土星5號火箭的研究背景很簡單：60年代，火箭運載能力已經成為限制美國航天發展的最核心因素。
因為60年代，美國航天發展最重要的目標是阿波羅登月。正如甘迺迪總統1961年在萊斯大學演講時說的那樣：「我們選擇登陸月球，不是因為它簡單，而是因為它真的很難」。
當時，為了阿波羅登月，一系列輔助工程上馬。
1961-1965年，9個遊騎兵（Ranger）任務，全方面獲得月球表面情況。
1966-1967年，5個月球軌道器（Lunar Orbiter）任務，重點勘查適合載人登陸的區域並繪製出詳細地形地貌圖。
阿波羅12號任務時降落地點就在為它做前期準備的測量員附近，也造就了人類兩個航天任務在月球表面相遇的神奇紀錄
1966-1968年，7個測量員（Surveyor）任務，著陸器直接降落月球，獲得未來阿波羅載人登月著陸地區的第一手資料，其中5個任務著陸成功。
1964-1966年，12個雙子座（Gemini）載人航天任務，驗證了出艙行走、交會對接等核心技術，所有的阿波羅登月太空人都是這個項目培養出來的。
也就是說，在阿波羅登月之前，NASA（美國國家航空航天局）已經完全了解了月球著陸區的環境、相關的載人航天技術都儲備完畢。例如，阿姆斯特朗在雙子座8號任務時成為世界首個完成太空飛行器交會對接任務的人，登月第一人的資格足夠。
但是，當時還有極其重要的一個環節：怎麼過去？火箭怎麼辦？
登月遠比地球附近的載人航天複雜，近地軌道運力幾噸、幾十噸的火箭遠遠不夠，火箭成為限制載人登月方案的最大因素。
當時總共有四種方案。1.月球直接往返；2.月球表面集合，用重型火箭分兩次任務發射；3.地球軌道集合，用大中型火箭多次發射，在地球附近組裝後載人登月；4.月球軌道集合，飛船到月球後，一部分登陸，一部分留軌。
選擇第4種方案的阿波羅飛船實際上也由4個部分組成
第1種方案要求重達4000-5000噸級別的火箭，實在太難，人類也許在阿波羅登月後100年內都不會造出來。因為我們在登月50年後，連土星5號級別的火箭都還沒造出來；第2種，對月球著陸技術要求太高，幾乎不可能；第3種，當時交會對接技術還沒突破，多次對接風險也特別大。最終，阿波羅載人登月選擇了方案4，它需要一枚近地軌道運力達到140噸級、月球轉移軌道運力達到45噸級的火箭。
馮·布勞恩站在他的得意作品土星5號「前」
任務最後落到了馮·布勞恩團隊頭上，這位在二戰結束後被「迴紋針」絕密行動帶回美國的德國火箭專家事後也被證明是人類史上最偉大的火箭科學家、沒有之一，他在二戰後幾乎主導了美國所有火箭的研發。1961年登月計劃公布後，他們獲得天量的資金。
那時候，錢不是問題，問題是能不能把「問題」解決。馮·布勞恩團隊不負眾望，在他們此前的研究基礎上，最終給出了土星A（Saturn-A1，Saturn-A2）、土星B（Saturn-B1）和土星C（Saturn-C1、Saturn-C2、Saturn-C3、Saturn-C4、Saturn-C5）的龐大土星系列火箭家族。當然，馮·布勞恩還提出了C8這個型號，它理論上可以完成直接登月、直接返回（前文方案1），不過以當時的資源、甚至今天的資源都很難實現。
土星是個龐大的載人火箭家族，只不過土星5號（C5）實在太出名掩蓋了其他的光輝
人們常說的土星5號，就是指Saturn-C5這一個型號。
土星5號的很多指標是非常驚人的，它的總重量約為2970噸，最大直徑10.1米，高度110.6米，近地軌道運力140噸，地月轉移軌道極限運力48.6噸。以中國現役最強火箭長徵5號對比而言，長徵5號總重量約為867噸，最大直徑5米，高度57米，近地軌道運力25噸，地月轉移軌道運力8噸。
那個時代孕育了多麼恐怖的鋼鐵巨獸，可見一斑。
火箭第一級總重約2290噸，其中殼體和發動機質量僅為130噸，2160噸都為燃料，為液氧煤油，發動機工作時間標準流程為165秒，發動機總推力達到了驚人的3510噸！第一級平均每一秒燃燒13.1噸燃料，換算成汽油差不多夠一輛百公裡油耗10升的小汽車圍繞地球赤道開4圈半！
第二級總重約496噸，其中殼體和發動機質量僅為40噸，456噸都為燃料，為液氧液氫，發動機工作時間標準流程為360秒，發動機總推力為514噸；對於第二級消耗的燃料（液氧液氫能量密度是液氧煤油的1.6倍左右），足夠開車繞地球赤道250圈。
第三級總重約123噸，其中殼體和發動機質量僅為13噸，110噸都為燃料，為液氧液氫，發動機工作時間標準流程為兩次共計500秒，發動機總推力為100噸。第三級的燃料夠開車繞地球60圈。
美麗的《地出》來自阿波羅8號任務，人類首次到月球附近，阿波羅11號時才著陸
更驚人之處在於，這個火箭的可靠性也是很高的。1967年11月9日，阿波羅4號無人測試任務，土星5號成功首飛。但是，1968年的12月11日，它就已經送阿波羅8號乘組前往月球，他們也拍下來載入史冊的經典圖片《地出》，這是人類首次從月球看地球。從1967年到1973年，土星5號火箭完成了13次發射任務（12次阿波羅，1次天空實驗室）。除了阿波羅6號無人測試時出現了發動機技術問題、但並未釀成大禍，其餘都是完全成功，運送了24人前往月球，最終12人登陸月球。
這12人也因而被命名為新物種：能生存在地球和月球的生物。
土星5號對比N1（右）
相比較而言，蘇聯同時代的登月火箭N1卻反覆遭遇失敗，連續4次試射均在升空後不久爆炸，成為人類載入史冊的最強人工（非核）爆炸，蘇聯最終退出登月競賽，秘密開始載人空間站計劃，也就是禮炮1-7號共計9個空間站（7個成功）。禮炮1號在1971年4月19日秘密升空，隨後震驚世人，美國在載人空間站領域被蘇聯超越。
此時，又是土星5號脫穎而出，把天空實驗室空間站（Skylab）送入太空。這個空間站的設計邏輯可以這麼簡化為「來不及了，還設計啥空間站，直接把土星5號的最上級裝大量儀器不就行了，做個百噸級的空間站夠用麼？而且所有儀器你地面都裝好，不用螞蟻搬家往天上運，反正我們能一次發上去！」。至於載人飛船，則使用阿波羅18-20號飛船，這幾個原計劃登月的任務在後期被取消。
從各方面指標來看，天空實驗室都遠超禮炮系列空間站
1973年5月14日，天空實驗室升空，它由土星5號的第三級S-IVB改造而來，有軌道艙、空間望遠鏡、對接艙、氣閘艙、服務單元、儀器單元等部分，空重77噸，對接阿波羅飛船狀態下超過90噸。內部加壓空間超過351立方米，相當於一棟巨大的房子飛在空中。載人對接任務時，甚至不需要用巨大的土星5號火箭，用近地軌道運力在20噸的土星IB火箭發射阿波羅飛船即可。
相比較而言，蘇聯首個空間站禮炮1號重18.4噸、加壓空間99立方米。
強大土星5號火箭的存在，使得美國立即又在空間站領域趕上並超過蘇聯。但是，在70年代後，土星5號還是遺憾退役了。有一系列原因。
首先，它實在太貴了。以1960-1970年代的美元計，土星5號研發費用是64億美元，一次發射的價格就是1.8億美元，那個年代的1.8億美元大概可以等同於今天的12億美元。
其次，應用需求不再。美國靠著這個火箭，登上月球，在太空競賽中制霸蘇聯，在冷戰中佔據先機，在東西方兩大陣營對抗中重奪主動權。但1975年前後，蘇美籤訂了一系列協議，中止太空競賽，雙方砍掉了大量航天項目，尤其是需要重型火箭的任務，土星5號一下失去了需求。
蘇聯解體後，更沒有需求。
土星5號創造了人類火箭天頂科技，那是特殊政治的時代、不計成本的投入、深厚積累的技術等一系列原因共同促成的，如今很難再有機會達到當年那個狀態了。
如果刻意追求復現甚至超過土星5號，是極其不明智的決定，時代變了。
NASA在研的新一代重型火箭太空發射系統和獵戶座飛船同樣昂貴，目前研製花費已經近400億美元
目前，世界各航天大國都在「慢慢來」，NASA的太空發射系統、SpaceX的大獵鷹火箭、藍色起源的新阿姆斯特朗、俄羅斯的新聯盟和安加拉、中國的長徵9號都處在在研或論證階段，它們的最終設計目標都是達到土星5號的級別，但達到這種成熟版本預計都會在2030年以後。
也就是說，土星5號成功後，60多年內都沒有對手。
而要想超過土星5號，例如達到曾經的土星C8級別，就目前的環境來看，阿波羅登月後100周年紀念時能實現就已經是人類航天的新奇蹟。
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（本文是航天系列科普24講第6篇，全部文章將在一年內更新完畢，敬請期待！）
系列文章：
[1]航天到底能做什麼？
[2]航天究竟是怎樣一個行業？
[3]火箭，擺脫地球引力的起點
[4]火箭發動機，為什麼這麼難？
[5]火箭如何選擇發射場和發射方式？