“土星五号”火箭为什么那么强？美国登月全靠
随着美国私人太空探索技术公司（SpaceX）在商业航天领域的快速崛起，使各国在运载火箭方面的竞争变得更加激烈。目前，能够自行发射运载火箭的国家或国际组织主要有中国、美国、俄罗斯、欧洲空间局、日本、印度等。按照NASA对火箭的分类，近地轨道运载能力2吨以下为小型火箭，2吨到20吨为中型火箭，20吨到50吨为大型火箭，大于50吨为重型火箭。
（土星五号运载火箭发射，图片来源维基百科）
按照此标准，目前能够发射近地轨道运载能力大于25吨以上的大型甚至重型运载火箭的国家，则只有中国和美国，其中美国现役的有“猎鹰重型”运载火箭和“德尔塔4”重型运载火箭，其最大近地轨道运载能力分别为63.8吨和28.79吨；而中国现役的则是“长征五号”运载火箭，其最大近地轨道运载能力为33吨。俄罗斯现役最强的运载火箭则为安加拉A5运载火箭，其近地轨道运载能力则只有24.5吨。
（从左至右：猎鹰重型，德尔塔4型，长征五号，质子M型，安加拉A5，图片来源维基百科）
而在上世纪美苏“冷战”时期，为了取得在太空探索方面的主导权，美国和苏联均研制出迄今为止运载能力和起飞推力最大的运载火箭，目前还没有现役火箭能达到那样的能力。其中美国的“土星五号”运载火箭近地轨道运载能力达到惊人的140吨，海平面推力则达到3500吨；前苏联的“能源号”运载火箭近地轨道运载能力则为100吨，海平面推力则达到3900吨，至今仍保持着起飞推力的世界纪录。
（能源号运载火箭，图片来源维基百科）
1、为什么会研制“土星五号”火箭？在人类太空探索初期，前苏联一直走在美国的前面，第一个发射人造卫星（1957年10月4日），第一个将人类送入太空（1961年4月12日），这极大地刺激了美国人的神经。因此，1961年5月25日，美国肯尼迪总统在国会上发表演讲，称在10年内美国人将登上月球并安全返回，“阿波罗”计划则随之诞生。由于要将载人轨道器发送到月球轨道并实施登陆，因此需要大推力的运载火箭，“土星五号”的研制则被提上日程。
（登月舱和月球车，图片来源NASA）
“土星五号”火箭由马歇尔太空飞行中心总指挥冯·布劳恩和阿瑟·鲁道夫主导研发，主要承包商包括波音、北美航空、道格拉斯飞行器公司以及IBM。冯·布劳恩曾是纳粹德国著名的V-2火箭的总设计师，在1946年9月美国总统杜鲁门开展的回纹针行动中，冯·布劳恩被引入美国，此后一直效力于美国运载火箭研发，其一生最大的成就就是研制了“土星五号”火箭，并成功将人类送上月球，进一步使美国太空探索能力远超前苏联。
（冯·布劳恩，图片来源维基百科）
2、“土星五号”火箭有什么样的能力？在“土星五号”设计初期，设计团队准备沿用V-2火箭和“木星”系列火箭的设计思路，但是单级设计模式无法提供足够的推力，因此也就被放弃而转向了多级设计。“土星五号”采用三级布局，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。所有的三级发动机都使用液氧作为氧化剂。第一级使用RP-1煤油作为燃料，第二级和第三级都使用了液氢作为燃料，每一级的上一级都使用了小的固体燃料发动机以将其与下一级分离，同时保证液体推进剂在正确的位置注入泵中。
（土星五号F-1发动机与冯·布劳恩，图片来源维基百科）
“土星五号”火箭总高度达到111米，直径达10米，加满燃料以后，总重量达到3000吨，可以将140吨重的物体送到近地轨道，地月转移轨道运载能力约为48.6吨，能一次性将登月所需的指挥/服务舱和登月舱送入月球轨道。之所有这么强大的运载能力完全依赖于强大的火箭发动机，一级火箭发动机F-1单台推力达到惊人的690吨，由美国普惠公司旗下的洛克达因公司负责生产，是目前推力最大的单喷嘴（单燃烧室）液体火箭发动机，也是仅次于俄罗斯（前苏联）RD-170的推力最大的液体引擎（RD-170发动机有4个燃烧室，一台涡轮泵和2个预燃室）。
（用于执行“阿波罗17号”任务的土星五号火箭，图片来源维基百科）
目前我国“长征五号”的YF-100火箭发动机推力则只有120吨，处于研制阶段将用于我国“长征九号”重型运载火箭的发动机则为500吨级，由此可以看出我国还需要大力发展火箭发动机技术，才能满足我国登月和登火，乃至后续的深空探索任务。
3、“土星五号”火箭都干了些什么？“土星五号”火箭于1967年11月9日首次无人发射，并成功执行了“阿波罗4号”任务，对飞船和多件测量仪器进行了实验。“土星五号”火箭总共进行了13次发射，12次发射成功，其中在执行“阿波罗6号”任务时，由于J-2发动机故障导致失败，由此也可以看出“土星五号”具有极高的发射成功率。
（“土星五号”火箭，图片来源维基百科）
在“阿波罗”计划期间，总共建造了15枚“土星五号”火箭，执行了12次“阿波罗”登月发射任务，其中所有的11次载人发射任务均取得成功，“阿波罗13号”载人登月任务的失败在于轨道飞行器的氧气泄露，与运载火箭无关。由于“阿波罗”计划资金的减少，随后的登月任务也取消，余下3枚火箭，其中一枚用于天空实验室的发射，另外两枚则用于博物馆展览。
（“土星五号”火箭发射任务，图片来源维基百科）
4、美国为了重返月球，在做哪些准备？“土星五号”火箭与“阿波罗”登月计划已成为历史，在人类对地球进行长期轨道探测研究后，航天技术也取得了长足进步，人类的目光又一次望向了深空。为了实现人类火星登陆，实现星际旅行，登陆月球则成为了最好的试验场。然而，目前有登月计划的航天大国均缺乏类似“土星五号”推力大小的火箭。
(太空发射系统SLS，图片来源NASA）
目前世界上现役运载能力最大的“猎鹰重型”运载火箭仍然无法满足登月发射任务。为此，美国国家航空航天局（NASA）正在开发新一代重型运载火箭：太空发射系统（SLS），其中Block1（载人版）有效载荷约为70吨，计划于2021年首飞，Block2（货运版）有效酬载约为130吨，计划于2028年首飞。美国SpaceX公司也在发展新一代的星舰发射系统，预计近地轨道运载能力为150吨。
（SpaceX星舰发射系统，图片来源SpaceX）
从目前研制的进度和难度来看，不得不感叹“土星五号”火箭的强大，以及佩服上世纪60年代到70年代美国太空探索能力。
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