上文书讲到了苏联为登月的火箭方案头疼。现在的R-7系列火箭显然是不够用的。这款火箭的潜力也都挖得差不多了。要知道，在地球的引力场范围内。飞得越高，需要的能量就越大。这就是一个用火箭燃料的化学能去换取引力势能的过程。火箭把上面级推进地球轨道以后，全靠上面级自己的燃料从地球轨道飞向月球轨道，这还不算，还要落下去，这是要花费额外的能量的，下去以后还要返回，还要上来。这也要花费能量。满打满算。上面级怎么也要100吨的重量，其实登月舱和火箭只占小头，大头是燃料。也就是说，一级火箭起码要有这个本事，把100吨的东西送进地球轨道。现在东方号和上升号飞船也就那么几吨，差的太远了。美国人也一样，双子座飞船也不大。
双子座飞船很小，不满足登月的需要
这简直是一个连环套，上面级轻一点，整个火箭就可以小一点。怎么才能让上面级轻一点呢？换用高能燃料是个办法，每公斤燃料含有能量最大的是氢，一公斤氢气完全燃烧，可以产生1416亿焦耳的热量，汽油只有473亿焦耳。柴油更低，只有448。数值上差的太远了。但是氢有个毛病，体积巨大，密度低的可怜。即便是压缩成了液态氢，密度也很小，大概是70.8公斤/立方米。要知道1立方米的水，刚好是1吨重，差了不止1个数量级。煤油比水轻，也要820公斤左右。液态氢小了10倍都不止。那么大的罐子，其实没多重。
液态氢温度非常低，低于-252℃
液氢的另一个麻烦是温度极低，氢气是仅次于氦气，第二难液化的气体。必须冷却到-252℃以下，这个温度非常的低，隔壁的液氧温度是-183℃，温度差了几十度，这两者的温度差就会是一个超级大麻烦。液氧碰到液氢，立马冻成固体的冰坨子。尽管麻烦很多，但是，氢氧发动机的优点真的很诱人，氢氧发动机的比冲比煤油发动机要高不少，特别适合上面级使用。比冲这个概念大约就相当于“百公里耗油”，比冲越高越好，你能不能开到目的地，就取决于百公里耗油和你带了多少油，只要这两个数相乘是够用的，你早早晚晚都能到。省油就可以少带油嘛，那不就轻松嘛。最终，美国人决定去啃这块难啃的骨头，因为未来的巨型火箭是缺不了这个东西的。这就是J-2氢氧发动机，这东西对如今航天市场的格局都有重要的影响。
直击月球方案
与苏联人的徘徊不一样。美国的NASA倒是完全发挥了统一协调的作用。早早就开始论证登月的技术路线。如果要造一枚巨大的火箭，直接飞向月球，那么这枚火箭的起飞重量起码要4000~5000吨。这简直是天方夜谭，不要说当年，就算是现在，也没有这样的火箭。所以这个方案显然是不靠谱儿的。第二个方案就算地球轨道集合的方案。用大型火箭发射登月舱，在地球轨道上先慢慢转悠。然后再发射一枚火箭，运送屁股后头的一大堆辅助舱段。在太空里交会对接，把登月舱和辅助舱段拼装好，再开动火箭飞向月球。到了月球，直接下去。然后在月球上溜达溜达，搬几块大石头，采集样本带回地球。这个方案的好处是不用一次性把整个登月舱和辅助舱段送上太空，那也就不需要巨型火箭了。但是当时根本没有人掌握交会对接技术，行不行啊？第三个方案就算月面集合方案。先用火箭把返回舱和乱七八糟的辅助物资发射到月球上。等这些东西都落了地，安顿好了。再派第二枚火箭带着宇航员飞过去。这时候，火箭不带那么多东西，相对来讲，不用那么大。宇航员必须坐着登月舱精确的落到月亮上的返回舱附近。在月球表面折腾完了，扛着大石头，徒步走一小段，来到返回舱，乘坐返回舱升空，飞回地球，登月舱咱就不要了。其实这个办法也不是很靠谱儿，因为对落月的精度要求非常高。你要是登月舱落到离返回舱好远的地方，宇航员就回不来了。他们哪有这个体力在月球上徒步几十里地啊？不可能的。那么，在月球轨道上完成拼装行不行呢？地球轨道的交会对接都八字儿还没一撇呢？就考虑千里迢迢飞到月球轨道去对接？这是哪根筋搭错了吧？
约翰·胡博尔特在解释他的登月方案，这一方案最后变为现实
最靠谱儿的一个办法，那就是飞到月球附近，被月球的引力捕获，飞船联合体成了月球的卫星，咱不下去。下去，那就是势能变成了动能，在落到月亮上的一刻，动能全都消耗光了。再飞离月球，还要付出相同，甚至是更多的能量。这样是非常不划算的。只要让登月舱这一小坨下去，指令舱+服务舱那么一大坨仍然停留在月球轨道，这是最划算的了。最终，阿波罗计划就是按照这个思路走的。即便是这最靠谱儿的方案，美国人当时也没把握。因为要想让2个宇航员登上月球，他们要把140吨的大家伙送上地球轨道，这是一件非常难办的事儿。
布劳恩和肯尼迪，左侧是土星-1型火箭模型
研发这种大型火箭，重担就落在了马歇尔太空中心的掌门人冯·布劳恩的肩上。其实布劳恩早就憋着造大型火箭呢。但是他也是心急，他巴不得早点登月，因此在50年代末，他就开始研发土星系列火箭了。他以前研发的火箭不是叫“木星”嘛。下一枚火箭肯定叫土星嘛。他还是想在地球轨道拼装成联合体，然后再飞向月球。他的土星火箭就是按照这个思路去做的。在50年代末，布劳恩手里拥有的发动机也就是洛克达因的H-1发动机。更大的F-1发动机还在研发之中。这东西被用在纳瓦霍导弹上，后来还在红石导弹上也用过。现在最新的改进型，推力也才几十吨。发射大型火箭是肯定不够的。只能多枚火箭捆绑在一起使用。所以，最早的C-1构型运载火箭显得有点土，因为构造太难看，燃料箱都是分离的，一个发动机配一个，你想想这毛重要增加多少啊，一根一根分离的管子，这都是皮啊，要是合在一起，不是更节省嘛，当时没这个技术，稳妥起见，还是分开吧。
土星-1型火箭第一级是8台H-1发动机
C-1火箭1963年改名叫土星1型火箭，这是土星火箭家族的开山之作。第一级捆绑了8个H-1火箭发动机，内圈4台，外圈4台，足足的一大捆。火箭的第二级采用了6台RL-10氢氧发动机。RL-10算是美国人第一次尝试使用氢氧作为燃料。反正第一个吃螃蟹的难免出事儿。炸掉试车台这种事儿，他们是碰上好几次。火箭发动机不炸才怪，就是炸出来的。这台原始版本的氢氧发动机，比冲达到433，液氧煤油的H-1发动机，比冲才289，氢氧发动机的比冲优势是很大的。但是这台发动机的推力却很小，只有7吨的样子，6台也不过才40多吨。
第二级装有6台RL-10氢氧发动机
布劳恩就用这两级火箭拼装出了第一代的土星火箭，也就是土星1号。土星1的第一级是在克莱斯勒工厂制造的，第二级是在加州的道格拉斯飞机公司制造。NASA是个不错的教练员，带着这些防务承包商一起进步。1961年，土星1型火箭开始测试飞行。布劳恩他们还是比较谨慎的。第一次发射，上面的第二级是假的，是个配重。第一级是真的，就是看这个第一级工作正常不正常。实验还是很圆满的，第一级的8台H-1发动机把火箭送进了136公里高的亚轨道。后来，在1962年和1963年又搞了几次测试。都是只测试了第一级，但是上面的配重越来越重，飞的越来越高，但是都是亚轨道。一直到1964年，才把真正的第二级给装上。真正飞进了远地点760公里，近地点264公里的轨道。有效载荷足有十几吨重。按照这个量级。拼凑成登月飞船联合体，起码要发射10次，拼装9次啊，这多麻烦啊。所以，布劳恩也就明白了。靠这个土星1号火箭，离登月还很远。
布劳恩当时规划了从C-1到C-4各种火箭发动机的搭配。其中C-2和C-3都没落到实处，只是一个构想。倒是C-4比较靠谱儿，那就是第一级用4台巨大的F-1发动机，第二级用4个J-2发动机，第三级用1个J-2发动机。J-2发动机的推力足有100吨，比现在的RL-10大多了。C-4火箭只要两枚，就能在太空里拼装出登月飞船联合体。布劳恩算计着，这总够用了吧。这时候，手下的技术人员提出了新的建议。假如放大C-4火箭。第一级用5台F-1发动机，第二级用5台J-2发动机，这样的火箭就足够采用月球轨道停留方案实现登月。也就是火箭直接把登月飞船联合体送到月球轨道。然后登月舱下去，实现登月，指令舱和服务舱在太空轨道里等着，等到月面上的事儿搞定了，登月舱返回太空，再和指令舱对接，把人装进指令舱，抛弃登月舱，大家返回地球。NASA觉得这个办法是最合理的，于是，布劳恩就按照这个构想设计了一个新的型号，那就是C-5，这种火箭就是日后大名鼎鼎的土星5号。
土星-1B型火箭可以打阿波罗飞船，也能打一般的载荷
可是，如果要测试阿波罗飞船，当然不需要把飞船打到月球轨道上去。只要在近地轨道进行测试就可以了，当然就犯不上使用那么巨大的土星5号火箭。用小火箭打上去就行了。为此，布劳恩还要改进土星1型火箭。把第二级的6台RL-10发动机，改成1台J-2发动机。这就是后来的土星1B火箭。你会发现，土星1B的第二级和土星5号的第三级几乎是一样的。没错，都是用了一台J-2发动机，这倒是一举两得。所以，美国人的计划已定，剩下就是甩开膀子加油干了。苏联人还在到处转悠，犹豫不决。科罗廖夫要研发新型火箭，那么他所要做的，也和美国人是一样的。你起码要把100多吨的东西送进近地轨道吧，否则免谈。
科罗廖夫 vs 切洛梅
科罗廖夫去找格鲁什科，兄弟啊，你那里有没有大号的煤油发动机啊。格鲁什科脑袋摇的跟拨浪鼓一样。液氧煤油发动机，我这儿里没有大号的，我在研究常温燃料发动机，没空鼓捣液氧煤油。常温发动机就是偏二甲肼、四氧化二氮作为燃料的发动机，反正都是联胺类的燃料。这东西都是有强烈腐蚀性，有剧毒的燃料。但是好处是常温下是液态的，不需要伺候那么冷的液氧，特别适合洲际导弹，可以提前加注。环保斗士科罗廖夫特别不喜欢毒发动机，因为这东西比较危险，而且比冲不高，他一扭头，抛开老搭档格鲁什科，找库兹涅佐夫去了。另一边，切洛梅就非常喜欢这种毒发动机。他设计的UR500火箭，用的就是毒燃料。这枚UR500火箭很特别，甚至有点另类。
苏联四海分割，互相不连通
苏联的地理位置，实在是不赚便宜。苏联四海分割，北边的北冰洋沿岸，常年冰封，交通不便。太平洋地区又远离经济中心，海参崴被对面被日本挡住了进出太平洋的路。黑海是个内海，被土耳其掐住了黑海海峡的出口，即便是进了地中海，仍然是在澡盆里打转转，波罗的海也是个非常狭窄的海域。所以，苏联发射火箭一定是在陆地上，因此才选定了拜科努尔。只要是在地上，火箭就必须靠铁路运输。那就必然受到隧道的限制，火箭是不能太粗的。所以，火箭直径就没办法超过4米。造超大火箭，首先这一关就过去不去，直径就受到限制。除非在拜科努尔进行组装，在拜科努尔建立厂房。但是这个厂房和在大城市周边的相比，条件肯定是不好嘛。这就是苏联的一大麻烦。美国人没这个问题，可以用船运到卡纳维拉尔角。工厂选址，尽量靠海或者是靠近河边。
UR-500的后继型号
切洛梅设计的UR-500火箭，首先就要考虑到这一点。所以，他设计的火箭，中间是个4米粗的氧化剂燃料箱。周围一圈，布置了6台RD-253火箭发动机和燃料储箱。可以先把光杆火箭拉到拜科努尔，通过隧道没问题，到了拜科努尔，把周围的6台火箭发动机和燃料储箱给装上。这时候粗就粗了，没关系，前方已经不需要过隧道了。所以。切洛梅设计的UR-500火箭虽然看起来好像是捆绑火箭，其实不是。只是第一级的发动机在周围摆了一圈，中间杆子上是没有发动机的。
早期的UR-500火箭
这颗RD253发动机可不简单。格鲁什科不愧是火箭发动机大师。这台发动机用到了补燃技术，或者叫分级燃烧技术，当时只有格鲁什科的设计局掌握。目前，液氧煤油的高压补燃技术也只有俄罗斯和中国是实用化的。美国后来在氢氧发动机上采取过部分分级燃烧，煤油机也研究过，但是没有实用化。目前SpaceX的马斯克在全力以赴攻克液氧甲烷的全流量分级燃烧技术。可见这种技术是每个火箭发动机研究者都梦寐以求的。布劳恩早期的火箭发动机，都要带上过氧化氢，用过氧化氢的催化分解来驱动涡轮泵，这个泵把大量的燃料压进火箭的燃烧室，点火燃烧，产生巨大的推力。这就是火箭发动机的基本原理。但是，每次总要带过氧化氢，似乎有点多此一举。
使用燃气发生器循环的发动机结示意图
于是，就出现了第二个办法。用火箭的燃料，先送进一个小燃烧室燃烧，产生的热气吹动涡轮泵，涡轮泵把燃料送进喷管的管壁上走一圈，喷管里边其实就是主燃烧室，先利用喷管给燃料预热，顺便也帮着喷管降温，省得被烧坏了，然后加热以后的燃料被压进主燃烧室，点火燃烧，产生巨大的推力，这就是所谓的燃气发生器循环。废气没有用啦，直接弄个管子排掉就行了。这点废气不产生推力，主要能量都用来吹涡轮泵了。土星5号用的F-1发动机推力巨大，推力大约700吨，这个涡轮泵的功率就有惊人的5.5万马力，1秒钟要向燃烧室送进5.8万升煤油和9.4万升液氧。一眨眼的功夫，这么多燃料就烧光了，全都喷出去了。
F-1发动机左侧的那跟管子，就是排放驱动涡轮泵的废气的，采用燃气发生器循环的发动机必定有排放废气的管子
这种燃气发生器的方式能够简单粗暴的把发动机做的非常大，变态的大。F-1发动机到现在也是最大的单喷管火箭发动机。俄罗斯的RD-170推力比它大，但是喷管也比它多。但是，F-1的比冲是很难看的，只有260多，人家RD-170的比冲有300多呢。RD-253这颗毒发，比冲也比F-1要高。这个分级燃烧技术究竟是怎么回事儿呢？为什么这个技术就这么诱人呢？
