[科普中國]-N-1運載火箭

火箭簡介

蘇聯(lián)的月球發(fā)射計劃是用一個單獨的發(fā)射工具，即“N-1”號運載火箭，并且要在月球軌道實現(xiàn)對接，這和美國用“土星”5號發(fā)射“阿波羅”號和登月艙飛船是采用的是相同的方式?！癗-1”號曾在1969年2月21日發(fā)射，進行飛行試驗，但最后在40000英尺高度爆炸而失敗。1969年7月3日又進行了一次發(fā)射演習(xí)，但也失敗。前蘇聯(lián)又分別于1971年6月和1972年11月試驗了兩次，兩次都以失敗告終。1971年6月的飛行中，發(fā)射后幾秒鐘，推進器失去控制，不斷旋轉(zhuǎn)搖擺。計算機關(guān)閉了發(fā)動機，“N-1”火箭又一次掉下來，完全毀壞了1969年已經(jīng)嚴重毀壞的第二個發(fā)射臺和塔臺?？赡苁怯捎跁r間緊迫以及資金短缺，這一世界上最大的火箭共進行了四次發(fā)射，之前卻沒有進行過測試或試驗。但是后來“N-1”火箭經(jīng)過技術(shù)改進最終變成了如今的“能源號”火箭。“N-1”號的屢次失敗粉碎了蘇聯(lián)人的登月之夢，蘇聯(lián)設(shè)計和建造登月飛船的工程師們肯定早已知道他們所冒的風(fēng)險?；仡櫽布圃爝^程、發(fā)射經(jīng)過，以及花費，沒人能懷疑航天員們的技術(shù)及超人的勇氣。1

基本資料N-1運載火箭

名稱：N-1運載火箭

制造公司：OKB-1

國家：蘇聯(lián)

尺寸

高度：105 m

直徑：17 m

質(zhì)量：2,735,000 kg

節(jié)數(shù)：5

酬載能力：(LEO) 95,000 kg;(TLI,月球轉(zhuǎn)移軌道）23,500 kg

發(fā)射紀錄

現(xiàn)況：退役

發(fā)射場：LC-110, 拜科努爾

發(fā)射次數(shù)：4次

成功次數(shù)：0

失敗次數(shù)：4次

首次發(fā)射：1969年2月21日

末次發(fā)射：1972年11月23日

技術(shù)諸元N-1運載火箭

第一級 - A段

引擎：30臺NK-15

推力：45,310 千牛 (4620噸)

比沖：330 s

推進時間：125 s

燃料：RP-1/LOX

第二級 - B段

引擎：8臺NK-15V

推力：14,040千牛 (1434噸)

比沖：346 s

推進時間：120 s

燃料：RP-1/LOX

第三級 - V段

引擎：4臺NK-21

推力：1610千牛 (160噸)

比沖：353 s

推進時間 370 s

燃料：RP-1/LOX

第四級 - G段

引擎：1臺NK-19

推力：446千牛 (44.5噸)

比沖：353 s (3,460 N·s/kg)

推進時間；443 s

燃料：RP-1/LOX

第五級 - D段

發(fā)動機：1臺RD-58

推力：79.46千牛 （8.1噸）

比沖：394 s (3,860 N·s/kg)

推進時間：600 s

燃料：RP-1/LOX

研制過程N-1高105米(345英尺)，在高度、質(zhì)量和有效負載上僅次于世界第一的土星五號。N1-L3方案采用五級推進，前三級將飛船送入地球軌道，其余兩級用于地月推進。 加滿燃料滿載情況下，N1-L3重2788噸(6.1百萬磅)。 下面三級呈截錐體形，最下部直徑約10米，這是受箭體內(nèi)燃料箱形狀的限制，一個較小的球形煤油箱在上部，較大的液氧箱在下部。上部分呈圓柱形，直徑4.4米。

第一級A段，由30臺NK-15發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)動機排成兩個環(huán)，外環(huán)24臺，內(nèi)環(huán)6臺。這些發(fā)動機都是分級燃燒循環(huán)的先例。 控制系統(tǒng)基于發(fā)動機的差動節(jié)流，外環(huán)應(yīng)付傾斜和偏轉(zhuǎn)，安裝在框架內(nèi)的六個用于應(yīng)付滾動。A段還裝有四個柵格翼，這種平衡裝置后來用在了蘇聯(lián)的空空導(dǎo)彈設(shè)計上。 A段總共產(chǎn)生4620噸（1000萬磅力）的推力，遠遠超出土星五號的3469公噸（765萬磅力）的推力。

第二級B段，由8臺NK-15V發(fā)動機驅(qū)動，也排列成環(huán)形。NK-15V與15的區(qū)別就是吊鐘形渦流室和高空發(fā)動機性能。 上面級V段，裝了4臺更小的NK-21發(fā)動機，排列成矩形。

在N-1的研制過程中，不斷有各種發(fā)動機改進方案。將第一級的NK-15改進為NK-33，將第二級發(fā)動機改進為NK-43，后面三級采用NK-31，改進后的NI被成為N1F，然而直至登月計劃結(jié)束，這種改進型都沒有試飛過。

比起土星五號，N-1雖然推力更大， 但它只能將95噸的物體送入低地球軌道，而土星五號可以運送130噸物體。這是由于N-1全箭都以煤油做燃料，而美國對氫氧燃料的研究起步早，使得土星五號設(shè)計時選用了比較成熟的氫氧發(fā)動機，以此獲得了較高的效率。2

研發(fā)歷史1959年，N1的研發(fā)在謝爾蓋·科羅廖夫（Sergey Korolyov）的帶領(lǐng)下在他的科羅廖夫設(shè)計局（OKB-1）展開了。原方案是在火箭的上面級使用一臺核發(fā)動機，使之能夠發(fā)射50噸的載荷，用于軍用太空站和載人火星飛船的發(fā)射。其中N-1火箭尺寸最大，N2稍小，N3最小。當(dāng)時并沒有展開實際研發(fā)，N系列還只停留于計劃階段。

1959年12月，一場匯集了所有主設(shè)計師的會議上，設(shè)計師各自提出他們最新設(shè)計?？屏_廖夫提出了N系列以及更保守的R-7。弗拉基米爾·切洛梅，科羅廖夫的對頭，提出了他的“通用火箭”系列，使用一個通用的下面級搭配不同的模塊來滿足多種載荷需要。米哈伊爾·揚格利提出用R-26來代替R-16。最后，會議主持者決定將切洛梅的UR-100作為新的輕型洲際導(dǎo)彈，將揚格利的R-36作為重型洲際導(dǎo)彈方案，而他們認為沒用使用科羅廖夫的超大型運載工具的必要，但給了他許多研發(fā)資金，以支持他將R-7改進為閃電號運載火箭(8K78)。

情況在1961年有了轉(zhuǎn)機，3月在一次在拜科努爾舉行的會議期間，諸位設(shè)計師一起探討了N1方案和另一個正在設(shè)計中的R-20方案。6月，科羅廖夫得到了用于N1研發(fā)的小額經(jīng)費。1961年5月，一份名為《重新考慮用于防御目的的航天運載器計劃》中明確指出要在1965年試射N1火箭。

當(dāng)美國在1961年5月宣布實施人類登月計劃時，科羅廖夫提出了基于一種新型飛船（后來的聯(lián)盟號）進行地球軌道集合的登月計劃。 這個計劃需要發(fā)射數(shù)次來完成登月組件運用，一個是聯(lián)盟號飛船，一個是登月艙，還有用于地月間推進的發(fā)動機和燃料的輔助設(shè)備，這降低了運載火箭的性能需求，但是以必須快速完成組件發(fā)射為代價的。因為必須在組件的燃料耗盡前進行組裝。 然而當(dāng)時的蘇聯(lián)還是無力進行這樣密集的發(fā)射?？屏_廖夫于是研發(fā)50噸級版本的N1。

為了支持這個提議，凡棱丁·古魯什科為科羅廖夫的方案提供了新型的RD-270發(fā)動機。 這種發(fā)動機已廣泛用于古魯什科的現(xiàn)有發(fā)動機設(shè)計和多種洲際導(dǎo)彈中。 然而，RD-270使用的四氧化二氮和偏二甲肼產(chǎn)生的比沖低于煤油液氧組合。科羅廖夫認為高性能發(fā)動機必須用高性能燃料，而且也對使用聯(lián)氨的安全性提出質(zhì)疑。

分歧最終導(dǎo)致科羅廖夫與古魯什科的合作陷入僵局，1962年，設(shè)計委員會打破僵局并表示支持科羅廖夫的方案。 因為格盧什科的退出，科羅廖夫不得不另尋出路，他找到了尼古萊·庫茲涅佐夫（Nikolai Kuznetsov）的OKB-276設(shè)計局。庫茲涅佐夫的火箭設(shè)計經(jīng)驗有限，他將一種根據(jù)海拔不同型號各異的發(fā)動機NK-15提交給科羅廖夫。 為了達到要求的推力，有人提出在下面級周圍使用數(shù)臺NK-15，形成發(fā)動機群，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)中間留空，讓空氣通過。 使空氣和廢氣混合以增加推力，同時氧化廢氣中故意增多含量的燃料。N1第一級的環(huán)形發(fā)動機群形成了一種原始的瓦形發(fā)動機。

同時，切洛梅提出一系列繞月飛行計劃，他認為這樣也可能擊敗美國。他還提出在推力器上使用由三臺UR-200組成的發(fā)動機群，然而在格盧什科把RD-270交給切洛梅后，這個方案也被放棄。因為使用RD-270可以設(shè)計出更簡單的發(fā)動機版本。這個方案就是UR-500。

當(dāng)時的蘇軍尤其是戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊，并不支持這種對軍事無益的政治工程。 而科羅廖夫與切洛梅卻極力促成登月計劃。1961年至1964年間，切洛梅的保守方案被普遍認同，于是UR-500和聯(lián)盟號 7KL1的研發(fā)被提上了日程。

雙子座計劃讓美國在太空領(lǐng)域領(lǐng)先于蘇聯(lián)，于是科羅廖夫向赫魯曉夫施壓，要求必須在美國之前進行載人登月。由于當(dāng)時對地球軌道集合的研究甚少，以致最后不得不選用類似阿波羅計劃的直接起飛方案。 而這需要推力更大的助推器。

科羅廖夫于是提出了研制大型N1的想法，同時設(shè)計出新的登月飛船L3。 L3飛船包含了地球推進發(fā)動機，改造后的聯(lián)盟號 7K-L3和新的LK月球著陸器。而切洛梅提出了另一套方案，一艘已經(jīng)開始研制的L1飛船和他自己設(shè)計的著陸器。 1964年8月，科羅廖夫的方案被選定，而切洛梅則繼續(xù)他的環(huán)月飛船UR-500/L1的研發(fā)。

1964年赫魯曉夫垮臺后，兩人重新開始了明爭暗斗。1965年10月，蘇聯(lián)政府宣布：繞月飛行任務(wù)將使用切洛梅的UR-500搭配科羅廖夫的聯(lián)盟號飛船，代替了切洛梅自己的探測器號飛船。第一次發(fā)射定于十月革命50周年之際的1967年。 而科羅廖夫堅持自己的N1-L3方案研究，雖然他贏得了這次學(xué)術(shù)爭鋒，但L1的研究也在繼續(xù)。

1966年，科羅廖夫死于一次外科手術(shù)并發(fā)癥，他的工作由他20年來的助手瓦西里·米辛（Vasily Mishin）接管。 米辛沒有科羅廖夫的政治頭腦，這個問題導(dǎo)致N1最后的失敗，以致登月計劃整體的失敗。

存在問題復(fù)雜的發(fā)動機群導(dǎo)致輸送推進劑的管道設(shè)計也很復(fù)雜，而這種極端脆弱的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致N1最后失敗的罪魁。有趣的是，當(dāng)時是否要花大價錢研發(fā)用于土星五號的F-1發(fā)動機還是一個爭論的焦點，有一種設(shè)計方案就是采用類似N1的發(fā)動機群。而N1的失敗給了支持這一方案的人一個教訓(xùn)。

用于發(fā)射N-1的拜科努爾基地不支持水運。為了通過鐵路運送火箭，箭體各級都被拆散再重新組裝。 結(jié)果，許多潛在問題都不能即時發(fā)現(xiàn)并排除，例如有害震動（可能導(dǎo)致推進劑管道破裂），廢氣流體力學(xué)問題（可能導(dǎo)致箭體翻滾）。

種種的技術(shù)失誤，以及缺乏資金支持，N1從未經(jīng)過嚴格的出廠測試，甚至N1每次爆炸都在一二級分離之前。計劃的12次試飛也因前四次徹底失敗而提前告終。

登月計劃取消后，米辛繼續(xù)N1F研發(fā)，希望這款火箭今后能用于發(fā)射一個類似美國天空實驗室的大型太空站。 研究還是在1974年因格盧什科接替了米辛而宣告終止。當(dāng)時兩枚N1F已經(jīng)做好了發(fā)射準備。

緊隨N-1計劃之后的是1976年的能源號/暴風(fēng)雪號計劃啟動，以及質(zhì)子火箭的研制。3

火箭遺物兩枚待飛的N-1F火箭殘體現(xiàn)在仍擺放拜科努爾，被當(dāng)作儲藏庫。起動發(fā)動機被人為破壞以掩蓋蘇聯(lián)的破產(chǎn)的登月計劃，以此欺騙美國以為登月競賽還在繼續(xù)。 這個秘密直到開放政策時期，火箭遺物被公開展示才公諸于眾。

而N1F上的前進發(fā)動機未遭破壞，因為雖然火箭整體不可靠，但單獨的NK-33和NK-43還是很先進可靠的。 約150臺發(fā)動機被保留下來，90年代中期，俄羅斯政府把其中的36臺以每臺110萬美元的價格賣給了噴氣飛機公司。這家公司還取得了發(fā)動機的生產(chǎn)權(quán)。

由噴飛公司搭橋，日本的J-1和J-2火箭采用了3臺發(fā)動機。 美國公司基斯特勒航天公司也在自己的火箭方案中采用了這種發(fā)動機。而在俄羅斯，直到2004年，剩余的70多臺才重新啟用，而這項采用N-1發(fā)動機的新火箭研制計劃也在2005年因資金短缺而破產(chǎn)。

后期利用至于用剩下的NK-33做什么時常成為爭論焦點。 當(dāng)時超前的設(shè)計理念使這批發(fā)動機至今仍有利用價值。噴氣飛機公司已將NK-33和NK-43分別重命名為AJ26-58AJ26-59?；固乩蘸娇蘸教旃?，即現(xiàn)在的基斯特勒火箭飛機公司 (RpK)用三臺NK-33和NK-43設(shè)計了K-1火箭。

RSC能源公司打算用一臺NK-33來驅(qū)動新運載器“Aurora-L.SK”。

還有提議用NK-33替換聯(lián)盟號中間的RD-108，或者再用四臺NK-33替換四個推進發(fā)動機 RD-107。通過減輕飛船重量來增加有效載荷，而且使用倉庫存貨也能降低飛船造價。

“Aurora”和“聯(lián)盟-3”替換計劃都面臨一個現(xiàn)實問題，就是NK-33的現(xiàn)存數(shù)量不是很多，難以用在每年頻繁發(fā)射的聯(lián)盟飛船上。而基斯特勒的K-1是可重用的，需要的發(fā)動機數(shù)量比較少。

軌道科學(xué)公司打算在新研制的“金牛II”型運載火箭的第一級使用兩臺NK-33。

發(fā)射歷史1969年2月21日：由于燃氣發(fā)生器意外地高頻振動，一處導(dǎo)管裂開，導(dǎo)致發(fā)動機失火。火勢延伸到發(fā)動機控制系統(tǒng)，于是在飛行68.7秒后，發(fā)動機停車。火箭在69秒后在12,200米高空爆炸。

1969年7月3日：一顆松動螺柱被吸入燃料泵，導(dǎo)致控制系統(tǒng)停止了30臺中的29臺發(fā)動機， 發(fā)動機停機23秒后火箭爆炸，炸毀了發(fā)射塔，成為火箭應(yīng)用史上最大規(guī)模的爆炸。

1971年6月24日：起飛后就不正常轉(zhuǎn)動，且超過了控制系統(tǒng)的可調(diào)范圍，51秒后火箭在1千米高空爆炸。

1972年11月23日：40千米高空處，其中一臺發(fā)動機遭遇縱向耦合振動，其他發(fā)動機程序性停車，導(dǎo)致4號發(fā)動機爆炸。

歷史影響N-1運載火箭的第一批圖如今已經(jīng)被蘇聯(lián)公開發(fā)表。在1990年米申已經(jīng)畫了N-1/L-3S運載火箭，以照片的形式在1990年11月英國Windfall電影公司/ NovaTV的“軌道上的紅星”節(jié)目中播出。（重新命名為“蘇聯(lián)權(quán)威材料”，1991年2月在美國播出）。米申1990年十二月出版的小冊子里有更加詳細的圖，1991年4月12日在莫斯科電視上播出里真實的關(guān)于第一個N-1運載火箭在控制臺上的膠片。

基本的N-1是一個三級運載火箭，所有的三級火箭是圓錐形但是側(cè)面沒有共用同一斜面。在它本身，給了這個工具一個極其不平常的外觀。第四和第五段被一個大的白色覆蓋物里的有效載荷圍住，頂端是聯(lián)盟號類型的覆蓋物和塔。

較低的三段每一個都攜帶兩個球形的推進罐帶有巨大的氧氣罐，氧氣罐在煤油罐下面：球形的儲罐（不是橢圓形或其它形狀） 決定了下一段的形狀。

最有可能的是，所有N-1運載火箭上底下三級火箭的發(fā)動機都是由Kuznetsov部門設(shè)計的。第一級（A組）用了一串共30個發(fā)動機，每個發(fā)動機有154噸推進力：這是任何發(fā)射工具中推進力最高的第一級火箭。（相比N-1的4620噸，土星5號大約達到3900噸）。第二級（B組）有八個發(fā)動機，每個有179噸的推進力：這是由用于運載火箭的第一級的發(fā)動機改進來的。最后，第三級（V組）有四個發(fā)動機，每一個有41噸的推進力。

第四級（G組），米申并沒有特別描述，但是它用的是單獨一個發(fā)動機，與V組同樣類型，推進力大約45噸。第五級（D組，象所說的那樣與UR-500K質(zhì)子運載火箭相關(guān)），也可以看作是飛船的推進系統(tǒng)，在蘇聯(lián)的有關(guān)質(zhì)子火箭的文獻中被廣泛描述。4

N1原本是在第一級使用NK-15發(fā)動機，在第二級使用NK-15V。然而N1發(fā)射的接連失敗使這項工程沒有了下文。 而N1的改進還在繼續(xù)，庫茲涅佐夫?qū)煞N發(fā)動機分別改造為NK-33和NK-43。 改造后的N1就是N1F。由于在登月競賽上失利，蘇聯(lián)不得不重新設(shè)計新的重型運載火箭能源號。 因此，N1F從未試飛。

隨著N1工程的停工，政府下令毀掉一切資料，一個政府官員接管了這些發(fā)動機，將它們存放在倉庫中。 發(fā)動機的消息最后傳到了美國。將近30年后，一些尚存懷疑態(tài)度的技術(shù)人員被帶到倉庫。 隨后，其中一臺發(fā)動機被帶回美國，在精確測定發(fā)動機性能后，其技術(shù)參數(shù)才被公之于眾。其發(fā)動機技術(shù)也被美國人用做美國航天技術(shù)儲備。