גבוה יותר, חזק יותר, רחוק יותר

טיל השיגור הגדול והחזק ביותר אי פעם היה גבוה ב-18 מטרים מהלפיד של פסל החירות וב-15 מטרים ממגדל השעון הלונדוני המפורסם "ביג בן". גובהו המלא היה 111 מטרים, בערך כמו מגדל בן 35 קומות, אבל כמה מגדלים כאלה מסוגלים להמריא לחלל? טיל סטורן 5 עשה זאת בהצלחה מלאה פעם אחר פעם ורשם את אחד הפרקים המפוארים בתולדות האדם בחלל.

שורשים נאציים

אמנם אחד מחלוצי מדע הטילים היה אמריקאי, רוברט גודרד (Goddard), שפיתח רקטות ראשונות וחזה נכון עקרונות רבים של טיסות חלל, אבל מי שהביא את ארצות הברית לחלל היה דווקא גרמני. ורנר פון בראון (von Braun), ראש מערך הטילים של גרמניה הנאצית, פיתח במלחמת העולם השנייה את הטיל הבליסטי הראשון, V2. בסיום המלחמה הסגיר עצמו פון בראון עם צוות של עשרות טכנאים ומהנדסים לכוחות האמריקאים, מסר להם את כל תכניות הטילים, את כל הטילים שלא שוגרו ואת החלקים בתהליכי ייצור. האמריקאים, שחששו מעליונות של ברית המועצות בתחום הטילים, היו מעוניינים יותר בידע של פון בראון מאשר בעשיית צדק היסטורי עם המהנדס שאלפי עובדי כפייה מתו במפעלי הטילים שלו.

פון בראון ואנשיו הוברחו לארצות הברית במבצע חשאי עם עוד מדענים וטכנאים גרמנים. הם הוחזקו תחילה כשבויים אבל בהמשך שוחררו ובסופו של דבר קיבלו אזרחות אמריקאית ועסקו בפיתוח טילים עבור צבא ארצות הברית במפעל באלבמה. פון בראון היה לאחד מאבות תכנית החלל האמריקאית, וטיל שלו היה זה שהציב את הלוויין האמריקאי הראשון בחלל, אחרי שורת כישלונות שאיפשרו לרוסים להקדים את ארצות הברית בשיגור הלוויין הראשון.

זמן קצר לאחר הקמתה של סוכנות החלל האמריקאית, נאס"א, ב-1958, הועבר לידיה בסיס פיתוח הטילים באלבמה, ושמו שונה למרכז מרשל לטיסות חלל. פון בראון מונה למנהל המרכז ועד מהרה הוטלה עליו המשימה לבנות טיל שיגור שיביא חללית מאוישת אל הירח, כדי לעמוד באתגר שהציב הנשיא ג'ון קנדי – להנחית אדם על הירח עד סוף שנות הששים.

מגרמניה הנאצית לתכנית החלל האמריקאית. פון בראון ליד מנועי השלב הראשון של סטורן 5 | מקור: Science Photo Library

מדוע טילים?

כדי להכניס גוף למסלול סביב כדור הארץ יש להביא אותו לגובה 100 קילומטר לפחות, ולהעניק לו מהירות של 7.8 מטרים בשנייה (קצת יותר מ-28,000 קמ"ש). במהירות נמוכה יותר הוא פשוט ייפול חזרה ארצה. האנרגיה הדרושה להגעה לגובה ולמהירות האלה תלויה במסה של הגוף שאנו רוצים לשגר – ככל שהוא כבד יותר, דרושה אנרגיה רבה יותר. אם רוצים להשתחרר מהמסלול סביב כדור הארץ ולהגיע למקומות אחרים, צריך להאיץ לפחות למהירות בריחה של 11.2 קילומטר בשנייה (מעט יותר מ-40 אלף קמ"ש) – המהירות המדויקת תלויה במרחק היעד שרוצים להגיע אליו.

כדי להביא כלי טיס לגובה כזה ולמהירות כזו יש להשתמש בהנעה רקטית, כזו שיכולה לפעול גם באוויר הדליל בגובה רב, וכמובן גם מחוץ לאטמוספרה. מנוע רקטי פולט גזים בלחץ גבוה כדי ליצור דחף בכיוון מסוים, לפי החוק השלישי של ניוטון, הקובע שפעולה בכיוון מסוים, במקרה זה פליטת גז, יוצרת תגובה בכיוון ההפוך – ובמקרה שלנו דוחפת את הרקטה בכיוון הפוך מהפליטה.

פליטת הגזים בלחץ גבוה מושגת באמצעות שריפה של דלק. ככל שרוצים לשגר מטען כבד יותר דרוש דלק רב יותר, ואז צריך טיל כבד יותר לשאת את הדלק, ועוד דלק בשביל לשאת את המשקל הנוסף וכך הלאה. כדי לשבור את המעגל הזה משתמשים בטיל רב- שלבי, שהוא למעשה כמה רקטות זו על גבי זו. השלב התחתון מייצר את הדחף הגדול ביותר, וכשהדלק שלו אוזל הוא מתנתק מהטיל. השלב שמעליו כבר צריך מנוע חזק פחות, גם בגלל שהטיל כולו הרבה פחות כבד עכשיו וגם בזכות העובדה שכבר יש לו מהירות התחלתית וגובה מסוים.

גודל דמיוני

הטילים הראשונים שנשאו חלליות ולוויינים היו קטנים יחסית. הלוויין האמריקאי הראשון, אקספלורר 1, שקל 11 קילוגרם בלבד ושוגר על גבי טיל ג'ונו (Juno) שגובהו היה כ-21 מטר ומשקלו בשיגור כ-30 אלף קילוגרם. אבל במשימה מאויישת לירח כבר מדובר על חללית שמשקלה מתקרב ל-50 טונות, שאותה צריך להביא למהירות בריחה – וכאן דרוש טיל גדול. הרבה הרבה יותר גדול.

טילי השיגור שנשאו את האסטרונאוטים האמריקאים הראשונים לחלל היו טילי אטלס, שהוסבו מטילים בליסטיים צבאיים. כשתכנית החלל האמריקאית התקדמה לחלליות ג'מיני הגדולות ביותר, שנשאו שני אסטרונאוטים למשימות ממושכות יחסית (ולכן דרשו אספקה רבה וכבדה), הם השתמשו בטיל טיטאן-2, שהיה גדול וחזק יחסית – גובהו כ-30 מטר ומשקלו כ-150 אלף קילוגרם. אבל גם הטיל הזה לא התקרב לדרישות של תכנית אפולו: אלה כבר היו חלליות המיועדות לשלושה אנשים, בעלות מטען רב הרבה יותר, כולל רכב נחיתה על הירח. והכי חשוב – הטיל היה צריך להיות מסוגל להקנות לכל המטען הכבד הזה את המהירות הדרושה ליציאה מהכבידה של כדור הארץ כדי לטוס לעבר הירח.

פיתוח הטיל עצמו התחיל עוד לפני שנאס"א גיבשה את מתווה הנחיתה על הירח ב-1962. פון בראון ואנשיו תכננו טיל בעל שלושה שלבים. הם היו אחראים על התכנון והפיתוח, אבל את שלבי הטיל עצמם בנו במפעלים חיצוניים. המיזם הענקי חולק בין שלוש חברות, שהפעילו קבלני משנה רבים לייצור ופיתוח של מערכות הטילים.

חברת בואינג (Boeing) ייצרה את השלב הראשון – טיל בגובה 42 מ' ובקוטר 10 מטרים, בעל חמישה מנועים ענקיים, שהיו אמורים לפעול בסך הכל פחות משלוש דקות: 168 שניות. בזמן הזה יגיע הטיל לגובה 61 קילומטרים. לאחר ניתוק השלב הראשון ייכנס לפעולה השלב השני, שנבנה בחברת נורת' אמריקן (North American). שלב זה, שגובהו כ-25 מטר, צויד גם הוא בחמישה מנועים שיפעלו במשך כשש דקות ויביאו את הטיל לגובה 182 קילומטר.

השלב השלישי של הטיל, שנבנה בחברת דאגלס (Douglas), היה הקטן ביותר: גובהו כ-18 מטרים וקוטרו "רק" ששה מטרים. הוא נשא את החללית עצמה, וצויד במנוע דומה לאלה של השלב השני, רק שבמקום חמישה מנועים היה לו אחד בלבד. המנוע הזה היה אמור לפעול עוד כשלוש דקות כדי להיכנס למסלול סביב כדור הארץ, ואחר כך לפעול כשש דקות נוספות כדי להיכנס למסלול לעבר הירח.

בראש השלב השלישי הותקן טיל נוסף, קטן הרבה יותר, שייצרה חברה רביעית – לוקהיד (Lockheed), ונועד לחלץ את האסטרונאוטים במקרה של כשל בזמן השיגור. אם עלה חשש שהטיל יתפוצץ או יתלקח על כן השיגור, או זמן קצר לאחר ההמראה, הופעל טיל החילוץ שנשא את תא הפיקוד בלבד לגובה קילומטרים אחדים, כדי לאפשר לו לפתוח מצנחים ולהנחית את האסטרונאוטים בשלום מחוץ לטווח הסכנה.

פון בראון וצוותו היו צריכים לפקח על כל הקבלנים החיצוניים, לתאם את עבודתם ולוודא שהחלקים השונים יפעלו יחד כמערכת אחת, וכמובן יתחברו גם לממשק של החללית עצמה, שגם שני מרכיביה – רכב הפיקוד והשירות ורכב הנחיתה על הירח – יוצרו בשני מפעלים שונים.

את שמו של טיל השיגור בחרה ועדה של נאס"א, וחבריה העדיפו את השם סטורן (שבתאי) על פני קרונוס – שני השמות מייצגים את אותה דמות מיתולוגית, הטיטאן המזוהה עם עושר, שגשוג ושפע ואביהם של רוב האלים החשובים. אלא שהוועדה בחרה בשם הרומי על פני היווני, והמשיכה עם המסורת של שמות רומיים שניתנו לרוב החלליות והטילים של נאס"א. המספר חמש הוצמד לשם משום שהוא היה החמישי בסדרת טילים שתכננה סוכנות החלל. בהמשך למסורת השמות צוין גם המספר בסגנון הרומי, ושמו של הטיל מופיע בדרך כלל כ- Saturn V.

13 טילים בעלות של יותר מ-40 מיליארד דולר. כל טילי סטורן-5 ששוגרו לחלל | צילומים: NASA

ניסוי רב-מערכתי

הניסוי הראשון של טיל סטורן 5 השלם תוכנן לסוף שנת 1966, אבל נדחה בשנה בגלל עיכובים בייצור. בינתיים, בינואר 1967, נספו שלושת אנשי הצוות של אפולו 1 בשריפה בעת אימון על כן השיגור לקראת הטיסה. בעקבות האסון החליטו בנאס"א לא לתת את השם הזה לחלליות אחרות. בקיץ 1966 שוגרו מרכיבים שונים של חלליות אפולו לא מאוישות למשימות ניסוי על טילים קטנים יותר, משימות שקיבלו את השמות אפולו 2 ואפולו 3. לכן הניסוי הראשון של החללית עם הטיל שיועד להביא אותה לירח קיבל את השם אפולו 4.

בשל קוצר הזמן החליטה נאס"א לוותר על בדיקה נפרדת של כל שלב בטיל, ולבצע מה שכונה בלשון המקצועית all up test – כלומר בדיקה של כל מרכיבי המערכת במשימה אחת. כל שלבי הטיל הורכבו במבנה ענקי במרכז החלל על שם קנדי בפלורידה והטיל השלם הוצב על כן השיגור 39A, שנבנה במיוחד למטרה זו. בראש הטיל הותקנו רכב הפיקוד והשירות של חללית אפולו, אך מכיוון שרכב הנחיתה על הירח עדיין לא היה מוכן, הסתפקו במתקן דמה.

בסתיו 1967 נותרו לנאס"א קצת יותר משנתיים לעמוד ביעד שהציב קנדי ולנחות על הירח עד סוף העשור. טיסת הניסוי הראשונה של טיל השיגור הייתה צעד קריטי – משום שכל תקלה רצינית תעכב את הפרויקט כולו. לכן, בבוקר 9 בנובמבר היו כל העיניים נשואות לכן השיגור בפלורידה ולשטף הנתונים שהזרימו יותר מ-4000 חיישנים במערכות השונות של הטיל והחללית.

משקל של כמעט שלושה מיליון קילוגרם, כמעט כולו דלק. השיגור הראשון של טיל סטורן 5 ב-1967 | צילום: NASA

ביצוע מושלם

בשעה שבע בבוקר, אחרי שלושה ימים של ספירה לאחור ובדיקת כל המערכות, הופעלו חמשת מנועי השלב הראשון, והטיל הענקי – 2970 טונות – התחיל מתרומם וצובר מהירות. השיגור היה כה עוצמתי, עד שהיושבים ביציע הצופים חשו היטב את מושביהם מיטלטלים במרחק של חמישה קילומטרים מכן השיגור. שדר הטלוויזיה וולטר קרונקייט, שסיקר את האירוע מבניין הפיקוד הקרוב לכן השיגור, תיאר בהתלהבות איך הבניין כולו רועד מעוצמת המנועים.

כמו בכל ניסוי של מערכת חדשה, ודאי טיל כה גדול ומורכב, בנאס"א היו חששות רבים - אך השיגור עבר בהצלחה מלאה. שני השלבים הראשונים ביצעו את תפקידם באופן מושלם והתנתקו בדיוק לפי התכנית. השלב השלישי הכניס את החללית למסלול בגובה 190 קילומטר, ואחרי שתי הקפות של כדור הארץ הופעל שוב. מכיוון שהפעם החללית לא תוכננה לטוס לירח, היא נשלחה למסלול אליפטי ששיאו כ-18 אלף קילומטרים מכדור הארץ, ובתחילתו נפרדה מהשלב השלישי.

נוסף על החיישנים הרבים הותקנה בחללית מצלמה אוטומטית, שצילמה יותר מ-750 תמונות מחלון תא הפיקוד והשירות. כשהחללית הגיעה למרחק שיא היא צילמה תמונות ראשונות שבהן נראה כמעט כל כדור הארץ בתמונה אחת. אף על פי שהצילומים לא היו באיכות גבוהה, הם עוררו עניין רב בקהילה המדעית ושימשו למחקרים רבים בחקר האטמוספרה, במטאורולוגיה, בגיאולוגיה ובאוקיינוגרפיה.

בסיום המשימה הופעלו מנועי החללית, גם כדי לבדוק אותם וגם כדי להכניסה לזווית ולמהירות המדמות חזרה מהירח. כל מערכות החללית פעלו כמתוכנן ותא הפיקוד שלה צנח בשלום באוקיינוס השקט, אחרי טיסה של שמונה שעות ו-37 דקות.

כמעט כל כדור הארץ נכנס בתמונה אחת, שעוררה עניין רב. הצילום המפורסם ממשימת אפולו 4 | מקור: NASA

הסוס המוצלח ביותר

משימת אפולו 4 הייתה הצלחה כבירה, וטיל סטורן 5 עבר בהצטיינות את כל מבחני הכשירות. ההצלחה סללה את הדרך לשיגור לא מאויש נוסף, משימת אפולו 6 באפריל 1968 (אפולו 5 עשתה שימוש בטיל קטן יותר). דווקא במשימה זו התגלו בעיות – שניים ממנועי השלב השני לא פעלו כשורה, והמשימה כולה נכשלה. למרות התקלה, תכנית אפולו התקדמה כמתוכנן. הטיסה המאוישת הראשונה בתכנית, אפולו 7, שוגרה על הטיל הקטן יותר סטורן B, ובחנה בהצלחה את כל המערכות. המשימה הבאה, אפולו 8, הייתה השיגור המאויש הראשון של טיל סטורן 5, וגם הטיסה הראשונה של חללית מאוישת לירח. גם השיגור הזה עבר בלי דופי, ואחריו ביצעו טילי סטורן 5 את כל משימות אפולו, כולל כמובן הנחיתה ההיסטורית על הירח במשימת אפולו 11.

סוכנות החלל האמריקאית תכננה במקור עשר נחיתות על הירח, והזמינה בסך הכל 15 טילי סטורן 5 – שניים נועדו לטיסות המבחן הלא מאוישות, שלושה לטיסות ההכנה לנחיתה הראשונה (אפולו 8, 9 ו-10) ועשרה לנחיתות על הירח. בסופו של דבר החליטה נאס"א לבטל משיקולי תקציב את משימות אפולו 18, 19 ו-20, ורק שש חלליות מאוישות נחתו על הירח, לאחר שאפולו 13 ניזוקה קשות בפיצוץ מיכל חמצן, ורק בזכות מאמץ מורכב של נאס"א הצליחו לחזור לארץ בשלום.

טיל השיגור שיועד לאפולו 18 הוסב בסופו של דבר לשיגורה של תחנת החלל האמריקאית הראשונה, סקיילאב, שגם נבנתה מהשלב השלישי של הטיל עצמו. בשני הטילים האחרים לא נעשה שימוש, ושלבים שלהם מוצגים כיום בכמה מוזאוני חלל בארצות הברית.

סטורן 5 היה טיל השיגור הגדול והחזק ביותר שנבנה מאז ומעולם, אבל כנראה גם היקר ביותר: עלותו הכוללת של הפרויקט נאמדת ב-6.5 מיליארד דולר, שהם יותר מ-40 מיליארד בערכים של ימינו, כולל עלות של יותר ממיליארד דולר (בערכים של היום) לכל שיגור.

הטיל הקרוב אליו ביותר מבחינת הגודל והביצועים היה הטיל הרוסי N1, שנועד לשאת חלליות של ברית המועצות אל הירח. הוא היה קטן רק במעט מהטיל האמריקאי אבל לא היה מסוגל לשאת חלליות כבדות כמוהו. השוואה אמיתית מבחינת הביצועים בפועל אינה אפשרית – טילי N1 שוגרו רק ארבע פעמים בשנים 1969-1972, וכולם התפוצצו באוויר זמן קצר לאחר השיגור.

בשנים האחרונות, עם התכניות לחידוש הטיסות אל הירח והעניין הגובר במשימה מאוישת למאדים, פותחו עוד שני טילים ענקיים. חברת SpaceX האמריקאית בנתה את הטיל Falcon Heavy, ואף שיגרה אותו בהצלחה עם מטען דמה ססגוני בתחילת 2017. אף על פי שזה הטיל הגדול והחזק ביותר הפעיל כיום, גודלו וכושר הנשיאה שלו הם רק כמחצית מסטורן 5. נאס"א עצמה מפתחת בימים אלה את טיל השיגור SLS (קיצור של Space Launch System), שאמור להיות בגודל דומה לסטורן 5 וגם לשאת מטען דומה. עם זאת, פיתוח הטיל מתעכב כבר זמן רב בשל העלויות העצומות. הניסוי הראשון מתוכנן בינתיים רק לשנת 2020 ושיגור מאויש, עם חללית אוריון החדשה, לא צפוי לפני 2022.