土星五号火箭以前有多牛？为啥美国再也不造了？

土星五号火箭（英文名称 Saturn V），是美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗计划和天空实验室计划中使用的多级可抛式液体燃料火箭。从上世纪人类迈出踏入宇宙的步伐后，航空航天技术就被列入衡量一个国家综合国力强弱的众多标准中。技术发展越来越迅猛的今天，美国却也无法制造出上世纪和苏联进行太空竞赛时的土星五号，其原因是什么？

一、奇迹的诞生；登月时代，亟需重器

第二次世界大战结束后，世界并未实现真正的和平。苏、美两个超级大国萌生了称霸世界的想法，东、西方两大阵营迅速掀起了政治、经济和科技等各方面的竞争。在“二战”中，武器装备的科技优势成为了决定胜负的核心因素，双方也毫不疑问的把太空竞赛列到重要位置。为了抢到德国“V2”火箭技术，美国甚至铤而走险通过“回纹针行动”秘密引进了上百名火箭核心研发团队，其中包括了“V2火箭之父”阿图尔·鲁道夫和后来声名鹊起的火箭总设计师沃纳·冯·布劳恩等人，使他们免于被逮捕和审判，直接投入到美国航天的早期发展中。

土星五号火箭和总设计师冯·布劳恩（图源：NASA）

苏联也不甘示弱，迅速笼络了大批德国火箭专家和工程师，以及收缴的工厂、图纸和火箭等。国家层面也把航天事业放到前所未有的高度，由国防工业委员会直接负责实施，成立了大量配套的科研院所和工业实体。在举国体制的加持下，苏联在太空竞赛的早期优势明显，首先突破了洲际弹道导弹技术并于1957年8月首飞，这也意味着苏联掌握了航天时代的基本运载工具。随后，苏联实现了世界首个人造卫星、（男/女）航天员、空间站、月球探测器、火星探测器等瞩目成就。美国总是紧随其后，但“首个”带来的政治影响和宣传价值是无可取代的。而下一个竞争高地，就是最具冲击力的载人登月。

美国对载人登月的野心用肯尼迪总统1961年在莱斯大学演讲的名句就可以说明：“我们要在这个10年结束前把人送到月球”、“我们选择登陆月球，不是因为它很简单，而是因为它很难”。在这个演讲的背后，事实上是美国也选择了举国体制搞航天的路线。美国组建了国家航空航天委员会，由副总统直接领导，NASA的核心机构也先后成立，后来闻名遐迩的肯尼迪中心、约翰逊中心也直接以时任总统和副总统命名。巅峰时期NASA预算达到了整个政府预算的4.5%，重视程度可见一斑。

为了载人登月，美国一系列辅助任务迅速开展。1961-1965年，9个游骑兵（Ranger）任务，全方面了解月球表面情况。1966-1967年，5个月球轨道器（Lunar Orbiter）任务，重点勘查适合载人登陆的区域并绘制出详细地形地貌图。1966-1968年，7个勘探者（Surveyor）任务，着陆器直接降落月球，获得未来阿波罗载人登月着陆地区的第一手资料，其中5个任务着陆成功。1964-1966年，12个双子座（Gemini）载人航天任务，验证了出舱行走、交会对接等核心技术，所有的登月宇航员都是这个项目培养出来的。

阿波罗12号任务时降落地点就在为它做前期准备的勘探者3号附近（图源：NASA）

载人登月，意味着要将50吨级的航天器送离地球，基本方案有地球轨道集合、月球表面集合、月球轨道集合和直接往返等形式。但综合考虑任务安全性和火箭研发可能潜力，采用月球了轨道集合的方案：首先将组合体送到月球轨道，登月舱与服务舱/返回舱分离后着陆月球，登月任务结束后上升级（登月舱的一部分）再与服务舱/返回舱对接，最终只有返回舱返回地球。

阿波罗登月飞船采取了“月球轨道集合”方案（图源：NASA）

然而，这个性价比最高的方案仍然需要一个近地轨道运力超过130吨的超重型火箭支持，这就是土星五号诞生的基本背景。可以说，它是决定登月竞赛成败的关键。

二、辉煌的过往：重金投入，力挽狂澜

1960年7月1日，马歇尔太空飞行中心成立，核心任务是攻坚登月重型火箭的研发任务，前“V2”火箭的研发团队也成为了这里的核心员工，总指挥由冯·布劳恩担任。在此前的工作中，冯·布劳恩已主持研发了支持发射美国首颗卫星的“木星”系列和支持美国载人航天的“水星”系列火箭。如今，赛道换成了要用于登月和重型任务的“土星”系列。综合考虑美国当时的工业实力和技术研发难度，冯·布劳恩决定设计一款综合使用液氧煤油、液氧液氢推进剂的多级火箭，研发新型火箭发动机推进系统，用以支持载人登月。

土星是个庞大的载人火箭家族，只不过C5实在太出名掩盖了其他的光辉（图源：NASA）

在他们此前的研究基础上，最终给出了土星A（Saturn-A1，Saturn-A2）、土星B（Saturn-B1）和土星C（Saturn-C1、Saturn-C2、Saturn-C3、Saturn-C4、Saturn-C5）的庞大土星系列火箭家族。其中的C5就是大名鼎鼎的土星五号。当然，冯·布劳恩还提出了C8这个型号，它是个5000吨级的巨大火箭，理论上可以完成直接登月往返，不过以当时的资源基本不可能实现。

土星五号的很多指标是非常惊人的，它的总重量约为2970吨，最大直径10.1米，高度110.6米，近地轨道运力140吨，地月转移轨道极限运力48.6吨。火箭仅第一级总重就约2290吨，其中2160吨都为液氧煤油推进剂，发动机工作时间标准流程为165秒，总推力达到3510吨。第一级平均每一秒燃烧13.1吨燃料，换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车围绕地球赤道开4圈半！

关键是，这个火箭还发挥特别稳定。1967年11月9日，阿波罗四号无人测试任务，土星五号成功首飞。短短一年后的1968年的12月11日，它就已经送阿波罗八号乘组前往月球。从1967年到1973年，土星五号火箭完成了13次发射任务（12次阿波罗，1次天空实验室）。除了阿波罗六号无人测试时出现了发动机技术问题、但并未酿成大祸，其余都是完全成功，运送了24人前往月球，最终12人登陆月球。

土星五号实现了全部成功的辉煌成绩（图源：NASA）

而同期的苏联登月火箭“N1”则连续四次发射失败，最后导致苏联没有能力再实现载人登月，退出了登月竞赛。与此同时，苏联秘密开始“礼炮系列”载人空间站计划，前后发射了9个空间站（7个成功）。其中“礼炮一号”在1971年4月19日秘密升空，随后震惊世人，美国在载人空间站领域被苏联超越。而美国的应对方式“简单又暴力”：1973年5月14日，直接把土星五号发射进入近地轨道，把第三级S-IVB改造成了一个空间站，这就是“天空实验室”，载人任务用土星1B型号配合阿波罗飞船执行。

而后续随着美苏共同认为太空竞赛只是空耗国力，以当时的技术人类并没有能力大规模开发太空和月球，以及太空竞赛的政治和宣传价值已基本消失，双方共同同意放弃竞争、联手开发太空。标志性事件是史上最短的载人航天工程“联盟·阿波罗”计划，只有一次任务：1975年7月17日，在美方三位宇航员、苏方两位宇航员的操作下，阿波罗十八号飞船和联盟十九号飞船在地表200公里的高度上成功对接成功，在1天23小时的飞行后，二者各自返回地球，任务结束。随后，苏美开始在和平号空间站、国际空间站长期密切合作。

本篇文章的主角，土星五号，也在天空实验室任务后正式退出历史舞台。

三、落寞的背后：需求萎缩，时代更新

时至今日，依然有大量的航天爱好者、甚至登月造假阴谋论者质疑为什么传奇的土星五号从此谢幕，为什么美国不再重新制造而选取研发新一代重型火箭。这背后是由一系列因素决定的。

第一，价格昂贵。以1960-1970年代的美元计，土星五号研发费用是64亿美元，一次发射的价格就是1.8亿美元（还是12次任务平均后），大概可以等同于今天的15亿美元，这几乎可以买到30枚崭新的“猎鹰九号”火箭。

第二，用途单一。土星五号只能用来执行超重型发射任务，但随着登月任务取消，且随着航天技术的发展已经不再需要单一百吨级的航天器到近地轨道，土星五号已经无用武之地。而在小型任务方面，美国在当时有“泰坦”、“德尔塔”、“宇宙神”等系列火箭，自然不需要土星五号“杀鸡用牛刀”。历史上，苏联研发过推力大于土星五号的“能源号”火箭，但也因为用途过于单一很快谢幕。

第三，思路转变。阿波罗登月和天空实验室都是极其昂贵的任务，很大程度上源于昂贵的火箭，因此在70年代后NASA对运载器具的核心要求就是廉价、可复用。包括冯·布劳恩本人在去世前，已经在聚焦科研于新一代的航天飞机任务。

第四，供应链转变。航天飞机、“德尔塔”和“宇宙神”系列火箭的发展，孕育出了一系列大推力液氧液氢和固体推进剂发动机，事实证明这个组合方案性价比更高，NASA也重新整合了相关的火箭推进体系供应和研发链条。这导致土星五号的F-1和后续的F-1A等大推力液氧煤油发动机作为核心动力的方案逐渐落幕。NASA新一代的重型火箭太空发射系统，也选择了液氧液氢和固体推进的思路。

第五，技术迭代。随着以太空探索技术公司（SpaceX）为代表的商业航天快速发展，性价比更高的液氧甲烷推进、甚至液氧液化天然气推进方案迅速成熟，小推力发动机并联的控制技术也不再是问题。尤其是随着“星舰”的快速迭代、且性能和价格优势大福领先土星五号，土星五号这种“上古神器”已经没有重见天日的机会了。

土星五号，孕育于一个独特的时代，独自掀起了一整个时代的波澜，也最终被新的时代所取代。航天技术依然在迅猛发展，现在是一个不进则退的时代，所有的航天人依然任重而道远。