俄羅斯安加拉-A5火箭上面級研制縱觀

楊青格 吳小寧 林倩

（1 北京航天動力研究所，2 北京航天長征科技信息研究所，3 中國長城工業總公司）

1 引言

安加拉-A5是俄羅斯“安加拉”系列中的重型運載火箭，俄羅斯自主研制的第一款重型運載火箭，由赫魯尼切夫國家航天科研生產中心負責，主要供應給俄羅斯國防部。與質子號不同，它使用環保推進劑，將大幅度減少發射帶來的環境破壞。能源火箭航天公司計劃使用安加拉-A5火箭發射俄聯邦新一代載人飛船。

上面級是多級火箭一子級以上部分，常為二子級或三子級，可多次起動，滿足不同的發射任務，將載荷送入既定軌道。可以說，火箭的運載能力在很大程度上取決于上面級。安加拉-A5火箭計劃使用3種上面級，至今共發射3次：前兩次均采用上面級微風-M（Briz-M），第三次采用上面級“珀爾修斯”。按照計劃，還有一種在研上面級KVDK。前兩款上面級主發動機均使用液氧煤油發動機，第三款上面級則將使用氫氧發動機。

2 上面級微風―M

“微風”系列上面級共兩款：即微風-M和微風-KM。2000年兩者均已成功完成首飛：微風-M用于質子-M（Proton-M）火箭；微風-KM用于隆海號火箭。這兩款上面級最大的差異為微風-M配備額外的推進劑貯箱，給運載器提供了更大的特征速度（Delta-V）余量，提高了有效載荷。該上面級以非常密集的布局為特色。

微風―M結構圖

上面級微風-M的發動機位于貯箱內，此外，貯箱內還包含增壓氦氣罐。燃料和氧化劑使用共底貯箱，貯箱具備承重能力，無需支架。其可拋貯箱實際上相當于半個子級，拋掉空貯箱后可以提高加速度。

雖然密集的結構布局能夠縮小發動機尺寸，減輕重量，但也存在一些缺點，比如：發動機特別靠近貯箱和管路，運行時不利于散熱。其中，過高的推進劑溫度（規格范圍內1～2℃）和發動機運行時過高的熱強度（也在規格范圍內）均會導致氧化劑沸騰，從而破壞渦輪泵液體氧化劑冷卻，發動機故障。

“微風”上面級的推進系統均由3種發動機組成：1個主發動機(14D30)、4個備用發動機（用于在啟動發動機前將推進劑沉積貯箱底部）和12個姿態控制發動機。

盡管為開路結構，主發動機也擁有較高的性能，燃燒室氣壓1.01×10Pa，單位比沖328.6s，最多可起動8次，運行時間不少于1天。

2014年，農村水電工作的總體思路是：在水利部黨組的堅強領導下，銳意進取，扎實工作，全面貫徹落實黨的十八大和十八屆三中全會精神，按照深化水利改革的總體部署，結合農村水電實際，進一步解放思想，努力破除影響農村水電發展的體制機制障礙，切實轉變和正確履行政府職能，發揮市場在資源配置中的決定性作用，全面激發農村水電發展活力，為農村經濟社會發展服務，努力實現農村水電改革新跨越。

“微風”上面級濕質量為22.5t，有效載荷為6t。與三子級分離后總質量低于26t。其推重比約為0.76。這是“微風”的一個小缺點。“微風”和三子級分離后處于開放軌道，需要額外發射的沖量，而發動機推力過小造成重力損失約1%～2%。因此長時間的運行對可靠性提出了更高的要求。此外，主發動機需保證運行時間長達3200s（近1h）。

安加拉-A5.1及上面級微風-M于莫斯科時間2014年12月23日由普列謝茨克發射場順利發射。運載火箭質量約為768t，有效載荷質量為2.04t。上面級微風-M經過多次軌道修正后，將有效載荷發射到地球靜止軌道（高3.58×10km）。有效載荷與上面級未分離，同滯留于既定軌道。

3 上面級“珀爾修斯”

“珀爾修斯”是一款新型俄羅斯上面級模塊，計劃用于“安加拉”系列運載火箭。它基于能源號火箭的現有結構進行改良，是古老的上面級模塊D系列的一部分。

上面級“珀爾修斯”結構圖

上面級微風―M部分技術參數

上面級“珀爾修斯”部分技術參數

從設計的角度來看，“珀爾修斯”是對上面級11C861-03或ДМ-03的深度現代化改造。“珀爾修斯”的第一個版本是由能源火箭航天公司按照俄羅斯航天國家集團的命令在Двина-ДМ項目內進行開發。該款上面級首先計劃用于質子-M火箭，然后再用于安加拉-A5火箭。后來對14C48項目計劃進行了調整，決定放棄質子-M火箭的兼容性。現在安加拉-A5火箭被認為是14C48上面級的主要載體。

2017-2018年，第一款“珀爾修斯”上面級開始設計并生產。克拉斯諾亞爾斯克機械廠、沃羅涅日機械廠等多家企業均參與其中。2018年12月，克拉斯諾亞爾斯克機械廠完成部件及系統組裝后，將發動機樣機移交能源火箭航天公司。

上面級14C49“珀爾修斯”結構圖

2019-2020年，新型上面級“珀爾修斯”順利完成地面測試，準備用于安加拉-A5火箭的發射任務。

目前，基于上面級14C48正在研發14C49，計劃配備不同的推進系統和儀器，保留“珀爾修斯”的技術特性。

上面級14C49部分技術參數

在設計方面，上面級“珀爾修斯”安裝了推進劑貯箱、控制系統，以及用于固定有效載荷和上面級的裝置。其主發動機為液氧煤油發動機11D58M，真空推力將達到8500kg，總運行時間為1200s，可起動7次，發動機推進劑貯箱進行了擴容。干重為3240kg，可攜帶近19t的推進劑，遠遠重于前身上面級模塊D。據悉，“珀爾修斯”可與最新型運載火箭兼容，并且以高精度和高能效移除負載，可將航天器從參考軌道轉移到目標近地球軌道或離地軌道。

然而,在2021年的發射中，“珀爾修斯”發生了一些意外。其發動機只起動1次，僅將有效載荷發射到176km×200km的軌道上，無法繼續三脈沖方案。如果不采取任何行動，上面級將在幾周內脫軌。幸運的是，設備故障并沒有給航天器帶來巨大損失。

目前“珀爾修斯”項目涉及在普列謝茨克航天發射場為安加拉-A5創建一個上面級綜合體。根據俄羅斯2016-2025年的聯邦太空計劃，東方航天發射場將建造一個類似的綜合設施，名為“獵戶座”。克拉斯諾亞爾斯克機械廠負責建造上面級14C48用于靜態測試的上面級氧箱架構，以及用于振動強度測試的基本模塊和2個飛行器。計劃于2022年進行上面級“珀爾修斯”第二次發射，用于搭載衛星有效載荷。

4 上面級KVDK

上面級KVDK由赫魯尼切夫國家航天科研生產中心負責研制，計劃于2024年發射，用以提高安加拉-A5火箭的運載能力，將單個或成組航天器發射到高能軌道。在結構上，KVDK包括一個配套的液氫貯箱、一個懸浮的液氧貯箱、一個等格隔板和碳纖維強化塑料制成的儀表艙。它是通過下墊片直接安裝在運載火箭上。貯箱表層覆有“伊索綸”玻璃纖維泡沫和多層屏幕真空絕緣材料，以此保障在太空條件下進行長期飛行（長達9h），主發動機多次起動（5次）。基于上面級KVDK將開發集設計、推進系統和機載設備高度統一的低溫上面級和軌道拖船系統。不僅可以降低技術風險、時間和成本，還可以長期保持運載火箭的高能效率。

安加拉―A5上面級KVDK的基本參數

發動機RD0146D1推力為9噸級，是化學自動化設計局研發的RD0146系列發動機之一。這是俄羅斯第一臺無氣體發生器的液體火箭發動機，也是世界上第一臺根據獨立雙軸方案（向渦輪連續供氣）制造的液體火箭發動機。該設計證明了具有最佳機組特性的供應系統效率。

2021年12月29日,沃羅涅日火箭發動機制造中心（隸屬于格魯什科動力機械制造生產聯合公司）的氫氧發動機RD0146D1試車成功。測試過程為在額定工況下起動發動機，并根據指定測試程序關機。該款氫氧發動機計劃用于安加拉-A5火箭上面級KVDK。與之前用于火箭安加拉-A5上面級所研制和測試氫氧發動機相比，新款發動機將推力提高了20%。本次試車成功證明了現階段制定的所有設計和技術解決方案具有可靠性。

發動機RD0146基本參數

可以說RD0146是上面級KVDK動力系統的重要基礎，它配備獨立的氫泵和氧泵，可以多次點火。為了讓氫泵轉速達到120000千轉/min第一次給發動機配備高速軸承，以保證在液氫條件下的工作性能。化學自動化設計局擁有全套的液體火箭發動機設計流程，并且進行了多種試驗，保留了全部數據和文件。基于RD0146可以改裝成新的發動機（RD0146D），成本低，其中包括改裝成甲烷發動機。

目前，化學自動化設計局正在對RD0146進行供氧系統測試，制氫建設也即將完工。研制過程中的一個重點難題為需要10個發動機樣機分別進行測試。為解決上述問題，他們主張在元件自主測試期間，對發動機元件性能進行額外檢查。

同期，赫魯尼切夫國家航天科研生產中心也設計了一款10.5噸級的氫氧發動機RD0148，計劃用于上面級及有效載荷。該款發動機的設計方案為燃氣發生器結構，帶有經典的補燃閉合環路。其電路結構設計沿用RD0146的方案。

5 結束語

俄羅斯航天國家集團在氫氧發動機的研制道路上一直砥礪前行，以化學自動化設計局為代表，出品了系列高可靠性發動機，如：RD56，RD57，RD0120及RD0146等。

安加拉-A5火箭作為俄羅斯新一代重要火箭型號，對航天領域和國防領域來說意義重大。其上面級及主發動機技術也給世界航天事業的發展帶來巨大的推動作用。尤其是氫氧上面級技術對我國很有借鑒價值。

安加拉-A5火箭3種上面級主發動機均使用低溫推進劑液氧煤油和氫氧，這體現著未來上面級技術發展的一個重要趨勢：即低溫推進劑的使用及延展。

新型上面級KVDK雖是在研階段，但足見俄方對其重視程度，以及對氫氧推進系統的研發力度。我們相信，在今后的載人探月、探火任務中氫氧上面級KVDK將給人類歷史留下濃墨重彩的一筆。