R-7：將人類帶入航天時(shí)代

□邢強(qiáng)

R-7：將人類帶入航天時(shí)代

□邢強(qiáng)

V-2導(dǎo)彈是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的鼻祖，而從彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的發(fā)展史上來看，將人類真正帶入航天時(shí)代的，當(dāng)屬蘇聯(lián)的R-7彈道導(dǎo)彈/運(yùn)載火箭家族。

世界上第一枚洲際彈道導(dǎo)彈、第一顆人造地球衛(wèi)星、第一位進(jìn)入太空的航天員、第一次月球探測(cè)、第一次行星探測(cè)都與這個(gè)導(dǎo)彈家族有著密切的聯(lián)系。如今，我們依然能夠看到這個(gè)導(dǎo)彈/運(yùn)載火箭家族中的年輕一代為國際空間站的維護(hù)做著貢獻(xiàn)。R-7導(dǎo)彈家族身上有著太多傳奇，而其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也有太多值得我們現(xiàn)在的導(dǎo)彈和火箭設(shè)計(jì)師借鑒的地方。

要做就做個(gè)大的

從嚴(yán)格意義上來說，蘇聯(lián)是在1946年開始擁有成體系的導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)的。到了1948年，以科羅廖夫?yàn)榭傇O(shè)計(jì)師的蘇聯(lián)導(dǎo)彈研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出了R-1彈道導(dǎo)彈，后來又有了R-3彈道導(dǎo)彈。27米長(zhǎng)，直徑2.8米，起飛質(zhì)量為7.2噸的R-3導(dǎo)彈可以打擊到3000千米之外的目標(biāo)。當(dāng)時(shí)，將人類第一顆衛(wèi)星送入太空的夢(mèng)想在美蘇等有能力發(fā)展遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的國家中得到的關(guān)注越來越多。美蘇兩國在二戰(zhàn)之后的對(duì)抗也愈發(fā)明顯，發(fā)展能夠從各自的本土打擊到對(duì)方領(lǐng)土的彈道導(dǎo)彈的任務(wù)需求也越來越強(qiáng)烈。

一開始，蘇聯(lián)方面有工程師提出，將3枚R-3彈道導(dǎo)彈并聯(lián)起來發(fā)射的話，可以實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星送入太空的要求，也能打到美國本土。但是，科羅廖夫從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度提出，蘇聯(lián)需要一枚更大的導(dǎo)彈，這枚導(dǎo)彈不僅僅可以滿足打擊美國本土的需求，更能夠在將來把衛(wèi)星送入環(huán)繞地球的軌道，把探測(cè)器送上月球、金星和火星。因此，無論是導(dǎo)彈還是火箭，要做，就做個(gè)大的！

分秒必爭(zhēng)

于是，從1953年開始，整個(gè)團(tuán)隊(duì)把全部精力都放在了這個(gè)名為R-7的導(dǎo)彈上。1957年，R-7導(dǎo)彈經(jīng)過工程師們3年來的努力，終于橫空出世。能夠攜帶核彈頭的導(dǎo)彈成為了核威懾力量的中流砥柱。按照當(dāng)時(shí)大部分工程師認(rèn)同的觀點(diǎn)，當(dāng)一枚彈道導(dǎo)彈的射程超過5500千米的時(shí)候，就可被稱作洲際彈道導(dǎo)彈。美蘇當(dāng)時(shí)基本上都具備了發(fā)展這種武器的條件，所以，爭(zhēng)奪第一的競(jìng)賽開始變得白熱化。

1957年4月，一輛專列將R-7彈道導(dǎo)彈運(yùn)送到拜科努爾發(fā)射中心附近。5月15日導(dǎo)彈發(fā)射。但是，在飛行了88秒之后，導(dǎo)彈突發(fā)故障，隨后，第一枚試射的R-7導(dǎo)彈墜毀在400千米外的沙漠上。而這些活動(dòng)，早就被美國盯上了。1957年，一架剛剛?cè)胍鄣腢-2偵察機(jī)飛臨拜科努爾上空進(jìn)行拍攝。多年來，美國一直在尋找蘇聯(lián)的彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭的研發(fā)中心和發(fā)射基地。終于，在1957年，趁著蘇聯(lián)的導(dǎo)彈試射活動(dòng)開始密集出現(xiàn)的時(shí)候，美國的高空偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)了位于丘拉塔姆小鎮(zhèn)旁邊的這個(gè)發(fā)射中心。

蘇聯(lián)第一次試射的失敗讓美國人感到機(jī)會(huì)來了。1957年6月初，一枚美國宇宙神彈道導(dǎo)彈拔地而起。美國康維爾飛機(jī)公司于1948年和1949年之間在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場(chǎng)取得了不少成果，不過該公司沒能說服美國空軍進(jìn)行支持。但是，他們認(rèn)為值得一拼，因此決定自籌經(jīng)費(fèi)繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)?？墒牵瑢?dǎo)彈發(fā)射后不久就爆炸了，沒能飛出洲際彈道導(dǎo)彈要求的彈道。

1957年6月11日，得知美國人也在進(jìn)行洲際彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)的蘇聯(lián)人再次進(jìn)行了一枚R-7彈道導(dǎo)彈的試驗(yàn)。不過，這一次比上次的飛行時(shí)間還要短。導(dǎo)彈升空后33秒，就出現(xiàn)了難以控制的滾轉(zhuǎn)，在空中解體爆炸。

1957年8月21日，第三枚R-7彈道導(dǎo)彈被運(yùn)往拜科努爾的發(fā)射場(chǎng)。當(dāng)日，導(dǎo)彈從拜科努爾升空，沖出稠密大氣，飛出了漂亮的亞軌道彈道，然后，導(dǎo)彈的彈頭再入大氣，一頭扎進(jìn)了太平洋。5天后，蘇聯(lián)宣布成功進(jìn)行了一枚洲際彈道導(dǎo)彈的試射，命中6000千米外的預(yù)定海域。從此，洲際彈道導(dǎo)彈這類飛行器正式誕生了。R-7，這款初出茅廬的導(dǎo)彈使蘇聯(lián)成為了世界上最早掌握洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)的國家。

▲ R-7導(dǎo)彈使蘇聯(lián)成為世界上最早掌握洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)的國家

贏得第一

R-7洲際彈道導(dǎo)彈全長(zhǎng)34米，芯級(jí)直徑3.02米，重280噸。其設(shè)計(jì)最大射程為8800千米，圓概率誤差為5千米，能夠攜帶一枚當(dāng)量為300萬噸TNT的核彈頭。從外形上看，R-7導(dǎo)彈最大的特征就是側(cè)面的4個(gè)外掛式助推器了。每臺(tái)助推器的長(zhǎng)度為19米，最大直徑為3米。助推器越往上越收斂，并逐漸變?yōu)橐粋€(gè)傾斜尖錐。尖錐的頂角為10°。R-7彈道導(dǎo)彈可以采用不同的彈頭配置。從1957年到1961年，R-7進(jìn)行了28次試射，其中25次成功。

▲ R-7導(dǎo)彈有5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每一臺(tái)都有4個(gè)主燃燒室，因此，R-7系列火箭的底部有20個(gè)噴管。這種布局被聯(lián)盟運(yùn)載火箭所繼承，一直沿用至今

在經(jīng)過多次洲際彈道導(dǎo)彈試射后，蘇聯(lián)人認(rèn)為時(shí)機(jī)成熟了。于是，他們正式啟動(dòng)了人造地球衛(wèi)星的發(fā)射計(jì)劃。1957年10月4日，在拜科努爾發(fā)射中心升空的，由R-7洲際彈道導(dǎo)彈改造而來的人類第一枚運(yùn)載火箭，將人類第一顆人造衛(wèi)星送入了太空。由此，太空競(jìng)賽正式拉開帷幕，人類進(jìn)入了航天時(shí)代。

按照通常的說法，由R-7導(dǎo)彈改來的火箭為一枚二級(jí)運(yùn)載火箭。但是嚴(yán)格來說，這是一枚一級(jí)半運(yùn)載火箭。傳統(tǒng)意義上的二級(jí)運(yùn)載火箭指的是一級(jí)先點(diǎn)火，然后一級(jí)與二級(jí)分離后，在一級(jí)火箭上面的二級(jí)火箭再點(diǎn)火全推力工作。但是， R-7的5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)（芯級(jí)1臺(tái)，4個(gè)助推各1臺(tái)）是在地面同時(shí)點(diǎn)火的，只不過，芯級(jí)的燃料貯箱大一些，能夠使芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)間足夠長(zhǎng)。當(dāng)助推器中的燃料燒盡后，助推器分離。這樣的設(shè)計(jì)，使得R-7避免了那個(gè)年代的多級(jí)導(dǎo)彈或者火箭要面臨的一個(gè)重大難題：上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的高空或者真空環(huán)境中的點(diǎn)火可靠性問題。

R-7助推器分離的設(shè)計(jì)很有趣：燃料燃盡后，助推器底部與芯級(jí)相連的地方被火工品炸開，然后液氧貯箱中殘余的高壓氣體被釋放出來，使助推器繞著頂端與芯級(jí)相連的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)由球形接頭和帶豁口的連接盤組成，當(dāng)助推器旋轉(zhuǎn)的角度足夠大的時(shí)候，助推器便從豁口中脫離下來，并最終墜落到地面。

R-7導(dǎo)彈的5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)每一臺(tái)都有4個(gè)主燃燒室，因此，R-7系列火箭的底部有20個(gè)較大的噴管。另外，中間的芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的四周有4個(gè)小噴管，那是用來調(diào)整火箭姿態(tài)的游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而每臺(tái)助推器上也有2臺(tái)小游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

RD-107是一臺(tái)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（蘇聯(lián)人在上世紀(jì)50年代就掌握了成熟的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。）。其燃燒室壓力為5.88MPa，海平面推力高達(dá)813.98千牛，真空推力更是超過了1000千牛。R-7系列火箭芯級(jí)那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)叫做RD-108，基本性能和RD-107相近，只不過多用了2臺(tái)游機(jī)，因此比RD-107重了93千克。

RD-107全高2.865米，整體外框直徑1.85米，真空比沖313秒。這款自上世紀(jì)50年代來到這個(gè)世界的發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)優(yōu)秀，性能優(yōu)良。進(jìn)入工作狀態(tài)后，RD-107的渦輪泵主軸可達(dá)到每分鐘8300轉(zhuǎn)的高速，產(chǎn)生5200馬力的超強(qiáng)功率。

要知道，最早宣布將要發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家是美國。1955年7月29日，時(shí)任美國總統(tǒng)艾森豪威爾通過白宮新聞秘書發(fā)布美國將于1957年（即國際地球物理年）的時(shí)候發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星。結(jié)果，蘇聯(lián)的R-7火箭家族拔得頭籌，在1957年10月4日把人類第一顆人造地球衛(wèi)星送上了太空。

▲ 廠房?jī)?nèi)準(zhǔn)備進(jìn)行總裝的聯(lián)盟火箭

贏得更多第一

就在馮·布勞恩帶隊(duì)的美國工程師團(tuán)隊(duì)急于兌現(xiàn)艾森豪威爾總統(tǒng)的承諾時(shí)，R-7火箭家族又一次給了他們巨大的打擊。1957年11月3日，R-7火箭家族的一枚火箭發(fā)射了人類第二顆人造地球衛(wèi)星，這下美國人連第二也沒能爭(zhēng)到。而且，這枚衛(wèi)星里面攜帶了一只為科學(xué)而獻(xiàn)身的小狗——萊卡。這只在莫斯科街頭被人們尋獲的雌性流浪小狗，搭乘R-7系列運(yùn)載火箭進(jìn)入太空，成為第一只進(jìn)入繞地軌道的動(dòng)物。

緩過神來的美國人終于在1958年2月1日發(fā)射了他們的第一枚人造地球衛(wèi)星（重13.97千克）。

然而，R-7系列火箭再一次創(chuàng)造了歷史：

1958年5月15日，就在第一枚R-7導(dǎo)彈試射失敗一周年的時(shí)候，蘇聯(lián)人將一枚載滿地球物理探測(cè)設(shè)備的衛(wèi)星送入了太空。在長(zhǎng)達(dá)692天的軌道運(yùn)行時(shí)間里，該衛(wèi)星進(jìn)行了大量觀測(cè)和試驗(yàn)。令人感慨的是，這枚衛(wèi)星重達(dá)1.327噸！其質(zhì)量是美國100多天前發(fā)射的人造衛(wèi)星的95倍！

第一枚洲際彈道導(dǎo)彈、第一枚運(yùn)載火箭、將第一顆人造地球衛(wèi)星送上太空，把第一個(gè)動(dòng)物送入繞地軌道，讓第一顆超過1噸重的衛(wèi)星在太空工作，都是R-7完成的。接下來，近地軌道的圣杯中，或許就只剩下第一個(gè)把人類送入繞地軌道這一個(gè)了。當(dāng)然，就在全世界為R-7在近地軌道上創(chuàng)造的各種紀(jì)錄而驚嘆的時(shí)候，R-7系列火箭已經(jīng)把目光望向了更遠(yuǎn)處。

1958年9月23日，R-7火箭發(fā)射了人類第一個(gè)月球探測(cè)器。然后，在人們的感慨聲中，到1960年4月16日，R-7火箭連續(xù)發(fā)射了9個(gè)月球探測(cè)器（有2次成功）。

后來的事情可能大家就更熟悉了：1961年4月12日，莫斯科時(shí)間上午9時(shí)07分，加加林乘坐東方一號(hào)宇宙飛船從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)起飛，在遠(yuǎn)地點(diǎn)為301千米的軌道上繞地球一圈，于上午10時(shí)55分安全返回，降落在薩拉托夫州斯梅洛夫卡村地區(qū)，完成了世界上首次載人航天飛行，實(shí)現(xiàn)了人類進(jìn)入太空的愿望。他駕駛的東方一號(hào)飛船成為世界上第一個(gè)載人進(jìn)入外層空間的航天器，在軌飛行了108分鐘。

此時(shí)的火箭，改進(jìn)的地方主要是增加了一級(jí)。增加的一級(jí)高3.1米，直徑2.58米，里面裝有一臺(tái)RD-0109發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)也是液氧煤油的！也就是說，蘇聯(lián)在上世紀(jì)60年代就掌握了在真空環(huán)境中啟動(dòng)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。這一點(diǎn)即使放到今天，依然值得火箭設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)驕傲。RD-0109運(yùn)行可靠，從1960年12月12日開始投入使用之后，一直為R-7系列運(yùn)載火箭服務(wù)，直到1991年8月29日，才算是走完了它31年的輝煌生涯。

R-7導(dǎo)彈、衛(wèi)星號(hào)火箭、東方號(hào)火箭、閃電號(hào)火箭，它們用的都是R-7系列火箭的基礎(chǔ)級(jí)，只不過因?yàn)檩d荷的不同，而有了不同的上面級(jí)配置。而R-7系列火箭后來改型的名字就太令人熟悉了，那就是大名鼎鼎的聯(lián)盟火箭。

后來，R-7系列運(yùn)載火箭的噴管材料有了新的改進(jìn)，大量引入了鈦合金。不過，火箭基礎(chǔ)級(jí)的總體設(shè)計(jì)，60年來沒有大改。如今，R-7系列運(yùn)載火箭已經(jīng)成了很多博物館的標(biāo)志。這種水平運(yùn)輸、垂直起豎發(fā)射的方式，幾十年來也沒有變化，變化的只有人類越來越遠(yuǎn)大的理想和越來越復(fù)雜的航天器載荷。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1957年5月15日的R-7彈道導(dǎo)彈的首次試射，到2017年7月14日，一枚聯(lián)盟-2.1a火箭將一顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，隨后又進(jìn)行3次變軌操作，將72顆小衛(wèi)星送入各自軌道，R-7系列導(dǎo)彈/運(yùn)載火箭總共進(jìn)行了1870次發(fā)射，是世界上發(fā)射次數(shù)最多的火箭系列。而且像聯(lián)盟-U、聯(lián)盟-FG、聯(lián)盟-2.1a、2.1b、聯(lián)盟2-1v這些型號(hào)依然準(zhǔn)備著執(zhí)行新的發(fā)射任務(wù)，因此這個(gè)紀(jì)錄還將由R-7系列火箭自身不斷地打破。

責(zé)任編輯：薛滔