土星5號火箭：超級太空推進器

周可

蘇聯(lián)1957年10月4日將史潑尼克（Sputnik）人造衛(wèi)星送入地球軌道，不僅開啟了人類探索太空的新紀(jì)元，也拉開了美蘇之間長達十幾年的“太空競賽”的帷幕。

1961年4月12日，傳來了一個讓美國人更加沮喪和懊惱的消息，蘇聯(lián)宇航員加加林乘坐東方一號宇宙飛船，進行了1小時48分的地球軌道繞行。美國在一個月后做出回應(yīng)，5月5日，宇航員謝潑德成為第一個進入太空的美國人，但他并沒有進入地球軌道，而且在地球上空的停留時間也比加加林要短，只有15分鐘。

1961年5月25日下午，美國總統(tǒng)肯尼迪在國會聯(lián)席會議上發(fā)表演講。在講話快結(jié)束時，他宣布美國的太空計劃即將開拓新的邊疆，并提出了登月的遠大目標(biāo)：“我認為，我們的國家應(yīng)當(dāng)在這個十年結(jié)束之前，實現(xiàn)把人類送上月球并使其安全返回地球的目標(biāo)。這個時期內(nèi)，不可能有哪一項空間計劃會比這更激動人心，比這對人類更具有影響力，或比這對宇宙的遠距離探測更為重要，沒有任何任務(wù)比完成這項使命更為困難和昂貴?！?/p>

在這次慷慨激昂的講話之后，美國便開始著手實施阿波羅登月計劃。這個計劃簡單易懂，因為人人都知道月亮是什么，誰登上了月球誰沒有，這是顯而易見的。最終，人類登上月球的時間被定格在1969年7月20日，乘坐“阿波羅11號”登月的宇航員阿姆斯特朗在月球上留下了人類的第一個腳印。在阿波羅登月計劃成功實施的背后，有數(shù)十萬人默默無聞地付出，他們的工作為登月計劃提供了航天設(shè)備、供給品和各種儀器。由于阿波羅飛船以及宇航員所乘坐的登月艙擁有極其巨大的質(zhì)量，因此需要一個擁有巨大推力的火箭來完成推送任務(wù)。阿波羅號的運載火箭——土星5號火箭最終被設(shè)計出來，并成為登月計劃中的關(guān)鍵一環(huán)。

起源：從戰(zhàn)爭武器到航天利器

土星5號火箭的起源可以追溯到二戰(zhàn)之前德國的一家業(yè)余火箭俱樂部。這個名叫太空旅行協(xié)會（VfR）的俱樂部，在1927年由一群火箭愛好者創(chuàng)立。創(chuàng)立之初，俱樂部的章程便明確指出了兩大目標(biāo)：一是推廣火箭航向月球及其他星球的觀念，二是從事火箭推進發(fā)展的嚴(yán)謹實驗。德國天才火箭工程師沃納·馮·布勞恩（Wernher von Braun）是太空旅行協(xié)會的創(chuàng)始人之一。

二戰(zhàn)爆發(fā)后，德國準(zhǔn)備入侵歐洲。由于受到《凡爾賽條約》的制約，德軍無法使用遠程大炮，因此，他們對太空旅行協(xié)會的研究產(chǎn)生了興趣，并且打算將新的火箭技術(shù)應(yīng)用到戰(zhàn)爭中去。在德國東北部烏瑟多姆島上的佩內(nèi)明德基地，馮·布勞恩和他的工程師團隊研發(fā)出A-4火箭。到了二戰(zhàn)末期，常規(guī)彈頭被安裝在A-4火箭的頂部，并且被德國宣傳部門更名為V-2火箭，也就是復(fù)仇者2號。

1944年9月8日在倫敦克伊斯維克的爆炸，標(biāo)志著V-2火箭作為威懾武器首次使用。得知V-2火箭襲擊倫敦后，馮·布勞恩將這天稱為自己生命中最黑暗的日子，他說：“我們的火箭表現(xiàn)出色，只是它在一個完全錯誤的星球上著陸?！?/p>

在1945年二戰(zhàn)即將結(jié)束的最后時刻，盟軍派出了多支情報專家小組搜尋實用的軍事技術(shù)。馮·布勞恩和他的團隊也在搜尋名單之上。馮·布勞恩和他的團隊最后時刻選擇向美國投降，于是美國不費吹灰之力便得到了如此重要的“戰(zhàn)利品”。到達美國后，馮·布勞恩被任命為美國陸軍彈道導(dǎo)彈署發(fā)展部主管。

雖然在美國從事導(dǎo)彈研發(fā)工作，但是馮·布勞恩始終不忘自己的太空理想，他進行演講，出版書籍，向公眾宣傳人類飛向太空的可能性。1954年，《科利爾》雜志邀請了一些專家對太空探索進行討論，并且將討論內(nèi)容分8次發(fā)表?！犊评麪枴冯s志將這些報道視為科學(xué)，而非科幻。馮·布勞恩為太空船及其發(fā)射設(shè)備提供了真實的描述。這一系列報道傳遞的信息是，太空探索是可行的，并且即將發(fā)生。盡管推進技術(shù)仍然有很多困難需要克服，但在馮·布勞恩看來，解決這些問題的時間并不會太遙遠。

迪斯尼讀了《科利爾》雜志的報道后，對太空探索產(chǎn)生了極大的興趣，他決定在自己的電視節(jié)目中，設(shè)立一個有關(guān)太空的主題，取名為“明日世界”。馮·布勞恩給“明日世界”這個節(jié)目提供了很多有用的建議，他也因此受到大眾更多的關(guān)注，甚至有人曾經(jīng)在新年前夜給他打電話，希望得到一張前往月球的入場券。

研發(fā)：從“木星”到“土星”

在1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星后，美國陷入一片慌亂。馮·布勞恩在這場慌亂中卻保持了足夠的冷靜。他對媒體說，美國并不缺乏火箭競賽所需的天才。馮·布勞恩還表示，單靠一個天才獨自解決所有問題的時代一去不復(fù)返了，現(xiàn)代科學(xué)錯綜復(fù)雜，越來越需要一群專家共同協(xié)作，團隊工作十分重要。

美國政府決定發(fā)射一顆衛(wèi)星來回應(yīng)蘇聯(lián)的太空行動，但他們沒有選擇馮·布勞恩及其團隊研發(fā)的紅石火箭，而是選擇海軍研發(fā)的尚未進行過試驗的“先鋒號”（Vanguard）運載火箭進行衛(wèi)星發(fā)射。這次回應(yīng)不僅是冒險的，而且也是失敗的。不成熟的“先鋒號”在發(fā)射途中出現(xiàn)故障，墜落的火箭點燃了整個發(fā)射區(qū)，讓艾森豪威爾政府十分尷尬。這次衛(wèi)星發(fā)射失敗后，馮·布勞恩的火箭小組獲得了機會。1958年1月31日，馮·布勞恩研發(fā)的木星C火箭將探索者一號人造衛(wèi)星送入太空，在太空競賽中為美國扳回一局。

在登月成為一個明確的而且必須完成的計劃之后，美國宇航局（NASA）的管理層便開始決策如何完成登月旅程。作為登月的重要環(huán)節(jié)，一個巨大無比的火箭是必須的。早在1952年，馮·布勞恩就曾經(jīng)在一篇公開發(fā)表的文章中畫過一幅有關(guān)大型火箭的插圖，第一級大火箭有51臺發(fā)動機，起飛推力達2800萬磅。在擁有超級推力的F-1液體火箭發(fā)動機被發(fā)明出來后，建造一個巨大無比的火箭成為可能。

在轉(zhuǎn)向研發(fā)航天專用的重型運載火箭后，馮·布勞恩與他的團隊最初研發(fā)了超級丘比特火箭，該火箭由多個發(fā)動機捆在一起，以獲得巨大的推力，這一方案逐漸演變成“土星”火箭。在馮·布勞恩的繪圖板上的土星系列火箭中，有一個體型巨大的C5火箭，大約有36層樓那么高，這種火箭最后改名為土星5號火箭。

馮·布勞恩最初打算制造一個完整的運載火箭系列，但最終只研制了三個型號的土星火箭。最早研制的是土星1號火箭，它驗證了通過捆綁多個發(fā)動機以提高推力的設(shè)想。

土星1B號火箭則是土星1號火箭的升級版，使用了由麥道公司制造的新型高效火箭級S-4B。S-4B也是土星5號火箭的第三級，為所有載人飛船提供最后的推力。在土星1B號火箭中，S-4B是載人級運載火箭的第二級，它將指令艙或登月艙送入地球軌道。

馮·布勞恩曾經(jīng)在圖紙上設(shè)計了土星1號之后的三個火箭方案，但隨著NASA早期計劃的變更，這三個方案沒有實現(xiàn)，而是直接研制了土星5號。

土星5號火箭是一個高110米、直徑10米、起飛重量達3000噸的龐然大物。分為三級，每一級的制造都通過嚴(yán)格投標(biāo)，承包給不同的公司，產(chǎn)品的每一個部件都有NASA的工程師進行嚴(yán)密監(jiān)督。第一級S-1C由波音公司制造，5個F1發(fā)動機捆在S-1C底部，托起土星5號3000噸的重量。盡管S-1C在土星5號的飛行中起主導(dǎo)作用，但它在起飛兩分半多一點時間后便脫離。S-2級是土星5號的第二級，很像大號的S-4B，安裝了5個不可重啟的J-2發(fā)動機，可以產(chǎn)生相當(dāng)于520噸的合成推力。土星5號火箭的第三級S-4B是土星5號火箭中最小的一級。由于它也是土星1B火箭的第二級，因此幾乎不需要改進便完美地與土星5號火箭的其余部分一同工作。

關(guān)于土星5號火箭還有一些東西是定量描述無法表達的。這枚苗條、光滑、潔白的火箭直指蒼穹，空前絕后。它就像美國的登月計劃一樣，充滿了人類的冒險精神。

從地球抵達月球的路徑也一直懸而未決。最初有兩種登月方案被提出來。有人提出了直接上升式的方案，該方案不需要在地球軌道停留，由火箭直接將飛船送到月球。如果采用這種方案，阿波羅飛船將攜帶完成登月并返回地球的所有裝備。同時，這個方案需要一種新型的新星火箭，如果將這枚火箭制造出來，體積將十分驚人。在研發(fā)過程中，有工程師抱怨說，這個大東西都快把航天中心所在的梅里特島壓沉了。

馮·布勞恩不贊同直接抵達月球這樣簡單卻十分冒險的方案，他認為地球軌道交匯的發(fā)射方案更容易實現(xiàn)。該方案需要在短期內(nèi)發(fā)射多枚較小的土星火箭，將飛船送入地球軌道，然后這些組件在那里被組裝起來，再飛往月球。

另一個研究小組在研究前往月球的可能軌道時，發(fā)現(xiàn)了一種新的可行性方案，即與月球軌道交匯的發(fā)射方案。在月球軌道停泊可以節(jié)省很大重量，只需要一枚土星5號火箭便可以完成任務(wù)。最終，這種大膽高效的方案成為了阿波羅號的奔月途徑。

起航：下一站，月球

第一枚土星火箭——土星1號在1961年10月27日發(fā)射升空，發(fā)射高度到達了136千米，是一次近乎完美的試射。1967年11月9日，第一枚土星5號火箭進行了首次飛行，在肯尼迪太空中心將阿波羅4號發(fā)射升空。

一年后，載人的土星5號火箭也首次升空。那是1968年12月21日的阿波羅8號發(fā)射任務(wù)，弗蘭克·博爾曼、比爾·安德斯、吉姆·洛弗爾三名宇航員乘坐土星5號火箭離開地球。阿波羅8號是第一次脫離地球軌道飛向月球的太空船，三名宇航員在長達三天的奔月飛行中，需要練習(xí)通過觀察地球、月亮和星星來檢測飛船的飛行軌跡。1968年12月24日，就在地球上的人們歡度圣誕前夜的時候，阿波羅8號進入了月球軌道，開始繞月10圈的旅程，宇航員觀察了登月著陸的位置，并演練繞月導(dǎo)航技術(shù)。他們在月球軌道上傳回了聲音和影像，并且拍到了第一張地球升起的照片。

1969年7月16日清晨，阿波羅11號即將從肯尼迪航天中心啟程。39號發(fā)射臺上，龐大的土星5號火箭身披白色優(yōu)雅的外殼，聳立在發(fā)射臺上面巨大的鋼架之中，肩負著人類的登月使命。尼爾·阿姆斯特朗、埃德溫·布茲·奧爾德林、米歇爾·柯林斯三位宇航員準(zhǔn)備就緒，等待點火時刻的到來。倒計時后，土星5號底部的引擎噴射出巨大的火焰，火箭緩緩升空。據(jù)說當(dāng)時有超過100萬人聚集在發(fā)射場周圍，在土星5號成功升空后，幾乎所有人都松了一口氣。

1969年7月20日，阿姆斯特朗和埃德溫爬進老鷹號登月艇，與指揮艙脫離，前往月球準(zhǔn)備著陸。之后，休斯頓指揮中心收到了那條讓人激動的訊息：“休斯頓中心，老鷹號已經(jīng)著陸?！痹诎⒛匪固乩侍ど显虑虮砻嬷螅祟惤K于第一次到達地球之外的地方。

尾聲：寂寞的結(jié)局

1972年12月7日發(fā)射的阿波羅17號成為美國登月計劃的尾聲。1973年5月14日，土星5號火箭成功將天空實驗室發(fā)射升空。天空實驗室重達77噸，有三批宇航員分別在上面工作了1個月、2個月和3個月。1975年，作為阿波羅-聯(lián)盟測試計劃（ASTP）的一部分，土星1B火箭將一艘美國的阿波羅飛船送入地球軌道，并且與一艘蘇聯(lián)的“聯(lián)盟”飛船在太空交匯聯(lián)接，成為兩國的太空競賽差強人意的尾聲。

盡管美國人的登月行動在今天頗有爭議，但大多數(shù)人對于登月的歷史意義仍舊持頌揚態(tài)度并滿懷期望。美國科幻小說家雷·布拉德伯利說：“我愿預(yù)測距今一萬年后，未來的人們回顧起來會說，1969年7月是人類歷史上最偉大的月份和最偉大的日子。這絕不會改變，因為在那一天，人類掙脫了地球引力的束縛，數(shù)百萬年來我們一直束縛在地球上，期待某一天能夠登上月球。我們生活在洞穴時代的時候就夢想著這一天。最后，我們沖破束縛，獲得自由，人類的精英在那晚飛進太空，并將永遠不會停止繼續(xù)往前飛翔。”

至于土星5號火箭，美國人的確從它那里學(xué)到不少東西。美國一些研制公司將土星火箭的經(jīng)驗用到了其他系列火箭上，比如宇宙神、德爾它和大力神系列的改進型。然而，這些火箭用了30多年的時間，才能與土星1B火箭的推力相當(dāng)，而土星1B火箭的功率，僅僅相當(dāng)于土星5號火箭底部的一個F1發(fā)動機的推力。

太空競賽結(jié)束后，土星5號火箭的結(jié)局稍顯落寞。剩下的土星5號火箭各級部件成為了各個博物館中的展覽品，也有的被放在各地的NASA中心的草坪上作為裝飾。精心制造的F-1和J-2發(fā)動機，也裸露在佛羅里達州的室外接受風(fēng)吹雨淋，同時接受眾多好奇游客的觸摸和擺弄。