[科普中国]-土星5号运载火箭

摘要

美国土星5号是截至目前仍是人类历史上使用过的自重最大的运载火箭，高达110.6米，起飞重量3038.5吨；总推力达3408吨，月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力118吨。土星5号是三级火箭，由S-1C第一级、S-2第二级、S-4B第三级、仪器舱和有效载荷组成。第一级长42米，直径10米，到尾段底部直径增大到13米。尾段上装有4个稳定尾翼，翼展约18米。第一级采用5台F-1发动机，推进剂为液氧和煤油，2个10米直径的铝制推进剂贮箱用桁条和隔框加强。第二级长25米，直径10米，采用液氧液氢推进剂 ，共用5台J-2发动机。第三级长18.8米，直径6.6米，1台J-2发动机，推进剂为液氧液氢。

尽管NASA曾设想过更大的火箭（例如新星火箭），土星5号是历史上、土星号运载火箭成员中最大的火箭，1土星5号由马歇尔太空飞行中心总指挥沃纳·冯·布劳恩与他的德国火箭团队担任设计研发工作，主要的承包商包括波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飞行器公司以及IBM。

除了最后一次发射天空实验室没有使用S-IVB（第三级）之外，所有其他土星5号的发射都有三级：S-IC（一级）、S-II（二级）和S-IVB（三级）。每一级都使用液态氧（LOX）作为氧化剂。第一级使用高精炼煤油（RP-1）作为燃料，其他两级使用液态氢（LH2）作为燃料。一般来说，一次发射任务的前20分钟左右由火箭推动。1967年至1973年期间NASA共发射了13枚土星5号火箭，从来没有过损失有效载荷的事故发生（虽然阿波罗6号和阿波罗13号曾出现过推进器失灵的问题，但舰载电脑都能够通过延长剩余推进器燃烧时间的办法以保持飞行）。土星5号的主要载荷是载着宇航员成功登月的阿波罗航天器。最后一次土星5号的发射将天空实验室的空间站送入太空。2

背景20世纪60年代初期，苏联在太空竞赛领先于其对手美国。1957年苏联发射了第一颗人造卫星史泼尼克一号，1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空的人类。为了在太空领域领先苏联， 1961年5月25日，肯尼迪总统宣布美国会在1970年之前将宇航员送上月球。那时，美国唯一的一次载人太空任务是艾伦·谢泼德的水星-红石3号；仅在太空停留了15分钟，且未进入近地轨道。当时世界上没有火箭能够一次运送可登月的航天器。土星1号火箭当时还在研制过程中，但由于其推力远远不够，需要若干次发射才能将登月所需要的各个部件送入轨道。

在登月计划的计划阶段初期，NASA曾考虑过三个主要的设想：地球轨道交会、直接起飞以及月球轨道交会(LOR)。尽管NASA起初没有考虑月球轨道集合，因为人类当时连地球轨道集合都没有执行过，更不用说难度更大的月球轨道集合了。后来，由于能够使任务时间缩短以及较其他两种方法简单，月球轨道集合仍然被采纳。

基本资料

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参数列表

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第一级

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一级火箭发动机点火顺序：首先中央发动机点火，随后周围相对的发动机以300毫秒的间隔点火。

一级火箭发动机的五台发动机所需的液氧和煤油分别由一台液氧泵和一台煤油泵提供，其中液氧泵的流量为每秒24 811加仑，煤油泵的流量为每秒15 741加仑。液氧泵的工作温度为-185℃，煤油泵的工作温度为15℃

液氧泵和煤油泵由一台55 000马力的涡轮机提供动力，涡轮泵的工作温度为650℃

第二级

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第三级

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运载能力

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设计与制造土星5号的设计起源于V-2火箭和木星系列火箭。由于木星系列火箭的成功，新一代的土星系列火箭开始出现。首先是土星1号和1B号，最终是土星5号。冯·布劳恩在马歇尔航天飞行中心领导了一个团队来建造一个足以将一艘宇宙飞船送上登月轨道的运载火箭4。在他们转为NASA工作以前，冯·布劳恩的团队就已经开始进行增加推力、减少操作系统复杂度和设计更好的力学系统的工作了4。在设计过程中，他们决定抛弃V-2火箭中的单引擎的设计思路，转而设计多级火箭。土星1号和1B号反映了这些设计思想的变化，但是仍不足以将一艘载人宇宙飞船送上月球4，需要若干次发射才能将登月所需要的各个部件送入轨道。但是在NASA做出最优登月方式的决定的过程中，他们的这些设计仍然提供了一个基准参考。

土星5号的最终设计有若干个关键特征。工程师们认为，最多好的发动机使用F-1火箭发动机配合新型的称为J-2火箭发动机的液氢推进系统，这可以使土星C-5的配置达到最优。1962年，NASA做出了最终计划，决定按照冯·布劳恩的土星设计方案继续研究，而这也为阿波罗计划赢得了时间。。

随着火箭的配置工作的完成，NASA开始考虑选择登月的任务模式。在争论之后，NASA决定采用月球轨道交会的方法。在推进燃料的选择、燃料需求量和火箭制造过程等等问题都得到了解决之后，土星5号被选为登月飞船的运载火箭。这只火箭的建造过程自顶向下分为三个部分：S-IC、S-II和S-IVB，每一部分都由冯·布劳恩在亨茨维尔设计，由其它合同商负责制造，如波音、北美航空、道格拉斯飞行器公司以及IBM。

技术细节控制设备单元控制设备单元由IBM制造，放在第三级的顶端。它在位于亨茨维尔的空间系统中心建造。这个计算机控制了火箭从起飞前一直到抛弃S-IVB推进器的操作过程。它包含了为火箭导航和遥测的系统。通过测量加速度和火箭的高度，它可以计算出火箭的位置和速度，同时对偏向做出修正。

安全距离在出现事故需要火箭自毁的时候，靶场安全官员会用遥控方式关闭发动机，在几秒钟后发出另一条指令引爆贴在火箭外表面上的炸药。爆炸会切断燃料和氧化剂箱体并将燃料迅速释出，尽量减少燃料的混合。这些动作之间的暂停时间用于让飞船成员通过阿波罗飞船的救生塔或者服务舱推进系统逃离。第三个命令用于在S-IVB推进器到达轨道后使自毁系统永久失效。当火箭在发射场时，这个系统也是不激活的。

研制过程从C-1到C-4在1960年到1962年间，马歇尔航天飞行中心为执行不同的航天任务而设计了不同的几类火箭。

C-1火箭是土星1号运载火箭的原型，C-2火箭设计在计划早期就被抛弃了，而随后开始了C-3火箭设计。这枚火箭试图使用两个F-1火箭发动机作为第一级，四个J-2火箭发动机作为第二级，而第三级使用六个RL10火箭发动机。

NASA计划使用C-3作为地球轨道交会的运载火箭，这样完成一次任务需要四到五次的发射，但是这时马歇尔航天飞行中心已经开始设计更大的火箭了，C-4，使用四个F-1火箭发动机作为第一级，扩大了C-3火箭的第二级，而第三级使用一个J-2发动机。如果使用C-4的话，仅需两次发射就可以完成地球轨道交会的任务4。

C-5火箭1962年1月10日，NASA宣布了建造C-5火箭的计划。这枚火箭仍然由三级组成，第一级包括五个F-1发动机，第二级包括5个J-2发动机，而第三级是另外一个J-2发动机。C-5火箭的运载能力更强，可以直接完成一次月球任务。它可以将41吨的载荷送上月球。

C-5火箭的测试在第一个模型完成前就开始进行了。火箭的第三极被用作C-IB火箭的第二级，而C-IB火箭将要测试C-5火箭的设计概念和可行性，同时也用来提供对C-5火箭的继续研究非常重要的飞行数据。除了对每个重要部件进行测试以外，C-5火箭也进行了整体测试，也就是一次包含了所有三级的第一次测试飞行。通过一次测试所有部件，试验飞行所需次数大大降低了。

1963年，NASA确认了选择C-5火箭作为阿波罗计划的运载火箭，同时给了这枚火箭一个新的名字──土星5号4。

发射纪录“土星5号”火箭于1962年开始研制，1967年11月9日首次飞行，1973年5月末次飞行，计划发射19次，后来取消2次，实际发射了17次成，成功率达到100%。其中第1～3次是不载人模拟环地飞行，第4次是不载人试飞，从第7号开始是载人飞行。1968年12月21日发射的“阿波罗8号”载着3名航天员完成了人类第一次绕月飞，随后，又发射了7次登月飞船。“土星5号”的最后一次发射是在1973年，这次发射将“太空实验室”送入了近地轨道5。

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SA-514、SA-515未使用6

资金从1964年至1973年，土星5号的总拨款高达65亿美元，在1966年达到最高，仅一年中就拨了12亿美元。

阿波罗计划被缩减的主要原因是资金。1966年，美国国家航空航天局的年度政府拨款高达45亿美元，约为当时美国国内生产总值（GDP）的0.5%。同年，国防部的政府拨款为635亿美元，阿波罗计划总共耗资约240亿美元。1，因此有人认为，资金是美国能够领先一步登陆月球的最大因素。

展出至今为止还有几枚土星5号火箭在美国不同地方展出7，展出的地方如下：

一枚火箭在约翰逊航天中心中展览，这枚火箭的第一级推进器来自SA-514，第二级来自SA-515，第三级来自SA-513（SA-513的第三级被替换成了天空实验室）。这些推进器在1977年到1979年间运抵航天中心，一直开放展出，直至2005年在其周围建造保护结构才暂停展出。这也是唯一的一枚展出中的完整的土星5号，其各级推进器都是为发射而制造的。

一枚火箭在肯尼迪航天中心，它由S-IC测试推进器和SA-514的第二级、第三级推进器组成。它已经在室外展出了数十年，1996年，它被封闭起来以进行保护。

两枚火箭保存在亨茨维尔的美国航天火箭中心：

水平展出包括S-IC-D、S-II-F/D 和 S-IVB-D推进器，这些推进器都是用作测试的，而不是用于飞行。这枚火箭在室外展览了数十年，然后重新修复，在戴维森航天探索中心进行展出。

垂直展出的是在1999年建造的复制品。

SA-515的S-IC推进器在路易斯安那州的密乔装配厂展出。

SA-515的S-IVB推进器用作天空实验室的备份，在华盛顿的国家航空航天博物馆进行展出。

火箭图纸丢失事件及辟谣长久以来，土星五号设计蓝图遭销毁的流言就没有断过，NASA官员出面澄清，土星五号设计蓝图依然完好。只不过，完全再照原样重建会浪费巨大资源，没有任何实际意义8。

图纸丢失美国国家航空航天管理局官员否认了某书作者的一项声明，该作者宣称用来将阿波罗宇航员送入月球的强大的土星5号火箭设计蓝图已遗失。

该否认声明是因太空网上的一则报道所引起，该报道叙述了约翰.刘易斯在他的1996年版的《挖掘太空》一书中所作的一项宣称，他说若干年前他一直在搜寻关于土星5号的设计蓝图，所得出的结论是它们令人难以置信地“遗失”了8。

NASA辟谣保罗.肖克罗斯，来自美国国家航空航天管理局检查长办公室的一位官员对此作了官方辩护刊登在CCNet（一学术性电子通讯期刊，内容是关于小行星和慧星所构成的威胁）上。肖克罗斯说土星5号蓝图保存在马歇尔太空飞行中心的缩微胶片上。“打算试着重建土星5号是毫无意义的.....问题的关键在于，那些成千上万的零部件已不再生产。

“位于乔治亚州东点的联邦档案部门同样也拥有2,900立方英尺的关于土星的文件资料，”他说，“在土星5号的技术资料保留计划中有数十卷宗的相关资料. 这项工作起于60年代末，目的是为了记录F1和J2引擎生产的方方面面，以便对将来重新启动土星5号计划有所帮助8。”

暂无重建计划肖克罗斯警告说，重建土星5号将会需要比好的设计蓝图更多的资源。“重建土星5号所面临的问题并不是要找到它的设计蓝图，而是要找到那些能够提供20世纪60年代中期老的硬件设备的厂商，”他写道，“事实是，发射台和运载火箭装配车间已改装成建航天飞机之用，所以也就没有地方用来作为发射场所了。 “等到以适合目前可利用的硬件设备为基础来重新设计和改造发射台时，你们最好还是从一张空白清晰的草图开始，”他写道。

续任者由于重开土星五号生产线花费巨大，而且土星五号是美国20世纪60年代的科技产物与现在的美国航天技术相比已经严重落后，为了满足日益重要的高边疆战略计划，NASA决定开发续任者太空发射系统（SLS系统)继续美国的开拓天疆战略，“太空发射系统”将有能力向太空发射77到130吨货物，可用于发射6人猎户座多功能乘员舱，最终的运载能力将达到143吨，甚至有可能达到165吨。相比之下，曾将宇航员送上月球的长期休眠的土星V型火箭运载能力为130吨，航天飞机的运载能力为27吨，当前最大的无人火箭更是只有25吨左右9。