□ 邢強

土星5號：最高最重的火箭

□ 邢強

1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員尤里·加加林成為了第一個進入太空的人。這是人類星際遠征邁出的第一步。然而，在冷戰(zhàn)時期，蘇聯(lián)的這項成就無疑加深了美國對于自己在太空競賽中落后的恐懼。

于是，上世紀60年代初期，時任美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪在國會、萊斯大學等處多次發(fā)表演講，正式啟動了阿波羅計劃。計劃的主要內(nèi)容可以用他的話來概括：“我相信這個國家能夠齊聚一心全力以赴達成這個目標，即在1970年以前，人類將乘坐宇宙飛船登陸月球并且安全返回。沒有任何一個太空項目能夠超越它對人類的影響，超越它對宇宙遠程空間探索的重大作用，也沒有一個太空項目開發(fā)如此困難而且花費如此昂貴?！?/p>

雖然阿波羅1號出現(xiàn)了致命的火災事故，但是，在技術(shù)人員的堅持下，無論是火箭還是飛船都逐步滿足了工程需要，并最終在公元1969年7月21日凌晨2點56分，讓航天員尼爾·阿姆斯特朗的左腳踏上了月球。

而阿波羅計劃之所以能夠穩(wěn)步推進，都是因為有著一個推力強大的幕后英雄在做著貢獻，這就是土星5號。用于阿波羅計劃的土星5號火箭全高110.6米，直徑10.1米，發(fā)射質(zhì)量 3039噸。

3039噸的發(fā)射質(zhì)量相當于什么呢？我們在這里放上來一張美國二戰(zhàn)時期的巴格里級驅(qū)逐艦的照片，可以感受一下。土星5號的發(fā)射質(zhì)量居然和這么大的一艘軍艦一樣?。〔徊?，先別驚嘆，實際上，土星5號的發(fā)射質(zhì)量相當于這樣的兩艘驅(qū)逐艦的標準排水量。

土星5號火箭的110.6米的高度是什么概念呢？上世紀60年代，有人畫了一張這樣的海報，可見該火箭比自由女神像和她的基座加起來的高度還要高不少。

土星5號火箭的首次發(fā)射是在1967年11月9日的阿波羅4號任務，同時也是專門為這種世界上最大的運載火箭建造的39號發(fā)射臺的首次啟用，是S-IC第一級火箭和S-II第二級火箭的首次發(fā)射，是S-IVB第三級火箭首次在地球軌道上進行二次點火，也是阿波羅飛船首次以接近月球返回軌道速度的速度返回地球大氣層。這次任務中，飛船里沒有坐人。飛船和火箭上搭載了4098件測量儀器。

土星5號火箭是一枚三級火箭，其設計思路明晰，而每級火箭都有十分值得細說的東西。

美國巴格里級驅(qū)逐艦

工人正在第一級的燃料儲箱中進行裝配工作

土星5號和美國自由女神對比圖

土號5號的首發(fā)

土星5號火箭的第一級

土星5號第一級的箭體試制件（S-1C-1和S-1C-2）由馬歇爾航天中心制造，并分別于1967年11月9日和1968年4月4日在阿波羅4號和阿波羅6號計劃中得到了驗證。從阿波羅8號計劃開始，所有的土星5號火箭的第一級都轉(zhuǎn)由波音公司制造（阿波羅7號呢？答：阿波羅7號用的是小一些的土星1號火箭，沒有用土星5號）。

1961年12月15日，波音公司拿到了S-IC（土星5號火箭第一級的內(nèi)部編號）的生產(chǎn)合同，與此同時美國航宇局馬歇爾航天飛行中心的工程師們則正在緊鑼密鼓地選定新的總工程師。第一級火箭的生產(chǎn)與總工程師的選任幾乎同時進行，這表明了美國航宇局對波音公司的充分信任。圖為波音公司的技術(shù)工人正在第一級的燃料儲箱中進行裝配工作。儲箱里安裝十字板，用來減緩發(fā)射過程中的液體晃動和旋轉(zhuǎn)。材質(zhì)用的是2219-T87鋁合金。他們放腳的位置是很有講究的，要踩到規(guī)定的地方，如果踩到懸空的鋁合金板子上是會出問題的。因為，第一級的儲箱最厚的地方也只有6.35毫米，薄的地方只有4.8毫米厚。（從下到上，分為8段，逐段減薄。）

波音顯然是把這第一級火箭當成飛機來造了。他們沒有一個接一個地生產(chǎn)，而是很快就實現(xiàn)了批量化。并且，他們對第一級火箭的箭體進行了總體設計優(yōu)化，減輕了560千克的質(zhì)量。代入到三級火箭的動力學方程中，我們可以發(fā)現(xiàn)，這樣的優(yōu)化相當于增加了36千克的有效載荷。圖為躺在米丘德總裝廠房內(nèi)的三枚一級火箭。從左至右：S-1C-10、S-1C-11和S-1C-9（其中10和9都已經(jīng)安裝上了5臺F-1火箭發(fā)動機）。這三枚一級火箭將會在3年后，分別用在阿波羅14、15和16號任務中（在1971年1月到1972年4月的3次密集發(fā)射）?？紤]到在阿波羅11號的任務中，人類將第一次登上月球，這里躺著的3枚一級火箭代表了人類登月之前的科技。米丘德總裝廠房現(xiàn)在還在，而且波音和美航宇局正在這里聯(lián)手總裝新的SLS重型火箭。這火箭將接替土星5號火箭，成為人類最大的火箭，這就是后話了。

在發(fā)射時，5臺F-1火箭發(fā)動機產(chǎn)生33400千牛的推力，在150秒左右的時間內(nèi)將火箭推到6萬4千米的高空。這么大的推力，需要堅固的承力結(jié)構(gòu)。土星5號火箭的第一級上有著整個火箭上最大的零件：5臺主發(fā)動機的承力支架主梁，重21噸。另外，第一級上面有4個重816千克的鋁制件，這是當時美國能夠加工的最大規(guī)格的鋁制零件。

F-1火箭發(fā)動機是美國洛克達因公司設計制造的一款液氧煤油發(fā)動機，專為土星5號運載火箭的第一級打造。F-1火箭發(fā)動機是有史以來人類制造的推力最大的單燃燒室液體火箭發(fā)動機，也是推力僅次于俄羅斯RD-170的世界第二大推力的液體火箭發(fā)動機。（RD-170發(fā)動機有4個燃燒室，一臺渦輪泵和2個預燃室）。F-1以燃氣發(fā)生器循環(huán)為基礎。在預燃燒室里燃燒一小部分燃料，以燃氣驅(qū)動渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃燒室。1960年1月1日，F(xiàn)-1發(fā)動機在美國愛德華空軍基地進行點火試驗。粗壯的試驗臺壓制住了F-1發(fā)動機6.7兆牛頓的推力（換算以“噸”為單位的推力的話，約為680.39噸），后期型號的推力略有增加。注意試車臺上面的兩個球罐，里面裝的是火箭發(fā)動機的燃料和氧化劑。左側(cè)略小的那個是RP-1高純度煤油儲罐，右側(cè)較大的那個是液態(tài)氧儲罐。

值得一提的是，每臺F-1火箭發(fā)動機的推力都比航天飛機的3臺主發(fā)動機推力的總和還要大！

三枚一級火箭躺在米丘德總裝廠

土星5號火箭的第二級尾部有攝像機，可以將一二級分離的影像傳回地面控制中心

1972年11月21日，最后一枚用于發(fā)射阿波羅飛船的土星5號火箭矗立在肯尼迪航天中心第39號發(fā)射臺上

土星5號火箭的第二級

土星5號火箭的第二級由北美航空制造。對，就是那個研制了P-51、F-86、B-25和X-15的公司（不過，1996年北美航空作為洛克維爾國際的一部分被波音收購了。）

這級火箭的箭體主要用7075系的鋁合金制成。高24.9米，直徑10米，裝滿燃料后總質(zhì)量480噸，空殼子重36.2噸。（嗯，第二級火箭92.29%的質(zhì)量是燃料）。土星5號火箭的第二級采用了5臺J-2液氫液氧火箭發(fā)動機。該發(fā)動機由洛克達因公司研制。海平面推力486.2千牛，真空推力1033.1千牛，連接在第二級底部的承力結(jié)構(gòu)上，其中中間1臺是固定的，周圍4臺可在液壓作動器的控制下自由轉(zhuǎn)動，以便控制火箭姿態(tài)和飛行方向。

S-II級之所以能夠做到讓燃料占比達到92%以上，是因為這一級的兩個低溫儲箱之間只用了一層板子相隔。而液態(tài)氧也不好弄，關(guān)鍵是這兩種低溫液體有較大的溫差，而且萬萬不可讓液氫的儲箱貼上液氧的（液氫的沸點為-252.87℃，液氧的凝固點為-222.65 ℃，沸點-182.96 ℃），液氫的極低溫會把液氧給活活凍成冰坨子，這樣就出大事了。所以土星5號二級里面采用了一種神奇的隔板來避免液氧被凍住的情況出現(xiàn)。這個隔板中間采用了苯酚蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，兩側(cè)用鋁箔覆蓋，擋在了液氫儲箱和液氧儲箱之間。這樣的一塊板子硬是頂住了兩側(cè)高達70℃的溫差。（比采用傳統(tǒng)隔離結(jié)構(gòu)的火箭節(jié)省了3.6噸的質(zhì)量，這塊板子成了土星5號火箭性能出眾的關(guān)鍵。）

土星5號火箭的第三級

土星5號火箭的第三級由道格拉斯公司制造。嗯，就是那個研制了DC-3運輸機、DC-8、DC-10客機的道格拉斯。（1967年，與麥克唐納合并為麥道，1997年并入波音。）土星5號火箭的第三級內(nèi)部編號為S-IVB，高17.8米，直徑6.6米。采用1臺洛克達因的J-2液氫液氧火箭發(fā)動機。三級火箭上面的那些圓球是用來給低溫燃料儲罐進行加壓的氦氣罐。

上面介紹了土星5號火箭的三級發(fā)動機，下面介紹一下土星5號火箭的大腦，它位于火箭第三級上面，就是在圖中最上面的那個環(huán)狀黑條帶，它的內(nèi)壁分布著土星5號火箭的彈道計算機、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，是整枚火箭的大腦。

這個環(huán)由3塊120°的弧形蜂窩夾層板拼接而成。這3塊板拼起來正好是一個環(huán)，它們各司其職，分別叫做：檢修壁板（Fin-A）、飛行控制計算機壁板(Fin-B)和慣性導航平臺壁板(Fin-C)。

如果我們以上圖中的-X標記處為手表的12點位置的話，8點鐘方向有一個檢修門，這附近就是Fin-A。7點鐘與8點鐘之間為脫落插頭觸點。

8點鐘方向旁邊有個黑色的管子，這管子和上面的整個環(huán)形的管路是連在一起的，這是用來控制土星5號大腦溫度的環(huán)境控制管路。用于冷卻的工質(zhì)是按照質(zhì)量比例3∶2配置的甲醇和水的混合液。黑色管子下面藏著一個2.7升的小氣瓶，內(nèi)有高純氮氣。黑色管子挨著的白色細管是冷卻劑控制管線，下面有兩個壓力傳感器，還有一個手動啟閉閥門。7點鐘方向的亮亮的圓柱形罐子是儲水箱。水箱旁邊的紅色盒子是傳說中的D-30電池系統(tǒng)。另外，D-30旁邊是D-10電池，被管子擋住了。

6點到7點方向之間的，為彈載計算機和彈載數(shù)據(jù)記錄儀。6點鐘的盒子里是控制指令分配器和遙測遙控指令譯碼器。

土星5號的第三級

火箭三級黑色條帶內(nèi)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

三級上面的圓球是氦氣罐

5點鐘那些盒子是遙測天線對應的電子器件盒，包括VHF遙測天線、C波段天線、PCM/CCS天線等。

2點鐘方向的大方盒子為土星5號火箭的ST-124-M3慣性導航陀螺穩(wěn)定平臺的控制電路。平臺旁邊是加速度計信號調(diào)節(jié)器和專門供給導航系統(tǒng)用的56伏電源。另外的電源系統(tǒng)還有28伏直流電源，供小負載的電氣系統(tǒng)使用，另有5伏直流電源供傳感器使用。

土星5號的控制系統(tǒng)中的軸承不是一般的機械軸承，而是由高壓氮氣托起來的氣墊軸承。4點鐘方向的那個大球就是存放氮氣的地方，供氣壓力為703噸/平方米。大球旁邊是ST-124-M3慣性導航陀螺儀。

而土星5號火箭的彈載計算機。它的主頻（CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率）為2.048MHz。嗯，你沒看錯，是MHz。我們現(xiàn)在寫這篇文章用的家用電腦的主頻為3.60GHz。這不禁讓我感慨萬千。當年就是2.048MHz主頻的電腦把人類送上繞月軌道！這計算機的主頻還不到大家常用的智能手機的主頻的1/1024。咱們手機有這么強大的計算能力，卻主要用來玩游戲和刷朋友圈了。

后來，美航宇局又用土星5號火箭把天空實驗室送上太空，只不過火箭的第三級被天空實驗室所取代，雖然沒有了第三級，但是僅靠第一級和第二級把68.2噸重的天空實驗室送入近地軌道還是沒問題。

在1967年-1973年間美國共成功發(fā)射了13枚“土星5號”運載火箭，它可將45噸的貨物送到月亮上，將120噸的貨物送到近地球軌道上，隨著美國阿波羅計劃的結(jié)束，土星5號也完成了它的使命，完美謝幕了。★

（本欄目稿件由小火箭公眾號邢強博士提供）