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苏联航天飞机项目的关键:能源号运载火箭有哪些特点?
2020-05-09           作者: 科学小菌

一、初步了解能源号火箭

能源号运载火箭及与之相关的暴风雪号航天飞机的历史要追溯到前苏联的载人登月计划。为了与美国进行登月竞赛,前苏联在60年代及70年代初进行了N-1重型运载火箭的研制和试验。从1969年到1972年,该火箭一共试射了4次,但全都以失败告终。随后N-1计划被取消,代替它的便是能源号/暴风雪号计划。负责这项计划的是能源科研生产联合体(其前身是科罗廖夫设计局)。研制工作从1974年开始,历时13年,到首次试射时,共耗资140亿卢布。

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能源号火箭与航天飞机轨道器

1957年5月15日能源号火箭进行了首次试射,1988年11月15日能源号又成功地发射了无人驾驶的幕风雪号航天飞机,此后再没有发射过。1993年暴风雪号计划被取消后,这种火箭的前景便成了问题。因运载能力太大,适合用它来发射的有效载荷很少。于是乎只能在拜科努尔发射场保留着一小部分工程技术人员,期待着有朝一日俄政府会重新启用这种火箭。

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苏联暴风雪号航天飞机试飞

二、能源号火箭的基本参数

能源号是前苏联/俄罗斯第一种取得成功的巨型运载火箭。它的尺寸与美国航天飞机相当,但除能用于发射暴风雪号航天飞机外,还可进行不载人的货运发射。它也是前苏联第一种使用低温氢氧推进技术的运载火箭。它采用模块化设计,基本结构为一个芯级加4台、6台或8台液体捆绑助推器(捆绑4台的为基本型)。除捆绑8台助推器的型号外,有效载荷舱或航天飞机安装在芯级一侧。另外还设想了一种使用两台助推器的型号,能把至少65吨有效载荷送入低地轨道。

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本来按照计划,俄罗斯将为该火箭的有效载荷舱研制两种上面级,即使用液氧/煤油的反推修正级(RCS)和较大一些的、使用氢氧推进剂的低温上面级(Cus)。前者主要用于向最高1000公里的轨道发射,后者则可用于向静地轨道等高轨道发射。两者合用后可用来把15吨重的有效载荷送入火星轨道。1990年曾有报道说它们将在1994至1995年投入使用,不过现在看来肯定是停滞了。

苏联航天飞机项目的关键:能源号运载火箭有哪些特点?

 

不算上面级,能源号共有两级,但因捆绑助推器和芯级在起飞时同时点火工作,所以它实际上应算作一级半结构。火箭全长58.765米,芯级直径7.75米,最大横向尺寸为17.65米,起飞推力约34.8兆牛(海平面,4台助推器),起飞质量为约2400吨(装满推进剂,4台助推器)或360吨(8台助推器)。捆绑4台助推器时它能把105吨有效载荷送入200公里、倾角51.6度的低地轨道,使用6台和8台助推器时这一能力可达150吨和200吨。能源号还可把18吨的有效载荷送入静地轨道,月球转移轨道和月球轨道运载能力分别为30~32吨和21-23吨,火星和金星转移轨道能力为26~28吨。

该火箭本想在1990年进行将回收助推器的第三次发射,1989年底决定改为在1991年年初发射航天飞机。1991年底又决定要在1992年底进行与和平号对接的发射。但最终这些计划都不了了之。

三、能源号更苛刻的设计要求

能源号的设计充分考虑了任务的复杂性与火箭的安全性。首先就是要既能发射大型不载人有效载荷,又要能发射暴风雪号航天飞机。根据这一要求,基本型火箭的低轨运载能力定为105吨,并选用了侧面安装有效载荷舱(或航天飞机)的结构方案。把所有推进组件都放到火箭上使火箭和轨道器的研制工作得以分开进行。

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其次,对火箭的另一项重要要求是要能发射100-200吨范围内的各种有效载荷,这就决定了要采用模块化的设计,通过改变捆绑数量来调节运载能力(模块式的捆绑助推器在天顶号中型运载火箭上也得到了应用)。

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能源火箭发射不同载荷时的各种状态

第三条要求是要能全方位发射,且用完的助推器要回落到陆上安全区内,所采取的途径是选用两级配置,其中第一级着陆距离较短(400公里),从而保证有较低的速度(1.8公里/秒),以进行回收。助推器按设计可以重复使用10次。

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能源号火箭的一种发射过程

第四条要求是针对对能源号可靠性的。为此,该火箭在一些重要的系统和装置上采取了冗余设计,以保证有一个系统出故障时不会影响发射的成功。即便同样的系统又出现第二个故障,能源号的飞行安全仍有保障。例如,芯级的涡轮发电机采用四倍冗余设计,助推级中的电池组、分离装置及许多控制作动器为双倍冗余。各级的推重比及各个通道上的控制力矩都留有足够的余量。对各系统和装置进行的多级自主测试以及通过冷、热试车而对全箭进行完善的检测、试验也都意在保证火箭的高可靠性。采用起飞时全部发动机同时点火工作方案减少了发动机数目。火箭在一台助推级发动机推力室或一台芯级主发动机推力室中途关机的情况下仍能正常飞行并入轨。

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除了以上之外,由于会用到搭载宇航员,因此火箭还要有更高的安全性。按计划,如果能源号火箭需应急返回发射场,可把出故障助推级中的液氧泄放掉(开始泄放时的飞行高度应在20米以上)。如在起飞后的头几秒里出现紧急情况,火箭有足够的推力把自己推离到安全距离以外。除通过设计参数选择来应付可能出现的异常情况外,在第一级和第二级的发动机上还设有应急保护装置,可对各级实施连续的监测,进行故障记录,并可关掉出故障的发动机。箭上还设有专用防火、防爆装置,可感受温度变化和进行气体分析,并备有通风换气用的中性气体。

四、暴风雪号航天飞机轨道器

同属暴风雪号航天飞机的项目,说到了能源号火箭,自然也绕不开其发射的暴风雪号航天飞机轨道器。与美国的航天飞机轨道器相比,在尺寸和用途方面二者非常相像。两者最大的不同是前者不带主推进系统,而且既能无人驾驶飞行,也能载人飞行。在有人驾驶时也可采用自动驾驶方式,并可进行干预。

苏联航天飞机项目的关键:能源号运载火箭有哪些特点?

左为美航天飞机,其主发动机在轨道器上,红色的圆柱体只是燃料贮箱。右为苏联航天飞机,主要靠能源火箭

前苏联/俄罗斯共建造了3架轨道器。轨道器的机体按设计可重复使用100次。第一架轨道器因没有燃料电池和生保设施等基本系统,加上到1993年其机体寿命已满10年,所以已不能再用。第二架原打算使用25次。机体的制造单位闪电联合体共造了5个机体,除3个用于飞行外,另两个一个用于培训,另一个打算出售。

五、总结

随着苏联的解体,资金的匮乏,航天飞机项目停滞,能源号火箭停止生产。不过虽然能源号不再生产,但其助推器发展的天顶号火箭却在俄罗斯得到了很好的使用。另外,其主发动机RD-170衍生的RD-171发动机与RD-180发动机也分别应用于天顶号火箭与宇宙神五号运载火箭、德尔塔-4运载火箭。安加拉火箭使用的RD-191发动机实际上也是RD-170的一种衍生型号。这也算是能源号火箭乃至整个航天飞机项目的另一种传承吧。

苏联航天飞机项目的关键:能源号运载火箭有哪些特点?

宇宙神五号运载火箭

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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