סטורן 5

סטורן 5 (באנגלית: Saturn V) היה משגר תלת־שלבי כבד אשר שימש את נאס"א בשנים 1967–1973 בתוכנית אפולו עבור חקר מאויש של הירח ועבור שיגור תחנת החלל האמריקאית הראשונה, סקיילאב.

למעלה מחמישים שנה אחרי ונכון לשנת 2021, משגר זה הוא עדיין המשגר הגדול ביותר, הכבד ביותר והעוצמתי ביותר שנכנס לפעילות. הסטורן 5 מחזיק ביכולת הנשיאה הגבוהה ביותר למסלול לווייני נמוך (140,000 ק"ג) וכן שיגר את המטען הכבד ביותר אי פעם כאשר שיגר את השלב השלישי של הסטורן 5 אשר נועד לשלוח את רכב הנחיתה הירחי ותא הפיקוד והשירות של החללית אפולו אל הירח.

סטורן 5 הוא הדגם הגדול ביותר במשפחת משגרי הסטורן ותוכנן תחת ניהולו של ורנר פון בראון במרכז טיסות החלל מרשל. הקבלניות העיקריות בייצור המשגר הן החברות בואינג, נורת' אמריקן אוויאיישן, דאגלס איירקראפט קומפני ו־IBM. 13 יחידות של משגר זה מתוך 15 שנבנו, שוגרו ממרכז החלל קנדי, ללא אובדן בצוות או במטען. הסטורן 5 נותר המשגר היחיד שנשא בני אדם אל מעבר למסלול הלווייני הנמוך. 24 אסטרונאוטים שוגרו אל הירח בין דצמבר 1968 לדצמבר 1972 על ידי הסטורן 5, 12 מהם דרכו על אדמת הירח.

היסטוריה

עם התפתחות תחום הטילים הבליסטיים בשנות ה־40 של המאה ה־20 ולאחר מלחמת העולם השנייה, ארצות הברית גייסה את ורנר פון בראון וכמה מאות מהנדסי אווירונאוטיקה גרמנים כחלק מ"מבצע פייפרקליפ" מתוך רצון להוביל בחזית זו. מבצע זה אושר בידי הנשיא הארי טרומן. פון בראון הוצב בחטיבת תכנון הרקטות של צבא ארצות הברית בשל מעורבותו הישירה בפיתוח הרקטה הבליסטית הגרמנית V-2.

הלוויין ספוטניק 1 ששוגר ב־4 באוקטובר 1957, היה לעצם הראשון מעשה ידי אדם אשר נכנס למסלול סביב כדור הארץ והיווה את נקודת הפתיחה למרוץ לחלל. הלוויין שוגר על גבי טיל בליסטי בין־יבשתי אשר מסוגל היה לשאת ראש נפץ תרמו־גרעיני אל עבר ארצות הברית. לאחר שיגור לוויין זה, ובעקבות הבנת ההשלכות לכך, החלה ממשלת ארצות הברית לנקוט בצעדים משמעותיים שיביאו לשיגור האמריקנים הראשונים לחלל ולתוכנית חלל כוללת. בינואר 1958 שיגרה ארצות הברית את הלוויין האמריקאי הראשון, אקספלורר 1. באותן שנים, ארצות הברית פיתחה והתנסתה עם סדרת משגרי הג'ופיטר המוקדמים וראש חטיבת תכנון הרקטות ורנר פון בראון החשיב את משגרים אלו כאבות טיפוס למשגרי הסטורן העתידיים ובסוף שנות ה־50 אף כינה את סדרת משגרים זו כ"משגרי סטורן פעוטים" ("an infant Saturn").

תכנון הסטורן
תוכנית משגרי הסטורן נקראה על שם שבתאי (Saturn), כוכב הלכת הבא לאחר צדק (Jupiter) וסימלה את המעבר מסדרת משגרי ג'ופיטר המוקדמים לסדרת משגרים חדשה. עוד לפני ששוגר לחלל אקספלורר 1, הלוויין האמריקאי הראשון בשנת 1958, הועלו הצעות לפיתוח משגר בעל יכולות נשיאה גבוהות. באפריל 1957 החלו תכנונים ראשוניים למשגר בעל יכולת נשיאה של בין 9,000 ל־18,000 ק"ג למסלול סביב כדור הארץ, ובין 2,500 ל־5,500 ק"ג למהירות מילוט מכדור הארץ. בדצמבר 1957 הציגה קבוצת המדענים והמהנדסים בראשותו של ורנר פון בראון, שעבדו באותה עת עבור הסוכנות הצבאית לטילים בליסטיים (ABMA), הצעה לתוכנית פיתוח משגרים בפני מחלקת ההגנה של ארצות הברית. ההצעה כללה פיתוח משגר בעל דחף של כ־6.7 מגה־ניוטון. לאחר שהושלמו מחקרים, שהראו כי פיתוח אשכול מנועים בעל דחף שכזה אפשרי, ב־15 באוגוסט 1958, הורתה DARPA (אז ARPA) להתחיל במחקר ופיתוח תוכנית משגרי הסטורן.

ב־10 בינואר 1962, נאס"א הכריזה על תוכניות לבנות את המשגר C-5 (לימים סטורן 5). משגר זה היה מורכב משלושה שלבים: השלב הראשון S-IC הכיל חמישה מנועי F-1, השלב השני S-II הכיל חמישה מנועי J-2 והשלב השלישי S-IVB הכיל מנוע J-2 יחיד. הסטורן 5 תוכנן תחילה לשאת מטען בקיבולת של 41,000 ק"ג אל הירח. המשגר עבר בדיקות רכיבים עוד לפני שהדגם הראשון נבנה. השלב השלישי של הסטורן 5 אשר נקרא S-IVB שימש כשלב השני במשגר ניסיוני מסוג C-IB והדגים את יכולותיו והיתכנותו ואף סיפק נתוני טיסה קריטיים עבור התפתחותו של הסטורן 5. בתחילת שנת 1963, הסטורן 5 אושר כבחירה של נאס"א עבור תוכנית אפולו.

לאחר בחירת הסטורן 5, נבחרו קבלנים חיצוניים לבנות את שלושת שלבי המשגר: בואינג נבחרה לבנות את השלב הראשון (S-IC), נורת' אמריקן אוויאיישן נבחרה לבנות את השלב השני (S-II) ודאגלס איירקראפט קומפני נבחרה לבנות את השלב השלישי (S-IVB). ורנר פון בראון וצוותו במרכז טיסות החלל מרשל החלו בעבודתם על שיפור הדחף במשגר, יצירת מערכות פעולה פחות מורכבות ותכנון מערכות מכניות טובות יותר. עם סיום השיפורים הסופיים, נאס"א הפנתה את תשומת לבה לתכנון המשימות. נבחנו מספר שיטות ודרכי הגעה אל הירח ולבסוף, לאחר מחלוקות נבחרה שיטת המפגש במסלול סביב הירח (LOR) על פני שיטת המפגש במסלול סביב כדור הארץ (EOR).

בחירתו לנחיתה הירחית
בתחילת תהליכי תכנון המשגר, נאס"א בחנה שלוש שיטות להגעה אל הירח: מפגש במסלול סביב כדור הארץ (EOR), מפגש במסלול סביב הירח (LOR) או טיסה ישירה. בשיטת הטיסה הישירה, חללית תטוס היישר אל הירח כיחידה אחת, תנחת על פניו, ותמריא ממנו בעוזבה את שלב הנחיתה על הירח. תכנון זה דרש משגר גדול במיוחד. בדומה לשיטת ה"טיסה הישירה", גם שיטת ה־EOR כללה את נחיתתה של חללית על הירח כיחידה אחת. בשונה משיטת ה"טיסה הישירה" עם זאת, תוכנית ה־EOR כללה את הרכבת החללית במסלול סביב כדור הארץ ודרשה מספר שיגורים של משגר מסוג סטורן C-3. בשיטת המפגש במסלול סביב הירח (LOR), משגר יחיד יישא חללית שתורכב משני חלקים: תא פיקוד שיישאר במסלול סביב הירח (מעין חללית אם), ורכב נחיתה שינחת על הירח, וימריא ממנו חזרה אל "חללית האם" שתשוב אל כדור הארץ.

תחילה, נאס"א דחתה את שיטת LOR כאופציה מסוכנת יותר מאחר שהרעיון של מפגש חלליות במסלול סביב כדור הארץ טרם בוצע ועל אחת כמה וכמה במסלול סביב הירח. מספר בכירים בנאס"א, ביניהם המהנדס ג'ון הובולט ממרכז המחקר לנגלי, טענו כי שיטת המפגש במסלול סביב הירח (LOR) מספקת את הנחיתה הפשוטה ביותר על הירח יחד עם המשגר החסכוני ביותר וכי שיטה זו תאפשר את הסיכויים הטובים ביותר להשלים את היעד המרכזי, נחיתה מאוישת על הירח לפני תום העשור. בכירים נוספים בנאס"א שוכנעו וב־7 בנובמבר 1962, שיטת LOR נבחרה באופן רשמי כתהליך המשימות בתוכנית אפולו.

הסטורן 5 שוגר לראשונה ב־9 בנובמבר 1967 מכן השיגור 39A שבמרכז החלל קנדי כחלק ממשימת אפולו 4. השיגור עבר ללא רבב כמו גם השיגורים הבאים בתוכנית. ב־16 ביולי 1969 הסטורן 5 שיגר את משימת אפולו 11 אשר מספר ימים לאחר מכן הנחיתה את האדם הראשון על הירח.

מבנה המשגר

הסטורן 5 מורכב משלושה שלבים; S-IC כשלב הראשון, S-II כשלב השני ו־S-IVB כשלב השלישי. כל שלושת השלבים עושים שימוש בחמצן נוזלי כחומר מחמצן. בשלב הראשון נעשה שימוש בדלק המופק מ־RP-1 ובשלב השני והשלישי נעשה שימוש בדלק ממימן נוזלי. בעוד שצפיפות האנרגיה במימן נוזלי גבוהה יותר מבחינת מסה, צפיפות האנרגיה בחומר RP-1 גבוהה יותר מבחינת נפח. כתוצאה מכך, RP-1 נבחר כדלק לשלב הראשון מכיוון שהנפח הנדרש עבור מימן נוזלי היה גדול פי שלושה והיה יוצר כוח גרר גדול בהרבה בזמן שלב ההאצה דרך האטמוספירה. שני השלבים העליונים השתמשו גם במנועי דלק־מוצק קטנים שעזרו להפריד בין השלבים במהלך השיגור, וכדי להבטיח כי הדלקים הנוזליים יהיו במצב תקין בזמן שאיבתם.

שלב ראשון (S-IC)

השלב הראשון, S-IC, נבנה על ידי חברת בואינג במתקן ההרכבה מישוד שבניו אורלינס. תפקידו של השלב הראשון היה לספק האצה ראשונית ולשגר את הסטורן 5 במהלך 67 הקילומטרים הראשונים. שלב זה, אשר התנשא לגובה של 42.1 מטרים וקוטרו היה 10.1 מטרים, סיפק כוח דחף של 35,100 קילו־ניוטון בעת המראה. משקלו היבש הוא 131,000 ק"ג, ובעודו מתודלק במלואו הוא שקל 2,300,000 ק"ג. שלב זה הונע על ידי חמישה מנועי F-1 אשר עשו שימוש בדלקים מ־RP-1 וחמצן נוזלי. המנוע המרכזי הוחזק במצב קבוע, בעוד שארבעת המנועים החיצוניים (בעלי גימבל) יכלו לפנות במצב הידראולי כדי לנווט את המשגר כולו. בעת טיסה, המנוע המרכזי כובה 26 שניות לפני כיבויים של ארבעת המנועים החיצוניים כדי להגביל את ההאצה לקראת ניתוקו של השלב הראשון משני השלבים העליונים. במשך השיגור, השלב הראשון הפעיל את מנועיו לאורך 168 שניות (הצתת המנועים התרחשה כ־8.9 שניות לפני ההמראה). בעת ניתוק השלב הראשון והיפרדותו משני השלבים העליונים, הסטורן 5 היה בגובה של 67 קילומטר ונע במהירות של 2,300 מטרים לשנייה (8,280 קמ"ש או כ-6.76 מאך).

שלב שני (S-II)

השלב השני, S-II, נבנה על ידי חברת נורת' אמריקן אוויאיישן בסיל ביץ', קליפורניה. תפקידו של השלב השני היה להאיץ את הסטורן 5 דרך החלק העליון של האטמוספירה לאחר היפרדותו של השלב הראשון. שלב זה התנשא לגובה של 24.8 מטרים וקוטרו היה 10.1 מטרים. משקלו היבש הוא 36,000 ק"ג, ובעודו מתודלק במלואו הוא שקל 480,000 ק"ג. בבסיס השלב היו חמישה מנועי J-2 בתצורה דומה לשלב הראשון כאשר ארבעת המנועים החיצוניים שימשו לניווט. חמשת המנועים עשו שימוש בדלקים ממימן נוזלי וחמצן נוזלי וסיפקו כוח דחף של 5,141 קילו־ניוטון. השלב השני הפעיל את מנועיו לאורך 360 שניות אשר במהלכן הביא את הסטורן 5 לגובה של 185 קילומטר ולמהירות של 24,940 קמ"ש ובסיומן ניתק מהשלב השלישי ונפל למימי כדור הארץ בדומה לשלב הראשון.

שלב שלישי (S-IVB)

השלב השלישי, S-IVB, נבנה על ידי חברת דאגלס איירקראפט קומפני בהנטינגטון ביץ', קליפורניה. שלב זה נשא את החללית אפולו ותפקידו היה להכניס את החללית אל מסלול סביב כדור הארץ ומאוחר יותר לבצע תמרון מעבר ירחי ולשלוח את החללית לכיוון הירח. אורכו של שלב זה 18.8 מטרים וקוטרו 6.6 מטרים. משקלו היבש הוא 15,200 ק"ג ובעודו מתודלק במלואו הוא שקל 123,000 ק"ג. בבסיס השלב היה מנוע J-2 יחיד אשר הונע בדלקים ממימן נוזלי וחמצן נוזלי וסיפק כוח דחף של 1,033 קילו־ניוטון. שלב זה הפעיל את מנועו פעמיים; הבעירה הראשונה אשר מטרתה הייתה להכניס את השלב למסלול סביב כדור הארץ, ארכה 165 שניות והאיצה את השלב למהירות מסלולית של 28,100 קמ"ש בעודו 185 ק"מ מעל פני הארץ. הבעירה השנייה אשר בוצעה מספר שעות לאחר מכן וארכה 335 שניות, האיצה את השלב למהירות של 40,000 קמ"ש וביצעה תמרון מעבר ירחי. בתום שתי בעירות אלו, ולאחר חיבורם של רכב הנחיתה הירחי יחד עם תא הפיקוד והשירות של החללית אפולו, ניתק השלב השלישי מהחללית אשר עשתה את דרכה לכיוון הירח.

רשימת משגרים ושיגורים
בסך הכל נבנו 15 משגרי סטורן 5 כשירים לשיגור, כאשר 13 מהם שוגרו. שלושה נוספים נבנו עבור בדיקות קרקע. הסטורן 5 שימש את נאס"א בשנים 1967–1973 בתוכנית אפולו אשר במסגרתה שוגרו שש משימות מאוישות שנחתו על אדמת הירח. לאחר תוכנית אפולו נעשה במשגר שימוש עבור שיגור תחנת החלל סקיילאב.

קישורים חיצוניים

 איתי נבו, גבוה יותר, חזק יותר, רחוק יותר באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי, 9 בנובמבר 2018
 מידע אודות הסטורן 5, באתר סוכנות החלל הישראלית
 מידע אודות הסטורן 5 באתר The Apollo Saturn Reference Page

הערות שוליים

משגרי לוויינים וחלליות
משפחת משגרי הסטורן
תוכנית אפולו
שיאים בהנדסה וטכנולוגיה