Saturno (familia de cohetes)

A principios de la década de 1950, la Armada y el Ejército de los Estados Unidos desarrollaron activamente misiles de largo alcance con la ayuda de ingenieros de cohetes alemanes que habían participado en el desarrollo del exitoso misil V-2 durante la Segunda Guerra Mundial. Entre estos misiles se encontraban el Viking de la Armada y los Corporal , Jupiter y Redstone del Ejército . Mientras tanto, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos desarrolló sus misiles Atlas y Titan , con una mayor colaboración de ingenieros estadounidenses.

Las luchas internas entre las distintas ramas eran constantes, y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) decidía qué proyectos financiar para su desarrollo. El 26 de noviembre de 1956, el Secretario de Defensa Charles E. Wilson emitió un memorando que retiraba al Ejército los misiles ofensivos con un alcance de 200 millas (320 km) o más, y transfería sus misiles Júpiter a la Fuerza Aérea. ^{[ 5 ]} A partir de ese momento, la Fuerza Aérea se convertiría en el principal desarrollador de misiles, especialmente de misiles de doble uso que también podían utilizarse como vehículos de lanzamiento espacial . ^{[ 5 ]} 

A finales de 1956, el Departamento de Defensa publicó un requerimiento para un vehículo de carga pesada destinado a poner en órbita una nueva clase de satélites de comunicaciones y otros satélites (el programa de satélites espía era alto secreto ). Los requerimientos, elaborados por la entonces no oficial Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA), exigían un vehículo capaz de poner  en órbita entre 9000 y 18 000 kilogramos, o acelerar entre 2700 y 5400  kg hasta la velocidad de escape. ^{[ 6 ]}

Dado que el memorándum de Wilson solo abarcaba armas, no vehículos espaciales, la Agencia de Misiles Balísticos del Ejército (ABMA) vio en esto una forma de continuar el desarrollo de sus propios proyectos de cohetes de gran tamaño. En abril de 1957, von Braun ordenó a Heinz-Hermann Koelle , jefe de la rama de diseño de Proyectos Futuros, que estudiara diseños de vehículos de lanzamiento específicos que pudieran construirse lo más rápidamente posible. Koelle evaluó varios diseños de lanzadores derivados de misiles que podrían colocar un máximo de aproximadamente 1400  kg en órbita, pero que podrían ampliarse hasta 4500  kg con nuevas etapas superiores de alta energía. En cualquier caso, estas etapas superiores no estarían disponibles hasta 1961 o 1962 como muy pronto, y los lanzadores aún no cumplirían con los requisitos del Departamento de Defensa para cargas pesadas. ^{[ 7 ]}

Para cubrir la necesidad proyectada de cargas de 10 000  kg o más, el equipo de ABMA calculó que se necesitaría un propulsor (primera etapa) con un empuje de aproximadamente 1 500 000 lbf (6700 kN) , mucho mayor que cualquier misil existente o planificado. ^{[ 8 ]} Para esta función, propusieron utilizar varios misiles existentes agrupados para producir un único propulsor más grande; utilizando diseños existentes, consideraron combinar el tanque de un Júpiter como núcleo central, con ocho tanques del diámetro de un Redstone acoplados a él. ^{[ 8 ]} Esta configuración relativamente económica permitió utilizar las instalaciones de fabricación y diseño existentes para producir este diseño "rápido y sencillo". ^{[ 8 ]}  

Se consideraron dos enfoques para la construcción del Super-Júpiter: el primero utilizaba varios motores para alcanzar los 1.500.000 lbf (6.700 kN) , mientras que el segundo empleaba un único motor mucho más grande. Ambos enfoques presentaban ventajas y desventajas. Construir un motor más pequeño para su uso en agrupaciones sería una opción de riesgo relativamente bajo a partir de los sistemas existentes, pero requería la duplicación de sistemas y aumentaba considerablemente la posibilidad de un fallo en una etapa (la adición de motores generalmente reduce la fiabilidad, según la ley de Lusser ). Un único motor más grande sería más fiable y ofrecería un mayor rendimiento, ya que eliminaba la duplicación de elementos superfluos como las tuberías de propulsión y los sistemas hidráulicos para la dirección de los motores. Como desventaja, nunca antes se había construido un motor de este tamaño, y su desarrollo sería costoso y arriesgado. La Fuerza Aérea había manifestado recientemente su interés en un motor de este tipo, que posteriormente se convertiría en el famoso F-1 , pero en aquel momento su objetivo era alcanzar 1.000.000 lbf (4.400 kN) y los motores no estarían listos hasta mediados de la década de 1960. El conjunto de motores parecía ser la única forma de cumplir con los requisitos de tiempo y presupuesto. ^{[ 7 ]}    

Super-Jupiter era solo el propulsor de primera etapa; para colocar cargas útiles en órbita, se necesitarían etapas superiores adicionales. ABMA propuso usar el Titan o el Atlas como segunda etapa, ^{[ 9 ]} opcionalmente con la nueva etapa superior Centaur . ^{[ 10 ]} General Dynamics (Astronautics Corp.) había propuesto el Centaur como etapa superior para el Atlas (también de su diseño) con el fin de producir rápidamente un lanzador capaz de colocar cargas de hasta 8500 lb (3900 kg) en órbita terrestre baja. ^{[ 11 ]} El Centaur se basaba en el mismo concepto de "tanque globo" que el Atlas y se construyó en las mismas plantillas con el mismo diámetro de 120 pulgadas (3000 mm) . Como el Titan también se construyó deliberadamente con el mismo tamaño, esto significaba que el Centaur podía usarse con cualquiera de los dos misiles. Dado que el Atlas era el proyecto de misil balístico intercontinental de mayor prioridad y su producción estaba totalmente asegurada, la ABMA se centró en el diseño de "reserva", el Titán, aunque propusieron alargarlo para que pudiera transportar combustible adicional.   

En diciembre de 1957, ABMA presentó al Departamento de Defensa la Propuesta: Programa Nacional Integrado de Desarrollo de Misiles y Vehículos Espaciales , detallando su enfoque de agrupamiento. ^{[ 12 ]} Propusieron un propulsor que consistía en una estructura de misil Júpiter rodeada por ocho Redstone que actuaban como tanques, una placa de empuje en la parte inferior y cuatro motores Rocketdyne E-1 , cada uno con 380 000 lbf (1700 kN) de empuje. El equipo de ABMA también dejó el diseño abierto a una futura expansión con un solo motor de 1 500 000 lbf (6700 kN) , lo que requeriría cambios relativamente menores en el diseño. La etapa superior era el Titán alargado, con el Centauro en la parte superior. El resultado fue un cohete muy alto y delgado, bastante diferente del Saturno que finalmente surgió.    

Se pronosticaron usos específicos para cada uno de los servicios militares, incluyendo satélites de navegación para la Armada; satélites de reconocimiento, comunicaciones y meteorológicos para el Ejército y la Fuerza Aérea; apoyo para misiones tripuladas de la Fuerza Aérea; y suministro logístico superficie-superficie para el Ejército a distancias de hasta 6400  km. Se proyectó que el desarrollo y las pruebas de la etapa inferior estarían terminados para 1963, aproximadamente al mismo tiempo que el Centaur estaría disponible para pruebas en combinación. El costo total de desarrollo de $850 millones durante los años 1958-1963 cubrió 30 vuelos de investigación y desarrollo. ^{[ 13 ]}

Mientras se elaboraba el programa Super-Jupiter, se llevaban a cabo los preparativos para el primer lanzamiento de satélite como contribución de Estados Unidos al Año Geofísico Internacional de 1957. Por complejas razones políticas, el programa se había asignado a la Armada de los Estados Unidos bajo el Proyecto Vanguard . El lanzador Vanguard consistía en una etapa inferior Viking combinada con nuevas etapas superiores adaptadas de cohetes sonda . La ABMA brindó un valioso apoyo a Viking y Vanguard, tanto por su conocimiento directo del V-2 como por el desarrollo de su sistema de guiado. Los tres primeros vuelos de prueba suborbitales de Vanguard se desarrollaron sin contratiempos, comenzando en diciembre de 1956, y se planeó un lanzamiento para finales de 1957.

El 4 de octubre de 1957, la Unión Soviética sorprendió al mundo con el lanzamiento del Sputnik I. Si bien existían algunos indicios de que los soviéticos estaban trabajando para lograr este objetivo, pocos en el ámbito militar y científico estadounidense consideraban estos esfuerzos como algo serio.

Cuando se le preguntó en noviembre de 1954 sobre la posibilidad de que los soviéticos lanzaran un satélite, el Secretario de Defensa Wilson respondió: "No me importaría si lo hicieran". ^{[ 14 ]} Sin embargo, el público no lo vio de la misma manera, y el evento fue un gran desastre de relaciones públicas para Estados Unidos. El lanzamiento del Vanguard estaba planeado poco después del Sputnik, pero una serie de retrasos lo pospusieron hasta diciembre, cuando el cohete explotó de forma espectacular. La prensa fue dura, refiriéndose al proyecto como "Kaputnik" ^{[ 15 ]} o "Proyecto Rearguard". ^{[ 14 ]} Como señaló la revista Time en ese momento:

Pero en plena Guerra Fría, el objetivo científico de Vanguard resultó ser desastrosamente modesto: los rusos se adelantaron. La explicación de la Casa Blanca tras el lanzamiento del Sputnik, según la cual Estados Unidos no participaba en una "carrera" satelital con Rusia, no fue una simple excusa a posteriori. El Dr. Hagen declaró hace diez meses: "No estamos intentando de ninguna manera competir con los rusos". Sin embargo, a ojos del mundo, Estados Unidos estaba inmerso en una carrera satelital, quisiera o no, y debido a la costosa falta de visión de la Administración, el Proyecto Vanguard avanzó a paso lento cuando debería haber estado en pleno funcionamiento. Seguía avanzando a paso lento cuando los pitidos del Sputnik anunciaron al mundo que el programa satelital ruso, y no el estadounidense, era la vanguardia. ^{[ 14 ]}

Von Braun respondió al lanzamiento del Sputnik I afirmando que podría tener un satélite en órbita en 90 días tras recibir la autorización. Su plan era combinar el cohete Jupiter C existente (curiosamente, una adaptación del Redstone, no un Jupiter) con los motores de combustible sólido del Vanguard, produciendo así el Juno I. No hubo una respuesta inmediata mientras todos esperaban el lanzamiento del Vanguard, pero los continuos retrasos en el Vanguard y el lanzamiento del Sputnik II en noviembre dieron como resultado que se diera la autorización ese mismo mes. Von Braun cumplió su promesa con el exitoso lanzamiento del Explorer I el 1 de febrero de 1958. ^{[ 16 ]} El Vanguard finalmente tuvo éxito el 17 de marzo de 1958. ^{[ 17 ]}

Preocupado porque los soviéticos seguían sorprendiendo a Estados Unidos con tecnologías que parecían estar más allá de sus capacidades, el Departamento de Defensa estudió el problema y concluyó que era principalmente burocrático. Dado que todas las ramas de las fuerzas armadas tenían sus propios programas de investigación y desarrollo, existía una considerable duplicación y una lucha interna por los recursos. Para empeorar las cosas, el Departamento de Defensa impuso sus propias normas de contratación y adquisición, lo que generó una considerable carga administrativa. Para abordar estas preocupaciones, el Departamento de Defensa inició la formación de un nuevo grupo de investigación y desarrollo centrado en vehículos de lanzamiento y dotado de amplias facultades discrecionales que trascendían las divisiones tradicionales del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea. El grupo recibió la misión de alcanzar a los soviéticos en tecnología espacial lo más rápido posible, utilizando cualquier tecnología disponible, independientemente de su origen. Formalizado como Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPA, por sus siglas en inglés) el 7 de febrero de 1958, el grupo examinó los requisitos de lanzadores del Departamento de Defensa y comparó los diversos enfoques disponibles en ese momento.

Al mismo tiempo que ABMA elaboraba la propuesta Super-Jupiter, la Fuerza Aérea trabajaba en su concepto Titan C. La Fuerza Aérea había adquirido una valiosa experiencia trabajando con hidrógeno líquido en el proyecto del avión espía Lockheed CL-400 Suntan y confiaba en su capacidad para utilizar este combustible volátil en cohetes. Ya habían aceptado los argumentos de Krafft Ehricke de que el hidrógeno era el único combustible práctico para las etapas superiores, y comenzaron el proyecto Centaur basándose en la solidez de estos argumentos. Titan C era una etapa intermedia que utilizaba hidrógeno como combustible y que normalmente se ubicaría entre la etapa inferior Titan y la superior Centaur, o podría usarse sin Centaur para misiles en órbita terrestre baja como Dyna-Soar . Sin embargo, dado que el hidrógeno es mucho menos denso que los combustibles "tradicionales" que se usaban entonces, especialmente el queroseno , la etapa superior tendría que ser bastante grande para contener suficiente combustible. Dado que tanto el Atlas como el Titan se construyeron con diámetros de 120 pulgadas, lo lógico sería construir el Titan C con el mismo diámetro, pero esto daría como resultado un cohete alto y delgado, difícil de manejar, con una resistencia y estabilidad dudosas. En cambio, el Titan C propuso construir la nueva etapa con un diámetro mayor de 160 pulgadas, lo que implicaría un cohete completamente nuevo.

En comparación, el diseño del Super-Jupiter se basaba en componentes comerciales, con la excepción de los motores E-1. Si bien también dependía del Centaur para misiones a gran altitud, el cohete podía utilizarse en órbita terrestre baja sin el Centaur, lo que ofrecía cierta flexibilidad en caso de que este presentara problemas. ARPA coincidió en que la propuesta de Juno tenía más probabilidades de cumplir con los plazos requeridos, aunque consideró que no había una razón de peso para utilizar el E-1 y recomendó un enfoque de menor riesgo también en este caso. ABMA respondió con un nuevo diseño, el Juno V (como continuación de la serie de cohetes Juno I y Juno II , mientras que Juno III y IV eran conceptos derivados de Atlas y Titan que no llegaron a construirse), que reemplazó los cuatro motores E-1 con ocho H-1 , una mejora mucho más modesta del S-3D existente que ya se utilizaba en los misiles Thor y Jupiter, aumentando el empuje de 150 000 a 188 000  lbf (670 a 840  kN). Se estimó que este enfoque ahorraría hasta 60 millones de dólares en desarrollo y reduciría hasta dos años de tiempo de I+D. ^{[ 18 ]}

Satisfecha con los resultados del rediseño, el 15 de agosto de 1958, ARPA emitió la Orden Número 14-59 que instaba a ABMA a:

Iniciar un programa de desarrollo para proporcionar un propulsor de gran tamaño para vehículos espaciales con un empuje aproximado de 1 500 000 libras, basado en un conjunto de motores de cohete disponibles. El objetivo inmediato de este programa es demostrar un encendido dinámico a escala real en un sistema cautivo para finales del año calendario 1959. ^{[ 19 ]}

A esto le siguió el 11 de septiembre de 1958, con otro contrato con Rocketdyne para comenzar a trabajar en el H-1. El 23 de septiembre de 1958, ARPA y el Comando de Misiles de Artillería del Ejército (AOMC) elaboraron un acuerdo adicional que ampliaba el alcance del programa, estableciendo: "Además del disparo dinámico cautivo..., se acuerda que este programa se extenderá para proporcionar una prueba de vuelo de propulsión de este propulsor para aproximadamente septiembre de 1960". Además, querían que ABMA produjera tres propulsores adicionales, los dos últimos de los cuales serían "capaces de colocar cargas útiles limitadas en órbita". ^{[ 20 ]}

Para entonces, muchos en el grupo ABMA ya se referían al diseño como Saturno, ya que von Braun lo explicó como una referencia al planeta después de Júpiter. ^{[ 21 ]} El cambio de nombre se hizo oficial en febrero de 1959. ^{[ 22 ]}

Además de ARPA, varios grupos dentro del gobierno estadounidense habían estado considerando la formación de una agencia civil para gestionar la exploración espacial. Tras el lanzamiento del Sputnik, estos esfuerzos cobraron urgencia y avanzaron rápidamente. La NASA se formó el 29 de julio de 1958 e inmediatamente se dedicó a estudiar el problema de los vuelos espaciales tripulados y los lanzadores necesarios para este campo. Uno de los objetivos, incluso en esta etapa temprana, era una misión lunar tripulada. En aquel momento, los paneles de la NASA consideraron que el perfil de misión de ascenso directo era el mejor enfoque; esto colocaba una única nave espacial muy grande en órbita, capaz de volar a la Luna , aterrizar y regresar a la Tierra. Para lanzar una nave espacial tan grande, se necesitaría un nuevo propulsor con mucha más potencia; incluso el Saturno no era lo suficientemente grande. La NASA comenzó a examinar varios diseños potenciales de cohetes dentro de su programa Nova .

La NASA no era la única que estudiaba misiones lunares tripuladas. Von Braun siempre había mostrado interés en este objetivo y llevaba tiempo estudiando los requisitos para una misión lunar. El Proyecto Horizon de la ABMA proponía utilizar quince lanzamientos del Saturno para transportar componentes y combustible que se ensamblarían en órbita para construir una única nave lunar de gran tamaño. Este perfil de misión de encuentro en órbita terrestre requería la menor capacidad de propulsión por lanzamiento y, por lo tanto, podía llevarse a cabo con el diseño de cohete existente. Este sería el primer paso hacia una pequeña base tripulada en la Luna, que requeriría varios lanzamientos adicionales del Saturno cada mes para su abastecimiento.

La Fuerza Aérea también inició su Proyecto Lunex en 1958, con el objetivo de construir una base lunar tripulada. Al igual que la NASA, Lunex prefería el modo de ascenso directo y, por lo tanto, requería propulsores mucho más grandes. Como parte del proyecto, diseñaron una serie de cohetes completamente nueva conocida como Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS, por sus siglas en inglés) (que no debe confundirse con el Sistema de Lanzamiento Espacial del programa Artemis ), que combinaba varios propulsores de combustible sólido con el misil Titan o una nueva etapa propulsora personalizada para adaptarse a una amplia variedad de pesos de lanzamiento. El vehículo SLS más pequeño consistía en un Titan y dos propulsores sólidos auxiliares, lo que le otorgaba un rendimiento similar al del Titan C, permitiéndole funcionar como lanzador para Dyna-Soar. El más grande utilizaba cohetes sólidos mucho mayores y un propulsor de mayor tamaño para su misión de ascenso directo. Se utilizarían combinaciones intermedias para otras tareas de lanzamiento de satélites.

Se creó una comisión gubernamental, el "Comité de Evaluación del Vehículo Saturno" (más conocido como el Comité Silverstein ), para recomendar directrices específicas que la NASA podría adoptar con el programa existente del Ejército. El comité recomendó el desarrollo de nuevas etapas superiores de combustión de hidrógeno para el Saturno y describió ocho configuraciones diferentes para propulsores de carga pesada, que iban desde soluciones de muy bajo riesgo que hacían un uso intensivo de la tecnología existente, hasta diseños que dependían de hardware aún no desarrollado, incluida la nueva etapa superior propuesta. Las configuraciones fueron:

• Bilstein, Roger E. (1996). Etapas hacia Saturno: Una historia tecnológica de los vehículos de lanzamiento Apolo/Saturno . Serie de Historia de la NASA. Washington: NASA. ISBN 978-0-16-048909-9.
• Cadbury, Deborah (2006). Carrera espacial: La épica batalla entre Estados Unidos y la Unión Soviética por el dominio del espacio . Nueva York: Harper Collins Publishers. ISBN 978-0-06-084553-7.
• Dawson, Virginia P.; Bowles, Mark D. (2004). Domando el hidrógeno líquido: El cohete de etapa superior Centaur 1958–2002 (PDF) . Serie de historia de la NASA. Washington: NASA. ISBN 978-0-16-073085-6.
• Neufeld, Michael J. (2007). Von Braun: Soñador del espacio, ingeniero de guerra . Nueva York: Alfred A. Knopf. ISBN 978-0-307-26292-9.