安加拉5V火箭和俄羅斯的登月計劃

□ 張雪松

冷戰結束以來俄羅斯航天依靠商業發射和參與國際空間站建設艱難維持。進入21世紀以后隨著經濟復蘇，俄羅斯又啟動了一系列新的航天項目，包括新一代運載火箭安加拉，以及宏偉的載人登月計劃，這也是俄羅斯重獲太空強國地位的標志。最近幾年俄羅斯經濟表現不佳，俄羅斯最終放棄了跟風美國星座計劃的重型火箭研制計劃，轉而在安加拉火箭基礎上研制能力增強的安加拉5V火箭。

RD-191發動機

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載火箭，它將擺脫現有運載火箭對蘇聯其他加盟共和國的硬件依賴，是俄羅斯國產化的運載火箭系統。根據需求，未來的俄羅斯新一代重型運載火箭系統要具備將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年前后取代現有的質子火箭。早期的研究還計劃研制輕型和中型運載火箭系統取代烏克蘭制造的旋風和天頂火箭。

安加拉系列火箭

俄羅斯能源集團和赫魯尼切夫科研生產中心分別提出了重型火箭的技術方案，前者一子級使用研制中的RD-180發動機，后者一子級使用RD-170發動機。這些方案都停留在紙面上，但1994年赫魯尼切夫贏得了競爭。1997年赫魯尼切夫大改了技術方案，提出了基于RD-190發動機的模塊化運載火箭方案，在競爭中再次取勝。新的運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小型運載火箭。安加拉是一種模塊化的、運力覆蓋從小型到重型運載火箭范圍的運載火箭家族，根據使用的公用芯級模塊（URM）數量的不同，它的運力覆蓋了從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等老式運載火箭。

俄羅斯從20世紀90年代開始政治動蕩和經濟崩潰，對安加拉火箭的研制產生了致命的損害。根據塔斯社2014年對赫魯尼切夫的采訪，從1994年到2005年間，安加拉火箭項目只得到了申請預算的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發射的利潤艱難的維持著安加拉火箭的研制。

隨著俄羅斯經濟的恢復，安加拉火箭的研制開始步入正軌，但此前畢竟耽誤了太長的時間，新一代運載火箭對赫魯尼切夫的新一代員工來說也可以說是第二次創業，加上新火箭新技術的技術風險，安加拉火箭的研制進度還是一拖再拖，原定2011年的首次試射不斷向后推遲。這段時間里，作為火箭核心的RD-191發動機和RD-0124發動機積累了數萬秒的試車時間，為后來首次發射的成功奠定了基礎。

RD-0124發動機

2013年5月底，小型的安加拉1.2PP火箭運往普列謝茨克發射場，開始發射場合練。2014年6月幾經波折后安加拉火箭準備首次發射。6月27日安加拉1.2PP火箭進行了成功發射，飛行時間21.8分鐘，雖然這只是一次亞軌道試驗，但有效地驗證了安加拉火箭的基本設計，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射場發射了第一枚安加拉5運載火箭。

安加拉方案和衍生

俄羅斯赫魯尼切夫航天科研生產中心和美國洛馬公司聯合創建了國際發射服務公司（ILS），使用質子火箭作為主要的發射工具。2002年安加拉火箭還在襁褓中的時候，國際發射服務公司就公布了安加拉火箭的用戶手冊。

安加拉系列火箭（最右為A5V）

根據官方公布的信息，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（URM）的概念，整個系列的模塊化設計十分出色。安加拉的公用芯級直徑2.9米，使用單臺RD-191M高壓補燃液氧煤油發動機，推進劑質量可達129噸。安加拉1.2PP只有一個公用芯級，而安加拉A3火箭則是3個公用芯級，安加拉A5自然是使用5個公用芯級。安加拉A3和A5火箭的芯級發動機起飛后會節流工作，從而實現助推器和芯級先后拋離的時序，達到更高的運載系數。安加拉火箭的第二級為URM-2，它使用RD-0124A液氧煤油發動機，其中安加拉A3和A5火箭使用直徑3.6米、攜帶更多推進劑的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米直徑的標準版URM-2，第二級質量過大無法進入軌道。安加拉1.2火箭用于近地軌道發射任務，而兼具近地軌道和靜止軌道發射任務的安加拉A3和A5火箭將使用目前質子火箭上的微風-M常溫上面級。赫魯尼切夫中心還有為安加拉A5火箭研制可多次啟動的KVTK氫氧上面級的計劃，KVTK氫氧上面級將使用RD-0146D發動機，顯著提高了安加拉A5火箭的同步轉移軌道運載能力，但2015年的消息稱最早2021年KVTK上面級才有望投入使用。

KVTK上面級（單位：毫米）

安加拉-A5V結構示意圖

根據現有的報道，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載火箭的代表。為了滿足未來載人航天的需求，赫魯尼切夫中心推出了安加拉A5P火箭，它去掉了第二級URM-2，通過使用一級半的設計可以將重達18噸的新一代載人飛船PTK-NP送入亞軌道，隨后飛船發動機點火工作進入近地軌道。一級半火箭所有的發動機都在地面點火和檢測，消除了發動機高空點火出現故障的隱患，提高了火箭可靠性和發射成功率，這也是我國長征五號B火箭的設計初衷。

赫魯尼切夫中心還曾在安加拉火箭基礎上提出了安加拉100超重型火箭方案，其近地軌道運載能力超過了100噸，不過它既沒有使用安加拉火箭的URM-1和URM-2模塊，連發動機也改用RD-170和RD-0122，實際上是截然不同的運載火箭。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的方案，為后來的安加拉A5V火箭方案奠定了基礎。

安加拉A5V的出現

從最初的設計目標看，安加拉火箭的作用是研制一種全國產的運載火箭，擺脫對外依賴的同時，以模塊化的設計取代原有種類繁多維護保障復雜的運載火箭，因此安加拉A5的設計運力只有24噸～25噸，恰好取代現役的質子火箭。

PTK-NP飛船模型

2013年俄羅斯為了實現載人登月的宏偉目標，進行了超重型運載火箭的招標，俄國各設計局紛紛提出方案：赫魯尼切夫中心提交了Yenisei-5和Kaskad的方案，都使用基于RD-0120的氫氧芯級和液氧煤油助推器，近地軌道最大運力接近130噸；能源集團則是基于天頂火箭的Energia-5K和Sodruzhestvo方案，近地軌道最大運力70噸～80噸；進步設計局別出心裁地使用液氧甲烷發動機的stk方案，根據捆綁的液氧甲烷助推器數量不同，近地軌道最大運力從85到190噸不等。計劃不如變化快，雖然俄羅斯啟動了雄心勃勃的超重型運載火箭和登月計劃，但政治經濟形勢急轉直下之后，俄羅斯在2015年不得不無限期推遲超重型運載火箭計劃，而安加拉A5V火箭恰恰在這個時候浮出了水面。

2014年底在經濟衰退的影響下，俄羅斯航天預算也慘遭削減，無力支持超重型運載火箭方案。2015年初俄羅斯航天局評估了替代方案，認為不包括飛行試驗的花銷，安加拉A5V火箭的研制成本預計需要370億盧布，而超重型運載火箭的研制成本卻要高達7000億盧布，雖然安加拉A5V火箭的運力弱得多，但卻是可行的選擇。安加拉A5V火箭的“5”代表了起飛級使用的URM數量，而“V”是俄語中Vodorod（氫）的縮寫，安加拉A5V是一種在安加拉A5基礎上，以氫氧上面級進行升級的方案，它將用于載人登月等多種航天發射任務。

2015年3月俄羅斯航天局透露了安加拉A5V火箭的部分關鍵信息：為了將安加拉A5火箭的運載能力提高到35噸，升級型號將使用更強大的低溫氫氧推進段替換現有的標準URM-2推進段，同時在起飛后的前40秒內讓URM-1推進段的5臺RD-191發動機以110%的推力工作。2015年4月俄羅斯航天局確認安加拉A5V火箭將擁有38噸的近地軌道運力，考慮設計方案潛在的挑戰和困難，運力可能降低到35噸。俄羅斯還考慮為安加拉A5V火箭使用推進劑交叉輸送技術，使用推力提高10%的RD-195發動機替換RD-191發動機，以避免超負荷工作的潛在風險，同時還計劃為RD-195發動機換裝延伸噴管，這些改進措施可以進一步提高安加拉A5V火箭的運載能力。

安加拉A5V火箭最重要的升級措施是引進了全新的氫氧第二級URM-2V。URM-2V基于已被取消的Rus-M火箭的氫氧第二級UKVB研制，仍由進步設計局負責，總質量約48噸。根據2015年3月的消息，URM-2V發動機將使用單發RD-0150氫氧發動機，RD-0150發動機由俄羅斯化工自動化設計局（KBKhA）研制，真空比沖高達462秒。隨后俄羅斯媒體透露了URM-2V的第二種設計方案，新的替代方案將使用四臺RD-0146D發動機的并聯方案，而2015年4月媒體又報道了更被看好的RD-0150雙發并聯方案，發動機推力約45噸。

俄羅斯在URM-2V方案和RD-0150氫氧發動機上的折騰其實是一種必然。蘇聯雖然研制過氫氧芯級的能源號火箭，但從未將氫氧上面級投入使用，蘇聯解體以來俄羅斯更是無暇顧及氫氧發動機，現在利用機會鍛煉研制隊伍重建研發體系，要比簡單地選擇一種氫氧發動機更重要。小道消息稱為了滿足安加拉A5V火箭的需求，URM-2V的干重最多只能達到6噸，但一些保守的分析認為現有設計下URM-2V干重最多可能達到12噸，URM-2V的超重看來不可避免，但真要超重兩倍，安加拉A5V火箭的運力指標就成為一個笑話了。從目前的消息看，URM-2V儲箱將改用共底結構降低干重，滿足苛刻的干重要求。

安加拉A5V火箭設計的首要目標是支持載人登月任務，為此它也分為貨運和載人兩種版本，其中貨運版本的第三級將使用KVTK液氧液氫推進段，而載人版本將使用性能略差但可靠性得到驗證的Block-DM液氧煤油推進段。安加拉A5V火箭不僅近地軌道運力要達到35噸，同步轉移軌道運力也將達到12到12.5噸，這使它不僅可以滿足俄羅斯發射大型軍用衛星的需求，還可以和阿里安5等火箭競爭高端商業通信衛星發射業務，從而分攤火箭研制和使用成本。

登月方案

根據較早的計劃，安加拉A5V火箭將在2023年發射模擬載荷，2024年發射不載人的PTK-NP飛船，隨后在2025年使用Block DM上面級和PTK-NP飛船進行一次環月飛行，2029年實現登陸月球?，F在看來這個時間表恐怕無法得到保證，首次環月飛行可能推遲到2028年，2015年8月塔斯社報道由于相關的預算大幅度削減，俄羅斯首次登月時間至少要推遲到2033到2034年。

PTK飛船發射示意圖

UKVB-URM2V上面級

三級半構型的安加拉A5V火箭運力有限，只能將PTK-NP飛船送入直接奔月軌道，執行類似嫦娥五號T1那樣的繞月自由返回軌道，要把PTKNP飛船或是環月空間站送入環月軌道，還必須增加一個第四級的太空拖船，太空拖船現在傾向于基于Block DM上面級研制?？梢哉f雖然安加拉A5V火箭研制成本低，但運力對比超重型運載火箭大幅度降低，俄羅斯的載人登月計劃反而變得相當復雜。

安加拉-5V火箭燃料儲箱

根據2015年莫斯科航展上的載人登月模擬視頻，一次載人環月任務必須發射兩枚安加拉A5V火箭，其中一枚發射Block DM上面級和載人飛船，另一枚火箭發射KVTK上面級，兩者對接后由KVTK上面級將載人飛船送入奔月軌道，再由Block DM執行月球軌道插入任務。如果要執行載人登月任務，則需要4枚安加拉A5V火箭，其中一枚火箭發射Block DM上面級和登月艙，另一枚火箭發射KVTK上面級，兩者對接后由KVKT上面級將登月艙送入奔月軌道，Block DM上面級執行月球軌道插入。登月艙和PTKNP飛船將在環月軌道上對接，登月艙減速軟著陸進行載人登月。對中國人來說，俄羅斯的載人登月方案看起來十分熟悉，美國航宇局前任局長格里芬曾預言中國可能在2020年前載人登月，他提出的中國載人登月方案和俄羅斯現在的方案如出一轍，當然格里芬方案里中國用長征五號火箭，而現在俄國使用安加拉A5V火箭而已。

由于運力大幅度下降，基于安加拉A5V的載人登月任務復雜度提高。俄羅斯國內曾有人批評，認為建成月面基地需要發射40枚安加拉A5V火箭，而哪怕是近地軌道運載能力只有75噸的超重型運載火箭，卻僅僅只需要8枚，安加拉A5V火箭的省錢不過是朝三暮四的游戲，反而讓俄羅斯航天工業失去了研制超重型運載火箭的機會和資金。雖然存在這些批評，但超重型運載火箭研制所需的7000億盧布，遠遠超過了俄羅斯航天系統所能得到的預算，目前俄羅斯載人登月只能在現實預算基礎上精打細算，在航天預算削減的寒冬面前，安加拉A5V火箭是最可行的選擇。

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