航天飞机的发展过程是什么？
实现开发宇宙的梦想
——1981年航天飞机的研制成功航天飞机的发展可以追溯到早期的科学幻想和本世纪初火箭先驱者们的宏伟计划。1981年8月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机首航成功，极大地鼓舞了人们开发宇宙、利用宇宙的信心。随后，航天飞机得到了快速的发展，人类开发宇宙的梦想正逐步变成现实。
第二次世界大战后，火箭技术的突破为航天飞机的研制提供了可能。1947年10月14日，美国贝尔飞机公司研制的贝尔X-1飞机，飞行速度达到了1.06马赫。它不仅有普通飞机的驾驶设备，而且装有火箭控制装置，因此，能在极高的稀薄空气中操纵自如。随后，这种以火箭作动力的研究性飞机又产生了几种改进型。
1951年，美国贝尔飞机公司又制订了一个发展可重复使用的空间飞机的方案，这个被称为贝尔·波米的飞行器共分为两部分：第一部分是带翼的助推器，装有5台大型火箭发动机；第二部分体积不大，有3台火箭发动机。在空中，这架笨重的火箭飞机两部分分离，带翼助推器滑翔返回基地，第二部分则依靠本身贮箱中的推进剂继续飞行。
1959年11月，美国波音公司与空军签订了研制一种载人空间滑翔机的合同。这是一种三角翼滑翔机，也即有人驾驶的火箭助推滑翔飞机。它既有大气层中使用的普通气动控制装置，也有空间飞行用的喷气发动机，称做“戴纳-索尔”。这种飞机在大气层边缘靠空气反弹飞行，可以绕地球飞行几圈。考虑到它再入大气层时要经受极严酷的气动加热环境，因此，它的壳体将采用超级耐高温合金、陶瓷和石墨材料。以后，美国又准备使“戴纳-索尔”具备航天飞机的能力。
1962年7月，罗伯特·M·怀特驾驶X-15飞机升到了103269米的高空，创造了新纪录。10月，X-15带2个外挂燃料箱，时速达到了7272公里。但是，X-15计划随后也遭到了挫折，在同年的11月15日，美国空军少校丁·亚当斯在他的第7次飞行中，在侧滑时可能看错了滚动指示器的读数，致使飞机再入大气层时偏离航向而造成不稳定和失速，在18288米的高空，飞机终于碎裂，他本人丧生。
当“戴纳-索尔”计划正在执行的同时，还有一种新一代的小型试验飞行器在兰利研究中心通过了高超音速风洞试验。这种外形短粗的飞行器被称作升力飞行器。第一架升力飞行器是M2-F1，它看上去是圆筒状，外面贴有胶合板，只能用来在低速条件下试验。
1963年3月，M2-P1第一次试飞，它由一辆卡车牵引着，在爱德华空军基地的干涸湖床上飞驶，达到了飞行速度，但由于摆动剧烈，因而只飞行了极短的时间。4月，第二次试飞，它顺利升空，航速达到了每小时195公里。这种小型的M2-F1飞行器共进行了90次试飞，基本上获得了成功。1964年，M2-F2和HL-10两种重型试验机开始制造。
这两种飞行器同X-15一样，都是在13.7万米的高空中，从一架航速为每小时720公里的改进型B-52轰炸机上发射的。1966年3月，一架不带发动机的M2-F2固定在B-52轰炸机的机翼下，开始了首次不分离的试飞。4个月后，它在1370米的高空第一次与母机分离，以每小时320公里的滑翔速度在干涸的湖床上着陆。
1967年5月，M2-F2飞行器由于遇到了轻微的侧向风，曾经受了一次最严重的考验，它在最后将要对准干湖跑道飞行时，突然发生了严重的“横滚”，驾驶员奋力操纵，虽然使飞行器恢复了控制，但此时却已偏离了航向。由于看不到跑道的标志，因而驾驶员不能判断自己的飞行高度，而发送无线电信号的跟踪飞机也与他的相对位置发生了变化，担任营救的直升机则因为离得太近而来不及提供援助。
情况变得更加不妙!由于高度不明，又来不及飞回正确的航向，驾驶员不得不开始紧急着陆。拉平动作刚完成，起落架已伸出一半儿的M2-F2就重重地撞在了湖床上，它弹出了25米远，接着，又一次重重地撞在地面上。
它翻倒在地上，主起落架、驾驶舱、舱盖和右舱都被撞毁脱落，驾驶员也身负重伤，幸而没有生命危险。
相比之下，HL-10火箭推进飞行器则取得了成功。1970年8月，它的飞行高度达到了23000米，时速达到了1630公里。
1968年8月，美国航宇局负责载人航天的助理局长乔治·米勒，出席了在英国召开的行星际协会的会议。会上，他向报界透露，美国航宇局对制造航天飞机怀有浓厚的兴趣，他说：“我想预先告诉诸位，航天活动的下一次冲刺，是要研制一种经济的、能在地球和空间运行的设施之间往返飞行的运载器。”1969年初，美国着手研究空间发展计划的各种可能性。2月，以副总统阿格纽为首成立了一个“空间任务小组”，制订了一个“阿波罗”计划完成以后的协调的空间计划。9月，该小组提出了一份报告，建议发展可重复使用的航天飞机系统：“……发展空间运转的新技术系统，首先需要通过一项发展新型空间运输能力的计划……”10月16日，在华盛顿召开的航天飞机会议上，宣布投资80亿美元，正式开展航天飞机具体方案的研制工作，预计在20年内收回成本。这从根本上改变了过去运载火箭研制资金不能回收的状况。
航天飞机的各个部件是分别生产的。1974年6月，洛克韦尔国际公司航天分公司，在加利福尼亚州莫哈维沙漠的棕榈谷中开始组装乘员舱。同年8月，开始组装机身后段。到1975年，美国各地的有关部件开始不断地向加利福尼亚的棕榈谷汇集，被送进空军的42号车间。
1975年秋季，第一架全尺寸的航天飞机样机终于在洛克韦尔公司的组装车间里完成总装。这架航天飞机的代号是轨道器-101号，这表明它是轨道器总家族中的老大。当轨道器1976年接近最后定型时，美国立即面临怎样给它命名的问题，航宇局自然想沿袭历来航天器命名的惯例，起个能表达出爱国热忱的名称——“建设”号，但此时，美国著名电视系列片《星际航行》的狂热观众们采取了一致行动，向美国政府施加压力，要求以《星际航行》中担任主角的航天飞机——“创业”号来命名。福特总统面对10万封热切的来信，最后同意了他们的要求。
1976年9月17日，正好在航天飞机正式批准继续研制的4年零9个月后，101号轨道器在一个管乐队的伴奏下，随着电视片《星际航行》主题音乐的旋律缓缓驶出，展现在公众的面前。这是一架敦实的三角翼式飞机，它的外表似乎不像航天器，至少不像美国电视观众们所熟悉的那种航天器，但实际上它确确实实是航天器，而且可能是当时最令人兴奋的空间飞行工具——航天飞机。
1977年8月12日上午，时钟刚指到9点，一架敦实的三角翼式飞机低低掠过加利福尼亚沙漠的上空，平稳地降落在干透了的湖库上。这架革命性的航天飞机的机身上，镶有著名的美国航宇局NASA字样，还有众所周知的星条旗。2名驾驶员是航天老手弗雷德·海斯和戈登·富勒顿。以后，它又进行了多次着陆等一系列试验。1978年底，它按计划作完全部试验后，作为一个永久性的开路先锋，完成了它在航天飞机计划中的全部使命而退出历史舞台。
第一架真正的航天飞机是“哥伦比亚”号，它长约56米，高为23米多，起飞重量约2000吨，由上下两部分组成。上部是轨道器，长约37米，翼展宽约23米，自重68吨，其体积与大型喷气式客机相似；驮着轨道器的是两台固体助推器和一个外贮箱，处于两台固体助推器之间的外贮箱也是一个庞然大物，它长47米，直径约8米，内部装有上千吨燃料——液氢和液氧，这些液氢和液氧也是作为轨道器上主发动机的推进剂。
1981年4月14日，可以说是美国举国狂欢的日子，教师停止了授课，学生早已坐等在电视机前。在曼哈顿的一家西服店里，一位顾客正对着穿衣镜试穿衣服。他刚想对裁缝的手艺发出评论和感慨，却发现自己周围根本就没有服务人员，往日殷勤而周到的裁缝为了观看电视实况转播，竟然把自己的顾客孤零零地留在了穿衣镜前。
是什么使这些美国人如此神魂颠倒呢?原来，再过十几分钟，两天以前从美国卡纳维拉尔角发射的航天飞机“哥伦比亚”号，就要在加利福尼亚州的爱德华空军基地着陆了!
在爱德华空军基地，4架T-38歼击机整装待发，准备以一个同步方阵飞行5分钟，这样就便于在1.2万米的高空与“哥伦比亚”号会合，并跟踪它到降落为止。它的任务是在航天飞机下降时向航天员提供最准确的高度和速度信息，并在“哥伦比亚”号着陆之前拍摄到所有的飞行情景。
转眼间，经过50多个小时的飞行之后，“哥伦比亚”号航天飞机开始重返大气层，它已环绕地球36圈。
“哥伦比亚”号预定在17点49分1秒到达12.2万米高处的大气层顶部。17点47分，“哥伦比亚”号飞出了关岛站接收区，它将在5.8万米高度飞进加利福尼亚海滨上空，在这之前一切通信联系都将暂时中断，然后，全要靠约翰·杨和克里平他们自己了。
航天飞机终于飞进了12.2万米这个航宇局定义的大气屏障，它现在正以24.6倍的地面音速飞行着，在此之前，世界上没有一个人曾经驾驶飞机达到过这样的速度。
今天，航天飞机正发挥着重要的作用，一次又一次地创造出令人瞠目的奇迹。1982年11月11日，“哥伦比亚”号航天飞机在它的第11次飞行中，把两颗总重量为6吨多的商业性卫星送入轨道，一颗是美国卫星商业系统公司的“SBS-3”卫星，另一颗是加拿大的“安尼克-C”卫星。每一颗的发射费用约为900万美元，而一般从地面用火箭发射1颗通信卫星，则需花3200—3400万美元，比较起来，用航天飞机发射卫星既便宜又方便。
1983年4月4日，美国第二架航天飞机“挑战者”号，首次在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射上天，成功地进入预定轨道。4月7日晚上，“挑战者”号在经过4个小时的追逐后，赶上了数千里之外出现故障的“跟踪与数据中继卫星”。
气凝胶最早由美国科学工作者S.Kistler在1931年制得的一种低密度、高孔隙率的纳米多孔材料，早在1993年美国宇航局NASA就将气凝胶应用到航空航天领域。是目前公认热导率最低的固态材料，也是目前最轻的固体；其优异的理化性能打破了十余项吉尼斯世界纪录，被誉为改变21世纪的十大材料之一。由于它的特殊性能被应用到了很多领域。
（1）军事及航空航天领域
与传统绝热材料相比，气凝胶材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具有举足轻重的优势，目前主要应用在太空服的绝缘材料和飞行器隔热等；
（2）工业及建筑绝热领域
在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域，热工设备大量存在。其中由于一些设备的特殊部位和环境，受到重量、体积或空间的限制，都需要用到这种高效的超级绝热材料；
（3）太阳能热水器领域
太阳能热水器及其他集热装置的高效保温是进一步提高太阳能装置的能源利用率和其实用性的关键因素。将气凝胶材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器等，比现有太阳能集热效率更高，更有效。
由于气凝胶材料的优异性能，已经被应用到了很广泛的领域，那到底这种材料有没有缺点？国内外的科研工作者一直在研究如何将气凝胶更好地应用到日常服装领域，气凝胶本身柔韧性较差、易碎，目前应用到服装领域的气凝胶是将气凝胶颗粒或粉末与无机纤维或有机纤维结合在一起制成气凝胶毡，这种气凝胶复合材料的保暖性很好，但是克重较重，柔韧性较差，而且在使用过程中气凝胶粉末会逐渐的逸出，体验效果不够理想。
而这一“世纪性难题”终于在2018年得到了解决。据资料显示，国内最早开发出来的纺织专用气凝胶复合材料是由疏博纳米研发出来的，解决了气凝胶材料固有的易碎、掉粉等缺陷，最先开发出了颠覆传统的纺织专用气凝胶复合保暖材料，在保留了气凝胶最轻、最隔热的特点同时将气凝胶真正地做到了柔性可穿戴，并将其应用在服饰中，真正做到了让科技造“服”于人。
疏博纳米有限公司是一家集气凝胶及其复合材料的研发、生产和销售于一体的高新技术企业。是国内从事最早、规模最大、实力最强的二氧化硅纳米孔超级隔热材料研发与制造基地。从气凝胶的原料、粉体、晶体、毡体、再到日用品、工业品、纺织品等多种应用形式，被广泛应用于各行各业中。
将陶瓷粉末和金属粉末混合均匀，再经高温烧结，制成的金属陶瓷，它既硬又韧，并且密度小，耐高温，因此，在运载火箭、洲际导弹、航天飞机以及宇宙飞船上都得到了越来越广泛的应用。美国的MX导弹发射管，在以前是用特种钢制造的，其重量达40吨，而在采用特种金属陶瓷复合材料以后，其重量已减少到原来的1/5左右。
现在不少国家都利用氧化物陶瓷的耐高温、抗冲击等性能，将其应用在装甲上。陶瓷复合装甲具有金属装甲无可比拟的优越性能，它不仅能抵御常规弹药的攻击，而且还能承受中子弹和反坦克导弹的攻击。德国的“黑豹-87”式坦克，其复合装甲是由陶瓷、橡胶和特种树脂等多种材料复合而成，能在一定程度上承受原子武器的冲击波和热辐射，是目前世界上最先进的复合装甲。
航天飞机和宇宙飞船在穿过大气层时，表面某些部位的温度可高达 2000摄氏度以上，为使其内部的仪器设备能够正常工作，并确保乘员的生命安全，在航天飞机和宇宙飞船的表面都覆盖了大量的能耐高温的金属陶瓷防热片，并且这种金属陶瓷防热片可以重复使用100次以上。
火箭主要由机身（瓶体）及其延伸部分、弹头、喷嘴和机翼等部分组成,是这样做的：
机身：用一个废可乐瓶做成，用于盛水和充入空气。
弹头：用硬牛皮纸做一与瓶体底部大小相同的圆锥体，并在其顶部粘一小重物（如螺丝），这样的弹头，能减少空气的阻力，并让水火箭下落的时候头部着地。
机翼：对于火箭在空气中平稳飞行起着举足轻重的作用，先用硬纸壳剪成三块大小一样的直角三角形，然后用防水胶按120度，均匀地缠紧在机身上。
喷嘴：它是充气口，也是喷水口。先用钻头在橡皮塞上打一个小洞，然后压入预先准备好的自行车气门。喷嘴对气密性要求很严格，绝不能出现漏气现象。
机身的延伸部分：另取一个可乐瓶，用刀片割下瓶中间部分，用于连接弹头和机身的。其作用与机身相同，目的是能充入更多的水的空气，让火箭能飞得更远。
发射台：它用三块外表面光滑的木板钉成，火箭就固定在其斜面上，使火箭能飞得更远。
最后是组装：将弹头、机身延伸部分和瓶体底部套好并用胶带粘牢，再用胶带将整个弹头外表面缠紧，以免其在下落的时候损坏，并在瓶口处压入喷嘴。这样，水火箭就基本做好了，可以进行试飞了。
按步骤要求，先用漏斗往瓶体注入适量的水，压入喷嘴，并把火箭摆正，用打气筒通过喷嘴向瓶体打入少量的空气，检验喷嘴和瓶体是否漏气。检查正常后，再将水箭套上发射架,校正好方向，用打气筒连续打气30次左右，喷嘴在空气压力的作用下会自动脱落，火箭凭强大的反冲力迅速向上冲。但是，令我们沮丧的是，我们没有看到水火箭“冲天而起，一跃千人上”的情景，只是贴着地面蹿了几米，与资料上说的能飞一百多米相差太远。我们采用了多种方法，多次试验，但结果却始终不如人意。
经过不断地尝试，不断地分析和改进，我们慢慢地发现，要使火箭射得远，控制好火箭发射高度和角度是关键。首先，火箭发射的距离主要取决于瓶体内有足够大的气压。气压越高，反作用力越大，飞的越远。但瓶子的耐压能力有限，充入的空气太多，可能会引致爆炸。其次，发射角度的大小也直接影响着飞行的距离。我们把多次试验的记录进行为45度时射程最远，这和铅球的投掷角度基本一样。另整理，发现发射台角度的大小约外，装水量对火箭的发射距离也有较大的影响。水太多，火箭所受的重力过大，火箭获得的反冲力太小；发射达不到较理想的高度。
导读： 土星5号运载火箭（英文：Saturn V），译农神五号，亦称为月球火箭，是美国国家航空航天局（NASA）在阿波罗计划和天空实验室计划两项太空计划中使用的多级可抛式液体燃料火箭。
一、
土星运载火箭简介
土星5号运载火箭是土星运载火箭系列的一个型号。土星运载火箭是在红石导弹（Redstone）和丘辟特导弹（Jupiter）的基础上开始研究的，包括土星1号、土星1B号和土星5号三个型号，由马歇尔太空飞行中心总指挥沃纳•冯•布劳恩与他的火箭团队设计研发。
起初，马歇尔太空飞行中心为执行不同的航天任务而设计了不同的几种火箭，其中C-1火箭是土星1号运载火箭的原型，C-2、C-3和C-4火箭都终止于设计阶段。直到1961年下半年，C-5火箭的构型得到确认。1963年，NASA确认选择C-5火箭作为阿波罗计划的运载火箭，同时给了这枚火箭一个新的名字——土星5号。
二、
土星运载火箭发动机
1、H-1发动机
土星1号和土星1B号的第一级均采用8台H-1发动机。H-1是一种液氧/煤油火箭发动机，源自于纳瓦霍导弹，能产生20万磅力(约90吨)推力。后来发动机推力增加到20.5万磅力(约93吨)。
2、RL10发动机
土星1号第二级采用6台RL10发动机。RL10发动机是美国研制的第一种液氢燃料火箭发动机，其改进版被用于多种运载器。该发动机第一次地面试车是在1959年，成品的第一次飞行是在1963年11月。RL10发动机发展出了众多的型号，包括RL10A-1、RL10A-3、RL10A-3A、RL10A-4、RL10A-4-1、RL10A-4-2、RL10A-5、RL10A-5KA、RL10B-2、RL10C等；目前应用较为广泛的型号是RL10B-2，用于德尔塔3型和德尔塔4型火箭的第二级。
在NASA于2005年宣布的猎户座宇宙飞船计划中，月球着陆舱(LSAM)采用四台RL10为下降段提供主动力，这能为NASA在登月项目上节约大量资金。另外，通用可扩展低温发动机（CECE）正是依据RL10发动机设计制造的。
3、F-1发动机
与土星1号和土星1B号不同的是，土星5号第一级放弃了H-1发动机，而是采用了推力更大的F-1发动机。
F-1发动机研制过程
F-1发动机（以下简称F-1）是在美国航宇局和马歇尔太空飞行中心领导下于1958-1967年由洛克达因公司研制和生产的。发动机在1967到1973年服役。F-1最早的研制时间可以再上溯到1955年美国空军提出的445吨推力发动机计划。经过两年的技术攻关，参与计划的工程师们完成了各种技术细节的研究，做出了包括一台全尺寸的推力室在内的一些测试部件。1959年3月，原型机开始正式点火测试，成功达到了445吨的推力要求。
1959年1月，NASA与洛克达因公司签订了F-1的设计和研制合同，随即开始了F-1的研制。1959年初，做出使用InconelX管制成再生冷却推力室的决定（InconelX系列的合金后来还用到了X-15验证机、SpaceX的火箭、F1方程式赛车、特斯拉的ModelS等产品上面）。
为了将管束固紧在一起，美国修建了最大的燃气钎焊炉，并成功研制了钎焊法，第一台燃烧室于1961年8月17日钎焊成功。其他主要工程均于计划开始后三个月内展开。1959年2月，开始建造爱德华基地，建设三个试车台和地面设备。
1960年3月，全尺寸燃气发生器建造完成，同年11月，涡轮泵制造并组装完成。1961年4月，安装了以上两个部件的系统首次短程试车成功，峰值推力达到729.5吨。1961年7月整台F-1于100万磅（453吨）推力下首次通过短程热试车。
1961年11月，F-1涡轮泵首次以全功率(6万马力)工作时间进行了试验。6个月后，F-1以150万磅（680吨）全推力在大约2.5分钟飞行时间下进行了试车。在不到2个月后，NASA宣布批准洛克达因公司生产55台F-1的合同，并继续进行研究直到1966年。
1964年12月16日，F-1完成了飞行额定试验。NASA宣布准备并联试验和飞行试验。这些试验仅在一个月内就完成了，而通常需二到三个月才能完成。F-1组合件试验于1966年初夏完成。最后的鉴定试验于1966年9月完成。发动机首次飞行是在1967年11月9日进行的。
F-1发动机结构与性能
F-1发动机以燃气发生器循环为基础，在燃气发生器内燃烧一小部分燃料，产生燃气以驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃室，燃料和氧化剂混合并燃烧产生推力。发动机顶部是一个半球形小室，小室之下是喷射器，用来混合燃料和氧化剂。
一部分燃料进入喷射器，另一部分燃料通过178根管道直接通入推力室。盘旋的管道形成了推力室的上半部分，管道里面流过的低温燃料可以起到给推力室降温的作用，同时又充分预热了燃料自身。
燃料和液氧由不同的泵泵入，但泵由同一个涡轮驱动。涡轮转速为5500RPM，可产生55000制动马力(41MW)。在此功率下，每分钟可泵入58564升煤油和93920升液氧。涡轮泵可以应付严酷的温度环境：煤气的温度高达816℃，而液氧的温度低至-184℃。一些燃料煤油被用作涡轮的润滑剂和冷却剂。
推力室下方是喷嘴的延伸，大致延伸到发动机的一半长度位置。延伸部分将发动机的膨胀比从10:1提高到16:1。涡轮机排出的低温气体通过锥形歧管进入延伸部分，保护喷嘴在高温(3200℃)下不受损坏。
随着任务的进展，土星5号火箭的负荷逐渐增大，每次任务对发动机的性能要求略有差异。
洛克达因公司在F-1基础上开发出了新款的F-1A发动机。F-1A比F-1更轻，且推力更大（达到927吨），然而随着土星5号生产线的停产，F-1A发动机从未使用过。从上世纪70年代开始，不断有各种关于使用F-1来开发新型火箭的意见，但都未能成行。F-1一直保持着最强单燃烧室液体火箭发动机的地位。
4、J-2发动机
J-2发动机概况
J-2发动机由洛克达因公司制造，发动机最初的设计可以追溯到1959年Silverstein委员会的建议。洛克达因公司在1960年6月获得了研发J-2发动机的许可，初次飞行在1966年2月26日进行。
J-2发动机以低温液氢(LH2)和液氧(LOX)为推进剂，是美国在RS-25发动机之前曾生产的最大的液氢燃料火箭发动机，每台发动机在真空中能产生105吨的推力。J-2真空比冲为421秒，海平面比冲为200秒，质量约为1788kg。除了土星5号，曾有在其他大型火箭的上面级上使用多台J-2发动机的提议，例如Nova火箭。
J-2发动机工作原理如下：少量氧和氢进入燃气发生器并燃烧，产生的燃气依次推动氢涡轮泵和氧涡轮泵，最后将燃气注入喷管作为气膜冷却。液氢由氢泵加压后，先全部用于冷却喷管，然后大部分进入燃烧室作为燃料，小部分进入燃气发生器。液氧由氧泵加压后大部分直接进入燃烧室，小部分进入燃气发生器。J-2只有主泵，没有预压泵。
J-2发动机用于土星5号的S-IVB级时，能在关机之后再次点火。第一次点火持续约2分钟，将阿波罗飞船送入一个近地停泊轨道。在乘员确认飞船运转一切正常之后，J-2发动机重新点火，将航天器组合体加速送上奔月轨道。
J-2发动机在它的 历史 中进行了数次较小的改进，以提高发动机的性能。此外还有2次大型升级计划，包括采用拉伐尔喷管的J-2S和采用塞式喷管的J-2T，但两者在阿波罗计划结束后都被取消了。
J-2S
1964年，洛克达因公司为了改进J-2的性能而研发了这个试验版本，最主要的改动是将燃气发生器循环换成抽气循环，即通过燃烧室上的管道供应热气体，而不是通过独立的燃烧器。这些改动除了要移除发动机上部分结构，还降低了发动机启动的难度并妥善地协调了各燃烧室的关系。
其他的改动还包括节流系统、可变的燃料混合系统。还有一个新的“空闲模式”，它提供很少的推力，可用于在轨机动，或在再次燃烧之前稳定燃料箱。
试验中，洛克达因公司生产了六台样机，命名为J-2S。从1965到1972年，这些样机总共试车30858秒。1972年，美国当局决定不再生产土星5号，该发动机的研制也告一段落。而NASA考虑将J-2S用于其他用途，在众多航天飞机方案中，其中就有用五台J-2S来驱动的方案。
J-2T
J-2T是给J-2S加装一个新的塞式喷管，这会显著提高发动机的性能。试验用的两台发动机，J-2T-200k达到了20万磅力(90吨)的推力，J-2T-250k达到了25万磅力（113吨）。J-2T的研制工作也随着阿波罗计划的停止而停止。
J-2X
J-2X是J-2的一个新版本，它曾被计划用于已经取消的 星座 计划和奥赖恩载人飞船。原先的计划是使用两台J-2X来驱动地球出发级（EDS），每台J-2X将提供29.4万磅力（133吨）。J-2X将比J-2效率更高且更简单，但比航天飞机发动机成本低。J-2X的研究工作持续到2013年，目前已暂停。
三、
星5号火箭一级（S-IC级）
土星5号第一级（S-IC级）的两个箭体试制件由马歇尔太空飞行中心制造，并分别在阿波罗4号和阿波罗6号中得到验证。1961年12月，波音公司拿到了S-IC级的生产合同，S-IC推进器在位于路易斯安那州新奥尔良的波音公司密乔装配厂中建造。这家工厂也负责建造航天飞机外部燃料箱。
S-IC级推进器的高度达42米，直径10米（不包含尾翼），净重131吨，装满燃料后重量将近2300吨。五个F-1发动机排成十字型，中心的发动机位置固定，周围的四个发动机可以通过液压转向以控制火箭。
在飞行中，中央的发动机要比周围的发动机早关闭26秒，以限制加速度。在发射中，S-IC推进器将工作168秒钟（升空7秒前点火），随后发动机关闭。此时火箭的高度大约是68千米，而火箭大约飞行了93千米，速度达到2390米/秒。
在发射时，5台F-1火箭发动机产生3405吨的推力，这么大的推力需要坚固的承力结构。S-IC级有着整个火箭上最大的零件：5台主发动机的承力支架主梁，重21吨。
S-IC级的结构设计反映了F-1发动机、推进剂、控制、仪器和连接系统的要求，结构的主要材料为铝合金。主要包括：前裙、氧化剂箱、箱间段、燃料箱和推力结构。
前裙
前裙连接氧化剂箱与S-II级，包括前脱落插头连接板、电气和电子仪器盒、液氧箱和级间段的排气系统。前裙的外蒙皮用7075-T6铝合金制成，并用隔框和桁条进行了加强。
氧化剂箱
氧化剂箱的容量约136万升，箱壁由经机械铣成的T形剖面整体加筋加强，加筋上连接环形隔板。箱底上安装的十字形板用来防晃和消旋。贮箱为一个2219-T87铝合金的圆筒，上、下有两个半椭球形的箱底。氧化剂箱蒙皮厚度不等，后段厚0.25英寸，前段厚0.19英寸，分八段逐渐变薄。
箱间段
箱间段结构用来保持液氧箱和燃料箱之间的连续性，内部有与箱间脱落插头连接的液氧加注和排泄接头。蒙皮壁板和环框全部用7075-T6铝合金制成。
燃料箱
燃料箱容量约817649升，上、下有两个半椭球形的箱底，贮箱内壁上安装防晃板，箱底有十字形消旋板。由液氧箱引出的五条输送管穿过燃料箱，通到F-1发动机。箱底内部粘一层轻质泡沫填料，作为燃料吸除器，使贮箱中残留的无用燃料减到最少。贮箱蒙皮用2219-T87铝合金制成，后段厚0.193英寸，前段厚0.17英寸，分四段逐渐变薄。
推力结构
推力结构是发动机及其附件、底部热防护板、发动机整流罩和尾翼、推进剂管路、反推火箭以及环境控制管路的支撑结构，把五台发动机的集中载荷分散成均匀载荷。推力结构的外蒙皮由7075-T6铝合金制成。
位于S-IC级底部发动机摆动平面前部的热防护板，在飞行时对发动机的关键组件和底部结构进行热防护。热防护板是一种蜂窝结构壁板，由15-7PH不锈钢箔制成的蜂窝芯板和厚0.254毫米的面板钎焊而成。每台外围F-1发动机外部都用锥形整流罩保护着，以防止气动加载。整流罩内部有反推火箭和发动机作动器的支架。
四、
星5号火箭二级（S-II级）
土星5号第二级（S-II级）由北美航空公司（北美航空公司作为洛克维尔国际的一部分于1996年被波音公司收购）制造。S-II级使用液氢和液氧作为燃料，共有5个J-2火箭发动机。S-II级发动机的排列也呈十字形，外部的发动机可以提供控制能力。
S-II级有24.8米高，直径与S-IC级相同，都是10米。S-II的净重大约36吨，加满燃料后重达490吨。S-II级两个低温储箱（液氢储箱和液氧储箱）之间只用了一层板子相隔，这个隔板中间采用了苯酚蜂窝夹层结构，两侧用铝箔覆盖，需要承受两个燃料箱之间70℃的温度差。
S-II级可以在大气层外为土星5号提供大约36吨的推力。这级火箭的箭体主要用7075系的铝合金制成。
S-II级结构由壳体(包括前裙、后裙和级间段)、推进剂箱(包括液氢箱和液氧箱)和推力结构组成。壳体结构传递第一、第二级的助推载荷(轴向载荷、剪切和弯矩)以及相邻级、推进剂箱和推力结构之间的壳体弯曲和纵向力。
推进剂箱内装液氢和液氧推进剂，也是前裙和后裙之间的结构支撑。推力结构把五台J-2发动机的推力传给壳体结构，承受发动机推力产生的压缩载荷和承受发动机不工作时发动机重量产生的拉伸载荷以及S-II级助推时发动机重量产生的悬臂载荷。
壳体结构
壳体结构部件的结构形式相同，其中后裙和级间段因受力较大，故为较重型结构（前裙蒙皮厚度为0.04英寸，后裙和级间段为0.071英寸）。每段均为半硬壳式简壳，由7075号铝合金制成，外部用帽形截面桁条加强，内部用隔框增加稳定性。
推力结构
推力结构也是半硬壳式结构，但其形状为截锥形，锥的下底直径为18英尺，上底直径33英尺。推力结构同样用隔框和帽形截面的桁条加强。四对推力纵梁(在每台外围发动机处有两条)和一个中心发动机十字形支撑梁承受和分散J-2发动机的推力载荷。推力结构用7075铝合金制成，结构下部安装有玻璃纤维蜂窝夹层热防护板。推力结构还用来安装S-II级携带的大部分系统组件。
推进剂箱结构
液氢箱由圆筒形箱壁和上、下两个椭球形箱底组成，箱壁由六个短筒组成，各段用纵向和环向加强件加强。箱壁和箱底均由2014铝合金材料制成，并用熔焊方法焊接在一起。
贮箱共底（液氢箱的下底也是液氧箱的上底）为一种粘接的蜂窝夹层结构，这种结构可有助于保持液氢和液氧的低温特性。夹层结构的面板用2014铝合金板制成，为椭球形壳；中间的蜂窝夹芯用玻璃纤维/酚醛材料制成，夹芯的厚度不等，顶端厚约5英寸，周边厚0.008英寸。
液氧箱由上、下两个半椭形底组成，箱底由瓜瓣形板拼成，内表面铣成网格形。贮箱内部安装的三块环形防晃板抑制液氧晃动和液面扰动；贮箱下底液氧出口处安装了十字形消漩板，以消除液氧箱出口处产生的漩涡和使贮箱中推进剂剩余量最少。
系统隧道管
半圆形的系统隧道管安装在S-II级外部，从后裙部通到前裙段，内装有电缆、增压管路和贮箱推进剂消散用的火工品。S-IC级与仪器舱连接的电缆也通过这条隧道管。
五、
土星5号火箭三级（S-IVB级）
土星5号第三级（S-IVB级）由道格拉斯飞行器公司(于1967年与麦克唐纳公司合并，1997年一同并入波音公司)制造。除了级间的调整结构和重启动的能力，这一级几乎和土星1B号第二级完全一致。S-IVB级高18米，直径6.6米，净重11吨，加满燃料后重114吨。它使用了一个J-2火箭发动机，在两个燃料柜间也使用了共享箱壁。
S-IVB级在任务过程中会使用两次，在S-II级关闭后点火工作2.5分钟，在月球转移轨道射入阶段点火大约6分钟。两个加满液体燃料的辅助推进设备装在S-IVB级尾部，用来在待机轨道和月球转移阶段控制火箭的高度。
S-IVB级的基本结构组成：前裙、推进剂箱、后裙、推力结构和后级间段。除推进剂箱外，其他部分全为蒙皮桁条铝合金结构。
前裙段
前裙为液氢箱和仪器舱之间的支撑结构，由仪器舱上的检修门（参见仪器舱照片）可以检查前裙中的设备。前裙内有五块环境调节板，用来支撑各种电子组件，并对它们进行热调节。前裙外面安装了前脱落插头连接板、天线、液氢箱排气口和遂道管整流罩等。
推进剂箱
推进剂箱是一个圆筒状容器，两端有半球形底。中间的共底为半球形蜂窝夹层结构，夹层结构的上、下两个半球形面板由2014-T6铝合金制成，玻璃纤维/酚醛材料制成的蜂窝夹芯粘接在两块面板中间，液氢箱的内表面铣成网格形，网格形的内壁粘有聚氨酯泡沫瓦，瓦上用涂了密封胶的玻璃纤维布覆盖。
贮箱的箱壁承受前裙对接面前部的所有载荷，并把发动机的推力传给有效载荷。液氢箱内部有一个34英尺长的连续电容传感器、9个冷氦气瓶、温度和液位传感器、预冷泵、防晃板、防晃致偏器，以及加注、增压与排气管等。液氧箱内部有防晃板、预冷泵、13.5英尺长的连续电容传感器、温度和液位传感器，以及加注、增压与排气管等。
推力结构
推力结构是一个倒置的截锥壳，连接液氧箱后底与发动机支座。它为发动机提供连接点，并把发动机的推力均匀地传给整个贮箱的周边。推力结构外部安装发动机的导管、电缆和对接板、氦气瓶、液压系统、氧/氢燃烧器，以及某些发动机和液氧箱的仪器。
后裙部
圆筒形的后裙是液氢箱与后级间段中间的承力结构。一个易断的张紧连接件在S-II级分离时断开，使后裙与级间段分离。
后级间段
后级间段是一个截锥形壳体，是S-IVB级与S-II级之间的承力结构，也是S-II级和S-IVB级之间所需要的电气和机械连接的会合处。S-II级的反推火箭安装在级间段上，分离时级间段仍与S-II级连接。
六、
土星5号仪器舱
仪器舱由IBM制造，是装在土星5号S-IVB级顶部的一个圆筒形结构。它的内壁分布着土星5号火箭的弹道计算机、姿态稳定系统等关键部件，是整枚火箭的大脑。
仪器舱的基本结构是一个由铝合金蜂窝夹层材料制成的短圆筒，这是由三块长度相等的蜂窝夹层板拼成的，前后端框由挤压成的特制铝型材制成，型材粘接到蜂窝夹层上。之所以用此种结构，是因为它具有较高的强度重量比、良好的隔音和热传导特性。仪器舱的三块弧形板分别是检修壁板(Fin-A)、飞行控制计算机壁板(Fin-B)和惯性导航平台壁板(Fin-C)。
在上图中，左下方有一个检修门，这附近就是Fin-A。检修门旁边有个黑色的管子，这管子和上面的整个环形的管路是连在一起的，是用来控制土星5号大脑温度的环境控制管路。黑色管子下面藏着一个2.7升的小气瓶，内有高纯氨气。黑色管子右侧的圆柱形罐子是储水箱。水箱左侧的红色盒子是D-30电池系统。
水箱右侧是弹载计算机和弹载数据记录仪。图片正下方（记录仪右侧）的盒子里是控制指令分配器和遥测遥控指令译码器。这个盒子右边的那些盒子是遥测天线对应的电子器件盒，包括VHF遥测天线、c波段天线、PCMCCS天线等。
图片右侧的那个大球就是存放氨气的地方，供气压力为703吨/平方米。大球旁边是ST-124-M3惯性导航陀螺仪。
图片右上方的大方盒子为土星5号火箭的ST-124-M3惯性导航陀螺稳定平台的控制电路。平台旁边是加速度计信号调节器和专门供给导航系统用的56伏电源。另外的电源系统还有28伏直流电源，供小负载的电气系统使用，另有5伏直流电源供传感器使用。
七、
星5号运载火箭应用情况
八、
土星5号之后美国重型运载火箭的发展
水火箭的制作（单槽）：
1 准备材料。三四个2.5升的健力宝瓶或可乐瓶， 若干X光片，几个化学器材用的3号和4号软胶塞，一整套单车气门心，剪刀、小刀各一把，透明胶、双面胶和绝缘胶布，502胶水一支。
2 机翼制作。用剪刀将X光片裁成大小相同的直角梯形28块，梯形长12cm，高6cm，斜腰和长底夹角约45度。另裁4个同上规格但高为8cm，短底相连接两面重叠的梯形（用作机翼的表面）。用双面胶将7小块梯形紧密粘成一个厚的梯形，使之平直平坦，然后用一个大的双面梯形将其紧密包住并粘紧。为使机翼的厚面平整，可用剪刀或小刀修平修直，然后将机翼的厚面用绝缘胶封住。最后，将机翼两边长出的部分向外折成90度。这样，按上述方法将其余的X光片做成三个机翼。
3 机身制作。取一个健力宝瓶（瓶头弧线过度比较自然，作火箭头利于减小空气阻力）在离下端11cm处将其横截剪开,用绝缘胶将带瓶口的部分粘紧在另一个瓶子的底部，用绝缘胶在接口处多缠绕几圈以牢固。
4 气塞制作。取一个4号的软胶塞，用开洞工具在胶塞的底部正中处开一个比气门芯套筒稍小一点的平直洞，然后用小刀横切去细端约0.6cm；将气门芯套筒上一个面积较大的“戒指”（五金店有卖），从软胶塞的细端往上把气门芯装好，套上一个同样的“戒指”，拧上螺丝，稍微紧就可以。最后将气塞用磨刀石磨成圆柱体，达到刚好能够完全进入可乐瓶口或稍紧一点，装上气门芯即可使用。
5 炮头制作。取一个3号软胶塞用小刀将其削尖且圆滑。
6 组装机翼。取一个健力宝瓶剪一个长比机翼长稍长的两面相通的圆柱体，然后用透明胶和绝缘胶将4个机翼4等分紧密粘好。最后，将粘好机翼的圆柱体套在水火箭的底部使其与瓶口相平（这不一定是最佳位置，可在飞行实践中上下调节寻找确定），用绝缘胶缠绕粘紧。
7 其他。为增大气塞和瓶口的接触面以增大瓶内气压，可用小刀将气塞大端削细一点并使之圆平粗糙。由于机身增长了一节做火箭头，火箭头部分较轻不平衡，可适当往里面塞纸以达到平衡。为尽可能减小空气阻力，将用软胶塞做成的炮头用502胶水在火箭头瓶口粘好。
按以上方法一个简单的水火箭便制作完成。根据我们研制的水火箭，通过实践的改进，水平方向飞行可达160米左右，竖直方向飞行可达40~50米。
水火箭发射方法：
1 水量调控。水火箭用水量和火箭容气空间有一定的比例，不能太多也不能太少，最佳用水量约为火箭容气空间的1/4到2/5之间（2.5升的空间大约装600毫升左右，可多试验几次寻找确定）。
2 发射角度。水平方向飞行，由于空气的阻力，发射的最佳角度在50到55度之间，不同的水火箭可能不同，可通过控制变量的方法试验确定。（我们制作的水火箭最佳角度是53度左右）。竖直方向飞行则为90度。
3 气塞使用。气塞的使用原理是通过压缩软胶塞体积膨胀来调节气塞的松紧程度，压缩越厉害体积膨胀越大，气塞越紧，要把气塞冲出来的气压就越大，即火箭获得的动力越大。具体使用方法如下：首先拆下气塞的气门芯，将气塞在原形塞进火箭的瓶口内，然后用套筒（一种专门用来拧螺丝的工具，五金店有卖）拧紧气塞的螺丝，最后安装气门芯即可加气使用。（注：拧紧程度可按需要来调节。）
4 发射稳定调控。仅讨论水平方向的发射。需要制作一个发射台，发射台要配有导航轨道，导航轨道不要太长也不要太短，一般长为60cm（可用三个教学用的大三角板和两根扫帚柄拼凑而成，为减少扫帚柄作导航轨道时对水火箭的摩擦，可用透明胶粘贴扫帚柄或如图例所示的模型）。无风天气时，正对目标按最佳发射角度（指发射轨道与地面的夹角）发射。刮风天气时，应视风力和风向适当调偏与发射目标的方向，保持最佳发射角度发射。
5 注意事项。发射时，确保火箭和轨道的平直一致，若偏离1~2度都会影响飞行的平稳性而呈“8”字型飞行。用气筒打气时，要尽可能平稳，打气频率不要太慢应快点。要尽可能将气塞塞紧，可通过拧紧气塞的螺丝来调节，气塞塞得越紧瓶内气压越大而火箭的动力就越大。
取第一个瓶子，称之为A瓶。在瓶子上下1-1、2-2的位置各画一条线，两条线位置的决定方法如下。
1-1：选瓶上弧线曲度与火箭泡棉头曲度相近处。
2-2：选瓶子下方曲线转直点的下方约0.5cm处。
自1-1线上方、2-2线下方约0.5cm处用美工刀（或剪刀）切（剪）开。
用剪刀慢慢修剪至画线处，尽量使其平整，以便与B瓶衔接时可以较为密合。
将火箭泡棉头放置於A瓶上方，由正上方看泡棉头是否对准保特瓶之正中央位置。若已放正，则使用电工胶布缠绕於相接处，加以固定。
取另一个瓶子称之为B瓶，将瓶盖卸下，然后将喷嘴由保特瓶开口处旋紧。
将A、B瓶相连接。然后至於平坦之桌面或地上滚动，看看是否连接平整，滚动是否平顺。若是，则以电工胶布加以固定。
连接完成图
取第三个瓶子，称为C瓶。在瓶子3-3、4-4之位置各画一条线。
3-3：选瓶子上方曲线转折点的下方约0.5cm。
4-4：选瓶子下方曲线转折点的下方约0.5cm。
自3-3线上方、4-4线下方约0.5cm处用美工刀（剪刀）切（剪）开。
C瓶完成图
将厚纸板对折，然后用铅笔画出四个梯形。然后用剪刀沿线剪开。
注：尾翼之尺寸、形状，可以做不同的变化，以测试 其对飞行有何影响。
同样以投影片至做出与厚纸板规格相同之梯形。
将制作好之投影片包覆於厚纸板梯形之外侧，可以先使用双面胶带将投影片及厚纸板接合在一起，然后使用电工胶布将其三边贴过。
用双面胶带贴於摺起部分之底部。此步骤为了将做好之四个尾翼年贴於C瓶。
四个尾翼完成图。
将四片尾翼年贴於C瓶上，需确定为十字对称，如此才能平衡。
先以电工胶布黏贴於尾翼两侧，黏贴时须注意电工胶布的长度须够长，上方需比尾翼高约一个胶带的高度，下方反折入C瓶内，以增加牢固程度。再以电工胶布缠绕於尾翼上方约两圈。
将C瓶与B瓶用电工胶布做连接。
注：同样须注意保持水火箭箭身的笔直以确保飞行方向的准确。
保特瓶水火箭完成图。
参考资料：引用蒸汽工作室
天然橡胶是原产于热带地区的一种乔木——橡胶树的产物。当割开橡胶树干，便有牛奶似的胶液从树皮里流出，然后使它凝固，再经过一系列工序，就成为半透明的橡胶块。
据报道，世界上最早应用天然橡胶的是古代美洲的印第安人。他们常用当地橡胶树产出的胶汁制作雨衣、瓶罐及玩具之类的东西。1642年，哥伦布率领船队横渡大西洋，想寻找通向中国和印度的海路，不料由于航行的错误而跑到了美洲。就在这次闻名世界的航行中，他把印第安人制作的橡胶用具和玩的橡胶球带回了欧洲，使欧洲人第一次见到了橡胶。
大约一个世纪以前，随着西方国家工业化步伐的加快，天然橡胶的品种和数量已远远不能满足人们的需要。于是，科学家开始考虑人造橡胶的问题了。
人工合成橡胶的关键首先是了解它的化学组成，弄清其分子构造，否则人工合成时将无从下手。最早在这方面作出贡献的是英国化学家法拉第等人。1826年，他们通过分析得知，天然橡胶成分与异戊二烯（每个分子中含有5个碳原子和8个氢原子的一种无色带刺激气味的液体）有某种联系。后来，又经过许多化学家的研究，才彻底弄清了橡胶的结构和组成。
原来，橡胶、纤维和塑料同属一个“大家族”，都是高分子化合物。如果把天然橡胶分子比作一条长长的锁链，那么异戊二烯分子就是锁链上的一个个环节。据分析，一个天然橡胶分子大约包含了一万个左右的异戊二烯单体。
橡胶的特点是它的每个分子呈蜷曲状，而且互相纠缠在一起，好像一个乱七八糟的毛线球。当你用力拉它时，分子就伸开，一松手，分子又蜷缩成原来的样子。因此，橡胶具有奇特的弹性。
弄清橡胶分子的组成，是打开合成橡胶大门的一把钥匙。但是，要真正进入这扇大门还必须取得使一个个小分子聚合在一起发生聚合反应这把钥匙。
进入本世纪以来，科学家先后合成了氯丁橡胶、聚硫橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等一系列具有奇异功能的新产品。这些新产品各具特点，有的耐磨，有的不怕油浸，有的不畏高温、严寒。这些优异的品质，使天然橡胶也不得不甘败下风。
还有一种液体硅橡胶叫做室温固化硅橡胶。这种橡胶通常存放在塑料管中可以保存一两年而不固化，一旦从塑料管中挤出，见到空气就会很快固化。这是一种新型机械密封材料。以前，摩托车、汽车、火车、轮船等的发动机汽缸都是用橡皮垫圈密封。这种密封方式不仅容易出现漏油、漏气现象，而且由于普通橡胶耐油、耐高温性能差，用不了多久就会老化变坏，需进行大修更换垫圈。而现在的室温固化硅橡胶则可以克服上述缺点。它不仅使用方便，而且具有耐油、耐酸碱、耐高温、抗老化的特点，可以大大延长设备的使用寿命。
人造橡胶已经成为人类的朋友，是使汽车奔驰、飞机上天的有力“助手”，日常生活，工业和国防建设都离不开它。
