土星5号：最高最重推力最大的火箭

小火箭出品

本文作者：邢强博士

1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林成为了首个进入太空的人类。这是人类星际远征迈出的第一步。然而，在冷战时期，苏联的这项成就无疑加深了美国对于自己在太空竞赛中落后的恐惧。于是，那个叫做“阿波罗”的计划诞生了。

小火箭在这里不再赘述冷战时期美苏在宇宙探索领域的争霸的是非成败，也不仅仅只在表面描述在那个时代诞生的土星5号火箭。而是要撇开政治因素，单纯从总体设计的角度来分析土星5号火箭，毕竟这才是小火箭写这些东西的初衷。

“我相信这个民族能够齐聚一心全力以赴达成这个目标，即在1970年以前，人类将乘坐宇宙飞船登陆月球并且安全返回。没有任何一个太空项目能够超越它对人类的影响，超越它对宇宙远程空间探索的重大作用，也没有一个太空项目开发如此困难而且花费如此昂贵。”

阿波罗计划稳步推进。虽然阿波罗1号出现了致命的火灾事故（详见小火箭微信公众号文章《纪念阿波罗1号事故49周年》），但是，在技术人员的坚持下，无论是火箭还是飞船都逐步满足了工程需要，并最终在公元1969年7月21日凌晨2点56分（UTC），让宇航员尼尔·阿姆斯特朗的左脚踏上了月球。

这是一个人的一小步，却是人类的一大步。

上图为由尼尔·阿姆斯特朗拍摄的巴兹·奥尔德林，在奥尔德林的宇航服面罩上反射出了阿姆斯特朗和登月舱。

这一切，都有着一个推力强大的幕后英雄在做着贡献，这就是土星5号：

1968年12月21日，准备发射阿波罗8号的土星5号火箭刚刚完成低温燃料加注，准备发射。注意，照片中的那道弯月是为了烘托艺术效果而进行的二次曝光，除了最后一次阿波罗任务之外，所有的阿波罗计划都是在大白天发射的。

土星5号火箭是一枚三级火箭，其设计思路明晰，而每级火箭都有十分值得细说的东西。小火箭从第一级开始说起吧。

土星5号火箭的第一级

土星5号的第一级的箭体试制件（S-1C-1和S-1C-2）由马歇尔航天中心制造，并分别于1967年11月9日和1968年4月4日在阿波罗4号和阿波罗6号计划中得到了验证。从阿波罗8号计划开始，所有的土星5号火箭的第一级都转由波音公司制造（阿波罗7号呢？答：阿波罗7号用的是小一些的土星1号火箭，没有用土星5号）。

在发射时，5台F-1火箭发动机将产生33400千牛的推力，在150秒左右的时间内将火箭推到6万4千米的高空。这么大的推力，需要坚固的承力结构。土星5号火箭的第一级上有着整个火箭上最大的零件：5台主发动机的承力支架主梁，重21吨。另外，第一级上面有4个重816千克的铝制件，这是当时美国能够加工的最大规格的铝制零件。图为阿波罗8号任务中将要用到的土星5号火箭第一级。摄于1968年2月1日。

当年看完土星5号设计图纸的发射系统的工程师们，默默地回到肯尼迪航天中心，开始琢磨怎样才能弄得动这样的大家伙，于是就有了这样的场面：

值得一提的是，每台F-1火箭发动机的推力都比航天飞机的3台主发动机推力的总和还要大！

土星5号火箭第一级尾部近照。注意火箭底部的防热板，这是由标号为15-7PH的不锈钢制成的。

洛克达因公司的F-1火箭发动机图纸，图纸编号1111-4193，注意美国比较独特的坐标系定义方式。这一点通常会让同时学习俄式坐标系和美式坐标系的人感到困惑，不过习惯了也还好。

至此，小火箭已经介绍了土星5号火箭的第一级。第一级的箭体部分由波音公司制造，火箭发动机由洛克达因公司制造。

土星5号火箭的第二级

土星5号火箭的第二级由北美航空制造。对，就是那个研制了P-51、F-86、B-25和X-15的公司（不过，1996年北美航空作为洛克维尔国际的一部分被波音收购了。）

第二级火箭的内部编号为S-II，高24.9米，直径10米，装满燃料后总质量480吨，空壳子重36.2吨。（嗯，第二级火箭92.29%的质量是燃料。）

土星5号火箭的5台J-2火箭发动机连接在第二级底部的承力结构上，其中中间1台是固定的，周围4台可在液压作动器的控制下自由转动，以便控制火箭姿态和飞行方向。

S-II级之所以能够做到让燃料占比达到92%以上，是因为这一级的两个低温储箱之间只用了一层板子相隔。小火箭在这里不得不多说两句了。液态氢是很难对付的（详见小火箭的微信公众号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》），而液态氧也不好弄，关键是这两种低温液体有较大的温差，而且万万不可让液氢的储箱贴上液氧的（液氢的沸点为?252.87 °C，液氧的凝固点为-222.65 °C，沸点-182.96 °C），液氢的极低温会把液氧给活活冻成冰坨子，出大事。

至此，小火箭已经介绍了土星5号火箭的第一级和第二级。第二级的箭体部分由北美航空制造，火箭发动机由洛克达因公司制造。

土星5号火箭的第三级

土星5号火箭的第三级由道格拉斯公司制造。嗯，就是那个研制了DC-3运输机、DC-8、DC-10客机的道格拉斯。（1967年，与麦克唐纳合并为麦道，1997年，并入波音。）（有关DC-8，详见小火箭的微信公众号文章《DC-8:见证一个时代的远去》）

1972年11月21日，最后一枚用于发射阿波罗飞船的土星5号火箭矗立在肯尼迪航天中心第39号发射台上。傍晚的霞光，在为阿波罗计划送别。

注意，这张照片中的中间部位的两条黑色块标记的地方为土星5号火箭第一级和第二级的连接处。往上，开始收窄的地方为第二级和第三级的连接处。

第三级火箭上面的那个黑色条带代表什么呢？

答：那是土星5号火箭的大脑所在的地方。

这个环由3块120°的弧形蜂窝夹层板拼接而成。这3块板拼起来正好是一个环，它们各司其职，分别叫做：检修壁板（Fin-A）、飞行控制计算机壁板(Fin-B)和惯性导航平台壁板(Fin-C)。

如果我们以上图中的-X标记处为手表的12点位置的话，8点钟方向有一个检修门，这附近就是Fin-A。7点钟与8点钟之间为脱落插头触点。

1969年7月16日当地时间上午9点32分，搭载了阿波罗11号的土星5号火箭起飞。注意看脐带塔与土星5号火箭相连的结构，这个位置对应着脱落插头。

继续说这个环形大脑：8点钟方向旁边有个黑色的管子，这管子和上面的整个环形的管路是连在一起的，这是用来控制土星5号大脑温度的环境控制管路。用于冷却的工质是按照质量比例3:2配置的甲醇和水的混合液。黑色管子下面藏着一个2.7升的小气瓶，内有高纯氮气。黑色管子挨着的白色细管是冷却剂控制管线，下面有两个压力传感器，还有一个手动启闭阀门。7点钟方向的亮亮的圆柱形罐子是储水箱。水箱旁边的红色盒子是传说中的D-30电池系统。另外，D-30旁边是D-10电池，被管子挡住了。

6点到7点方向之间的，为弹载计算机和弹载数据记录仪。6点钟的盒子里是控制指令分配器和遥测遥控指令译码器。

5点钟那些盒子是遥测天线对应的电子器件盒，包括VHF遥测天线、C波段天线、PCM/CCS天线等。

2点钟方向的大方盒子为土星5号火箭的ST-124-M3惯性导航陀螺稳定平台的控制电路。平台旁边是加速度计信号调节器和专门供给导航系统用的56伏电源。另外的电源系统还有28伏直流电源，供小负载的电气系统使用，另有5伏直流电源供传感器使用。

土星5号的控制系统中的轴承不是一般的机械轴承，而是由高压氮气托起来的气垫轴承。4点钟方向的那个大球就是存放氮气的地方，供气压力为703吨/平方米。大球旁边是ST-124-M3惯性导航陀螺仪。

ST-124-M3惯性导航陀螺仪长这个样子。

用于发射天空实验室的土星五号（第三级火箭被天空实验室所取代），注意右侧的大型液氧储罐。摄于1973年5月4日。

土星5号不再发射阿波罗飞船，而是发射近地轨道的天空实验室是不是背离了其设计初衷？小火箭认为并没有。有冯·布劳恩博士的手稿为证：

最后，送上土星5号火箭所有的（13次）发射离地瞬间的照片：

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