弗雷蓋特：忙碌的“伏爾加船工”

文/松堂

“弗雷蓋特”是由俄羅斯拉沃契金設計局在20世紀90年代開發(fā)的一種上面級，可以適配聯(lián)盟和天頂運載火箭，也可以在中型和重型運載火箭之間通用。俄語里這個詞的意思是海軍的護衛(wèi)艦。這是一種輕快靈活的軍艦，負責為主力艦提供掩護。沙俄的締造者彼得大帝建立的第一支海軍，也就是波羅的海艦隊，第一艘軍艦就是護衛(wèi)艦。所以，俄羅斯人對這個名詞的感情是很深的。

弗雷蓋特首次發(fā)射在2000年2月。和阿金納一樣，它也采用偏二甲肼和硝酸作為推進劑。弗雷蓋特的成功率為97.8%（93次發(fā)射中有2次失?。晒Φ貙?00多個有效載荷送入不同的軌道，是世界上最可靠的上面級之一。不但如此，它還是世界上唯一能夠在一次發(fā)射中將有效載荷送入3個或更多不同軌道的上面級。拉沃契金設計局表示，弗雷蓋特是當今最優(yōu)秀的上面級，它繼承了前蘇聯(lián)硬件的許多組件，降低了開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

▲ 俄羅斯航天工作人員正在裝配弗雷蓋特上面級

▲ 弗雷蓋特上面級的發(fā)動機

弗雷蓋特的特點

弗雷蓋特的奇特構造，起源于20世紀60年代開發(fā)的蘇聯(lián)月球探測器。它看上去就像是6個球體拼在一起，用管道和線路連接起來，形成一個扁平的結構。其中4個裝推進劑，另外兩個裝控制設備。在儲罐之間有一組8個支柱提供結構強度，并且充當有效載荷和火箭之間的適配器。它同樣采用偏二甲肼和硝酸推進劑，燃料罐直徑375毫米、容量23升。兩個控制設備球體中，一個裝不需要加壓的電子設備，可以在真空中工作；另一個是加壓的，并且提供溫度控制，里面裝有飛行控制計算機。主發(fā)動機放置在球體之間，采用單臺S5.92發(fā)動機。它能夠多次點火，推力可調，采用渦輪泵和氣體發(fā)生器循環(huán)運行。弗雷蓋特的扁平外形可以盡量降低質量和慣性。因此，它的主發(fā)動機可以不考慮擺動功能。弗雷蓋特還有自己的姿態(tài)控制系統(tǒng)，擁有獨立的推進劑儲罐，能攜帶63～85千克肼，小型發(fā)動機推力為5千克，比沖為225秒。

弗雷蓋特有自己的制導、導航、姿態(tài)控制、跟蹤和遙測系統(tǒng)，可以三軸穩(wěn)定，也可以自旋穩(wěn)定。弗雷蓋特可以用來把衛(wèi)星送入地球軌道，也可以把探測器送往星際轉移軌道，在發(fā)射金星快車和火星快車時，就是弗雷蓋特送探測器最后一程。目前，弗雷蓋特基本上與聯(lián)盟火箭形成了固定搭配。

按照拉沃契金設計局的說法，弗雷蓋特具備這樣幾個特色：①自主式，在沒有任何地面協(xié)助的情況下自行完成整個有效載荷入軌過程；②智能，通過自己的AI算法處置各種緊急情況；③精確，基于格洛納斯和GPS導航設備，可以幾乎絕對精確抵達目標軌道；④多次點火能力，發(fā)動機可重復點火，從而確保最佳入軌精度，或把多個有效載荷送入不同軌道；⑤適應性，燃料罐在安裝到發(fā)射場之前就已經裝載完畢，可以兼容幾乎任何類型的運載火箭；⑥使用壽命長達2天；⑦能夠從4個航天港發(fā)射，拜科努爾、東方發(fā)射場、普列謝茨克和圭亞那空間中心。

▲ 俄羅斯技師正在加工弗雷蓋特的球罐

可靠的上面級

到2022年底，弗雷蓋特共計發(fā)射113次，失敗3次，是一種非?？煽康倪\載工具。

2014年8月22日，弗雷蓋特 MT在運送兩枚伽利略導航衛(wèi)星時，進入了錯誤軌道。聯(lián)盟火箭從庫魯起飛升空過程中一切順利，但是當弗雷蓋特 MT二次點火后，人們發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星處于錯誤的軌道。2014年10月7日，阿里安公司的調查委員會宣布了最終結論。故障發(fā)生在弗雷蓋特飛行期間，時刻大約是發(fā)射后約35分鐘，原因是弗雷蓋特主發(fā)動機推力方向誤差。主發(fā)動機本身沒有問題，但在前一個飛行階段，兩個姿態(tài)控制推力器的無水肼管道發(fā)生凍結，導致推進劑供應中斷。

2017年7月，弗雷蓋特在發(fā)射72顆小衛(wèi)星時，未能將其中9顆送入預定軌道，屬于部分失敗。

2017年11月，弗雷蓋特在發(fā)射流星MS-1氣象衛(wèi)星和18個立方體衛(wèi)星時失敗，因為計算機程序錯誤，導致姿態(tài)錯誤，主發(fā)動機點火的推力矢量指向了錯誤方向，所有衛(wèi)星和上面級本身進入大氣層燒毀。

除此之外，弗雷蓋特還發(fā)生過幾次異常，但沒有影響任務成功。2012年，弗雷蓋特在發(fā)射COROT科學衛(wèi)星期間，一個閥門發(fā)生泄漏，未能向推進劑罐提供所需的壓力。但幸運的是，主發(fā)動機的推進劑供應還是夠用的。2007年5月30日，在發(fā)射全球星衛(wèi)星期間，弗雷蓋特上也發(fā)生了類似的問題。后來的調查得出結論，閥門的特殊設計及其隔膜的柔性損失可能是罪魁禍首。

▲ 弗雷蓋特SB上面級

改進型

弗雷蓋特SB于2011年1月20日首次發(fā)射，將Elektro-L氣象衛(wèi)星送入地球同步軌道。

弗雷蓋特在設計之初，就考慮作為俄羅斯/烏克蘭主力運載火箭的固定搭配。比如作為聯(lián)盟2火箭的第四級，將有效載荷從低“停泊”軌道送入各種高軌道，或將行星探測器送入深空?；蛘呷∠?lián)盟火箭原本的第三級，用弗雷蓋特取而代之。在這種配置下，火箭可以將貨物發(fā)射到中低軌道，以及太陽同步軌道。

拉沃契金設計局還考慮過，用弗雷蓋特作為天頂火箭的第三級，或質子M火箭的第五級。在與質子M火箭組合時，將采用雙上面級的配置，也就是把弗雷蓋特安裝在原本Block D上面級的頂上。這種組合可以把3500千克的有效載荷送入地球靜止軌道，否則只能運送2600千克。

弗雷蓋特SB型用來適配天頂2SB運載火箭，該版本是弗雷蓋特M的一個變體，在原本6個儲罐的下方，增加了一個環(huán)形燃料罐，稱為SBB，可提高有效載荷能力。環(huán)形SBB重360千克，可以攜帶最多3050千克推進劑。這樣形成的弗雷蓋特 SB總干重為1410千克，最大推進劑運載能力為10150千克。

弗雷蓋特有一種獨特改型弗雷蓋特MT，是為火星任務開發(fā)的。它增加了一個可拋式外罐，并且在推進劑罐上方增加了球形插件。根據(jù)非官方消息來源，推進劑箱的攜帶能力將從5350千克增加到6640千克。這個版本的改型專門用于庫魯中心與聯(lián)盟ST火箭搭配飛行。

2018年5月29日，在NTS科學技術委員會的一次擴大會議上，副總設計師謝爾蓋·伊辛介紹了弗雷蓋特 SBU，它在原本的4個燃料罐上方，各增加了2個長球形的儲罐。

▲ 弗雷蓋特SBB上面級的附加燃料罐

▲ 弗雷蓋特 MT上面級發(fā)射火星探測器，可惜任務失敗

▲ 微風上面級

微風上面級

俄羅斯目前有兩種火箭上面級在使用。除弗雷蓋特外，微風系列上面級雖然飛行頻率不高，算不上俄羅斯真正的主力上面級，但也值得說一說。微風上面級是一種比較大型的上面級。它是由赫魯尼切夫國家研究與生產航天中心制造的，不但用于質子M火箭，也用于新一代火箭安加拉A5。

這種上面級的來歷很有意思。它最早其實是一種反衛(wèi)星武器，是蘇聯(lián)在上世紀80年代研制的，用來發(fā)射它們的是當時已經落伍的 UR-100NU液體燃料洲際導彈。

冷戰(zhàn)結束后，微風不用去太空里打打殺殺了，于是被開發(fā)成一種衛(wèi)星上面級。微風K在1990年至1994年3次發(fā)射成功。1995年，為了承攬銥星發(fā)射任務，開發(fā)了更大的微風KM。這種上面級的發(fā)射質量達到6.77噸，從普列謝茨克發(fā)射，可將1.95噸有效載荷送入200千米高、傾角63度的圓軌道，在軌飛行7小時。微風KM于2000年5月16日首次發(fā)射。

后續(xù)研制的微風M專門用于發(fā)射大型衛(wèi)星，把它們送入不同的軌道高度。微風M是在微風KM基礎上研制而成的，在外圍增加了一組可拋式附加環(huán)形儲罐，里面裝的也是偏二甲肼和硝酸。微風M裝有一臺擺動式主發(fā)動機14D30，可以重復點火8次，實現(xiàn)精確入軌。

微風M和質子的組合，可以把4385千克重的衛(wèi)星送入遠地點35786千米、近地點7030千米、傾角17.3°的目標軌道，也可以把5645千克載荷送入標準的地球同步轉移軌道。

KVTK上面級

俄羅斯目前正在開發(fā)的KVTK上面級，將用在新一代的安加拉A5運載火箭上。KVTK這個單詞沒有什么文化背景，意思就是氫氧重型艙。它的核心是RD-0146D。 KVTK將是俄羅斯運載火箭第一次使用氫燃料上面級，可以重復點火5次，在軌壽命9小時。與現(xiàn)役的微風M上面級相比，KVTK的地球同步轉移軌道載荷能力可以增加20%～50%。

KVTK其實早就開始研制了，但在1987年一度下馬。1996年，俄曾考慮為國際空間站建造一個由KVTK衍生的俄羅斯推進艙，由航天飛機運送到國際空間站。2020年12月10日，KVTK迎來新生，俄羅斯航天局與赫魯尼切夫宇航集團簽署了206億俄羅斯盧布的合同，在2025年12月之前制造KVTK樣機并飛行。但2021年8月，赫魯尼切夫宇航集團宣布，KVTK的首次飛行將于2027年進行。

在KVTK基礎上，赫魯尼切夫宇航集團還打算研制較小的KVSK型，用在安加拉A3火箭上，可以攜帶10760千克推進劑；較大的KVSK-A7適配設想中的安加拉A7超重型火箭，可以攜帶26500千克推進劑。