俄羅斯聯(lián)盟－2.1v/“伏爾加”小型運載火箭成功首飛

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”上面級新型運載火箭搭載質量為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)星進入高度581km/559km、傾角4.9°的預定軌道。

1 火箭研制背景及過程

目前，俄羅斯“宇宙”和“旋風”小型運載火箭均已退役，“隆聲”小型火箭需進行進一步改進，而輕型“安加拉”運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，俄羅斯對小型運載火箭的發(fā)射需求進一步增加。2007年，俄羅斯進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心提出了聯(lián)盟－2.1v小型運載火箭方案，項目總投資共計25億盧布（約合763萬美元），其中10億盧布（約合305萬美元）由進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心負責，其余15億盧布（約合458萬美元）由軍事預算提供。該火箭采用的全新“伏爾加”上面級的研制全部由進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火箭從項目立項至火箭成功首飛歷經(jīng)了5.5年的時間。

聯(lián)盟－2.1v火箭的研制過程

2 火箭結構

概述

俄羅斯于20世紀50年代開始在R－7洲際彈道導彈的基礎上研制“聯(lián)盟”系列運載火箭，截止到目前共完成了1800多次發(fā)射任務。該系列運載火箭經(jīng)歷了多次改進，目前仍有多個“聯(lián)盟”火箭型號提供發(fā)射服務。聯(lián)盟－U火箭主要用于執(zhí)行“進步”系列貨運飛船的發(fā)射任務，同時兼顧軍用衛(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。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，首個型號為聯(lián)盟－2.1a火箭，二子級采用標準的RD－0110發(fā)動機。第二個型號為聯(lián)盟－2.1b型火箭，二子級采用性能更強大的RD－0124發(fā)動機。聯(lián)盟－2火箭將在未來幾年內取代聯(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火箭的總體結構

聯(lián)盟－2.1v火箭為兩級小型運載火箭，由俄羅斯進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制，在聯(lián)盟－2.1b的基礎上去掉4個捆綁助推器，更換了一子級的推進系統(tǒng)（采用1臺NK－33A發(fā)動機和1臺4室RD－0110R游動發(fā)動機，取代聯(lián)盟－2.1b火箭的RD－118發(fā)動機），并對一子級做了相應的結構上的改進。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，增加任務適應性。

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。在本次任務中，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)射設施和硬件設施，并在火箭一子級中段和尾段分別安裝4個支撐結構，實現(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，起飛質量157～160t，整流罩直徑3m。

聯(lián)盟－2.1v火箭地面發(fā)射設施的改進

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)動機提供動力。推進劑貯箱為圓柱形結構，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”系列火箭采用氮氣增壓不同，聯(lián)盟－2.1v火箭采用氦氣增壓方式。

聯(lián)盟－2.1v火箭一子級外形結構

聯(lián)盟－2.1v火箭的性能參數(shù)

NK－33A是NK－33發(fā)動機的改進型，但改進不多。NK－33發(fā)動機是20世紀60年代末70年代初由蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設計局為N－1登月火箭設計的液氧/煤油發(fā)動機，N－1載人登月計劃失敗后，該型發(fā)動機一直處于停產(chǎn)狀態(tài)。目前，該發(fā)動機具備一定的庫存量，因其較高的性能等技術優(yōu)勢，聯(lián)盟－2.1v火箭將其作為一子級的主發(fā)動機。NK－33發(fā)動機為可再生冷卻、分級燃燒循環(huán)發(fā)動機。該發(fā)動機長3.71m，直徑1.45m，最大海平面推力為1630kN，比沖297s。該發(fā)動機能提供額定推力的56%～108%的節(jié)流能力，而其飛行過程中最大推力設置通常為105%。在發(fā)動機熱試車過程中，NK－33發(fā)動機成功實現(xiàn)了額定推力的135%。NK－33A發(fā)動機封閉于尾艙中，通過縱梁和結構環(huán)與RD－0110R游動發(fā)動機連接。

RD－0110R游動發(fā)動機由俄羅斯化工自動化設計局研制，是在RD－0110發(fā)動機的基礎上改進而來，用于一子級的姿態(tài)控制。該發(fā)動機利用開式循環(huán)方式，設計了4個燃燒室，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個噴管擺動，實現(xiàn)一子級飛行段的三軸控制。配備1個熱交換器，用于加熱氦氣，給貯箱增壓。RD－0110R游動發(fā)動機質量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，在NK－33A發(fā)動機庫存量用完且其重啟生產(chǎn)計劃失敗后，其一子級主發(fā)動機將采用RD－193發(fā)動機。RD－193是在RD－191發(fā)動機（用于“安加拉”運載火箭）的基礎上改進而來的，為閉環(huán)單室發(fā)動機，長3.02m，直徑2.1m，真空推力為2085kN。

聯(lián)盟－2.1v火箭二子級結構

聯(lián)盟－2.1v火箭一子級與二子級采用熱分離方式，在一子級關機2s后，二子級發(fā)動機點火，同時，啟動分離系統(tǒng)，實現(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)動機提供動力，真空推力達到294.3kN。貯箱采用分體結構，燃料箱在上，氧化劑箱在下?？刂葡到y(tǒng)采用數(shù)字機載計算機，通過三軸慣性測量裝置提供制導?？刂蒲b置安裝于2個推進劑貯箱之間的儀器艙內，為火箭飛行階段提供火箭控制、遙測和導航，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火箭運載能力和入軌精度，進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制了一個全新的“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/偏二甲肼推進劑，推進劑質量為0.3～0.9t，可依據(jù)任務需求調整。其主發(fā)動機真空推力2.94kN，真空比沖307s，燃燒時間900s。火箭控制通過由一些推力器組成的姿態(tài)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。“伏爾加”上面級采用慣性測量裝置進行導航，并在執(zhí)行長時間復雜的上升任務中使用星敏感器?！胺鼱柤印鄙厦婕夁€具備獲取“全球導航衛(wèi)星通信”（GLONASS）導航信號以實現(xiàn)火箭控制的能力。

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

“伏爾加”上面級結構

“聯(lián)盟”系列運載火箭的未來發(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火箭在內的多種研制方案，但都處于設計階段。

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

此次聯(lián)盟－2.1v/“伏爾加”上面級火箭成功首飛，標志著NK－33A發(fā)動機在N－1火箭登月任務失敗后首次在俄羅斯火箭上成功應用，其基本結構也將用于未來聯(lián)盟－2.3火箭。據(jù)俄羅斯進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心稱，在聯(lián)盟－2.1v火箭的基本構型上捆綁“聯(lián)盟”火箭標準型助推器，可將火箭運載能力從3t提高至10t，其他的聯(lián)盟－2.1v火箭改進型可將運載能力提高至16～17t。該火箭的成功為俄羅斯進步國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制性能更強大的聯(lián)盟－2.3和3運載火箭奠定了堅實的基礎。

4 小結

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)航天運輸預測》報告，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域，未來小衛(wèi)星的發(fā)射需求將進一步增加。目前，俄羅斯“宇宙”、“旋風”小型運載火箭已退役，“隆聲”火箭需進一步改進，而“安加拉”小型運載火箭的投入使用仍需要時間。俄羅斯聯(lián)盟－2.1v小型運載火箭成功首飛，將為俄羅斯小型衛(wèi)星的發(fā)射需求提供保障，同時增強商業(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，其一子級采用的NK－33A主發(fā)動機為蘇聯(lián)N－1火箭的NK－33發(fā)動機的改進型，RD－0110R游動發(fā)動機為RD－0110發(fā)動機的改進型；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)射設施，并進行相應的改進。在降低火箭研制成本和發(fā)射成本的同時確保了火箭的可靠性。