從“靜?！钡健鞍布永?br/>——俄產(chǎn)火箭薪火相傳

2022-12-30 05:23:32楊青格張帆北京航天動(dòng)力研究所

國(guó)際太空 2022年11期

楊青格張帆（北京航天動(dòng)力研究所）

1 引言

從彈改箭的“靜?！保⊿htif）火箭和蘇聯(lián)老牌“質(zhì)子”（Proton）火箭，到新時(shí)代系列火箭“聯(lián)盟”（Soyuz）家族，再到通用式火箭“安加拉”（Angara）家族，這些典型的俄式太空運(yùn)載器伴隨著俄羅斯航天人執(zhí)行了幾十年的太空任務(wù)，包括微型納米衛(wèi)星入軌，“國(guó)際空間站”（ISS）合作，以及探火、探月等重大任務(wù)，可謂“薪火相傳，代代燎原”。

目前，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（ROSCOSMOS）已經(jīng)正式宣布停止生產(chǎn)航天工業(yè)主力質(zhì)子－M重型運(yùn)載火箭，該型號(hào)的最后14枚火箭將于2026年全部服役結(jié)束，彼時(shí)，蘇聯(lián)時(shí)期的火箭時(shí)代在某種程度上也將畫上一個(gè)句號(hào)。計(jì)劃接力“質(zhì)子”的新型火箭安加拉－A5M將于2024年發(fā)射：這是一款全新的清潔能源型火箭，標(biāo)志著俄式火箭正式進(jìn)入環(huán)保時(shí)代。

火箭型號(hào)從左至右依次為“翼型”“靜?！?、安加拉－1.2、聯(lián)盟－2、安加拉－A5和“質(zhì)子”

2 輕型火箭“靜?！?/h2>
到2030年為止，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)將完成對(duì)“靜海”輕型火箭的清退工作?！办o?！被鸺悄壳岸砹_斯航天國(guó)家集團(tuán)在役的最輕型運(yùn)載器，該型號(hào)前身為洲際彈道導(dǎo)彈PC－18。根據(jù)前蘇聯(lián)和美國(guó)簽訂的《削減和限制進(jìn)攻性戰(zhàn)略武器條約（CHB－I）》規(guī)定，類似的洲際彈道導(dǎo)彈型號(hào)需要從軍用領(lǐng)域移除，改裝成民用的運(yùn)載火箭型號(hào)?！办o?！被鸺慕赜行лd荷約2t，僅適用于將納米衛(wèi)星和小型設(shè)備送入太空科學(xué)站。
俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)之所以決定將“靜?！被鸺龔氐浊逋?，原因有很多。一方面，這些火箭已經(jīng)過了產(chǎn)保期限，最后一批PC－18導(dǎo)彈是在1985年生產(chǎn)的，到2020年，即使是最晚生產(chǎn)的一批也早已過了保修期。此外，2015年烏克蘭政府曾切斷了“靜?！被鸺刂葡到y(tǒng)的供應(yīng)鏈，嚴(yán)格禁止其出口。因此俄羅斯便無法對(duì)“靜?！被鸺M(jìn)行更新?lián)Q代，2018年便被迫結(jié)束了“靜?！被鸺乃邪l(fā)射任務(wù)。
另一方面，2020年6月，俄羅斯國(guó)防部與赫魯尼切夫中心簽署協(xié)議，計(jì)劃將退役的PC－18B Stiletto導(dǎo)彈改裝為靜海－M運(yùn)載火箭。官方數(shù)據(jù)顯示，該火箭的俄產(chǎn)控制系統(tǒng)成本為6.9億盧布，火箭改裝、地面基礎(chǔ)設(shè)施和上面級(jí)現(xiàn)代化改造總成本為34億盧布。如果一切順利進(jìn)行，則至2028年，“靜?！被鸺憧伞霸』鹬厣薄?/p>
得益于彈改箭的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，“靜?！被鸺淖畲筇攸c(diǎn)為體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可在海上發(fā)射。

3 中型火箭“聯(lián)盟”

毫無疑問，俄羅斯中型火箭的明星產(chǎn)品當(dāng)屬“聯(lián)盟”家族。該型號(hào)的火箭生產(chǎn)可以追溯至1953年，由“俄羅斯火箭之父”謝爾蓋·巴甫洛維奇·科羅廖福親自操刀。第一代“聯(lián)盟”火箭的服役時(shí)間為1966－1976年，32次發(fā)射，成功30次。

1973年，第一代“聯(lián)盟”火箭升級(jí)為聯(lián)盟－Y投入使用，一直持續(xù)到2017 年。在此階段聯(lián)盟－Y火箭共發(fā)射了800次，可靠性高達(dá)97.3%。

然而，“聯(lián)盟”火箭的進(jìn)化史并沒有就此結(jié)束。當(dāng)聯(lián)盟－Y火箭獲得了升級(jí)版的發(fā)動(dòng)機(jī)、新型數(shù)字控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)后正式改名為聯(lián)盟－2。聯(lián)盟－2火箭首飛于2004年，火箭性能得到了大幅度的提升，有效載荷增至9.2t。

運(yùn)送途中的“聯(lián)盟”火箭及其上面級(jí)

后來又將聯(lián)盟－2火箭的頭部整流罩?jǐn)U展至4.11m，以便運(yùn)載器可以攜帶更大型的裝置，此時(shí)該火箭被命名為聯(lián)盟－2.1a。當(dāng)聯(lián)盟－2.1a迎來第2次現(xiàn)代化改造時(shí)，又將三子級(jí)安裝了帶有受控推力矢量的新型發(fā)動(dòng)機(jī) RD－0124，改造后命名為“聯(lián)盟2.1b”，為俄羅斯現(xiàn)役版本。同時(shí)，通過移除聯(lián)盟2.1b的側(cè)面助推級(jí)，改造出輕型版本，命名為“聯(lián)盟2.1B”。

可以說，“聯(lián)盟”系列火箭是俄羅斯航天事業(yè)的強(qiáng)大主力軍。其發(fā)射任務(wù)包羅萬象，涵蓋了商業(yè)客戶和軍事客戶的大部分需求。它們甚至適用于俄羅斯所有的發(fā)射場(chǎng)，在拜科努爾、普列謝茨克、東方航天發(fā)射場(chǎng)以及南美洲的圭亞那航天中心均能順利完成發(fā)射任務(wù)。無論是有效載荷重量還是入軌高度（可以將質(zhì)量約9t的運(yùn)載火箭送入低軌道或?qū)①|(zhì)量達(dá)5t的衛(wèi)星載荷送入太陽同步軌道），無論是發(fā)射成本還是研發(fā)難度，“聯(lián)盟”系列火箭都能交付非常滿意的答卷。

型譜完善，延續(xù)性發(fā)展是“聯(lián)盟”最大的特點(diǎn)，未來俄羅斯還將繼續(xù)加大對(duì)“聯(lián)盟”火箭的投入，完成中型火箭的現(xiàn)代化升級(jí)。

俄羅斯現(xiàn)代火箭獨(dú)特的俄式花紋

4 未來的中型火箭

然而隨著時(shí)光流逝，斗轉(zhuǎn)星移，再神話的火箭也有退役的那天。正如“聯(lián)盟”火箭，在面對(duì)新型技術(shù)要求時(shí)，顯得有些局促。尤其是當(dāng)今航天領(lǐng)域非?？粗匾蛔蛹?jí)可重復(fù)使用技術(shù)，對(duì)此，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)的專家和領(lǐng)導(dǎo)都認(rèn)為，需要將推進(jìn)系統(tǒng)完成由煤油到氫氧和甲烷的轉(zhuǎn)變。尤其是甲烷推進(jìn)劑在燃燒時(shí)不會(huì)形成積碳，與煤油推進(jìn)劑相比，發(fā)動(dòng)機(jī)無需拆卸和清洗便可直接重復(fù)使用，在很大程度上實(shí)現(xiàn)降本增效。

俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)的專家并不想走馬斯克可重復(fù)使用火箭的老路，他們正在尋求一種其他的降落方式，即給火箭配備折疊翼。當(dāng)可重復(fù)使用的一子級(jí)返航時(shí)，借助折疊翼可以進(jìn)行空氣動(dòng)力飛行，有效降低迎面氣流的速度。米亞西謝夫設(shè)計(jì)局使用上述技術(shù)概念研制出了一款新型火箭“翼型”項(xiàng)目。2021年10月，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)時(shí)任總經(jīng)理德米特里·羅戈津宣布，“翼型”項(xiàng)目將于2022年底交付。

巴爾季尼研究所總設(shè)計(jì)師鮑里斯·薩托夫斯基提出，除了折疊翼設(shè)備，還將為一子級(jí)可重復(fù)使用火箭修建起落架，以減少滑行跑道的維護(hù)成本。

當(dāng)然，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)對(duì)聯(lián)盟－2火箭的技術(shù)升級(jí)并非只有可重復(fù)使用領(lǐng)域，所以“翼型”并非聯(lián)盟－2真正的繼承者。官方宣稱下一代“聯(lián)盟”火箭為聯(lián)盟－5，又名“額爾齊斯”，計(jì)劃使用合成燃料萘作為推進(jìn)劑，火箭參數(shù)將得到有效改善。同時(shí)有效載荷重量也將得到大舉提高，低軌道載荷預(yù)計(jì)接近17t，幾乎是初代“聯(lián)盟”火箭的兩倍。

聯(lián)盟－5火箭的設(shè)計(jì)工作均覆蓋在俄羅斯當(dāng)前的聯(lián)邦太空計(jì)劃內(nèi)，飛行測(cè)試計(jì)劃于2024年開始，到2030年，它將成為俄羅斯載人航天任務(wù)的重要運(yùn)載器之一。據(jù)悉，其發(fā)射地點(diǎn)分為陸海兩種：除了常規(guī)的發(fā)射場(chǎng)外，還能從海上浮動(dòng)平臺(tái)發(fā)射。聯(lián)盟－5在初步設(shè)計(jì)階段便提出了與安加拉－5火箭使用同種型號(hào)的頭部整流罩，并將融合外國(guó)整流罩制造技術(shù)。

作為未來的中型火箭，“翼型”和“聯(lián)盟”都將采用可重復(fù)使用技術(shù)和清潔能源，完成現(xiàn)代化升級(jí)。相比之下，“翼型”更加側(cè)重?zé)o人巡航模式，使用折疊翼降落可重復(fù)使用子級(jí)；而“聯(lián)盟”則采用經(jīng)典的火箭垂直降落模式，同時(shí)可海陸兩域發(fā)射。

“質(zhì)子”火箭接受發(fā)射前的檢測(cè)

5 重型火箭“質(zhì)子”和“安加拉”

在未來的航天領(lǐng)域中，重型火箭和超重型火箭發(fā)展前景十分廣闊，它們可以實(shí)現(xiàn)更大的太空任務(wù)，例如：向“國(guó)際空間站”進(jìn)行運(yùn)輸補(bǔ)給，以及探火、探月或太陽系其他行星的登陸等。

目前，俄羅斯大型太空任務(wù)均由質(zhì)子－M火箭擔(dān)任。憑借自身705t的質(zhì)量，“質(zhì)子”火箭低軌道有效載荷可達(dá)22t。它還可以將高達(dá)6.3t的質(zhì)量放入中間地球轉(zhuǎn)移軌道，并將高達(dá)3.3t的質(zhì)量放入地球靜止軌道（距離地球約35000km）。最難能可貴的是，“質(zhì)子”火箭不僅在有效載荷方面令人稱贊，而且經(jīng)過400多次的飛行驗(yàn)證，更是證明了自己卓然的可靠性。

盡管如此，“質(zhì)子”火箭存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)：推進(jìn)劑庚基（偏二甲肼）具有高毒性。在蘇聯(lián)時(shí)期，廢棄的“質(zhì)子”火箭對(duì)哈薩克斯坦中部、西西伯利亞東南部和阿爾泰東北部地區(qū)均造成了嚴(yán)重的環(huán)境破壞。后來，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)通過在子級(jí)下降階段完全燃燒剩余燃料，在很大程度上解決了這個(gè)問題。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)要與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，因此摒棄有毒推進(jìn)劑變得刻不容緩。

于是“安加拉”火箭應(yīng)運(yùn)而生。這不僅僅是一款新型火箭，更是一種新型火箭設(shè)計(jì)概念，即借助通用模塊，改變子級(jí)組裝數(shù)量，達(dá)到符合運(yùn)載任務(wù)的最佳參數(shù)。例如：向近地軌道發(fā)射3.5t有效載荷的輕型火箭安加拉－1.2、向近地軌道發(fā)射24t有效載荷的中型火箭安加拉－A5，以及向近地軌道發(fā)射37.5t的重型火箭安加拉－A5B。

若按照火箭體型對(duì)比分析，則輕型安加拉－1.2可替代“靜?！被鸺矣行лd荷擴(kuò)大1.5倍；中型安加拉－A5將替代“質(zhì)子”；安加拉－A5B火箭將比目前所有在役的俄產(chǎn)火箭有效載荷都要大。

因此，“質(zhì)子”火箭的停產(chǎn)在某種程度可以看出俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)對(duì)安加拉－A5火箭的自信，并且已經(jīng)準(zhǔn)備好對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

重型火箭是未來航天領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，“質(zhì)子”火箭從蘇聯(lián)時(shí)代至今，一直獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。如今，接力棒遞到了安加拉的手里，日新月異?！百|(zhì)子”最大的優(yōu)勢(shì)便是高可靠性，而“安加拉”火箭則更具有現(xiàn)代火箭的發(fā)展理念，使用清潔能源，將可持續(xù)性貫徹到底。

6 結(jié)語

俄羅斯火箭和航天工業(yè)的水平正在穩(wěn)步上升，對(duì)蘇聯(lián)時(shí)期的技術(shù)推陳出新，將現(xiàn)代太空技術(shù)與理論基礎(chǔ)進(jìn)行完美融合。盡管科研探索之路滿布荊棘，但俄羅斯航天人員對(duì)此仍滿懷期待，眾志成城。