土星5号运载火箭

1969年7月16日阿波罗11号起飞，是人类历史上第一次登月

土星5号执行了所有的阿波罗登月任务。所有的土星5号火箭都是从肯尼迪航天中心的39号发射台发射的。在火箭飞离发射塔后，飞行控制就转移到了位于得克萨斯州休斯敦的约翰逊航天中心的任务控制中心。火箭的平均的任务时间总共仅仅需要20分钟。尽管阿波罗6号和阿波罗13号任务中出现了发动机故障，箭载电脑仍然可以通过延长剩余发动机的工作时间来补偿损失的推力，没有任何一次阿波罗发射损失了载荷。

S-IC工作时序

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阿波罗11号任务中，土星5号穿越底层稠密大气层时的环绕在阿波罗周围的凝结云

第一级推进器大约工作2.5分钟，它将火箭推送到68千米的高空，火箭速度达到9920千米/小时。它将消耗2000吨燃料。其中发动机点火后约十秒后所耗费的油量可以轻松填满一个标准的50米游泳池那么多.

在发射前8.9秒，第一级推进器点火时序开始。中央发动机首先点燃，随后周围相对的发动机以300毫秒的间隔点火，以减小火箭的结构负载。当箭载电脑对推力确认了以后，火箭通过两个阶段进行软释放。首先，压紧火箭的臂将火箭松开，然后，在火箭开始向上加速的时候，它通过拉掉固定的锥形金属销钉减速约半秒钟。一旦火箭起飞，如果发动机出现故障，它将无法安全的返回到发射场。

火箭离开发射塔需要大约12秒钟。在这段时间，火箭将偏斜1.25度，以保证能够即使在逆风情况下也能安全的离开发射塔。这个偏斜量虽然很小，但是也能在从西边或东边拍摄到的发射照片中观察到。在高度大约130米的时候，火箭将调整到正确的航向，然后逐渐的压低角度，直到第二级推进器点火后38秒。这个压低的程序根据在发射的那个月中的主要风向设定。四个外侧的发动机也向外倾斜，这样在一个外侧发动机关闭的情况下，仍然可以保持剩余火箭发动机的推力在火箭的重心之上。土星5号火箭迅速的加速，在高度大约1600米的时候，速度会达到约120米/秒。早期飞行的大多数时间都在提升火箭的高度，后面才开始有速度要求。

阿波罗11号S-IC推进器分离

在大约80秒的时候，火箭将达到最大动态压力(Max-Q)。火箭上的动态压力随空气密度的变化于相对速度的平方发生变化。尽管速度不停地增加，空气密度随减小得更快，从而使空气压力小于最大动态压力。

S-IC推进器工作时的加速度增加有两方面原因，推进剂的质量减小了，F-1火箭发动的推力在稀薄空气中的效率提高从而使推力增加。135秒时，中央的发动机关闭以将加速度限制在4g（39.2m/s2）以下。外侧发动机继续燃烧，直到传感器检测到氧化剂或者燃料消耗完毕。第一级推进器在关闭发动机后略小于1秒后分离，以利用F1发动机的剩余推力。八个较小的固体燃料分离发动机使S-IC推进器从级间结构脱离，这时火箭的高度大约67千米。第一级随后依其弹道上升至大约109千迈克尔，然后坠入560千米外的大西洋。

S-II工作时序

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阿波罗6号尾部的摄像机拍摄的级间结构脱离

在S-IC推进器脱离以后，S-II第二级推进器大约工作六分钟，将飞船推送至170千米的高空，速度达到25182千米/小时（7.00千米/秒），接近第一宇宙速度。

在头两次无人发射过程中，八个固体燃料推进器点火大约4秒钟，给S-II推进器提供了正的加速度，随后S-II推进器的5个J-2火箭发动机点火。在头7次载人阿波罗任务中，仅仅使用了4个固体燃料推进器，在最后四次发射中，没有使用它们。在第一级推进器分离30秒以后，级间环从第二级推进器上脱落。脱落时通过惯性固定姿态，因此级间环虽然距离箭载J-2发动机仅有1米，却可以顺利脱落而不碰到它们。级间环脱落以后很短时间内逃生系统也被抛弃了。

阿波罗6号级间环脱落，可见S-IIC推进器的发动机排气影响了脱落过程

第二级推进器点火后38秒钟，土星5号从预先设定的轨迹进入一个闭合环，或者称为迭代导航模式。控制设备单元开始进行实时计算，以找出能够到达预定轨道的最有效利用燃料的轨迹。如果控制设备单元出现故障，宇航员可以将对土星5号的控制转移到指令舱的计算机，或者采用手动控制，甚至取消这次飞行。

在第二级推进器关闭前的90秒，中央发动机关闭以减小纵向耦合振动。首先应用于阿波罗14号的耦合抑制器可以停止这种振动，但是中央发动机仍然需要关闭，以免加速度过大。大约在这个时候，液氧的流量也减小了，使得两种推进剂的混合比例发生改变，使得第二级推进剂飞行结束时燃料柜中剩余推进剂尽量少。当达到预先设定的速度变化时，便开始采用这种方式。

在S-II推进剂燃料箱的底部有5个液位传感器，他们在S-II飞行阶段启用，只要有任何两个传感器检测到燃料耗尽，就会触发S-II推进器关机。关机一秒钟后，S-II推进器分离，几秒钟以后第三级S-IVB推进器点火。S-II推进器顶端的固体火箭点火将这一级推进器反向加速，以脱离S-IVB推进器。S-II将会落在距离发射场4200千米的地方。

S-IVB工作时序

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S-IC和S-IVB的分离是一种两阶段的分离，而S-II和S-IVB分离仅仅需要一步。尽管级间环作为第三级推进器的一部分进行建造，它仍然与第二级推进器相连。

在阿波罗11号这个典型的登月任务中，第三级推进器工作大约2.5分钟左右，然后到任务的第11分40秒第一次关机。这时，火箭已经飞行了大约2640千米，进入高度约191.2千米的待机轨道，速度达到7.75千米/秒。宇宙飞船随后需要绕地球飞行两圈半，在此期间宇航员和飞行任务控制人员进行月球轨道转移射入的准备工作，而这时第三极推进器一直与宇宙飞船连在一起。

阿波罗8号在分离以后不久的S-IVB推进阶段

待机轨道在地球轨道中是相当低的，而由于大气的阻力，这个轨道的寿命比较短。对于登月任务来说，这还不是一个问题，因为飞船不会待机轨道上停留很长时间。S-IVB发动机还通过排放气化的氢气继续提供较低的推力，以使推进剂沉在燃料箱中，防止推进剂供给管道中出现气泡。由于液态氢气在燃料箱中会沸腾，排放气体也可以使燃料箱保持合适的压力。释放氢气的推力很容易就超过大气阻力了。

在最后三次阿波罗飞行任务中，临时待机轨道更低（大约只有150千米）。通过这样的待机轨道可以增加这些任务中的载荷。阿波罗9号执行了地球轨道任务，轨道就是后来的阿波罗11号的轨道。但是宇宙飞船使用自己的发动机将近地点提升到足够高以完成10天的任务。天空实验室的轨道有明显的区别，近地点大约434千米远，可以维持6年，轨道平面和赤道的夹角为50度，而阿波罗任务中的夹角是32.5度。

在阿波罗11号的飞行过程中，在火箭发射后2小时44分飞船开始进行月球转移轨道射入。S-IVB推进器燃烧大约6分钟，使得飞船的速度加速到接近地球的逃逸速度11.2千米/秒。这条能够有效利用能量轨道可以通过月球俘获飞船来使命令服务舱的燃料消耗量最小。

轨道射入以后40分钟，阿波罗的命令服务舱从第三级推进器分离，旋转180度以后和发射期间处在下方的登月舱对接。服务舱和登月舱在50分钟后和第三级推进器完全分离。

如果保持和飞船一样的轨迹，S-IVB会有与飞船相撞的风险。因此，它将排出剩余的推进剂，同时辅助的推进系统将点火将它移走。在阿波罗13号以前的登月任务中，S-IVB被导向月球运行方向的后方，这样月球可以通过引力弹弓效应将其加速至地球逃逸速度，进入太阳轨道。从阿波罗13号以后，控制人员引导S-IVB使其撞击月球[20]。在前面的任务中放置在月球上的地震仪可以检测到撞击的影响，得到的信息可以用于描绘出月球的内部情况。

阿波罗9号是一个特例，尽管它完成的的是一个地球轨道任务，在宇宙飞船分离以后，它的S-IVB推进器点火将其自身推出地球轨道进入太阳轨道。

2002年9月3日，天文学家比尔·扬发现了一个可疑的小行星，编号给定为J002E3。它看起来在一个地球周围的轨道，随后通过光谱分析发现，它覆盖着一层二氧化钛涂料，和土星5号使用的涂料一致。计算得到的轨道的参数证实这个小行星是阿波罗12号的S-IVB推进器。控制人员计划将阿波罗12号的S-IVB推进器送入太阳轨道，但是在从阿波罗飞船分离以后，推进器工作时间过长，导致没能飞到距月球足够近的位置，因此它仍然是处在地球和月球轨道之间的一个勉强稳定的轨道上。人们认为在1971年的一系列的引力扰动之后，这个推进器应该已经进入了太阳轨道，而在31年之后被地球俘获了。在2003年6月，它又离开了地球的轨道。另一个发现于2006年的近地天体也可能是阿波罗飞船的一部分，它的编号是6Q0B44E。