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并联30台发动机,史上推力最大的火箭—苏联N1重型运载火箭!
2020-05-09           作者:天下布武

1957年10月4日,苏联成功发射了全球第一颗人造地球卫星,从此人类正式拉开了航天时代的序幕。与此同时,正处于冷战期间的美苏两国也开始了白热化的太空竞赛,在那个剑拔弩张的时代,第一次成功发射卫星、第一次进入外太空、第一次太空漫步、第一次拍到月球背部照片的苏联曾一度占尽优势。

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月球上人类的脚印

不过,苏联的在太空竞赛中的优势并不是绝对的,1969年7月21日美国“阿波罗11号”航天员阿姆斯特朗在月球上率先踏出了“这是个人的一小步、却是人类的一大步”,那为何在太空竞赛中曾一度占尽优势的苏联人,最终在载人登月中败下阵来,苏联的载人登月火箭又在哪里?

研发背景

其实,苏联的载人登月计划并不是在美国公布“阿波罗”计划(肯尼迪于1961年宣布)后才开始的,早在1958年第一颗人造地球卫星刚刚发射不久,苏联科学家就开始对运载火箭进行改进,使之适合发射月球探测器;1959年,科罗廖夫就开始着手重型运载火箭的研发,不过该火箭最初是为了向火星发射无人重型探测器准备的。

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图纸上上N1火箭

然而,美国“阿波罗”登月计划的宣布不得不让苏联人加快速度,1962年1月份,科罗廖夫设计局针对苏联的“登月计划”对N1运载火箭进行了多次改进,并计划在1967-1968年间赶在美国之前,由科罗廖夫负责的N1-L3运载火箭将第一个苏联人送上月球。

N1火箭的参数和结构

N1运载火箭可以说是苏联整个“登月计划”的核心,该火箭全高105米(相当于30层楼的高度)、最大直径约为17米,整体外形类似一个圆锥体,最大发射质量约为2800吨,最大推力约为4500吨(是人类历史上设计推力最大的运载火箭)、低地球轨道的运载能力为90吨;N1整体由运载部分和上面级部分构成,而运载部分包括三级运载火箭,上面级则包括月球轨道器、登月飞船等。

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分解后的N1火箭CG图

其中,N1运载火箭运载部分的第一级火箭全高约30米,底部直径17米、顶部直径约为10米,并用于二级火箭的连接。N1运载火箭的第一级是由30台液氧/煤油NK-15发动机(后来升级为NK-33,单台推力1510千牛)并联而来的,其中外环的24台发动机用于控制火箭的俯仰和偏航、中间6台发动机则用来控制火箭的转;

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第一级火箭底部30台发动机

而N1火箭的二级火箭全长为20.5米,由8台NK-15V液氧/煤油发动机构成(后改为NK-33的改进版NK-43),NK-15V/NK-43发动机在核心上本就与NK-15/NK-33相同,只是N1火箭的第二级是在真空环境中工作的,为此扩大了喷口、增加了推力(1754千牛);

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N1火箭的第二级

N1火箭的第三级是该火箭运载部分中最小的一级,全长约为11米,由4台NK-21液氧/煤油火箭发动机构成,该级火箭是用于将N1运载火箭的上面级里的月球轨道探测器、月球飞船送入地球轨道,全程在真空中工作,而NK-21发动机的单台推力只有402千牛。

四次发射、四次失败

1967年11月份第一枚N1运载火箭就下线到发射平台进行了联调测试,成功后又拉回厂房;1968年5月份,第一枚N1火箭又被拉到发射台,准备进行第一次发射,但在发射前的检查工作室时,N1火箭被发现外壳出现裂痕,被迫拉回厂房推迟发射;之后,又发生了几次类似的事故,导致N1火箭一直未能如期发射。

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N1火箭的运载部分

终于在1969年1月份,第一枚N1火箭被矗立在了发射台,但此时的N1火箭其实仍没有完全准备好,全部30台NK-33发动机都是刚出厂大多未进行过点火测试的(这也为后来的事故埋下了隐患),在经过了4个星期的风吹日晒后,N1火箭终于迎来了发射的日子,却遇到了大雨,发射被迫暂停。

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竖起中的N1火箭

但此时苏联高层却等不及了(因为此时的美国的土星-5号已经完成了多次发射,而且此次N1火箭直接携带了联盟7K-L1登月飞船,跳过了一些必要的步骤),要求一天之内必须发射成功。1969年2月21日N1火箭第一次发射,6秒后2台发动机熄火(30台发动机有动力冗余,其实影响不大)、25秒传感器传来燃烧室压力不足(涡轮泵自动增大功率)、66秒剩余28台NK-33发动机功率过载管路系统出现高频振动、69秒火箭发射大爆炸,此时N1火箭飞到了12200米高空,N1火箭第一次发射宣告失败。

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发射台上的N1火箭CG图

1969年7月3日,第二枚N1火箭被拉到了发射台,意图在美国“阿波罗11号”之前完成发射,可是在点火后的第6秒,一枚螺丝钉被引入了油料泵中(事后分析得知的),控制系统紧急关闭29台发动机,N1火箭从200米坠入地面在地面引起了大爆炸,N1火箭第二次发射宣告失败。

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N1火箭第二次发射发生爆炸

之后,美国“阿波罗11号”成功发射并在1969年7月21日登上月球,美国人赢得了美苏两国的载人登月竞赛,苏联也开始能稍微静下心认真分析N1火箭的问题了,这一分析就是2年的时间,1971年6月27日第三枚N1火箭发射,这一次经过重新设计后的动力系统没有再出现问题,而是控制系统故障导致第三级火箭启动自毁程序,整个火箭发生爆炸,N1火箭第三次发射再次宣告失败。

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联盟7K-LOK和LK登月舱(中)

又经过1年的时间,苏联科学家对N1火箭进行了多项改进,1972年11月23日第四枚N1火箭携带联盟7K-L3登月飞船点火发射,在第一级火箭工作的前90秒时间内一切正常,在对内环6台NK-33发动机进行程序性关闭时,管路系统产生了超乎预期压力并开始破裂,第一级火箭底部着火,经过大火持续的炙烤N1火箭再次发生爆炸。

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N1火箭的图纸

此时N1火箭已经飞到40千米处的高空,再过10秒左右的时间一二级火箭就该进行分离了,这也是N1火箭最接近成功的一次发射,但最终还是失败了,并成为N1火箭的最后一次发射。

失败的原因

从主观上来说,N1火箭的频繁失败与研发时间短、总设计师换人等有着很大的关系,N1火箭本是科罗廖夫设计用来发射重型火星探测器的,但在美国宣布“阿波罗”登月计划后,1962年临危受命拿来用于载人登月,并且只给出了5年的研发时间就要进行载人登月,时间紧迫使得N1火箭的整体方案都比较仓促。

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土星5号(左)和N1火箭(中)

更重要的是,1966年科罗廖夫去世,设计师瓦里西·米申接手了N1运载火箭的设计工作,他与科罗廖夫的设计理念不一致并发现了N1火箭的上面级部分严重超重,所以他带领团队对N1火箭的进行了“魔改”,不仅大改了NK-15发动机,还直接将科罗廖夫设计的N1火箭的第一级并联的24台发动机增加到了30台。

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即将发射的N1火箭

从客观上来说,N1火箭的前两次和第四发射失败都是由“并联”多台发动机造成的,第一级30台发动机并联不仅让N1火箭的结构设计变得非常复杂,复杂的发动机群设计也导致输送推进剂的管道设计也很复杂,同时多台发动机“并联”也大大降低了N1火箭整体的稳定性,因为一台发动机发生故障便会引发连锁反应。

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N1火箭再全球中的地位(右2为N1火箭)

就N1火箭第一级“并联”30台发动机这一问题,从概率论的方向来看,假设一台发动机的稳定性能达到99%,30台发动机“并联”之后,其整体可靠性也就降到了74%,这也就大幅度增加火箭发生异常的情况;另外,多台发动机“并联”也会导致耦合共振的问题,进一步诱发火箭发射故障。

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N1火箭图解

此外,N1火箭的发射也缺少必要科学试验步骤,在N1火箭第一次发射前,第一级的30台发动机在地面从未进行过同步点火测试,序列号N1-1L的第一枚N1火箭在进行地面测试时,只对第一级30台发动机中的四分之一进行了测试,而第一次发射时使用的第一级的30台发动机大多数都是崭新的。

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重型猎鹰运载火箭的29台发动机

不过,N1火箭失败多年以后的今天,马斯克的重型猎鹰运载火箭并联27台发动机依然取得了成功,这也说明并联多台发动机的运载火箭并不是都不靠谱,经过成熟的科学试验后,运载火箭并联多台发动机发动机也是可以的。

结语

四次发射,四次失败,现实总是那么残酷,N1重型运载火箭纵然有着再强大的推力、再先进的性能,它最终还是走向了终结。而N1火箭作为苏联整个载人登月计划的核心,它的失败也直接导致了苏联登月计划的无疾而终。另外,N1火箭的失败,也说明了航空航天领域是没有捷径可走。

责任编辑:Geoffrey 来源:
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