28.11.2011 / Autor: Daniel Maurat Raumfahrt > Raketen

Saturn 5

Sie ist die wohl berühmteste Rakete der Welt und war im wahrsten Sinne des Wortes das "Arbeitspferd" des Apollo-Programms: die Saturn 5 brachte die ersten Menschen zum Mond und Amerikas erste Raumstation ins All.

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Bild vergrößernStart der Saturn 5 mit der Seriennummer SA-506 am 16. Juli 1969 für die Mission Apollo 11.
(Bild: NASA)
Geschichte

Die Geschichte dieses berühmten Trägers begann in Ende der 1950er Jahre, als man in Huntsville, Alabama, unter Wernher von Braun mit ihren Überlegungen für die Saturn 1 begann. Man hatte schnell eine Reihe von Vorschlägen von Trägern zusammengestelllt, mit denen größere Nutzlasten in den erdorbit und darüber hinaus transportiert werden könnten. So gab es zunächst sechs Vorschläge, die Saturn C-Serie:

  • Die Saturn C-1 war im Grunde genommen eine Saturn 1 Block 1 mit entsprechender Erststufe.
  • Die Saturn C-2 ähnelte der Saturn 1 Block 2, doch war zwischen Erststufe und der S-IV-Stufe eine weitere, S-II genannte Stufe. Zusätzlich sollte eine Centaur der Atlas-Rakete als Oberstufe genutzt werden.
  • Die Saturn C-3 sollte eine neue Erststufe mit zwei Triebwerken vom Typ F-1 nutzen. Als Zweitstufe sollte auch eine neue Stufe mit vier Triebwerken vom Typ J-2 genutzt werden. Als Drittstufe sollte eine S-IV der Saturn 1 Block 2 dienen.
  • Die Saturn C-4 sollte eine Erststufe mit vier Triebwerken vom Typ F-1 und eine S-IVB-Drittstufe der Saturn 1B nutzen. Sonst glich die der Saturn C-3.
  • Die Saturn C-5 sollte eine Erststufe mit fünf Erststufentriebwerken vom Typ F-1 nutzen, sowie eine Zweitstufe ähnlich der Saturn C-3 oder der Saturn C-4, aber mit fünf Triebwerken. Die Drittstufe sollte eine S-IVB sein.
  • Die Saturn C-8 war das Monster der Saturn C-Varianten. Die Erststufe sollte von acht F-1 angetrieben werden, die Zweitstufe von acht J-2. Als Drittstufe war die S-IVB geplant.


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Bild vergrößernDie Erststufe S-IC für die Mission Apollo 10 im Vehicle Assembly Building.
(Bild: NASA)
Nachdem im April 1961 Juri Gagarin als erster Mensch in den Weltraum startete, war das für die USA ein herber Schlag in ihr Selbstbewusstsein. Als Folge verkündete im Mai 1961 der damalige Präsident John F. Kennedy, dass die USA "bis zum Ende des Jahrzehnts einen Menschen zum Mond und sicher zur Erde zurückbringen" würde. Damit gab er der NASA die damals wie heute verrückt klingende Aufgabe, innerhalb von acht Jahren eine Rakete, ein Raumschiff, einen Lander sowie die ganze Infrastruktur zu entwickeln und zu bauen und dann noch zum Mond zu fliegen.

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Bild vergrößernEine S-II-Stufe für die Mission Apollo 6 bei der Integration im VAB.
(Bild: NASA)
Im Juli 1962 wählte die NASA schließlich die Saturn C-5 dafür aus, zum Mond zu starten. Zur gleichen Zeit hat sich nämlich die Meinung durchgesetzt, die so genannte "lunare Rendezvoustechnik" anstatt den "direkten Aufstieg" oder die "Erdrendezvoustechnik" als Basis für den Flug zum Mond zu nehmen. Der große Vorteil dieser Rakete ist, dass sie aus zwei einzelnen, spezialisierten Raumschiffen besteht, einer Kapsel für die Besatzung, in der sie starten und landen, sowie einem leichten Lander, mit dem sie auf dem Mond landen und zur Kapsel zurückkehren. Dafür müssten sie aber eine Reihe von Kopplungsmanövern durchführen, was damals als großer Herausforderung gesehen wurde. Dennoch sah man dies als die einfachste Möglichkeit an, Kennedys Traum zu erfüllen, als wie beim "direkten Aufstieg" mit dem ganzen Raumschiff auf dem Mond zu landen und somit eine noch monströsere Rakete als schon die Saturn C-5 es war entwickeln zu müssen oder das Raumschiff wie im "Erdrendezvousmanöver" mit mehreren Starts im Erdorbit aufzubauen, wobei man zwar nicht so große Raketen bruachte, aber noch mehr Kopplungen durchführen müsste als beim "lunaren Rendezvousmanöver". Die NASA benannte die Saturn C-5 um, und zwar in Saturn 5.

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Bild vergrößernEine S-IVB-Drittstufe bei der Integration mit einer Saturn 5.
(Bild: NASA)
Das größte Problem bei der Entwicklung war ganz klar die Nutzlast: die Rakete sollte 47 t Nutzlast zum Mond bringen bzw. 118 t in die Erdumlaufbahn. Dies war für die damalige Zeit eine astronomisch große Nutzlast. Somit musste die Rakete sehr groß ausfallen. Doch damit brauchte man große Stufen mit großen Tanks sowie starke Triebwerke. Man plante etwa 10 m im Durchmesser messende Tanks für die ersten zwei Stufen. Doch die zu schweißen war eine Herausforderung. Ein weiteres Problem war das Erststufentriebwerk, das F-1. Ein einzelnes Triebwerk sollte auf Meereshöhe einen Schub von über 6.700 kN liefern, und die Erststufe, die so genannte S-IC (für Saturn-IC) sollte gleich fünf dieser Monster als Triebwerke bekommen. Doch hat man bisher nur Triebwerke entwickelt, die nur ein Sechstel dieses Schubes hatten, und zwar in Form der Triebwerke der Titan 2.

Darüber hinaus brauchte man ein neues kryogenes Triebwerk, das J-2. Dieses sollte aber zunächst mitsamt der gesamten Drittstufe, die S-IVB der Rakete auf der Saturn 1B getestet werden. Die Zweitstufe, die S-II sollte fünf J-2 als Antrieb nutzen.

Die Entwicklung der Rakete an sich lief für die Zeit unerwartet reibungslos ab, aber es kam dennoch zu Rückschlägen. So explodierte eine S-IVB-Stufe am 29. Januar 1967, also zwei Tage nach dem Unfall von Apollo 1. Es stellte sich heraus, dass eine Schweißnaht in einem Helium-Druckbehälter der Stufe aufgrund unsauberer Verarbeitung gerissen ist und so die gesamte Stufe in die Luft jagte. Doch nachdem man den Fehler behoben hatte, lief alles wieder rund.

Wie schon im Saturn 1-Artikel beschrieben, hatte die Saturn 5 ein Nummerierungssystem. Diese dreistellige Nummer bezeichnete den eingesetzten Träger sowie die Flugnummer der Rakete. So bezeichnet die Nummer SA-506 die Saturn 5, mit der die Mission Apollo 11 zur ersten Mondlandung aufbrach.

Versionen

Die Saturn 5 flog in insgesamt zwei Versionen:

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Bild vergrößernSter der Raumstation Skylab mit der letzten Saturn 5 am 14. Mai 1973.
(Bild: NASA)
  • Die Saturn 5 war die am häufigsten eingesetzte Version. Sie flog zwischen 1967 und 1972 zwölf Mal, wobei nur zwei Flüge unbemannt waren. Alle anderen führten an der Spitze eine Apollo-Kapsel mit drei Mann Besatzung mit sich. Dabei gingen von diesen zwölf Flügen ganze neun in Richtung Mond. Nur die ersten zwei Testflüge sowie Apollo 9 blieben im Erdorbit. Mit einer Höhe von 111 m hält sie auch heute noch den Weltrekord als höchste Rakete und war etwa so hoch wie ein 30-stöckiges Haus. Im Laufe der Mondlandungen wurde die Saturn 5 immer weiter verbessert und konnte am Ende über 49 t zum Mond transportieren.


  • Die Saturn 5 (2 st.), auch als Saturn 5 INT 21 bekannt, entsprach der Saturn 5, hatte aber keine S-IVB-Drittstufe, sondern transportierte dafür die Raumstation Skylab in den Weltraum. Sie startete als letzte Saturn 5 im Jahr 1973.


Technik

Die Saturn 5 nutzte drei Stufen:

  • Die Erststufe, die S-IC, war und ist die wohl stärkste Stufe, die bisher gebaut wurde. Die von Boeing gebaute Stufe war 42,06 m lang, hatte einen Durchmesser von 10,06 m und wog voll betankt 2.286,2 t. Die fünf Triebwerke vom Typ Rocketdyne F-1, welche wie die Augen auf einem Würfel ab der Stufe befestigt wurden, lieferten je einen Schub von 6.747,5 kN, zusammen also 33.737,5 kN und brannten für 161 Sekunden. Dabei wurde das mittlere Triebwerk schon 30 Sekunden vor Brennschluss abgeschaltet, um so dem gefürchteten POGO-Effekt (Verstärkung von Schwingungen der Treibstoffleitungen) entgegenzuwirken. Auch war dieses Triebwerk nicht schwenkbar, während die restlichen vier kardanisch aufgehängt wurden und so die Rakete steuern konnte. Das F-1 ist auch heute noch das stärkste Einkammertriebwerk, das je entwickelt wurde. Als Treibstoff nutzte die S-IC RP-1 (Kerosin) und als Oxydator LOX (flüssiger Sauerstoff).


  • Die Zweitstufe, die S-II, war und ist die größte kryogene Stufe, die bisher gebaut wurde. Die von North American Aviation gebaute Stufe war 24,85 m lang, hatte einen Durchmesser von 10,06 m und wog voll betankt 490.79 t. Die fünf Triebwerke vom Typ Rocketdyne J-2, welche schon auf der Saturn 1B genutzt wurden, lieferten je einen Schub von 1.033 kN, also zusammen 5.165 kN, und brannten für 390 Sekunden. Wie bei der Erststufe wurde ein Triebwerk noch vor dem Brennschluss, etwa 30 Sekunden davor, der restlichen vier abgeschaltet Die Triebwerke waren genauso angebracht wie bei der S-IC, wobei auch das mittlere Triebwerk nicht schwenkbar, wohl aber die vier äußeren. Als Treibstoff nutzte sie LH2 (flüssiger Wasserstoff) und als Oxydator LOX.


  • Die Drittstufe, die S-IVB, glich der Zweistufe der Saturn 1B, hatte aber eine neue Isolierung im Tank, um so die Verdampfung des kryogenen Treibstoff und des kryogenen Oxydators zu minimieren. Sie war 17,8 m lang, hatte einen Durchmesser von 6,61 m und wog voll betankt 119 t. Das einzelne Triebwerk vom Typ Rocketdyne J-2 lieferte für eine Brenndauer von 475 Sekunden einen Schub von 1.033 kN. Die Stufe verfügte über ein zusätzliches Steuerungssystem, da das einzelne Triebwerk nicht die Steuerung über die Rollachse bewältigen konnte (man bräuchte mindestens zwei). Als Treibstoff nutzte sie LH2, als Oxydator LOX.


Starts

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Bild vergrößernDas Testmodell SA-500F auf dem Weg zur Startrampe.
(Bild: NASA)
Die Saturn 5 startete zwischen dem 9. November 1967 und dem 14. Mai 1973 insgesamt 13 Mal, und das jedes Mal erfolgreich. Das war für die damalige Zeit sehr außergewöhnlich, da sonst jeder andere Träger eine Reihe von Fehlstarts verbuchen musste. Diese konnten aber durch rigorose Testreihen verhindert werden. Als Startplatz nutzte man stets die eigens gebaute Startrampe LC 39 des extra für das Apollo-Programms gebaute Kennedy Space Centers. LC 39 bestand wiederum aus zwei Startrampen, nämlich LC 39A und LC-39B. Dabei wurde LC-39B lediglich einmal von der Saturn 5 benutzt, nämlich für den Start von Apollo 10 im Mai 1969. Dagegen kann sich LC 39A damit rühmen, dass von ihr die erste bemannte Mondlandung, Apollo 11 ihren Anfang nahm. Um die monströse Rakete zusammenbauen zu können, baute man das Vehicle Assembly Building (VAB), eine über 160m große Bauhalle, in der die Rakete zusammengebaut und dann zur Rampe gefahren wurde. Dieser ganze Prozess wurde zwischen Mai und Oktober 1965 mit dem Modell SA-500F getestet.

Die ersten zwei Starts am 9. November 1967 und am 4. April 1968 waren reine, unbemannte Testflüge. Während der erste Flug, Apollo 4, mit der SA-501 perfekt verlief, war Apollo 6 mit der SA-502 weniger Glück vergönnt. Probleme aufgrund des POGO-Effektes führen fast dazu, dass die Mission abgebrochen werden musste. Auch eine Simulation des Mondeinschusses nach zwei Erdumkreisungen schlug fehl, da die S-IVB-Stufe nicht zündete. Somit musste das Servicemodul des Apollo-Raumschiffes diese Aufgabe übernehmen, wobei sie freilich nicht das angestrebte Apogäum von 22.000 km erreichen konnte. Um trotzdem den Hitzeschild des Raumschiffes testen zu können, wurde das Apogäum niedriger gewählt und die Kapsel erreichte dennoch sicher die Erde.

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Bild vergrößernDie letzte Nutzlast der Sautrn 5: die Raumstation Skylab.
(Bild: NASA)
Der dritte Flug der Saturn 5 sollte der erste bemannte Einsatz der Rakete sein und das gesamte Equipment, also Apollo-Raumschiff und Mondlander, im Erdorbit testen. Doch beunruhigten die NASA und Wernher von Braun ein Bericht der CIA und Nachrichten von Grumman im zweiten Halbjahr des Jahres 1968: zunächst wurde klar, das Grumman den Mondlander für die Mission Apollo 8 nicht liefern können würde. Somit dachte man darüber nach, anstatt in den Erdorbit einfach mit dem Apollo-Raumschiff, welches schon einsatzbereit war, zum Mond zu fliegen und dort in einen Orbit zu gehen. Zudem entdeckte man auf Fotoaufnahmen eines Spionagesatelliten im sowjetischen Baikonur eine Rakete, die von den Dimensionen der Saturn 5 entsprach. Wie sich nach dem Zerfall der UdSSR herausstellte, handelte es sich dabei um die N-1, mit der Russland zum Mond wollte. Die NASA bekam Panik und wollte so schnell wie möglich zum Mond, wenn auch nur in einen Orbit, um so zu zeigen, dass man diesen Wettlauf gewinnen würde. So startete der erste bemannte Einsatz, Apollo 8, am 21. Dezember 1968 gleich zum Mond mit der SA-503. Zu Heiligabend sendete die Besatzung des Raumschiffes, bestehend aus Kommandant Frank Borman, Pilot Jim Lovell und 2. Pilot William Anders am Heiligabend 1968 eine geschichtsträchtige Botschaft aus dem Mondorbit zur Erde und sahen als erste Menschen mit eigenen Augen die von der Erde nciht sichtbare Rückseite des Mondes. Am 27. Dezember 1968 landete Apollo 8 wieder sicher auf der Erde.

Mit Apollo 9 holte die NASA ab dem 3. März 1969 das Programm nach, welches schon für Apollo 8 geplant war. Dabei war dies der vorletzte Flug einer Saturn 5, der den Erdorbit als Ziel hatte. Bei diesem Flug wurden alle Komponente im Erdorbit getestet. Dabei wurde für den Start die SA-504 eingesetzt. Am 18. Mai 1969 startete Apollo 10 mit der SA-505, die als Generalprobe für die erste Mondlandung gilt. Dabei flog man zum Mond und näherte sich diesem im Landemodul bis auf eine Höhe von 15 Kilometer. Nach ihrer Rückkehr am 26. Mai 1969 war man nun bereit, Kennedys Traum zu erfüllen.

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Bild vergrößernDas Ziel des Apollo-Programms ist erreicht: "Buzz" Aldrin steht auf dem Mond, aufgenommen von seinem Kollegen Neil Armstrong, dem ersten Menschen auf dem Mond, am 21. Juli 1969.
(Bild: NASA)
Ihren berühmtesten Einsatz hatte die Saturn 5 am 16. Juli 1969. Die Saturn 5 mit der Seriennummer SA-506 hatte an der Spitze die Kommandokapsel mit dem Namen Columbia und den Lander mit dem Namen Eagle an Bord. Die Mission, zu der sie starten sollte, war keine geringere als Apollo 11, die erste Mondlandung. Die SA-506 transportierte Kommandant Neil Armstrong, Landerpilot Edwin "Buzz" Aldrin und Kommandomodulpilot Michael Collins zum Mond. Für den Start waren über eine Million Menschen nach Cape Kennedy (so der damalige Name für Cape Canaveral, benannt nach John F. Kennedy, der 1963 ermordet wurde) und weitere 500 Millionen schauten das Spektakel im Fernseher an. Den Mond erreichen sie am 19. Juli 1969. Einen Tag später, am 20. Juli 1969, begannen Armstrong und Aldrin ihren historischen Anflug zum Mond. Auf diesen landeten sie um 22:17.58 MESZ. Armstorng betrat den Mond schließlich am 21. Juli 1969 um 4:56.20 MESZ (in den USA war es noch der 20. Juli), wobei ihm 500 Millionen Menschen zuschauten. Seine ersten Worte, "That`s one small step for (a) man, but giant leap for mankind" (Dies ist ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein großer Sprung für die Menschheit) sind heute weltberühmt und jedes Kind kennt sie. Kurz darauf betrat auch Aldrin den Mond und beide verbrachten 2 Stunden außerhalb der Eagle und sammelten dabei 21 kg Mondgestein und stellten eine Reihe von Experimente auf. Nach etwa 21 Stunden auf dem Mond starteten sie wieder vom Mond und koppelten mit der Columbia, in der Collins die ganze Zeit Wache hielt, wieder an. Am 24. Juli 1969 landete Apollo 11 wieder sicher im Pazifik. Nach einer 40-tägigen Quarantäne, bei der sie schon begeistert empfangen wurden, reisten sie durch die ganzen USA, um von den Menschen bejubelt zu werden.

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Bild vergrößernEine entscheidende Nutzlast der Saturn 5: das Apollo-Raumschiff, auch bekannt als CSM. Hier das CSM der Mission Apollo 15.
(Bild: NASA)
Zwar war Kennedys Traum erfüllt, doch war das Apollo-Programm bei weitem noch nicht beendet. So startete schon am 14. November 1969 die Saturn 5 mit der Seriennummer SA-507 zur zweiten Mondlandung, Apollo 12. Doch schlugen kurz nach dem Start gleich zwei Blitze in die Rakete ein und setzen den Bordcomputer kurzzeitig außer Gefecht. Doch konnte die Rakete und die Besatzung ihre Mission ohne Probleme durchführen und man landete auf dem Mond.

Der Start der SA-508 zur Mission Apollo 13 am 11. April 1970 war der problematischste seit dem Start von Apollo 6. Beim Betrieb der zweiten Stufe fielen zwei Triebwerke aus und es sah kurzzeitig so aus, als müsste man die Mission abbrechen. Doch konnte man die Mission nichtsdestotrotz fortführen. Doch das Drama begann erst später. Am 13. April 1970 explodierte ein Sauerstofftank des Servicemoduls und machte somit die Mission zu einem Kampf ums Überleben. Doch die Besatzung und die Missionskontrolle meisterten all ihnen in den Weg gelegten Schwierigkeiten und so kam die Besatzung sicher zur Erde zurück und machte Apollo 13 laut Leiter der Missionskontrolle, Gene Kranz, zum "erfolgreichsten Fehlschlag" der NASA.

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Bild vergrößernStart der letzten bemannten Saturn 5 mit Apollo 17 an Bord.
(Bild: NASA)
Zwischen 1971 und 1972 starteten nur noch vier Saturn 5 mit den Seriennummern SA-509, SA-510, SA-511 und SA-512 für die Missionen Apollo 14, Apollo 15, Apollo 16, und Apollo 17 zum Mond. Der Start von Apollo 17 war der wohl spektakulärste, da dies der einzige Nachtstart der Saturn 5 war. Mit ihr endete die Ära der Apollo-Flüge.

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Bild vergrößernAlle Starts der Saturn 5 auf einem Bild: von Apollo 4 bis zu Skylab.
(Bild: NASA)
Nachdem man das Apollo-Programm um drei Flüge verkürzt hat, standen fünf Raketen vom Typ Saturn 1B und drei Saturn 5 zur Verfügung für weitere Missionen. So entschied man, mit der SA-513 die erste amerikanische Raumstation, Skylab, zu starten. Dafür ersetzte man die S-IVB-Drittstufe durch die Raumstation, die auf eben jener S-IVB basierte. Dieses Gespann startete zur Mission Skylab 1 am 14. Mai 1973 und war damit der letzte Start einer Saturn 5. Doch verlief diese Mission nicht ganz so erfolgreich wie erhofft. 63 Sekunden nach dem Start riss die Meteoriten- und Hitzeschutzverkleidung der Raumstation ab und mit ihr einen Solarzellenflügel. Der zweite wurde eingeklemmt und konnte im Erdorbit nicht entfaltet werden. Die Temperatur in der Raumstation stieg und man musste sich schnell einfallen lassen, wie man die Station retten könnte. Die Notreparaturen führe die erste Besatzung, Skylab 2, Ende Mai 1973 durch und rettete so die Raumstation.

Geplante Versionen

Es waren eine Reihe von Versionen der Saturn 5 geplant. So war zunächst geplant, anstatt der S-IVB eine nukleare Oberstufe mit dem Triebwerk NERVA einzusetzen. Doch wurde dieses Vorhaben aufgegeben. Später gab es eine Reihe von Pläne, die Saturn 5 noch leistungsfähiger zu machen. So gab es Versionen, die zusätzlich als Booster noch die SRBs des Space Shuttles nutzen sollten und die Stufen sollten in der Leistung gesteigert werden. Doch wurden diese Pläne vor allem wegen fehlender Ziele und knapper Finanzierungslage aufgrund des anlaufenden Space Shuttle-Programms aufgegeben.
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