苏俄质子号运载火箭.docx

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苏俄质子号运载火箭

苏俄质子号运载火箭

质子号运载火箭（俄语：

Протон）是苏联研制的大型运载火箭系列的名称，该系列也被称为Д运载火箭。

一枚停放在拜科努尔发射场的“质子-M”运载火箭

运载能力

　　“质子”号火箭从20世纪60年代中期以来一直是苏联及其航天力量的继承者俄罗斯在发射大型航天器时的主要运载工具。

由于N-1探月火箭的研制失败和对能源号运载火箭的弃用，质子号火箭实际上成为俄罗斯现在拥有的发射能力最强的运载火箭。

以横向比较而言，质子号系列中俄罗斯质子号运载火箭将发射

最大型的产品的运载能力远逊于能源号和美国阿波罗计划中使用的土星5号火箭，与美国的大力神4型及欧洲航天局的阿丽亚娜5型火箭处于同一水平，强于中国和日本所研制的任何一种火箭。

俄罗斯与乌克兰研制的安加拉号，以及美国最新研制的宇宙神5型箭中的某些型号，其运载能力可能也强于质子号。

质子-M运载火箭（俄语：

Протон-М）是俄罗斯质子号火箭家族中的最新型号。

“质子”运载火箭是苏联研制的一个大型运载火箭系列，包含多种型号。

质子号从20世纪60年代中期以来一直是苏联-俄罗斯发射大型航天器的主要运载工具。

在冷战结束后，由于能源号火箭的被弃用，质子号实际成为俄运载能力最强的火箭。

但质子号使用剧毒的可贮存液体燃料，一旦发射失败可能对发射场周边地区造成严重污染，所以俄罗斯已决定用新研制的安加拉号（使用液氧/煤油作为推进剂）来取代它。

质子-M与以前的质子号火箭相比作了许多改进。

它使用了更先进的和风-M上面级，这种新上面级在1999年首次进行了飞行，当时前三级使用的是原有的质子-K箭体；这样组成的火箭被称为“质子-K/和风-M”或“质子-KM”。

质子-KM可能只是代用品，因为不久就对火箭的前几级进行了改进，使用了与以前完全不同的箭体结构（可能主要是减轻了前三级的质量）。

总共只有70%的技术是从以前的质子号中继承的。

换用新箭体的火箭在2001年首次发射，将一颗银幕-M通信卫星送入轨道。

这种火箭是目前俄罗斯从事国际商业发射服务的主力。

2007年俄罗斯又发展出了“质子-M增强型”火箭。

被取代原因

在冷战结束后，由于能源号火箭的被弃用，质子号实际成为俄运载能力最强的火箭。

但质子号使用剧毒的可贮存液体燃料，一旦发射失败可能对发射场周边地区造成严重污染，所以俄罗斯已决定用新研制的安加拉号（使用液氧/煤油作为推进剂）来取代它。

主要型号

质子号系列共包括5种型号。

以下各型号请分别参见其主题条目。

UR500（基础型质子号火箭）

质子-K（UR500K）

质子-K/D组级和质子-K/DM组级（UR500K-L1，UR500K-L1P）

质子-M（可能包括质子-KM）

发展过程

　　最初的质子号火箭是在1961年~1965年间研制成功的，总设计师是OKB-52设计局的负责人切洛勉。

切洛勉当时向赫鲁晓夫提出了一个庞大的洲际导弹发展计划，在这个计划中，UR500（即两级型的质子号）是一种“全球火箭”。

但是UR500最终没有被军队接受，而是决定用于航天发射。

1965年7月16日，UR500在拜科努尔发射场执行了第一次任务，将质子1号科学考察卫星送入太空，火箭也从此而得名质子号。

美国国防部对这种火箭的代号是“SL-9”，美国国会的谢尔顿命名法（用于识别火箭的衍生型号）则称其为“D”。

两级型质子号的运载效率不高，因此很快被停止使用。

　　在UR500基础上加入第三级后，苏联人得到了运载能力更为强大的、三级状态的质子-K火箭（即UR500K；美国国防部：

SL-13，谢尔顿命名法：

D-1）。

带有第三级的质子号在1967年3月10日首次发射（当时使用了D组级上面级，实际构成了四级火箭：

质子-K/D组级），将宇宙-146（一颗月球探测器）送入太空。

1968年，不带上面级的质子-K首次发射。

在1970年代初至1980年代末，苏联曾利用不带上面级的质子-K将8个空间站送入轨道。

国际空间站的两个主要组件曙光号功能货舱和星辰号服务舱也是用质子-K发射的。

　　在质子-K上再加入一个上面级，就形成了UR500K-L1运载火箭，即四级状态的质子号火箭（美国国防部：

SL-12，谢尔顿命名法：

D-1-e）。

苏联时代的质子号所使用的上面级主要有两种：

D组级或DM组级（D组级的发展型号，1974年开始使用），所构成的火箭分别称为质子-K/D组级和质子-K/DM组级。

这两种火箭是苏联发射大型地球静止卫星和深空探测器的主力。

从1967年开始，四级型质子号向月球、金星和火星发射了多个探测器，并且在流产的苏联登月计划中被选为发射载人环月飞船的运载工具。

　　在美苏登月竞赛时期，切洛勉还在质子号基础上提出了一个名为UR700的设计方案，以与科罗廖夫的N-1探月火箭竞争。

UR700的设计思想很像质子号，但其体积之巨大甚至使N-1和美国的土星5号都相形见绌。

在UR700中，两级型的质子号仅仅是一个上面级。

　　冷战结束后，俄罗斯新研制了一种四级型质子号火箭，即质子-M（有时使用未改进的质子-K箭体搭配和风-M的四级火箭质子-KM也被归入其中）。

它与质子-K/DM组级的主要区别是使用了更为先进的和风-M上面级，因此火箭也被叫做质子-M/和风-M。

和风-M上面级具有两次点火的能力，它可以将重型卫星直接送入地球同步轨道（以前的质子号通常是将卫星发射到地球同步转移轨道）。

质子-M在2001年首次发射，将一颗银幕-M通信卫星送入轨道。

　　另外俄罗斯还发展了所谓“质子-M增强型”，主要改进了和风-M上面级的性能。

质子-M增强型只在2007年发射过一次。

所有型号的质子号火箭都只能从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场发射。

在拜科努尔的81号和200号发射阵地各有两个质子号发射工位，火箭以水平方式运输至发射台，然后起竖、发射。

主要任务

　　早期的质子号火箭主要用于发射大型人造卫星。

但由于其运载能力远大于其它苏联火箭（如联盟号和闪电号），质子号遂成为发射星际探测器的首选。

在美苏登月竞赛时期，质子号承担了将大多数月球号无人探测器送上月球的任务。

质子号也预定参加苏联载人登月计划。

当时苏联平行开展了两个计划：

科罗廖夫主导的使用N-1的宇航员登月计划，和切洛勉主导的使用质子号的载人环月飞行计划。

但在一次内部论证会之后，切洛勉的计划被搁置。

在N-1开发失败而美国人率先实现登月之后，苏联政府对登月失去了兴趣。

虽然还是用质子号发射了几艘“探测器”号飞船进行了绕月飞行，但所携带的只是动物而已。

　　从1971年开始，苏联用质子-K火箭先后将8个空间站（礼炮1号~礼炮7号，和平号）的几乎全部舱体发射入轨。

冷战结束后，质子-K又用于发射国际空间站的几个重要舱段。

除了美国的航天飞机以外，质子号是目前唯一能够承担这项任务的运载工具。

　　四级型质子号被用于发射苏联的大型通信卫星（“银幕”，“彩虹”，“地平线”）和行星探测器（“火星”，“织女星”，“福波斯”）。

　　苏联解体后，俄罗斯将质子号火箭投入国际市场，结果十分受客户青睐。

1996年4月，质子号将欧洲的阿斯特拉-1F卫星发射入轨，完成了第一次商业发射。

到2007年为止，质子号已经执行了40多次商业发射任务。

存在的问题

　　质子号系列的发射成功率并不突出。

1996年该火箭发射火星-96探测器失败，载荷在太平洋上空坠毁，其上携带有200克剧毒放射性元素钚。

质子号火箭更为突出的问题是其使用的液体推进剂偏二甲肼/四氧化二氮有毒，一旦发射失败，泄漏的推进剂可能对环境造成污染。

俄罗斯经常因火箭在发射后坠毁而与发射场地的所在国哈萨克斯坦进行交涉。

近几年来，如果质子号发射失败，哈萨克斯坦就会禁止在拜科努尔发射这种火箭，直到问题解决为止。

俄罗斯“联盟”飞船“联盟号”运载火箭

俄罗斯“质子号”运载火箭

美国“土星-5”号运载火箭

欧洲“阿丽亚娜5号”运载火箭

印度“GSLV”运载火箭

　　2010年12月5日对俄罗斯的“格洛纳斯”卫星全球导航系统是灾难性的一天，“质子”M运载火箭原本计划将三颗新组网卫星送入轨道，但却因火箭故障而导致卫星全部损失。

经过多年来的宣传“格洛纳斯”已经广为人知，“质子”虽然是一款非常经典的运载火箭，却淹没在一系列新锐运载火箭的光芒之下。

在过去20年中，俄罗斯一直都在研制“安加拉”火箭，将用于替换包括“质子”在内的多款航天运载工具，但是以“安加拉”第一级为基础的韩国“罗老”号运载火箭，两次发射都遭遇失败，尽管其中第一次是由于整流罩分离失败引起的，与“安加拉”并无直接关系，但是仍然为其正式服役蒙上了阴影。

现在俄罗斯正面临着运载工具青黄不接的局面，新的“安加拉”服役还需时间，旧的“质子”虽然发射任务已经排到了2018年，但是已经越来越力不从心了。

图：

正在进行星箭组装的“质子”M/DM-3运载火箭，可见三颗“格洛纳斯”卫星紧靠在一起

“质子”火箭的起源

　　“质子”火箭实际上是俄罗斯目前唯一的重型航天运载工具，比其运载能力强得多的N-1火箭原本是为登月任务设计的，在尺寸上堪比美国的“土星”V号，但是连续四次发射失败后就退役了；“能源”火箭在80年代进行了两次试验性发射后也没能服役，其中一次将“暴风雪”号航天飞机送入了太空，另一次则将“极地”1号（Polyus-1）军事载荷打废了。

从履历上来看，“质子”可谓功勋卓著，苏联从“礼炮”1号到“和平”号空间的所有核心舱段都是由其发射的，而“国际空间站”（ISS）的“曙光”号（Zarya）和“星辰”号（Zvezda）两个最早的核心舱段也是其送入轨道的。

“质子”号之所以能承担这些重大发射任务，关键在于其拥有最大超过20吨的近地轨道运力。

尽管新一代航天运载工具近地轨道运力都能轻松做到20吨以上，但是“质子”在60年代就以较小的成本代价做到了这一水准，这是其能够服役长达50年代关键所在。

事实上，在目前服役的所有航天运载工具当中，“质子”几乎和“联盟”一样老，“联盟”1966年11月28日进行了首次发射，而“质子”基本型是1965年7月16日首飞的，“质子”K则是1967年3月10日首飞的，只不过“联盟”隶属于的R-7系列历史可以追溯得更早罢了。

图：

正在进行水平转运的“质子”火箭，注意其非常有特色的第一级发动机布局，远端是“质子”火箭发射场标志性的门形勤务塔

　　“质子”是苏联OKB-52切洛梅伊设计局设计的，制造则由大莫斯科地区的赫鲁尼切夫工厂负责，该工厂现在也负责生产换代用的“安加拉”火箭。

“质子”最初的设计局代号为UR-500，是作为UR-200洲际导弹的重型化版本而立项的，用于满足战略火箭军对于所谓“全球导弹”2号（GR-2）的需要，但也可以作为航天运载工具，因此也继承了偏二甲肼和四氧化二氮的可贮存推进剂。

1960年6月23日，苏联批准了航天发展七年计划（1960-1967年），其中就包括了UR-500项目。

最初，切洛梅伊希望以UR-200为基础研制UR-500，考虑将四枚完整的UR-200捆绑在一起，在其上再安装一枚去掉第一级的UR-200。

但是这种直线型路径很快就因结构过于复杂而被放弃，切洛梅伊设计局随即推出了并联和串联两个方案。

所谓串联方案是将UR-200的芯级从3米加粗到6.2米，并且采用三级布局，其高度将达到54米。

所谓并联方案针对串联方案芯级直径过大而带来的加工和运输困难，引入了一种全新的构型，其芯级内只设置氧化剂贮箱，在其周围捆绑独立的燃料贮箱，这样芯级只用做到4.1米就可以了，因此最终战胜串联方案而获胜。

最初并联方案的第一级的芯级和燃料贮箱底部都安装有发动机的，但为简化结构后来干脆取消了芯级上的发动机，并略微放大到4.15米，同时将燃料贮箱及发动机数量增加到6具，这就是现在看到的“质子”火箭构型。

图：

早期的“质子”系列火箭，最左侧的是两级版的UR-500测试弹，其他都是三级版的UR-500K，分别搭载LK-1登月飞船、7K-L1绕月飞船、“礼炮”1号空间站

“质子”与“长征”系列比较

　　从火箭下面级推进剂来看，“质子”和“长征”系列是完全一样的，而且都使用燃气发生器循环的开式发动机。

用于低轨道发射的“质子”K为700吨级，比“长征”2F要重出200多吨，但两者运力差距非常悬殊，“质子”K达到了20吨级，这还是在高纬度的拜科努尔发射场做出的，而“长征”2F还不到10吨。

出现这种情况关键在发动机，“质子”第一级的RD-253发动机推力几乎是“长征”2/3/4第一级的YF-25的一倍，6机并联要等同于后者的12机并联，而“长征”2E/F或者“长征”3B只能实现8机并联（4台芯一级和4台助推器），而改进后的RD-275推力又在RD-253的基础上提高了约20%。

这种结果导致正在研制中的“天宫”1号空间站（目标飞行器）尺寸和重量只能偏小一些，要发射未来空间站的主要舱段必须等待“长征”5号的服役。

但高轨道运力情形就反了过来，“质子”要将需要采用4级构型，其采用的D/DM系列液氧－煤油上面级，或者“微风”（Briz）系列常温上面级性能都不是太好，而三级半构型的“长征”3号有能两次启动的氢氧低温上面级，尽管安装YF-75的上面级性能无法同“半人马座”等先进型号相提并论，但足以对高轨道运力产生足够的增益．加上在低纬度的西昌发射占到了便宜，其GTO运力也能接近5.5吨，比“质子”M＋BrizM大约低半吨，且但比“质子”M＋DM-3大约要高半吨。

图：

“质子”K从拜科努尔起飞，这次任务是将国际空间站的“星辰”号服务舱送入轨道，注意火箭头部的整流罩

　　“质子”最擅长的一直是低轨道大载荷发射任务，切洛梅伊设计局也曾几次想对UR-500的基本设计进行改进，以支援大型轨道空间站建设等航天项目。

其中最主要的两条路径，一是UR-530方案，加长推进剂贮箱长度，同时放大燃料贮箱直径，低轨道正常运力可以达到36吨，即使是97度倾角的200公里太阳同步轨道也有30吨，与切洛梅伊设计局的大型军用空间站相配套；二是UR-500MK方案，换用性能好得多的NK-33液氧－煤油分级循环发动机，并通过燃料贮箱数目的增减来控制起飞重量和运载能力，6机并联的1000吨级方案LEO运力将超过30吨，600吨级方案LEO运力也有15吨，主要优势是推进剂没有毒性，同时使低轨道运力向下延伸。

但是UR-530方案和“能源－暴风雪”项目有竞争关系，换用NK-33的方案和源自“能源”助推器的“天顶”火箭有竞争关系。

将UR-500MK方案和“长征”5号放在一起比较是非常有趣的，这将使我们更好地理解新一代运载火箭的研制思路。

从推力上来看，NK-33和RD-275基本处于同一水平线上，但是推进剂和循环方式上的区别使其比冲要高很多，用于“长征”5号的120百吨级煤油机推力还是明显偏低，这造成其最大运力构型在使用多达8台YF-100煤油机和2台YF-77氢氧，即使在低纬度的海南文昌发射LEO也只能做到25吨，而UR-500MK的6机并联版则可以在拜科努尔轻松做到30吨。

图：

“质子”用于高轨道发射需要搭载D/DM系列上面级，当然也可以选用“微风”上面级

后苏联时代的“质子”火箭

 　　纵观最近30年的前苏联/俄罗斯航天发展，70年代末在格鲁什科的领导下能源联合体重振雄风，而80年代末切洛梅伊因意外而去世后，曾经兴盛的切洛梅伊设计局和赫鲁尼切夫工厂就逐步衰落，虽然制造了“曙光”号和“星辰”号两个ISS核心舱段，并且参与承接国际航天发射任务，但是总体而言日子并不很好过，否则也不会通过向韩国转让“安加拉”火箭第一级来获取研发资金了。

不管怎么说，最近十年“质子”火箭平均每年都要进行10次左右的发射，发射频率丝毫不次于有“联盟”载人飞船和“进步”货运飞船发射任务保证的“联盟”火箭。

赫鲁尼切夫工厂的生产能力也重新恢复到了每年12-14枚“质子”的水平，产量的提高使平均成本有所下降。

面临欧空局逐步成熟的“阿里安”5，在“安加拉”迟迟无法服役的情况下，俄罗斯也在对“质子”进行改进。

国际发射服务公司目前正在和轨道科学公司一道进行ProtonDuo计划，用一枚质子火箭同时发射两颗轨道科学公司制造的重量低于3175千克的小型与中型通信卫星。

但纵观“质子”的整个服役期，其发射成功率一直在90%以下。

撇开之前的发射记录不算，2000年以来“质子”确实累计了不少成功的次数，但是此次一箭三星发射“格洛纳斯”失败后，又再度跌到90%左右，显然对“质子”的商业前景蒙上了影音。

图：

正在进行总装的“质子”M火箭，大圆柱体是其第一级的氧化剂贮箱，而吊装的是外挂的燃料贮箱，其上将安装RD-275开式发动机，但是在抛弃第一级时，氧化剂和燃料贮箱是作为一个整体抛弃的