R-7:将人类带入航天时代/ 邢强 R-7: To Bring Human Being into Space Age

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V-2导弹是当之无愧的现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖,而从弹道导弹和运载火箭的发展史上来看,将人类真正带入航天时代的,当属苏联的R-7弹道导弹/运载火箭家族。

世界上第一枚洲际弹道导弹、第一颗人造地球卫星、第一位进入太空的航天员、第一次月球探测、第一次行星探测都与这个导弹家族有着密切的联系。如今,我们依然能够看到这个导弹/ 运载火箭家族中的年轻一代为国际空间站的维护做着贡献。R-7导弹家族身上有着太多传奇,而其设计细节也有太多值得我们现在的导弹和火箭设计师借鉴的地方。

要做就做个大的

从严格意义上来说,苏联是在1946年开始拥有成体系的导弹与运载火箭设计生产系统的。到了1948 年,以科罗廖夫为总设计师的苏联导弹研发团队研制出了R-1弹道导弹,后来又有了R-3弹道导弹。27米长,直径2.8米,起飞质量为7.2 吨的R-3导弹可以打击到3000千米之外的目标。当时,将人类第一颗卫星送入太空的梦想在美苏等有能力发展远程弹道导弹的国家中得到的关注越来越多。美苏两国在二战之后的对抗也愈发明显,发展能够从各自的本土打击到对方领土的弹道导弹的任务需求也越来越强烈。

一开始,苏联方面有工程师提出,将3枚 R-3弹道导弹并联起来发射的话,可以实现将卫星送入太空的要求,也能打到美国本土。但是,科罗廖夫从长远角度提出,苏联需要一枚更大的导弹,这枚导弹不仅仅可以满足打击美国本土的需求,更能够在将来把卫星送入环绕地球的轨道,把探测器送上月球、金星和火星。因此,无论是导弹还是火箭,要做,就做个大的!

分秒必争

于是,从1953年开始,整个团队把全部精力都放在了这个名为R-7 的导弹上。1957年,R-7导弹经过工程师们3年来的努力,终于横空出世。能够携带核弹头的导弹成为了核威慑力量的中流砥柱。按照当时大部分工程师认同的观点,当一枚弹道导弹的射程超过5500千米的时候,就可被称作洲际弹 道导弹。美苏当时基本上都具备了发展这种武器的条件,所以,争夺第一的竞赛开始变得白热化。

1957年4月,一辆专列将R-7弹道导弹运送到拜科努尔发射中心附近。5月 15日导弹发射。但是,在飞行了88秒之后,导弹突发故障,随后,第一枚试射的R-7导弹坠毁在400 千米外的沙漠上。而这些活动,早就被美国盯上了。1957年,一架刚刚入役的U-2侦察机飞临拜科努尔上空进行拍摄。多年来,美国一直在寻找苏联的弹道导弹和运载火箭的研发中心和发射基地。终于,在1957年,趁着苏联的导弹试射活动开始密集出现的时候,美国的高空侦察机发现了位于丘拉塔姆小镇旁边的这个发射中心。

苏联第一次试射的失败让美国人感到机会来了。1957年6月初,一枚美国宇宙神弹道导弹拔地而起。美国康维尔飞机公司于1948 年和 1949年之间 在新墨西哥州白沙导弹试验场取得了不少成果,不过该公司没能说服美国空军进行支持。但是,他们认为值得一拼,因此决定自筹经费继续进行研发。可是,导弹发射后不久就爆炸了,没能飞出洲际弹道导弹要求的弹道。

1957 年6月 11日,得知美国人也在进行洲际弹道导弹试验的苏联人再次进行了一枚R-7弹道导弹的试验。不过,这一次比上次的飞行时间还要短。导弹升空后33秒,就出现了难以控制的滚转,在空中解体爆炸。

1957 年8月 21日,第三枚R-7弹道导弹被运往拜科努尔的发射场。当日,导弹从拜科努尔升空,冲出稠密大气,飞出了漂亮的亚轨道弹道,然后,导弹的弹头再入大气,一头扎进了太平洋。5天后,苏联宣布成功进行了一枚洲际弹道导弹的试射,命中6000 千米外的预定海域。从此,洲际弹道导弹这类飞行器正式诞生了。R-7,这款初出

茅庐的导弹使苏联成为了世界上最早掌握洲际弹道导弹技术的国家。

赢得第一

R-7洲际弹道导弹全长34米,芯级直径 3.02 米,重280吨。其设计最大射程为8800千米,圆概率误差为5千米,能够携带一枚当量为300 万吨TNT的核弹头。从外形上看,R-7导弹最大的特征就是侧面的4个外挂式助推器了。每台助推器的长度为19米,最大直径为3米。助推器越往上越收敛,并逐渐变为一个倾斜尖锥。尖锥的顶角 为10°。R-7弹道导弹可以采用不同的弹头配置。从1957年到1961年,R-7进行了28次试射,其中25次成功。

在经过多次洲际弹道导弹试射后,苏联人认为时机成熟了。于是,他们正式启动了人造地球卫星的发射计划。1957 年 10 月4日,在拜科努尔发射中心升空的,由R-7洲际弹道导弹改造而来的人类第一枚运载火箭,将人类第一颗人造卫星送入了太空。由此,太空竞赛正式拉开帷幕,人类进入了航天时代。

按照通常的说法,由R-7导弹改来的火箭为一枚二级运载火箭。但是严格来说,这是一枚一级半运载火箭。传统意义上的二级运载火箭指的是一级先点火,然后一级与二级分离后,在一级火箭上面的二级火箭再点火全推力工作。但是,R-7的5台发动机(芯级1台, 4个助推各1台)是在地面同时点火的,只不过,芯级的燃料贮箱大一些,能够使芯级发动机燃烧时间足够长。当助推器中的燃料烧尽后,助推器分离。这样的设计,使得R-7避免了那个年代的多级导弹或者火箭要面临的一个重大难题:上面级发动机的高空或者真空环境中的点火可靠性问题。

R-7助推器分离的设计很有趣:燃料燃尽后,助推器底部与芯级相连的地方被火工品炸开,然后液氧贮箱中残余的高压气体被释放出来,使助推器绕着顶端与芯级相连的机构转动。该机构由球形接头和带豁口的连接盘组成,当助推器旋转的角度足够大的时候,助推器便从豁口中脱离下来,并最终坠落到地面。

R-7导弹的5台发动机每一台都有4个主燃烧室,因此,R-7系列火箭的底部有20个较大的喷管。另外,中间的芯级发动机的四周有4个小喷管,那是用来调整火箭姿态的游动发动机,而每台助推器上也有2台小游动发动机。

RD-107是一台液氧煤油火箭发动机(苏联人在上世纪 50年代就掌握了成熟的液氧煤油火箭发动机的技术。)。其燃烧室压力为 5.88MPA,海平面推力高达813.98千牛,真空推力更是超过了1000 千牛。R-7系列火箭芯级那台发动机叫做RD-108,基本性能和RD-107相近,只不过多用了2台游机,因此比RD-107重了93千克。

RD-107 全高 2.865 米,整体外框直径 1.85米,真空比冲313秒。这款自上世纪50年代来到这个世界的发

动机,设计优秀,性能优良。进入工作状态后,RD-107的涡轮泵主轴可达到每分钟8300转的高速,产生5200 马力的超强功率。

要知道,最早宣布将要发射人造地球卫星的国家是美国。1955年7月29日,时任美国总统艾森豪威尔通过白宫新闻秘书发布美国将于1957年(即国际地球物理年)的时候发射人类第一颗人造卫星。结果,苏联的R-7火箭家族拔得头筹,在1957 年 10 月4日把人类第一颗人造地球卫星送上了太空。

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就在冯·布劳恩带队的美国工程师团队急于兑现艾森豪威尔总统的承诺时,R-7火箭家族又一次给了他们巨大的打击。1957 年 11 月 3 日,R-7火箭家族的一枚火箭发射了人类第二颗人造地球卫星,这下美国人连第二也没能争到。而且,这枚卫星里面携带了一只为科学而献身的小狗——莱卡。这只在莫斯科街头被人们寻获的雌性流浪小狗,搭乘R-7系列运载火箭进入太空,成为第一只进入绕地轨道的动物。

缓过神来的美国人终于在1958 年2月1日发射了他们的第一枚人造地球卫星(重13.97千克)。

然而,R-7系列火箭再一次创造了历史:

1958 年5月 15日,就在第一枚R-7导弹试射失败一周年的时候,苏联人将一枚载满地球物理探测设备的卫星送入了太空。在长达692天的轨道运行时间里,该卫星进行了大量观测和试验。令人感慨的是,这枚卫星重达1.327吨!其质量是美国100多天前发射的人造卫星的95倍!

第一枚洲际弹道导弹、第一枚运载火箭、将第一颗人造地球卫星送上太空,把第一个动物送入绕地轨道,让第一颗超过1吨重的卫星在太空工作,都是R-7完成的。接下来,近地轨道的圣杯 中,或许就只剩下第一个把人类送入绕地轨道这一个了。当然,就在全世界为R-7在近地轨道上创造的各种纪录而惊叹的时候,R-7系列火箭已经把目光望向了更远处。

1958 年9月 23 日,R-7火箭发射了人类第一个月球探测器。然后,在人们的感慨声中,到1960年4月16日, R-7火箭连续发射了9个月球探测器(有2次成功)。

后来的事情可能大家就更熟悉了: 1961 年4月12日,莫斯科时间上午9时 07分,加加林乘坐东方一号宇宙飞船从拜科努尔航天发射场起飞,在远地点为301千米的轨道上绕地球一圈,于上午10 时 55分安全返回,降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区,完成了世界上首次载人航天飞行,实现了人类进入太空的愿望。他驾驶的东方一号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器,在轨飞行了108分钟。

此时的火箭,改进的地方主要是增加了一级。增加的一级高3.1米,直径2.58米,里面装有一台RD-0109 发动机。该发动机也是液氧煤油的!也就是说,苏联在上世纪60年代就掌握了在真空环境中启动液氧煤油发动机的技术。这一点即使放到今天,依然值得火箭设计团队骄傲。RD-0109运行可靠,从 1960 年12月12日开始投入使用之 后,一直为R-7系列运载火箭服务,直到 1991 年8月 29日,才算是走完了它31年的辉煌生涯。

R-7导弹、卫星号火箭、东方号火箭、闪电号火箭,它们用的都是R-7系列火箭的基础级,只不过因为载荷的不同,而有了不同的上面级配置。而R-7系列火箭后来改型的名字就太令人熟悉了,那就是大名鼎鼎的联盟火箭。

后来,R-7系列运载火箭的喷管材料有了新的改进,大量引入了钛合金。不过,火箭基础级的总体设计,60年来没有大改。如今,R-7系列运载火箭已经成了很多博物馆的标志。这种水平运输、垂直起竖发射的方式,几十年来也没有变化,变化的只有人类越来越远大的理想和越来越复杂的航天器载荷。

据统计,从1957年5月15日的R-7弹道导弹的首次试射,到2017年7月 14日,一枚联盟-2.1a 火箭将一颗对地观测卫星送入预定轨道,随后又进行3次变轨操作,将72颗小卫星送入各自轨道,R-7系列导弹/ 运载火箭总共进行了1870次发射,是世界上发射次数最多的火箭系列。而且像联盟-U、联盟-FG、联盟 -2.1a、2.1b、联盟 2-1v这些型号依然准备着执行新的发射任务,因此这个纪录还将由R-7系列火箭自身不断地打破。★ 责任编辑:薛滔

▲联盟号火箭发射升空

▲准备垂直起竖的联盟号火箭

▲ R-7导弹使苏联成为世界上最早掌握洲际弹道导弹技术的国家 ▲ R-7导弹有5台发动机,每一台都有4个主燃烧室,因此,R-7系列火箭的底部有20个喷管。这种布局被联盟运载火箭所继承,一直沿用至今

▲厂房内准备进行总装的联盟火箭

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