農神1號運載火箭
農神1號運載火箭[註 1]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。
 農神1號(編號:SA-1)於1961年10月27日發射 | |
| 用途 | 載人近地軌道運載火箭 |
|---|---|
| 製造者 | 克萊斯勒（一級） 道格拉斯（二級） 康維爾（三級，未使用） |
| 製造國家 |  美國 |
| 外型及質量參數 | |
| 高度 | 55 公尺 (55 m) |
| 直徑 | 6.52公尺 (6.52 m) |
| 質量 | 509,660 公斤 (510 t) |
| 節數 | 2 或 3 （3級未使用過） |
| 酬載量 | |
| 近地軌道 載荷 | 9,000 公斤 (2級) |
| TLI 載荷 | 2,200公斤 (2級) |
| 發射歷史 | |
| 現況 | 退役 |
| 發射場 | 卡拉維拉爾角，發射台LC-37和LC-34 |
| 總發射次數 | 10 |
| 成功次數 | 10 |
| 失敗次數 | 0 |
| 首次發射 | 1961年10月27日 |
| 末次發射 | 1965年7月30日 |
| 著名載荷 | 載人太陽神指揮/服務艙 載物飛馬座衛星 |
| 第一節 - S-I | |
| 引擎 | 8台H-1推進器 |
| 推力 | 6.7百萬牛頓 (1,500,000 磅力) |
| 推進時間 | ~150 秒 |
| 燃料 | 煤油/液氧 |
| 第二節 S-IV | |
| 引擎 | 6 RL10 |
| 推力 | 400千牛頓 (90,000 磅力) |
| 推進時間 | ~482秒 |
| 燃料 | 液態氧/液態氫 |
| 第三節 - S-V (Centaur-C) - unflown[1] | |
| 引擎 | 2 RL10 |
| 推力 | 133千牛頓 (30,000 磅力) |
| 推進時間 | ~430 秒 |
| 燃料 | 液態氧/液態氫 |
歷史
1957年4月華納·馮·布朗的小組開始為陸軍彈道導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着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「快速研製項目」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，這是土星項目的正式開始。
12月馮·布勞恩向新成立的美國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日航太總署選擇了馮·布勞恩的設計，為這個設計提供了一個重要的推動。
1月末航太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航太總署的設計差不多。
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航太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，使得它能夠發射太陽神指揮/服務艙，為太陽神計劃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航太總署負責，因為它們沒有急迫的軍事用途。1960年7月1日整個陸軍彈道導彈署被轉讓給了航太總署。土星火箭成為太陽神計劃的一部分。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。
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天飛行中心生產的。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
| 發射號碼 | 任務 | 發射日期 | 附錄 |
| SA-1 | SA-1 | 1961年10月27日 | 首次試飛，僅第一級，亞軌道，最高高度136.5千米，到達最高高度時的重量為5.25噸 |
| SA-2 | SA-2 | 1962年4月25日 | 第二次試飛，僅第一級，亞軌道，在最高點145千米處釋放了86噸水 |
| SA-3 | SA-3 | 1962年11月16日 | 第三次試飛，僅第一級，亞軌道，在最高點167千米處釋放了86噸水 |
| SA-4 | SA-4 | 1963年3月28日 | 第四次試飛，僅第一級，亞軌道，載假S-IV第二級，高度129千米，飛行400千米 |
| SA-5 | SA-5 | 1964年1月29日 | 首次第二級測試，軌道遠地點760千米，近地點264千米。質量17.55噸。1966年4月30日回入大氣層 |
| SA-6 | A-101 | 1964年5月28日 | 首次太陽神模版起飛，軌道遠地點204千米，近地點179千米，質量17.65噸。太陽神模版於1964年6月1日回入大氣層 |
| SA-7 | A-102 | 1964年9月18日 | 第二次太陽神模版起飛，軌道遠地點203千米，近地點178千米，質量16.7噸。太陽神BP-15於1964年9月22日墜入大氣層 |
| SA-9 | A-103 | 1965年2月16日 | 首枚飛馬座微型衛星，軌道遠地點523千米，近地點430千米。質量1.45噸。飛馬座1號於1978年9月17日回入大氣層，太陽神BP-26於1985年7月10日回入大氣層 |
| SA-8 | A-104 | 1965年5月25日 | 第二枚飛馬座微型衛星，軌道遠地點594千米，近地點467千米。質量3.2噸。飛馬座2號於1979年11月3日回入大氣層，太陽神BP-16於1989年7月8日回入大氣層 |
| SA-10 | A-105 | 1965年7月30日 | 第三枚飛馬座微型衛星，軌道遠地點567千米，近地點535千米。重量1.45噸。飛馬座3號於1969年8月4日墜入大氣層，太陽神BP-9A於1975年11月22日墜入大氣層 |
註釋
- ^ 土星號（Saturn，中國大陸、香港譯作土星號，台灣譯作農神號）
參考文獻
- ^ Encyclopedia Astronautica - Saturn I 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2010-12-07.