俄羅斯安加拉-A5火箭上面級研制縱觀

楊青格 吳小寧 林倩

（1 北京航天動力研究所，2 北京航天長征科技信息研究所，3 中國長城工業(yè)總公司）

1 引言

安加拉-A5是俄羅斯“安加拉”系列中的重型運載火箭，俄羅斯自主研制的第一款重型運載火箭，由赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心負責，主要供應給俄羅斯國防部。與質(zhì)子號不同，它使用環(huán)保推進劑，將大幅度減少發(fā)射帶來的環(huán)境破壞。能源火箭航天公司計劃使用安加拉-A5火箭發(fā)射俄聯(lián)邦新一代載人飛船。

上面級是多級火箭一子級以上部分，常為二子級或三子級，可多次起動，滿足不同的發(fā)射任務，將載荷送入既定軌道?？梢哉f，火箭的運載能力在很大程度上取決于上面級。安加拉-A5火箭計劃使用3種上面級，至今共發(fā)射3次：前兩次均采用上面級微風-M（Briz-M），第三次采用上面級“珀爾修斯”。按照計劃，還有一種在研上面級KVDK。前兩款上面級主發(fā)動機均使用液氧煤油發(fā)動機，第三款上面級則將使用氫氧發(fā)動機。

2 上面級微風―M

“微風”系列上面級共兩款：即微風-M和微風-KM。2000年兩者均已成功完成首飛：微風-M用于質(zhì)子-M（Proton-M）火箭；微風-KM用于隆海號火箭。這兩款上面級最大的差異為微風-M配備額外的推進劑貯箱，給運載器提供了更大的特征速度（Delta-V）余量，提高了有效載荷。該上面級以非常密集的布局為特色。

微風―M結(jié)構(gòu)圖

上面級微風-M的發(fā)動機位于貯箱內(nèi)，此外，貯箱內(nèi)還包含增壓氦氣罐。燃料和氧化劑使用共底貯箱，貯箱具備承重能力，無需支架。其可拋貯箱實際上相當于半個子級，拋掉空貯箱后可以提高加速度。

雖然密集的結(jié)構(gòu)布局能夠縮小發(fā)動機尺寸，減輕重量，但也存在一些缺點，比如：發(fā)動機特別靠近貯箱和管路，運行時不利于散熱。其中，過高的推進劑溫度（規(guī)格范圍內(nèi)1～2℃）和發(fā)動機運行時過高的熱強度（也在規(guī)格范圍內(nèi)）均會導致氧化劑沸騰，從而破壞渦輪泵液體氧化劑冷卻，發(fā)動機故障。

“微風”上面級的推進系統(tǒng)均由3種發(fā)動機組成：1個主發(fā)動機(14D30)、4個備用發(fā)動機（用于在啟動發(fā)動機前將推進劑沉積貯箱底部）和12個姿態(tài)控制發(fā)動機。

盡管為開路結(jié)構(gòu)，主發(fā)動機也擁有較高的性能，燃燒室氣壓1.01×10Pa，單位比沖328.6s，最多可起動8次，運行時間不少于1天。

2014年，農(nóng)村水電工作的總體思路是：在水利部黨組的堅強領(lǐng)導下，銳意進取，扎實工作，全面貫徹落實黨的十八大和十八屆三中全會精神，按照深化水利改革的總體部署，結(jié)合農(nóng)村水電實際，進一步解放思想，努力破除影響農(nóng)村水電發(fā)展的體制機制障礙，切實轉(zhuǎn)變和正確履行政府職能，發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，全面激發(fā)農(nóng)村水電發(fā)展活力，為農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展服務，努力實現(xiàn)農(nóng)村水電改革新跨越。

“微風”上面級濕質(zhì)量為22.5t，有效載荷為6t。與三子級分離后總質(zhì)量低于26t。其推重比約為0.76。這是“微風”的一個小缺點?！拔L”和三子級分離后處于開放軌道，需要額外發(fā)射的沖量，而發(fā)動機推力過小造成重力損失約1%～2%。因此長時間的運行對可靠性提出了更高的要求。此外，主發(fā)動機需保證運行時間長達3200s（近1h）。

安加拉-A5.1及上面級微風-M于莫斯科時間2014年12月23日由普列謝茨克發(fā)射場順利發(fā)射。運載火箭質(zhì)量約為768t，有效載荷質(zhì)量為2.04t。上面級微風-M經(jīng)過多次軌道修正后，將有效載荷發(fā)射到地球靜止軌道（高3.58×10km）。有效載荷與上面級未分離，同滯留于既定軌道。

3 上面級“珀爾修斯”

“珀爾修斯”是一款新型俄羅斯上面級模塊，計劃用于“安加拉”系列運載火箭。它基于能源號火箭的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改良，是古老的上面級模塊D系列的一部分。

上面級“珀爾修斯”結(jié)構(gòu)圖

上面級微風―M部分技術(shù)參數(shù)

上面級“珀爾修斯”部分技術(shù)參數(shù)

從設(shè)計的角度來看，“珀爾修斯”是對上面級11C861-03或ДМ-03的深度現(xiàn)代化改造?！扮隊栃匏埂钡牡谝粋€版本是由能源火箭航天公司按照俄羅斯航天國家集團的命令在Двина-ДМ項目內(nèi)進行開發(fā)。該款上面級首先計劃用于質(zhì)子-M火箭，然后再用于安加拉-A5火箭。后來對14C48項目計劃進行了調(diào)整，決定放棄質(zhì)子-M火箭的兼容性?，F(xiàn)在安加拉-A5火箭被認為是14C48上面級的主要載體。

2017-2018年，第一款“珀爾修斯”上面級開始設(shè)計并生產(chǎn)。克拉斯諾亞爾斯克機械廠、沃羅涅日機械廠等多家企業(yè)均參與其中。2018年12月，克拉斯諾亞爾斯克機械廠完成部件及系統(tǒng)組裝后，將發(fā)動機樣機移交能源火箭航天公司。

上面級14C49“珀爾修斯”結(jié)構(gòu)圖

2019-2020年，新型上面級“珀爾修斯”順利完成地面測試，準備用于安加拉-A5火箭的發(fā)射任務。

目前，基于上面級14C48正在研發(fā)14C49，計劃配備不同的推進系統(tǒng)和儀器，保留“珀爾修斯”的技術(shù)特性。

上面級14C49部分技術(shù)參數(shù)

在設(shè)計方面，上面級“珀爾修斯”安裝了推進劑貯箱、控制系統(tǒng)，以及用于固定有效載荷和上面級的裝置。其主發(fā)動機為液氧煤油發(fā)動機11D58M，真空推力將達到8500kg，總運行時間為1200s，可起動7次，發(fā)動機推進劑貯箱進行了擴容。干重為3240kg，可攜帶近19t的推進劑，遠遠重于前身上面級模塊D。據(jù)悉，“珀爾修斯”可與最新型運載火箭兼容，并且以高精度和高能效移除負載，可將航天器從參考軌道轉(zhuǎn)移到目標近地球軌道或離地軌道。

然而,在2021年的發(fā)射中，“珀爾修斯”發(fā)生了一些意外。其發(fā)動機只起動1次，僅將有效載荷發(fā)射到176km×200km的軌道上，無法繼續(xù)三脈沖方案。如果不采取任何行動，上面級將在幾周內(nèi)脫軌。幸運的是，設(shè)備故障并沒有給航天器帶來巨大損失。

目前“珀爾修斯”項目涉及在普列謝茨克航天發(fā)射場為安加拉-A5創(chuàng)建一個上面級綜合體。根據(jù)俄羅斯2016-2025年的聯(lián)邦太空計劃，東方航天發(fā)射場將建造一個類似的綜合設(shè)施，名為“獵戶座”。克拉斯諾亞爾斯克機械廠負責建造上面級14C48用于靜態(tài)測試的上面級氧箱架構(gòu)，以及用于振動強度測試的基本模塊和2個飛行器。計劃于2022年進行上面級“珀爾修斯”第二次發(fā)射，用于搭載衛(wèi)星有效載荷。

4 上面級KVDK

上面級KVDK由赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心負責研制，計劃于2024年發(fā)射，用以提高安加拉-A5火箭的運載能力，將單個或成組航天器發(fā)射到高能軌道。在結(jié)構(gòu)上，KVDK包括一個配套的液氫貯箱、一個懸浮的液氧貯箱、一個等格隔板和碳纖維強化塑料制成的儀表艙。它是通過下墊片直接安裝在運載火箭上。貯箱表層覆有“伊索綸”玻璃纖維泡沫和多層屏幕真空絕緣材料，以此保障在太空條件下進行長期飛行（長達9h），主發(fā)動機多次起動（5次）?；谏厦婕塊VDK將開發(fā)集設(shè)計、推進系統(tǒng)和機載設(shè)備高度統(tǒng)一的低溫上面級和軌道拖船系統(tǒng)。不僅可以降低技術(shù)風險、時間和成本，還可以長期保持運載火箭的高能效率。

安加拉―A5上面級KVDK的基本參數(shù)

發(fā)動機RD0146D1推力為9噸級，是化學自動化設(shè)計局研發(fā)的RD0146系列發(fā)動機之一。這是俄羅斯第一臺無氣體發(fā)生器的液體火箭發(fā)動機，也是世界上第一臺根據(jù)獨立雙軸方案（向渦輪連續(xù)供氣）制造的液體火箭發(fā)動機。該設(shè)計證明了具有最佳機組特性的供應系統(tǒng)效率。

2021年12月29日,沃羅涅日火箭發(fā)動機制造中心（隸屬于格魯什科動力機械制造生產(chǎn)聯(lián)合公司）的氫氧發(fā)動機RD0146D1試車成功。測試過程為在額定工況下起動發(fā)動機，并根據(jù)指定測試程序關(guān)機。該款氫氧發(fā)動機計劃用于安加拉-A5火箭上面級KVDK。與之前用于火箭安加拉-A5上面級所研制和測試氫氧發(fā)動機相比，新款發(fā)動機將推力提高了20%。本次試車成功證明了現(xiàn)階段制定的所有設(shè)計和技術(shù)解決方案具有可靠性。

發(fā)動機RD0146基本參數(shù)

可以說RD0146是上面級KVDK動力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，它配備獨立的氫泵和氧泵，可以多次點火。為了讓氫泵轉(zhuǎn)速達到120000千轉(zhuǎn)/min第一次給發(fā)動機配備高速軸承，以保證在液氫條件下的工作性能?；瘜W自動化設(shè)計局擁有全套的液體火箭發(fā)動機設(shè)計流程，并且進行了多種試驗，保留了全部數(shù)據(jù)和文件?；赗D0146可以改裝成新的發(fā)動機（RD0146D），成本低，其中包括改裝成甲烷發(fā)動機。

目前，化學自動化設(shè)計局正在對RD0146進行供氧系統(tǒng)測試，制氫建設(shè)也即將完工。研制過程中的一個重點難題為需要10個發(fā)動機樣機分別進行測試。為解決上述問題，他們主張在元件自主測試期間，對發(fā)動機元件性能進行額外檢查。

同期，赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心也設(shè)計了一款10.5噸級的氫氧發(fā)動機RD0148，計劃用于上面級及有效載荷。該款發(fā)動機的設(shè)計方案為燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)，帶有經(jīng)典的補燃閉合環(huán)路。其電路結(jié)構(gòu)設(shè)計沿用RD0146的方案。

5 結(jié)束語

俄羅斯航天國家集團在氫氧發(fā)動機的研制道路上一直砥礪前行，以化學自動化設(shè)計局為代表，出品了系列高可靠性發(fā)動機，如：RD56，RD57，RD0120及RD0146等。

安加拉-A5火箭作為俄羅斯新一代重要火箭型號，對航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域來說意義重大。其上面級及主發(fā)動機技術(shù)也給世界航天事業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動作用。尤其是氫氧上面級技術(shù)對我國很有借鑒價值。

安加拉-A5火箭3種上面級主發(fā)動機均使用低溫推進劑液氧煤油和氫氧，這體現(xiàn)著未來上面級技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢：即低溫推進劑的使用及延展。

新型上面級KVDK雖是在研階段，但足見俄方對其重視程度，以及對氫氧推進系統(tǒng)的研發(fā)力度。我們相信，在今后的載人探月、探火任務中氫氧上面級KVDK將給人類歷史留下濃墨重彩的一筆。