土星 5 號運載火箭

土星 5 號 }}（Saturn V），又譯為農神 5 號，是美國國家航空航天局（NASA）在阿波羅計劃和天空實驗室兩項太空計劃中使用的運載火箭，為可載人的多級可拋式液態燃料火箭。土星 5 號自 1967 年首飛至今仍保持著一次性火箭的最大運載能力世界紀錄，是同時期美國第二強火箭土星 1 號 B 和蘇聯同時期最強火箭質子 - K 運載能力的 7 倍。

其同時為中實際運用的 3 個火箭型號之一。儘管 NASA 曾設想過更大的火箭（例如），但土星 5 號是歷史上最大的一次性火箭，高達 110.6 米，更是目前使用過的最高、最重的一次性運載火箭。土星 5 號由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納・馮・布勞恩和以及他們的德國火箭團隊擔任設計研發的工作，主要的承包商包括波音、北美航空、道格拉斯飛行器公司以及 IBM。

1967 年至 1973 年期間 NASA 在佛羅里達州的肯尼迪航天中心共發射了 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，但機載電腦都能夠透過延長剩餘推進器燃燒時間的辦法以保持飛行）。除了一次例外，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 分鐘左右由火箭推動。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。

歷史

1.1 背景

在 1946 年 9 月美國總統杜魯門開展的迴紋針行動中，德國科學家沃納・馮・布勞恩在這次行動中被選為引入美國的大約 700 名科學家的一員。從那時起，土星 5 號運載火箭的設想就開始了。這項行動的目的是將這些科學家與他們的經驗一起帶回美國，從而使美國在冷戰中取得優勢。為了合法的將這些曾經積極參與過納粹活動的科學家帶回美國，陸軍部的聯合情報機構成員篡改了包括馮・布勞恩在內的檔案，以淡化他們對納粹的同情。

由於馮・布勞恩直接參與了 V-2 火箭的研製工作，美國讓他加入了陸軍火箭設計部門。在 1945 年到 1958 年間，他的工作被限制在將 V-2 火箭的設計思想和方法傳授給美國工程師。儘管馮・布勞恩在未來的空間運載火箭方面發表了很多文章，NASA 仍然繼續資助空軍和海軍的火箭專案以測試他們失敗了很多次的前衛導彈。直到 1957 年，蘇聯發射了斯普特尼克 1 號衛星，美國政府和軍方才開始正式的考慮將美國人送上太空的計劃。由於馮・布勞恩和他的團隊在這些年間已經研製並試驗了木星系列火箭，美國政府最終找到了他們。木星 C 火箭在 1958 年 1 月成功的將美國的第一顆人造衛星送入太空 。木星系列火箭是馮・布勞恩研製土星火箭的重要階段，後來他稱之為土星嬰兒期。

60 年代初期，蘇聯在太空競賽領先於其對手美國。1961 年 4 月 12 日，蘇聯宇航員尤里・加加林乘坐東方一號，成為第一個進入太空的人類。美國總統約翰・肯尼迪認為：為了在太空競爭中勝過蘇聯人，就需要首先登月。因此，他在 1961 年 5 月 25 日宣佈美國會在 1970 年之前將宇航員送上月球，而在那時，美國唯一的一次載人太空任務是艾倫・謝潑德的自由 7 號，且僅在太空停留了 15 分鐘，尚未進入近地軌道。在肯尼迪講話後不久，馮・布勞恩就被要求開始為 NASA 工作，領導載人航天的火箭設計和製造工作了。此次提議沒有引起太多注意，甚至有許多民眾反對。但肯尼迪在 1962 年 9 月 12 日於萊斯大學的登月演講卻引起群眾廣泛共鳴，並被銘記至今。

1.2 土星 5 號火箭的設計和製造

土星 5 號的設計起源於 V-2 火箭和木星系列火箭。由於木星系列火箭的成功，新一代的土星系列火箭開始了設計和製造。首先是土星 1 號和 1B 號，最終是土星 5 號。馮・布勞恩在馬歇爾太空飛行中心領導了一個團隊來建造一個足以將一艘宇宙飛船送上登月軌道的運載火箭。在他們轉為 NASA 工作以前，馮・布勞恩的團隊就已經開始進行增加推力、減少作業系統複雜度和設計更好的力學系統的工作了。在設計過程中，他們決定拋棄 V-2 火箭中的單引擎的設計想法，轉而設計多級火箭。土星 1 號和 1B 號反映了這些設計思想的變化，但是這仍不足以將一艘載人宇宙飛船送上月球，仍然需要若干次發射才能將登月所需要的各個部件送入軌道。但是在 NASA 做出最優登月方式的決定的過程中，他們的這些設計仍然提供了一個基準參考。

土星 5 號的最終設計有若干個關鍵特徵。工程師們認為，使用 F-1 發動機作為第一級，配合新型的 J-2 發動機的液氫推進系統作為第二級和第三級，可以使土星 C-5 的配置達到最優。1962 年，NASA 做出了最終計劃，決定按照馮・布勞恩的土星設計方案繼續研究，而這也為阿波羅計劃贏得了時間。。

隨著火箭的配置工作的完成，NASA 開始考慮選擇登月的任務模式。在爭論後，NASA 決定採用月球軌道交會的方法。在推進燃料的選擇、燃料需求量和火箭製造過程等等問題都得到了解決之後，土星 5 號被選為登月飛船的運載火箭。這隻火箭的建造過程自底向上分為三個部分：S-IC、S-II 和 S-IVB，每一部分都由馮・布勞恩在亨茨維爾設計，由其它合約商負責製造，如波音、北美航空、道格拉斯以及 IBM。

1.3 選擇任務模式

在登月計劃的計劃階段初期，NASA 曾考慮過三個主要的設想：地球軌道集合、直接起飛以及月球軌道集合 (LOR)。由於當時人類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，NASA 起初沒有考慮這一方案。後來，由於月球軌道集合方案由於能夠縮短任務時間，而且相對其他兩種方法更為簡單，這一方案最終被採納。

研製過程

2.1 從 C-1 到 C-4

在 1960 年到 1962 年間，馬歇爾太空飛行中心為執行不同的航天任務而設計了不同的幾類火箭。

C-1 火箭是土星 1 號運載火箭的原型，C-2 火箭設計在計劃早期就被拋棄了，而隨後開始了 C-3 火箭設計。這枚火箭試圖使用兩個 F-1 火箭發動機作為第一級，四個 J-2 火箭發動機作為第二級，而第三級使用六個 RL10 火箭發動機。

NASA 計劃使用 C-3 作為地球軌道交會的運載火箭，這樣完成一次任務需要四到五次的發射，但是這時馬歇爾航天飛行中心已經開始設計更大的火箭了，C-4，使用四個 F-1 火箭發動機作為第一級，擴大了 C-3 火箭的第二級，而第三級使用一個 J-2 發動機。如果使用 C-4 的話，僅需兩次發射就可以完成地球軌道交會的任務。

2.2 C-5 火箭

1962 年 1 月 10 日，NASA 宣佈了建造 C-5 火箭的計劃。這枚火箭仍然由三級組成，第一級包括五個 F-1 發動機，第二級包括 5 個 J-2 發動機，而第三級是另外一個 J-2 發動機。C-5 火箭的運載能力更強，可以直接完成一次月球任務。它可以將 41 噸的載荷送上月球。

C-5 火箭的測試在第一個模型完成前就開始進行了。火箭的第三級被用作 C-IB 火箭的第二級，而 C-IB 火箭將要測試 C-5 火箭的設計概念和可行性，同時也用來提供對 C-5 火箭的繼續研究非常重要的飛行資料。除了對每個重要部件進行測試以外，C-5 火箭也進行了整體測試，也就是一次包含了所有三級的第一次測試飛行。透過一次測試所有部件，試驗飛行所需次數大大降低了。

1963 年，NASA 確認了選擇 C-5 火箭作為阿波羅計劃的運載火箭，同時給了這枚火箭一個新的名字──土星 5 號。

技術細節

土星 5 號的巨大體積和在和容量遠遠超過了之前曾經成功飛行過的火箭。將阿波羅宇宙飛船放置在其頂端後，其總高度達到 111 米，直徑達 10 米。加滿燃料以後，總重量達到 3000 噸，可以將 118 噸重的物體送到近地軌道。作為對比，土星 5 號的高度僅比倫敦聖保羅大教堂低一英尺。而美國第一次載人太空飛行所用的火箭僅比土星五號的第三級長 3.4 米，甚至還不如阿波羅指令艙的逃生系統火箭的力量大。

土星 5 號基本上是由在阿拉巴馬州的亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心設計完成的，而其中也有很多主要的系統，如推進系統等等是由分包商設計。它使用了大推力的新型火箭發動機 F1 和 J-2 作為推進裝置。在測試時，這些發動機震碎了周圍房屋的窗戶。設計者很早就決定在土星 1 號計劃中儘可能多的使用新技術。因此，土星 5 號的第三級 S-IVB 實際上就是基於土星 1 號的第二級 S-IV。控制土星 5 號的儀器裝置和土星 1 號的也有共同之處。

有一個流行的都市傳說認為，土星 5 號的設計圖紙已經丟失或者被有意銷燬。但據美國國家航空航天管理局檢查長辦公室的官方回應，設計圖紙仍然儲存在馬歇爾航天飛行中心的微縮膠捲上，不過重建土星 5 號毫無意義，成千上萬的零部件已不再生產，相關設施也已被改建用於太空梭之用。

3.1 分級

土星 5 號共包括三級：第一級 S-IC，第二級 S-II，和第三級 S-IVB，以及裝置單元。所有的三級發動機都使用液氧作為氧化劑。第一級使用 RP-1 煤油作為燃料，第二級和第三級都使用了液氫作為燃料，每一級的上一級都使用了小的固體燃料發動機以將其與下一級分離，同時保證液體推進劑在正確的位置注入泵中。

3.1.1 S-IC 第一級

S-IC 推進器在位於路易斯安那州新奧爾良的波音公司密喬裝配廠中建造。這家工廠也負責建造太空梭外部燃料箱。發射時它的兩千多噸重量中的絕大部分都是推進劑，也就是 RP-1 和液氧氧化劑。它的高度達 42 米，直徑 10 米，可以提供 34 兆牛頓的推力，可以使火箭上升至 61 千米高。這一級推進器的淨重 131 噸，裝滿燃料後重量將達到 2300 噸。五個 F-1 發動機排成十字型，中心的發動機位置固定，而周圍的四個發動機可以透過液壓轉向以控制火箭。在飛行中，中央的發動機要比周圍的發動機早關閉 26 秒，以限制加速度。在發射中，S-IC 推進器將工作 168 秒鐘（升空 7 秒前點火），隨後發動機關閉。此時火箭的高度大約是 68 千米，而火箭大約飛行了 93 千米，速度達到 2390 米 / 秒。

3.1.2 S-II 第二級

S-II 推進器由位於加利福尼亞州的北美航空建造。這個推進器使用液氫和液氧作為燃料，共有 5 個 J-2 火箭發動機。和第一級的 S-IC 推進器類似，發動機的排列仍呈十字形，外部的發動機可以提供控制能力。S-II 推進器有 24.9 米高，直徑與 S-IC 推進器相同，都是 10 米。S-II 的淨重大約 36 噸，當加滿燃料後重達 480 噸。第二級可以在大氣層外為土星 5 號提供大約 360 千牛頓的推力。儘管加滿燃料以後 90% 以上的重量都是推進劑，超輕的設計在結構測試中導致了兩次失敗。在 S-IC 推進器中，透過內部燃料箱的結構將兩個燃料箱完全分開，但是在 S-II 中沒有采用這種方法。S-II 推進器的液氧燃料箱的頂部與液氫燃料箱的底部使用了一個共同的箱壁，這個箱壁由中間夾有酚醛樹脂的蜂窩狀結構的兩片鋁板構成。這個箱壁需要承受兩個燃料箱之間 70°C 的溫度差。共用箱壁的設計節省了 3.6 噸的重量。S-II 和 S-IC 推進器都是透過海運運抵裝配大樓的。

3.1.3 S-IVB 第三級

S-IVB 推進器由位於加利福尼亞州的道格拉斯飛行器公司建造。它使用了一個 J-2 火箭發動機，和 S-II 推進器一樣都使用了液氫和液氧作為燃料。S-IVB 推進器在兩個燃料櫃間也使用了共用箱壁。這個推進器有 17.85 米高，直徑 6.6 米，重量也儘量的減輕了，儘管減輕的程度不如 S-II 那樣大。S-IVB 的淨重 11 噸，加滿燃料後重 119 噸。這一級在任務過程中會使用兩次，首先在第二級活動及關閉後，S-IVB 點火工作 2.5 分鐘，然後在月球轉移軌道射入階段點火大約 6 分鐘。兩個加滿液體燃料的輔助推進裝置裝在推進器尾部，用來在待機軌道和月球轉移階段控制火箭的高度。這兩個輔助推進裝置也用作姿態控制以幫助燃料在月球轉移軌道上射入點火前處於正確的位置。

S-IVB 推進器是土星 5 號唯一的可以使用空運的的一級。除了級間的調整結構和重啟動的能力，這一級推進器幾乎和土星 1B 號的第二級完全一致。

3.1.4 控制裝置單元

用於阿波羅 4 號的土星 5 號火箭的控制裝置單元

控制裝置單元由 IBM 製造，放在第三級的頂端。它在位於亨茨維爾的空間系統中心建造。這個計算機控制了火箭從起飛前一直到拋棄 S-IVB 推進器的操作過程。它包含了為火箭導航和遙測的系統。透過測量加速度和火箭的高度，它可以計算出火箭的位置和速度，同時對偏向做出修正。

3.2 安全距離

在出現事故需要火箭自毀的時候，靶場安全官員會用遙控方式關閉發動機，在幾秒鐘後發出另一條指令引爆貼在火箭外表面上的炸藥。爆炸會切斷燃料和氧化劑箱體並將燃料迅速釋出，儘量減少燃料的混合。這些動作之間的暫停時間用於讓飛船成員透過阿波羅飛船的救生塔或者服務艙推進系統逃離。第三個命令用於在 S-IVB 推進器到達軌道後使自毀系統永久失效。當火箭在發射場時，這個系統也是不運作的。

對比

S-IC 推進器中的 F-1 火箭發動機前站著的是其製造者，沃納・馮・布勞恩

蘇聯針對土星 5 號火箭設計了 N1 運載火箭，儘管土星 5 號更高、更重，運載能力也更強，但是 N-1 火箭提供的起飛推力更大，第一級推進器的直徑也更大。在計劃取消前，N1 運載火箭一共進行了四次試驗發射，每次都在飛行的早期失敗。在阿波羅 6 號和阿波羅 13 號兩次發射之中，土星 5 號都從發動機失效故障中恢復了過來。N1 運載火箭可能在設計時考慮到了如何挽救發動機故障，但是整個系統卻從未成功的將整個火箭從失敗中挽回。

土星 5 號第一級推進器在發射阿波羅 15 號時的效能。起飛推力達 34.8 兆牛。CECO 表示中央發動機關閉，OECO 表示外部發動機關閉

土星 5 號的三級推進器最大推力可以達到至少 34 兆牛。可以將 118 噸的載荷送至近地軌道。阿波羅 15（SA-510）的起飛推力達到 34.8 兆牛。天空實驗室任務（SA-513）中的起飛推力稍大，達到 35.1 兆牛。任何其他成功發射的運載火箭的高度、重量和載荷能力都沒有超過土星 5 號的。如果蘇聯的兩次能源號實驗發射可以認為是可執行的運載火箭，那麼它擁有和天空實驗室任務中土星 5 號的相同推力，35.1 兆牛。N-1 火箭的海平面起飛推力可以達到 44.1 兆牛，但是從來沒有成功入軌。

蘇聯能源號火箭的假想未來版本可能會比土星 5 號的力量更大一些，推力可以達到 46 兆牛，可以將 175 噸重的物體發射到近體軌道。土星 5 號曾經計劃過的升級版本採用 F-1A 火箭發動機會將推力提升 18%，載荷 137 噸。NASA 考慮過製造更大的土星系列火箭，如土星 C-8 號，以及其他系列的火箭，如新星火箭，但是從未生產過。

太空梭的峰值推力可以達到 30.1 兆牛，近地軌道載荷能力 28.8 噸，大約是土星 5 號載荷的 25%。如果將太空梭本身算作載荷，那麼載荷為 112 噸。比較公平的比較是阿波羅 15 號飛船和土星五號火箭第三級的總軌道重量，大約 140.5 噸。

近期發射的其他運載工具的載荷能力比土星 5 號小得多。例如歐洲的阿麗亞娜 5 型運載火箭可以將 10 噸重的載荷送入地球同步轉移軌道。美國的德爾塔 - 4 運載火箭在 2004 年 12 月 21 日發射，他可以將 13.1 噸的載荷送至地球同步轉移軌道。未知的阿特拉斯 - 5 型運載火箭採用了基於俄羅斯設計的發動機，可能可以將 25 噸的載荷送至近地軌道，將 13.6 噸的載荷送至地球同步轉移軌道。

4.1 S-IC 推力對比

由於 S-IC 推進器的體積非常巨大，人們經常關注這一級的推力並將它與其它大型火箭進行對比。但是，如下幾個因素使得比較變得複雜。

通常引用的推力資料來自規格說明書，並不是實際測量的數值。每一級推進器和發動機的推力都可能少於或者超過設計規格，有時差別非常巨大。
F-1 火箭發動機的推力設計規格在阿波羅 15 號（SA-510）後從 6.67 兆牛提升到了 6.77 兆牛，而 S-IC 推進器的推力相應的提升到了 33.85 兆牛。更高的推力透過重新設計噴口和提升了推進劑流量來實現。然而阿波羅 15 號上實際測量的推力是 34.8 兆牛，有很大的差別。
在火箭飛行過程中沒有什麼簡單辦法來直接測量火箭飛行中的推力。一般可以透過燃燒室的壓力、渦輪泵的速度、計算所得的推進劑密度與流量、噴嘴的設計以及大氣層帶來的外部壓力影響進行估算。
對於火箭發動機來說，即使是非節流發動機，它的推力也會隨著外部壓力的變化會有很大的變化，也就是說隨著海拔高度的變化而發生變化。例如，在阿波羅 15 號的資料中，計算所得的總起飛推力（根據實際測量的資料）是 34.8 兆牛，在 135 秒後中央發動機關閉前，推力增加到了 40.8 兆牛，這時發動機處於嚴重欠膨脹的狀態。
推力設計規格通常是指真空推力（上面的若干級推進器）或海平面推力（下面的推進器），有時不會指出是哪個推力，這樣會導致不合理的比較。
推理設計規格給出的通常是是平均推力或者峰值推力，有時也不會註明是哪個。即使是非節流發動機在某個特定的高度，推力也會受燃燒週期的若干因素的影響而發生變化，比如有意或無意的燃料混合比例變化、燃燒週期中推進劑密度的輕微變化以及燃燒週期中渦輪泵的變化、噴嘴等部件的效能變化等等。

在無法得知準確的火箭測量技術和得到推力的數學方法的情況下，比較通常是不準確的。如上所述，推力的設計規格通常於實際飛行中透過直接測量資料計算所得的推力有很大區別。參考資料中列出的推力通常沒有明確標出是真空推力還是海平面推力，或者是峰值推力還是平均推力。

類似的，在後來的任務中，載荷的增加也經常與推力無關，通常是透過減輕重量或者重新設計飛行軌跡而得到的。

在每一次執行任務以後的發射評估報告中都對土星 5 號火箭的效能進行了詳盡的分析，如每一次任務每一級推進器的推力 / 時間曲線等等。

組裝過程

阿波羅 10 號使用的土星 5 號火箭正在移出裝配大樓

每一級推進器建造完成並在地面測試結束以後，將會被運往肯尼迪航天中心。前兩級推進器過於巨大，只能透過駁船運輸。S-IC 在路易斯安那州的新奧爾良製造，首先要透過密西西比河向南運輸到墨西哥灣。在佛羅里達州拐一個彎，他將被向北透過內部沿海水運運送到垂直裝配大樓（現在稱為運載具裝配大樓）。這和現在 NASA 運送太空梭外部燃料箱的路線是一樣的。S-II 是在加利福尼亞製造的，因此運輸需要透過巴拿馬運河。第三級和控制裝置單元可以透過懷孕孔雀魚和超級孔雀魚等大型運輸機進行運輸，但是在需要的時候也可以透過駁船運輸。

到達垂直裝配大樓以後，每一級推進器在移動至垂直位置前都處於水平狀態。NASA 也建造了大型的線軸型結構替代推進器，以備某一級推遲到達。這些線軸型結構的高度、質量以及內部的電路連線都與實際的推進器一致。

NASA 在一個移動發射平臺上組裝土星 5 號火箭。這個發射平臺上包括一個發射控制塔，塔上有 9 個臂，其中一個是用於宇航員通道，有一個塔式起重機，還有一個將要在發射前啟用的水滅火系統。裝配完成以後，火箭整體將使用履帶式運輸車 (Crawler-Transporters) 從裝配大樓移動到發射場。這輛履帶式運輸車由馬里昂動力鏟公司製造，現在仍然用於運輸較小、較輕的太空梭。履帶式運輸車有四條履帶，每一條履帶有 57 節，每一節重達 900 公斤。這個運輸車也要求在運輸至發射場的 5 千米路程中保持火箭的高度，尤其是在到達發射場時的約 3% 的梯度。運輸車也需要運輸移動服務結構，它可以讓技術人員在發射前八小時以前進入火箭，這時它大約移動到了裝配大樓和兩個發射場連線處。

登月任務發射時序

土星 5 號執行了所有的阿波羅登月任務。所有的土星 5 號火箭都是從肯尼迪航天中心的 39 號發射臺發射的。在火箭飛離發射塔後，飛行控制就轉移到了位於德克薩斯州休斯頓的約翰遜航天中心的任務控制中心。火箭的平均的任務時間總共僅僅需要 20 分鐘。儘管阿波羅 6 號和阿波羅 13 號任務中出現了發動機故障，箭載電腦仍然可以透過延長剩餘發動機的工作時間來補償損失的推力，沒有任何一次阿波羅發射損失了載荷。

6.1 S-IC 工作時序

阿波羅 11 號任務中，土星 5 號穿越底層稠密大氣層時的環繞在阿波羅周圍的凝結雲

第一級推進器大約工作 2.5 分鐘，它將火箭推送到 68 千米的高空，火箭速度達到 9920 千米 / 小時。它將消耗 2000 噸燃料。其中引擎點火後約十秒後所耗費的油量可以輕鬆填滿一個標準的 50 米游泳池那麼多.

在發射前 8.9 秒，第一級推進器點火時序開始。中央發動機首先點燃，隨後周圍相對的發動機以 300 毫秒的間隔點火，以減小火箭的結構負載。當箭載電腦對推力確認了以後，火箭透過兩個階段進行軟釋放。首先，壓緊火箭的臂將火箭鬆開，然後，在火箭開始向上加速的時候，它透過拉掉固定的錐形金屬銷釘減速約半秒鐘。一旦火箭起飛，如果發動機出現故障，它將無法安全的返回到發射場。

火箭離開發射塔需要大約 12 秒鐘。在這段時間，火箭將偏斜 1.25 度，以保證能夠即使在逆風情況下也能安全的離開發射塔。這個偏斜量雖然很小，但是也能在從西邊或東邊拍攝到的發射照片中觀察到。在高度大約 130 米的時候，火箭將調整到正確的航向，然後逐漸的壓低角度，直到第二級推進器點火後 38 秒。這個壓低的程式根據在發射的那個月中的主要風向設定。四個外側的發動機也向外傾斜，這樣在一個外側發動機關閉的情況下，仍然可以保持剩餘火箭發動機的推力在火箭的重心之上。土星 5 號火箭迅速的加速，在高度大約 1600 米的時候，速度會達到約 120 米 / 秒。早期飛行的大多數時間都在提升火箭的高度，後面才開始有速度要求。

在大約 80 秒的時候，火箭將達到最大動態壓力 (Max-Q)。火箭上的動態壓力隨空氣密度的變化於相對速度的平方發生變化。儘管速度不停地增加，空氣密度隨減小得更快，從而使空氣壓力小於最大動態壓力。

S-IC 推進器工作時的加速度增加有兩方面原因，推進劑的質量減小了，F-1 火箭發動的推力在稀薄空氣中的效率提高從而使推力增加。135 秒時，中央的發動機關閉以將加速度限制在 4g（39.2m/s2）以下。外側發動機繼續燃燒，直到感測器檢測到氧化劑或者燃料消耗完畢。第一級推進器在關閉發動機後略小於 1 秒後分離，以利用 F1 發動機的剩餘推力。八個較小的固體燃料分離發動機使 S-IC 推進器從級間結構脫離，這時火箭的高度大約 67 千米。第一級隨後依其彈道上升至大約 109 千米高，然後墜入 560 千米外的大西洋。

6.2 S-II 工作時序

阿波羅 6 號尾部的攝像機拍攝的級間結構脫離

在 S-IC 推進器脫離以後，S-II 第二級推進器大約工作六分鐘，將飛船推送至 170 千米的高空，速度達到 25182 千米 / 小時（7.00 千米 / 秒），接近第一宇宙速度。

在頭兩次無人發射過程中，八個固體燃料推進器點火大約 4 秒鐘，給 S-II 推進器提供了正的加速度，隨後 S-II 推進器的 5 個 J-2 火箭發動機點火。在頭 7 次載人阿波羅任務中，僅僅使用了 4 個固體燃料推進器，在最後四次發射中，沒有使用它們。在第一級推進器分離 30 秒以後，級間環從第二級推進器上脫落。脫落時透過慣性固定姿態，因此級間環雖然距離箭載 J-2 發動機僅有 1 米，卻可以順利脫落而不碰到它們。級間環脫落以後很短時間內逃生系統也被拋棄了。

阿波羅 6 號級間環脫落，可見 S-IIC 推進器的發動機排氣影響了脫落過程

第二級推進器點火後 38 秒鐘，土星 5 號從預先設定的軌跡進入一個閉合環，或者稱為迭代導航模式。控制裝置單元開始進行即時計算，以找出能夠到達預定軌道的最有效利用燃料的軌跡。如果控制裝置單元出現故障，宇航員可以將對土星 5 號的控制轉移到指令艙的計算機，或者採用手動控制，甚至取消這次飛行。

在第二級推進器關閉前的 90 秒，中央發動機關閉以減小縱向耦合振動。首先應用於阿波羅 14 號的耦合抑制器可以停止這種振動，但是中央發動機仍然需要關閉，以免加速度過大。大約在這個時候，液氧的流量也減小了，使得兩種推進劑的混合比例發生改變，使得第二級推進劑飛行結束時燃料櫃中剩餘推進劑儘量少。當達到預先設定的速度變化時，便開始採用這種方式。

在 S-II 推進劑燃料箱的底部有 5 個液位感測器，他們在 S-II 飛行階段啟用，只要有任何兩個感測器檢測到燃料耗盡，就會觸發 S-II 推進器關機。關機一秒鐘後，S-II 推進器分離，幾秒鐘以後第三級 S-IVB 推進器點火。S-II 推進器頂端的固體火箭點火將這一級推進器反向加速，以脫離 S-IVB 推進器。S-II 將會落在距離發射場 4200 千米的地方。

6.3 S-IVB 工作時序

S-IC 和 S-IVB 的分離是一種兩階段的分離，而 S-II 和 S-IVB 分離僅僅需要一步。儘管級間環作為第三級推進器的一部分進行建造，它仍然與第二級推進器相連。

在阿波羅 11 號這個典型的登月任務中，第三級推進器工作大約 2.5 分鐘左右，然後到任務的第 11 分 40 秒第一次關機。這時，火箭已經飛行了大約 2640 千米，進入高度約 191.2 千米的待機軌道，速度達到 7.75 千米 / 秒。宇宙飛船隨後需要繞地球飛行兩圈半，在此期間宇航員和飛行任務控制人員進行月球軌道轉移射入的準備工作，而這時第三極推進器一直與宇宙飛船連在一起。

阿波羅 8 號在分離以後不久的 S-IVB 推進階段

待機軌道在地球軌道中是相當低的，而由於大氣的阻力，這個軌道的壽命比較短。對於登月任務來說，這還不是一個問題，因為飛船不會待機軌道上停留很長時間。S-IVB 引擎還透過排放氣化的氫氣繼續提供較低的推力，以使推進劑沉在燃料箱中，防止推進劑供給管道中出現氣泡。由於液態氫氣在燃料箱中會沸騰，排放氣體也可以使燃料箱保持合適的壓力。釋放氫氣的推力很容易就超過大氣阻力了。

在最後三次阿波羅飛行任務中，臨時待機軌道更低（大約只有 150 千米）。透過這樣的待機軌道可以增加這些任務中的載荷。阿波羅 9 號執行了地球軌道任務，軌道就是後來的阿波羅 11 號的軌道。但是宇宙飛船使用自己的發動機將近地點提升到足夠高以完成 10 天的任務。天空實驗室的軌道有明顯的區別，近地點大約 434 千米遠，可以維持 6 年，軌道平面和赤道的夾角為 50 度，而阿波羅任務中的夾角是 32.5 度。

在阿波羅 11 號的飛行過程中，在火箭發射後 2 小時 44 分飛船開始進行月球轉移軌道射入。S-IVB 推進器燃燒大約 6 分鐘，使得飛船的速度加速到接近地球的逃逸速度 11.2 千米 / 秒。這條能夠有效利用能量軌道可以透過月球俘獲飛船來使命令服務艙的燃料消耗量最小。

軌道射入以後 40 分鐘，阿波羅的命令服務艙從第三級推進器分離，旋轉 180 度以後和發射期間處在下方的登月艙對接。服務艙和登月艙在 50 分鐘後和第三級推進器完全分離。

如果保持和飛船一樣的軌跡，S-IVB 會有與飛船相撞的風險。因此，它將排出剩餘的推進劑，同時輔助的推進系統將點火將它移走。在阿波羅 13 號以前的登月任務中，S-IVB 被導向月球執行方向的後方，這樣月球可以透過引力彈弓效應將其加速至地球逃逸速度，進入太陽軌道。從阿波羅 13 號以後，控制人員引導 S-IVB 使其撞擊月球。在前面的任務中放置在月球上的地震儀可以檢測到撞擊的影響，得到的資訊可以用於描繪出月球的內部情況。

阿波羅 9 號是一個特例，儘管它完成的的是一個地球軌道任務，在宇宙飛船分離以後，它的 S-IVB 推進器點火將其自身推出地球軌道進入太陽軌道。

2002 年 9 月 3 日，天文學家比爾・揚發現了一個可疑的小行星，編號給定為 J002E3。它看起來在一個地球周圍的軌道，隨後透過光譜分析發現，它覆蓋著一層二氧化鈦塗料，和土星 5 號使用的塗料一致。計算得到的軌道的引數證實這個小行星是阿波羅 12 號的 S-IVB 推進器。控制人員計劃將阿波羅 12 號的 S-IVB 推進器送入太陽軌道，但是在從阿波羅飛船分離以後，推進器工作時間過長，導致沒能飛到距月球足夠近的位置，因此它仍然是處在地球和月球軌道之間的一個勉強穩定的軌道上。人們認為在 1971 年的一系列的引力擾動之後，這個推進器應該已經進入了太陽軌道，而在 31 年之後被地球俘獲了。在 2003 年 6 月，它又離開了地球的軌道。另一個發現於 2006 年的近地天體也可能是阿波羅飛船的一部分，它的編號是 6Q0B44E。

天空實驗室

最後一支土星 5 號火箭將天空實驗室空間站送至近地軌道，天空實驗室放在第三級推進器的位置

1968 年，開展了阿波羅應用計劃以調查是否有科學任務需要透過多餘的阿波羅計劃的零件來完成。大多數計劃都圍繞著空間站計劃，最終導致了天空實驗室計劃。天空實驗室透過一支二級土星 5 號火箭發射，有時這支火箭也被稱為土星 INT-21。這是惟一的一次沒有直接為阿波羅登月計劃服務的土星 5 號火箭發射。

最開始，計劃中希望使用將一個火箭發射器使用土星 1B 發射入軌道，而用過的 S-IVB 推進器就可以作為空間站來使用。但是這個計劃後來被放棄了。技術人員在地面上就將一個土星 IB 的 S-IVB 推進器改造為空間站，然後使用土星 5 號將它發射入太空。目前國家航空航天博物館展出了一個備用空間站，它是由土星 5 號的第三級建造的。

宇航員於 1973 年 5 月 25 日到 1974 年 2 月 8 日在空間實驗室上生活。而天空實驗室直到 1979 年 7 月 11 日才離開軌道。

已經提出的阿波羅計劃後期研發

對土星 5 號火箭的第二次生產計劃已經取消。在這次的生產中，很可能在第一級推進器中使用了 F-1A 火箭發動機，可以提升很大的效能。其他可能的改變可能是將火箭的鰭狀物移除，這樣可以稍微減輕火箭的重量；第一級 S-IC 推進器可能變大，以容納力量更大的 F-1A 發動機；在上面的推進器中將使用升級的 J-2 發動機。

基於土星 5 號火箭，有一些改進的土星系列運載火箭，從將 S-IVB 推進器和級間環直接裝在 S-IC 推進器上的土星 INT-20 到使用了 13 個 F-1 發動機的土星 V-23 (L)。

太空梭最初被認為是使用土星 5 號的運輸工具，甚至被稱為是土星飛機。最初的設計中使用了和現在一樣的軌道飛行器和外部燃料箱，但是燃料箱裝在一個修改過的可以返回版本的 S-IC 推進器上。它可以提供太空梭在飛行時最初兩分鐘的動力，隨後 S-IC 推進器將被拋棄，運回肯尼迪航天中心進行返修，而太空梭的主發動機點火，將太空梭送入軌道。太空梭可以負責空間站的後勤工作，土星 5 號負責發射零件。然而，無法生產第二代的土星 5 號使這個計劃胎死腹中，而美國也再也沒有這種重型助推器了。美國航天界人士認為如果當初繼續生產土星 5 號，只要經過少數幾次發射就可以以天空實驗室或和平號空間站為基礎建成國際空間站，而使用土星飛機或可能避免導致 1986 年挑戰者號太空梭災難的情況。

土星 5 號曾經被考慮用來運送航海者火星探測器，但是這項計劃被取消了。也曾考慮用它來發射核火箭推進器 RIFT 和後來的 NERVA。

計劃中的後繼者

美國從二十世紀五十年代到 80 年代中所提出的比土星 5 號更大的火箭統稱新星火箭。有三十多種大型火箭的提議都以新星命名，但是沒有一種真正建造了。

沃納・馮・布勞恩和其他人員曾有計劃設計過一種火箭，火箭的第一級推進器包含了 8 個 F-1 發動機，這樣它可以直接起飛傳送載人飛船至月球。其他的土星 5 號計劃使用半人馬座火箭作為上面級，或者新增捆綁助推系統。這些方法可以增加火箭的運送能力，這樣可以讓火箭將無人飛船運送至其它帶外行星或者將載人飛船送至火星。

2006 年，在已經取消的星座計劃中，NASA 披露了曾經試圖建造一種重型戰神五號運載火箭。這項計劃是用來取代太空梭的，在這種太空梭衍生的運載工具的設計中使用了一些已經存在的太空梭和土星 5 號的結構。原始設計的命名是向土星 5 號致敬，這個設計基於太空梭的外部燃料箱，有 110 米高，使用了 5 個太空梭主發動機和兩個升級後的五段太空梭固體助推器。經過改進的固體助推器可以用於發射戰神一號運載火箭。隨著設計的進展，戰神五號也被略微修改了。它的直徑仍然是 10 米，和土星 5 號的 S-IC 推進器與 S-II 推進器一致，而使用了 5 個 RS-68 火箭發動機來代替太空梭主發動機。RS-68 火箭發動機也用在了德爾塔 - 4 運載火箭上。用 RS-68 火箭發動機代替太空梭主發動機的原因是太空梭主發動機的成本過於高昂。而且每次使用後都將會被拋棄，而 RS-68 發動機的就相對來說較便宜，而且更容易製造，也比太空梭主發動機的力量更大。

2008 年，NASA 再次重新設計了戰神五號火箭，將它的核心加長加寬，添加了一個 RS-68B 發動機，這樣火箭總共使用了 6 個發動機。此外，在發射的時候還會捆綁兩個 5.5 段的太空梭固體助推器，而不是原先設計中的 5 段助推器。但是目前 NASA 還沒有決定在最終設計中使用多少段。如果使用了六個 RS-68B 發動機和 5.5 段助推器，火箭起飛時的推力會達到 39.6 兆牛，這樣它的力量要超過土星 5 號和蘇聯的能源號火箭，但是還是比蘇聯的 N1 運載火箭要小。戰神五號的上面級是基於 S-IVB 推進器而設計的，被命名為地球出發級。它使用的發動機是 J-2 發動機的改進型，命名為 J-2X 火箭發動機，有可能用來將牽牛星登月車送入近地軌道。戰神五號運載火箭高達 116 米，可以將 180 噸的載荷送入低地軌道，它將會在高度、升力以及發射能力方面超過土星 5 號。

RS-68B 火箭發動機是基於普惠公司下屬的洛克達因公司製造的 RS-68 和 RS-68A 發動機設計的。每一個火箭的推力不到土星 5 號的 F-1 發動機的一半，但是效率更高，可以增加或減小節流，這個特點和太空梭主發動機更像。J-2X 火箭發動機在 J-2 火箭發動機的基礎上有所改進，它既用在了地球出發級上也用在了戰神一號運載火箭的第二級推進器上。在戰神一號火箭上只用了一個 J-2X 發動機，而地球出發級的原始設計中使用了兩個，在用 5 個 RS-68B 發動機替代太空梭主發動機以後才修改成了一個。

資金

從 1964 年至 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。

阿波羅計劃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，約為當時美國國民生產總值（GDP）的 0.5%。同年，國防部的政府撥款為 635 億美元。

土星 5 號的各次發射

1967 年 - 1973 年間發射的所有土星 5 號運載火箭的照片

11.1 展出的土星 5 號火箭

移入美國航天火箭中心室內前的土星 5 號火箭

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、第三極推進器組成。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：
水平展出包括 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，而不是用於飛行。這枚火箭在室外展覽了數十年，然後重新修復，現在在戴維森航天探索中心進行展出。
垂直展出的是在 1999 年建造的複製品。
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，現在在華盛頓的國家航空航天博物館進行展出。