俄羅斯聯(lián)盟－2.1v/“伏爾加”小型運(yùn)載火箭成功首飛

張綠云 黃長梅 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

2013年12月28日，俄羅斯首枚聯(lián)盟－2.1v/“伏爾加”上面級新型運(yùn)載火箭搭載質(zhì)量為53kg的俄羅斯“鶴”（Aist）微衛(wèi)星從普列謝茨克航天發(fā)射場升空，衛(wèi)星進(jìn)入高度581km/559km、傾角4.9°的預(yù)定軌道。

1 火箭研制背景及過程

目前，俄羅斯“宇宙”和“旋風(fēng)”小型運(yùn)載火箭均已退役，“隆聲”小型火箭需進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，而輕型“安加拉”運(yùn)載火箭仍處于研制過程中。隨著全球小型衛(wèi)星發(fā)射需求的增加，俄羅斯對小型運(yùn)載火箭的發(fā)射需求進(jìn)一步增加。2007年，俄羅斯進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心提出了聯(lián)盟－2.1v小型運(yùn)載火箭方案，項(xiàng)目總投資共計(jì)25億盧布（約合763萬美元），其中10億盧布（約合305萬美元）由進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心負(fù)責(zé)，其余15億盧布（約合458萬美元）由軍事預(yù)算提供。該火箭采用的全新“伏爾加”上面級的研制全部由進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心提供資金支撐。

聯(lián)盟－2.1v火箭從項(xiàng)目立項(xiàng)至火箭成功首飛歷經(jīng)了5.5年的時(shí)間。

聯(lián)盟－2.1v火箭的研制過程

2 火箭結(jié)構(gòu)

概述

俄羅斯于20世紀(jì)50年代開始在R－7洲際彈道導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上研制“聯(lián)盟”系列運(yùn)載火箭，截止到目前共完成了1800多次發(fā)射任務(wù)。該系列運(yùn)載火箭經(jīng)歷了多次改進(jìn)，目前仍有多個(gè)“聯(lián)盟”火箭型號提供發(fā)射服務(wù)。聯(lián)盟－U火箭主要用于執(zhí)行“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船的發(fā)射任務(wù)，同時(shí)兼顧軍用衛(wèi)星的發(fā)射。聯(lián)盟－FG火箭用于執(zhí)行載人飛船的發(fā)射任務(wù)。聯(lián)盟－2火箭既可用于載人飛船的發(fā)射，也可用于軍事和商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射，首個(gè)型號為聯(lián)盟－2.1a火箭，二子級采用標(biāo)準(zhǔn)的RD－0110發(fā)動機(jī)。第二個(gè)型號為聯(lián)盟－2.1b型火箭，二子級采用性能更強(qiáng)大的RD－0124發(fā)動機(jī)。聯(lián)盟－2火箭將在未來幾年內(nèi)取代聯(lián)盟－U火箭，而聯(lián)盟－FG火箭將繼續(xù)服役至2020年左右。

聯(lián)盟－2.1v火箭的總體結(jié)構(gòu)

聯(lián)盟－2.1v火箭為兩級小型運(yùn)載火箭，由俄羅斯進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制，在聯(lián)盟－2.1b的基礎(chǔ)上去掉4個(gè)捆綁助推器，更換了一子級的推進(jìn)系統(tǒng)（采用1臺NK－33A發(fā)動機(jī)和1臺4室RD－0110R游動發(fā)動機(jī)，取代聯(lián)盟－2.1b火箭的RD－118發(fā)動機(jī)），并對一子級做了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。其二子級沿用聯(lián)盟－2.1b火箭的二子級，采用數(shù)字控制系統(tǒng)，增強(qiáng)火箭的靈活性。此外，該火箭還可加裝具備多次啟動能力的“伏爾加”上面級，增加任務(wù)適應(yīng)性。

聯(lián)盟－2.1v火箭可從普列謝茨克、拜科努爾和未來的東方港航天發(fā)射場執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。在本次任務(wù)中，聯(lián)盟－2.1v火箭利用普列謝茨克航天發(fā)射場的聯(lián)盟－2.1b火箭的地面發(fā)射設(shè)施和硬件設(shè)施，并在火箭一子級中段和尾段分別安裝4個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了火箭與發(fā)射臺支架的連接。

聯(lián)盟－2.1v火箭全長44m，最大直徑2.95m，起飛質(zhì)量157～160t，整流罩直徑3m。

聯(lián)盟－2.1v火箭地面發(fā)射設(shè)施的改進(jìn)

一子級

聯(lián)盟－2.1v火箭一子級長27.8m，最大直徑2.95m，由1臺NK－33A液氧/煤油主發(fā)動機(jī)提供動力。推進(jìn)劑貯箱為圓柱形結(jié)構(gòu)，采用分體貯箱。氧化劑箱在上，燃料箱在下，由不同厚度的鋁合金殼段焊接而成。燃料箱同樣采用鋁合金材料，由前底、后底和筒段組成。與其他“聯(lián)盟”系列火箭采用氮?dú)庠鰤翰煌?lián)盟－2.1v火箭采用氦氣增壓方式。

聯(lián)盟－2.1v火箭一子級外形結(jié)構(gòu)

聯(lián)盟－2.1v火箭的性能參數(shù)

NK－33A是NK－33發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，但改進(jìn)不多。NK－33發(fā)動機(jī)是20世紀(jì)60年代末70年代初由蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設(shè)計(jì)局為N－1登月火箭設(shè)計(jì)的液氧/煤油發(fā)動機(jī)，N－1載人登月計(jì)劃失敗后，該型發(fā)動機(jī)一直處于停產(chǎn)狀態(tài)。目前，該發(fā)動機(jī)具備一定的庫存量，因其較高的性能等技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)盟－2.1v火箭將其作為一子級的主發(fā)動機(jī)。NK－33發(fā)動機(jī)為可再生冷卻、分級燃燒循環(huán)發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)長3.71m，直徑1.45m，最大海平面推力為1630kN，比沖297s。該發(fā)動機(jī)能提供額定推力的56%～108%的節(jié)流能力，而其飛行過程中最大推力設(shè)置通常為105%。在發(fā)動機(jī)熱試車過程中，NK－33發(fā)動機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了額定推力的135%。NK－33A發(fā)動機(jī)封閉于尾艙中，通過縱梁和結(jié)構(gòu)環(huán)與RD－0110R游動發(fā)動機(jī)連接。

RD－0110R游動發(fā)動機(jī)由俄羅斯化工自動化設(shè)計(jì)局研制，是在RD－0110發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，用于一子級的姿態(tài)控制。該發(fā)動機(jī)利用開式循環(huán)方式，設(shè)計(jì)了4個(gè)燃燒室，共用氧化劑渦輪泵與燃料渦輪泵。采用液壓推力矢量控制系統(tǒng)控制4個(gè)噴管擺動，實(shí)現(xiàn)一子級飛行段的三軸控制。配備1個(gè)熱交換器，用于加熱氦氣，給貯箱增壓。RD－0110R游動發(fā)動機(jī)質(zhì)量870kg，真空推力為279.3kN。

聯(lián)盟－2.1v火箭的前幾次飛行將采用NK－33A發(fā)動機(jī)，在NK－33A發(fā)動機(jī)庫存量用完且其重啟生產(chǎn)計(jì)劃失敗后，其一子級主發(fā)動機(jī)將采用RD－193發(fā)動機(jī)。RD－193是在RD－191發(fā)動機(jī)（用于“安加拉”運(yùn)載火箭）的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，為閉環(huán)單室發(fā)動機(jī)，長3.02m，直徑2.1m，真空推力為2085kN。

聯(lián)盟－2.1v火箭二子級結(jié)構(gòu)

聯(lián)盟－2.1v火箭一子級與二子級采用熱分離方式，在一子級關(guān)機(jī)2s后，二子級發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，同時(shí)，啟動分離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩級物理分離。

二子級

聯(lián)盟－2.1v火箭二子級沿用聯(lián)盟－2.1b火箭的二子級，長6.74m，直徑2.66m，由1臺4室RD－0124分級燃燒液氧/煤油發(fā)動機(jī)提供動力，真空推力達(dá)到294.3kN。貯箱采用分體結(jié)構(gòu)，燃料箱在上，氧化劑箱在下。控制系統(tǒng)采用數(shù)字機(jī)載計(jì)算機(jī)，通過三軸慣性測量裝置提供制導(dǎo)。控制裝置安裝于2個(gè)推進(jìn)劑貯箱之間的儀器艙內(nèi)，為火箭飛行階段提供火箭控制、遙測和導(dǎo)航，并自動傳輸所有火箭指令。

“伏爾加”上面級

為了提升聯(lián)盟－2.1v火箭運(yùn)載能力和入軌精度，進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制了一個(gè)全新的“伏爾加”上面級。它采用“伊卡爾”上面級的成熟組件，研制價(jià)格只是“弗雷蓋特”上面級的1/4。

“伏爾加”上面級長1.03m，直徑3.1m，采用四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，推進(jìn)劑質(zhì)量為0.3～0.9t，可依據(jù)任務(wù)需求調(diào)整。其主發(fā)動機(jī)真空推力2.94kN，真空比沖307s，燃燒時(shí)間900s。火箭控制通過由一些推力器組成的姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。“伏爾加”上面級采用慣性測量裝置進(jìn)行導(dǎo)航，并在執(zhí)行長時(shí)間復(fù)雜的上升任務(wù)中使用星敏感器。“伏爾加”上面級還具備獲取“全球?qū)Ш叫l(wèi)星通信”（GLONASS）導(dǎo)航信號以實(shí)現(xiàn)火箭控制的能力。

“伏爾加”上面級具備多次重啟能力，可通過機(jī)載電池在軌運(yùn)行24h，但一般的任務(wù)都不超過2h。除了聯(lián)盟－2.1v火箭，該上面級還可用于聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭。

“伏爾加”上面級結(jié)構(gòu)

“聯(lián)盟”系列運(yùn)載火箭的未來發(fā)展

3 未來發(fā)展

俄羅斯能源火箭航天公司曾提出包括聯(lián)盟－2.3和3火箭在內(nèi)的多種研制方案，但都處于設(shè)計(jì)階段。

聯(lián)盟－2.3是向聯(lián)盟－3過渡的一個(gè)火箭型號，其一子級采用1臺NK－33A液氧/煤油發(fā)動機(jī)，并捆綁4個(gè)助推器（RD－0155液氧/煤油發(fā)動機(jī)）；其二子級為液氧/煤油發(fā)動機(jī)。聯(lián)盟－3將沿用聯(lián)盟－2.3火箭的基本結(jié)構(gòu)，其一子級采用1臺NK－33A液氧/煤油發(fā)動機(jī)，捆綁助推器將使用4臺RD－120液氧/煤油發(fā)動機(jī)，其二子級將使用4臺RD－0146E液氧/液氫發(fā)動機(jī)。

此次聯(lián)盟－2.1v/“伏爾加”上面級火箭成功首飛，標(biāo)志著NK－33A發(fā)動機(jī)在N－1火箭登月任務(wù)失敗后首次在俄羅斯火箭上成功應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)也將用于未來聯(lián)盟－2.3火箭。據(jù)俄羅斯進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心稱，在聯(lián)盟－2.1v火箭的基本構(gòu)型上捆綁“聯(lián)盟”火箭標(biāo)準(zhǔn)型助推器，可將火箭運(yùn)載能力從3t提高至10t，其他的聯(lián)盟－2.1v火箭改進(jìn)型可將運(yùn)載能力提高至16～17t。該火箭的成功為俄羅斯進(jìn)步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制性能更強(qiáng)大的聯(lián)盟－2.3和3運(yùn)載火箭奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 小結(jié)

縱觀全球衛(wèi)星發(fā)射市場，近10余年來，全球共成功發(fā)射衛(wèi)星1206顆，1000kg以下衛(wèi)星497顆，占發(fā)射總數(shù)的41.21%。另據(jù)《2013年商業(yè)航天運(yùn)輸預(yù)測》報(bào)告，2013－2014年，全球非靜止軌道（NGSO）商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射需求為106顆，質(zhì)量在1200kg以下的小衛(wèi)星為91顆，占總需求的86%。數(shù)據(jù)表明，小衛(wèi)星已成為航天活動的主要領(lǐng)域，未來小衛(wèi)星的發(fā)射需求將進(jìn)一步增加。目前，俄羅斯“宇宙”、“旋風(fēng)”小型運(yùn)載火箭已退役，“隆聲”火箭需進(jìn)一步改進(jìn)，而“安加拉”小型運(yùn)載火箭的投入使用仍需要時(shí)間。俄羅斯聯(lián)盟－2.1v小型運(yùn)載火箭成功首飛，將為俄羅斯小型衛(wèi)星的發(fā)射需求提供保障，同時(shí)增強(qiáng)商業(yè)市場競爭力。

在產(chǎn)品研發(fā)方面，聯(lián)盟－2.1v火箭采用了大量成熟技術(shù)，其一子級采用的NK－33A主發(fā)動機(jī)為蘇聯(lián)N－1火箭的NK－33發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，RD－0110R游動發(fā)動機(jī)為RD－0110發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型；其二子級沿用聯(lián)盟－2.1b火箭的二子級；“伏爾加”上面級采用了“伊卡爾”上面級的成熟組件。聯(lián)盟－2.1v火箭沿用聯(lián)盟－2.1b火箭的地面發(fā)射設(shè)施，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。在降低火箭研制成本和發(fā)射成本的同時(shí)確保了火箭的可靠性。