重箭巨發(fā) 太空探索的朝代召喚

探索未知，航向遠(yuǎn)方的沖動來自人類的求知本能。在上世紀(jì)50年代到70年代的這段時間里，太空不再是遙不可及的只能抬頭仰望的虛空，而是一個展示人類技術(shù)發(fā)展水平的舞臺，一個奮勇爭先的競技場。正如普希金在其詩篇中所說，“我記得那美妙的一瞬：在我的眼前出現(xiàn)了你，有如曇花一現(xiàn)的幻影，有如純潔至美的精靈。”

詩人對愛情的理解卻也恰似人類對技術(shù)本身的體悟。在不懈的探索中，人們逐步認(rèn)識到，液氧煤油火箭發(fā)動機是大推力火箭的可靠動力來源。要想從近地軌道載人飛行的技術(shù)層面向更加深遠(yuǎn)的太空飛去，液氧煤油發(fā)動機是必須要掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一。重型火箭，這種起飛重量比2艘驅(qū)逐艦還要重的飛行器，總是能夠時刻提醒著我們，那個勇敢無畏，挑戰(zhàn)工程極限的時代的存在。推力為600噸級以上的巨型發(fā)動機受到太空探索的時代召喚，來到了世間。現(xiàn)在，就讓我們回顧那段波瀾壯闊的歷史，同時也展望一下人類太空探索的明天。

披堅執(zhí)銳奮力擎天

1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林成為了首次進(jìn)入太空的人類，驚醒了在太空競賽中稍有怠惰的美國人。這直接促使原本對探索月球熱情不高的約翰·肯尼迪總統(tǒng)改變了主意。1961年5月25日，肯尼迪在參眾兩院特別會議中宣布了“阿波羅”計劃的藍(lán)圖：

“我相信這個國家能夠齊聚一心全力以赴達(dá)成這個目標(biāo)，即在1970年以前，人類將乘坐宇宙飛船登陸月球并且安全返回。沒有任何一個太空項目能夠超越它對人類的影響，超越它對宇宙遠(yuǎn)程空間探索的重大作用，也沒有一個太空項目開發(fā)如此困難而且花費如此昂貴。”

“阿波羅”計劃穩(wěn)步推進(jìn)。雖然“阿波羅”1號出現(xiàn)了致命的火災(zāi)事故，但是，在技術(shù)人員的堅持下，無論是火箭還是飛船都逐步滿足了工程需要。用于“阿波羅”計劃的“土星”5號火箭全高110.6米，直徑10.1米，發(fā)射質(zhì)量3039噸。美國二戰(zhàn)時期的“巴格里”級驅(qū)逐艦的標(biāo)準(zhǔn)排水量為1500噸。“土星”5號的發(fā)射質(zhì)量相當(dāng)于這樣的兩艘驅(qū)逐艦。

1961年12月15日，波音公司拿到了S-IC（“土星”5號火箭第一級的內(nèi)部編號）的生產(chǎn)合同，與此同時美國宇航局馬歇爾航天飛行中心（MSFC）的工程師們則正在緊鑼密鼓地選定新的總工程師。第一級火箭的生產(chǎn)與總工程師的選任幾乎同時進(jìn)行，這表明了美國宇航局對波音公司的充分信任。波音顯然是把這第一級火箭當(dāng)成飛機來造了。他們沒有一個接一個地生產(chǎn)，而是很快就實現(xiàn)了批量化。并且，他們對第一級火箭的箭體進(jìn)行了總體設(shè)計優(yōu)化，減輕了560千克的質(zhì)量。代入到三級火箭的動力學(xué)方程中，我們可以發(fā)現(xiàn)，這樣的優(yōu)化相當(dāng)于增加了36千克的有效載荷。

火箭的第一級采用5臺F-1液氧煤油火箭發(fā)動機，起飛時將產(chǎn)生33 400千牛的推力，在150秒左右的時間內(nèi)將火箭推到6萬4千米的高空。這么大的推力，需要堅固的承力結(jié)構(gòu)?！巴列恰?號火箭的第一級上有著整個火箭上最大的零件：5臺主發(fā)動機的承力支架主梁，重21噸。另外，第一級上面有4個重816千克的鋁制件，這是當(dāng)時美國能夠加工的最大規(guī)格的鋁制零件。

“土星”5號火箭的第二級由北美航空制造。這個研制了P-51、F-86、B-25和X-15的公司用苯酚蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的擋板放在了液氫儲箱和液氧儲箱之間，硬是頂住了兩側(cè)高達(dá)70%的溫差，比采用傳統(tǒng)隔離結(jié)構(gòu)的火箭節(jié)省了3.6噸的質(zhì)量。第三級由道格拉斯公司制造。緊湊的外形和可多次重復(fù)啟動的動力系統(tǒng)讓土星5號最終具備了將“阿波羅”飛船送上月球的能力。1967年11月9日，“阿波羅”4號任務(wù)開始執(zhí)行，這是“土星”5號火箭的首次發(fā)射，同時也是專門為這種世界上最大的運載火箭建造的39號發(fā)射臺的首次啟用。這枚比自由女神像和她的基座加起來還要高不少的火箭象征了人類掙脫地球引力的渴望。

最終在1969年7月21日凌晨2點56分（UTC），宇航員尼爾·阿姆斯特朗的左腳踏上了月球?！斑@是一個人的一小步，卻是人類的一大步?！保═hats one small step for a man，one giant leap for mankind.）這句話宣告了人類開始以更堅定的步伐邁進(jìn)深空。而這一切，都有著“土星”5號這個推力強大的幕后英雄在做著貢獻(xiàn)。F-1液氧煤油發(fā)動機則至今仍保持著680.39噸的單燃燒室液體火箭發(fā)動機的推力紀(jì)錄。

執(zhí)著堅韌不言放棄

實際上，蘇聯(lián)人并不是在肯尼迪宣布“阿波羅”計劃之后才著手準(zhǔn)備把宇航員送上月球的。早在1959年，科羅廖夫就已在準(zhǔn)備重型運載火箭，而這一系列火箭為包括載人登月在內(nèi)的大型航天項目預(yù)留了運載能力。這就是N-1重型運載火箭的前身。該火箭以其30臺并聯(lián)的一級火箭布局給人留下了深刻的印象。

其實，原本N-1不必使用這么多臺發(fā)動機。在N-1火箭的總體方案剛剛提出時，蘇聯(lián)火箭發(fā)動機設(shè)計師古舒高就給出了設(shè)計一款推力強大的火箭發(fā)動機的方案。當(dāng)時該發(fā)動機被命名為RD-270。這款于1962年6月26日開始設(shè)計的發(fā)動機的燃燒室壓力高達(dá)26.1兆帕，其海平面推力6270千牛。美國“土星”5號火箭的F-1發(fā)動機的海平面推力為6 770千牛。而“土星”5號火箭的發(fā)射重量為3 039噸，N-1火箭的發(fā)射重量為2 735噸?！巴列恰?號與N-1的第一級的設(shè)計工作時間均為150秒量級。因此，可以說，N-1運載火箭可以采用5臺RD-270火箭發(fā)動機并聯(lián)的方式。

可是，為什么N-1火箭沒有采用RD-270火箭發(fā)動機呢？這與科羅廖夫本人的設(shè)計思想有關(guān)。RD-270火箭發(fā)動機的推力雖大，但是其燃料體系為偏二甲肼/四氧化二氮。雖然這種常溫推進(jìn)劑能夠非?？煽康毓ぷ鳎⑶矣兄诲e的性能。但是，科羅廖夫早就對這種火箭發(fā)動機表現(xiàn)出了不滿的情緒。偏二甲肼為劇毒燃料，而且從比沖和未來更大推力的火箭發(fā)動機的需求的角度來看，液氧煤油火箭發(fā)動機取代偏二甲肼/四氧化二氮火箭發(fā)動機是個可以預(yù)見的趨勢。于是，科羅廖夫極力反對古舒高的RD-270火箭發(fā)動機方案。古舒高認(rèn)為受到了排擠，終止了與科羅廖夫的合作。（后來，古舒高其實還是研制出了液氧煤油火箭發(fā)動機，而且是迄今為止，世界上推力最大的多燃燒室液體火箭發(fā)動機RD-170，但這已經(jīng)是十幾年后的事情了。）

科羅廖夫沒辦法，只好尋求其他火箭發(fā)動機設(shè)計師的幫助。庫茲涅佐夫領(lǐng)導(dǎo)的OKB-276拿出了當(dāng)時叫做NK-15的火箭發(fā)動機。后來，該發(fā)動機升級為NK-33。因為推力不足，所以N-1火箭只得采用30臺火箭發(fā)動機并聯(lián)的方式。

1969年1月15日第一枚N-1火箭于矗立在發(fā)射臺上。蘇聯(lián)人冒了好大的風(fēng)險！所有的NK-33發(fā)動機都是出廠狀態(tài)，從未進(jìn)行過任何聯(lián)合點火測試。這是正常的火箭發(fā)動機研制流程所不允許的。而且，這枚試驗箭實際上是任務(wù)箭?；鸺纳厦婕壚锩娣帕艘凰艺嬲腖1飛船。這飛船可是要繞著月球飛上一圈然后返回地球的。也就是說，蘇聯(lián)人要跳過所有的近地軌道測試步驟，直接繞月了。

1969年2月21日，莫斯科時間下午12點18分07秒，地動山搖的轟鳴聲宣告N-1火箭掙脫地球懷抱的時候來了。6秒后，火箭離開發(fā)射塔。然而，這時候，指揮中心突然收到了火箭發(fā)出的警告：12號與24號2臺發(fā)動機突然熄火。N-1火箭設(shè)計了動力冗余，損失2臺發(fā)動機的動力對火箭本身的測試任務(wù)的完成并不構(gòu)成致命威脅。但是，65.8秒時，28臺火箭發(fā)動機的功率全部超過最大允許值。整個管路系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的高頻振動。66秒時，1臺NK-33火箭發(fā)動機的液氧輸送管路爆炸。隨后，火箭在12 200米高空發(fā)生了大爆炸。值得慶幸的是，L-1飛船在逃逸塔的幫助下，飛離了危險區(qū)域。在爆炸平息后，降落在距離發(fā)射架22千米的地方。

1969年7月3日，第二枚N-1火箭被匆匆拖到1號發(fā)射臺，準(zhǔn)備趕在“阿波羅”1 1號之前進(jìn)行發(fā)射。莫斯科時間23點18分32秒，第二枚N-1火箭拔地而起。發(fā)射6秒后，傳感器報告：燃料泵異常?；鸺墓收峡刂葡到y(tǒng)立刻關(guān)閉了傳感器指示出的那臺發(fā)動機。然而，令人不解的是，故障控制系統(tǒng)沒有停下關(guān)來，而是開始接連關(guān)閉發(fā)動機，用了3秒鐘的時間，關(guān)閉了第一級火箭30臺發(fā)動機中的29臺。推力的大幅下降觸發(fā)了火箭逃逸塔。在巨大的固體火箭發(fā)動機的拉動下，繞月飛船像是被貓媽媽叼住后脖子的小貓一樣，被叼出1千米后，平穩(wěn)著陸。N-1火箭則向后躺倒，從200米高的地方帶著巨量燃料和氧化劑的火箭墜落到發(fā)射臺上，引發(fā)了驚天動地的爆炸。事后工程人員分析，約有678.57噸液氧和煤油在瞬間爆炸，其爆炸當(dāng)量約6 930噸TNT，這是人類工程技術(shù)史上最大的爆炸事故。

1969年7月21日凌晨2點56分（UTC），阿姆斯特朗登上了月球。美國人贏得了載人登月的競賽。這回蘇聯(lián)人不用趕時間了。他們認(rèn)認(rèn)真真地開始搜集2枚火箭的殘骸，分析事故原因，重新設(shè)計N-1火箭的故障處理系統(tǒng)的算法，就像是試圖在尋找錯題原因的一名虔誠的學(xué)生。這個錯誤，一改就是兩年。1971年6月27日莫斯科時間凌晨2點15分07秒，第三枚N-1火箭點火。前10秒，火箭發(fā)動機工作正常。然而，這次，問題沒有出在動力系統(tǒng)上，而是出在了制導(dǎo)控制系統(tǒng)中。不知怎么的，當(dāng)火箭飛到250米高的時候，制導(dǎo)系統(tǒng)突然認(rèn)為火箭姿態(tài)異常，并發(fā)瘋似地試圖擺正火箭姿態(tài)。而實際上，火箭的姿態(tài)沒有任何不妥。制導(dǎo)系統(tǒng)的錯誤指令讓原本飛得穩(wěn)穩(wěn)的火箭開始偏斜。一級火箭外環(huán)24臺NK-33發(fā)動機的差動控制力矩是如此巨大，以至于瞬間就甩飛了火箭第3級及以上的結(jié)構(gòu)。第3級火箭啟動了自毀程序，飛船也被引爆，她們一起砸到了第1次正式啟用的2號發(fā)射臺上。

蘇聯(lián)的工程技術(shù)人員沒有氣餒。此時，美國的“阿波羅”計劃已經(jīng)接近尾聲。蘇聯(lián)人這時已不再是和美國人競爭，而是更加純粹地要實現(xiàn)自己的夢想了。N-1火箭一定要成功才行！這可是科羅廖夫總師臨終前的最后一個航天項目！這可是全體蘇聯(lián)人的登月夢想的承載！

1972年11月23日莫斯科當(dāng)?shù)貢r間上午9點11分52秒，第4枚N-1火箭點火升空。沒有鮮花與掌聲，全場肅穆凝重；沒有電視直播，很多人甚至沒有像正常人那樣的能被公開的姓名。這群在荒漠的一角頂住連續(xù)3次失敗壓力的技術(shù)人員，通過1年半的廢寢忘食的努力，再次迎來了N-1火箭發(fā)射的日子。火箭飛行平穩(wěn)。隨后，N-1火箭的飛行速度順利地超過了聲速。起飛90秒后，N-1火箭程序轉(zhuǎn)彎順利，按最新的制導(dǎo)程序，再過26秒，就該準(zhǔn)備—二級的分離程序了。但是，警報聲在此時響起了。彈載計算機認(rèn)為此時火箭的軸向過載太大。按照預(yù)案，彈載計算機自動關(guān)閉了一級火箭內(nèi)環(huán)的6臺發(fā)動機?？上?，第107秒的時候，整個一級火箭沒有經(jīng)受住烈火的炙烤，發(fā)生了爆炸。逃逸塔把繞月飛船帶離了爆炸區(qū)域。飛船穩(wěn)穩(wěn)地降落在拜科努爾。整個上面級彈出后，從4萬米高空墜下，摔毀在荒灘上。

N-1重型火箭，4次發(fā)射，4次失敗?？屏_廖夫的繼任者米申沒能在后來爭取到更多的發(fā)射機會。這讓N-1火箭終究無法證明自己，給人們留下了無盡的遺憾。風(fēng)流人物，還看今朝

2015年9月20日07時01分14.331秒，“長征”6號運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功點火發(fā)射，將20顆微型衛(wèi)星（亦即10立方厘米級衛(wèi)星，多為科學(xué)實驗性質(zhì)）送入太空，成為中國航天新一代“長征”系列運載火箭的首發(fā)型號。這標(biāo)志著中國也掌握了大推力液氧煤油火箭發(fā)動機的技術(shù)。隨著“長征”系列液氧煤油火箭的發(fā)展，中國將逐步掌握重型運載火箭的技術(shù)。

回想1972年12月7日，美國“阿波羅”計劃的最后一枚“土星”5號火箭上天。1976年，蘇聯(lián)終止N-1火箭的所有相關(guān)項目。美蘇太空競賽的登月部分在上世紀(jì)70年代結(jié)束。而以重返月球和搶灘火星的為代表的新一輪太空競賽已經(jīng)開始。此時，中國已經(jīng)有了足夠的技術(shù)積累和信心開始迎接新的機遇和挑戰(zhàn)。數(shù)風(fēng)流人物，還看今朝！

責(zé)任編輯：邢強