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從俄羅斯“格洛納斯”發射失敗看“質子”火箭 |
| 2010年12月 來源： 新華軍事 |
2010年12月5日對俄羅斯的“格洛納斯”衛星全球導航係統是災難性的一天，“質子”M運載火箭原本計劃將三顆新組網衛星送入軌道，但卻因火箭故障而導致衛星全部損失。經過多年來的宣傳“格洛納斯”已經廣為人知，“質子”雖然是一款非常經典的運載火箭，卻淹沒在一係列新銳運載火箭的光芒之下。在過去20年中，俄羅斯一直都在研製“安加拉”火箭，將用於替換包括“質子”在內的多款航天運載工具，但是以“安加拉”第一級為基礎的韓國“羅老”號運載火箭，兩次發射都遭遇失敗，盡管其中第一次是由於整流罩分離失敗引起的，與“安加拉”並無直接關係，但是仍然為其正式服役蒙上了陰影。現在俄羅斯正麵臨著運載工具青黃不接的局麵，新的“安加拉”服役還需時間，舊的“質子”雖然發射任務已經排到了2018年，但是已經越來越力不從心了。
正在進行星箭組裝的“質子”M/DM-3運載火箭，可見三顆“格洛納斯”衛星緊靠在一起。
“質子”火箭的起源
“質子”火箭實際上是俄羅斯目前唯一的重型航天運載工具，比其運載能力強得多的N-1火箭原本是為登月任務設計的，在尺寸上堪比美國的“土星”V號，但是連續四次發射失敗後就退役了；“能源”火箭在80年代進行了兩次試驗性發射後也沒能服役，其中一次將“暴風雪”號航天飛機送入了太空，另一次則將“極地”1號（Polyus-1）軍事載荷打廢了。從履曆上來看，“質子”可謂功勳卓著，蘇聯從“禮炮”1號到“和平”號空間的所有核心艙段都是由其發射的，而“國際空間站”（ISS）的“曙光”號（Zarya）和“星辰”號（Zvezda）兩個最早的核心艙段也是其送入軌道的。“質子”號之所以能承擔這些重大發射任務，關鍵在於其擁有最大超過20噸的近地軌道運力。盡管新一代航天運載工具近地軌道運力都能輕鬆做到20噸以上，但是“質子”在60年代就以較小的成本代價做到了這一水準，這是其能夠服役長達50年代關鍵所在。事實上，在目前服役的所有航天運載工具當中，“質子”幾乎和“聯盟”一樣老，“聯盟”1966年11月28日進行了首次發射，而“質子”基本型是1965年7月16日首飛的，“質子”K則是1967年3月10日首飛的，隻不過“聯盟”隸屬於的R-7係列曆史可以追溯得更早罷了。
正在進行水平轉運的“質子”火箭，注意其非常有特色的第一級發動機布局，遠端是“質子”火箭發射場標誌性的門形勤務塔。
“質子”是蘇聯OKB-52切洛梅伊設計局設計的，製造則由大莫斯科地區的赫魯尼切夫工廠負責，該工廠現在也負責生產換代用的“安加拉”火箭。“質子”最初的設計局代號為UR-500，是作為UR-200洲際導彈的重型化版本而立項的，用於滿足戰略火箭軍對於所謂“全球導彈”2號（GR-2）的需要，但也可以作為航天運載工具，因此也繼承了偏二甲肼和四氧化二氮的可貯存推進劑。1960年6月23日，蘇聯批準了航天發展七年計劃（1960-1967年），其中就包括了UR-500項目。最初，切洛梅伊希望以UR-200為基礎研製UR-500，考慮將四枚完整的UR-200捆綁在一起，在其上再安裝一枚去掉第一級的UR-200。但是這種直線型路徑很快就因結構過於複雜而被放棄，切洛梅伊設計局隨即推出了並聯和串聯兩個方案。所謂串聯方案是將UR-200的芯級從3米加粗到6.2米，並且采用三級布局，其高度將達到54米。所謂並聯方案針對串聯方案芯級直徑過大而帶來的加工和運輸困難，引入了一種全新的構型，其芯級內隻設置氧化劑貯箱，在其周圍捆綁獨立的燃料貯箱，這樣芯級隻用做到4.1米就可以了，因此最終戰勝串聯方案而獲勝。最初並聯方案的第一級的芯級和燃料貯箱底部都安裝有發動機的，但為簡化結構後來幹脆取消了芯級上的發動機，並略微放大到4.15米，同時將燃料貯箱及發動機數量增加到6具，這就是現在看到的“質子”火箭構型。
早期的“質子”係列火箭，最左側的是兩級版的UR-500測試彈，其他都是三級版的UR-500K，分別搭載LK-1登月飛船、7K-L1繞月飛船、“禮炮”1號空間站。 “質子”與“長征”係列比較 從火箭下麵級推進劑來看，“質子”和“長征”係列是完全一樣的，而且都使用燃氣發生器循環的開式發動機。用於低軌道發射的“質子”K為700噸級，比“長征”2F要重出200多噸，但兩者運力差距非常懸殊，“質子”K達到了20噸級，這還是在高緯度的拜科努爾發射場做出的，而“長征”2F還不到10噸。出現這種情況關鍵在發動機，“質子”第一級的RD-253發動機推力幾乎是“長征”2/3/4第一級的YF-25的一倍，6機並聯要等同於後者的12機並聯，而“長征”2E/F或者“長征”3B隻能實現8機並聯（4台芯一級和4台助推器），而改進後的RD-275推力又在RD-253的基礎上提高了約20%。這種結果導致正在研製中的“天宮”1號空間站（目標飛行器）尺寸和重量隻能偏小一些，要發射未來空間站的主要艙段必須等待“長征”5號的服役。但高軌道運力情形就反了過來，“質子”要將需要采用4級構型，其采用的D/DM係列液氧－煤油上麵級，或者“微風”（Briz）係列常溫上麵級性能都不是太好，而三級半構型的“長征”3號有能兩次啟動的氫氧低溫上麵級，盡管安裝YF-75的上麵級性能無法同“半人馬座”等先進型號相提並論，但足以對高軌道運力產生足夠的增益．加上在低緯度的西昌發射占到了便宜，其GTO運力也能接近5.5噸，比“質子”M＋Briz M大約低半噸，且但比“質子”M＋DM-3大約要高半噸。
“質子”K從拜科努爾起飛，這次任務是將國際空間站的“星辰”號服務艙送入軌道，注意火箭頭部的整流罩。 “質子”最擅長的一直是低軌道大載荷發射任務，切洛梅伊設計局也曾幾次想對UR-500的基本設計進行改進，以支援大型軌道空間站建設等航天項目。其中最主要的兩條路徑，一是UR-530方案，加長推進劑貯箱長度，同時放大燃料貯箱直徑，低軌道正常運力可以達到36噸，即使是97度傾角的200公裏太陽同步軌道也有30噸，與切洛梅伊設計局的大型軍用空間站相配套；二是UR-500MK方案，換用性能好得多的NK-33液氧－煤油分級循環發動機，並通過燃料貯箱數目的增減來控製起飛重量和運載能力，6機並聯的1000噸級方案LEO運力將超過30噸，600噸級方案LEO運力也有15噸，主要優勢是推進劑沒有毒性，同時使低軌道運力向下延伸。但是UR-530方案和“能源－暴風雪”項目有競爭關係，換用NK-33的方案和源自“能源”助推器的“天頂”火箭有競爭關係。將UR-500MK方案和“長征”5號放在一起比較是非常有趣的，這將使我們更好地理解新一代運載火箭的研製思路。從推力上來看，NK-33和RD-275基本處於同一水平線上，但是推進劑和循環方式上的區別使其比衝要高很多，用於“長征”5號的120百噸級煤油機推力還是明顯偏低，這造成其最大運力構型在使用多達8台YF-100煤油機和2台YF-77氫氧，即使在低緯度的海南文昌發射LEO也隻能做到25噸，而UR-500MK的6機並聯版則可以在拜科努爾輕鬆做到30噸。 |
“質子”用於高軌道發射需要搭載D/DM係列上麵級，當然也可以選用“微風”上麵級。
後蘇聯時代的“質子”火箭
縱觀最近30年的前蘇聯/俄羅斯航天發展，70年代末在格魯什科的領導下能源聯合體重振雄風，而80年代末切洛梅伊因意外而去世後，曾經興盛的切洛梅伊設計局和赫魯尼切夫工廠就逐步衰落，雖然製造了“曙光”號和“星辰”號兩個ISS核心艙段，並且參與承接國際航天發射任務，但是總體而言日子並不很好過，否則也不會通過向韓國轉讓“安加拉”火箭第一級來獲取研發資金了。不管怎麽說，最近十年“質子”火箭平均每年都要進行10次左右的發射，發射頻率絲毫不次於有“聯盟”載人飛船和“進步”貨運飛船發射任務保證的“聯盟”火箭。赫魯尼切夫工廠的生產能力也重新恢複到了每年12-14枚“質子”的水平，產量的提高使平均成本有所下降。麵臨歐空局逐步成熟的“阿裏安”5，在“安加拉”遲遲無法服役的情況下，俄羅斯也在對“質子”進行改進。國際發射服務公司目前正在和軌道科學公司一道進行Proton Duo計劃，用一枚質子火箭同時發射兩顆軌道科學公司製造的重量低於3175千克的小型與中型通信衛星。但縱觀“質子”的整個服役期，其發射成功率一直在90%以下。撇開之前的發射記錄不算，2000年以來“質子”確實累計了不少成功的次數，但是此次一箭三星發射“格洛納斯”失敗後，又再度跌到90%左右，顯然對“質子”的商業前景蒙上了影音。
正在進行總裝的“質子”M火箭，大圓柱體是其第一級的氧化劑貯箱，而吊裝的是外掛的燃料貯箱，其上將安裝RD-275開式發動機，但是在拋棄第一級時，氧化劑和燃料貯箱是作為一個整體拋棄的。
