A Saturn V (népszerű nevén holdrakéta) az amerikai Apollo-programban használt három fokozatú, folyékony hajtóanyagú óriásrakéta, amellyel az Apollo űrhajókat juttatták a Hold térségébe. A Skylab űrállomást is Saturn V rakétával állították Föld körüli pályára. A rakétával összesen 13 felbocsátást végeztek 1967 és 1973 között, ezek mindegyikét sikeresnek ítélte a NASA (annak ellenére, hogy a második tesztindításkor és a Skylab űrállomás feljuttatásakor messze nem teljesített tökéletesen, utóbbi alkalommal kis híján elveszett az űrállomás). A mai napig ez a hordozóeszköz számít a legnagyobb és legerősebb sorozatban gyártott és szolgálatba állított rakétának, mert bár a szovjet Enyergija tolóerő tekintetében nagyobb volt nála, tömeg, hasznos tömeg és méret szempontjából a Saturn maradt a legnagyobb, valamint a szovjet rakéta sosem vált sorozatgyártott, tényleges szolgálatba állított típussá.
A rakéta többféle technológia ötvözeteként jött létre, a számos technológiai áttörést jelentő konstrukció vezető tervezője Wernher von Braun volt. A Saturn V a Saturn rakétacsalád legnagyobb és legfejlettebb tagja lett. Az első fokozatában a kerozin-oxigén meghajtást alkalmazták, amely technológia egészen a második világháborús pusztítóeszközig, a V–2-ig nyúlik vissza. A felső két fokozathoz az éppen születőben lévő, vadonatúj technológiát, a hidrogén-oxigén meghajtást választották, amelyet Abe Silverstein és az általa vezetett mérnökcsoport vitt sikerre. A hidrogén-oxigén meghajtás mellett a harmadik fő technológiai újdonság az újraindítható hajtómű volt a holdrakétán. A kétféle meghajtás egy eszközön való alkalmazását, a hajtóművek „clusterekbe” (hajtóműcsokrokba) egyesítését, a rakéta megfelelő pályán tartását végző navigációs rendszer fejlesztését és az egész koncepció rendszerbe foglalását végezte von Braun és az 1945-ben vele az Egyesült Államokba emigrált mérnökcsoport.
A rakéta tervezését az alabamai Huntsville-ben, a Marshall Space Flight Centerben végezték, a gyártása pedig különböző repülőgépgyárak űripari részlegében történt (a fő beszállítók a Boeing, a North American Repülőgépgyár, a Douglas Repülőgépgyár, valamint az IBM számítástechnikai óriás voltak). A részegységek készre szerelése a felbocsátás helyszínén, Floridában, a Cape Canaveral űrrepülőtéren történt. A készre szerelés során is új technológiát vezetett be a NASA, a függőleges szerelés módszerét.
Az óriásrakéta három fokozatból álló, az első fokozatban RP–1 kerozin és cseppfolyós oxigén elegyével működő, a második és harmadik fokozat pedig cseppfolyós hidrogén és oxigén elegyével működő rakéta volt. Az első fokozat, kódnevén az S-IC öt darab Rocketdyne F–1 hajtóművet használt, a második fokozat, az S-II pedig szintén öt darab J–2 hajtóművel működött, míg a harmadik, S-IVB fokozatba egyetlen darab, de újraindítható J–2-es hajtóművet építettek be. A teljes rakéta egy magas, az első fokozat alapjánál átmérőjű, kg szerkezeti tömegű és teljes tömegű monstrum volt. A rakéta tolóereje tengerszinten (atmoszférikus levegőben) volt, amellyel végül -ot volt képes alacsony Föld körüli pályára juttatni és -ot a Hold felé indítani.
Összesen 13 példányt használtak fel 1967 és 1973 között, amelyből két példány indult automatikus módon tesztrepülésre Föld körüli pályára, további egy példány ugyanígy Föld körüli pályára, de űrhajósokkal az Apollo űrhajó fedélzetén, majd kilenc példány indította a Holdhoz űrhajósokkal az Apollo űrhajórendszert – amelyből aztán hat esetben le is szálltak a holdfelszínre az űrhajósok –, végül egyetlen példányt a Skylab űrállomás pályára állítására használtak. Problémák léptek ugyan fel több felbocsátás alkalmával is, ám végül minden repülést sikeresnek minősített a NASA.
Története A rakéta története – némi túlzással – 1946-ban kezdődött, amikor a második világháború után az amerikai hadsereg az ún. Gemkapocs hadművelet keretében Wernher von Braunt és vele még kb. 700 német mérnököt az Egyesült Államokba vitt, hogy az ország szolgálatába állítsa a háború egyik csúcstechnikájának számító német rakétatechnikát. A cél a hidegháború keretei között minél hatékonyabb közepes hatótávolságú (IRBM) és interkontinentális ballisztikus rakéta (ICBM) fejlesztése volt, amellyel az USA megelőzhette a Szovjetuniót (amely ugyanezt tette egy másik, hadifogoly német mérnökcsoporttal, hasonló okból.)
Mindamellett azonban, hogy Wernher von Braun és csapata helyet kapott a hadsereg rakétatervező divíziójában, 1945 és 1958 között csak másodlagos szerepet játszottak, a V–2 rakéta tervezési elveit és elgondolásait kellett segíteniük átültetni a USA-ban zajló fejlesztésekbe, önálló munkát alig kaptak. Von Braunék számtalan ötlete és publikációja ellenére az USA inkább favorizálta a különböző haderőnemek rakétafejlesztéseit, köztük is leginkább a Vanguard rakéták kísérleteit a számos kudarcba fulladt felbocsátás ellenére is.
Az Egyesült Államokban az 1940-es–50-es években a rakétafejlesztések a különböző haderőnemeknél egymástól függetlenül folytak, gyakorlatilag konkurálva egymással. Az ötvenes évek közepére a szovjet rakétatechnika előretörése miatt egyre nagyobb szüksége volt az USA-nak nagy teljesítményű katonai hordozóeszközökre, így született meg egy követelményrendszer egy olyan rakétára, amely 9000– kilogramm között lett volna képes hasznos terhet Föld körüli pályára juttatni és 2700–5400 kilogrammos tömeget szökési sebességre gyorsítani. A követelményrendszert az akkortájt még hivatalosan nem is létező – az USA Hadügyminisztériumának egyik osztályaként, még név nélkül működő – ARPA ügynökség állította össze (amely még manapság is a hadsereg számára fejlesztendő új technológiákért felelős szervezet). A követelményeknek alapot adó számítások szerint a leendő rakéta első fokozatának tolóereje meg kellett haladja a 6700 kN értéket, ami messze meghaladta minden, akkoriban létező rakéta tolóerejét. Ezt a problémát úgy próbálták terv szinten áthidalni, hogy az egy rakéta(fokozat)ban mindössze egy hajtóműt alkalmazó kialakítás helyett az ún. cluster (csokorba kötött) kialakítást javasolták, azaz egy fokozatba egymás mellé több hajtóművet is szereltek volna. Ezt az elképzelést a létező legkorszerűbb harci rendeltetésű rakéták, a Jupiter hordozórakéták analógiáján Super-Jupiter, vagy Super-Juno néven kezdték el tervezni. A leendő új rakétát már ekkor – a Szputnyik első repülése előtt – műholdak pályára állítására és atomrobbanófejek hordozására is tervezték hadrendbe állítani. A műholdak felbocsátásával megjelent az űralkalmazások iránti igény, ám a cél a hadsereg számára kommunikációs és „egyéb” (akkoriban gyakran ezzel a terminológiával emlegették a szigorúan titkos kémműholdakat) űreszközök bevetése volt, az ARPA-nál szó sem esett semmiféle békés űrkutatási felhasználásról. (Később, a nukleáris és termonukleáris robbanófejek méretcsökkenése miatt a rakétát atomhordozóként már nem vették számításba.)
Jupiter – Juno rakétasorozat A Jupiter rakéta a rakéták törzsfejlődésének azon lépcsője volt, amikor az Egyesült Államokban először próbálták ki az ún. cluster (csokorba kötött) hajtómű kialakítást. Alapvetően a rakéta közepes hatótávolságú ballisztikus rakétának épült hadi célokra, majd aztán a Szputnyik–1 sikere után lóhalálában fejlesztett (és a civil felhasználás miatt Junóra keresztelt) verzió juttatta fel az első amerikai műholdat, az Explorer–1-et). A rakéta alapja a Wernher von Braun műhelye, a Redstone Arsenal által kifejlesztett Redstone rakéta volt, amelyet egyrészt megnyújtottak 2,4 méterrel, hogy a nagyobb tartályokba több hajtóanyag férjen, mésrészt felszereltek két további felső fokozattal, hogy az így nyert égési idővel és további tolóerővel megnöveljék a kapacitását. Ezekben az utólag szerelt felső fokozatokban alkalmazták először a cluster technológiát: a második fokozat 11 Sergeant rakétahajtóművet, a harmadik pedig három ugyanilyen hajtóművet kapott. Ezeket egy gyűrűben helyezték el és válaszfalakkal szeparálták el egymástól, illetve az egész szerkezet kapott egy külső, hengeres védőborítást.
A rakéta összesen 157 másodpercig működött, pályára állítva terhét. A felső fokozatra szerelt műszerrekeszt felpörgették a start előtt (a repülés során a stabilitását ez a pörgés biztosította). Az első fokozat iránytartásáért giroszkópos irányítórendszer felelt, amely a légerők vezérelte terelőlapokat és kis rakétafúvókákat is használt a kormányzásra (előbbieket a légkör alsóbb, utóbbiakat a felsőbb rétegeiben). A rakéta függőlegesen startolt egy sima acél startasztalról, majd az első fokozat kiégésekor 40 fokos állásszöggel érte el a fokozat leválasztást. Leválasztáskor pedig piropatronok robbantották le a felsőbb fokozatokat és négy sűrített levegős fúvóka volt felelős a vízszintesbe állásért. 247 másodpercnyi repülés után a földről érkező rádiójel választotta le az utolsó fokozatot.
Az Explorer–1-gyel kezdődő űralkalmazásokhoz még egy lépcsővel fejlettebb verzió kellett. Von Braun ezt úgy oldotta meg, hogy egy negyedik fokozattal is megtoldotta az immár Junóra átkeresztelt rakétát. Később a Jupiter/Juno mint a „gyermek Saturn” híresült el.
C–1-től C–4-ig
A műszaki fejlődés azonban rohamtempójú volt és később, a nukleáris és termonukleáris robbanófejek méretcsökkenése miatt az óriási kapacitású rakétákat atomhordozóként már nem vették számításba. Ugyanekkor azonban a szovjetek jó (propaganda)érzékkel a rakétafejlesztéseik eredményeinek demonstrálására, azaz a fenyegetettség hangsúlyozására az űrkísérleteket választották és a Szputnyik szondákkal – és hordozórakétáikkal – világraszóló sikereket arattak, nem mellesleg pillanatnyi előnyre tettek szert a katonai csúcstechnika területén. Az USA-nak mindenáron szüksége volt egy sikeres űrstartra. Elemzők rögtön rámutattak arra a rendszerhibára, amely miatt lemaradásba kerültek: a különböző haderőnemeknél szétszórva, koordinálatlanul folyó fejlesztések nem voltak hatékonyak, helyette egy kézbe összevont koncentrált projektekkel kell(ett volna) operálni. Ekkor, erre a felismerésre alapozva alakult meg a NASA (egy szervezet, amely minden amerikai repülési és űrhajózási programot egy helyen koncentráltan képes kezelni).
De még mielőtt a NASA megalakult volna, a Hadügyminisztérium formálisan is megalapította az ARPA-t 1958. február 8-án, amely első feladatául a rakétafejlesztésekkel kapcsolatos követelmények kidolgozását és a rendelkezésre álló alternatívák összehasonlítását kapta feladatul.
Az ABMA – a hadsereg rakétaműhelye – a Super-Juno terven dolgozott éppen, az Air Force pedig a Titan-C koncepción, a haditengerészet a Vanguardon. Az ARPA végül a rakétaprogramok közül szelektálva csak a legígéretesebbeknek adott zöld utat és fejlesztési kapacitást. Az akkoriban folyó fejlesztések közül a Jupiter rakéták fejlesztése tartott a legelőrébb, ez mutatkozott egyedül megfelelőnek a 9–18 tonna közötti kiíráshoz. A kiírás alapján a Rocketdyne láthatott neki egy új rakétahajtómű, a H-1 (a későbbi Saturn I és Saturn IB hajtóművének) gyártásához.
Az ARPA azonban nem állt meg a H-1 hajtómű útra bocsátásában, amire a hadsereg bátorította, hanem kibővítve a követelményrendszert, olyan hordozóeszközök alapelveit fektette le, amelynek alkalmasnak kellett lennie űrrepülésre is. Ez a továbbfejlesztett kiírás kapta a Saturn munkanevet (egyszerűen abból a megfontolásból, ahogy a Szaturnusz (Saturn) bolygó következik a Jupiter után a sorban, úgy következik a Saturn a Jupiter után a gyártásban). A munkanév 1959 februárjában vált hivatalossá.