从俄罗斯“格洛纳斯”发射失败看“质子”火箭 |
| 2010年12月 来源： 新华军事 |
2010年12月5日对俄罗斯的“格洛纳斯”卫星全球导航系统是灾难性的一天，“质子”M运载火箭原本计划将三颗新组网卫星送入轨道，但却因火箭故障而导致卫星全部损失。经过多年来的宣传“格洛纳斯”已经广为人知，“质子”虽然是一款非常经典的运载火箭，却淹没在一系列新锐运载火箭的光芒之下。在过去20年中，俄罗斯一直都在研制“安加拉”火箭，将用于替换包括“质子”在内的多款航天运载工具，但是以“安加拉”第一级为基础的韩国“罗老”号运载火箭，两次发射都遭遇失败，尽管其中第一次是由于整流罩分离失败引起的，与“安加拉”并无直接关系，但是仍然为其正式服役蒙上了阴影。现在俄罗斯正面临着运载工具青黄不接的局面，新的“安加拉”服役还需时间，旧的“质子”虽然发射任务已经排到了2018年，但是已经越来越力不从心了。
正在进行星箭组装的“质子”M/DM-3运载火箭，可见三颗“格洛纳斯”卫星紧靠在一起。
“质子”火箭的起源
“质子”火箭实际上是俄罗斯目前唯一的重型航天运载工具，比其运载能力强得多的N-1火箭原本是为登月任务设计的，在尺寸上堪比美国的“土星”V号，但是连续四次发射失败后就退役了；“能源”火箭在80年代进行了两次试验性发射后也没能服役，其中一次将“暴风雪”号航天飞机送入了太空，另一次则将“极地”1号（Polyus-1）军事载荷打废了。从履历上来看，“质子”可谓功勋卓著，苏联从“礼炮”1号到“和平”号空间的所有核心舱段都是由其发射的，而“国际空间站”（ISS）的“曙光”号（Zarya）和“星辰”号（Zvezda）两个最早的核心舱段也是其送入轨道的。“质子”号之所以能承担这些重大发射任务，关键在于其拥有最大超过20吨的近地轨道运力。尽管新一代航天运载工具近地轨道运力都能轻松做到20吨以上，但是“质子”在60年代就以较小的成本代价做到了这一水准，这是其能够服役长达50年代关键所在。事实上，在目前服役的所有航天运载工具当中，“质子”几乎和“联盟”一样老，“联盟”1966年11月28日进行了首次发射，而“质子”基本型是1965年7月16日首飞的，“质子”K则是1967年3月10日首飞的，只不过“联盟”隶属于的R-7系列历史可以追溯得更早罢了。
正在进行水平转运的“质子”火箭，注意其非常有特色的第一级发动机布局，远端是“质子”火箭发射场标志性的门形勤务塔。
“质子”是苏联OKB-52切洛梅伊设计局设计的，制造则由大莫斯科地区的赫鲁尼切夫工厂负责，该工厂现在也负责生产换代用的“安加拉”火箭。“质子”最初的设计局代号为UR-500，是作为UR-200洲际导弹的重型化版本而立项的，用于满足战略火箭军对于所谓“全球导弹”2号（GR-2）的需要，但也可以作为航天运载工具，因此也继承了偏二甲肼和四氧化二氮的可贮存推进剂。1960年6月23日，苏联批准了航天发展七年计划（1960-1967年），其中就包括了UR-500项目。最初，切洛梅伊希望以UR-200为基础研制UR-500，考虑将四枚完整的UR-200捆绑在一起，在其上再安装一枚去掉第一级的UR-200。但是这种直线型路径很快就因结构过于复杂而被放弃，切洛梅伊设计局随即推出了并联和串联两个方案。所谓串联方案是将UR-200的芯级从3米加粗到6.2米，并且采用三级布局，其高度将达到54米。所谓并联方案针对串联方案芯级直径过大而带来的加工和运输困难，引入了一种全新的构型，其芯级内只设置氧化剂贮箱，在其周围捆绑独立的燃料贮箱，这样芯级只用做到4.1米就可以了，因此最终战胜串联方案而获胜。最初并联方案的第一级的芯级和燃料贮箱底部都安装有发动机的，但为简化结构后来干脆取消了芯级上的发动机，并略微放大到4.15米，同时将燃料贮箱及发动机数量增加到6具，这就是现在看到的“质子”火箭构型。
早期的“质子”系列火箭，最左侧的是两级版的UR-500测试弹，其他都是三级版的UR-500K，分别搭载LK-1登月飞船、7K-L1绕月飞船、“礼炮”1号空间站。 “质子”与“长征”系列比较 从火箭下面级推进剂来看，“质子”和“长征”系列是完全一样的，而且都使用燃气发生器循环的开式发动机。用于低轨道发射的“质子”K为700吨级，比“长征”2F要重出200多吨，但两者运力差距非常悬殊，“质子”K达到了20吨级，这还是在高纬度的拜科努尔发射场做出的，而“长征”2F还不到10吨。出现这种情况关键在发动机，“质子”第一级的RD-253发动机推力几乎是“长征”2/3/4第一级的YF-25的一倍，6机并联要等同于后者的12机并联，而“长征”2E/F或者“长征”3B只能实现8机并联（4台芯一级和4台助推器），而改进后的RD-275推力又在RD-253的基础上提高了约20%。这种结果导致正在研制中的“天宫”1号空间站（目标飞行器）尺寸和重量只能偏小一些，要发射未来空间站的主要舱段必须等待“长征”5号的服役。但高轨道运力情形就反了过来，“质子”要将需要采用4级构型，其采用的D/DM系列液氧－煤油上面级，或者“微风”（Briz）系列常温上面级性能都不是太好，而三级半构型的“长征”3号有能两次启动的氢氧低温上面级，尽管安装YF-75的上面级性能无法同“半人马座”等先进型号相提并论，但足以对高轨道运力产生足够的增益．加上在低纬度的西昌发射占到了便宜，其GTO运力也能接近5.5吨，比“质子”M＋Briz M大约低半吨，且但比“质子”M＋DM-3大约要高半吨。
“质子”K从拜科努尔起飞，这次任务是将国际空间站的“星辰”号服务舱送入轨道，注意火箭头部的整流罩。 “质子”最擅长的一直是低轨道大载荷发射任务，切洛梅伊设计局也曾几次想对UR-500的基本设计进行改进，以支援大型轨道空间站建设等航天项目。其中最主要的两条路径，一是UR-530方案，加长推进剂贮箱长度，同时放大燃料贮箱直径，低轨道正常运力可以达到36吨，即使是97度倾角的200公里太阳同步轨道也有30吨，与切洛梅伊设计局的大型军用空间站相配套；二是UR-500MK方案，换用性能好得多的NK-33液氧－煤油分级循环发动机，并通过燃料贮箱数目的增减来控制起飞重量和运载能力，6机并联的1000吨级方案LEO运力将超过30吨，600吨级方案LEO运力也有15吨，主要优势是推进剂没有毒性，同时使低轨道运力向下延伸。但是UR-530方案和“能源－暴风雪”项目有竞争关系，换用NK-33的方案和源自“能源”助推器的“天顶”火箭有竞争关系。将UR-500MK方案和“长征”5号放在一起比较是非常有趣的，这将使我们更好地理解新一代运载火箭的研制思路。从推力上来看，NK-33和RD-275基本处于同一水平线上，但是推进剂和循环方式上的区别使其比冲要高很多，用于“长征”5号的120百吨级煤油机推力还是明显偏低，这造成其最大运力构型在使用多达8台YF-100煤油机和2台YF-77氢氧，即使在低纬度的海南文昌发射LEO也只能做到25吨，而UR-500MK的6机并联版则可以在拜科努尔轻松做到30吨。 |
“质子”用于高轨道发射需要搭载D/DM系列上面级，当然也可以选用“微风”上面级。
后苏联时代的“质子”火箭
纵观最近30年的前苏联/俄罗斯航天发展，70年代末在格鲁什科的领导下能源联合体重振雄风，而80年代末切洛梅伊因意外而去世后，曾经兴盛的切洛梅伊设计局和赫鲁尼切夫工厂就逐步衰落，虽然制造了“曙光”号和“星辰”号两个ISS核心舱段，并且参与承接国际航天发射任务，但是总体而言日子并不很好过，否则也不会通过向韩国转让“安加拉”火箭第一级来获取研发资金了。不管怎么说，最近十年“质子”火箭平均每年都要进行10次左右的发射，发射频率丝毫不次于有“联盟”载人飞船和“进步”货运飞船发射任务保证的“联盟”火箭。赫鲁尼切夫工厂的生产能力也重新恢复到了每年12-14枚“质子”的水平，产量的提高使平均成本有所下降。面临欧空局逐步成熟的“阿里安”5，在“安加拉”迟迟无法服役的情况下，俄罗斯也在对“质子”进行改进。国际发射服务公司目前正在和轨道科学公司一道进行Proton Duo计划，用一枚质子火箭同时发射两颗轨道科学公司制造的重量低于3175千克的小型与中型通信卫星。但纵观“质子”的整个服役期，其发射成功率一直在90%以下。撇开之前的发射记录不算，2000年以来“质子”确实累计了不少成功的次数，但是此次一箭三星发射“格洛纳斯”失败后，又再度跌到90%左右，显然对“质子”的商业前景蒙上了影音。
正在进行总装的“质子”M火箭，大圆柱体是其第一级的氧化剂贮箱，而吊装的是外挂的燃料贮箱，其上将安装RD-275开式发动机，但是在抛弃第一级时，氧化剂和燃料贮箱是作为一个整体抛弃的。
