Az Apollo–4 az amerikai Apollo-program űrhajósok nélküli negyedik repülése, a holdrakéta első tesztje. Ennek keretében először indították a Saturn V óriásrakétát (amely később a köznapi nyelvbe holdrakétaként került bele) és próbálták ki valós körülmények között annak vadonatúj fejlesztésű S-IC jelű első fokozatát, illetve a működési elvében is forradalmian új S-II és S-IVB jelű második és harmadik fokozatát. Szintén először használták a starthoz az új 39A indítóállást, a hernyótalpas szállítójárművet, a mobil indítótornyot, az összeszereléskor a VAB-csarnokot és mindazt az infrastruktúrát, amelyet a holdprogram céljaira hoztak létre, hogy óriásrakétákat indíthassanak a Hold felé. A NASA kialakított egy repülési sorrendet, amelynek repüléseit betűkkel jelölte meg. Az Apollo–4 lett az első betűvel jelölt, A típusú repülés, vagyis az űrhajó automata üzemmódban végrehajtott próbája a Saturn V rakétával.
A repülés célja az volt, hogy igazolják a Saturn V megfelelőségét, a rakéta és űrhajó(k) szerkezeti integritását és repülési készségét, a harmadik rakétafokozat leállíthatóságát és újraindíthatóságát a világűrben. Összesen több ezer méréssel kívánta a NASA alátámasztani a rakéta és az űrhajó működőképességét. Érdekes módon a tesztet is teszttel erősítették meg, a működőképes SA–501 rakéta és CSM–017 űrhajó startjának előkészítését megelőzte egy életnagyságú és szerelhető rakétamakett (nem repképes, de minden más dimenziójában és funkciójában, pl. csatlakozók elhelyezésében élethű utánzat), az AS–500F összeszerelése és indítóállásban a startra való felkészítése, amellyel a repülés előtt kiküszöböltek a startot esetleg érintő minden problémát. A rakéta kipróbálásán túl a teszt másik célja volt, hogy az űrhajót is teszteljék. A repülésre felkészített CSM–017 űrhajó az Apollo–1 katasztrófájának tapasztalatai alapján már némileg átalakított Block I változat volt, amelynek egyik fő ismérveként kapott egy új fejlesztésű hőpajzsot is. A tervek szerint a rakétával felbocsátják az űrhajót, amely két keringésnyi időt töltött volna Föld körüli pályán, majd az S-IV újbóli beindításával sebességet és magasságot nyertek volna, majd egyfajta ún. meghajtott leszállással, azaz a légkörbe lépés pillanatáig tovább gyorsítva az űrhajót a holdi visszatérési sebességet megközelítve érte volna el a Földet az űrhajó, kitéve a hőpajzsot az effajta manőver fokozott hőterhelésének.
A startra 1967. november 9-én került sor. Reggel 7:00-kor (12:00 UTC) startolt az űrhajó Cape Kennedy 39A indítóállásáról. Az eseményre a programban jelentős teljesítményt nyújtó összes dolgozót meghívták vendégként. A start tökéletes volt; a rakéta mindhárom fokozatának tervszerű működése végén egy kb. pályamagasságú, közel körpályára állt az Apollo űrhajó. Két keringésnyi ideig rendszerellenőrzés zajlott le, majd beindították az S-IVB hajtóművét újra és a harmadik keringés pályamagasságát extrém módon megemelték. A manőver végén leválasztották a rakétafokozatot, majd még az űrhajó saját SPS hajtóművével is gyorsítottak, tovább emelve a magasságot. Végül a Föld felé fordították az űrhajó orrát és megkezdték a leszállást. A légkör peremét kb. sebességgel érte el a parancsnoki egység, majd letesztelve a hármas mentőernyő-rendszert is, problémamentesen leszállt a rá várakozó USS Bennington repülőgép-hordozó közelében, a kijelölt célponttól távolságban, a Csendes-óceánon.
Előzmények A hidegháború egyik önálló erőpróbájaként az 1950-es és 1960-as években az akkori világ két szuperhatalma, a Szovjetunió és az USA között elindult az űrverseny, egy speciális versengés, amely addig ismeretlen színtéren folyt, hogy egymás – és a világ többi részének közvéleménye – előtt bizonyítsák, melyikük képes végrehajtani olyan teljesítményeket, amelyek egyrészt a létező legmagasabb csúcstechnológiát képviselték, másrészt megelőztek velük mindenkit. Ebben a versenyben kezdetben a Szovjetunió járt elöl, az USA pedig lépéshátrányban próbálta utolérni a szovjet teljesítményeket. Ennek folyományaként állították fel a NASA-t amerikai oldalon, majd a sorozatos kudarcok hatására határozták el – és hirdette ki John F. Kennedy –, hogy embert juttatnak a Holdra (ami akkoriban nehezen volt elképzelhető). Ez elhomályosította volna a szovjetek addigi vezető szerepét azzal, hogy egy elképzelhetetlen projekt végrehajtásával törtek volna előre. A gigantikus feladatot a NASA kapta, amelynek berkein belül több lépcsőben kidolgozták a Hold elérésének módszerét.
A fejlődési lépcsők, amelyeken átment a tervezés: előbb az ún. direkt leszállás módszerét vették elő a korábbi tanulmányok közül, amelyet elég hamar – annak gyakorlati megvalósíthatatlansága miatt – felváltott az ún. EOR (Earth Orbit Rendezvous – Randevú Föld körüli pályán) módszer, végül pedig – Jurij Kondratyuk 1914-es forradalmi elképzelésének újragondolása nyomán – lefektették az ún. LOR (Lunar Orbit Rendezvous – Hold körüli pályán végrehajtott randevú) koncepcióját. Az elgondolások között a felküldendő tömeg volt a döntő tényező.
A direkt leszállásra vonatkozó terv szerint egy óriási tömegű rakéta szállt volna fel a Földről, majd eljutva a Holdhoz le a holdfelszínre és vissza, amelynek magával kellett volna szállítania mindent: a Földről való felszálláshoz szükséges rakétát, űrhajót, hajtóanyagot, majd a holdi leszálláshoz és az onnan való felszálláshoz szükséges ugyanilyen eszközöket és erőforrásokat is.
A második, EOR elképzelés már annyit enyhített ezen, hogy a gigantikus feljuttatandó tömeget több „csomagban” juttatta volna fel Föld körüli pályára, ahol összedokkolva őket indulhatott volna a Holdra a még mindig ugyanakkora űrszerelvény. Ez a megoldás is azzal járt, hogy visszafelé egy akkora űrszerelvény startolt volna a holdfelszínről, mint a Mercury program rakéta-űrhajó rendszerei, amelyhez egy hatalmas indítóállás és százas nagyságrendű szakember volt szükséges itt a Földön, szemben a holdi zéró kiszolgáló infrastruktúrával.
A harmadik, LOR-koncepció pedig azt a forradalmi újítást hozta el, hogy két külön űrhajót vizionált, egyet, amelyikben a holdutazók eljutnak a Holdig, majd vissza a Földre, és egy másikat, amelyet csak a holdi leszállásra és felszállásra használnak. Ezzel meg lehetett takarítani azt a jelentős tömeget, amely a hazajutáshoz szükséges hajtóanyag kényszerű Holdra juttatásával, majd onnan való felszállításával járt volna. Ez utóbbi koncepció kijelölte a fejlesztési irányokat is: kell egy nagyobb és egy kisebb űrhajó, egy anyaűrhajó és egy holdkomp. Egyben ez a terv kijelölte a hasznos tömeg (űrhajók, személyzet, hajtóanyag, készletek stb.) feljuttatásához szükséges hordozóeszközök iránti igény fő paramétereit is, amelyek a kisebb feljuttatandó tömeg miatt értelemszerűen sokkal kisebbek voltak, mint a korábbi ilyen igények. Sőt a haderőnemek fejlesztései között a tervezőasztalon feküdt olyan terv is (a Saturn rakétaosztály), amelynek paraméterei hasonlóak voltak az igényekhez.
Az általános koncepció birtokában kezdődött a részletes fejlesztés. Az egyes szakterületek megkapták a hardver részegységek fejlesztésének feladatát. Megkezdődött az Apollo űrhajó és a holdkomp tervezése űripari beszállítók – a North American és a Grumman – bevonásával, illetve a hordozórakéták fejlesztése. Utóbbi irányban már nem a nulláról indult a fejlesztés. Wernher von Braun már a koncepció kialakulása előtt elkezdte az óriásrakéták fejlesztését. Az egyik ilyen rakéta a Saturn I, illetve Saturn IB volt, amely kisebb tömeget volt képes feljuttatni, a másik pedig egy valódi óriás, a Saturn V volt. A LOR koncepció zsenialitása éppen abban állt, hogy a feljuttatandó tömeg nem haladta meg a már fejlesztés alatt levő rakéta kapacitását. De ennek a rakétának is végig kellett járnia a fejlesztés különböző lépcsőfokait. Ez a fejlesztés egy sor tesztet foglalt magában, amelyeket egyrészt a gyártóhelyen (pl. különböző statikus hajtóműtesztek), másrészt csak az egyes rakétafokozatok külön kipróbálásával, harmadrészt pedig a Földön lehetett elvégezni. Azonban a végső teszt, a teljes kiépítésű rakéta reptetése volt a tesztek csúcsa. A NASA erre is kitűzött egy közbenső megoldást: a rakétát egy űrhajó makettel, automata üzemmódban reptette, természetesen emberek nélkül.
A Saturn V fejlesztése
A holdra szálláshoz szükséges kapacitású rakéta fejlesztése 1956-ban kezdődött, amikor az amerikai hadsereg olyan nehézrakéták fejlesztésére írt ki megbízást, amellyel új típusú kommunikációs és egyéb műholdakat (értsd: kémműholdakat) kívántak Föld körüli pályára állítani. A hadügyminisztérium erre szakosodott szervezete, az ARPA kapta a feladatot, hogy fogalmazza meg és írja ki a követelményeket: a rakétának 9000–18 000 kilogramm tömegű űreszközt kellett tudnia Föld körüli pályára állítani és 2700–5400 kilogrammos tömeget szökési sebességre gyorsítani. A követelményeket megalapozó számítások szerint a leendő rakéta első fokozatának tolóereje meg kellett, hogy haladja a értéket, ami messze meghaladta minden, akkoriban létező rakéta tolóerejét. Ezt a problémát úgy próbálták terv szinten áthidalni, hogy az egy rakéta(fokozat)=egy hajtómű kialakítás helyett az ún. cluster (csokorba kötött) kialakítást javasolták, azaz egy fokozatba egymás mellé több hajtóművet is szereltek volna. Ezt az elképzelést a létező legkorszerűbb harci rendeltetésű rakéták, a Jupiter hordozórakéták analógiáján Super-Jupiter, vagy Super-Juno néven kezdték el tervezni.
A Jupiter név helyett nemsokára – jelezve, hogy már nem ugyanarról a rakétáról van szó, hanem annak egy teljesen átalakult, önálló új verziójáról – a Saturn néven kezdték jegyezni az új projektet; ahogy a bolygók között is a Szaturnusz követi a Jupitert, így követi a rakéták sorában is hasonló néven az egyik a másikat. 1957. október 7-én, a szovjet Szputnyik–1 Föld körüli pályára állításával, az űrhajózás tekintetében mindenképpen, de sok más tekintetben is megváltozott a politikai felfogás a világűr felhasználási lehetőségeiről. A kihívásra válaszul Eisenhower elnök megalapította a NASA-t és az új szervezet megkapta a további összes rakétafejlesztés koordinációjának szerepét. A NASA felülvizsgált minden rakétafejlesztést, amelynek folyamatában a Silverstein-bizottság – a többi egyéb rakétafejlesztés mellett – meghatározta a Saturn rakéták lehetséges fejlesztési irányait is. A különböző lehetséges első, második és harmadik fokozatok, hajtóművek variálásával egész rakétacsalád jött létre papíron. Így került a lehetséges fejlesztések közé a kisebb kapacitású Saturn I, illetve a legmerészebb kiépítésű, mindenben a legnagyobb kapacitású Saturn V változat. A fejlesztésekkel Wernher von Braun csapatát bízták meg.