Die Familie der Saturn-Raketen gehört zu den leistungsstärksten Trägersystemen der Raumfahrt, die jemals gebaut wurden. Sie wurden für die US-amerikanische Raumfahrtbehörde NASA unter der Leitung des Raketeningenieurs Wernher von Braun im Rahmen des Apollo-Programms entwickelt.
Im zweiten Halbjahr 1959 wurden verschiedene Möglichkeiten untersucht, wie eine neue, sehr starke Rakete zusammengesetzt sein könnte. Der Name Saturn stand dafür bereits fest.
Es gab drei prinzipielle Möglichkeiten, die mehr oder weniger auf existierenden Raketen basierten: Saturn A, Saturn B und Saturn C. Davon gab es noch acht Untertypen: A-1, A-2, B-1 und C-1 bis C-5. Das Entwicklungsteam entschied sich für die Variante C-5 und entwickelte parallel die Version C-1 weiter, die zwar nicht so leistungsfähig war, jedoch schneller zur Verfügung stehen würde. 1962 wurde entschieden, dass eine stärkere Version der C-1 benötigt werden würde, die C-1 B. 1963 wurde das C aus den Bezeichnungen gestrichen und die drei Raketen in Saturn I, Saturn IB und Saturn V umbenannt.
Das bekannteste und größte Mitglied der Familie, die Saturn V, wurde für die Mondlandungen benutzt und ist gleichzeitig eine der größten und stärksten Raketen, die je eingesetzt wurden. Sie bestand aus drei Stufen und trug an der Spitze das Apollo-Raumschiff, bestehend aus Mondlandefähre, Service- und Kommandomodul sowie der Apollo-Rettungsrakete (LES).
Innerhalb der Saturn-Raketenfamilie baute jeweils das nächstgrößere Modell auf der bereits für die Vorgängerversion entwickelten Technik auf und ersetzte einzelne Komponenten durch leistungsfähigere.
Die Saturn I war das Grundmodell, das ursprünglich nur für Testflüge entwickelt wurde. Um Zeit und Entwicklungskosten zu sparen, bestand ihre erste Stufe (S-I genannt) im Zentrum aus einem Tank mit dem Durchmesser einer Jupiter-Rakete, der von acht Tanks umgeben wurde, die den Durchmesser von Redstone-Raketen hatten. Beide Raketentypen waren in den Jahren zuvor von Wernher von Braun für die US Army entwickelt worden. Der zentrale Tank wurde mit Sauerstoff befüllt, die ihn umgebenden Tanks mit geringerem Durchmesser jeweils abwechselnd mit Sauerstoff und der Kerosinart namens RP-1 (Rocket Propellant). Am unteren Ende der ersten Stufe befanden sich sehr große Stabilisierungsflossen. Die Stufe verwendete acht H-1-Triebwerke.
Die zweite Stufe (S-IV) war eine komplette Neuentwicklung. Erstmals wurde die hochenergetische, aber schwierig zu beherrschende Treibstoffkombination Wasserstoff/Sauerstoff (LH2/LOX) verwendet. Wie dies bei heutigen Raketen üblich ist, wurden die beiden Tanks durch einen gut isolierten Zwischenboden getrennt. Die Stufe verwendete das für die Centaur-Oberstufe der Atlas-Centaur vorgesehene Triebwerk RL10, weil das ursprünglich vorgesehene große J-2-Wasserstoff/Sauerstoff-Triebwerk noch in Entwicklung war. Wegen ihrer im Vergleich zur Centaur enormen Größe verwendete die S-IV-Stufe sechs RL10 anstatt nur zwei wie bei der damals geplanten Centaur.
Auf den ersten vier Flügen der Rakete (SA-1 bis SA-4) wurde die erste Stufe mit wassergefüllten Attrappen der zweiten und einer zusätzlichen dritten Stufe gestartet, in allen darauf folgenden Flügen flog sie mit aktiver zweiter und ohne dritte Stufe. Wider alle Erwartungen waren alle Flüge der Saturn I erfolgreich, so dass es bei den letzten Testflügen an der Rakete nichts mehr zu testen gab. Die letzten Flüge wurden daher als erste Testflüge der Apollo-Raumschiffe (ohne Servicemodule) sowie zum Transport der Pegasus-Satelliten in die Erdumlaufbahn genutzt. Dabei wurde das Apollo-Raumschiff oberhalb des Transportraumes der Pegasus-Satelliten montiert.
Die Saturn I konnte bis zu 9 t Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn von 185 km Höhe und 28° Bahnneigung bringen. Bei einem Transport zum Mond wären maximal 2,2 t Nutzlast möglich gewesen.
Die Saturn IB diente der Erprobung entweder des kompletten Apollo-Raumschiffs oder der Mondlandefähre in der Erdumlaufbahn. Dabei wurden die meisten Testflüge unbemannt durchgeführt. Aufgrund der zu geringen Nutzlastkapazität konnte mit der Saturn IB das Apollo-Raumschiff nicht zusammen mit der Mondlandefähre gestartet werden.
Die erste Stufe der Saturn IB (S-IB) war weitgehend mit der S-I-Erststufe der Saturn I identisch, jedoch hatte sich gezeigt, dass die sehr großen und schweren Stabilisierungsflossen überdimensioniert waren, weshalb sie durch kleinere und leichtere ersetzt wurden, um das Leergewicht der Stufe zu senken. Außerdem verwendete sie eine überarbeitete und stärkere Version der H-1-Triebwerke.
Die zweite Stufe (S-IVB) war eine stark modifizierte Version der S-IV-Zweitstufe der Saturn I. Sie wurde mit einer zusätzlichen Isolierung der Tanks als dritte Stufe der Saturn V verwendet. Der Durchmesser der Stufe stieg von 5,58 m bei der Saturn I auf 6,6 m bei der Saturn IB an. Außerdem war sie wesentlich länger, so dass sich der Treibstoffvorrat stark vergrößerte. Jetzt stand auch das neue, wesentlich stärkere J-2-Wasserstoff/Sauerstoff-Triebwerk zur Verfügung, von dem in jeder S-IVB-Stufe nur eines verwendet wurde.
Nach dem Abschluss des Apollo-Mondprogramms transportierte die Saturn IB noch drei Mal Astronauten zur Raumstation Skylab und startete ein Apollo-Raumschiff mit einem speziellen Kopplungsadapter für das Apollo-Sojus-Projekt.
Die Saturn V war die dreistufige über 100 Meter hohe Trägerrakete für alle bemannten Mondflüge. Nach zwei unbemannten Testflügen wurde die Rakete für einsatzbereit erklärt, der erste bemannte Start wurde gleich dazu genutzt, Apollo 8 Ende 1968 auf eine mehrtägige Reise zum Mond zu katapultieren. Bei ihrer zweiten bemannten Mission mit Apollo 9 wurde sie für die ersten Testmanöver der Mondfähre auf einen niedrigen Erdorbit (LEO) begrenzt. Es folgten acht weitere Flüge, jeweils bemannt zum Mond, danach wurden die Mondmissionen eingestellt. Beim letzten, dreizehnten Start einer Saturn V wurde die umgebaute dritte Stufe als Raumstation Skylab in den Erdorbit gebracht.
Entworfen wurde die Saturn V unter der Leitung von Wernher von Braun und Arthur Rudolph vom Marshall Space Flight Center zusammen mit Boeing, North American Aviation, Douglas Aircraft Company und IBM. Zwischen Dezember 1968 und Dezember 1972 brachten neun Saturn V insgesamt 24 Astronauten zum Mond, von denen zwölf den Mond betraten. Drei von diesen Astronauten flogen je zweimal zum Mond.
Die Saturn V konnte anfangs etwa 130 Tonnen Nutzlast in den LEO transportieren und bis zu 45 Tonnen Nutzlast auf einen translunaren Kurs mit einer Geschwindigkeit nahe an der Fluchtgeschwindigkeit beschleunigen. Im Verlaufe des Programms wurde durch strukturelle Optimierung der Antriebsstufen sowie durch schrittweise Verringerung der Treibstoffreserven zum Brennschluss die Nutzlast auf mehr als 140 Tonnen in den LEO und über 50 Tonnen in einen Translunarkurs erhöht.
Die erste Stufe der Saturn V, die S-IC, war eine komplette Neukonstruktion, die mit den Erststufen der Saturn I und IB außer der verwendeten Treibstoffkombination nichts gemeinsam hatte. Die Stufe hatte bei einer Länge von 42 m einen Durchmesser von 10 m. Mit einer Trockenmasse von 130 Tonnen war sie die bei weitem größte und schwerste Raketenstufe ihrer Zeit. Die Stufe ruhte auf einer 22 Tonnen schweren Schubstruktur, die den Schub der Triebwerke auf die Außenhülle der Rakete übertrug. Darüber befanden sich zwei durch eine Zwischensektion getrennte Tanks. Der untere Tank mit einem Volumen von 810,7 m³ wurde mit RP-1 (Rocket Propellant 1) gefüllt, der obere Tank mit einem Volumen von 1311,1 m³ enthielt flüssigen Sauerstoff (LOX). Die Sauerstoffleitungen liefen von oben auf geradem Weg durch den Treibstofftank zu den Triebwerken hindurch. Diese Bauweise stellte für die Designer der Stufe damals eine neue Herausforderung dar, da somit die Treibstoffleitungen aufwendig isoliert werden mussten, um das Einfrieren des Treibstoffes zu verhindern. Die Stufe verwendete fünf der neuen ebenfalls riesigen F-1-Triebwerke. Die Triebwerke waren in ihrem Schubgerüst so angeordnet wie die fünf Punkte auf einem Würfel, wobei die vier äußeren Triebwerke zur Steuerung schwenkbar waren. Um die Beschleunigung der Rakete nicht zu stark ansteigen zu lassen, wurde während des Fluges das mittlere F-1-Triebwerk 26 Sekunden vor Brennschluss der ersten Stufe abgeschaltet. Die S-IC wurde von Boeing in der Michoud Assembly Facility in New Orleans gebaut.