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N1重型運載火箭

N1運載火箭是蘇聯研發的用來將蘇聯宇航員送到月球的火箭。N1就是俄語носитель(運載器)的縮寫。N1火箭研發工作比土星五號晚,不僅資金短缺、未測試,四次發射試驗都失敗了,于是蘇聯在1976年正式取消了這項工程。

火箭名稱N1重型運載火箭研制國家前蘇聯
用途登月火箭發射次數4次(全失敗)
火箭高度105m火箭直徑17m
質量2,735噸節數5
LEO運載能力75噸發射場拜科努爾航天發射場

火箭概述

蘇聯的月球發射計劃是用一個單獨的發射工具,即“N-1”號運載火箭,并且要在月球軌道實現對接,這和美國用土星5號發射“阿波羅”號和登月艙飛船是采用的是相同的方式。N-1號曾在1969年2月21日發射,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日又進行了一次發射演習,但也失敗。前蘇聯又分別于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,發射后幾秒鐘,推進器失去控制,不斷旋轉搖擺。計算機關閉了發動機,N-1火箭又一次掉下來,完全毀壞了1969年已經嚴重毀壞的第二個發射臺和塔臺。可能是由于時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射,之前卻沒有進行過測試或試驗。但是后來“N-1”火箭經過技術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人的登月之夢,蘇聯設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險。回顧硬件制造過程、發射經過,以及花費,沒人能懷疑航天員們的技術及超人的勇氣。

技術諸元

第一級 - A段

引擎:30臺NK-15

推力:5,130,000 千牛 (50.3 MN)

比重: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:1,431,680 kgf (14.04 MN)

比重: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:164,000 kgf (1.61 MN)

比重: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:45,479 kgf (446.00 kN)

比重:353 s (3,460 N·s/kg)

推進時間;443 s

燃料:RP-1/LOX

第五級 - D段

發動機:1臺RD-58

推力:8,500 kgf

比沖:394 s (3,860 N·s/kg)

推進時間:600 s

燃料:RP-1/LOX

研發歷史

1959年,N1的研發在謝爾蓋·科羅廖夫(Sergey Korolyov)的帶領下在他的科羅廖夫設計局(OKB-1)展開了。原方案是在火箭的上面級使用一臺核發動機,使之能夠發射50噸的載荷,用于軍用太空站和載人火星飛船的發射。其中N1火箭尺寸最大;N2稍小,N3最小。當時并沒有展開實際研發,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計師的會議上,設計師各自提出他們最新設計。科羅廖夫提出了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彈,將揚格利的R-36作為重型洲際導彈方案,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年有了轉機,3月在一次在拜科努爾舉行的會議期間,諸位設計師一起探討了N1方案和另一個正在設計中的R-20方案。6月,科羅廖夫得到了用于N1研發的小額經費。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(后來的聯盟號飛船)進行地球軌道集合的登月計劃。這個計劃需要發射數次來完成登月組件運用,一個是聯盟號飛船,一個是登月艙,還有用于地月間推進的發動機和燃料的輔助設備。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。然而當時的蘇聯還是無力進行這樣密集的發射。科羅廖夫于是研發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發動機。這種發動機已廣泛用于古魯什科的現有發動機設計和多種洲際導彈中。然而,RD-270使用的四氧化二氮和偏二甲肼產生的比沖低于煤油液氧組合。科羅廖夫認為高性能發動機必須用高性能燃料,而且也對使用聯氨的安全性提出質疑。

分歧最終導致科羅廖夫與古魯什科的合作陷入僵局,1962年,設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設計局。庫茲涅佐夫的火箭設計經驗有限,他將一種根據海拔不同型號各異的發動機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臺NK-15,形成發動機群,這種環狀結構中間留空,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第一級的環形發動機群形成了一種原始的瓦形發動機。

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可以設計出更簡單的發動機版本。這個方案就是UR-500。

當時的蘇軍尤其是戰略導彈部隊,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和聯盟號7KL1的研發被提上了日程。

雙子座計劃讓美國在太空領域領先于蘇聯,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,同時設計出新的登月飛船L3。L3飛船包含了地球推進發動機,改造后的聯盟號7K-L3和新的LK月球著陸器。而切洛梅提出了另一套方案,一艘已經開始研制的L1飛船和他自己設計的著陸器。1964年8月,科羅廖夫的方案被選定,而切洛梅則繼續他的環月飛船UR-500/L1的研發。

1964年赫魯曉夫垮臺后,兩人重新開始了明爭暗斗。1965年10月,蘇聯政府宣布:繞月飛行任務將使用切洛梅的UR-500搭配科羅廖夫的聯盟號飛船,代替了切洛梅自己的探測器號飛船。第一次發射定于十月革命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術爭鋒,但L1的研究也在繼續。

1966年,科羅廖夫死于一次外科手術并發癥,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,這個問題導致N1最后的失敗,以致登月計劃整體的失敗。

存在問題

復雜的發動機群導致輸送推進劑的管道設計也很復雜,而這種極端脆弱的結構是導致N1最后失敗的罪魁。有趣的是,當時是否要花大價錢研發用于土星五號的F-1發動機還是一個爭論的焦點,有一種設計方案就是采用類似N1的發動機群。而N1的失敗給了支持這一方案的人一個教訓。

用于發射N1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。結果,許多潛在問題都不能即時發現并排除,例如有害震動(可能導致推進劑管道破裂),廢氣流體力學問題(可能導致箭體翻滾)。

種種的技術失誤,以及缺乏資金支持,N1從未經過嚴格的出廠測試,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N1F研發,希望這款火箭今后能用于發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。當時兩枚N1F已經做好了發射準備。

緊隨N1計劃之后的是1976年的能源號-暴風雪號計劃啟動,以及質子火箭的研制。

火箭遺產

兩枚待飛的N1F火箭殘體現在仍擺放拜科努爾,被當作儲藏庫。起動發動機被人為破壞以掩蓋蘇聯的破產的登月計劃,以此欺騙美國以為登月競賽還在繼續。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動機的生產權。

由噴飛公司搭橋,日本的J-1和J-2火箭采用了3臺發動機。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N1發動機的新火箭研制計劃也在2005年因資金短缺而破產。

發射記錄

1969年2月21日發射:由于燃氣發生器意外地高頻振動,一處導管裂開,導致發動機失火。火勢延伸到發動機控制系統,于是在飛行68.7秒后,發動機停車。火箭在69秒后在12,200米高空爆炸。

1969年7月3日發射:一顆松動螺柱被吸入燃料泵,導致控制系統停止了30臺中的29臺發動機,發動機停機23秒后火箭爆炸,炸毀了發射塔,成為火箭應用史上最大規模的爆炸。

1971年6月24日發射:起飛后就不正常轉動,且超過了控制系統的可調范圍,51秒后火箭在1千米高空爆炸。

1972年11月23日發射:40千米高空處,其中一臺發動機遭遇縱向耦合振動,其他發動機程序性停車,導致4號發動機爆炸。

影響

N-1運載火箭的第一批圖如今已經被蘇聯公開發表。在1990年米申已經畫了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”節目中播出。(重新命名為“蘇聯權威材料”,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動機都是由Kuznetsov部門設計的。第一級(A組)用了一串共30個發動機,每個發動機有154噸推進力:這是任何發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動機改進來的。最后,第三級(V組)有四個發動機,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質子運載火箭相關),也可以看作是飛船的推進系統,在蘇聯的有關質子火箭的文獻中被廣泛描述。

N1重型運載火箭
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最新更新:2015-08-06 16:00
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