土星1号运载火箭

**農神 1 號運載火箭**是美國第一枚專門用來將載荷送入地球軌道的運載火箭。美國航空暨太空總署共發射了 10 枚農神 1 號運載火箭。此後由土星 1B 號運載火箭所取代。與 1 號相比 1B 號擁有比較強的第二級推進器。

## 歷史

1957 年 4 月華納・馮・布朗的小組開始為陸軍彈道飛彈署開始設計重載火箭，這是土星計劃的開始。馮・布勞恩建議使用紅石火箭和木星火箭的組成部分，將它們組合在一起產生一個能夠達到 150 萬磅力（相當於 670 萬牛頓）推進力的新設計。馮・布勞恩曾經將作為太空運載火箭的紅石和木星火箭稱為「農神一號」和「土星二號」，而將計劃中的兩者混合的設計稱為「農神五號」。

馮・布勞恩的組計劃將農神五號設計為研究和開發「主動和被動太空武器」的總運載火箭。預計的用途包括各種軍事服務，比如發射海軍的導航衛星、陸軍和空軍的偵查、通訊和氣象衛星、支援空軍載人飛行、陸軍 6400 千米以上的物質運輸。他覺得這個涉及還可以作為其它推進系統的極好的實驗品，比如空軍從 1955 年開始的 150 萬磅力引擎。馮・布勞恩還打算使用土星作為載人月球飛行的基礎。土星每次可以將 9000 千克載荷運輸到近地軌道。馮・布勞恩建議一共使用它運輸 15 次，然後在地球軌道上組裝一個 20 萬磅力的月球飛船。

他們研究了不同已有的部件的組合。這些設計的共同點在於其第一級都市圍繞著土星火箭的燃料箱裝置八枚紅石火箭的推進器。燃料箱的底部裝有一塊推進板，在這塊板上裝有八枚 H-1 引擎。H-1 火箭初是在發展納瓦霍火箭時提出的，後來又被用在雷神火箭和土星的 S-3D 上。作為第二級他們考慮過使用擎天神火箭或者泰坦一號火箭。泰坦一號比較受青睞因為當時擎天神正在大量為美國空軍生產，沒有多餘的生產能力。他們建議將現存的泰坦改造為 120 英寸直徑，並將它延長為 200 英尺。作為第三級計劃使用估計 1963 年可以開始使用的半人馬座火箭。這時前兩級也應該完成其測試。這個三級設計比後來實用的土星設計要高和瘦長。

1957 年 12 月飛彈署將這個設計提交給美國國防先進研究計劃局，按照這個方案這個「快速研製計畫」將於 1963 年推出一個可以完全運行的系統。從 1958 年至 1963 年預計的總研製金額為 8.5 億美元，其中包括 30 次研究和發展飛行，其中一些攜帶載人和不載人負載。但是一直到 1958 年 8 月該研製組才獲得了繼續研製的批准，9 月他們與 Aerojet 公司達成協議研究 H-1 引擎的改善，這是土星計畫的正式開始。

12 月馮・布勞恩向新成立的美國航空暨太空總署介紹了他們的設計，並介紹了他計劃的月球登陸的設計。同時空軍也展示了他們自己的設計。空軍的設計包括使用已有的部件進行四級推進。空軍的設計中最大的火箭比朱諾大得多，其目的在於使用單次發射直接飛往月球。1959 年 1 月 6 日太空總署選擇了馮・布勞恩的設計，為這個設計提供了一個重要的推動。

1 月末太空總署完成了其整個發展計劃，這個計劃包括織女星和半人馬座上級推進器、農神五號以及他們自己設計的新星火箭。後來原保密的阿金納火箭公開後新星火箭被取消，因為阿金納火箭的功能與原來太空總署的設計差不多。

1959 年 2 月馮・布勞恩將這個新火箭的名字改為土星，因為它「繼木星之後」。木星是基於木星二號設計的，馮・布勞恩覺得應該給新設計起一個新名字。土星的發展迅速。5 月 H-1 推進器試驗點火。6 月在卡納維拉爾角開始建造 34 號發射台。

空軍對於陸軍的設計贏得了太空總署的投標顯然非常氣憤，他們試圖贏得過程管理的合同。國防預先研究計劃局後來支持陸軍，使得整個事件更加麻煩。1959 年 12 月計劃局提出了將第二級提升為使用四個新的兩萬磅力液氫液氧作為燃料的推進器的修改要求。同時半人馬座火箭也要求相應提升。這顯然是要求使得土星能夠發射 X-20 試驗機。但是由於 X-20 試驗機本來是計劃使用 120 英寸泰坦火箭來發射的，不需要這麼強大的發射功率，因此這個要求的來源當時非常可疑。後來證明這個要求實空軍出的一個拖延策略，其目的是使得空軍可以迅速設計其自己的、能夠與土星競爭的火箭。

這些更改本來的目的在於推遲土星的研製，但是具有諷刺性的是它們後來導致了土星的最終設計。雖然要求中提出的新的兩萬磅力推進器沒有實現，但是為了達到類似的推進能力設計師使用了六個半人馬座引擎，將它們組合在新設計的 160 英寸第三級上，這樣產生了 S-IV 第二級推進器。後來在 S-IVB 中這六枚半人馬座火箭被單一的 J-2 火箭取代。這大大提高了土星的發射功力，使得它能夠發射阿波羅指揮 / 服務艙，為阿波羅計畫提供了不可估量的作用。

最後美國國防部決定使用土星火箭運載軍事任務太大太昂貴。他們也認為土星級的大型運載火箭應該由太空總署負責，因為它們沒有急迫的軍事用途。1960 年 7 月 1 日整個陸軍彈道飛彈署被轉讓給了太空總署。土星火箭成為阿波羅計畫的一部分。國防部將其運輸重栽的重點轉向泰坦火箭，發展了後來的泰坦 3 號和泰坦 4 號火箭。泰坦 3 號可以運載約與土星 1B 號類似的重量，但是其生產和發射的費用比土星要低。

農神 1 號運載火箭的主要載物是阿波羅飛船。當時也有過用它發射 X-20 試驗機以及雙子星座飛船的打算。

## 組成部分

### S-I 級

S-I 是一個由八枚火箭引擎組成的第一級推進器。它由九個燃料箱、八個尾翼、推進結構、八枚 H-1 火箭和許多其它部分組成。九個燃料箱中包括八個紅石火箭燃料箱，其中四個裝液氧，塗成白色，四個裝 RP-1，塗成黑色。它們組合在一個木星火箭燃料箱周圍，這個木星火箭燃料箱也裝液氧。外部的四枚火箭可以轉向，由此可以用來控制火箭的推進方向。這使得整個第一級還需要一些更多的部件。

第一級數據:

* 高度：24.48 米
* 直徑：6.52 米
* 引擎：8 枚 H-1 推進器
* 推進：160 萬磅力（710 萬牛頓）
* 燃料：4.1 萬加侖 RP-1（提煉的煤油，155 立方米）
* 氧化劑：6.6 萬加侖液氧（250 立方米）
* 燃燒時間：2.5 分鐘
* 燃末高度：42 英里（68 千米）

#### H-1 引擎

H-1 引擎是使用液氧和 RP-1 的 20 萬磅力（89 萬牛頓）引擎。一些德爾它火箭和木星火箭使用單個 H-1 引擎。它是從納瓦霍火箭發展出來的。在 S-IB 中它獲得了繼續的簡化和提高。它被用在所有的 S-IB 火箭級里。後來它被改進為 20.5 萬磅力（91.2 萬牛頓）推進。H-1 後來被改進為用在農神 5 號運載火箭中使用的 F-1 引擎。基礎數據：

* 燃料：RP-1
* 氧化劑：液氧
* 高度：8.5 英尺（2.6 米）
* 寬度：5.5 英尺（1.7 米）
* 推進：20 萬磅力（89 萬牛頓）
* 改進後的推進：20.5 萬磅力（91.2 萬牛頓）
* 燃料流量：2092 加侖 / 分鐘（132 升 / 秒）
* 氧化劑流量：3330 加侖 / 分鐘（210 升 / 秒）
* 氧化劑對燃料的比率：2.23:1
* 式樣：雙推進標準
* 標準內腔壓力：4400 帕斯卡
* 內側重量：810 千克
* 外側重量：920 千克
* 比衝：263 秒（2.6 千牛頓・秒 / 千克）

### S-IV 級

S-IV 是一個液氫液氧火箭級。它由六枚 RL-10 引擎組成。它們全部能夠轉向。這個火箭級的燃料箱互相之間全部相通，這減輕了 10 噸的重量。數據：

* 高度：12.19 米
* 直徑：5.49 米
* 引擎：六枚 RL-10 引擎
* 推進：40 萬牛頓
* 燃料：液氫
* 氧化劑：液氧
* 燃燒時間：約 410 秒
* 燃盡高度：至 450 千米

#### RL-10 引擎

RL-10 引擎是 6.67 萬牛頓推動力的、使用液氧液氫的引擎。一些擎天神和泰坦火箭使用它作為第二級。所有的 S-IV 和半人馬座火箭均使用它。

基本數據：

* 燃料：液氫
* 氧化劑：液氧
* 高度：68 英寸（1.7 米）
* 直徑：39 英寸（1.0 米）
* 推進：1.5 萬磅力（6.7 萬牛頓）
* 比衝：433 秒（4250 牛頓・秒 / 千克）
* 燃燒時間：482 秒
* 標準內腔壓力：240 萬帕斯卡
* 乾重量：135 千克

### 儀器組

儀器環是一個位於農神 1 號第二級第二塊頂端的一個環狀結構。它是在第五至第十次發射時被裝上的。其目的在於用來測試下一代農神 5 號儀器組的設計。一些農神 1 號儀器組中的部分也被用在土星 1B 中了。總的來說這個儀器組以及其控制計算機與土星 1B 中使用的類似。

儀器組是在馬歇爾航太飛行中心生產的。它包括 ST-90 和 ST-124 導航平台以及控制和遙測系統。它控制在大氣層內的上升，抵償風的影響以及上升過程中的推進損失。

儀器組有一個光學窗口，這樣地面上的一個經緯儀可以用來定向。這個定向方法是在起飛過程中必須的。

早期農神 1 號的導航計算機是根據 IBM 為泰坦二號火箭設計的計算機發展過來的。

基礎數據：

* 直徑：3.9 米
* 高度：2.3 米
* 重量：2,769 千克

## 發射

## 參考文獻

## 參考資料

* Saturn launch vehicles (PDF)