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第13章 俄罗斯运载火箭

1.“东方号”火箭

前苏联“东方号”运载火箭是世界上首个载人航天运载工具,它创造了很多个世界第一,如发射了第一颗月球探测器、第一颗人造卫星、第一颗金星探测器、第一颗火星探测器、第一艘载人飞船、第一艘无人载货飞船“进步号”等。与此同时,它也是世界上发射次数最多的运载火箭系列。其中“联盟号”是“东方号”的一个子系列,主要发射“联盟号”载人飞船、“进步号”载货飞船等。

“东方号”运载火箭有两种类型:月球探测和载人飞行。火箭的性能参数分别是:长33.5米和38.36米,起飞重量279吨和287吨,最大速度为11.2千米/秒和8千米/秒,有效载荷重量为278千克和4725千克。它和“卫星号”运载火箭的第一、二级相同,但性能略有提高,地面起飞推力和第二级真空推力分别提高到约408吨和96吨。第三级是新研制的,也可称E级,长约3.1米,直径2.58米。为了减少火箭的长度,采用两个环形推进剂贮箱,推进剂和第一、二级是一样的,都是液氧和煤油。第三级的飞行姿态,用4个小型游动喷管控制发动机的推力为4.9×104~5.5×104牛,真空比冲为316~326秒,重量不超过100千克。第二、三级采用热分离方案,并用钢制桁架式结构连接,第二级顶部装有钛合金火焰导流器,第三级上面是有效载荷和整流罩。整流罩由两个半壳构成,在火箭飞行约156秒时被抛掉。“东方号”运载火箭于1959年发射了月球1~3号探测器,1960~1963年间,一共发射了5艘非载人卫星式飞船和6艘“东方号”飞船。1963年以后,还用来发射“飞行号”卫星和“电子号”卫星、“流星号”卫星以及列入宇宙号系列的军用电子侦察卫星等。

2.“质子号”火箭

最初,俄罗斯运载火箭主要为军用,后来转为发射卫星和宇宙飞船。正由于此,在过去30年间对运载火箭的信息严加保密,很少透露细节,而且从不谈及研制费用以及性能等。可是,从1987年10月俄罗斯成立空间总管理局以后,就想让运载火箭进入国际商用卫星发射市场,于是先向西方国家开放7种类型火箭,后来又增加到10种,目的就是想获得发射西方商用卫星的机会。

“质子号”火箭在1965年~1987年底的160多次发射中,成功150次,失败10次。俄罗斯曾用它发射过月球探测器、金星和火星探测器、礼炮站、和平站以及几种静止轨道通信卫星和电视卫星等。“质子号”火箭送入低地球轨道的最大运载能力是25吨。该火箭高60米,底宽7.4米,起飞重674吨。它的第一级有6台RD253发动机,产生的推力为900吨;第2级有4台发动机,推力240吨;第三级有4台发动机,推力160吨。前苏联向西方开出的价格是:发射2吨级静止卫星收费3000万美元(比欧洲“阿丽亚娜”和美国运载火箭低一半);发射20吨级低轨道飞行器只收费1500万~1800万美元。

3.“能源号”火箭

“能源号”是俄罗斯的一种重型通用运载火箭,也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。它有一个专门的代号是SL17.

“能源号”是当时俄罗斯为了满足90年代,特别是21世纪初载人与非载人、军用与民用航天任务的需要,推进近地空间的工业化和战略防御研究而研制出来的。其主要任务包括:发射多次使用的轨道飞行器;向近地面空间发射大型飞行器、大型空间站的基本舱或其他舱段、大型太阳能装置;向近地轨道或地球同步轨道发射重型军用与民用卫星;向月球、火星或向深空发射大型有效载荷等。

从70年代后期开始,俄罗斯就开始研制它的巨型“能源号”火箭,1987年5月试射成功,历时13年,耗资100亿美元,由全国100多个单位参加研制。它的性能与美国60年代的重型火箭“土星5”很相似。“能源号”火箭高60米,直径10米,起飞重2400吨。它的第一级是由4枚助推器构成,每一枚有1台煤油和液氧发动机,推力806吨;第二级是捆绑式,中心体的直径为8米,由4台液氢和液氧发动机组成,推力约200吨。“能源号”火箭能把100吨重的空间站送入低地球轨道,把32吨重的宇宙飞船推到月球(美国“土星5”发射重34吨的“阿波罗”载人宇宙飞船登月),将28吨重的有效载荷射入金星和火星上,还能把18吨重的飞行器送入3.6万千米高度的静止轨道。1988年10月15日,前苏联第一次用“能源号”火箭发射了第一架非载人自动飞行的宇宙飞船“暴风雪”;1991年再发射一次不载人“暴风雪”自动飞行与“和平”站对接。

“能源号”火箭在总体布局上继续沿用了自50年代后期以来前苏联大型运载火箭广泛采用的横向捆绑助推器的结构形式,即在芯级周围捆绑不同数量的助推器,用以构成助推级。与前苏联以往的运载火箭相比,“能源号”火箭具有如下的特点:

(1)有效载荷并不是配置在火箭的头部,而是安装在芯级的一侧。

(2)“能源号”火箭仅将其加速到亚轨道速度,然后在预定的轨道高度(通常约为110千米)与有效载荷分离。有效载荷在分离后还需要依靠自身的发动机提供推力,加速飞行,直到进入所要求的轨道。采用这种工作模式既可使芯级在与有效载荷分离后自毁时产生的大量碎片不会对近地面空间造成污染,又可使运载火箭具有较大的使用灵活性,这样一来,能够满足多种有效载荷与不同用途的运载需要。

(3)十分重视安全与可靠性,强化地面试验。在飞行中即使助推级或芯级有一台发动机出现故障,火箭仍可继续有控制地飞行。火箭的推重比可以降低到1.25:1.

(4)从一开始就把火箭设计成积木式系统,采用标准的液体火箭助推器,可以通过在芯级周围捆绑2个、4个、6个或8个助推器(捆绑8个助推器时,有效载荷将配置在芯级的上方),或者以一组助推器为基础,增加不同的上面级,组成运载火箭系列,具有向低地球轨道发射大到200吨重有效载荷的能力。

(5)为解决与运载火箭多次重复使用有关的结构、回收等问题,创造了必要的试验与研究条件。

4.“宇宙3M号”火箭

“宇宙3M号”运载火箭是俄罗斯在R-14U中程弹道导弹基础上研制的轻型运载火箭,是发射“宇宙号”系列卫星的基本运载工具。

R-14是俄罗斯南方设计局的负责人扬格尔设计的中程导弹。根据当时俄罗斯政府的要求,曾先后将R-14及其改进型R-14U改装成运载火箭。为了把导弹变成火箭,研究人员给R-14增加了第二级和级间分离装置,并调整了氧化剂箱的结构。由R-14改装成的称为“宇宙1”火箭,由R-14U改装成的称为“宇宙3M号”火箭。

“宇宙3M号”为两级串联式结构,采用的是液体发动机,使用可自燃推进剂偏二甲肼和硝酸,推进剂重约82吨,两级之间的分离采用“半热”方式。火箭第一级使用格鲁什科研制的RD-216四室发动机,由“动力机器”科学生产联合体负责生产;第二级发动机由伊萨耶夫研制,包括1台单室非燃尽发动机和1台游动发动机。主发动机的特点是可多次点火,而且存在3种工作方式:大推力、中间推力和小推力。在将航天器送入轨道时,第二级发动机需要点两次火:第一次点火后进入一条过渡弹道,用游动发动机保持稳定;第二次点火提速将航天器送入轨道。

为发射“宇宙3M号”,在普列谢茨克发射场修建了一座拥有两个发射工位的发射设施。这套设施是由运输机器制造设计局设计制造的,同时还重新启用了原来用于发射“宇宙2”火箭(由R-12弹道导弹改装成的火箭)的“虹”发射系统。1967年5月15日,“宇宙3M号”在普列谢茨克进行了首次发射,将“宇宙——158”卫星成功送入轨道。

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