サターンI

サターンI

サターンI（米国ではサターン・ワン、日本ではサターン1型とも称される）は、アメリカ合衆国が地球周回軌道への衛星打ち上げを主な目的として開発した初の大型ロケットです。

このロケットの大きな特徴は、単一の巨大エンジンを開発するのではなく、既に実用化されていた比較的小型のロケットエンジンを複数束ねて（クラスター化して）使用することで、必要な大推力を得た点にあります。当初、このクラスター方式は技術的な停滞と見なされる向きもありましたが、サターンIはこのアプローチが、より堅実で応用が利きやすいことを証明しました。

元々は1960年代に世界規模の射程を持つ軍用ミサイルとして構想されましたが、実際に運用されたのは10機に留まりました。これらは、より強力な第二段ロケットを持つサターンIBが登場するまでの短い期間、アメリカ航空宇宙局（NASA）によって使用されました。

歴史

起源

サターン計画は、通信などを目的とした次世代衛星をより大きなペイロードで軌道に乗せるためのロケット開発要請に応える複数の提案の一つとして始まりました。非公式な国防高等研究計画局（DARPA）が作成したこの要請書では、9トンから18トンの衛星を地球周回軌道に、または2.7トンから5.4トンの衛星を脱出速度に到達させる能力が求められていました。当時のロケットでは1.4トン級の衛星しか地球周回軌道に投入できず、新しい強力な上段が必要でした。

1957年4月、陸軍弾道ミサイル局（ABMA）に所属していたヴェルナー・フォン・ブラウン博士率いるチームが、この要請に関する研究に着手します。彼らの計算によれば、必要な第一段ロケットの離陸時推力は約6700kNでした。空軍はこの推力目標に向けた新規エンジン開発（後のF-1エンジン）を進めていましたが、これはDARPAの定める期限には間に合わない見込みでした。そこでブラウン博士らは、推力を約4500kNに抑えた新型エンジンの可能性も探りました。

もう一つの選択肢として浮上したのが、ロケットダイン社が開発した推力約1.6MN（163-171トン）を発揮するE-1エンジン4基を束ねるクラスター方式です。この方法は新規開発が不要で、既存のロケット部品、具体的にはジュピターIRBMの中央タンクを、8本のレッドストーンSRBM用タンクで囲む構造と組み合わせることで開発期間を短縮できると考えられました。この案がより実現性が高いと判断され、1957年12月、ブラウン博士は「ミサイルおよび宇宙機に関する国家統合計画」（通称「スーパー・ジュピター」）として、DARPAに提案の概要を提出しました。

提案に基づき、クラスター方式の第一段にアトラスまたはタイタンIの第二段を搭載する案が検討されましたが、タイタンの方が流用しやすいと考えられました。

1958年2月にDARPAが正式な機関となった際、ブラウン博士の提案に一つの変更要求が加えられました。開発を迅速に進めるため、最新のE-1ではなく、信頼性が確立された他のエンジンを使用することです。ABMAは、E-1エンジン4基の代わりに、ジュピターやソーIRBMに使用されていたS-3Dの改良型であるH-1エンジンを8基搭載することで、この要求に迅速に対応しました。この変更により、開発費約600万ドルと期間2年が削減できると見積もられました。ブラウン博士は、これまでの宇宙計画用ロケットをジュノーI、IIと呼んでいた流れから、このH-1エンジン搭載型をジュノーVと命名しました。最終的に1958年から1963年までの開発費は、総額8億5000万ドル（2007年貨幣価値で約56億ドル）に達しました。

計画の開始と名称

DARPAは提案内容に満足し、計画の実行を指示しました。1958年8月15日付の指令書では、この計画の目的を「既存ロケットエンジンを組み合わせ、約6.7MN（約680トン）の推力を持つロケットを開発し、1959年末までに巨大ロケットを発射して国威を発揚する」と記しました。ロケットダイン社は9月11日にH-1エンジンの契約を獲得し、9月23日にはDARPAと陸軍造兵局ミサイル司令部（AOMC）は、計画範囲を拡張し、国威発揚に加え1960年9月頃までに推進飛行試験準備段階まで進めることに合意しました。また、ABMAにはより小型の3種類のロケット開発も要請されました。

ブラウン博士は、この設計が将来の推進システムにとって優れた試験モデルとなる可能性に期待を寄せ、宇宙兵器の研究・開発手段や、自身の有人月飛行計画「ホライゾン」における軌道上基地建設のための輸送手段としてジュノーVを使用する構想を描いていました。この時期、「ジュピター」の次に位置する「サターン」という名称も並行して使用され始め、DARPAは初期文書でサターンを「史上初の真の宇宙機」と称しました。1959年2月には、計画名称が正式に「サターン」に変更されました。

NASAの参入と計画の変遷

1958年7月29日、将来の重量級ロケット開発計画を一本化するため、NASAが組織されました。当時、陸軍のサターン計画と、空軍のモジュール式SLS（Space Launching System）計画が存在し、それぞれ独自の有人月飛行計画（ABMAのホライゾン計画、空軍のルネックス計画）を進めていました。NASA独自にはノヴァという巨大ロケットによる直接月着陸計画を構想していました。

これらの計画を比較検討するため、フォン・ブラウン博士を議長とする委員会が設置されました。1959年7月18日に提出された報告書は、アメリカの宇宙計画の遅れを指摘し、ヴァンガードから始まる5世代のロケット開発構想と、将来の有人宇宙計画（小型宇宙ステーション、月着陸、大型宇宙ステーション、月面探査・基地建設、有人惑星間飛行）の概略を示しました。NASAはブラウン博士の案を強く推奨し、開発計画概略案ではジュノーVやノヴァに加え、ヴェガやセントールを上段に使う案も含まれました。

計画の危機

サターン開発は順調に見えましたが、1959年6月9日、国防総省のハーバート・ヨーク調査技術局長官が突如として計画中止を表明しました。予算超過や既存ICBM改良案の優位性を理由としましたが、ABMAのジョン・B・メダリス局長官は、空軍が密かに進めていたタイタン・ロケット改修による「スーパー・タイタン」あるいは「タイタンC」案との競合があったことを示唆しました。コストより日程が重視され、プロパガンダに利用されていたと述べています。

この中止表明に対し、国防総省とDARPAのメンバーは対抗文書を提出しました。しかし、陸軍とNASAには新型ロケットに関する明確な要求条件がありませんでした。9月に会合が持たれ、ヨーク長官は中止を延期し、短期間の資金援助継続に同意しましたが、同時にNASAは国防総省の援助なしに開発を継続すること、そしてABMAのチームを引き継ぐことにも同意しました。三軍の協力が得られないことへのNASAの懸念がありました。翌週の会合で新たな合意が成立し、サターン開発はフォン・ブラウン博士のチームが主導し、全体はNASAの指揮下に置かれることになりました。1960年3月15日、ABMAはマーシャル宇宙飛行センターと改称され、NASAの一部となりました。

上段ロケットの選択

1959年7月、DARPAから上段ロケットに関する新たな要求が出されました。第二段には液酸・液水燃料を使用する推力9トンの強力なエンジンを、第三段にはセントールロケット用を高性能化したエンジンを使用するというものです。メダリス局長官は、第二段の直径をタイタンの一段目と同じ120インチに合わせる問題、その後の160インチへの拡大要求など、直径変更が設備・コスト・時間に大きな影響を与える点、そしてヨーク博士が関与し、空軍案への変更可能性まで質問したことなどを証言し、計画の混乱ぶりを伝えています。

12月、NASA、空軍、DARPA、ABMA、国防総省のメンバーはシルバースタイン委員会の管轄下に置かれました。フォン・ブラウン博士は上段ロケットに液酸・液水燃料の使用を強く主張し、委員会を説得しました。これにより、NASAの計画は軍の干渉から解放されることになります。

委員会は複数のロケット形態案を提示し、研究者を3グループに分けました。Aグループは既存案（タイタン＋セントールまたはクラスター方式）、BグループはA-2の第一段H-1×4案、Cグループは上段に液酸・液水ロケットを使用する案で、C-1（S-I第一段＋S-IV第二段＋S-V第三段）、C-2（新型S-III第一段＋S-IV/S-V第二段）、C-3（新型S-II第一段＋S-III/S-IV第二段）がありました。C案はモジュール性や多様なペイロード要求への対応力で優れていると見なされました。

サターンの実現

皮肉にも、当初のS-IV案は委員会の報告には含まれていませんでした。開発スケジュールに合わせるため、第二段にはセントールエンジンを6基搭載した「新」S-IVロケットが採用されました。これは原案のエンジン4基型とほぼ同等の性能でした。効率と信頼性の観点から、後のアポロ計画で重要な役割を果たすことになる、より高性能なJ-2エンジン1基を搭載したS-IVBロケットが開発されることになります。

結局タイタンCは実現せず、空軍は固体燃料ブースターを追加したタイタンII、さらに改良型のタイタンIIIを開発し、国防総省で長く運用されました。タイタンIIIはサターンIBと同等の打ち上げ能力を持ちながら、費用が安く、月飛行専用設計のサターンに比べ多様な衛星を搭載できる柔軟性がありました。この柔軟性の点で、サターンに関する多様な計画案は淘汰され、最終的にサターンVだけが生き残ることになります。

サターンIで打ち上げられた主な搭載物はアポロ宇宙船の実物大模型でしたが、X-20ダイナソアや、月飛行のためのジェミニ宇宙船を打ち上げることが検討されたこともありました。

技術詳細

第一段 (S-I)

S-Iは、8基のH-1エンジンを搭載しました。構造はジュピター・ロケットの中央タンクを、8本のレッドストーン用タンクが取り囲む形です。中央ジュピタータンクには液体酸素、外周のレッドストーンタンクのうち白色のものは液体酸素、黒色のものはケロシンが搭載されました。8基のエンジンのうち、中央の4基は固定され、周囲の4基はジンバル機構を持ち、ロケットの軌道制御を担いました。底部には姿勢安定用の翼も8枚備えています。


第二段 (S-IV)

S-IVは6基のRL-10エンジンを搭載した大型ロケット段で、各エンジンはジンバル機構を備えています。液体酸素と液体水素のタンクは共通隔壁で仕切られており、これにより約10トンの軽量化を実現しました。


自動制御装置

サターンIの初期生産型（SA-1からSA-4）では、自動制御装置は第一段S-Iの上部に配置され、レッドストーンでも使用されたST-90姿勢安定装置が使われました。これらの初期4回の飛行は弾道飛行で、軌道には到達しませんでした。第二段はダミーでした。

続く第二期生産型（SA-5からA-105）では軌道投入が行われ、自動制御装置はS-IVの上部に独立して搭載されました。初期型（SA-5からSA-7）はマーシャル宇宙飛行センターが設計・製作し、直径3.9m、高さ1.5mの円筒内に機器が収められていました。改良型（A-103からA-105）では高さを86cmに縮小し、軽量化されました。航法コンピューターにはIBM製のASC-15が用いられました。自動制御装置は飛行制御に加え、後の飛行に役立てるためのデータ送信機能も持っていました。ST-90は初期型の能動制御装置としてS-Iに、ST-124はSA-6以降で継続的に使用される加速度・姿勢計測装置として搭載されました。発射前の機器調整のために光学用窓が設けられていました。

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