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土星五號無法被複製,人類歷史上最強火箭,美國咋造不出來了?
2021/10/27
2021/10/27

美國 上世紀六十年代建設了一種超強的運載火箭,土星五號。這艘由美國NASA指導,在阿波羅計畫和天空實驗室裡誕生出的火箭,是 人類有史以來建造過運載能力最強的不可重複使用的超重型運載火箭

土星五號 高110.6米,重3039噸,推力更是達到了3408噸。以液態氧作為氧化劑,液態氫和精煉煤油為推進劑, 九次發射,九次成功。至今為止,在人類建造的所有火箭中都沒有這樣 體積龐大、推力極其強勁、成功次數最多的火箭。

當然,在上世紀人們還在太空探索的初期階段,土星五號的誕生也不是一蹴而就,土星五號的設計還要從 V-2火箭木星系列火箭說起。木星系列火箭的成功,催生了土星系列的出現。美國政府想要建造一個能夠將太空飛船送上登月軌道的運載火箭,從1960年開始, 馬歇爾航太飛行中心便開始設計多種火箭方案。

土星系列最早的原型機是 C-1運載火箭,在後來的開發中拋棄了C-2的配置,隨後開始開發C-3火箭,以F-1火箭發動機作為 第一級推進器。當NASA準備以C-3火箭作為主要的運載火箭發射時,馬歇爾航空中心開始 設計更大的C-4火箭。比起C-3來說,4號火箭使用四個F-1發動機, 改進了二、三級的推進系統,只需要發射兩次就能夠完成地球軌道交會任務

到了1962年,僅僅兩年的時間,NASA決定計劃製造C-5火箭,除了有更大推力和載荷的同時,還能夠 一次完成月球任務。NASA的工程師們認為,使用F-1火箭發動機配合J-2火箭發動機的液氫推進系統能夠使C-5配置達到最優。同時相關的火箭測試也 證明了C-5火箭的可行性

1963年,NASA確認 選擇了C-5火箭作為阿波羅計畫的運載火箭,同時把C-5改名為土星五號。在登月計畫的計畫階段初期,NASA還設想過三個飛行方案。地球軌道集合、直接起飛、月球軌道集合。但是當時人類還在探索的初期階段,地球軌道集合沒有人執行過,而月球軌道集合難度更大, 直接起飛應該是個可行的方案。但後來NASA考慮到 月球軌道集合能夠大幅度縮短任務時間,相對其他方法更為簡單,這個方案最終被採納

太空競賽

美國的土星五號從理論方案到首次飛行只用了 八年時間,如此高效的速度使得土星五號成為了當時最厲害的運載火箭。除了眾多科學家、航空公司、軍事機構等相關機構的通力合作外,還有一個重要的外在因素,這便是 來自于蘇聯方面的壓力

最早開始太空探索任務的國家是蘇聯,從上世紀三十年代開始 致力于太空飛行試驗,最早的航太試驗理論也是在蘇聯進行。早期的太空探索計畫主要在蘇聯的 人造衛星方面,人造衛星的成功使得 美國想要迫切地證明自己的實力,于是美國自己的航太計畫也開始跟隨著蘇聯的腳步進行。

美國和蘇聯在各自的太空計畫進行成功後,便開始在上世紀五十年代進行了一場長時間的 太空拉力賽。蘇聯宇航員加加林的成功升空使得美國政府擔心自己的太空地位受到威脅,于是想要在載人航太方面先人一步,直接進行載人登月,以此 獲得太空霸主的地位

土星五號在原型火箭試驗前還經歷了水手計畫、雙子計畫和上升號。有了眾多計畫的參與,美國累積了越來越多的相關經驗,美蘇兩國的太空競賽在六十年代進入了 白熱化階段

另一方面,甘迺迪政府為了完成對競選的許諾,而國會也在不斷遊說蘇聯在太空進展上對美國未來的威脅。這一系列的變化讓美國在火箭研發上面 不得不加快了腳步,土星五號在完成基本的原型組裝後,中間經歷了幾次測試和改進,最後 一舉成名

無法複製的奇跡

為了能把土星五號這個大傢伙送上天,當時在工程製作方面,科研人員也是費盡腦力才完成,不過最終的終極解決方案就是 堆燃料

龐大的火箭體積使得火箭的推進器都顯得 巨大無比,最初人們想要用高水準的結構來緩解對火箭推力的需求。但是從土星五號的設計上來看,想要載荷能力得到保證,還是要 把推進劑放在首位。于是在後來的設計方案中,工程師把二級火箭設計成更大更穩定的推進器,以此能夠搭載更多燃料。

土星五號不僅在外形、推力、運載方面是第一,在任務完成度上也是第一。除了原型機在試飛實驗方面出過幾次問題和事故,土星五號問世後的幾年裡成功發射9次,每次任務都完美完成,該火箭 運送了24人進入太空,有12人成功登月

美國航天局為了未來能夠更好地利用火箭系統完成太空建設,土星五號在任務執行中還完成了 「天空實驗室空間站」的運送。此舉同樣也是為了儘快趕超蘇聯,空間站的設計根本沒有經過太多細緻的運輸考慮。美國政府認為,反正土星五號的運載能力夠大,只需要 把科學儀器等相關設備往太空上發射就行。

反觀蘇聯方面, N1火箭的接連失敗使得蘇聯在火箭方面逐漸失去信心,轉而投身于太空空間站建設。由于土星五號的強大動力,天空實驗室空間站的成功發射,無疑又是一記重錘砸在蘇聯身上。1975年後,太空競賽結束, 美國成為了太空第一國

不過,就當美國擁有了太空話語權後, 土星五號卻在後來的歲月中逐漸銷聲匿跡,最後成為了一個國力象徵,再也無法被複製,即使是美國也無法再造一個相同的出來了。這是為什麼呢?其實問題本身並不複雜,從以下幾個方面便能夠看出為什麼土星五號成為了一個退役老將。

首先是經費方面,土星五號作為一個擁有三級推動的火箭,每一級的推進器都需要消耗大量的燃料才能完成火箭的發射。兩級推進器就超過了 2600噸燃料,燃料使用上主要是液氧煤油和液化氫氧。僅是發射一次火箭就需要 1.8億美元,如果放在今天至少是 11億美元才能完成一次發射。

這其中還不包括後續的維護費用,如果算上研發,更是高達 數百億美元。如此高昂的費用即使在今天也沒有幾個國家捨得在火箭發射領域投入,如今的美國在航空費用上的財政預算也遠沒有當時那樣的支持, NASA如今的財政預算已經被削減了一半

其次是技術方面,美國當時為了讓土星五號升空,在發動機挑選上進行了大量的測試,只需要 5個F-1發動機便能 把超過3000噸重的土星五號推起,這是其他國家至今難以做到的。

最後是環境影響,土星五號的出現絕不是簡單的科技產物,六十年代緊張的世界政局使得美國不得不耗費舉國之力來完成這一壯舉。為了在太空方面制約蘇聯,爭奪霸權,必須一口氣拿下太空。在這樣一個高壓的環境下,可以說 土星五號的源動力是來自于國家競爭

如今的火箭

進入21世紀後,世界政局變化莫測,不少國家開始 轉身投入經濟建設和基礎建設,美國也開始進行著自己新一輪的 霸權爭奪。人們在太空探索方面更願意設計使用可重複運載的火箭,像土星五號這樣的一次性運載火箭 從實用性方面來說過低,如果刻意的追求大推力、高載荷的火箭,無疑是 敗家行為。

土星五號在完成使命後也就這樣隨著歷史的變遷 漸漸地沉寂了下來,直到今天也沒有人去嘗試複製這樣的火箭

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