土星5號運載火箭

土星5號運載火箭

土星5號運載火箭(Saturn V),又譯農神五號,亦稱為月球火箭,是美國國家航空航天局(NASA)在阿波羅計畫天空實驗室計畫兩項太空計畫中使用的多級可拋式液體燃料火箭。土星5號運載火箭是僅次于蘇聯能源號運載火箭的推力第二大運載火箭。在1967年-1973年間共發射了13枚"土星5號"運載火箭,它們保持著完美的發射記錄。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"運載火箭的生產線于1970年關閉。"土星5號"的最後一次發射是在1973年,這次發射將"天空實驗室"空間站送入了近地軌道。

  • 中文名稱
    土星5號運載火箭
  • 外文名稱
    Saturn V
  • 別名
    神農五號、月球火箭
  • 建設單位
    美國國家航空航天局
  • 高度
    110.6米
  • 推力
    3400噸

摘要

美國土星5號是截至目前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噸;總推力達3400噸左右,可將118噸的有效載重送上近地軌道。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。

土星5號(SA-501)攝于阿波羅4號發射前土星5號(SA-501)攝于阿波羅4號發射前

盡管NASA曾構想過更大的火箭(例如新星火箭),土星5號是歷史上、土星號運載火箭成員中最大的火箭,土星5號由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納·馮·布勞恩與他的德國火箭團隊擔任設計研發工作,主要的承包商包括波音公司、北美人航空公司、道格拉斯飛行器公司以及IBM。

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分鍾左右由火箭推動。1967年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號的主要載荷是載著宇航員成功登月的阿波羅航天器。最後一次土星5號的發射將天空實驗室的空間站送入太空。

背景

20世紀60年代初期,蘇聯在太空競賽領先于其對手美國。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,蘇聯宇航員尤裏·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日肯尼迪總統宣布美國會在1970年之前將宇航員送上月球。那時,美國唯一的一次載人太空任務是艾倫·謝潑德水星-紅石3號;僅在太空停留了15分鍾,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航天器。土星1號火箭當時還在研製過程中,但由于其推力遠遠不夠,需要若幹次發射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。

土星5號運載火箭

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)。盡管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,由于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。

資金

1964年1973年,土星5號的總撥款高達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。

基本資料

土星5號火箭圖片1土星5號火箭圖片1

所屬國家/組織

美國

生產單位(S-IC)

波音公司

生產單位(S-II)

北美人航空公司

生產單位(S-IVB)

道格拉斯飛行器公司

整體組裝地點

飛行器裝配大樓(Audlo Video Bridging)

首飛

1967年11月9日

發射場

肯尼迪航天中心

發射台編號

LC-39A(除阿波羅10號以外)

LC-39B(阿波羅10號)

起飛推力

34020千牛

參數列表

土星5號火箭圖片2土星5號火箭圖片2

高度

110.6米(搭載阿波羅飛船)

109米(搭載天空實驗室)

芯級最大直徑

10.1米

13米(含突出的發動機)

18米(含尾翼)

起飛質量

3 038 500千克

第一級

第一級火箭發動機相關圖片第一級火箭發動機相關圖片

名稱

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

煤油/液氧

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

比沖

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

二級火箭相關圖片二級火箭相關圖片

名稱

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

液氫/液氧

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

三級火箭相關圖片三級火箭相關圖片

名稱

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

液氫/液氧

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

近地軌道

119000千克

月球軌道

45000千克

發射紀錄

序列號

任務

發射日期(世界時)

注解

SA-501

阿波羅4號

1967年11月09日 12∶00∶01

首次實驗飛行

SA-502

阿波羅6號

1968年04月04日 12∶00∶01

第二次實驗飛行

SA-503

阿波羅8號

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

阿波羅9號

1969年03月03日 16∶00∶00

登月艙地球軌道測試

SA-505

阿波羅10號

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

阿波羅11號

1969年07月16日 13∶32∶00

人類首次登月

SA-507

阿波羅12號

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

阿波羅13號

1970年04月11日 19∶13∶00

任務被放棄,成員返回地球

SA-509

阿波羅14號

1971年01月31日 21∶03∶02

降落在法拉·毛羅高地附近

SA-510

阿波羅15號

1971年07月26日 13∶34∶00

首次使用月球車

SA-511

阿波羅16號

1972年04月16日 17∶54∶00

降落在笛卡爾環形山

SA-512

阿波羅17號

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天空實驗室(Skylab)

SA-514、SA-515未使用

土星5號最後一次任務所發射的天空實驗室土星5號最後一次任務所發射的天空實驗室

火箭圖紙

有一個流行的說法認為土星5號的設計圖紙已經丟失了或者是故意的銷毀了。實際上設計圖紙仍然儲存在馬歇爾航天飛行中心的微縮膠卷上 。

部分土星5號火箭圖紙部分土星5號火箭圖紙

而F-1火箭發動機的圖紙,據生產F-1發動機洛克達因公司聲稱,他們擁有該發動機的完整資料。

展出

至今為止還有幾枚土星5號火箭在美國不同地方展出,展出的地方如下:

土星5號火箭圖片3土星5號火箭圖片3

一枚火箭在約翰遜航天中心中展覽,這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)。這些推進器在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。這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。

一枚火箭在肯尼迪航天中心,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。

兩枚火箭儲存在亨茨維爾的美國航天火箭中心:

水準展出糗括S-IC-D、S-II-F/D 和 S-IVB-D推進器,這些推進器都是用作測試的,而不是用于飛行。這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年建造的復製品。

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。

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