安加拉5V火箭和俄羅斯的登月計(jì)劃

□ 張雪松

冷戰(zhàn)結(jié)束以來(lái)俄羅斯航天依靠商業(yè)發(fā)射和參與國(guó)際空間站建設(shè)艱難維持。進(jìn)入21世紀(jì)以后隨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，俄羅斯又啟動(dòng)了一系列新的航天項(xiàng)目，包括新一代運(yùn)載火箭安加拉，以及宏偉的載人登月計(jì)劃，這也是俄羅斯重獲太空強(qiáng)國(guó)地位的標(biāo)志。最近幾年俄羅斯經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)不佳，俄羅斯最終放棄了跟風(fēng)美國(guó)星座計(jì)劃的重型火箭研制計(jì)劃，轉(zhuǎn)而在安加拉火箭基礎(chǔ)上研制能力增強(qiáng)的安加拉5V火箭。

RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)

安加拉的研制和試射

1992年俄羅斯政府決定研制一種新的運(yùn)載火箭，它將擺脫現(xiàn)有運(yùn)載火箭對(duì)蘇聯(lián)其他加盟共和國(guó)的硬件依賴，是俄羅斯國(guó)產(chǎn)化的運(yùn)載火箭系統(tǒng)。根據(jù)需求，未來(lái)的俄羅斯新一代重型運(yùn)載火箭系統(tǒng)要具備將24噸載荷送入近地軌道和把3.5噸載荷送入靜止軌道的能力，從而在2005年前后取代現(xiàn)有的質(zhì)子火箭。早期的研究還計(jì)劃研制輕型和中型運(yùn)載火箭系統(tǒng)取代烏克蘭制造的旋風(fēng)和天頂火箭。

安加拉系列火箭

俄羅斯能源集團(tuán)和赫魯尼切夫科研生產(chǎn)中心分別提出了重型火箭的技術(shù)方案，前者一子級(jí)使用研制中的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，后者一子級(jí)使用RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)。這些方案都停留在紙面上，但1994年赫魯尼切夫贏得了競(jìng)爭(zhēng)。1997年赫魯尼切夫大改了技術(shù)方案，提出了基于RD-190發(fā)動(dòng)機(jī)的模塊化運(yùn)載火箭方案，在競(jìng)爭(zhēng)中再次取勝。新的運(yùn)載火箭被命名為安加拉，1999年赫魯尼切夫在巴黎航展上展示了安加拉1.1小型運(yùn)載火箭。安加拉是一種模塊化的、運(yùn)力覆蓋從小型到重型運(yùn)載火箭范圍的運(yùn)載火箭家族，根據(jù)使用的公用芯級(jí)模塊（URM）數(shù)量的不同，它的運(yùn)力覆蓋了從2噸到23噸的范圍，重型安加拉火箭將用于取代質(zhì)子火箭，中型安加拉火箭將用于取代天頂火箭，小型安加拉火箭則取代旋風(fēng)等老式運(yùn)載火箭。

俄羅斯從20世紀(jì)90年代開始政治動(dòng)蕩和經(jīng)濟(jì)崩潰，對(duì)安加拉火箭的研制產(chǎn)生了致命的損害。根據(jù)塔斯社2014年對(duì)赫魯尼切夫的采訪，從1994年到2005年間，安加拉火箭項(xiàng)目只得到了申請(qǐng)預(yù)算的4%，其中還有一半是2004年到2005年撥付的，赫魯尼切夫中心不得不利用商業(yè)發(fā)射的利潤(rùn)艱難的維持著安加拉火箭的研制。

隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)，安加拉火箭的研制開始步入正軌，但此前畢竟耽誤了太長(zhǎng)的時(shí)間，新一代運(yùn)載火箭對(duì)赫魯尼切夫的新一代員工來(lái)說(shuō)也可以說(shuō)是第二次創(chuàng)業(yè)，加上新火箭新技術(shù)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，安加拉火箭的研制進(jìn)度還是一拖再拖，原定2011年的首次試射不斷向后推遲。這段時(shí)間里，作為火箭核心的RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)和RD-0124發(fā)動(dòng)機(jī)積累了數(shù)萬(wàn)秒的試車時(shí)間，為后來(lái)首次發(fā)射的成功奠定了基礎(chǔ)。

RD-0124發(fā)動(dòng)機(jī)

2013年5月底，小型的安加拉1.2PP火箭運(yùn)往普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)，開始發(fā)射場(chǎng)合練。2014年6月幾經(jīng)波折后安加拉火箭準(zhǔn)備首次發(fā)射。6月27日安加拉1.2PP火箭進(jìn)行了成功發(fā)射，飛行時(shí)間21.8分鐘，雖然這只是一次亞軌道試驗(yàn)，但有效地驗(yàn)證了安加拉火箭的基本設(shè)計(jì)，為安加拉5火箭的成功鋪平了道路。2014年12月23日，俄羅斯從普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了第一枚安加拉5運(yùn)載火箭。

安加拉方案和衍生

俄羅斯赫魯尼切夫航天科研生產(chǎn)中心和美國(guó)洛馬公司聯(lián)合創(chuàng)建了國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司（ILS），使用質(zhì)子火箭作為主要的發(fā)射工具。2002年安加拉火箭還在襁褓中的時(shí)候，國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司就公布了安加拉火箭的用戶手冊(cè)。

安加拉系列火箭（最右為A5V）

根據(jù)官方公布的信息，安加拉火箭包括小型的安加拉1.1和1.2火箭、中型的安加拉A3火箭和重型的安加拉A5火箭，安加拉火箭使用公用芯級(jí)（URM）的概念，整個(gè)系列的模塊化設(shè)計(jì)十分出色。安加拉的公用芯級(jí)直徑2.9米，使用單臺(tái)RD-191M高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑質(zhì)量可達(dá)129噸。安加拉1.2PP只有一個(gè)公用芯級(jí)，而安加拉A3火箭則是3個(gè)公用芯級(jí)，安加拉A5自然是使用5個(gè)公用芯級(jí)。安加拉A3和A5火箭的芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛后會(huì)節(jié)流工作，從而實(shí)現(xiàn)助推器和芯級(jí)先后拋離的時(shí)序，達(dá)到更高的運(yùn)載系數(shù)。安加拉火箭的第二級(jí)為URM-2，它使用RD-0124A液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中安加拉A3和A5火箭使用直徑3.6米、攜帶更多推進(jìn)劑的URM-2，而安加拉1.2使用直徑較小的URM-2。安加拉1.2PP之所以是亞軌道飛行，主要原因就是俄羅斯直接使用了3.6米直徑的標(biāo)準(zhǔn)版URM-2，第二級(jí)質(zhì)量過(guò)大無(wú)法進(jìn)入軌道。安加拉1.2火箭用于近地軌道發(fā)射任務(wù)，而兼具近地軌道和靜止軌道發(fā)射任務(wù)的安加拉A3和A5火箭將使用目前質(zhì)子火箭上的微風(fēng)-M常溫上面級(jí)。赫魯尼切夫中心還有為安加拉A5火箭研制可多次啟動(dòng)的KVTK氫氧上面級(jí)的計(jì)劃，KVTK氫氧上面級(jí)將使用RD-0146D發(fā)動(dòng)機(jī)，顯著提高了安加拉A5火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力，但2015年的消息稱最早2021年KVTK上面級(jí)才有望投入使用。

KVTK上面級(jí)（單位：毫米）

安加拉-A5V結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，安加拉1.2和安加拉A5火箭都拿到了訂單，而安加拉A3作為紙面火箭前途未卜。安加拉火箭雖然未能替代所有的老式火箭，但它仍是俄羅斯新一代運(yùn)載火箭的代表。為了滿足未來(lái)載人航天的需求，赫魯尼切夫中心推出了安加拉A5P火箭，它去掉了第二級(jí)URM-2，通過(guò)使用一級(jí)半的設(shè)計(jì)可以將重達(dá)18噸的新一代載人飛船PTK-NP送入亞軌道，隨后飛船發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作進(jìn)入近地軌道。一級(jí)半火箭所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都在地面點(diǎn)火和檢測(cè)，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火出現(xiàn)故障的隱患，提高了火箭可靠性和發(fā)射成功率，這也是我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)B火箭的設(shè)計(jì)初衷。

赫魯尼切夫中心還曾在安加拉火箭基礎(chǔ)上提出了安加拉100超重型火箭方案，其近地軌道運(yùn)載能力超過(guò)了100噸，不過(guò)它既沒有使用安加拉火箭的URM-1和URM-2模塊，連發(fā)動(dòng)機(jī)也改用RD-170和RD-0122，實(shí)際上是截然不同的運(yùn)載火箭。赫魯尼切夫中心還提出了安加拉7/A7火箭的方案，安加拉7火箭可以將50噸載荷送入近地軌道，而更晚提出的安加拉A7可以將35噸的載荷送入傾角60度、高度200千米的軌道，或是將12.5噸的載荷送入同步轉(zhuǎn)移軌道，但它們同樣沒能得到官方支持，但這些論證尤其是氫氧上面級(jí)的方案，為后來(lái)的安加拉A5V火箭方案奠定了基礎(chǔ)。

安加拉A5V的出現(xiàn)

從最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)看，安加拉火箭的作用是研制一種全國(guó)產(chǎn)的運(yùn)載火箭，擺脫對(duì)外依賴的同時(shí)，以模塊化的設(shè)計(jì)取代原有種類繁多維護(hù)保障復(fù)雜的運(yùn)載火箭，因此安加拉A5的設(shè)計(jì)運(yùn)力只有24噸～25噸，恰好取代現(xiàn)役的質(zhì)子火箭。

PTK-NP飛船模型

2013年俄羅斯為了實(shí)現(xiàn)載人登月的宏偉目標(biāo)，進(jìn)行了超重型運(yùn)載火箭的招標(biāo)，俄國(guó)各設(shè)計(jì)局紛紛提出方案：赫魯尼切夫中心提交了Yenisei-5和Kaskad的方案，都使用基于RD-0120的氫氧芯級(jí)和液氧煤油助推器，近地軌道最大運(yùn)力接近130噸；能源集團(tuán)則是基于天頂火箭的Energia-5K和Sodruzhestvo方案，近地軌道最大運(yùn)力70噸～80噸；進(jìn)步設(shè)計(jì)局別出心裁地使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的stk方案，根據(jù)捆綁的液氧甲烷助推器數(shù)量不同，近地軌道最大運(yùn)力從85到190噸不等。計(jì)劃不如變化快，雖然俄羅斯啟動(dòng)了雄心勃勃的超重型運(yùn)載火箭和登月計(jì)劃，但政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)急轉(zhuǎn)直下之后，俄羅斯在2015年不得不無(wú)限期推遲超重型運(yùn)載火箭計(jì)劃，而安加拉A5V火箭恰恰在這個(gè)時(shí)候浮出了水面。

2014年底在經(jīng)濟(jì)衰退的影響下，俄羅斯航天預(yù)算也慘遭削減，無(wú)力支持超重型運(yùn)載火箭方案。2015年初俄羅斯航天局評(píng)估了替代方案，認(rèn)為不包括飛行試驗(yàn)的花銷，安加拉A5V火箭的研制成本預(yù)計(jì)需要370億盧布，而超重型運(yùn)載火箭的研制成本卻要高達(dá)7000億盧布，雖然安加拉A5V火箭的運(yùn)力弱得多，但卻是可行的選擇。安加拉A5V火箭的“5”代表了起飛級(jí)使用的URM數(shù)量，而“V”是俄語(yǔ)中Vodorod（氫）的縮寫，安加拉A5V是一種在安加拉A5基礎(chǔ)上，以氫氧上面級(jí)進(jìn)行升級(jí)的方案，它將用于載人登月等多種航天發(fā)射任務(wù)。

2015年3月俄羅斯航天局透露了安加拉A5V火箭的部分關(guān)鍵信息：為了將安加拉A5火箭的運(yùn)載能力提高到35噸，升級(jí)型號(hào)將使用更強(qiáng)大的低溫氫氧推進(jìn)段替換現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)URM-2推進(jìn)段，同時(shí)在起飛后的前40秒內(nèi)讓URM-1推進(jìn)段的5臺(tái)RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)以110%的推力工作。2015年4月俄羅斯航天局確認(rèn)安加拉A5V火箭將擁有38噸的近地軌道運(yùn)力，考慮設(shè)計(jì)方案潛在的挑戰(zhàn)和困難，運(yùn)力可能降低到35噸。俄羅斯還考慮為安加拉A5V火箭使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)，使用推力提高10%的RD-195發(fā)動(dòng)機(jī)替換RD-191發(fā)動(dòng)機(jī)，以避免超負(fù)荷工作的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還計(jì)劃為RD-195發(fā)動(dòng)機(jī)換裝延伸噴管，這些改進(jìn)措施可以進(jìn)一步提高安加拉A5V火箭的運(yùn)載能力。

安加拉A5V火箭最重要的升級(jí)措施是引進(jìn)了全新的氫氧第二級(jí)URM-2V。URM-2V基于已被取消的Rus-M火箭的氫氧第二級(jí)UKVB研制，仍由進(jìn)步設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)，總質(zhì)量約48噸。根據(jù)2015年3月的消息，URM-2V發(fā)動(dòng)機(jī)將使用單發(fā)RD-0150氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，RD-0150發(fā)動(dòng)機(jī)由俄羅斯化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)局（KBKhA）研制，真空比沖高達(dá)462秒。隨后俄羅斯媒體透露了URM-2V的第二種設(shè)計(jì)方案，新的替代方案將使用四臺(tái)RD-0146D發(fā)動(dòng)機(jī)的并聯(lián)方案，而2015年4月媒體又報(bào)道了更被看好的RD-0150雙發(fā)并聯(lián)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)推力約45噸。

俄羅斯在URM-2V方案和RD-0150氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上的折騰其實(shí)是一種必然。蘇聯(lián)雖然研制過(guò)氫氧芯級(jí)的能源號(hào)火箭，但從未將氫氧上面級(jí)投入使用，蘇聯(lián)解體以來(lái)俄羅斯更是無(wú)暇顧及氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在利用機(jī)會(huì)鍛煉研制隊(duì)伍重建研發(fā)體系，要比簡(jiǎn)單地選擇一種氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)更重要。小道消息稱為了滿足安加拉A5V火箭的需求，URM-2V的干重最多只能達(dá)到6噸，但一些保守的分析認(rèn)為現(xiàn)有設(shè)計(jì)下URM-2V干重最多可能達(dá)到12噸，URM-2V的超重看來(lái)不可避免，但真要超重兩倍，安加拉A5V火箭的運(yùn)力指標(biāo)就成為一個(gè)笑話了。從目前的消息看，URM-2V儲(chǔ)箱將改用共底結(jié)構(gòu)降低干重，滿足苛刻的干重要求。

安加拉A5V火箭設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是支持載人登月任務(wù)，為此它也分為貨運(yùn)和載人兩種版本，其中貨運(yùn)版本的第三級(jí)將使用KVTK液氧液氫推進(jìn)段，而載人版本將使用性能略差但可靠性得到驗(yàn)證的Block-DM液氧煤油推進(jìn)段。安加拉A5V火箭不僅近地軌道運(yùn)力要達(dá)到35噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力也將達(dá)到12到12.5噸，這使它不僅可以滿足俄羅斯發(fā)射大型軍用衛(wèi)星的需求，還可以和阿里安5等火箭競(jìng)爭(zhēng)高端商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射業(yè)務(wù)，從而分?jǐn)偦鸺兄坪褪褂贸杀尽?/p>

登月方案

根據(jù)較早的計(jì)劃，安加拉A5V火箭將在2023年發(fā)射模擬載荷，2024年發(fā)射不載人的PTK-NP飛船，隨后在2025年使用Block DM上面級(jí)和PTK-NP飛船進(jìn)行一次環(huán)月飛行，2029年實(shí)現(xiàn)登陸月球?，F(xiàn)在看來(lái)這個(gè)時(shí)間表恐怕無(wú)法得到保證，首次環(huán)月飛行可能推遲到2028年，2015年8月塔斯社報(bào)道由于相關(guān)的預(yù)算大幅度削減，俄羅斯首次登月時(shí)間至少要推遲到2033到2034年。

PTK飛船發(fā)射示意圖

UKVB-URM2V上面級(jí)

三級(jí)半構(gòu)型的安加拉A5V火箭運(yùn)力有限，只能將PTK-NP飛船送入直接奔月軌道，執(zhí)行類似嫦娥五號(hào)T1那樣的繞月自由返回軌道，要把PTKNP飛船或是環(huán)月空間站送入環(huán)月軌道，還必須增加一個(gè)第四級(jí)的太空拖船，太空拖船現(xiàn)在傾向于基于Block DM上面級(jí)研制。可以說(shuō)雖然安加拉A5V火箭研制成本低，但運(yùn)力對(duì)比超重型運(yùn)載火箭大幅度降低，俄羅斯的載人登月計(jì)劃反而變得相當(dāng)復(fù)雜。

安加拉-5V火箭燃料儲(chǔ)箱

根據(jù)2015年莫斯科航展上的載人登月模擬視頻，一次載人環(huán)月任務(wù)必須發(fā)射兩枚安加拉A5V火箭，其中一枚發(fā)射Block DM上面級(jí)和載人飛船，另一枚火箭發(fā)射KVTK上面級(jí)，兩者對(duì)接后由KVTK上面級(jí)將載人飛船送入奔月軌道，再由Block DM執(zhí)行月球軌道插入任務(wù)。如果要執(zhí)行載人登月任務(wù)，則需要4枚安加拉A5V火箭，其中一枚火箭發(fā)射Block DM上面級(jí)和登月艙，另一枚火箭發(fā)射KVTK上面級(jí)，兩者對(duì)接后由KVKT上面級(jí)將登月艙送入奔月軌道，Block DM上面級(jí)執(zhí)行月球軌道插入。登月艙和PTKNP飛船將在環(huán)月軌道上對(duì)接，登月艙減速軟著陸進(jìn)行載人登月。對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)，俄羅斯的載人登月方案看起來(lái)十分熟悉，美國(guó)航宇局前任局長(zhǎng)格里芬曾預(yù)言中國(guó)可能在2020年前載人登月，他提出的中國(guó)載人登月方案和俄羅斯現(xiàn)在的方案如出一轍，當(dāng)然格里芬方案里中國(guó)用長(zhǎng)征五號(hào)火箭，而現(xiàn)在俄國(guó)使用安加拉A5V火箭而已。

由于運(yùn)力大幅度下降，基于安加拉A5V的載人登月任務(wù)復(fù)雜度提高。俄羅斯國(guó)內(nèi)曾有人批評(píng)，認(rèn)為建成月面基地需要發(fā)射40枚安加拉A5V火箭，而哪怕是近地軌道運(yùn)載能力只有75噸的超重型運(yùn)載火箭，卻僅僅只需要8枚，安加拉A5V火箭的省錢不過(guò)是朝三暮四的游戲，反而讓俄羅斯航天工業(yè)失去了研制超重型運(yùn)載火箭的機(jī)會(huì)和資金。雖然存在這些批評(píng)，但超重型運(yùn)載火箭研制所需的7000億盧布，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了俄羅斯航天系統(tǒng)所能得到的預(yù)算，目前俄羅斯載人登月只能在現(xiàn)實(shí)預(yù)算基礎(chǔ)上精打細(xì)算，在航天預(yù)算削減的寒冬面前，安加拉A5V火箭是最可行的選擇。

環(huán)月空間站