俄羅斯聯盟－2.1v/“伏爾加”小型運載火箭成功首飛

張綠云 黃長梅 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

2013年12月28日，俄羅斯首枚聯盟－2.1v/“伏爾加”上面級新型運載火箭搭載質量為53kg的俄羅斯“鶴”（Aist）微衛星從普列謝茨克航天發射場升空，衛星進入高度581km/559km、傾角4.9°的預定軌道。

1 火箭研制背景及過程

目前，俄羅斯“宇宙”和“旋風”小型運載火箭均已退役，“隆聲”小型火箭需進行進一步改進，而輕型“安加拉”運載火箭仍處于研制過程中。隨著全球小型衛星發射需求的增加，俄羅斯對小型運載火箭的發射需求進一步增加。2007年，俄羅斯進步國家火箭航天科研生產中心提出了聯盟－2.1v小型運載火箭方案，項目總投資共計25億盧布（約合763萬美元），其中10億盧布（約合305萬美元）由進步國家火箭航天科研生產中心負責，其余15億盧布（約合458萬美元）由軍事預算提供。該火箭采用的全新“伏爾加”上面級的研制全部由進步國家火箭航天科研生產中心提供資金支撐。

聯盟－2.1v火箭從項目立項至火箭成功首飛歷經了5.5年的時間。

聯盟－2.1v火箭的研制過程

2 火箭結構

概述

俄羅斯于20世紀50年代開始在R－7洲際彈道導彈的基礎上研制“聯盟”系列運載火箭，截止到目前共完成了1800多次發射任務。該系列運載火箭經歷了多次改進，目前仍有多個“聯盟”火箭型號提供發射服務。聯盟－U火箭主要用于執行“進步”系列貨運飛船的發射任務，同時兼顧軍用衛星的發射。聯盟－FG火箭用于執行載人飛船的發射任務。聯盟－2火箭既可用于載人飛船的發射，也可用于軍事和商業衛星的發射，首個型號為聯盟－2.1a火箭，二子級采用標準的RD－0110發動機。第二個型號為聯盟－2.1b型火箭，二子級采用性能更強大的RD－0124發動機。聯盟－2火箭將在未來幾年內取代聯盟－U火箭，而聯盟－FG火箭將繼續服役至2020年左右。

聯盟－2.1v火箭的總體結構

聯盟－2.1v火箭為兩級小型運載火箭，由俄羅斯進步國家火箭航天科研生產中心研制，在聯盟－2.1b的基礎上去掉4個捆綁助推器，更換了一子級的推進系統（采用1臺NK－33A發動機和1臺4室RD－0110R游動發動機，取代聯盟－2.1b火箭的RD－118發動機），并對一子級做了相應的結構上的改進。其二子級沿用聯盟－2.1b火箭的二子級，采用數字控制系統，增強火箭的靈活性。此外，該火箭還可加裝具備多次啟動能力的“伏爾加”上面級，增加任務適應性。

聯盟－2.1v火箭可從普列謝茨克、拜科努爾和未來的東方港航天發射場執行發射任務。在本次任務中，聯盟－2.1v火箭利用普列謝茨克航天發射場的聯盟－2.1b火箭的地面發射設施和硬件設施，并在火箭一子級中段和尾段分別安裝4個支撐結構，實現了火箭與發射臺支架的連接。

聯盟－2.1v火箭全長44m，最大直徑2.95m，起飛質量157～160t，整流罩直徑3m。

聯盟－2.1v火箭地面發射設施的改進

一子級

聯盟－2.1v火箭一子級長27.8m，最大直徑2.95m，由1臺NK－33A液氧/煤油主發動機提供動力。推進劑貯箱為圓柱形結構，采用分體貯箱。氧化劑箱在上，燃料箱在下，由不同厚度的鋁合金殼段焊接而成。燃料箱同樣采用鋁合金材料，由前底、后底和筒段組成。與其他“聯盟”系列火箭采用氮氣增壓不同，聯盟－2.1v火箭采用氦氣增壓方式。

聯盟－2.1v火箭一子級外形結構

聯盟－2.1v火箭的性能參數

NK－33A是NK－33發動機的改進型，但改進不多。NK－33發動機是20世紀60年代末70年代初由蘇聯庫茲涅佐夫設計局為N－1登月火箭設計的液氧/煤油發動機，N－1載人登月計劃失敗后，該型發動機一直處于停產狀態。目前，該發動機具備一定的庫存量，因其較高的性能等技術優勢，聯盟－2.1v火箭將其作為一子級的主發動機。NK－33發動機為可再生冷卻、分級燃燒循環發動機。該發動機長3.71m，直徑1.45m，最大海平面推力為1630kN，比沖297s。該發動機能提供額定推力的56%～108%的節流能力，而其飛行過程中最大推力設置通常為105%。在發動機熱試車過程中，NK－33發動機成功實現了額定推力的135%。NK－33A發動機封閉于尾艙中，通過縱梁和結構環與RD－0110R游動發動機連接。

RD－0110R游動發動機由俄羅斯化工自動化設計局研制，是在RD－0110發動機的基礎上改進而來，用于一子級的姿態控制。該發動機利用開式循環方式，設計了4個燃燒室，共用氧化劑渦輪泵與燃料渦輪泵。采用液壓推力矢量控制系統控制4個噴管擺動，實現一子級飛行段的三軸控制。配備1個熱交換器，用于加熱氦氣，給貯箱增壓。RD－0110R游動發動機質量870kg，真空推力為279.3kN。

聯盟－2.1v火箭的前幾次飛行將采用NK－33A發動機，在NK－33A發動機庫存量用完且其重啟生產計劃失敗后，其一子級主發動機將采用RD－193發動機。RD－193是在RD－191發動機（用于“安加拉”運載火箭）的基礎上改進而來的，為閉環單室發動機，長3.02m，直徑2.1m，真空推力為2085kN。

聯盟－2.1v火箭二子級結構

聯盟－2.1v火箭一子級與二子級采用熱分離方式，在一子級關機2s后，二子級發動機點火，同時，啟動分離系統，實現兩級物理分離。

二子級

聯盟－2.1v火箭二子級沿用聯盟－2.1b火箭的二子級，長6.74m，直徑2.66m，由1臺4室RD－0124分級燃燒液氧/煤油發動機提供動力，真空推力達到294.3kN。貯箱采用分體結構，燃料箱在上，氧化劑箱在下。控制系統采用數字機載計算機，通過三軸慣性測量裝置提供制導。控制裝置安裝于2個推進劑貯箱之間的儀器艙內，為火箭飛行階段提供火箭控制、遙測和導航，并自動傳輸所有火箭指令。

“伏爾加”上面級

為了提升聯盟－2.1v火箭運載能力和入軌精度，進步國家火箭航天科研生產中心研制了一個全新的“伏爾加”上面級。它采用“伊卡爾”上面級的成熟組件，研制價格只是“弗雷蓋特”上面級的1/4。

“伏爾加”上面級長1.03m，直徑3.1m，采用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，推進劑質量為0.3～0.9t，可依據任務需求調整。其主發動機真空推力2.94kN，真空比沖307s，燃燒時間900s。火箭控制通過由一些推力器組成的姿態控制系統實現。“伏爾加”上面級采用慣性測量裝置進行導航，并在執行長時間復雜的上升任務中使用星敏感器。“伏爾加”上面級還具備獲取“全球導航衛星通信”（GLONASS）導航信號以實現火箭控制的能力。

“伏爾加”上面級具備多次重啟能力，可通過機載電池在軌運行24h，但一般的任務都不超過2h。除了聯盟－2.1v火箭，該上面級還可用于聯盟－2.1a運載火箭。

“伏爾加”上面級結構

“聯盟”系列運載火箭的未來發展

3 未來發展

俄羅斯能源火箭航天公司曾提出包括聯盟－2.3和3火箭在內的多種研制方案，但都處于設計階段。

聯盟－2.3是向聯盟－3過渡的一個火箭型號，其一子級采用1臺NK－33A液氧/煤油發動機，并捆綁4個助推器（RD－0155液氧/煤油發動機）；其二子級為液氧/煤油發動機。聯盟－3將沿用聯盟－2.3火箭的基本結構，其一子級采用1臺NK－33A液氧/煤油發動機，捆綁助推器將使用4臺RD－120液氧/煤油發動機，其二子級將使用4臺RD－0146E液氧/液氫發動機。

此次聯盟－2.1v/“伏爾加”上面級火箭成功首飛，標志著NK－33A發動機在N－1火箭登月任務失敗后首次在俄羅斯火箭上成功應用，其基本結構也將用于未來聯盟－2.3火箭。據俄羅斯進步國家火箭航天科研生產中心稱，在聯盟－2.1v火箭的基本構型上捆綁“聯盟”火箭標準型助推器，可將火箭運載能力從3t提高至10t，其他的聯盟－2.1v火箭改進型可將運載能力提高至16～17t。該火箭的成功為俄羅斯進步國家火箭航天科研生產中心研制性能更強大的聯盟－2.3和3運載火箭奠定了堅實的基礎。

4 小結

縱觀全球衛星發射市場，近10余年來，全球共成功發射衛星1206顆，1000kg以下衛星497顆，占發射總數的41.21%。另據《2013年商業航天運輸預測》報告，2013－2014年，全球非靜止軌道（NGSO）商業衛星的發射需求為106顆，質量在1200kg以下的小衛星為91顆，占總需求的86%。數據表明，小衛星已成為航天活動的主要領域，未來小衛星的發射需求將進一步增加。目前，俄羅斯“宇宙”、“旋風”小型運載火箭已退役，“隆聲”火箭需進一步改進，而“安加拉”小型運載火箭的投入使用仍需要時間。俄羅斯聯盟－2.1v小型運載火箭成功首飛，將為俄羅斯小型衛星的發射需求提供保障，同時增強商業市場競爭力。

在產品研發方面，聯盟－2.1v火箭采用了大量成熟技術，其一子級采用的NK－33A主發動機為蘇聯N－1火箭的NK－33發動機的改進型，RD－0110R游動發動機為RD－0110發動機的改進型；其二子級沿用聯盟－2.1b火箭的二子級；“伏爾加”上面級采用了“伊卡爾”上面級的成熟組件。聯盟－2.1v火箭沿用聯盟－2.1b火箭的地面發射設施，并進行相應的改進。在降低火箭研制成本和發射成本的同時確保了火箭的可靠性。