土星5号：最高最重推力最大的火箭
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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。
上世纪60年代初期，时任美国总统约翰·肯尼迪在国会、莱斯大学等地多次发表演讲，正式启动了“阿波罗”计划。计划的主要内容可以用他的话来概括：
“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。
（That's one small step for a man, one giant leap for mankind.）
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：
用于阿波罗计划的土星5号火箭全高110.6米，直径10.1米，发射质量 3039吨。
3039吨的发射质量相当于什么呢？小火箭在这里放出来一张美国二战时期的巴格里级驱逐舰的照片，可以感受一下。土星5号的发射质量居然和这么大的一艘军舰一样啊！不不，先别惊叹，实际上，土星5号的发射质量相当于这样的两艘驱逐舰的标准排水量。
土星5号火箭的110.6米的高度是什么概念呢？上世纪60年代，有人画了一张这样的海报，可见该火箭比自由女神像和她的基座加起来的高度还要高不少。
1967年11月9日，阿波罗4号任务正在进行中，这是土星5号火箭的首次发射，同时也是专门为这种世界上最大的运载火箭建造的39号发射台的首次启用，是S-IC第一级火箭和S-II第二级火箭的首次发射，是S-IVB第三级火箭首次在地球轨道上进行二次点火，也是阿波罗飞船首次以接近月球返回轨道速度的速度返回地球大气层。这次任务中，飞船里没有坐人。飞船和火箭上搭载了4098件测量仪器。
1968年10月9日，土星5号火箭被拖入位于卡纳维拉尔角的39A发射台，准备为该系列火箭的首次载人发射进行测试（阿波罗8号任务）。
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）。
1961年12月15日，波音公司拿到了S-IC（土星5号火箭第一级的内部编号）的生产合同，与此同时美国宇航局马歇尔航天飞行中心（MSFC）的工程师们则正在紧锣密鼓地选定新的总工程师。第一级火箭的生产与总工程师的选任几乎同时进行，这表明了美国宇航局对波音公司的充分信任。图为波音公司的技术工人正在第一级的燃料储箱中进行装配工作。储箱里安装十字板，用来减缓发射过程中的液体晃动和旋转。材质用的是2219-T87铝合金。他们放脚的位置是很有讲究的，要踩到规定的地方，如果踩到悬空的铝合金板子上是会出问题的。因为，第一级的储箱最厚的地方也只有6.35毫米，薄的地方只有4.8毫米厚。（从下到上，分为8段，逐段减薄。）
波音显然是把这第一级火箭当成飞机来造了。他们没有一个接一个地生产，而是很快就实现了批量化。并且，他们对第一级火箭的箭体进行了总体设计优化，减轻了560千克的质量。代入到三级火箭的动力学方程中，我们可以发现，这样的优化相当于增加了36千克的有效载荷。图为躺在米丘德总装厂房内的三枚一级火箭。从左至右：S-1C-10、S-1C-11和S-1C-9（其中10和9都已经安装上了5台F-1火箭发动机）。摄于1968年10月1日。这三枚一级火箭将会在3年后，分别用在阿波罗14、15和16号任务中（在1971年1月到1972年4月的3次密集发射）。考虑到在阿波罗17号的任务中，人类将第一次登上月球，这里躺着的3枚一级火箭代表了人类登月之前的科技。米丘德总装厂房现在还在，而且波音和NASA正在这里联手总装新的SLS重型火箭。这火箭将接替土星5号火箭，成为人类最大的火箭，这就是后话了。
摆弄土星5号火箭的第一级是件很不容易的事情。这一级高42米（约14层楼），直径10米。灌满燃料的第一级火箭有2280吨重，比当时的很多驱逐舰都要重。空壳子重280吨左右。
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：
肯尼迪航天中心正在施工中的厂房，旁边是重型吊车，这些都是为迎接土星5号专门设计制造的。
1969年7月16日，阿波罗11号任务中的土星5号火箭正在进行一二级分离。指令长尼尔·阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林正在里面的阿波罗11号飞船中向月球进发。此时他们处于6万4千米的高空，并且正在经受一个短暂的3.87g的峰值过载（类似于坐过山车时的感觉），按小火箭之前的弹道计算，此时他们的速度应该为2.7千米/秒左右，是步枪子弹出膛速度的3倍。
F-1火箭发动机是美国洛克达因公司设计制造的一款液氧煤油发动机，专为土星五号运载火箭的第一级打造。F-1火箭发动机是有史以来人类制造的推力最大的单燃烧室液体火箭发动机，也是推力仅次于俄罗斯RD-170的世界第二大推力的液体火箭发动机。（RD-170发动机有4个燃烧室，一台涡轮泵和2个预燃室。）F-1以燃气发生器循环为基础。在预燃烧室里燃烧一小部分燃料，以燃气驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃烧室。图为1960年1月1日，F-1发动机在美国爱德华空军基地进行点火试验。粗壮的试验台压制住了F-1发动机6.7兆牛顿的推力（换算以“吨”为单位的推力的话，约为680.39吨），后期型号的推力略有增加。注意试车台上面的两个球罐，里面装的是火箭发动机的燃料和氧化剂。左侧略小的那个是RP-1高纯度煤油储罐，右侧较大的那个是液态氧储罐。
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！
1965年3月1日，马歇尔飞行测试中心的工程师们正在准备将一台F-1火箭发动机连接到土星5号第一级火箭的箭体上，进行静力测试。每台F-1火箭发动机的净重为8.353吨。注意中间的发动机顶端那个人头顶上的是承力连接件。连接件左侧为液氧和煤油的两条输送管路。
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。
霸气十足的冯·布劳恩与他的得意之作土星5号火箭的合影。注意巨大的F-1火箭发动机喷口。（喷口直径3.76米）
土星5号火箭与拆下来的一台F-1火箭发动机。注意火箭上的那块弹翼，蒙皮是钛合金做的。
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。）
1967年1月1日，在上文提到的那个肯尼迪航天中心的厂房内，为阿波罗6号任务准备的土星5号火箭正在吊装第二级火箭。这级火箭的箭体主要用7075系的铝合金制成。
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。）
北美航空在这间位于加利福尼亚州海豹滩的厂房内总装土星5号火箭的第二级。
土星5号火箭的第二级采用了5台J-2液氢液氧火箭发动机。该发动机由洛克达因公司研制。海平面推力486.2千牛，真空推力1033.1千牛。
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。
土星5号火箭的第二级里面采用了一种神奇的隔板来避免液氧被冻住的情况出现。这个隔板中间采用了苯酚蜂窝夹层结构，两侧用铝箔覆盖，挡在了液氢储箱和液氧储箱之间。这样的一块板子硬是顶住了两侧高达70℃的温差。（比采用传统隔离结构的火箭节省了3.6吨的质量，这块板子成了土星5号火箭性能出众的关键。）
土星5号火箭的第二级尾部有摄像机，可以将一二级分离的影像传回地面控制中心。
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》）
土星5号火箭的第三级内部编号为S-IVB，高17.8米，直径6.6米。采用1台洛克达因的J-2液氢液氧火箭发动机。
土星5号火箭的第三级火箭，注意上面的那些圆球是用来给低温燃料储罐进行加压的氦气罐。（有关氦气罐的内容，详见小火箭的微信公众号文章《“太空坠落的不明球体”是什么？》。）
阿波罗8号任务中的土星5号火箭第三级，注意上面的船箭接口设计。另外，周围那些亮亮的不是星星，而是箭体外壳碎片脱落后形成的漂浮物。
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。
小火箭要详细说说那个黑色条带下的环状结构。它的内壁分布着土星5号火箭的弹道计算机、姿态稳定系统等关键部件，是整枚火箭的大脑。
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。
IBM的电脑工程师小哥儿抱着的，是土星5号火箭的弹载计算机。它的主频（CPU内核工作的时钟频率）为2.048MHz。嗯，你没看错，是MHz。小火箭现在写这篇文章用的家用电脑的主频为3.60GHz。这不禁让我感慨万千。当年就是2.048MHz主频的电脑把人类送上绕月轨道！这计算机的主频还不到大家常用的智能手机的主频的1/1024。咱们手机有这么强大的计算能力，却主要用来玩游戏和刷朋友圈了。
1966年3月10日，冯·布劳恩博士在检视一台土星5号火箭的弹载计算机。这计算机长76.2厘米，宽26.67厘米，高31.75厘米，重36.287千克。不知道他能不能想象得到如今的计算机是怎样的，会不会梦到手机和互联网+时代的出现。
土星5号弹载计算机的内存模块长这个样子。每个模块能够存储4096个指令字。土星5号的计算机里有8组内存模块，因此总共可以存储32768个指令字。
用于发射阿波罗12号的土星5号火箭，注意该火箭的大脑刚刚被吊装上来。
不过，阿波罗飞船自己还有一套计算机，用于登月和从月面返回。型号是 IBM System/360 M75 。注意登月舱前面的方程组：月面上升段动力学方程、绕月轨道动力学方程、速度增量方程等。
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。
虽然没有了第三级，但是仅靠第一级和第二级把68.2吨重的天空实验室送入近地轨道还是没问题的。
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：
这张由冯·布劳恩博士在1964年11月29日绘制的草稿，表明了他在那个时候就开始设想用土星5号火箭发射空间站了。
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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