土星运载火箭早期发展-太空探索和开发

20世纪50年代末，美国空军、陆军和新成立的NASA都在考虑研制大型运载火箭。空军有太空发射系统计划（Space Launching System－SLS），以及利用太空发射系统大型火箭的月球计划（Lunex Project）；陆军弹道导弹局在发展它的大型运载火箭"朱诺"V（后来的"土星"运载火箭），用于卫星和其他航天器发射平台，及探月和空间站计划；新成立的国家航空航天局在研究“新星”（Nova）系列火箭，计划送24吨的载荷到月球轨道，该设计于1959年1月27日报送当时总统艾森豪威尔。

国防部认为“土星”运载火箭太大太贵，担心“土星”项目占用其他关键项目资金，“土星”那样大型运载火箭是国家航空航天局的事。所以1960年7月1日，陆军弹道导弹局人员和组织从陆军转移到新成立的国家航空航天局，国防部转向“大力神”火箭家族的开发，因为“大力神”火箭制造和发射费用低。

这导致国家航空航天局有2个大型运载火箭设计方案，自己的“新星”火箭和新来的“土星”火箭，新来的项目是外来户，受到国家航空航天局的冷遇。

“土星”火箭家族由冯·布劳恩领导的德国科学家和工程师为主的火箭队伍开发。“土星”运载火箭项目可以追溯到1957年4月，当时陆军弹道导弹局的冯·布劳恩向美国国防部建议，发展一种推力为6，700千牛顿的运载火箭，作为通用运载火箭，提供各种军事服务，包括发射海军的导航卫星，陆军与空军的侦察、通信和气象卫星，可以把9，000公斤载荷送入近地轨道，在近地轨道装配一个90吨的月球航天器，还打算建立太空站，以及星际飞行。

冯·布劳恩队伍考虑了两种获得大推力火箭的方法。第一种方法使用多台火箭达到起飞推力6，700千牛顿；第二方法研制远大于当时所有发动机的单个发动机。

对于第一种方法，冯·布劳恩提出用8枚“红石”导弹捆绑在“木星”导弹周围构成第一级。这样9枚火箭中的每一枚都有一台洛克达因改进的S-3D发动机。把S-3D发动机推力从67吨提升到84吨。结果发动机叫作H-1。对于第二种方法，洛克达因公司开发新发动机F-1，它可以提供多台H-1发动机的综合推力。

1958年8月15日国防部高级研究计划局批准了多台发动机捆绑方案，研制开始。按陆军弹道导弹局设计人员想法，该运载火箭应该叫“朱诺”V，因为由“木星”C探空火箭和“木星”中程导弹改型的运载火箭分别叫“朱诺”I和“朱诺”II，而“朱诺”III和“朱诺”IV已有构思，但还没有建造，排下来应该是“朱诺”V。

来自“木星”C探空火箭的“朱诺”I以发射美国第一颗卫星“探险者”1号而闻名。来自“木星”导弹的“朱诺”II是美国20世纪50年代和60年代的运载火箭，主要用于发射“先驱者”和“探险者”卫星。“朱诺”III和“朱诺”IV并没有实施。“朱诺”V后来变成“土星”系列，是美国第一个专用太空运载火箭系列。

1958年10月，冯·布劳恩提议“朱诺”V运载火箭改名为“土星”运载火箭，排在“木星”火箭之后。1959年2月3日陆军弹道导弹局正式批准名字更改。1959年“土星”火箭评估委员会建议为“土星”火箭发展新的燃氢上级，从大量使用现有技术和成熟设计，到使用当时还没有的硬件设计，为“土星”火箭勾画了8个不同组合方案，即A-1，A-2，B-1，C-1，C-2，C-3，C-4，以及C-5，如下图所示。

图2-12　“土星”火箭方案(www.xing528.com)

1960年，洛克达因公司获得新液氢发动机合同。同年，道格拉斯获得发展“土星”IV（“土星”C-4）合同。

1961年5月，肯尼迪总统宣布10年内把航天员送上月球。为了按时完成登月任务，对“新星”和“土星”两种火箭进行了评估。两者有类似设计，但是“土星”容易生产，因为许多零件通过空运就可以得到，只要设立一个新厂，而“新星”的主要火箭级需要建设一批新厂。因此，“土星”火箭入选，“新星”火箭落选。从此“土星”运载火箭和“阿波罗”登月计划紧紧地联系在一起。

1962年1月，国家航空航天局开始为登月计划发展大型运载火箭。首先花六个月研究“土星”C-3、C-4、C-5的相关材料，“土星”C-4近地轨道运载能力99，000公斤，地月转移轨道运载能力32，000公斤，可以送30，000公斤的“阿波罗”指令/服务舱进入月球轨道，但是它不能搭载15，000公斤的月球舱。“土星”火箭评估委员会认为更强大的“土星”C-5（后来“土星”V）才是最佳设计。

但是，“土星”C-5的3级火箭都在纸面上，因为登月飞行试验需要尽早进行，所以国家航空航天局决定继续发展“土星”C-1（后称“土星”I），作为试验用火箭。因为“土星”C-1的第一级采用“红石”和“木星”导弹的现成技术，而且上级已经在研制中，所以1962年，国家航空航天局就用“土星”C-1把“阿波罗”月球飞船送入地球轨道，为登月做准备和训练，赢得按时送人到月球的宝贵时间。

“土星”C-1的改进型叫“土星”C-1B。1963年2月，在国家航空航天局的项目命名委员会的建议下，“土星”C-1简称“土星”I，“土星”C-1B简称“土星”IB，“土星”C-5简称“土星”V。

1968年10月11日“土星”IB成功地发射了首个载人“阿波罗”飞船7号。

1968年12月21日“土星”V运载火箭发射了“阿波罗”飞船8号，完成首次载人环绕月球飞行。1969年7月16日，“土星”V运载火箭发射“阿波罗”飞船11号，实现人类首次登月。

“阿波罗”月球计划完成后，美国实施了一系列“阿波罗”后续应用计划，但是只完成其中的“太空实验室”和与美苏“阿波罗－联盟”飞船对接两项任务。

1973年5月14日一枚改型的“土星”V火箭把“太空实验室”空间站送入地球轨道。同年5月25日到11月16日，“土星”IB火箭三次把三名航天员送到“太空实验室”。

1975年7月15日，“土星”IB火箭再次发射“阿波罗”飞船，实现美苏“阿波罗－联盟”19飞船对接。