰۰ نیازی نیست که این سیستم راه‌اندازی مجدد شود؛ اما در سری ۵۰۰ انجام چنین کاری لازم است. مرحله‌ی S-IVB، می‌تواند ۷۳.۲۸۰ لیتر اکسیژن مایع و ۲۵۲.۷۵۰ لیتر هیدروژن مایع را با خود حمل کند. وزن خالص (بدون سوخت‌گیری) این مرحله از راکت ۱۰ هزار کیلوگرم است. در انتهای این مرحله از راکت، دو سیستم پیشران کمکی (APS) نیز قرار گرفته است که وظیفه‌ی تثبیت ارتفاع را بر عهده دارند. مرحله‌ی S-IVB از نظر اندازه، کوچک‌تر از سایر مراحل راکت است و به وسیله‌ی هواپیما به ایستگاه پرتاب منتقل می‌شد و نیازی به انتقال از طریق دریا نبود.

واحد تجهیزات

واحد تجهیزات ساترن ۵ که به‌اختصار با نام IU شناخته می‌شود، یک ساختار حلقوی شکل است که در قسمت بالایی مرحله‌ی S-IVB راکت قرار می‌گیرد. اصلی‌ترین چیزی که روی این واحد تجهیزات نصب شد، سیستم راهنمای مسیر ساترن ۵ بود. از جمله تجهیزاتی که روی این ساختار حلقوی شکل نصب شدند می‌توان به رایانه دیجیتالی، رایانه آنالوگ کنترل پرواز، سامانه شناسایی وضعیت اضطراری، پلتفرم داخلی راهنمای مسیر و کنترل نرخ شتاب‌سنج‌ها اشاره کرد. واحد تجهیزات ساترن ۵ توسط مهندسان ناسا در مرکز پروازهای فضایی مارشال طراحی شد و شرکت IBM وظیفه‌ی ساخت آن را بر عهده گرفت.

در قسمت تجهیزات، رایانه‌ای قرار گرفته بود که همه‌چیز را پیش از پرتاب راکت تا زمانی که مرحله‌ی سوم راکت جدا می‌شد، کنترل می‌کرد. سیستم‌های راهنمای مسیر نیز با اندازه‌گیری شتاب و ارتفاع راکت، می‌توانستند سرعت و موقعیت راکت را مشخص کرده و پیش‌بینی کنند.

ساختار اصلی واحد تجهیزات، یک سازه‌ی حلقوی شکل است که به شکل استوانه‌ای بسیار کوتاه درآمده است. این ساختار دارای ارتفاعی ۹۱.۴۴ سانتی‌متری بوده و ۶۶۰ سانتی‌متر قطر دارد. این ساختار از جنس آلیاژ آلومینیم بوده و کندو شکل است و ۲.۵ سانتی‌متر ضخامت دارد. این ساختار حلقوی شکل، یک‌تکه نیست؛ بلکه از سه تکه‌ منحنی با زاویه‌ی ۱۲۰ درجه تشکیل شده که وقتی سرهم می‌شوند، یک دایره‌ی کامل را تشکیل می‌دهند. دلیل ساختار کندویی شکل و جنس آلومینیمی این قسمت، استحکام بالای آن است و می‌تواند نقش یک عایق خوب را ایفا کرده و مانع از رسانایی گرما به سایر قسمت‌ها شود. این حلقه به ۲۴ قسمت تقسیم شد که در هر قسمت، یکی از تجهیزات مربوطه نصب شدند.

سرهم شدن راکت

وقتی که ساخت و آزمایش زمینی هر مرحله از راکت با موفقیت به اتمام می‌رسید، به مرکز پروازهای فضایی جان اف کندی منتقل می‌شد. دو مرحله‌ی اول راکت باید به وسیله‌ی کرجی به این پایگاه منتقل می‌شدند. مرحله S-IC در نیو اورلئان ساخته شد و از رودخانه‌ی می‌سی‌سی‌پی به خلیج مکزیک منتقل شد. سپس به فلوریدا آورده شد تا به ساختمان مونتاژ انتقال یابد. ناسا بعدها از همین مسیر برای انتقال باک‌های سوخت خارجی شاتل‌های فضایی استفاده کرد. مرحله‌ی S-II در کالیفرنیا ساخته می‌شد و از طریق کانال پاناما به فلوریدا منتقل می‌شد.

سومین مرحله و واحد تجهیزات از طریق هوایی به فلوریدا ارسال می‌شدند؛ اما اگر نگرانی در خصوص مسیرهای هوایی وجود داشت، باید از طریق کرجی منتقل می‌شدند. راکت ساترن ۵ و مراحل مختلف آن در ساختمانی به‌صورت عمودی سرهم می‌شدند. هر مرحله ابتدا به‌صورت افقی روی سطوح خاصی قرار می‌گرفت و سپس به‌صورت عمودی روی دیگر مراحل راکت سوار می‌شد.

مأموریت‌های راکت

نخستین مأموریتی که ساترن ۵ انجام داد، برابر بود با نخستین پرواز آزمایشی این راکت. این مأموریت با نام آپولو ۴ شناخته می‌شود؛ اما در اصل، این مأموریت با نام AS-501 ثبت شده است. این مأموریت بی‌سرنشین بود و از مجتمع پرتاب ۳۹ مرکز پروازهای فضایی جان اف کندی به سمت فضا پرتاب شد. راکت ساترن ۵ را ابتدا به‌صورت تکه تکه (مراحل جدا از هم) به این سکو می‌آوردند و آن را به شکل عمودی سرهم کرده و آماده‌ی پرتاب می‌کردند. آپولو ۴، یک آزمایش تمام عیار به‌شمار می‌رفت؛ زیرا اولین‌باری بود که تمام مراحل راکت عملیاتی می‌شدند و این نخستین آزمایشی بود که ناسا به وسیله‌ی ساترن ۵ برای مأموریت‌های ماه انجام می‌داد. همچنین این نخستین آزمایشی بود که در جریان آن، مراحل S-IC و S-II فعال شده و موتورهای آن‌ها روشن می‌شدند. در جریان این آزمایش یک‌بار موتور مرحله‌ی S-IVB نیز با موفقیت راه‌اندازی مجدد شد.

این مأموریت در ابتدا قرار بود که اواخر سال ۱۹۶۶ انجام شود؛ اما به دلیل مشکلاتی که به هنگام ساخت مرحله‌ی S-II ‌راکت به وجود آمده بودند، انجام این مأموریت چند ماهی به تعویق افتاد و در نوامبر سال ۱۹۶۷ انجام شد. این نخستین مأموریت آپولو بود که پس از حادثه‌ی مأموریت سرنشین‌دار آپولو ۱ که به مرگ خدمه‌ی آن منجر شد، انجام می‌شد و ناسا تأکید داشت که باید حتماً بی‌سرنشین باشد. دیگر مأموریت‌های آپولو که پیش از آپولو ۴ انجام شدند، همگی به وسیله‌ی راکت ساترن IB ‌به فضا پرتاب شدند.

آپولو ۴ مأموریتی ۹ ساعته بود که با موفقیت انجام شد و درون اقیانوس آرام فرود آمد. طی این مأموریت، ناسا به تمام اهدافی که تعیین کرده بود رسید. ناسا این مأموریت را یک موفقیت بزرگ نامید؛ زیرا نشان داد که ساترن ۵ یک راکت قابل اطمینان بوده و به خوبی کار می‌کند و می‌تواند راه را برای مأموریت‌های بعدی آپولو و در نهایت سفر انسان به ماه، هموارتر کند.

آپولو ۶

مأموریت AS-502 که با نام آپولو ۶ شناخته می‌شود در تاریخ ۴ آوریل ۱۹۶۸ انجام شد. آپولو ۶، دومین و آخرین آزمایش بی‌سرنشینی بود که توسط راکت ساترن ۵ انجام می‌شد. در جریان این مأموریت، قابلیت مانور TLI راکت ساترن ۵ آزمایش شد و در جریان این مأموریت، ۸۰ درصد از یک فضاپیمای آپولو سرنشین‌دار نیز شبیه‌سازی شده بود تا تأثیر این مانور روی آن سنجیده شود.

پدیده‌ای وجود دارد که با نام نوسان پوگو شناخته می‌شود. این پدیده، در جریان مأموریت آپولو ۶ متأسفانه به برخی از موتورهای J-2 راکت ساترن ۵ در مراحل دوم و سوم آسیب وارد کرد و با قطع کردن خطوط سوخت داخلی، باعث خاموشی زودهنگام دو موتور از مرحله‌ی دوم راکت شد. این پدیده می‌تواند گرانش بسیار زیادی را به فضانوردان و تجهیزات وارد کند و حادثه آفرین شود. به هنگام وقوع چنین اتفاقی، سیستم راهنمای مسیر راکت می‌تواند کاری کند که موتورهای مراحل دوم و سوم مدت زمان بیشتری روشن بمانند؛ اما این کار باعث می‌شود که مدار حرکت اندکی تغییر کند که قابل جبران است.

این مأموریت حدود ۱۰ ساعت به طول انجامید و جدای از مشکلاتی که به دلیل نوسان پوگو به‌وجود آمدند، مأموریت موفقیت‌آمیز بود و ناسا این اطمینان را داد که دیگر نیازی به آزمایش‌های بی‌سرنشین نیست و می‌توان آزمایش‌های سرنشین‌دار را نیز انجام داد. از آن‌جایی که آپولو ۴ فرآیند راه‌اندازی مجدد موتورهای مرحله‌ی S-IVB را نشان داده بود، دیگر نیازی به انجام مجدد آزمایش نبود و آزمایش بعدی باید به‌صورت سرنشین‌دار انجام می‌شد.

آپولو ۸

مأموریت SA-503 که با نام آپولو ۸ شناخته می‌شود، دومین مأموریت سرنشین‌دار آپولو پس از سانحه‌ی آپولو ۱ به شمار می‌رود که در تاریخ ۲۱ دسامبر سال ۱۹۶۸ میلادی انجام شد. آپولو ۸، نخستین مأموریت سرنشین‌داری بود که مدار زمین را ترک کرد و به مدار ماه رسید و سپس با موفقیت به زمین بازگشت. آپولو ۸ سه سرنشین داشت که به نخستین افرادی تبدیل شدند که مدار پایینی زمین را ترک می‌کنند، زمین را به شکل یک سیاره‌ی کامل می‌بینند، به دور ماه گردش می‌کنند، طرف سایه ماه را با چشمان خود می‌بینند، شاهد طلوع زمین هستند، گرانش زمین را به طور کامل ترک می‌کنند و به گرانش یک جرم دیگر وارد می‌شوند. این‌ها افتخارات بزرگی هستند که به این سه فضانورد رسید.

آپولو ۸، سومین آزمایش موفقیت آمیز و نخستین آزمایش سرنشین‌دار راکت ساترن ۵ بود. آپولو ۸ مسیر بین زمین تا ماه را طی ۶۸ ساعت پیمود و ۱۰ بار به دور ماه گردش کرد. کل مدت زمان این مأموریت، ۶ روز و ۳ ساعت و ۴۲ ثانیه بود و بزرگ‌ترین موفقیت برای آمریکا و راکت ساترن ۵ به شمار می‌رفت و ثابت کرد که این راکت، بسیار قابل اطمینان بوده و می‌تواند فضاپیماها را به مدار ماه منتقل کند.

آپولو ۹

مأموریت SA-504 یا آپولو ۹، سومین آزمایش سرنشین‌دار فضاپیمای آپولو و دومین آزمایش سرنشین‌دار راکت ساترن ۵ به شمار می‌رود. در جریان این آزمایش، برای نخستین‌بار ماژول فرماندهی و سرویس آپولو به همراه ماژول اقماری به فضا پرتاب شد. این مأموریت سه سرنشین داشت که ۱۰ روز را در مدار پایینی زمین سپری کردند تا برخی جنبه‌های حیاتی و مهم فرود روی سطح ماه را آزمایش کنند که از جمله‌ی این موارد می‌توان به موتورهای ماژول اقماری، سیستم‌های پشتیبان حیات، سیستم‌های موقعیت‌یاب و متصل شونده‌ها اشاره کرد.

ساترن ۵ در تاریخ ۳ مارس ۱۹۶۹ آپولو ۹ را به فضا پرتاب کرد و این نخستین مأموریتی بود که سرنشینان در ماژول اقماری مستقر شده بودند و نخستین مانور اتصال و جدا شدن ماژول اقماری نیز در جریان همین مأموریت انجام شد. تمام این آزمایش‌ها در حالی انجام شدند که دو ماه قبل‌تر، فضانوردان اتحاد جماهیر شوروی یک پیاده‌روی فضایی برای انتقال از سایوز ۴ به سایوز ۵ انجام داده بودند.

آپولو ۹ نشان داد که ماژول اقماری کاملاً می‌تواند از چند خدمه پشتیبانی کند و آن‌ها را سالم روی سطح ماه فرود آورده و به زمین بازگرداند. در جریان این مأموریت ناسا به برخی اهداف خود دست یافت؛ اما کافی و رضایت‌بخش نبودند. کل مدت زمان این مأموریت، ۱۰ روز و ۱ ساعت و ۵۴ ثانیه بود.

آپولو ۱۰

مأموریت SA-505 یا آپولو ۱۰ چهارمین و آخرین آزمایش سرنشین‌دار آپولو پیش از فرود روی ماه بود. این مأموریت توسط راکت ساترن ۵ انجام شد که برای نخستین‌بار از مجتمع پرتاب 39B به فضا پرتاب می‌شد. آپولو ۱۰، دومین مأموریتی بود که در مدار ماه قرار می‌گرفت. در جریان مأموریت آپولو ۱۰ هرآن‌چه که برای فرود روی ماه نیاز بود، آزمایش شد و به همین دلیل به آن مأموریت نوع F آپولو می‌گویند. طی این مأموریت، ماژول اقماری در ارتفاع ۱۵.۶ کیلومتری از سطح ماه قرار گرفت و به دور آن گردش کرد و از بالای نقطه‌ای که قرار بود فضانوردان روی ماه فرود بیایند، عبور کرد.

این مأموریت ۸ روز و ۳ دقیقه و ۲۳ ثانیه به طول انجامید و یک دستاورد موفقیت‌آمیز دیگر را برای راکت ساترن ۵ به ارمغان آورد. نکته جالبی که در مورد مأموریت آپولو ۱۰ وجود دارد این است که تمام خدمه‌ی آن، همگی کهنه سربازان جنگ بودند که روزگاری برای دفاع از کشور خود جنگیده بودند و حالا در راه رسیدن به ماه تلاش می‌کردند.

آپولو ۱۱

بدون شک مأموریت SA-506 ‌یا آپولو ۱۱، مهم‌ترین مأموریتی است که تاکنون توسط بشر به انجام رسیده است. آپولو ۱۱ مأموریتی بود که باعث شد دو انسان برای نخستین‌بار در تاریخ بشریت بتوانند روی سطح ماه فرود آمده و پیاده‌روی کنند. نیل آرمسترانگ و باز آلدرین، هر دو فضانوردانی بودند که درون ماژول اقماری نشستند و روی سطح ماه فرود آمدند. این اتفاق بسیار مهم در تاریخ ۲۰ جولای سال ۱۹۶۹ رخ داد و جهانیان شاهد آن بودند. نیل آرمسترانگ نخستین فضانوردی بود که ۶ ساعت پس از فرود، روی سطح ماه قدم گذاشت و ۲۰ دقیقه بعد، باز آلدرین نیز از ماژول پیاده شد و به آرمسترانگ پیوست. آن‌ها حدود ۲ ساعت و ۱۵ دقیقه روی سطح ماه قدم زدند و ۲۱.۵ کیلو از مواد سطح ماه را جمع‌آوری کرده و به زمین آوردند.

مایکل کالینز، سومین خدمه‌ی مأموریت آپولو ۱۱، در ماژول فرماندهی کلمبیا باقی ماند و روی سطح ماه فرود نیامد و به تنهایی در مدار ماه گردش می‌کرد. آرسمترانگ و آلدرین حدود یک روز روی سطح ماه بودند و سپس به مدار بازگشته و به ماژول کلمبیا متصل شدند.

سایر مأموریت‌های آپولو

ساترن ۵، مأموریت‌های آپولو ۱۲، آپولو ۱۳، آپولو ۱۴، آپولو ۱۵، آپولو ۱۶ و آپولو ۱۷ را نیز با موفقیت به انجام رسانید. البته در جریان مأموریت آپولو ۱۳، ساترن ۵ باز هم پدیده‌ی نوسان پوگو را تجربه کرد و دو موتور از مرحله‌ی دوم زودتر از سایرین خاموش شدند؛ اما سیستم راهنمای مسیر توانست نبود آن‌ها را جبران کند و دیگر موتورها را برای مدت زمان بیشتری روشن نگه دارد. آخرین مأموریت آپولو و آخرین خروج انسان از مدار پایینی زمین نیز در سال ۱۹۷۲  و در قالب مأموریت آپولو ۱۷ انجام شد و پس از آن، هیچ مأموریت سرنشین‌داری از مدار پایینی زمین خارج نشد و شاید بتوان گفت این پایانی بود بر رقابت فضایی میان شوروی و آمریکا و پایانی بر ماجراجویی لجام گسیخته‌ی انسان در منظومه‌ی شمسی. پس از آپولو ۱۷، ساترن ۵ نیز رفته رفته به بازنشستگی نزدیک‌تر شد و تنها چند مأموریت مانده بود که باید انجام می‌داد.

مأموریت اسکای‌لب

از سال ۱۹۶۵، دکتر براون همواره به ایستگاهی فضایی فکر می‌کرد؛ اما انتخاب نوع دیگری از سفر به ماه باعث شد که این ایده به فراموشی سپرده شود. ۱۹۶۹، سالی بود که آپولو بیش از هر زمان دیگری می‌درخشید و آینده‌ی روشن و البته پر هزینه‌ای داشت و کسی نیز به فکر ساختن ایستگاه فضایی نبود. در سال ۱۹۷۲ و پس از مأموریت آپولو ۱۷، ناسا به ایده‌ی دکتر براون مبنی بر ایستگاهی فضایی بازگشت؛ اما به شکلی متفاوت. دکتر براون ایستگاه فضایی را به‌عنوان ایستگاهی سوخت‌رسان در نظر گرفته بود؛ اما ناسا با خود گفت که می‌شود این ایده را به گونه‌ای پیاده کرد که ایستگاه فضایی، خانه‌ی فضانوردان باشد و بتوانند در آن کارهای علمی انجام دهند.

پس از پایان مأموریت‌های آپولو و منتفی شدن هرگونه سفر مجدد به ماه، ناسا تصمیم گرفت ایده‌ی ساخت ایستگاه فضایی را عملی کند. این کارگاه فضایی، با نام اسکای‌لب شناخته می‌شود که نخستین ایستگاه فضایی رسمی آمریکا به شمار می‌رود. این ایستگاه فضایی در زمین ساخته شد و به یک‌باره توسط راکت ساترن ۵ به فضا پرتاب شد. وزن کلی ایستگاه، ۷۷ تُن بود که توسط راکت ساترن ۵ به مدار پایینی زمین منتقل شد. این مأموریت، پایانی بود بر راکت باشکوه و پر افتخار ساترن ۵ که موفقیت‌های زیادی را در عرصه‌ی جهانی برای آمریکا به ارمغان آورده بود. اسکای‌لب، آخرین‌ مأموریتی بود که شاهکار دکتر براون انجام می‌داد و پس از آن بازنشسته شد.

رقبای ساترن ۵

ساترن ۵ نیز همچون سایر محصولات، قطعاً رقبایی داشته و دارد. از جمله‌ی این رقبا می‌توان به راکت‌های تایتان ۲، راکت N1-L3 ‌اتحاد جماهیر شوروی، شاتل فضایی، پروژه بوران اتحاد جماهیر شوروی، راکت دلتا ۴ هِوی، راکت اطلس ۵، راکت فالکون هِوی، راکت آریان ۵، راکت پروتون-ام روسیه و سامانه پرتاب فضایی آمریکا اشاره کرد. مهم‌ترین رقیب ساترن ۵، راکت N1-L3 ‌اتحاد جماهیر شوروی بود.

راکت N1-L3 توسط مهندس سرگئی کورولوف طراحی شده بود و رقیب نزدیک ساترن ۵ بود؛ اما ساترن ۵ بلندتر، سنگین‌تر و دارای ظرفیتی بیشتر نسبت به N1 بود و می‌توانست محموله‌های بیشتری را به مدار پایینی زمین و ماه ارسال کند. با این‌حال، راکت N1 مرحله‌ی اول بزرگ‌تری داشت و نیروی پیش‌رانشی بیشتری را تولید می‌کرد. راکت N1 هیچ‌گاه عملیاتی نشد. چهار آزمایش انجام داد که در آخرین آزمایش، حین پرتاب دچار سانحه شد و پروژه برای همیشه لغو شد. سرگئی کورولوف سعی کرد که به جای استفاده از موتورهای بزرگ مانند آن‌چه که در ساترن ۵ استفاده شد، از ۳۰ موتور به مراتب کوچک‌تر استفاده کند. در جدول زیر، جزئیات این دو راکت را در کنار یکدیگر مشاهده می‌کنید.

جمع‌بندی

ساترن ۵ همچون یک ستاره در علم مهندسی هوافضا می‌درخشد. این راکت توانست مشکلاتی که وجود داشتند پشت سر بگذارد و انسان را به ماه ببرد. این راکت بود که رؤیای دیرینه‌ی انسان را به واقعیت تبدیل کرد و شاید اگر یک‌ سری اتفاقات خاص رخ نمی‌دادند، ما هرگز به ماه نمی‌رفتیم. شاید اگر دکتر براون از آلمان به آمریکا آورده نمی‌شد، ساترن ۵ هیچ‌گاه ساخته نمی‌شد و آمریکا نیز در رقابت فضایی با شوروی شکست می‌خورد؛ اما چنین چیزی رخ نداد. ساترن ۵ از زمان ساخت تا به امروز که در دهه‌ی دوم از قرن ۲۱ هستیم، همچنان بلندترین، قدرت‌مندترین و سنگین‌ترین راکتی است که به دست انسان ساخته شده و به نظر می‌رسد که همچنان رکوردهای خود را حفظ کند.

چندی پیش شرکت اسپیس‌ایکس راکت فالکون هِوی را آزمایش کرد که قدرت‌مندترین راکت حال حاضر جهان با قابلیت استفاده‌ی مجدد است؛ اما هنوز هم نمی‌تواند با ساترن ۵ رقابت کند. یکی از سامانه‌هایی که انتظار می‌رود بتواند با ساترن ۵ رقابت کند، سامانه SLS‌ ناسا است که قرار است طی دهه‌ی آینده، انسان را به مریخ ببرد. با این‌حال تا آن زمان، ساترن ۵ همچنان قدرت‌مندترین راکت ساخته‌ی بشر خواهد بود.

نسخه‌ای از این راکت و مراحل مختلف آن به موزه منتقل شده‌اند که بازدیدکنندگان می‌توانند آن‌ را مشاهده کنند. به هر حال، آمریکا، موفقیت‌های فضایی دهه‌ی ۶۰ و ۷۰ میلادی خود را مدیون دکتر براون و تیم مهندسی بی‌نظیر او است. شاید تابه امروز نام این افراد را نشنیده باشیم؛ اما حافظه‌ی علم بسیار قوی‌تر از ما است و نام این افراد تأثیرگذار را تا ابد زنده نگه می‌دارد.