土星5號運載火箭（英文：Saturn-5，又稱：Saturn V，譯文：農神五號，亦稱：月球火箭），是20世紀60~70年代美國國家航空航天局（NASA）在阿波羅計畫和天空實驗室計畫兩項太空計畫中研製使用的大型多級液體燃料運載火箭。
土星5號運載火箭總高110米，第一級直徑10米，總發射質量2910噸；土星五號由三級火箭組成，第一級火箭採用的是液氧/煤油推進劑發動機，總推力約3400噸；第二級使用氫氧發動機，總推力約450噸；第三級使用氫氧發動機，推力約90噸。
土星5號超重型運載火箭是僅次於蘇聯能源號運載火箭的推力第二大運載火箭。在1967~1973年間共發射了13枚“土星5號”運載火箭，保持著良好的發射記錄。共有9枚“土星5號”運載火箭將載人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。土星5號”運載火箭的生產線於1970年關閉。“土星5號”的最後一次發射是在1973年，該次發射將“天空實驗室”空間站送入了近地軌道。續任者太空發射系統（SLS系統），號稱史上最強運載火箭系統。
基本介紹
研製歷程,歷史背景,研製進程,階段進展,系統組成,研製概況,性能數據,第一級,第二級,第三級,運載能力,設計製造,總體設計,控制設備,安全距離,發射動態,展會展出,圖紙丟失,官方闢謠,無意重建,後續項目,總體評價,
研製歷程
歷史背景
20世紀60年代初期，蘇聯在太空競賽領先於其對手美國。1957年，蘇聯發射了第一顆人造衛星史潑尼克一號。1961年4月12日，蘇聯太空人尤里·加加林成為第一個進入太空的人類。為了在太空領域領先蘇聯，1961年5月25日，甘迺迪總統宣布美國會在1970年之前將太空人送上月球。那時，美國唯一的一次載人太空任務是艾倫·謝潑德的水星-紅石3號；僅在太空停留了15分鐘，且未進入近地軌道。當時世界上沒有火箭能夠一次運送可登月的太空飛行器。土星1號火箭當時還在研製過程中，但由於其推力遠遠不夠，需要若干次發射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。
土星5號(SA-501)攝於阿波羅4號發射前
在登月計畫的計畫階段初期，NASA曾考慮過三個主要的構想：地球軌道交會、直接起飛以及月球軌道交會（LOR）。儘管NASA起初沒有考慮月球軌道集合，因為人類當時連地球軌道集合都沒有執行過，更不用說難度更大的月球軌道集合了。後來，由於能夠使任務時間縮短以及較其他兩種方法簡單，月球軌道集合仍然被採納。
研製進程
美國土星5號火箭仍是人類歷史上使用過的自重最大的運載火箭，高達110.6米，起飛重量3038.5噸；總推力達3408噸，月球軌道運載能力45噸，近地軌道運載能力118噸。土星5號是三級火箭，由S-1C第一級、S-2第二級、S-4B第三級、儀器艙和有效載荷組成。第一級長42米，直徑10米，到尾段底部直徑增大到13米。尾段上裝有4個穩定尾翼，翼展約18米。第一級採用5台F-1發動機，推進劑為液氧和煤油，2個10米直徑的鋁製推進劑貯箱用桁條和隔框加強。第二級長25米，直徑10米，採用液氧液氫推進劑，共用5台J-2發動機。第三級長18.8米，直徑6.6米，1台J-2發動機，推進劑為液氧液氫。
火箭主要設計者之一—馮·布勞恩
除了最後一次發射天空實驗室沒有使用S-IVB（第三級）之外，所有其他土星5號火箭的發射都有三級：S-IC（一級）、S-II（二級）和S-IVB（三級）。每一級都使用液態氧（LOX）作為氧化劑。第一級使用高精煉煤油（RP-1）作為燃料，其他兩級使用液態氫（LH2）作為燃料。一般來說，一次發射任務的前20分鐘左右由火箭推動。1967年至1973年期間NASA共發射了13枚土星5號火箭，從來沒有過損失有效載荷的事故發生（雖然阿波羅6號和阿波羅13號曾出現過推進器失靈的問題，但艦載電腦都能夠通過延長剩餘推進器燃燒時間的辦法以保持飛行）。土星5號火箭的主要載荷是載著太空人成功登月的阿波羅太空飛行器。最後一次土星5號火箭的發射將天空實驗室的空間站送入太空。
- 資金投入
從1964年至1973年，土星5號火箭的總撥款高達65億美元，在1966年達到最高，僅一年中就撥了12億美元。
阿波羅計畫被縮減的主要原因是資金。1966年，美國國家航空航天局的年度政府撥款高達45億美元，約為當時美國國內生產總值（GDP）的0.5%。同年，國防部的政府撥款為635億美元，阿波羅計畫總共耗資約240億美元。，因此有人認為，資金是美國能夠領先一步登入月球的最大因素。
階段進展
從C-1到C-4
在1960年到1962年間，馬歇爾航天飛行中心為執行不同的航天任務而設計了不同的幾類火箭。
C-1火箭是土星1號運載火箭的原型，C-2火箭設計在計畫早期就被拋棄了，而隨後開始了C-3火箭設計。該枚火箭試圖使用兩個F-1火箭發動機作為第一級，四個J-2火箭發動機作為第二級，而第三級使用六個RL10火箭發動機。
NASA計畫使用C-3作為地球軌道交會的運載火箭，完成一次任務需要四到五次的發射，但是馬歇爾航天飛行中心已經開始設計更大的火箭了，C-4火箭使用四個F-1火箭發動機作為第一級，擴大了C-3火箭的第二級，而第三級使用一個J-2發動機。如果使用C-4的話，僅需兩次發射就可以完成地球軌道交會的任務。
C-5火箭
1962年1月10日，NASA宣布了建造C-5火箭的計畫。該枚火箭仍然由三級組成，第一級包括五個F-1發動機，第二級包括5個J-2發動機，而第三級是另外一個J-2發動機。C-5火箭的運載能力更強，可以直接完成一次月球任務。它可以將41噸的載荷送上月球。
C-5火箭的測試在第一個模型完成前就開始進行了。火箭的第三極被用作C-IB火箭的第二級，而C-IB火箭將要測試C-5火箭的設計概念和可行性，同時也用來提供對C-5火箭的繼續研究非常重要的飛行數據。除了對每個重要部件進行測試以外，C-5火箭也進行了整體測試，也就是一次包含了所有三級的第一次測試飛行。通過一次測試所有部件，試驗飛行所需次數大大降低了。
1963年，NASA確認了選擇C-5火箭作為阿波羅計畫的運載火箭，同時給了該枚火箭一個新的名字──土星5號。
系統組成
研製概況
性能數據
第一級
名稱 | 土星火箭第一級S-IC |
|---|---|
無燃料質量 | 131噸 |
滿載燃料質量 | 2300噸 |
直徑 | 10.1米（不含尾翼） |
長度 | 42.1米 |
發動機 | 5台F-1火箭發動機 |
發動機布置 | 中央1台，外圍4台 |
推進劑 | |
單台推力（海平面） | 6700~6909千牛 |
總推力（海平面） | 34020千牛 |
工作時間 | 150秒 |
263秒 | |
點火時間 | 起飛前8.9秒 |
中央發動機關機時間 | 起飛後135秒 |
外圍發動機關機時間 | 起飛後150秒 |
分離時高度 | 68000米 |
分離時速度 | 2756米/秒 |
使用後殘骸墜落點 | 大西洋 |
一級火箭發動機點火順序：首先中央發動機點火，隨後周圍相對的發動機以300毫秒的間隔點火。
一級火箭發動機的五台發動機所需的液氧和煤油分別由一台液氧泵和一台煤油泵提供，其中液氧泵的流量為每秒24 811加侖，煤油泵的流量為每秒15 741加侖。液氧泵的工作溫度為-185℃，煤油泵的工作溫度為15℃。
液氧泵和煤油泵由一台55 000馬力的渦輪機提供動力，渦輪泵的工作溫度為650℃。
第二級
名稱 | 土星火箭第二級S-II |
|---|---|
無燃料質量 | 36噸 |
滿載燃料質量 | 480噸 |
直徑 | 10.1米 |
長度 | 24.8米 |
發動機 | 5台J-2火箭發動機 |
推進劑 | |
單台推力（真空） | 880千牛 |
總推力（真空） | 4400千牛 |
工作時間 | 360秒 |
比沖 | 421秒 |
分離時高度 | 170000米 |
分離時速度 | 7000米/秒 |
第三級
名稱 | 土星火箭第三級S-IVB |
|---|---|
無燃料質量 | 10噸 |
滿載燃料質量 | 120.8噸 |
直徑 | 6.6米 |
長度 | 18.8米 |
發動機 | 1台J-2發動機 |
推進劑 | |
單台推力 | 1000千牛 |
工作時間 | 165 + 335秒（兩次點火） |
比沖 | 421秒 |
第一次關機時間 | 起飛後700秒（11分40秒） |
第一次關機後速度 | 7.75千米/秒 |
第一次關機後高度 | 191.2千米 |
第二次點火時間 | 起飛後2小時40分 |
第二次關機後速度 | 11.2千米/秒 |
使用後殘骸墜落點 | 月球 |
運載能力
設計製造
總體設計
土星5號火箭的設計起源於V-2火箭和木星系列火箭。由於木星系列火箭的成功，新一代的土星系列火箭開始出現。首先是土星1號和1B號，最終是土星5號。馮·布勞恩在馬歇爾航天飛行中心領導了一個團隊來建造一個足以將一艘宇宙飛船送上登月軌道的運載火箭。在他們轉為NASA工作以前，馮·布勞恩的團隊就已經開始進行增加推力、減少作業系統複雜度和設計更好的力學系統的工作了。在設計過程中，他們決定拋棄V-2火箭中的單引擎的設計思路，轉而設計多級火箭。土星1號和1B號反映了設計思想的變化，但是仍不足以將一艘載人宇宙飛船送上月球，需要若干次發射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。但是在NASA做出最優登月方式的決定的過程中，他們的設計仍然提供了一個基準參考。
土星5號運載火箭
土星5號火箭的最終設計有若干個關鍵特徵。工程師們認為，最多好的發動機使用F-1火箭發動機配合新型的稱為J-2火箭發動機的液氫推進系統，可以使土星C-5的配置達到最優。1962年，NASA做出了最終計畫，決定按照馮·布勞恩的土星設計方案繼續研究，也為阿波羅計畫贏得了時間。
隨著火箭的配置工作的完成，NASA開始考慮選擇登月的任務模式。在爭論之後，NASA決定採用月球軌道交會的方法。在推進燃料的選擇、燃料需求量和火箭製造過程等等問題都得到了解決之後，土星5號被選為登月飛船的運載火箭。該火箭的建造過程自頂向下分為三個部分：S-IC、S-II和S-IVB，每一部分都由馮·布勞恩在亨茨維爾設計，由其它契約商負責製造，如波音、北美航空、道格拉斯飛行器公司以及IBM公司。
控制設備
土星5號火箭的控制設備單元由IBM公司製造，放在第三級的頂端。控制設備在位於亨茨維爾的空間系統中心建造，該計算機控制了火箭從起飛前一直到拋棄S-IVB推進器的操作過程。控制設備包含了為火箭導航和遙測的系統。通過測量加速度和火箭的高度，可以計算出火箭的位置和速度，同時對偏向做出修正。
安全距離
火箭出現事故需要火箭自毀的時候，靶場安全官員會用遙控方式關閉發動機，在幾秒鐘後發出另一條指令引爆貼在火箭外表面上的炸藥。爆炸會切斷燃料和氧化劑箱體並將燃料迅速釋出，儘量減少燃料的混合。動作之間的暫停時間用於讓飛船成員通過阿波羅飛船的救生塔或者服務艙推進系統逃離。第三個命令用於在S-IVB推進器到達軌道後使自毀系統永久失效。當火箭在發射場時，該系統也是不激活的。
發射動態
“土星5號”火箭於1962年開始研製，1967年11月9日首次飛行，1973年5月末次飛行，計畫發射19次，後來取消2次，實際發射了17次成，成功率達到100%。
其中第1～3次是不載人模擬環地飛行，第4次是不載人試飛，從第7號開始是載人飛行。1968年12月21日發射的“阿波羅8號”載著3名航天員完成了人類第一次繞月飛，隨後，又發射了7次登月飛船。“土星5號火箭”的最後一次發射是在1973年，該次發射將“太空實驗室”送入了近地軌道。
序列號 | 任務 | 發射日期（世界時） | 注釋 |
|---|---|---|---|
SA-501 | 1967年11月09日 12∶00∶01 | 首次實驗飛行 | |
SA-502 | 1968年04月04日 12∶00∶01 | 第二次實驗飛行 | |
SA-503 | 1968年12月21日 12∶51∶00 | 土星5號的第一次載人月球軌道飛行 | |
SA-504 | 1969年03月03日 16∶00∶00 | 登月艙地球軌道測試 | |
SA-505 | 1969年05月18日 16∶49∶00 | 除月球著陸外的登月全過程的演練飛行 | |
SA-506 | 1969年07月16日 13∶32∶00 | 人類首次登月 | |
SA-507 | 1969年11月14日 16∶22∶00 | 降落在調查員3（勘察者3號）號附近 | |
SA-508 | 1970年04月11日 19∶13∶00 | 任務被放棄，成員返回地球 | |
SA-509 | 1971年01月31日 21∶03∶02 | 降落在法拉·毛羅高地附近 | |
SA-510 | 1971年07月26日 13∶34∶00 | 首次使用月球車 | |
SA-511 | 1972年04月16日 17∶54∶00 | 降落在笛卡爾環形山 | |
SA-512 | 1972年12月07日 05∶33∶00 | 唯一一次夜間發射，最後一次阿波羅月球任務 | |
SA-513 | 天空實驗室1號 | 1973年05月14日 17∶30∶00 | 使用第一和第二級火箭發射 |
備註：SA-514、SA-515未使用 | |||
展會展出
美國有幾枚土星5號火箭在美國不同地方展出，展出的地方如下：
土星5號運載火箭發射
一枚火箭在詹森航天中心中展覽，該枚火箭的第一級推進器來自SA-514，第二級來自SA-515，第三級來自SA-513（SA-513的第三級被替換成了天空實驗室）。該推進器在1977年到1979年間運抵航天中心，一直開放展出，直至2005年在其周圍建造保護結構才暫停展出，也是唯一的一枚展出中的完整的土星5號，其各級推進器都是為發射而製造的。
一枚火箭在甘迺迪航天中心，它由S-IC測試推進器和SA-514的第二級、第三級推進器組成。它已經在室外展出了數十年，1996年，它被封閉起來以進行保護。
兩枚火箭保存在亨茨維爾的美國航天火箭中心：
水平展出包括S-IC-D、S-II-F/D 和 S-IVB-D推進器，該推進器都是用作測試的，而不是用於飛行。該枚火箭在室外展覽了數十年，然後重新修復，在戴維森航天探索中心進行展出。
垂直展出的是在1999年建造的複製品。
SA-515的S-IC推進器在路易斯安那州的密喬裝配廠展出。
SA-515的S-IVB推進器用作天空實驗室的備份，在華盛頓的國家航空航天博物館進行展出。
圖紙丟失
長久以來，土星五號設計藍圖遭銷毀的流言就沒有斷過，NASA官員出面澄清，土星五號設計藍圖依然完好。只不過，完全再照原樣重建會浪費巨大資源，沒有任何實際意義。
土星5號最後一次任務所發射的天空實驗室
美國國家航空航天管理局官員否認了某書作者的一項聲明，該作者宣稱用來將阿波羅太空人送入月球的強大的土星5號火箭設計藍圖已遺失。
該否認聲明是因太空網上的一則報導所引起，該報導敘述了約翰·劉易斯在他的1996年版的《挖掘太空》一書中所作的一項宣稱，他說若干年前他一直在搜尋關於土星5號的設計藍圖，所得出的結論是它們令人難以置信地“遺失”了。
官方闢謠
保羅·肖克羅斯，來自美國國家航空航天管理局檢查長辦公室的一位官員對此作了官方辯護刊登在CCNet（一學術性電子通訊期刊，內容是關於小行星和慧星所構成的威脅）上。肖克羅斯說土星5號火箭藍圖保存在馬歇爾太空飛行中心的縮微膠片上。“打算試著重建土星5號是毫無意義的.....問題的關鍵在於，那些成千上萬的零部件已不再生產。
“位於喬治亞州東點的聯邦檔案部門同樣也擁有2,900立方英尺的關於土星的檔案資料，”他說，“在土星5號的技術資料保留計畫中有數十卷宗的相關資料。該項工作起於60年代末，目的是為了記錄F1和J2引擎生產的方方面面，以便對將來重新啟動土星5號火箭計畫有所幫助。”
無意重建
肖克羅斯警告說，重建土星5號火箭將會需要比好的設計藍圖更多的資源。“重建土星5號所面臨的問題並不是要找到它的設計藍圖，而是要找到那些能夠提供20世紀60年代中期老的硬體設備的廠商，”他寫道，“事實是，發射台和運載火箭裝配車間已改裝成建太空梭之用，所以也就沒有地方用來作為發射場所了。“等到以適合可利用的硬體設備為基礎來重新設計和改造發射台時，最好還是從一張空白清晰的草圖開始，”他寫道。
後續項目
由於重開土星五號生產線花費巨大，而且土星五號是美國20世紀60年代的科技產物與美國航天技術相比已經嚴重落後，為了滿足日益重要的高邊疆戰略計畫，NASA決定開發續任者太空發射系統（SLS系統）繼續美國的開拓天疆戰略，“太空發射系統”將有能力向太空發射77到130噸貨物，可用於發射6人獵戶座多功能乘員艙，最終的運載能力將達到143噸，甚至有可能達到165噸。相比之下，曾將太空人送上月球的長期休眠的土星V型火箭運載能力為130噸，太空梭的運載能力為27噸，當前最大的無人火箭更是只有25噸左右。
總體評價
世界上最強大的火箭：土星5號運載火箭是世界上最強大的火箭，推力達到3408噸。
土星5號運載火箭是土星系列火箭的最終型號，是美國專為實現“阿波羅”飛船登月而研製，目標是要在美國與蘇聯在“登月競賽”中贏得勝利。（金氏世界紀錄 中國載人航天網 評）
土星5號運載火箭是航天史上最成功的重型火箭，科研人員只用了6年，就完成了從論證到首飛的整個流程。之後的6年裡，13枚土星5號重型火箭先後發射，無一失敗。考慮到20世紀60年代的技術水平，該成績堪稱奇蹟，而背後是複雜的技術措施和優秀的工程管理能力。（中國軍網 評）
土星5號運載火箭歷次發射
