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サターンI [ a ]は、最大20,000 ポンド (9,100 kg)の低地球軌道ペイロードを運ぶための、米国初の中型打ち上げロケットとして設計された。[ 2 ]その開発は、1958 年に新しく設立された民間機関であるNASAによって、高等研究計画局(ARPA)から引き継がれた。その設計は堅牢で柔軟性があることが証明された。液体水素燃料ロケット推進の開発の開始、ペガサス衛星の打ち上げ、アポロ司令船および機械船の打ち上げ段階の空力特性の飛行検証に成功した。
サターンIロケットは10基が打ち上げられた後、より大型で推力の高い第2段と改良された誘導・制御システムを備えた大型ロケットの派生型であるサターンIBに置き換えられた。また、サターンIは、アポロ計画で人類初の月面着陸を成し遂げた超大型ロケット、サターンVの開発にもつながった。
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打ち上げ能力がソ連を上回る転換点として、サターンI、特にSA-5の打ち上げを挙げた。[ 3 ] [ 4 ]
サターン計画は、国防総省（DoD）が新たに要求した、新型の通信衛星や「その他」の衛星を軌道に乗せるための大型ロケットの要件を満たすための提案の一つとして開始されました。 [ 2 ]この要件では、20,000～40,000ポンド（9,100～18,100kg ）を軌道に乗せるか、13,200～26,200ポンド（6,000～11,900kg ）を月遷移軌道に加速できるロケットが求められていました。既存の米国のロケットは、最大で約3,900ポンド（1,800kg）を軌道に乗せることができましたが、新しい高エネルギー上段ロケットを使用すれば、最大9,900ポンド（4,500kg ）まで拡張できる可能性がありました。いずれにせよ、これらの上段ロケットは早くても1961年まで利用できず、それでもなお、国防総省の大型ペイロードの要件を満たさないでしょう。
ヴェルナー・フォン・ブラウン率いる米国陸軍弾道ミサイル局（ABMA）のチームは、1957年4月にこの問題の研究を開始した。彼らは、要求される性能を持つロケットには、離陸時に約150万ポンド（6.7 MN）の推力を持つ下段ブースターが必要であると計算した。偶然にも、空軍はまさにそのようなエンジンの開発に着手しており、最終的にF-1として登場した。しかし、F-1は国防総省が要求する期間内には利用できず、いずれにせよ短期的には約100万ポンドに制限されるだろう。別の可能性としては、当時E-1として知られていたロケットダイン社のエンジンがあり、これは約36万～38万ポンド（1,600～1,700 kN）の推力を提供し、4基で要求される推力レベルに達する。このアプローチが最有力候補となり、エンジンと配管が取り付けられる推力板の上に9つのタンクの集合体で構成された第1段と組み合わされた。設計では、ジュピターロケットから派生した中央の大型タンクの周りに、レッドストーン段に似た8つのロケットタンクが取り付けられることを想定していた。設計と直径の類似性により、古いタンクの製造に使用されたのと同じ工具と設備を使用できるため、新しい段の設計と製造段階が加速される。[ 5 ]当時報道されたこと（そしてその後も広く流布されていること）とは異なり、タンクは単にレッドストーンとジュピターのタンクではなく、同じ直径で新たに作られたはるかに長いバージョンだった。[ 5 ]しかし、第1段は古いロケット設計から作られた推進剤タンクの集合体であるという認識があり、批評家たちはそれを冗談めかして「クラスターの最後の抵抗」と呼んだ。これはリトルビッグホーンの戦いのニックネーム「カスターの最後の抵抗」をもじったものである。
フォン・ブラウンは1957年12月に「国家統合ミサイル・宇宙機開発計画」として設計を国防総省に提出し、当時「スーパージュピター」として知られていた新設計の概要を示した。共通のクラスター型第1段と、アトラスまたはタイタンIをベースにした上段を使用するいくつかのバリエーションが提案された。ABMAは、アトラスの製造が極めて優先度が高く、余剰生産能力がほとんどなかったため、タイタンを支持した。彼らは、既存のタイタン製造用工具を直径120インチ（3.0m ）で使用し、それを延長して全長200フィート（61m）の新しい段を製造することを提案した。第3段にはセントールが使用され、下位2段の試験が完了する1963年には運用準備が整うと予想された。結果として得られた3段式設計は、最終的に製造されたサターン設計よりもはるかに背が高く、細身だった。
高等研究計画局（ARPA）は1958年2月に国防総省の一部として設立され、要求事項を担当した。ARPAは設計変更を1つだけ要求した。E-1がまだ開発初期段階にあることを懸念し、ロケットが可能な限り早く生産段階に入るよう、代替案を検討することを提案した。ABMAはこれにすぐさま対応し、4基のE-1エンジンを8基のH-1エンジンに置き換えるという、若干修正された設計案を提示した。H-1エンジンは、ソーミサイルとジュピターミサイルで使用されているS-3Dエンジンのマイナーアップグレード版である。エンジンを変更することで、約6000万ドルのコスト削減と、最大2年間の研究開発期間の短縮が見込まれると試算された。
フォン・ブラウンは以前、宇宙ロケットとして使用されるレッドストーンロケットとジュピターロケットをそれぞれジュノーIとジュノーIIと呼んでおり、多段式バージョンの提案をジュノーIIIとIVとして提出していた。彼は新しい設計の名前をジュノーVに変更した。1958年から1963年までの総開発費用8億5000万ドル（2007年換算で56億ドル）には、有人および無人の宇宙ペイロードを搭載した30回の研究開発飛行も含まれていた。
結果に満足したARPA命令第14-59号（1958年8月15日付）により、このプログラムが開始された。[ 6 ]
これに続き、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別の契約が締結された。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協定を締結し、「拘束下での動的発射試験に加えて、本プログラムは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べきであると合意した」と明記した。さらに、彼らはABMA社に3基の追加ブースターの製造を依頼し、そのうち最後の2基は「限られたペイロードを軌道に投入できる」ものとした。
フォン・ブラウンはこの設計に大きな期待を寄せており、成熟すれば他の推進システム、特にF-1の優れたテストベッドになると考えていた。彼はジュノーVを「攻撃および防御宇宙兵器」の研究開発のための汎用輸送機として利用すると概説した。海軍の航行衛星、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、陸軍の地上から地上への最大6400キロメートルの距離での兵站補給など、各軍種向けの具体的な用途が予測された。フォン・ブラウンはまた、プロジェクト・ホライズンの一環として、ジュノーVを有人月探査ミッションの基盤として使用することを提案した。ジュノーは最大20,000ポンド（9,000kg ）を低地球軌道に運ぶことができ、彼は15機を打ち上げて地球軌道上に200,000ポンド（91,000kg ）の月探査機を建造することを提案した。
この時点からすでに「木星の次の惑星」という意味で「サターン」という名前が使われていた。ARPAの初期の報告書には、「サターンは、ダグラスDC-3が最初の本格的な旅客機であり、航空業界における耐久性の高い主力機であったのと同様に、最初の本格的な宇宙船とみなされている」と記されている。名称変更は1959年2月に正式に行われた。
1958年7月29日のNASAの設立により、既存の大型ロケット計画を集約し、将来の作業のために単一の設計セットを選択する取り組みが始まった。当時、空軍と陸軍の両方がそのようなロケットを開発するチームを持っており、陸軍はサターン、空軍はスペース・ローンチ・システム（SLS）を開発していた。[ 7 ] SLSは、固体燃料ブースターと水素/酸素上段を備えた共通のモジュール式コンポーネントのセットを使用して、さまざまな打ち上げ構成とペイロード重量を可能にした。両グループはまた、有人月面基地の計画も開発しており、ABMAのホライズンは地球軌道ランデブー方式で地球軌道上で大型月ロケットを建造し、空軍のルネックス計画はSLSの最大構成を使用して単一の巨大な着陸機を打ち上げることを計画していた。これだけでは不十分であるかのように、NASAのエンジニアは独自のノヴァ設計シリーズの設計を開始し、空軍のアプローチと同様の直接上昇プロファイルで使用することを計画していた。
フォン・ブラウンは、既存の取り組みを調査し、勧告をまとめる委員会の委員長を務めるよう依頼された。委員会は1958年7月18日に報告書を提出し、まず米国の計画がこれまでいかにずさんに扱われてきたかを批判し、ソ連の計画が明らかに先行していることを指摘した。報告書は、初期のヴァンガードから始まり、ジュノー、アトラスやタイタンのようなICBM 、サターンのようなクラスター設計、そして最終的には推力600万ポンド（27MN ）のF-1を使用したクラスターという究極の開発に至るまで、 5つの「世代」のロケットについて説明した。報告書はさらに、これらのロケットが利用可能になったときにそれを使用する有人探査計画の概要を示した。既存のICBMを使用すれば、1961年には小型の4人乗り宇宙ステーションを運用でき、ロケット群は1965年から1966年にかけて有人月面着陸を支援し、1967年までに50人乗りの大型宇宙ステーションを建設することができた。一方、最大のロケットは1972年の大規模な月探査を支援し、1973年から1974年にかけて恒久的な月面基地を建設し、1977年には有人惑星間旅行を打ち上げることができた。
1958年12月、すべてのチームが集まり、それぞれの設計案を発表した。NASAは1959年1月6日、フォン・ブラウンの提案を採用し、開発に大きな弾みを与えた。1月末、NASAは開発計画の概要を発表した。これには、ベガとセントールの上段ロケット、ジュノーV、そしてNASA独自のノヴァブースターが含まれていた。ベガは後に、かつて極秘だったアジェナ上段ロケット（当時は「ハスラー」と呼ばれていた）の情報が公開され、その性能がNASAの設計とほぼ同等であることが判明したため、開発中止となった。
サターンロケットの設計は順調に進んでいるように見えた。1959年4月には最初のH-1エンジンがABMAに到着し始め、5月には試験燃焼が開始された。ケープカナベラルでは6月に複合施設34の発射場建設が始まった。
そして、全く予想外のことに、1959年6月9日、国防研究開発局長ハーバート・ヨークは、サターン計画の中止を決定したと発表した。彼は後に、この計画がARPAの資金をより緊急性の高いプロジェクトから奪っていることを懸念しており、既存のICBMの改良によって短期的には必要な大型輸送能力が得られるように思われたと述べた。ABMA司令官ジョン・B・メダリスは次のように述べている。
中止を回避しようと、国防総省とARPAのサターン支持者たちは、中止に反対する独自の覚書を作成した。しかし、当時陸軍もNASAもブースターに関する書面による要件を持っていなかったことが、彼らにとって不利に働いた。1959年9月16日から18日までの3日間の会議で、ヨークとドライデンはサターンの将来について検討し、タイタンCとノヴァの役割について話し合った。結果は予想外だった。ヨークは中止を延期し、短期的な資金提供を継続することに同意したが、それはNASAがABMAチームを引き継ぎ、国防総省の支援なしに開発を続けることに同意した場合に限られるというものだった。NASAもまた、ブースターを第三者に頼ることでプログラム全体が危険にさらされることを懸念しており、チームを引き継ぐという考えに非常に前向きだった。
両当事者がその後1週間にわたって協議を続け、合意が成立した。ABMAにおけるフォン・ブラウンのチームはそのまま維持され、サターン計画の主要開発者として活動を続ける一方、組織全体はNASAの管理下に移管されることになった。1960年3月15日の大統領令により、ABMAはNASAのジョージ・C・マーシャル宇宙飛行センター（MSFC）となった。
1959年7月、ARPAから変更要求が届き、上段をより強力な設計にアップグレードすることになった。これは、直径160インチ（4.1メートル）の大型第2段に、新型の20,000ポンド（89キロニュートン）の液体水素／液体酸素エンジンを4基搭載し、第3段には同じ設計のエンジンを2基搭載した改良型セントールロケットを使用するというものだった。この変更について、メダリスは次のように述べている。
何らかの妥協点を見出すため、NASA、空軍、ARPA、ABMA、国防総省研究開発局から選抜されたグループが、 12月にシルバーシュタイン委員会の下に結成された。フォン・ブラウンは上段燃料としての液体水素に懐疑的だったが、委員会は将来の上段開発においてそれが正しい道であると彼を説得した。これらの変更が行われたことで、NASAのブースター計画は軍事開発への依存から完全に解放された。この時点で、あらゆる種類の上段が検討対象となり、「これらの推進剤が困難な上段用途に受け入れられるのであれば、中間段への比較的容易な用途に高エネルギー推進剤の使用を受け入れない正当な工学的理由はないように思われる」と委員会は結論付けた。
委員会は、さまざまな打ち上げ構成の可能性を概説し、3 つの大まかなカテゴリーに分類した。「A」グループは、会議前に提案されたサターン設計に似た低リスクバージョンであった。タイタンとセントール上段を使用した元の設計はA-1となり、タイタンを IRBM のクラスターに置き換えた別のモデルはA-2となった。B -1設計では、A-2 のクラスターを H-1 のような下段を使用した新しい 4 基エンジン設計に置き換える新しい第 2 段が提案された。上段すべてを液体水素に置き換えた C シリーズ モデルが 3 つあった。[ 8 ]
C-1 は既存の SI クラスターを下部に使用し、新しい S-IV ステージに 4 基の15,000 ～ 20,000 lbf (67 ～ 89 kN)エンジンを追加し、上部の 2 基のエンジン Centaur は SV ステージとして残した。C -2モデルでは、新しい S-III ステージに 2 基の150,000 ～ 200,000 lbf (670 ～ 890 kN)エンジンを追加し、上部のS-IVとSVは残した。C -3構成では、同じエンジン 4 基の S-II ステージを追加し、上部の S-III と S-IV のみを残した。C モデルは、A モデルと B モデルをはるかに凌駕する性能を発揮し、さらに互換性があり、必要なペイロード要件に合わせて構築できるという利点があった。
これらの新しいステージ設計のうち、実際に納入されたのはS-IVのみであり、委員会の報告書に描かれた形ではなかった。開発スケジュールを満たすために、新しい220インチ（5.6m ）ステージに6基のセントールエンジンが配置され、元の4基の改良型エンジンとほぼ同じ性能を持つ「新しい」S-IVが作られた。多数の小型エンジンは少数の大型エンジンよりも効率が悪く、問題も多いため、J-2エンジン1基への早期アップグレードの対象となった。その結果できたステージ、S-IVBは性能が大幅に向上し、サターンはアポロCSMを打ち上げることができ、アポロ計画において非常に貴重な存在となった。
結局、タイタンCは納入されず、空軍は代わりにクラスター固体燃料ロケットを使用した「推力増強型」タイタンIIを採用した。これらの新しい設計であるタイタンIIIは、室温で保管できる自己着火性推進剤を使用したこともあり、製造と飛行コストが大幅に削減されたため、その後数十年にわたり国防総省の主力大型打ち上げロケットとなった。この決定の重要な要因は、国防総省がNASAとサターンを共有するのではなく、完全に制御できる打ち上げロケットを持つことを好んだことである。40年間の運用期間中に打ち上げられたすべてのタイタンIII/ IVのうち、NASAのペイロードを搭載したものはごくわずかであった。[ 9 ] [ 10 ]
同様に、タイタン III の開発により、サターンの「柔軟な」段構成の概念は不要となり、サターンはアポロ計画の有人打ち上げにのみ使用されることになった。打ち上げ構成の柔軟性の必要性がなくなったため、これらの設計のほとんどはその後放棄された。SV だけが元の形で残った。S-IV は改良された形で登場し、サターン V は全く異なる S-II 段を備えていた。C-5 は 1962 年初頭に NASA のアポロ計画用として確定し、サターン Vと命名された。 [ 11 ] [ 10 ] C-1 はサターン I になった。C-1B はサターン IB になった。[ 10 ]
サターンIは、1961年10月27日にダミーの上段と部分的に燃料を充填した第1段で初飛行を行った。当時、打ち上げロケットが初回で成功した例はなかったため、管制室では緊張が高まっており、発射台の爆発が広く懸念されていた。サターンは当時最大のロケットであったため、爆発が起きれば甚大な被害をもたらし、発射施設が6ヶ月間使用不能になる可能性もあった。
最終的に、ブースターが離陸し、完璧な試験飛行を終えたことで、こうした懸念は解消された。その後17ヶ月にわたり、ダミーの上段を用いた飛行がさらに3回行われ、いずれも完全に、あるいはほぼ成功した。そのうち2回は、S-IVロケットに水を満たし、段分離後に高高度で爆発させて氷の雲を生成し、それを撮影した。
1964年1月に行われた第5便は、初めて実機のS-IVエンジンを搭載した飛行であり、軌道上でエンジンを再始動させて高高度まで上昇し、2年後に崩壊するまでその高度にとどまった。同年には、アポロ計画で使用された標準的な司令船・機械船を搭載した飛行がさらに2回続いた。
この時点までに、タイタンIIIの登場により、サターンは国防総省のロケットとしての役割を失い、さらに改良型のサターンIBが開発されるにつれ（アポロ司令船が当初の予想よりも重くなったため、より強力なロケットが必要になった）、ブースターはすぐに使われなくなり、実用的な用途が見つからなくなってしまった。
サターンIの主なペイロードは、アポロ司令船・機械船と緊急脱出システムの標準型だった。最後の3基は、第2段宇宙船アダプターにペガサス微小隕石衛星も搭載していた。
サターンIは、X-20ダイナソア宇宙機の打ち上げ[ 12 ]、そして後に、提案された月周回ミッションでのジェミニカプセルの打ち上げ[ 13 ] [ 14 ]に検討された。 しかし、1963年にダイナソアの資金が削減され、アポロ計画の開発がすでにかなり進んでいたため、これらの提案は実現しなかった。
ずっと後になって、サターンIはTABAS構想において短距離弾道ミサイルシステムとしても検討された。TABASは、サターンに25トン（55,000ポンド）の通常兵器を機械式運搬システムに搭載し、ミサイルが敵の滑走路に命中して破壊し、3日間使用不能にすることを保証するシステムだった。しかし、このシステムは配備するには危険すぎると考えられた。発射されれば核攻撃のように見え、同等の報復攻撃を招く可能性があったからだ。
SV第3段は、セントールロケットの第3段として開発され、サターンIロケットでタンクに水を満たした状態で4回非稼働状態で飛行した。しかし、実際にミッションで使用されることはなかった。SVは、アトラス・セントールロケットやタイタンIIIロケット、およびそれらの派生型ロケットの上段として使用されることになる。
SIの第1段は、液体酸素（LOX）を酸化剤としてRP-1燃料を燃焼させる8基のH-1ロケットエンジンによって推進された。推進剤タンクは、LOXを収容する中央のジュピターロケットタンクと、その周囲に配置された8基のレッドストーンロケットタンクの集合体で構成されていた。レッドストーンロケットタンクのうち4基は白色に塗装されLOXを収容し、残りの4基は黒色に塗装されRP-1燃料を収容していた。外側の4基のエンジンはジンバルに取り付けられており、ロケットの誘導のために操舵することができた。ブロックII型機（SA-5～SA-10）では、8枚のフィンが大気圏内飛行時の空力安定性を提供した。
一般的な特徴
エンジン
S-IVロケットの第2段は、液体水素（LH₂）を燃料とし、酸化剤として液体酸素（LOX）を使用する6基のRL10ロケットエンジンをジンバルに搭載して推進力を得ていた。推進剤タンクは、LOXタンクとLH₂タンクを分離するために単一の共通隔壁を使用することで、構造重量を20%削減し、それに伴う全長と構造の複雑さを軽減した。
一般的な特徴
エンジン
サターンIブロックIロケット（SA-1～SA-4）は、SI第1段の上部に搭載されたキャニスター内の計器によって誘導され、フォード計器会社が製造し、レッドストーンミサイルにも使用されたST-90安定化プラットフォームが含まれていました。[ 15 ]これらの最初の4機は弾道軌道をたどり、ダミーの上段は単一の動力段から分離しませんでした。
ブロック II のロケット (SA-5 から SA-10) は 2 つの動力段を備え、軌道に投入されました。SA-5 以降、誘導機器はS-IV 段のすぐ前にある計器ユニット (IU)に搭載されました。IU の最初のバージョンは直径154 インチ (3.9 m) 、高さ58 インチ (150 cm)で、マーシャル宇宙飛行センターによって設計および製造されました。誘導、テレメトリ、追跡、および電力コンポーネントは、中央ハブにスポークのように取り付けられた 4 つの加圧円筒形コンテナに収められていました。[ 16 ]このバージョンは SA-5、SA-6、および SA-7 で飛行しました。
MSFCはSA-8、SA-9、SA-10でIUのバージョン2を飛行させた。バージョン2はバージョン1と同じ直径だったが、高さはわずか34インチ（86cm ）だった。加圧容器の代わりに、コンポーネントは円筒形の内壁に吊り下げられており、軽量化が実現した。[ 17 ]
ブロックIIの誘導コンピュータはIBM ASC-15でした。IUに搭載されたその他の機器には、機体を誘導するアクティブコンポーネントと、後の飛行で使用するためのテストと評価のためにデータを地上にテレメトリー送信するパッセンジャーコンポーネントがありました。ST-90安定化プラットフォームは、SA-5とSA-6の第1段のアクティブIMUでした。ST -124はSA-5のパッセンジャーであり、SA-6の第2段とその後のミッションではアクティブでした。IUには、打ち上げ前に慣性プラットフォームの位置合わせを可能にする光学窓がありました。
SV 段は、燃料として液体水素、酸化剤として液体酸素を燃焼させる 2 基の RL-10A-1 エンジンで駆動するように設計されていました。推進剤タンクは、共通の隔壁を使用して推進剤を分離していました。SV 段は、 SA-1 からSA-4までのミッションで4 回飛行しました[ 18 ]。これら 4 つのミッションすべてで、SV のタンクには打ち上げ時のバラストとして使用するための水が満たされていました。この段は、サターンロケットのどの打ち上げロケットでも、アクティブな構成で飛行したことはありません。この段は、アトラス LV3Cにもセントールとして使用され、その現代版は現在も飛行しており、現在も稼働している唯一のサターンロケット段となっています。
一般的な特徴
エンジン
サターン1シリーズのロケットの今後の打ち上げについては、サターンIBのページをご覧ください。
2021年現在サターンI試験機（またはその一部）が展示されている場所は3箇所あります。[ 19 ]
SA-TサターンI 静止試験ステージ第1段。マーシャル宇宙飛行センターで製造され、1960年からMSFCの静止燃焼試験に複数回使用され、その後ミショー組立施設に輸送され適合性試験に使用された後、アラバマ州に戻されました。現在はマーシャル宇宙飛行センターの静止試験タワーの隣に水平に展示されています。2019年には、このステージがNASAによって組織への寄贈のために利用可能になったと報告されましたが、唯一の条件は輸送費として約25万ドルの「送料」のみでした。[ 20 ]
SA-Tステージを入手するための資格のある機関からの問い合わせがなかったため、ブースターは2022年4月4日頃に解体された。[ 21 ]
SA-DサターンI ブロック1 動的試験機。MSFCで製造され、1961年までMSFCのいくつかの動的試験で使用されました。[ 22 ]現在、MSFC本部近くのロケットガーデンに、ダミーの上段とともに垂直に展示されており、V-2ロケット（A4）、レッドストーン、ジュピターC、ジュピターIRBMなどの歴史的な機体の例と並んでいます。
SA-D5ブロック 2 動的試験機は、SI-D5 ブースター段と S-IV-H/D 静水圧/動的上段で構成され、1962 年に MSFC の動的試験台で試験に使用されました。また、 1963 年にケープカナベラルの LC-37B でチェックアウトのために輸送され使用されました。アラバマ州に戻され、S-IB 動的試験機として使用できるように改造されました。NASA/MSFC からアラバマ州にサターン V 動的試験機と同時に寄贈され、現在はアラバマ州ハンツビルの米国宇宙ロケットセンター(旧アラバマ宇宙ロケットセンター)に垂直に展示されており、地元で非常になじみ深いランドマークとなっています。
