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N-1(G-1e/SL-15)

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N-1(G-1e/SL-15)

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N1运载火箭是苏联研发的用来将苏联宇航员送到月球的火箭。也就是被西方人称为 G-1e 或 SL-15 的火箭。N1就是俄语носитель的缩写。火箭研发工作比土星五号晚,不仅资金短缺、未测试,四次发射试验都失败了,于是苏联在1976年正式取消了这项工程。

火箭简介

N-1运载火箭是苏联登月计划的核心,其在高度、质量和有效负载上仅次于世界第一的土星五号。N1-L3方案采用五级推进,前三级将飞船送入地球轨道,其余两级用于地月推进。 其是亦被西方人称为 G-1e 或 SL-15 的火箭,而N1就是俄语носитель的缩写。N-1火箭是一个不择不扣的“怪物”,它的高度达到105米,相当于30层高的楼;满载重量接近2800吨,相当于一艘小型护卫舰的排水量;其五级推进段使用了多达44台的大推力发动机(仅第一级同时安装30台Nk-15火箭发动机),是苏联“傻大黑粗”思想的典型代表。

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  • 名称:N-1(G-1e/SL-15)运载火箭
  • 制造商:OKB-1(Korolev/NPO Energia)
  • 首次轨道发射:1969年2月21日
  • 发射地点:俄罗斯,拜科努尔

前苏联的月球发射计划是用一个单独的发射工具,即"N-1"号运载火箭,并且要在月球轨道实现对接,这和美国用"土星"5号发射"阿波罗"号和登月舱飞船是采用的是相同的方式。"N-1"号曾在1969年2月21日发射,进行飞行试验,但最后在40000英尺高度爆炸而失败。1969年7月3日又进行了一次发射演习,但也失败。前苏联又分别于1971年6月和1972年11月试验了两次,两次都以失败告终。1971年6月的飞行中,发射后几秒钟,推进器失去控制,不断旋转摇摆。计算机关闭了发动机,"N-1"火箭又一次掉下来,完全毁坏了1969年已经严重毁坏的第二个发射台和塔台。可能是由于时间紧迫以及资金短缺,这一世界上最大的火箭共进行了四次发射,之前却没有进行过测试或试验。但是后来"N-1"火箭经过技术改进最终变成了如今的"能源号"火箭。"N-1"号的屡次失败粉碎了前苏联人的登月之梦,前苏联设计和建造登月飞船的工程师们肯定早已知道他们所冒的风险。回顾硬件制造过程、发射经过,以及花费,没人能怀疑航天员们的技术及超人的勇气。

时间紧迫,方案仓促

N-1火箭的研发是1959年在谢尔盖·科罗廖夫(Sergey Korolyov)的带领下,在他的科罗廖夫设计局展开的,在科罗廖夫的设计原稿中,N-1的第一级火箭是24台发动机并联。在科罗廖夫因病去世后,设计师瓦西里•米申接手了他的工作,他发现原计划配套的苏联登月飞船“联盟7K-LOK”和LK登月舱比预计的要重,由于没有美国阿波罗飞船和登月舱先进的材料技术和设计理念的支持,使得最终建造完成的苏联登月飞船和登月舱比原计划整整重了二十吨,这已经远远超出了N-1火箭原本的运载能力。

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阿波罗飞船和登月舱和“联盟7K-LOK”和LK登月舱

由于苏联政府的不断施压,时间紧迫已经不允许米申和他的团队重新设计运载火箭,于是他们不得不在N-1的基础上进行“魔改”,其中包括使用超低温液氧技术提升了每台Nk-15发动机2%的推力极限,但是这样做依然达不到要求,因此不得不在一级燃料罐下又加了6台发动机。简言之,N-1的发动机设计完全是临时“抱佛脚”的产物,没有经过系统而充分的理论论证和模拟测试,这也为后来一连串的事故埋下了隐患。

参数

  • 长度:105米
  • 中心直径:17米

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  N-1运载火箭原计划用来向月球发射载人飞船,以及将超重型有效载荷送入近地轨道。这个计划于1962年得到官方的正式许可,1963年开始了L3登月计划。

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发射四次,失败四次

1969年2月21日,序列号为N1-3L的火箭携带了联盟7K-L1登月飞船进行了第一次发射,由于发动机燃料管道泄露引发了火灾,完全失去动力的N-1火箭在空中滑翔,发射后183秒在距离发射塔52公里处坠毁。

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1969年7月3日,序列号N1-5L,携带联盟号飞船进行了第二次发射,但是由于发动机的涡轮泵爆炸,爆炸引发的强烈冲击波切断了周围的推进剂输送管道并导致第一级内部燃起大火,最终导致火箭发射23秒后发生爆炸,其内部装载的2300吨推进剂虽然只有15%发生了爆炸,但是这次爆炸的威力依然堪比小型核爆,发射中心周围的窗户全部炸碎,碎片被喷射到10公里之外,东侧发射阵地被彻底炸毁,混凝土结构塌陷,附近的一个照明塔倒塌并被扭曲成麻花状。

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1971年6月26日,序列号N1-6L,携带了联盟7K-LOK登月飞船和登月舱进行了第三次发射,在两年的时间里,苏联科学家对N-1火箭燃料供应管道进行了优化,改进了计算机控制系统,并对第一级的整个发动机控制系统进行了大量的改进和测试,可以说这次已经有了很大把握,然而就在一级火箭三十台发动机同时工作时,其产生的废气使火箭发生了意外的轴向翻转,这已经超过了火箭自身的补偿能力,最终导致了火箭坠毁。

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澳门新葡亰平台官网,1972年11月23日,序列号N1-7L,携带联盟7K-L3型登月飞船进行了第四次也是最后一次发射,在一年多的时间里,苏联科学家们对N-1火箭进行了许多改进,旨在消除已发现的缺陷并增加输出有效载荷的质量。包括在飞行控制计算机内部署了全新的陀螺仪平台;修改了火箭的气动外形,第一级底部被重新修改为圆柱形样式,直径减小了1m;’整个火箭的所有空气动力学整流罩由钝头型替换为尖头型。同时安装了氟利昂防火系统,在发动机周围飞行时形成了保护性气体环境。遥测方面采用了全新设计的数字制导控制系统。总共有超过13,000个传感器安装在这个火箭上。然而在其发射107秒后,火箭还是在四十公里的高空爆炸(原因是在发射后90秒对内环6个发动机进行程序性关机时,产生的压力波动比预期强得多,导致发动机供给管道大量爆裂,第一级底部开始着火。火灾在发生后104秒时诱爆了4号发动机,并在连锁反应下在引爆了整个一级火箭)。

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左为土星五号,右为N-1

使用情况

N-1运载火箭共进行了4次发射试验,全都失败。第一次试验在着火后中止。第二次试验在发射升空后马上就由于8号发动机化剂泵吸入一快碎片爆炸而失败了。经过一些重大的修改之后,第三次试验于1971年6月27日进行。虽然所有30个第一级发动机只是象征性地开动,但火箭还是产生了严重的摇摆,火箭在57秒后被地面指挥中心摧毁了。最后一次发射是在1972年11月23日进行的,这次发射的火箭装备了陀螺稳定平台、方向微调发动机和灭火系统。火箭平安无事地飞行了107秒,但是震动使燃料输送管道破裂,最终导致4号发动机化剂泵爆炸。

第五次发射原计划在1974年下半年进行,但在1974年5月格卢什科(GluShko)成为NPO ENeRgIA领导人后,他下令终止这项计划并销毁所有的火箭发动机和相关硬件设备。

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问题何在?

N-1火箭问题频发,其实跟火箭发动机没有多大关系,相反N-1火箭的核心Nk-15煤油液氧发动机(下图标示为Soviet N-1)的比冲值领先于当时绝大多数煤油液氧发动机,甚至碾压了土星5号第一级的F-1引擎,就连苏联自己也只在20年后的RD-170赶超。由于该发动机使用了富氧分级循环技术,大幅度提升了推进剂的利用效率,Nk-15在当年可是神器一般的存在,美国直到冷战结束都不相信苏联有此等技术。

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那么问题到底在哪呢?正如上文所说,N-1火箭因为登月舱超重问题进行了魔改,但是其没有像土星五号一样采用储罐共底减重技术(美国土星五号也存在超重问题),即改进第二级和第三级来完成减重,但是让两个温度差在80摄氏度的液体仅通过一层罐子底隔开,这对于材料工业基础薄弱的苏联是一个巨大挑战,同时由于军用优先的原则,苏联的燃料罐研发集中在弹道导弹常用的强腐蚀性偏二甲肼和四氧化二氮的抗腐蚀高分子材料上,这也就意味着N-1火箭从一开始就没有储罐共底减重这条“捷径”可走。

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共底储箱结构示意动图

再加上煤油液氧的组合在真空中比冲大幅度落后于液氢液氧的组合,因而还不能指望燃料利用率低的二级三级携带更多燃料来弥补运力,因此克服超重问题的重任就落在了剩余空间最多的一级火箭的“肩上”,这进一步增加了事故发生的概率(第三次发射就是因为在额外的6台发动机点火后,在火箭底部造成预料外的不稳定气流漩涡,导致火箭失控撞地爆炸)。

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土星5号第二级的液氢液氧共底设计

这些仅仅是能看见的缺陷,而火箭内部那些未经充分验证就临时修改的设计则更为致命,其中最为突出的就是N-1火箭的飞行控制系统。由于故障导致发动机熄火会使火箭推力不平衡,因而N-1第一级采用全对称设计,引擎称圆形排列在火箭底部外缘,单台引擎故障只需关闭对称位置的引擎便可保证平衡,也就是说N-1理论最多可在三分之一引擎熄火下依然完成发射。

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不过说的容易做起来难,负责管理引擎推力平衡的飞控电脑KORD(俄语“引擎运行控制”首字母简写)却有着诸多设计问题和程序逻辑漏洞(第一次发射时KORD错把燃料泄露引发的火灾判断成火箭失控,直接在起飞后68秒关闭了所有引擎并锁死了一二级分离机构,这使得没有推力的火箭直接砸毁在距离发射塔大约52千米处。第二次发射起飞前发动机液氧泵爆炸,KORD又错误地在起飞后12秒关闭了所有引擎,而关闭讯号却没有被发动机接收到,直接导致N-1火箭推力不均以倾斜45的姿态砸回了发射台上,近2300吨燃料和氧化剂的巨大爆炸几乎摧毁了整个发射台。针对两次发射苏联工程师禁止KORD在发射后50秒内关闭所有引擎和锁死一二级分离机构,但这却又莫名其妙的导致KORD在第四次发射时未能分离点火完毕的第一级),苏联电子工业的弱势在此展露无遗。

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首次发射:1969年2月21日

总结来说

虽然N-1火箭一级助推段三十台发动机并联的设计在这几十年间已被人拿出“鞭尸”无数次了,但是这并不是该火箭的真正问题,N-1火箭的设计理念与土星五号类似,然而苏联的软件较美国来说差了一大截,同时在没有进行充分的测试论证的人情况下就急于进行发射,这根本就是赶鸭子上架的决定,而苏联薄弱的轻工业和电子工业,外加上来自太空竞赛政治需求上的压力导致研发测试时间严重不足,才是N-1火箭失败的真正原因。

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航天计划本就是个烧钱的无底洞,为了缩小与美国的差距,苏联不惜重金研制飞船,却没有耐心给足其时间进行调整测试,在航空航天领域是没有捷径可走的,最终N-1火箭百分之零的发射成功率也说明了这一点,而每一次失败都是对苏联国力的损耗(就算成功了依然损耗国力,太空竞赛本就是美苏两国之间的“面子之争”)。

末次发射:1972年11月23日

1959年,N1的研发在谢尔盖·科罗廖夫(Sergey Korolyov)的带领下在他的科罗廖夫设计局展开了。原方案是在火箭的上面级使用一台核发动机,使之能够发射50吨的载荷,用于军用太空站和载人火星飞船的发射。其中N1火箭尺寸最大;N2稍小,N3最小。当时并没有展开实际研发,N系列还只停留于计划阶段。

1959年12月,一场汇集了所有主设计师的会议上,设计师各自提出他们最新设计。科罗廖夫提出了N系列以及更保守的R-7。弗拉基米尔·切洛梅,科罗廖夫的对头,提出了他的"通用火箭"系列,使用一个通用的下面级搭配不同的模块来满足多种载荷需要。米哈伊尔·扬格利提出用R-26来代替R-16。最后,会议主持者决定将切洛梅的UR-100作为新的轻型洲际导弹,将扬格利的R-36作为重型洲际导弹方案,而他们认为没用使用科罗廖夫的超大型运载工具的必要,但给了他许多研发资金,以支持他将R-7改进为闪电号运载火箭。

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情况在1961年有了转机,3月在一次在拜科努尔举行的会议期间,诸位设计师一起探讨了N1方案和另一个正在设计中的R-20方案。6月,科罗廖夫得到了用于N1研发的小额经费。1961年5月,一份名为《重新考虑用于防御目的的航天运载器计划》中明确指出要在1965年试射N1火箭。

当美国在1961年5月宣布实施人类登月计划时,科罗廖夫提出了基于一种新型飞船进行地球轨道集合的登月计划。 这个计划需要发射数次来完成登月组件运用,一个是联盟号飞船,一个是登月舱,还有用于地月间推进的发动机和燃料的辅助设备。这降低了运载火箭的性能需求,但是以必须快速完成组件发射为代价的。因为必须在组件的燃料耗尽前进行组装。 然而当时的苏联还是无力进行这样密集的发射。科罗廖夫于是研发50吨级版本的N1。

为了支持这个提议,凡棱丁·古鲁什科为科罗廖夫的方案提供了新型的RD-270发动机。 这种发动机已广泛用于古鲁什科的现有发动机设计和多种洲际导弹中。 然而,RD-270使用的四氧化二氮和偏二甲肼产生的比冲低于煤油液氧组合。科罗廖夫认为高性能发动机必须用高性能燃料,而且也对使用联氨的安全性提出质疑。

分歧最终导致科罗廖夫与古鲁什科的合作陷入僵局,1962年,设计委员会打破僵局并表示支持科罗廖夫的方案。 因为格卢什科的退出,科罗廖夫不得不另寻出路,他找到了尼古莱·库兹涅佐夫(Nikolai Kuznetsov)的OKB-276设计局。库兹涅佐夫的火箭设计经验有限,他将一种根据海拔不同型号各异的发动机NK-15提交给科罗廖夫。 为了达到要求的推力,有人提出在下面级周围使用数台NK-15,形成发动机群,这种环状结构中间留空,让空气通过。 使空气和废气混合以增加推力,同时氧化废气中故意增多含量的燃料。N1第一级的环形发动机群形成了一种原始的瓦形发动机。

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同时,切洛梅提出一系列绕月飞行计划,他认为这样也可能击败美国。他还提出在推力器上使用由三台UR-200组成的发动机群,然而在格卢什科把RD-270交给切洛梅后,这个方案也被放弃。因为使用RD-270可以设计出更简单的发动机版本。这个方案就是UR-500。

当时的苏军尤其是战略导弹部队,并不支持这种对军事无益的政治工程。 而科罗廖夫与切洛梅却极力促成登月计划。1961年至1964年间,切洛梅的保守方案被普遍认同,于是UR-500和联盟号 7KL1的研发被提上了日程。

双子座计划让美国在太空领域领先于苏联,于是科罗廖夫向赫鲁晓夫施压,要求必须在美国之前进行载人登月。由于当时对地球轨道集合的研究甚少,以致最后不得不选用类似阿波罗计划的直接起飞方案。 而这需要推力更大的助推器。

科罗廖夫于是提出了研制大型N1的想法,同时设计出新的登月飞船L3。 L3飞船包含了地球推进发动机,改造后的联盟号 7K-L3和新的LK月球着陆器。而切洛梅提出了另一套方案,一艘已经开始研制的L1飞船和他自己设计的着陆器。 1964年8月,科罗廖夫的方案被选定,而切洛梅则继续他的环月飞船UR-500/L1的研发。

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1964年赫鲁晓夫垮台后,两人重新开始了明争暗斗。1965年10月,苏联政府宣布:绕月飞行任务将使用切洛梅的UR-500搭配科罗廖夫的联盟号飞船,代替了切洛梅自己的探测器号飞船。第一次发射定于十月革命50周年之际的1967年。 而科罗廖夫坚持自己的N1-L3方案研究,虽然他赢得了这次学术争锋,但L1的研究也在继续。

1966年,科罗廖夫死于一次外科手术并发症,他的工作由他20年来的助手瓦西里·米辛(Vasily Mishin)接管。 米辛没有科罗廖夫的政治头脑,这个问题导致N1最后的失败,以致登月计划整体的失败。

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但由于种种原因,n1火箭的四次发射都没有取得圆满成功,有3次是在发射到半空之后爆炸的,但有一次直接的发射平台上就爆了,也造成了人类火箭发射史上最大规模的爆炸。

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