XS-1是美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署（DARPA）研發(fā)的可重復(fù)使用小型無(wú)人空天飛機(jī)（Spaceplane）項(xiàng)目，用于快速將小型衛(wèi)星推送至太空軌道。XS-1將通過(guò)減少衛(wèi)星進(jìn)入軌道所需的時(shí)間來(lái)滿足軍方的需求,其目標(biāo)為10天內(nèi)連續(xù)完成10次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。XS-1將直接取代多級(jí)火箭的第一級(jí)，且可以重復(fù)利用。它能夠以高超聲速飛抵亞軌道，此后再通過(guò)一個(gè)或多個(gè)一次性的上面級(jí)將有效載荷分離并部署到低地球軌道，每24小時(shí)重復(fù)一次。DARPA稱XS-1既不是傳統(tǒng)的飛機(jī)，也不是傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭，而是兩者的結(jié)合，目標(biāo)是將發(fā)射成本降低10倍，并消除目前令人沮喪的發(fā)射的長(zhǎng)時(shí)間等候。過(guò)去的幾年中，美國(guó)軍方一直在尋求制造這種全新的超聲速空天飛機(jī)的可能，它可以在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)使用，將多顆衛(wèi)星送入軌道，并可重復(fù)使用。

XS-1計(jì)劃是2013年11月在DARPA行業(yè)會(huì)議上宣布的。DARPA指出，由于有更好的技術(shù)，包括輕型和低成本復(fù)合材料的機(jī)身和燃料罐結(jié)構(gòu)、耐用的熱防、可重復(fù)使用和可負(fù)擔(dān)的推進(jìn)裝置以及類似飛機(jī)的健康管理系統(tǒng)，XS-1更為可行。XS-1項(xiàng)目經(jīng)理斯龐奈貝爾（Jess Sponable）于2014年2月5日在NASA未來(lái)太空作戰(zhàn)小組發(fā)表演講時(shí)指出：“這里的愿景是打破升級(jí)太空運(yùn)載系統(tǒng)的成本的周期，使超聲速飛行器有可能日常地訪問(wèn)太空”。

DARPA 對(duì)XS-1計(jì)劃定出了明確的要求：無(wú)人重復(fù)使用空天飛機(jī)要像飛機(jī)一樣進(jìn)入空間，能以馬赫數(shù)10以上的高超聲速飛行，將1.4-2.3噸的負(fù)荷送入近地軌道后快速返回，10天能飛10次，發(fā)射費(fèi)用每次500萬(wàn)美元，大約是一次性運(yùn)載火箭發(fā)射費(fèi)用的1/11。其中可重復(fù)使用的第一級(jí)助推器以超聲速飛行到亞軌道高度，再加上一個(gè)或多個(gè)一次性的上面級(jí)分離和部署衛(wèi)星。

DARPA在2014年選擇了波音公司設(shè)計(jì)和制造這種軍用的空天飛機(jī)XS-1。波音公司的第一方案是帶翼構(gòu)型的設(shè)計(jì)，類似于現(xiàn)代飛機(jī)，稱為幻影快車（Phantom Express）。在XS-1項(xiàng)目第一階段，波音公司曾同藍(lán)源公司結(jié)成伙伴，希望由藍(lán)源公司為其提供發(fā)動(dòng)機(jī)。但后來(lái)決定采用航空噴氣洛克達(dá)因公司（Aerojet & Rocketdyne）在航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）基礎(chǔ)上研制的AR-22發(fā)動(dòng)機(jī)。航空噴氣洛克達(dá)因公司稱，它利用本公司和NASA庫(kù)存老型號(hào)SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的部件為該項(xiàng)目提供2臺(tái)“有過(guò)參加航天飛機(jī)飛行經(jīng)歷”的發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)將在NASA設(shè)在密西西比州的斯坦尼斯航天中心里組裝和測(cè)試。“幻影快車”的工程公司發(fā)言人稱，選用航空噴氣洛克達(dá)因公司的發(fā)動(dòng)機(jī)，是因?yàn)樵摴灸芴峁┮环N經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足DARPA的任務(wù)要求。

AR-22發(fā)動(dòng)機(jī)

AR-22是一款分級(jí)燃燒液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，帶有兩個(gè)獨(dú)立的預(yù)燃室，可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)高壓渦輪泵將液氧和液氫從獨(dú)立的低壓渦輪泵送到主燃燒室，主燃燒室借助于燃料循環(huán)通過(guò)燃燒室提供的再生冷卻來(lái)冷卻噴管壁。亞軌道助推飛行器垂直起飛，裝載馱在機(jī)體上方的衛(wèi)星上面級(jí)。上面級(jí)投放后，該亞軌道助推飛行器將會(huì)滑翔返回，并在跑道上著陸。按照計(jì)劃，“幻影快車”將在2019年前完成空天飛機(jī)的設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試，2020年進(jìn)行12-15次飛行測(cè)試，然后在10天中進(jìn)行10次飛行。在試驗(yàn)的起初，最高速度為馬赫5，沒(méi)有有效載荷；然后速度增加到10馬赫，并發(fā)送一個(gè)400-1350公斤的衛(wèi)星進(jìn)入低地球軌道。

波音幻影工程部總裁戴維斯（Darryl Davis）表示：“Phantom Express旨在打破和改變我們今天所知的衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程，創(chuàng)造一種新的費(fèi)用更低和風(fēng)險(xiǎn)更低的按需發(fā)射能力?！盌ARPA官員表示，XS-1空天飛機(jī)的技術(shù)不會(huì)僅僅是美軍的利益，還有助于打開(kāi)一系列下一代商業(yè)機(jī)會(huì)的大門。

下面的藝術(shù)家概念圖給出幻影快車空天飛機(jī)設(shè)計(jì)思路：尺寸大小與常規(guī)飛機(jī)相當(dāng)，使用液氧和液氫燃料的 AR-22發(fā)動(dòng)機(jī)為第一級(jí)，像火箭一樣垂直發(fā)射升空，以高超聲速（馬赫10）飛到大氣層的邊緣（高度大約100公里），與背負(fù)式的第二級(jí)分離后返回地面水平著陸，一次性使用的第二級(jí)將載荷和衛(wèi)星運(yùn)載到軌道上?！盎糜翱燔嚒睂⒂刹ㄒ簟盎糜肮こ獭辈块T建造，該部門還建造了兩架無(wú)人空天飛機(jī)X-37B。

XS-1實(shí)驗(yàn)空天飛機(jī)概念圖

航天飛機(jī)由三個(gè)主要部分組成：軌道器，燃料罐和助推器。軌道器有3個(gè)液氫液氧火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)的和2臺(tái)軌道發(fā)動(dòng)機(jī)。為主發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑的大型液氫液氧燃料罐、為航天飛機(jī)提供大部分推力的2個(gè)固體燃料火箭助推器在發(fā)射2分鐘后分離墜入大海。航天飛機(jī)加速6分鐘后便達(dá)到入軌速度7.8公里/秒。每一次發(fā)射后，外燃料箱都會(huì)在大氣層中燒毀。除了外燃料箱外，另外兩個(gè)組成部分都可以重復(fù)利用。

航天飛機(jī)等待發(fā)射

航天飛機(jī)發(fā)射升空

每一個(gè)固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶45萬(wàn)公斤推進(jìn)劑，推進(jìn)劑在猶他州的一個(gè)工廠里混合。混合在600加侖的缽中進(jìn)行，這些缽分別安放在3個(gè)不同的攪拌大樓里?；旌贤瓿珊蟮耐七M(jìn)劑被送到特別的鑄造大樓里，灌進(jìn)鑄件中。固化的推進(jìn)劑看上去像硬塑料打字機(jī)的橡皮，摸上去也像是橡皮。

在升空時(shí)，外燃料箱吸收了3個(gè)主發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力負(fù)載354噸。當(dāng)固體火箭助推器在大約45公里的高度分離后，主發(fā)動(dòng)機(jī)仍在燃燒的軌道器攜帶外燃料箱繼續(xù)上升到地球以上大約113公里的上空，達(dá)到接近軌道速度的速度。這個(gè)時(shí)候，燃料幾乎耗盡的外燃料箱分離，依照事先設(shè)計(jì)的線路下落，其構(gòu)造的大部分在大氣中燒毀，殘骸落進(jìn)大洋里。

外燃料箱的三個(gè)主要部件是：位于前端的氧燃料箱，位于后端的氫燃料箱，還有一個(gè)中間燃料箱。后者將兩個(gè)推進(jìn)燃料箱連在一起，儀表和燃料處理設(shè)備也在中間箱里，同時(shí)它也為固體火箭助推器前端提供附著結(jié)構(gòu)。

氫燃料箱的體積是氧燃料箱的2.5倍，但完全灌滿燃料后，其重量只有后者的1/3，這是因?yàn)橐貉醯拿芏仁且簹涞?6倍。

外燃料箱的蒙皮由熱保護(hù)系統(tǒng)覆蓋。熱保護(hù)系統(tǒng)是一層2.5厘米厚的聚氨酯泡沫涂料，作用是將推進(jìn)劑維持在一個(gè)可接受的溫度下，保護(hù)蒙皮表面不會(huì)因?yàn)榕c大氣摩擦產(chǎn)生的高溫?fù)p壞，也將表面結(jié)冰的可能性降至最低。

外燃料箱包括一個(gè)推進(jìn)劑輸出系統(tǒng)（將推進(jìn)推輸送到軌道器的發(fā)動(dòng)機(jī)里），一個(gè)加壓與通風(fēng)系統(tǒng)（負(fù)責(zé)調(diào)控燃料箱的壓力），一個(gè)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)（負(fù)責(zé)調(diào)控溫度，補(bǔ)充中間燃料箱區(qū)域的大氣），還有一個(gè)電子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)分配電力、儀表信號(hào)，提供閃電保護(hù)）。

外燃料箱推進(jìn)劑通過(guò)一根直徑43厘米(17英寸)的連接管輸送給軌道器，這根連接管在軌道器內(nèi)部分成3根更細(xì)的管子，向每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸送推進(jìn)劑。

機(jī)身前部有駕駛艙、生活艙和實(shí)驗(yàn)操作站，這一部分有一個(gè)加壓的乘員艙，并為機(jī)頭部分、前起落架和前起落架輪艙和門提供支持。其中乘員艙的空間為65.8立方米，由三部分組成，分別是加壓的工作間、生活間和儲(chǔ)存間。在乘員艙后艙壁外面的有效載荷艙里，安裝有一個(gè)對(duì)接艙和一個(gè)有接頭的氣密過(guò)渡轉(zhuǎn)移通道，以方便對(duì)接、乘員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和到艙外活動(dòng)。兩層的乘員艙前部有一個(gè)駕駛艙，機(jī)長(zhǎng)的座位在駕駛艙的左側(cè)，飛行員的座位在右側(cè)。

駕駛艙通常設(shè)計(jì)成駕駛員/副駕駛員都可操作模式，這樣在任何一個(gè)座位上都可以駕駛軌道器，也可以執(zhí)行單人的緊急返回任務(wù)。每個(gè)座位上都有手動(dòng)飛行控制器，包括旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換駕駛桿、方向舵踏板和減速板控制器。駕駛艙里可以坐4個(gè)人。軌道顯示器和控制器在駕駛艙/乘員艙的尾部，左邊的軌道顯示器和控制器是用來(lái)操縱軌道飛行器的，右邊的軌道顯示器和控制器是用來(lái)操縱有效載荷的。在駕駛艙里有多達(dá)2020個(gè)分散的顯示器和控制器。

航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)是與固體燃料火箭助推器聯(lián)接在一起的3個(gè)液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在最初上升階段為軌道飛行器提供推力，使之脫離地球引力，在發(fā)射后持續(xù)運(yùn)行8.5分鐘左右，這段期間是航天飛機(jī)的動(dòng)力推動(dòng)飛行階段。

當(dāng)固體燃料火箭被拋開(kāi)后，主發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力可以將航天飛機(jī)的速度在6分鐘里從1.34公里/秒提高到7.8公里/秒，從而可以進(jìn)入地球軌道。

航天飛機(jī)加速期間，主發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)燃燒掉50萬(wàn)加侖的液態(tài)推進(jìn)劑。這些推進(jìn)劑由巨大的橙色外掛燃料箱提供，主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒液氫和液氧。液氫是世界上第二最冷的液體，溫度在零下華氏423度(攝氏零下252.8度)。發(fā)動(dòng)機(jī)一開(kāi)始排放的是由氫和氧合成的水汽。主發(fā)動(dòng)機(jī)在分階段燃燒周期內(nèi)，使用高能推進(jìn)劑產(chǎn)生推力，推進(jìn)劑的一部分在雙重預(yù)燒器里消耗掉，產(chǎn)生高壓熱氣，推動(dòng)渦輪泵。燃燒則是在主燃燒室完成的。每個(gè)航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)使用的液氧/液氫比例是6：1，產(chǎn)生水平推力179噸、垂直推力213噸。

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力可在65%至109%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣，點(diǎn)火發(fā)動(dòng)和初始上升階段可以有更大的推力，而在最后的上升階段則會(huì)減少推力，將加速度限制在3g以下。在上升階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)向接頭(即平衡架)可提供傾斜、偏航和滾動(dòng)控制。

主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25是一種非常復(fù)雜的動(dòng)力裝置，以外儲(chǔ)箱中的液氫/液氧為推進(jìn)劑。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛時(shí)能提供大約180噸的推力。航天飛機(jī)每次飛行歸來(lái)后，發(fā)動(dòng)機(jī)都將被卸下交給航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)加工廠（SSMEPF）進(jìn)行維護(hù)檢測(cè)，替換一些部件。主發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在極端溫度下工作，氫燃料的儲(chǔ)藏溫度為-253 C（-423 F），而燃燒室的溫度可達(dá)3,300 C（6,000 F），后者高于鐵的沸點(diǎn)。若將主發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料泵用于排水，一個(gè)家用游泳池的水可在25秒內(nèi)排盡，并且將池水送到6000米的高空。

主發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流程：外掛燃料箱中的推進(jìn)劑通過(guò)臍帶管進(jìn)入航天飛機(jī)，然后進(jìn)入三條并行管道，通過(guò)工作泵供給燃燒室。這里采用了成本比較高的雙預(yù)燃室設(shè)計(jì)，工作原理如下：液氫首先由預(yù)壓泵進(jìn)行預(yù)壓，然后進(jìn)入主泵二次加壓，接下來(lái)對(duì)噴管進(jìn)行冷卻并氣化。氣化后的氫分成兩路，比較大的一路要再次分成兩路分別注入兩個(gè)預(yù)燃室，比較小的一路則要用來(lái)冷卻燃燒室，變成溫度更高的氣體用于推動(dòng)氫預(yù)壓泵，然后也分為兩路分別注入兩個(gè)預(yù)燃室，這一部分實(shí)際上為部分膨脹循環(huán)。液氧也首先通過(guò)預(yù)壓泵預(yù)壓，然后通過(guò)主氧泵再次加壓，加壓后則分為三路：流量最大的一路直接進(jìn)入燃燒室；流量稍小的一路則用于驅(qū)動(dòng)連接著液氧預(yù)壓泵的渦輪，然后合并到氧預(yù)壓泵預(yù)壓過(guò)的低壓液氧流中，再次進(jìn)入主氧泵；最小的一路經(jīng)過(guò)一個(gè)與主氧泵同軸的高壓氧泵再次加壓后分成兩路，分別注入兩個(gè)預(yù)燃室。最后，全部的氫和少量的液氧在兩個(gè)預(yù)燃室中燃燒為富燃燃?xì)?，分別推動(dòng)連接液氧泵和液氫泵的渦輪，最后注入到燃燒室。

SSME的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但也因此獲得了很高的性能和操縱余量。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的真空推力為213噸，可在65%～109%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。安全性也保持得不錯(cuò)，發(fā)動(dòng)機(jī)使用次數(shù)為55次。從1981年4月參加航天飛機(jī)首飛開(kāi)始，至今SSME已完成近百次飛行任務(wù)。

SSME的主要部件：低壓氧化劑渦輪泵（LPOTP）是一個(gè)靠液氧帶動(dòng)的六級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)的軸流泵，尺寸為450厘米×450厘米，轉(zhuǎn)速約5,150轉(zhuǎn)/分。它將液氧的壓力從0.7兆帕提高到2.9兆帕，加壓后的液氧供給到高壓氧化劑渦輪泵（HPOTP），從而保證在高壓狀態(tài)下工作的HPOTP不會(huì)產(chǎn)生空穴。HPOTP由兩個(gè)連接在同一主軸的單級(jí)離心泵（一個(gè)主泵，一個(gè)預(yù)燃泵）組成，由1臺(tái)兩級(jí)高溫渦輪驅(qū)動(dòng)，尺寸為600厘米×900厘米，由法蘭片連接在高溫歧管上，轉(zhuǎn)速約28,120轉(zhuǎn)/分，主泵將液氧壓力從2.9兆帕增加到30兆帕。加壓液氧被分成幾路，一路用來(lái)驅(qū)動(dòng)LPOTP，其余大部分液氧流向燃燒室。剩余一小部分送往液氧熱交換機(jī)，控制這部分液氧的是一種“防溢閥”，當(dāng)熱量將液氧轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)，閥門才打開(kāi)。一部分氧氣通過(guò)專用管道進(jìn)入附加燃料箱，擠壓液氧；另一部分氧氣進(jìn)入預(yù)燃泵，驅(qū)動(dòng)預(yù)燃泵將液氧壓力從30兆帕增加到51兆帕。HPOTP的渦輪和泵裝在同一轉(zhuǎn)軸上。渦輪中的高溫燃料氣與主泵里的液氧混合可能導(dǎo)致事故，為了防止事故發(fā)生，渦輪與泵由充滿氦氣的空穴隔開(kāi)，氦氣氣壓降低將觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。

氫燃料系統(tǒng)：低壓燃料渦輪泵（LPFTP）是一個(gè)靠氫氣帶動(dòng)的二級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)的軸流泵，尺寸450厘米×600厘米，轉(zhuǎn)速約16,185轉(zhuǎn)/分。它將液氫的壓力從0.2兆帕增加到1.9兆帕，并將之供給高壓燃料渦輪泵（HPFTP）。渦輪泵安裝在與LPOTP相對(duì)的位置上。HPFTP是三級(jí)離心泵，由1臺(tái)兩級(jí)高溫渦輪驅(qū)動(dòng)，尺寸為550厘米×1100厘米，由法蘭片連接在高溫歧管上，轉(zhuǎn)速約35,360轉(zhuǎn)/分。它將液氫的壓力從1.9兆帕增加到45兆帕。高壓液氫流過(guò)主閥門后分為三路：一路流經(jīng)燃燒室外殼用以冷卻，一部分氫氣流回LPFTP，驅(qū)動(dòng)LPFTP的渦輪，一小部分氫氣被送回附加燃料箱中給液氫箱增壓，其余氫氣注入燃燒室；第二路通過(guò)噴管后氣化加入第三路，隨后送入預(yù)燃室。為避免LPFTP到HPFTP的管道周圍生成液態(tài)空氣，設(shè)計(jì)師采取了必要的隔熱措施。氧化劑和燃料的預(yù)燃室焊接在高溫歧管上。電弧點(diǎn)火器位于噴射器的中央，這個(gè)雙備份點(diǎn)火器由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后依次工作來(lái)點(diǎn)燃每個(gè)預(yù)燃室，大約3秒后，燃燒能夠自維持，點(diǎn)火器關(guān)閉。預(yù)燃室產(chǎn)生的高溫富燃料氣體用以驅(qū)動(dòng)高壓渦輪泵、氧化劑的預(yù)燃渦輪和預(yù)燃泵。燃料預(yù)燃室的高溫氣體驅(qū)動(dòng)HPFTP的渦輪。HPOTP和HPFTP渦輪的轉(zhuǎn)速依賴于預(yù)燃室中控制氧化劑流量的閥門的開(kāi)啟程度，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器控制通過(guò)控制閥門開(kāi)閉來(lái)達(dá)到控制推力的目的。氧化劑和燃料預(yù)燃室閥門共同作用，產(chǎn)生6:1的推進(jìn)劑混合比。

冷卻控制系統(tǒng)：冷卻劑控制閥安裝在燃燒室的冷卻旁路管上，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，閥門都是完全開(kāi)啟的。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，閥門可呈100%開(kāi)啟以實(shí)現(xiàn)100%至109%的冷卻效果；或呈66.4%至100%開(kāi)啟，以實(shí)現(xiàn)65%至100%的冷卻效果。

燃燒室和噴管：主發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的推進(jìn)劑是富燃料型的，氫氣和液氧通過(guò)高溫氣體歧管冷卻回路注入燃燒室。燃燒室和噴管的內(nèi)壁靠外壁的管壁式冷卻管道中的液氫來(lái)冷卻。鐘罩形噴管依靠螺栓連接在主燃燒室下方。噴管長(zhǎng)2.9米，出口直徑2.4米。噴管前端的支撐環(huán)就是發(fā)動(dòng)機(jī)擋熱板的連接點(diǎn)。由于航天飛機(jī)在發(fā)射、在軌和返回時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)都暴露在外界大氣層中，因此有必要對(duì)之進(jìn)行隔熱處理。隔熱層由四層金屬棉和包在最外層的金屬箔與金屬網(wǎng)組成。SSME噴管的膨脹比達(dá)到了罕見(jiàn)的77:1，足夠大的噴管可以承受能引起控制失衡和造成航天器機(jī)械損傷的流動(dòng)分離問(wèn)題。洛克達(dá)因的工程師降低了噴管出口處的外壁傾角，這將出口邊緣的壓力增加到4.6帕斯卡至5.7帕斯卡，而中間部分壓力只有2帕斯卡，由此解決了流動(dòng)分離問(wèn)題。主發(fā)動(dòng)機(jī)上共有5個(gè)主閥門，分別位于氧化劑預(yù)燃室、燃料預(yù)燃室、氧化劑管、燃料管和燃燒室冷卻劑管。閥門都是壓力開(kāi)啟，并通過(guò)控制器控制的。在氦氣保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力異常時(shí)，閥門會(huì)完全關(guān)閉。氧化劑和燃料的放泄閥是在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后開(kāi)啟的，剩余的液氫液氧由此被排泄到航天器外。排盡后閥門重新關(guān)閉。

推力數(shù)據(jù)：SSME的推力可以在67%到109%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，目前的發(fā)射都采用104.5%推力，而106%至109%推力用于“航天飛機(jī)異常中止模式” 。以下是具體推力值，前者是海平面值，后者是真空值：

1. 100%推力：167噸/209噸

2. 104.5%推力：175噸/217噸

3. 109%推力：186噸/228噸

其中，100%推力并不代表最大推力值，而是額定值，是在SSME研發(fā)期間計(jì)算得出的。之后的研究表明，主發(fā)動(dòng)機(jī)在超過(guò)預(yù)設(shè)推力下也能安全工作。為了維持原來(lái)的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不變，也便于以后推力比較，特意將原預(yù)設(shè)值規(guī)定為100%推力，此后如果推力增大，就不需要修改原值。SSME的推力會(huì)影響其可靠性，有研究表明：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力超過(guò)104.5%時(shí)，對(duì)可靠性有明顯影響。因此超過(guò)100%的推力模式較少使用。

性能指標(biāo)：航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)SSME的主要性能參數(shù)如下

1. 推力：1670千牛/2090千牛
   

2. 真空比沖：452.5秒
   

3. 推重比：73.3:1
   

4. 喉部面積：600厘米2
   

5. 噴嘴面積：4.5米2
   

6. 室壓：187大氣壓（100%推力）
   

7. 出口壓力：0.07大氣壓（額定值）
   

8. 燃燒時(shí)間：520秒
   

“暴風(fēng)雪號(hào)”航天飛機(jī)

前蘇聯(lián)總共建造過(guò)5架用于開(kāi)展飛行活動(dòng)的“暴風(fēng)雪”號(hào)，它是前蘇聯(lián)唯一的一架進(jìn)行過(guò)自動(dòng)駕駛模式下太空飛行的航天飛機(jī)。由于在資金方面遭遇巨大障礙，俄羅斯于1993年最終取消了有關(guān)航天飛機(jī)的一系列計(jì)劃?！氨╋L(fēng)雪”號(hào)于2002年5月12日被完全拆解，所有權(quán)歸屬哈薩克斯坦。除此之外，前蘇聯(lián)還建造過(guò)8架測(cè)試模型，用于進(jìn)行各種驗(yàn)證活動(dòng)，德國(guó)博物館曾購(gòu)買過(guò)其中的一架。

總之，航天飛機(jī)是世界上第一種可以再重復(fù)使用的太空船，也是歷史上第一種可攜帶大型衛(wèi)星進(jìn)入軌道和離開(kāi)軌道的太空船。航天飛機(jī)的發(fā)射像火箭，在地球軌道上運(yùn)行像太空船，而著陸又像飛機(jī)。美國(guó)設(shè)計(jì)制造了5架，30年運(yùn)行了135次。其中失敗2次，為挑戰(zhàn)號(hào)（198年）和哥論比亞號(hào)（2003年），有14人遇難。美國(guó)對(duì)航天飛機(jī)的總投資2090億美元，每次發(fā)射費(fèi)用 4.5-15億美元, 相當(dāng)于每公斤6000-20000美元。按照計(jì)劃，每一架航天飛機(jī)都要按需要執(zhí)行至少100次太空飛行任務(wù)設(shè)計(jì)。但到目前為止，它們加起來(lái)執(zhí)行的任務(wù)總和還不到預(yù)定值的1/4。

土星5號(hào)是截至目前仍是人類歷史上使用過(guò)的自重最大的運(yùn)載火箭，高達(dá)110.6米，起飛重量達(dá)3038.5噸，總推力達(dá)3408噸，月球軌道運(yùn)載能力45噸，近地軌道運(yùn)載能力118噸。土星5號(hào)是三級(jí)火箭，由S-1C第一級(jí)、S-II第二級(jí)、S-IVB第三級(jí)以及儀器艙和有效載荷組成。第一級(jí)長(zhǎng)42米，直徑10米，到尾段底部直徑增大到13米。尾段上裝有4個(gè)穩(wěn)定尾翼，翼展約18米。第一級(jí)采用5臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為液氧和煤油，2個(gè)10米直徑的鋁制推進(jìn)劑貯箱采用桁條和隔框來(lái)加強(qiáng)。第二級(jí)長(zhǎng)25米，直徑10米，采用液氧液氫推進(jìn)劑，共用5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。第三級(jí)長(zhǎng)18.8米，直徑6.6米，有1臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為液氧液氫。

土星5號(hào)也是土星號(hào)運(yùn)載火箭成員中最大的火箭，由馬歇爾太空飛行中心總指揮沃納·馮·布勞恩與他的德國(guó)火箭團(tuán)隊(duì)擔(dān)任設(shè)計(jì)研發(fā)工作，主要的承包商包括波音公司、北美航空公司、道格拉斯飛行器公司以及IBM。

土星5號(hào)超重型運(yùn)載火箭是僅次于蘇聯(lián)“能源號(hào)”運(yùn)載火箭的推力第二大的運(yùn)載火箭。在1967-1973年間，美國(guó)共發(fā)射了13枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭，它們保持著完美的發(fā)射記錄。其中有9枚“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭將載人的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船送上月球軌道?！巴列?號(hào)”運(yùn)載火箭的生產(chǎn)線于1970年關(guān)閉，而其最后一次發(fā)射是1973年。這次發(fā)射將“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站送入了近地軌道。它的續(xù)任者是太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS),號(hào)稱史上最強(qiáng)運(yùn)載火箭系統(tǒng)。

“土星5號(hào)”火箭于1962年開(kāi)始研制，1967年11月9日首次飛行，1973年5月末次飛行，計(jì)劃發(fā)射19次，后來(lái)取消2次，成功率達(dá)到100%。其中第1-3次是不載人模擬環(huán)地飛行，第4次是不載人試飛，從第7次開(kāi)始是載人飛行。1968年12月21日發(fā)射的“阿波羅8號(hào)”載著3名航天員完成了人類第一次繞月飛行，隨后，又發(fā)射了7次登月飛船,為阿波羅登月計(jì)劃的實(shí)施做出了貢獻(xiàn)。

上世紀(jì)60年代初期，蘇聯(lián)在太空的競(jìng)賽中領(lǐng)先于其對(duì)手美國(guó)。1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林成為第一個(gè)進(jìn)入太空的人。美國(guó)總統(tǒng)約翰·肯尼迪認(rèn)為，為了在太空競(jìng)爭(zhēng)中勝過(guò)蘇聯(lián)人就需要首先登月。他在1961年5月25日宣布美國(guó)將會(huì)在1970年之前將宇航員送上月球，而在那時(shí)，美國(guó)唯一的一次載人太空任務(wù)是艾倫·謝潑德的“自由7號(hào)”，它僅在太空停留了15分鐘，尚未進(jìn)入近地軌道。當(dāng)時(shí)世界上沒(méi)有火箭能夠一次運(yùn)送可登月的航天器。土星1號(hào)火箭當(dāng)時(shí)還在研制過(guò)程中，但由于其推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要若干次發(fā)射才能將登月所需要的各個(gè)部件送入軌道。在肯尼迪講話后不久，馮·布勞恩就開(kāi)始為NASA工作，領(lǐng)導(dǎo)載人航天的火箭設(shè)計(jì)和制造工作。

在登月計(jì)劃的初期階段，NASA曾考慮過(guò)三個(gè)主要的設(shè)想：地球軌道交會(huì)、直接起飛以及月球軌道交會(huì)(LOR)。盡管NASA起初沒(méi)有選擇月球軌道交會(huì)，因?yàn)槿祟惍?dāng)時(shí)連地球軌道交會(huì)都沒(méi)有執(zhí)行過(guò)，更不用說(shuō)難度更大的月球軌道交會(huì)了。后來(lái)，由于能夠使任務(wù)時(shí)間縮短以及較其他兩種方法更為簡(jiǎn)單，月球軌道交會(huì)集合仍然被采納。運(yùn)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須和登月計(jì)劃的使命和任務(wù)相適應(yīng)，這是對(duì)于土星5號(hào)設(shè)計(jì)者的重大挑戰(zhàn)。

土星5號(hào)的最終設(shè)計(jì)使用F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)配合新型的稱為J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫推進(jìn)系統(tǒng)。這可以使土星C-5的配置達(dá)到最優(yōu)。1962年，NASA做出了最終計(jì)劃，決定按照馮·布勞恩的土星設(shè)計(jì)方案繼續(xù)研究，而這也為阿波羅計(jì)劃贏得了時(shí)間。

隨著火箭的配置工作的完成，NASA開(kāi)始考慮選擇登月的任務(wù)模式。在經(jīng)歷爭(zhēng)論之后，NASA決定采用月球軌道交會(huì)的方法。在推進(jìn)燃料的選擇、燃料需求量和火箭制造過(guò)程等等問(wèn)題都得到了解決之后，土星5號(hào)被選為登月飛船的運(yùn)載火箭。這只火箭的建造過(guò)程自頂向下分為三個(gè)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(shè)計(jì)，由其它合同商負(fù)責(zé)制造，如波音、北美航空、道格拉斯飛行器公司以及IBM。

土星5號(hào)火箭的生產(chǎn)、組裝與發(fā)射情況匯總表

土星5號(hào)的巨大體積和載荷容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了之前曾經(jīng)成功飛行過(guò)的火箭。將阿波羅宇宙飛船放置在其頂端后，其總高度達(dá)到111米，直徑達(dá)10米。加滿燃料以后，總重量達(dá)到3000噸，可以將118噸重的物體送到近地軌道。作為對(duì)比，土星5號(hào)的高度僅比倫敦圣保羅大教堂低1英尺。而美國(guó)第一次載人太空飛行所用的火箭僅比土星5號(hào)的第三級(jí)長(zhǎng)3.4米，甚至還不如阿波羅指令艙的逃生系統(tǒng)火箭的推力大。

土星5號(hào)基本上是由在亞拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾航天飛行中心設(shè)計(jì)完成的，而其中也有很多主要的系統(tǒng)，如推進(jìn)系統(tǒng)等等，是由分包商來(lái)設(shè)計(jì)的。它使用了大推力的新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)F1和J-2作為推進(jìn)裝置。在測(cè)試時(shí)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)震碎了周圍房屋的窗戶。設(shè)計(jì)者很早就決定在土星1號(hào)計(jì)劃中盡可能多地使用新技術(shù)。因此，土星5號(hào)的第三級(jí)S-IVB實(shí)際上就是基于土星1號(hào)的第二級(jí)S-IV?？刂仆列?號(hào)的儀器設(shè)備和土星1號(hào)的也有共同之處。

S-IC第一級(jí)在裝配中(1968年2月1日)

一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的液氧和煤油分別由一臺(tái)液氧泵和一臺(tái)煤油泵提供，其中液氧泵的流量為每秒24811加侖，煤油泵的流量為每秒15741加侖。液氧泵的工作溫度為-185℃，煤油泵的工作溫度為15℃。液氧泵和煤油泵由1臺(tái)55000馬力的渦輪機(jī)提供動(dòng)力，渦輪泵的工作溫度為650℃。

S-IC推進(jìn)器在位于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(fù)責(zé)建造航天飛機(jī)外部燃料箱。發(fā)射時(shí)，它的2000多噸重量中的絕大部分都是推進(jìn)劑，也就是RP-1和液氧氧化劑。它的高度達(dá)42米，直徑10米，可以提供34兆牛的推力，可以使火箭上升至61千米高。這一級(jí)推進(jìn)器的凈重為131噸，裝滿燃料后重量達(dá)到2300噸。5個(gè)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)排成十字型，中心的發(fā)動(dòng)機(jī)位置固定，而周圍的四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)液壓轉(zhuǎn)向以控制火箭。在飛行中，中央的發(fā)動(dòng)機(jī)要比周圍的發(fā)動(dòng)機(jī)早關(guān)閉26秒，以限制加速度。在發(fā)射中，S-IC推進(jìn)器將工作168秒鐘（升空7秒前點(diǎn)火），隨后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，此時(shí)火箭的高度大約是68千米。而火箭大約飛行93千米時(shí)，速度達(dá)到2390米/秒。

 S-IC的性能參數(shù)匯總表

土星5號(hào)火箭第一級(jí)的5個(gè)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

S-II第二級(jí)性能參數(shù)匯總表

S-II第二級(jí)在吊裝中

S-IVB第三級(jí)在建造中

S-IVB推進(jìn)器由位于加利福尼亞州的道格拉斯飛行器公司建造。它使用了一個(gè)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，和S-II推進(jìn)器一樣都使用液氫和液氧作為燃料。S-IVB推進(jìn)器在兩個(gè)燃料柜間也使用了共用箱壁。這個(gè)推進(jìn)器有17.85米高，直徑6.6米，重量也盡量的減輕了，盡管減輕的程度不如S-II那樣大。S-IVB的凈重11噸，加滿燃料后重119噸。這一級(jí)在任務(wù)過(guò)程中會(huì)使用兩次，首先在第二級(jí)活動(dòng)及關(guān)閉后，S-IVB點(diǎn)火工作2.5分鐘，然后在月球轉(zhuǎn)移軌道射入階段點(diǎn)火大約6分鐘。兩個(gè)加滿液體燃料的輔助推進(jìn)設(shè)備裝在推進(jìn)器尾部，用來(lái)在待機(jī)軌道和月球轉(zhuǎn)移階段控制火箭的高度。這兩個(gè)輔助推進(jìn)設(shè)備也用作姿態(tài)控制，以幫助燃料在月球轉(zhuǎn)移軌道上射入點(diǎn)火前處于正確的位置。

 S-IVB第三級(jí)性能參數(shù)匯總表

下表則是對(duì)于世界各國(guó)研制的大型火箭的運(yùn)載能力做了一個(gè)比較。

大型火箭運(yùn)載能力比較表（截至2017年）

前蘇聯(lián)針對(duì)土星5號(hào)火箭，設(shè)計(jì)了N1運(yùn)載火箭。盡管土星5號(hào)更高、更重，運(yùn)載能力也更強(qiáng)，但是N1火箭提供的起飛推力更大，第一級(jí)推進(jìn)器的直徑也更大。在計(jì)劃取消前，N1運(yùn)載火箭一共進(jìn)行了4次試驗(yàn)發(fā)射，每次都在飛行的早期失敗。N-1火箭的海平面起飛推力可以達(dá)到44.1兆牛，但是從來(lái)沒(méi)有成功入軌。

1969年7月16日，阿波羅11號(hào)起飛。這是人類歷史上第一次登上月球。土星5號(hào)執(zhí)行了所有的阿波羅登月任務(wù)，都是從肯尼迪航天中心的39號(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)射的。在火箭飛離發(fā)射塔后，飛行控制就轉(zhuǎn)移到了位于德克薩斯州休斯頓的約翰遜航天中心的任務(wù)控制中心?；鸺钠骄蝿?wù)時(shí)間總共僅僅需要20分鐘。盡管阿波羅6號(hào)和阿波羅13號(hào)任務(wù)中出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)故障，箭載電腦仍然可以通過(guò)延長(zhǎng)剩余發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間來(lái)補(bǔ)償損失的推力，沒(méi)有任何一次阿波羅發(fā)射損失了載荷。

阿波羅11號(hào)任務(wù)中，土星5號(hào)發(fā)射升空過(guò)程

火箭離開(kāi)發(fā)射塔需要大約12秒鐘。在這段時(shí)間，火箭將偏斜1.25度，以保證能夠即使在逆風(fēng)情況下也能安全地離開(kāi)發(fā)射塔。這個(gè)偏斜量雖然很小，但是也能在從西邊或東邊拍攝到的發(fā)射照片中觀察到。在高度大約130米的時(shí)候，火箭將調(diào)整到正確的航向，然后逐漸地壓低角度，直到第二級(jí)推進(jìn)器點(diǎn)火后38秒。這個(gè)壓低的程序根據(jù)在發(fā)射的那個(gè)月中的主要風(fēng)向來(lái)設(shè)定。四個(gè)外側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)也向外傾斜，這樣，在一個(gè)外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的情況下，仍然可以保持剩余火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力在火箭的重心之上。土星5號(hào)火箭迅速的加速，在高度大約1600米的時(shí)候，速度會(huì)達(dá)到約120米/秒。早期飛行的大多數(shù)時(shí)間，研發(fā)人員都是在提升火箭的高度，后面才開(kāi)始有速度要求。

在大約80秒的時(shí)候，火箭將達(dá)到最大動(dòng)態(tài)壓力?；鸺系膭?dòng)態(tài)壓力隨空氣密度的變化與相對(duì)速度的平方發(fā)生變化。盡管速度不停地增加，空氣密度隨減小得更快，從而使空氣壓力小于最大動(dòng)態(tài)壓力。

S-IC推進(jìn)器工作時(shí)的加速度增加有兩方面原因：推進(jìn)劑的質(zhì)量減小了，F(xiàn)-1火箭發(fā)動(dòng)的推力在稀薄空氣中的效率提高，這從而使得推力增加。在135秒時(shí)，中央的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，以將加速度限制在4g（39.2米/秒2）以下。外側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)燃燒，直到傳感器檢測(cè)到氧化劑或者燃料消耗完畢。第一級(jí)推進(jìn)器在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后略小于1秒后分離，以利用F1發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余推力。8個(gè)較小的固體燃料分離發(fā)動(dòng)機(jī)使S-IC推進(jìn)器從級(jí)間結(jié)構(gòu)脫離，這時(shí)火箭的高度大約67千米。第一級(jí)隨后依其彈道上升至大約109千米高，然后墜入560千米外的大西洋。

在S-IC推進(jìn)器脫離以后，S-II第二級(jí)推進(jìn)器大約工作6分鐘，將飛船推送至170千米的高空，速度達(dá)到25182千米/小時(shí)（7.00千米/秒），接近第一宇宙速度。

在頭兩次無(wú)人發(fā)射過(guò)程中，8個(gè)固體燃料推進(jìn)器點(diǎn)火大約4秒鐘，給S-II推進(jìn)器提供了正的加速度，隨后S-II推進(jìn)器的5個(gè)J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。在頭7次載人阿波羅任務(wù)中，僅僅使用了4個(gè)固體燃料推進(jìn)器；在最后四次發(fā)射中，則沒(méi)有使用它們。在第一級(jí)推進(jìn)器分離30秒以后，級(jí)間環(huán)從第二級(jí)推進(jìn)器上脫落。脫落時(shí)通過(guò)慣性固定姿態(tài)，因此級(jí)間環(huán)雖然距離箭載J-2發(fā)動(dòng)機(jī)僅有1米，卻可以順利脫落而不碰到它們。級(jí)間環(huán)脫落以后很短時(shí)間內(nèi)逃生系統(tǒng)也被拋棄了。

但是，S-IIC推進(jìn)器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣影響了脫落過(guò)程。第二級(jí)推進(jìn)器點(diǎn)火后38秒鐘，土星5號(hào)從預(yù)先設(shè)定的軌跡進(jìn)入一個(gè)閉合環(huán)，或者稱為迭代導(dǎo)航模式?？刂圃O(shè)備單元開(kāi)始進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以找出能夠到達(dá)預(yù)定軌道的最有效利用燃料的軌跡。如果控制設(shè)備單元出現(xiàn)故障，宇航員可以將對(duì)土星5號(hào)的控制轉(zhuǎn)移到指令艙的計(jì)算機(jī)，或者采用手動(dòng)控制，甚至取消這次飛行。

在第二級(jí)推進(jìn)器關(guān)閉前的90秒，中央發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，以減小縱向耦合振動(dòng)。首先應(yīng)用于阿波羅14號(hào)的耦合抑制器可以停止這種振動(dòng)，但是中央發(fā)動(dòng)機(jī)仍然需要關(guān)閉，以免加速度過(guò)大。大約在這個(gè)時(shí)候，液氧的流量也減小了，使得兩種推進(jìn)劑的混合比例發(fā)生改變，使得第二級(jí)推進(jìn)劑飛行結(jié)束時(shí)燃料柜中剩余推進(jìn)劑盡量少。當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的速度變化時(shí)，便開(kāi)始采用這種方式。

在S-II推進(jìn)劑燃料箱的底部有5個(gè)液位傳感器，他們?cè)赟-II飛行階段啟用，只要有任何兩個(gè)傳感器檢測(cè)到燃料耗盡，就會(huì)觸發(fā)S-II推進(jìn)器關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)1秒鐘后，S-II推進(jìn)器分離，幾秒鐘以后第三級(jí)S-IVB推進(jìn)器點(diǎn)火。S-II推進(jìn)器頂端的固體火箭點(diǎn)火將這一級(jí)推進(jìn)器反向加速，以脫離S-IVB推進(jìn)器。S-II將會(huì)落在距離發(fā)射場(chǎng)4200千米的地方。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。盡管級(jí)間環(huán)作為第三級(jí)推進(jìn)器的一部分進(jìn)行建造，它仍然與第二級(jí)推進(jìn)器相連。

在阿波羅11號(hào)這個(gè)典型的登月任務(wù)中，第三級(jí)推進(jìn)器工作大約2.5分鐘左右，到任務(wù)的第11分40秒第一次關(guān)機(jī)。這時(shí)，火箭已經(jīng)飛行了大約2640千米，進(jìn)入高度約191.2千米的待機(jī)軌道，速度達(dá)到7.75千米/秒。宇宙飛船隨后需要繞地球飛行兩圈半，在此期間宇航員和飛行任務(wù)控制人員進(jìn)行月球軌道轉(zhuǎn)移射入的準(zhǔn)備工作，而這時(shí)第三極推進(jìn)器一直與宇宙飛船連在一起。

待機(jī)軌道在地球軌道中是相當(dāng)?shù)偷?，而由于大氣的阻力，這個(gè)軌道的壽命比較短。對(duì)于登月任務(wù)來(lái)說(shuō)，這還不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)轱w船不會(huì)待機(jī)軌道上停留很長(zhǎng)時(shí)間。S-IVB發(fā)動(dòng)機(jī)還通過(guò)排放氣化的氫氣繼續(xù)提供較低的推力，以使推進(jìn)劑沉在燃料箱中，防止推進(jìn)劑供給管道中出現(xiàn)氣泡。由于液態(tài)氫氣在燃料箱中會(huì)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(guò)大氣阻力了。

在最后三次阿波羅飛行任務(wù)中，臨時(shí)待機(jī)軌道更低（大約只有150千米）。通過(guò)這樣的待機(jī)軌道可以增加這些任務(wù)中的載荷。阿波羅9號(hào)執(zhí)行了地球軌道任務(wù)，軌道就是后來(lái)的阿波羅11號(hào)的軌道。但是宇宙飛船使用自己的發(fā)動(dòng)機(jī)將近地點(diǎn)提升到足夠高以完成10天的任務(wù)。天空實(shí)驗(yàn)室的軌道有明顯的區(qū)別，近地點(diǎn)大約434千米遠(yuǎn)，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(wù)中的夾角是32.5度。

在阿波羅11號(hào)的飛行過(guò)程中，在火箭發(fā)射后2小時(shí)44分飛船開(kāi)始進(jìn)行月球轉(zhuǎn)移軌道射入。S-IVB推進(jìn)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并可以通過(guò)月球俘獲飛船，從而使命令服務(wù)艙的燃料消耗量最小。

軌道射入以后40分鐘，阿波羅的命令服務(wù)艙從第三級(jí)推進(jìn)器分離，旋轉(zhuǎn)180度以后和發(fā)射期間處在下方的登月艙對(duì)接。服務(wù)艙和登月艙在50分鐘后和第三級(jí)推進(jìn)器完全分離。如果保持和飛船一樣的軌跡，S-IVB會(huì)有與飛船相撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，它將排出剩余的推進(jìn)劑，同時(shí)輔助的推進(jìn)系統(tǒng)將點(diǎn)火將它移走。在阿波羅13號(hào)以前的登月任務(wù)中，S-IVB被導(dǎo)向月球運(yùn)行方向的后方，這樣月球可以通過(guò)引力彈弓效應(yīng)將其加速至地球逃逸速度，進(jìn)入太陽(yáng)軌道。從阿波羅13號(hào)以后，控制人員引導(dǎo)S-IVB使其撞擊月球。在前面的任務(wù)中放置在月球上的地震儀可以檢測(cè)到撞擊的影響，得到的信息可以用于描繪出月球的內(nèi)部情況。

2006年，在已經(jīng)取消的星座計(jì)劃中，NASA披露了曾經(jīng)試圖建造一種重型“戰(zhàn)神5號(hào)”運(yùn)載火箭。這項(xiàng)計(jì)劃是用來(lái)取代航天飛機(jī)的，在這種航天飛機(jī)衍生的運(yùn)載工具的設(shè)計(jì)中，使用了一些已經(jīng)存在的航天飛機(jī)和土星5號(hào)的結(jié)構(gòu)。原始設(shè)計(jì)的命名是向土星5號(hào)致敬。這個(gè)設(shè)計(jì)基于航天飛機(jī)的外部燃料箱，有110米高，使用了5個(gè)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)升級(jí)后的航天飛機(jī)固體助推器。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的固體助推器可以用于發(fā)射戰(zhàn)神1號(hào)運(yùn)載火箭。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，戰(zhàn)神5號(hào)也被略微修改了。它的直徑仍然是10米，和土星5號(hào)的S-IC推進(jìn)器與S-II推進(jìn)器一致，但使用了5個(gè)RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)代替航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)。RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也用在了德?tīng)査?4運(yùn)載火箭上。用RS-68火箭發(fā)動(dòng)機(jī)代替航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的原因是：航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的成本過(guò)于高昂，而且每次使用后都將會(huì)被拋棄，而RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)就相對(duì)來(lái)說(shuō)較便宜，而且更容易制造，也比航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的力量更大。

美國(guó)研制的大推力運(yùn)載火箭（自左向右）：土星5號(hào)、航天飛機(jī)、戰(zhàn)神1號(hào)、戰(zhàn)神5號(hào)、戰(zhàn)神4號(hào)、太空發(fā)射系統(tǒng)

2008年，NASA再次重新設(shè)計(jì)了戰(zhàn)神5號(hào)火箭，將它的核心加長(zhǎng)加寬，添加了一個(gè)RS-68B發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣火箭總共使用了6個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，在發(fā)射的時(shí)候，還要捆綁兩個(gè)航天飛機(jī)固體助推器，而不是原先設(shè)計(jì)中的助推器。戰(zhàn)神5號(hào)的上面級(jí)是基于S-IVB推進(jìn)器而設(shè)計(jì)的，被稱為地球出發(fā)級(jí)。它使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型，命名為J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。戰(zhàn)神5號(hào)運(yùn)載火箭高達(dá)116米，可以將180噸的載荷送入低地軌道，它將會(huì)在高度、升力以及發(fā)射能力方面超過(guò)土星5號(hào)。

土星5號(hào)的不同型號(hào)

RS-68B火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是基于普惠公司下屬的洛克達(dá)因公司制造的RS-68和RS-68A發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的。每一個(gè)火箭的推力不到土星5號(hào)的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)的一半，但是效率更高，可以增加或減小節(jié)流，這個(gè)特點(diǎn)和航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)更像。J-2X火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在J-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，它既用在了地球出發(fā)級(jí)上也用在了戰(zhàn)神1號(hào)運(yùn)載火箭的第二級(jí)推進(jìn)器上。在戰(zhàn)神1號(hào)火箭上只用了一個(gè)J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)，而地球出發(fā)級(jí)的原始設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)，在用5個(gè)RS-68B發(fā)動(dòng)機(jī)替代航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)以后才修改成了一個(gè)。

土星5號(hào)的外形尺寸和質(zhì)量匯總表

洛克達(dá)因最初設(shè)計(jì)F-1，只是出于美國(guó)空軍在1955年提出的制造超大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。公司最后設(shè)計(jì)出兩個(gè)版本，一個(gè)E-1，一個(gè)更大的F-1。E-1雖然在靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中取得成功，但很快被視為沒(méi)有前途，因?yàn)橛懈鼜?qiáng)大的F-1存在，E-1計(jì)劃就擱淺了。然而，美國(guó)空軍發(fā)現(xiàn)他們沒(méi)有使用如此強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)的必要，F(xiàn)-1的研究計(jì)劃也隨之中止。不過(guò)，當(dāng)時(shí)剛剛成立的NASA看中了這款發(fā)動(dòng)機(jī)，并與洛克達(dá)因簽約，要求盡快完成研發(fā)。1957年，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了局部試驗(yàn)，而整機(jī)的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)也在1959年3月取得成功。

F-1在隨后7年的測(cè)試中，其燃燒不穩(wěn)定性的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，并可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。攻克這個(gè)技術(shù)難題的工作最初進(jìn)展十分緩慢，因?yàn)檫@種故障的發(fā)生是不可預(yù)知的。最終，工程師們想出了解決辦法，他們將少量的爆轟炸藥放在燃燒室中，并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引爆炸藥，以此測(cè)試燃燒室在壓力變化時(shí)將作何種反應(yīng)。設(shè)計(jì)師隨后測(cè)試了幾種不同的燃料噴射器，并得到了最佳匹配方案。這個(gè)問(wèn)題從1959年一直拖到1961年才算告一段落。

F-1以燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)為基礎(chǔ)。即在預(yù)燃室里燃燒一小部分燃料，以燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪泵將燃料和氧化劑泵入主燃室。發(fā)動(dòng)機(jī)的核心組件是推力室，燃料和氧化劑混合并燃燒產(chǎn)生推力。發(fā)動(dòng)機(jī)頂部是一個(gè)半球形小室，即做輸送液氧的歧管，也做萬(wàn)向軸承的支撐架，連接發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭箭體。小室之下是噴射器，用來(lái)混合燃料和氧化劑。一部分燃料從另一個(gè)歧管進(jìn)入噴射器，另一部分燃料通過(guò)178根管道直接通入推力室，盤旋的管道形成了推力室的上半部分，還可以起到給推力室降溫的作用。采用不同的泵將燃料和液氧泵入，但兩個(gè)泵由同一個(gè)渦輪驅(qū)動(dòng)。渦輪轉(zhuǎn)速為5,500轉(zhuǎn)/分，產(chǎn)生55,000制動(dòng)馬力（41兆瓦）。在此功率下，工作泵每分鐘可以泵入15,471加侖（58,564升）煤油和24,811加侖（93,920升）液氧。渦輪泵被設(shè)計(jì)得可以應(yīng)付嚴(yán)酷的溫度環(huán)境：煤氣的溫度高達(dá)816°C，而液氧的溫度低至-184°C。一些燃料煤油被充作渦輪的潤(rùn)滑劑和冷卻劑。推力室下方是噴管的延伸，大致延伸到發(fā)動(dòng)機(jī)的一半長(zhǎng)度位置。延伸部分將發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比從10:1提高到16:1。渦輪機(jī)排除的低溫氣體通過(guò)錐形歧管進(jìn)入延伸部分，保護(hù)噴管在高溫 3,200 C情況下不受損壞。F-1每秒消耗1,789公斤液氧、788公斤煤油，產(chǎn)生680噸的推力。在兩分半鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)中，土星5號(hào)憑借F-1上升4268千米的高度，達(dá)到9862公里/時(shí)的速度。土星5號(hào)每秒的推進(jìn)劑流量是12,710升，可以在8.9秒內(nèi)清空一個(gè)容量110,000升的游泳池。每臺(tái)F-1發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都比航天飛機(jī)上3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總和還要大。

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與他的制造者馮.布勞恩

F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能匯總表

1. 每臺(tái)平均海平面推力：690噸
   

2. 燃燒時(shí)間：159秒s
   

3. 比沖：264.72秒s
   

4. 混合比：2.2674
   

5. S-IC級(jí)總海平面推力：345噸
   

當(dāng)然，發(fā)動(dòng)機(jī)推力實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱值有差異，阿波羅15號(hào)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力為348噸，而F-1推力的平均值是696噸。

執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

應(yīng)當(dāng)說(shuō)，F(xiàn)-1一直保持著最大推力液態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的地位，直到蘇聯(lián)的RD-170出現(xiàn)，但是F-1在單噴管發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的第一的位置依然沒(méi)有動(dòng)搖。