サターン（ロケットファミリー）

サターンロケットファミリーは、ヴェルナー・フォン・ブラウン率いる元ドイツ人ロケット技術者と科学者のチームによって、地球周回軌道やそれより遠くまで重量物を打ち上げるために開発された。サターンファミリーは上段の燃料として液体水素を使用した。もともとは軍用衛星打ち上げ機として提案されたが、アポロ月面計画の打ち上げ機として採用された。中型ロケットのサターンI、大型ロケットのサターンIB、超大型ロケットのサターンVの3つのバージョンが製造され、飛行した。

土星という名前は、1958年10月にフォン・ブラウンによって、木星シリーズの論理的な後継として、またローマの神の強力な地位として提案されました。^[1]

1963年、ジョン・F・ケネディ大統領は、スプートニク以来遅れをとっていた米国のロケット打ち上げ能力がソ連を追い抜くのはサターンI SA-5の打ち上げだと指摘した。ケネディ大統領が最後にこのことに言及したのは、暗殺される前日にサンアントニオのブルックス空軍基地で行った演説だった。 ^{[2] : 128}

現在までに、サターンVは人類を低地球軌道より遠くに輸送した唯一の打ち上げロケットである。1968年12月から1972年12月までの4年間で、合計24人の人類が月へ飛行した。サターンロケットが飛行中に壊滅的な故障を起こしたことはない。^[3]

ここでは、サターン ファミリーのすべてのロケットが、導入日順にリストされています。

1950年代初頭、アメリカ海軍と陸軍は、第二次世界大戦中に成功を収めたV-2ミサイルの開発に関わったドイツのロケット技術者の協力を得て、長距離ミサイルの開発を積極的に進めた。これらのミサイルには、海軍のバイキング、陸軍のコーポラル、ジュピター、レッドストーンなどがある。一方、アメリカ空軍は、アメリカ人技術者に大きく依存して、アトラスミサイルとタイタンミサイルを開発した。

各軍の間で内紛が絶えなかったが、米国防総省（DoD）がどのプロジェクトに開発資金を投入するかを決定した。1956年11月26日、チャールズ・E・ウィルソン国防長官は、射程距離200マイル（320 km）以上の攻撃ミサイルを陸軍から剥奪し、ジュピターミサイルを空軍に引き渡すという覚書を出した。^{[5]この時点から、空軍がミサイル開発の主役となり、特に宇宙}打ち上げ機としても使用可能な二重用途ミサイルの開発に注力することになった。^[5]

1956年後半、国防総省は、新しい種類の通信衛星や「その他の」衛星（スパイ衛星計画は極秘）を周回するための大型ロケットの要件を発表した。当時非公式だった高等研究計画局（ARPA）が作成した要件では、9,000～18,000キログラムの荷物を軌道に乗せるか、2,700～5,400キログラムを脱出速度まで加速できるロケットが求められていた。^[6]

ウィルソン覚書は宇宙船ではなく兵器のみを対象としていたため、陸軍弾道ミサイル局（ABMA）はこれを独自の大型ロケット計画の開発を継続する手段とみなした。1957年4月、フォン・ブラウンは将来計画設計部門の責任者であるハインツ・ヘルマン・コエレに、できるだけ早く製造できる専用の打ち上げロケットの設計を研究するよう指示した。コエレは、最大で約1,400kgを軌道に乗せることができるが、新しい高エネルギー上段により4,500kgまで拡張できる可能性のある、ミサイル由来の発射装置のさまざまな設計を評価した。いずれにせよ、これらの上段は早くても1961年か1962年まで利用できず、発射装置は依然として国防総省の重い荷物の要件を満たさない。^[7]

10,000 kg以上の積載量に対する予測需要を満たすには、ABMAチームは、約1,500,000 lbf（6,700 kN）の推力を持つブースター（第1段）が必要であると計算しました。これは、既存または計画中のミサイルよりもはるかに大きな推力です。^[8]この役割のために、彼らは既存のミサイルをいくつか集めて1つのより大きなブースターを製造することを提案しました。既存の設計を使用して、1つのジュピターのタンクを中央コアとして組み合わせ、8つのレッドストーン直径のタンクをそれに接続することを検討しました。^[8]この比較的安価な構成により、既存の製造および設計施設を使用して、この「手っ取り早い」設計を製造することができました。^[8]

スーパージュピターの建造には2つのアプローチが検討された。1つ目は複数のエンジンを使用して1,500,000 lbf (6,700 kN) のマークに到達するもので、2つ目は1つのはるかに大きなエンジンを使用するものであった。どちらのアプローチにも利点と欠点があった。クラスター使用のために小型エンジンを建造することは、既存のシステムからの比較的リスクの低いパスであるが、システムの重複が必要となり、ステージ障害の可能性がはるかに高くなる (エンジンを追加すると、ルッサーの法則に従って、一般的に信頼性が低下する)。1つの大型エンジンの方が信頼性が高く、推進剤配管やエンジン操縦用の油圧などの「デッドウェイト」の重複がなくなるため、パフォーマンスも高くなる。欠点としては、このサイズのエンジンはこれまでに建造されたことがなく、開発には費用がかかりリスクが高いことである。空軍は最近、有名なF-1に発展することになるこのようなエンジンに興味を示していたが、当時は1,000,000 lbf（4,400 kN）を目標としており、エンジンは1960年代半ばまで準備が整わなかった。エンジンクラスターは、時間と予算の要件を満たす唯一の方法であるように思われた。^[7]

スーパージュピターは第1段のブースターのみであり、ペイロードを軌道に乗せるには、追加の上段が必要であった。ABMAは、第2段としてタイタンまたはアトラスのいずれかを使用することを提案し、^[9]オプションとして新しいセントー上段を併用した。^[10]セントーは、ジェネラルダイナミクス（アストロノーティクスコーポレーション）によって、アトラス（これも彼らの設計）の上段として提案され、低地球軌道に最大8,500ポンド（3,900kg）の荷物を載せることができる発射装置を迅速に製造することを目的としていた。^[11]セントーは、アトラスと同じ「バルーンタンク」コンセプトに基づいており、同じ治具で同じ120インチ（3,000mm）の直径で製造された。タイタンも意図的に同じサイズで製造されたため、セントーはどちらのミサイルでも使用できることを意味した。^[要出典]アトラスは 2 つの ICBM プロジェクトの中で優先度が高く、その生産も十分に計画されていたため、ABMA は「バックアップ」設計であるタイタンに重点を置きましたが、追加燃料を搭載するために長さを延長することを提案しました。^[要出典]

1957年12月、ABMAは国防総省に「国家統合ミサイルおよび宇宙機開発プログラム」を提案し、クラスター化アプローチの詳細を示した。 ^[12]彼らは、ジュピターミサイルの機体と、タンクとして機能する8つのレッドストーン、底部の推力プレート、およびそれぞれ380,000 lbf（1,700 kN）の推力を持つ4つのロケットダインE-1エンジンで構成されるブースターを提案した。 ABMAチームはまた、設計を将来の拡張に開放し、1,500,000 lbf（6,700 kN）エンジン1基にすることで、比較的小さな設計変更で済むようにした。上段は延長されたタイタンで、その上にケンタウルスが乗った。

各軍種には、海軍の航法衛星、陸軍と空軍の偵察・通信・気象衛星、空軍の有人ミッションの支援、陸軍の地上対地上補給（最大6400kmの距離）など、具体的な用途が想定されていた。下段スタックの開発とテストは1963年までに完了する予定で、セントールが複合テストに利用可能になるのとほぼ同時期だった。1958年から1963年までの開発費は総額8億5000万ドルで、30回の研究開発飛行に充てられた。^[13]

スーパージュピター計画が策定されている一方で、1957年の国際地球観測年への米国の貢献として初の衛星打ち上げの準備が進められていた。複雑な政治的理由から、この計画はヴァンガード計画として米国海軍に委ねられていた。ヴァンガードの打ち上げ機は、バイキングの下段ロケットと、観測ロケットを改造した新しい上段ロケットを組み合わせたものだった。ABMAは、V-2に関する直接的な知識と誘導システムの開発により、バイキングとヴァンガードに貴重な支援を提供した。1956年12月に開始された最初の3回のヴァンガード弾道試験飛行は滞りなく行われ、打ち上げは1957年後半に計画された。

1957 年 10 月 4 日、ソ連はスプートニク 1 号を打ち上げ、世界を驚かせました。ソ連がこの目標に向かって努力している兆候はいくつかありましたが、米国の軍事および科学界でこの取り組みを真剣に検討した人はほとんどいませんでした。

1954年11月にソ連が衛星を打ち上げる可能性について尋ねられたとき、ウィルソン国防長官は「打ち上げられても構わない」と答えた。^[14]しかし、国民は同じようには考えず、この出来事は米国にとって大きな広報上の失敗となった。ヴァンガードはスプートニクの直後に打ち上げられる予定だったが、一連の延期により12月にずれ込み、ロケットは華々しく爆発した。マスコミは辛辣で、この計画を「カプトニク」^[15]または「リアガード計画」と呼んだ。^[14]当時、 タイム誌は次のように記している。

しかし冷戦のさなか、ヴァンガードの冷静な科学的目標は悲惨なほど控えめであることが判明した。ロシアが先にそこにたどり着いたのだ。スプートニクの後にホワイトハウスが米国はロシアと衛星「競争」をしていないと説明したのは、単なる事後的な言い訳ではなかった。ハーゲン博士は10か月前に「我々はロシアと競争しようとはしていない」と述べた。しかし、世界の目には、米国は望んでいたかどうかに関わらず衛星競争をしており、政権の想像力の欠如という高くつく失敗のせいで、ヴァンガード計画は本来実行すべきときにもぐずぐずと進んでいった。スプートニクのビープ音が世界に米国ではなくロシアの衛星計画が先鋒であることを告げたときも、まだぐずぐずしていた。^[14]

フォン・ブラウンはスプートニク1号の打ち上げに対して、ゴーサインが出れば90日以内に衛星を軌道に乗せられると主張した。彼の計画は、既存のジュピターCロケット（紛らわしいことに、ジュピターではなくレッドストーンの改造）とヴァンガードの固体燃料エンジンを組み合わせて、ジュノー1号を作るというものだった。誰もがヴァンガードの打ち上げを待っている間、すぐには反応がなかったが、ヴァンガードの継続的な遅延と11月のスプートニク2号の打ち上げにより、その月にゴーサインが出た。フォン・ブラウンは約束を守り、 1958年2月1日にエクスプローラー1号の打ち上げを成功させた。^[16]ヴァンガードは最終的に1958年3月17日に成功した。^[17]

ソ連が米国の能力を超えていると思われる技術で米国を驚かせ続けていることを懸念した国防総省は、問題を調査し、主に官僚主義的であるとの結論を下した。軍の各部門が独自の研究開発プログラムを持っていたため、かなりの重複と、資源をめぐる軍間の争いがあった。さらに悪いことに、国防総省は独自の複雑な調達および契約規則を課し、かなりの経費を追加した。これらの懸念に対処するため、国防総省は、打ち上げロケットに重点を置いた新しい研究開発グループの結成を開始し、従来の陸軍/海軍/空軍の境界線を越えた広範な裁量権を与えた。このグループには、起源に関係なく、あらゆる技術を使用して、宇宙技術でできるだけ早くソ連に追いつくという任務が与えられた。 1958年2月7日に高等研究計画局(ARPA) として正式に設立されたこのグループは、国防総省の打ち上げロケットの要件を調査し、当時利用可能なさまざまなアプローチを比較した。

ABMA がスーパー ジュピターの提案を練っていたのと同時期に、空軍はタイタン C のコンセプトに取り組んでいた。空軍はロッキード CL-400 サンタンスパイ機プロジェクトで液体水素を扱う貴重な経験を積んでおり、この揮発性燃料をロケットに使用できると確信していた。空軍は、上段に使用できる燃料は水素のみであるというクラフト エリクの主張をすでに受け入れており、この主張の強さに基づいてセントール プロジェクトを開始した。タイタン C は水素を燃料とする中間段で、通常はタイタンの下段とセントールの上段の間に位置するか、またはセントールなしでダイナソアのような低軌道ミサイルに使用することができた。しかし、水素は当時使用されていた「従来の」燃料、特に灯油よりも密度がはるかに低いため、十分な燃料を保持するには上段をかなり大きくする必要があった。アトラスとタイタンはどちらも直径 120 インチで建造されたため、タイタン C もこの直径で建造するのが理にかなっています。しかし、そうすると、扱いにくい背の高い細いロケットになり、強度と安定性に疑問が生じます。代わりに、タイタン C は、新しい段階をより大きな 160 インチの直径で建造することを提案しました。これは、完全に新しいロケットになることを意味します。

それに比べて、スーパージュピターの設計は、E-1 エンジンを除いて既製の部品に基づいていました。高高度ミッションではセントーアに依存していましたが、このロケットはセントーアなしでも低地球軌道で使用でき、セントーアに問題が発生した場合にある程度柔軟に対応できました。ARPA は、ジュノーの提案が必要な時間枠を満たす可能性が高いことに同意しましたが、E-1 を使用する強い理由はないと感じ、ここでもリスクの低いアプローチを推奨しました。 ABMAは新しい設計であるジュノーV （ジュノーIおよびジュノーIIシリーズのロケットの継続であり、ジュノーIIIおよびIVはアトラスおよびタイタンから派生した未完成のコンセプトであった）で対応した。これは4基のE-1エンジンを8基のH-1に置き換えたもので、これはソーおよびジュピターミサイルで既に使用されている既存のS-3Dのはるかに控えめなアップグレードであり、推力を150,000 lbfから188,000 lbf（670 kNから840 kN）に増加させたものである。このアプローチにより、開発コストを最大6,000万ドル節約し、研究開発期間を最大2年短縮できると推定された。^[18]

再設計の結果に満足した ARPA は、1958 年 8 月 15 日に命令番号 14-59 を発行し、ABMA に対して次のことを要求しました。

利用可能なロケットエンジンのクラスターをベースに、推力約150万ポンドの大型宇宙船ブースターを提供する開発プログラムを開始する。このプログラムの当面の目標は、1959年末までに本格的なキャプティブダイナミック発射を実証することです。^[19]

1958年9月11日には、ロケットダイン社とH-1の開発開始に関する新たな契約が結ばれた。1958年9月23日、ARPAと陸軍兵器ミサイル司令部（AOMC）は、プログラムの範囲を拡大する追加契約を締結し、「キャプティブダイナミック発射に加えて、このプログラムは、1960年9月頃までにこのブースターの推進飛行試験を実施できるように拡張されることが合意された」と述べた。さらに、彼らはABMAに3基の追加ブースターの製造を要求し、そのうちの最後の2基は「限られたペイロードを軌道上に配置できる」ものとなる予定だった。^[20]

この時点で、ABMAグループの多くはすでにこの設計を土星と呼んでいた。フォン・ブラウンは木星の次の惑星を指していると説明した。^[21]名前の変更は1959年2月に正式に行われた。^[22]

ARPA に加えて、米国政府内のさまざまなグループが、宇宙探査を扱う民間機関の設立を検討していた。スプートニクの打ち上げ後、これらの取り組みは緊急性を増し、すぐに前進した。NASAは1958 年 7 月 29 日に設立され、すぐに有人宇宙飛行の問題の研究に着手し、ロケットはこの分野で取り組む必要があった。この初期段階であっても、1 つの目標は有人月面ミッションだった。当時、NASA の委員会は、直接上昇ミッション プロファイルが最善のアプローチだと感じていた。これは、非常に大きな宇宙船 1 機を軌道上に乗せ、月まで飛行し、着陸して地球に帰還する能力を持つというものである。このような大型宇宙船を打ち上げるには、はるかに強力な新しいブースターが必要であり、サターンでさえ大きさが足りなかった。NASA は、 Novaプログラムの下で、いくつかの潜在的なロケット設計の調査を開始した。

有人月面ミッションを研究していたのはNASAだけではなかった。フォン・ブラウンは以前からこの目標に関心を示しており、しばらく月面ミッションに何が必要かを研究していた。ABMAのホライズン計画では、15回のサターン打ち上げで宇宙船の部品と燃料を運び、軌道上で組み立てて1機の非常に大きな月面船を建造することを提案した。この地球軌道ランデブーミッションのプロファイルでは、打ち上げごとに必要なブースター容量が最小限で済むため、既存のロケット設計を使用して実行できる。これは、月面の小規模な有人基地への第一歩となるが、基地に物資を供給するには毎月さらに数回のサターン打ち上げが必要となる。

空軍も1958年にルネックス計画を開始しており、これも有人月面基地の建設を目標としていた。NASAと同様にルネックスは直接上昇モードを採用していたため、はるかに大きなブースターが必要だった。計画の一環として、彼らはスペース ランチャー システム、または SLS (アルテミス計画のスペース ローンチ システム部分と混同しないように) と呼ばれるまったく新しいロケット シリーズを設計した。これは、さまざまな打ち上げ重量に対応するために、多数の固体燃料ブースターと、タイタン ミサイルまたは新しいカスタム ブースター ステージを組み合わせたものであった。最小の SLS ビークルは、タイタンと 2 つの固定式固体燃料ロケットで構成され、タイタン C と同様の性能を持ち、ダイナソアの打ち上げ機として機能できた。最大のものは、直接上昇ミッションのために、はるかに大きな固体ロケットと大幅に拡大されたブースターを使用した。

政府委員会「サターン宇宙船評価委員会」（通称シルバースタイン委員会）は、NASA が既存の陸軍計画に対して取るべき具体的な方向性を勧告するために結成された。委員会はサターン用の新しい水素燃焼上段の開発を勧告し、既存の技術を多用した非常に低リスクのソリューションから、提案された新しい上段を含むまだ開発されていないハードウェアに依存する設計まで、重量物打ち上げ用ブースターの 8 つの異なる構成を概説した。構成は以下のとおりである。

• A-1 – サターン下段、タイタン第2​​段、ケンタウルス第3段（フォン・ブラウンのオリジナルコンセプト）。
• A-2 – 土星下段、提案されているクラスター化された木星第2段、およびケンタウルス第3段。

• B-1 – サターン下段、提案されているクラスター化されたタイタン第2​​段、提案されているS-IV第3段、およびケンタウルス第4段。

• C-1 – サターン下段、提案されたS-IV第2段（実際のサターンIに類似）。
• C-2 – サターンの下段ステージ、提案されている第2段ステージはS-II、提案されている第3段ステージはS-IV。
• C-3、C-4、C-5はすべて、F-1 エンジンを使用した新しい下段のさまざまなバリエーション、提案された S-II 第二段のバリエーション、および提案された S-IV 第三段に基づいています (C-5 は実際のサターン Vに似ています)。

• サターンCの派生型
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  サターンC-1
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  サターンC-2
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  サターンC-3
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  サターンC-4
• 
  サターンC-5

1960年にロケットダイン社に新しい水素燃焼エンジンの開発契約が与えられ、同年に ダグラス社にサターンIV段の開発契約が与えられた。

1961 年 5 月、ジョン F. ケネディ大統領がNASA に 10 年後までに宇宙飛行士を月に送るという課題を提示したことで、サターン計画は突如新たな緊急課題となりました。その年は、月に到達するためのさまざまな手段が評価され、活発な活動が展開されました。

ノヴァとサターンの両ロケットは設計が似ており、部品も共用できるため、このミッションで評価されました。しかし、部品の多くが航空輸送できるように設計されていたため、サターンの方が生産しやすいと判断されました。ノヴァでは、すべての主要段階に新しい工場が必要となり、期限内に完成できないという深刻な懸念がありました。サターンでは、提案された下段のうち最大の段階に新しい工場が 1 つだけ必要であり、主にその理由でサターンが選ばれました。

シルバースタイン委員会の構成の中で最も強力なサターンC-5（後にサターンVと名付けられる）が、最も適切な設計として選択された。当時はミッションモードが選択されていなかったため、十分な電力を確保するために最も強力なブースター設計が選択された。 ^[24]月軌道ランデブー方式の選択により、打ち上げ重量要件がノヴァよりもC-5の範囲内に削減された。

しかし、この時点では、3 段はすべて紙の上だけのものであり、実際の月探査機はブースターよりずっと前に開発され、テストの準備が整っている可能性が高いことが認識されました。そのため、NASA は、下段が既存の技術 (レッドストーンとジュピターのタンク) に基づいており、上段がすでに開発中であったため、C-1 (後のサターン I ) もテスト機として開発を継続することを決定しました。これは、S-IV の貴重なテストになるだけでなく、低地球軌道でのカプセルやその他のコンポーネントの打ち上げプラットフォームにもなります。

実際に製造されたサターン ファミリーのメンバーは次のとおりです。

• サターン I – 10 機のロケットが飛行しました。5 回の開発飛行と、定型的なアポロ宇宙船とペガサス微小隕石衛星の 5 回の打ち上げです。
• サターン IB – 9 回の打ち上げ。サターン I の改良版で、第 1 段がより強力 ( S-IBと命名) で、第 2 段としてサターン V のS-IVB を使用。これにより、最初のアポロ飛行乗組員、さらに 3 名のスカイラブ乗組員と 1 名のアポロ・ソユーズ乗組員が地球周回軌道に乗せられました。
• サターン V – 13 号の打ち上げ。アポロ宇宙飛行士を月に送り、スカイラブ宇宙ステーションを軌道に乗せた月ロケット。

• サターンファミリーの建造メンバー
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  LC-34からのサターンI（SA-1）打ち上げ
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  LC-34からのサターンIB（AS-202）の打ち上げ
• 
  サターンV (アポロ 11 号) が発射台に運ばれていく

• ビルシュタイン、ロジャー E. (1996)。『土星への段階: アポロ/サターン打ち上げロケットの技術史』NASA 歴史シリーズ。ワシントン: NASA。ISBN 978-0-16-048909-9。
• キャドバリー、デボラ（2006年）。 『宇宙開発競争：宇宙の覇権をめぐるアメリカとソビエト連邦の壮大な戦い』ニューヨーク：ハーパーコリンズ出版社。ISBN 978-0-06-084553-7。
• ドーソン、バージニア P.、マーク D. ボウルズ (2004)。液体水素の制御: セントール上段ロケット 1958-2002 (PDF)。NASA 歴史シリーズ。ワシントン: NASA。ISBN 978-0-16-073085-6。
• ニューフェルド、マイケル・J. (2007)。フォン・ブラウン：宇宙の夢想家、戦争の技術者。ニューヨーク：アルフレッド・A・ノップフ。ISBN 978-0-307-26292-9。

• NASA 歴史シリーズの出版物 (その多くはオンライン)