承载苏联载人登月梦想的N-1火箭

□ 邢强

承载苏联载人登月梦想的N-1火箭

□ 邢强

说到载人登月，尼尔·阿姆斯特朗在1969年7月21日凌晨2点56分说的那句“这是个人的一小步，却是人类的一大步”，或许会立刻涌到关注人类科技发展的人们的耳畔。

不仅是美国人，实际上，苏联人同样有着载人登月的梦想，而且他们同样为此付出了汗水、鲜血甚至是生命。在苏联那样的制度下，保密工作的优先级别高于一切，这导致了有关苏联载人登月计划的细节至今仍鲜为人知。

这款火箭为什么叫N-1？

实际上，苏联人并不是在肯尼迪宣布“阿波罗”计划之后才着手准备把航天员送上月球的。在肯尼迪的宣言发表之前2年，即1959年，当时科罗廖夫就已经在准备重型运载火箭了，而这一系列火箭为包括载人登月在内的大型航天项目预留了一定的运载能力。

科罗廖夫带领的团队研制的这一系列火箭被命名为N系列火箭。这个N，得名于俄语носитель对应的拉丁拼写Nossitel，是运载器的意思。当时N系列运载火箭有3款型号，从大到小依次命名为N-1、N-2和N-3，准备采用核发动机，为未来的空间站和登月、登陆火星等任务提供运载力量。

然而，美国总统肯尼迪的宣言让苏联人加快了发展速度，并且暂时把可行性不高的核发动机放在一边，采用化学能源和多级火箭构型，争取赶在美国人前面把航天员送上月球。

当时，科罗廖夫和苏联科学院力学所的切洛梅院士对登月火箭的总体设计方案进行竞争。

N-1火箭的总体设计

N-1运载火箭由运载部分和上面级构成。全高105米（比“土星”5号火箭稍矮），整体呈圆柱体与圆锥体的结合状，这种气动外形在火箭中并不多见。最大直径17米（实际为16.876米），起飞质量为2735吨。

N-1火箭的运载部分由3级火箭构成：自下而上为第一级（Block A），第二级（Block B），第三级（Block V）。上面级则包含月球轨道器、登月飞船和奔月火箭等结构。

N-1火箭的第一级

N-1重型运载火箭的第一级高30.09米，最大直径16.876米，顶部直径10.3米。火箭发动机喷管伸出一级火箭底部平台1.78米。一级火箭上面的那个框架格栅结构为一级火箭与二级火箭相连的部分，高6.325米，镂空的结构方便二级火箭点火的时候向外喷出火箭燃气。

设计图

最终确定方案

其实，原本N-1不必使用这么多台发动机。在N-1火箭的总体方案刚刚被提出时，苏联火箭发动机设计师古舒高提出了设计一款推力强大的火箭发动机的方案：RD-270。N-1运载火箭本可以采用5台RD-270火箭发动机并联的方式。但鉴于液氧煤油火箭发动机取代偏二甲肼/四氧化二氮火箭发动机是个可以预见的趋势，科罗廖夫极力反对古舒高的RD-270火箭发动机方案。古舒高认为受到了科罗廖夫的排挤，终止了与科罗廖夫的合作。科罗廖夫只好寻求其他火箭发动机设计师的帮助。库兹涅佐夫领导的OKB-276（276所）拿出了当时叫做NK-15的火箭发动机。后来，该发动机被升级为NK-33。

于是，为了满足N-1火箭总体设计中需要的推力，最终，选用NK-33火箭发动机的N-1火箭的第一级采用了30台发动机。

N-1火箭的第一级是如何控制火箭的飞行方向的？

我们都知道，大型运载火箭要想控制其飞行姿态和弹道，需要摆动发动机或者喷管，让高温高速的喷流指向需要的方向。而N-1火箭的发动机排得这么紧密（尤其是外圈），实在是动弹不得。

另外，如果让这30台发动机每一台都有自己独立的伺服机构的话，那结构重量更小不了了。

于是，N-1火箭有了自己的独门绝技：不摆动喷管也能控制火箭的飞行方向。这个听起来就像是不张嘴也能说话的腹语术一样神奇。

简单说来，N-1火箭的30台发动机分为两个部分，并各司其职。外环的24台发动机负责控制火箭的俯仰和偏航，内环6台发动机负责控制火箭的滚转。米申的日记给出了火箭发动机的编号。这位苏联人的习惯与我们不同，他以圆圈的最下方为起点，顺时针方向增加编号。

当火箭需要向左转弯的时候，底部位于右侧的发动机们保持较大推力，而左侧的发动机们适当减小推力，这样就形成了左右的推力差（苏联人将其称作推力差动转弯）。火箭如向右转弯则情况相反。

滚转控制依赖内环的6台发动机的协调动作，这与常见的火箭控制类似。

N-1火箭的第二级

N-1火箭的第二级长20.461米，底部直径10.30米，顶部直径7.59米。由8台NK-43火箭发动机推动。

NK-43火箭发动机的核心部分与NK-33相同，只是因为其工作环境主要在近真空中，因此其喷管的扩张比要比NK-33的大。因此，其推力与比冲NK-33的大一些。NK-43的最大推力为1754千牛（NK-33为1510千牛）。

N-1火箭的第二级内的主要结构为两个球罐：靠下的为液氧罐，容积为512立方米；上面为煤油罐，容积为343立方米。

N-1火箭的第三级

N-1火箭的第三级长11.01米，底部直径7.59米，顶部直径5.475米。由4台NK-21火箭发动机推动，每台NK-21的推力为402千牛。

N-1火箭的总装与发射

N-1火箭采用水平总装和水平测试的方案。也就是说，在燃料加注之前，火箭基本上处于躺着的状态。

1967年11月25日，N-1火箭的第一枚试验箭运到发射台上进行了为期3个星期的联调测试。当年12月12日，测试通过的N-1火箭运回厂房待命。

上发射台测试是没办法的事情，因为没有这么高的厂房供N-1火箭进行垂直测试。另外，值得一提的是：N-1火箭的30台NK-33并联而成的一级火箭发动机从来就没有进行过同步点火测试。因为苏联当时已经没有时间建造那么巨大的发动机试车台了。这为之后的事故埋下了伏笔。

1968年5月7日，N-1火箭第一枚试验箭再次登上发射台，准备进行首次发射。但是，发射前，工程人员突然发现一级火箭外壳结构部件出现裂缝。火箭被重新放平，拉回厂房维修。

同年的9月、11月，这枚火箭来来回回又折腾了几次，依然是有各种各样的问题。

N-1火箭的四次发射

好不容易解决了火箭结构件的问题后，第一枚N-1火箭于1969年1月15日矗立在发射台上。

苏联人冒了好大的风险！所有的NK-33发动机都是出厂状态，从未进行过任何一次点火测试！这是正常的火箭发动机研制流程所不允许的。而且，这枚试验箭实际上是任务箭！这枚火箭的上面级里面放了一艘真正的L1飞船。这飞船可是要绕着月球飞上一圈然后返回地球的。也就是说，苏联人要跳过所有的近地轨道测试步骤，直接绕月了！

经过4个星期的准备，矗立在发射台上的N-1火箭饱受风吹日晒，但终于也迎来了发射的日子。1969年2月20日，风雪交加。发射总指挥临时推迟了发射任务。但是，一道严厉的指令到来了：无论怎样，最迟到2月21日，火箭一定要上天！

1969年2月21日，莫斯科时间下午12点18分07秒，地动山摇的轰鸣声宣告N-1火箭挣脱地球怀抱的时候来了！

6秒后，火箭离开发射塔范围。然而，这时候，指挥中心突然收到了火箭发出的警告：传感器报告有2台发动机突然熄火。

熄火的2台发动机是12号与24号，从米申的日记中，我们能够看到火箭发动机的编号顺序。这是位置相对的2台发动机。工程人员当即认为，任务仍可完成。因为N-1火箭设计了动力冗余，损失2台发动机的动力对火箭本身的测试任务的完成并不构成致命威胁。

但是，接下来的事情就不太好了。起飞25秒后，传感器报告发动机燃烧室压力整体不足。这个指令触发了火箭的应急预案。涡轮泵的功率开始增大，但是这个指令与作动机构之间的协调没有进行过测试。

从自动控制原理的角度来说，管路控制系统遇到了比较严重的“超调”。65.8秒时，28台发动机的功率全部超过最大允许值。整个管路系统出现了严重的高频振动。66秒时，1台NK-33发动机的液氧输送管路爆炸！

按N-1火箭的设计，1台发动机的管路爆炸并不该影响整体性能。只需将该管路关闭即可。但是，箭载计算机反应有些慢。等到它关闭管路的时候（在68.7秒成功关闭），一级火箭内部的大火已经无法控制。随后，火箭发生了大爆炸（起飞69秒，此时火箭高度12200米）。

N-1火箭第一枚试验箭的残骸飞散到了发射架附近30千米的范围。但是，值得庆幸的是，L-1飞船在逃逸塔的帮助下，飞离了危险区域。后来，在爆炸平息后，降落在距离发射架22千米的地方。

1969年7月3日，第二枚N-1火箭被匆匆拖到1号发射台，准备赶在“阿波罗”11号之前进行发射。发射6秒后，传感器报告：燃料泵异常！后来分析是一枚螺丝钉松动后，被强大的煤油喷流冲到了燃料泵里。故障控制系统用3秒钟的时间，关闭了第一级火箭30台发动机中的29台。从200米高的地方带着巨量燃料和氧化剂的火箭坠落到发射台上，引发了惊天动地的大爆炸。

1969年7月21日凌晨2点56分（UTC），阿姆斯特朗登上了月球。美国人赢得了载人登月的竞赛。这回苏联人不用赶时间了。他们认认真真地开始搜集2枚火箭的残骸，分析事故原因。重新设计N-1火箭的故障处理系统的算法，就像是试图在寻找错题原因的一名虔诚的学生。

这个错误，一改就是两年。

这是第1枚与第2枚N-1火箭的合影。可以看到，苏联人在拜科努尔实际上为N-1火箭准备了2个发射台。这两个发射台之间相距500米。第2枚N-1火箭彻底炸毁了1号发射台，同时也让2号发射台受损

1971年，重新设计了火箭发动机动力系统逻辑的第3枚N-1火箭出厂。

1971年6月27日莫斯科时间凌晨2点15分07秒，第3枚N-1火箭点火。这次问题没有出在动力系统上，而是出在了制导控制系统。火箭第3级启动自毁程序，飞船也被引爆。失去了第3级和上面级的N-1火箭仍在向上飞行，但是已经失去了弹载计算机的控制，成了一枚巨型无控火箭弹。最终，重重地撞到了20千米外的一座小丘上，炸出了一个直径30米，深度将近16米的大坑。

1972年11月23日莫斯科当地时间上午9点11分52秒，第4枚N-1火箭点火升空。起飞90秒后，N-1火箭程序转弯顺利，按最新的制导程序，再过26秒，就该准备一二级的分离程序了。警报声在此时响起，弹载计算机认为此时火箭的轴向过载太大，按照预案，弹载计算机自动关闭了一级火箭内环的6台发动机。在关闭了内环6台发动机后，一级火箭供给内环的燃料系统面对突如其来的压力变化没有防备。管路多处破损，导致一级火箭底部中心开始着火。整个一级火箭没有经受住烈火的炙烤，发生了爆炸。

当时指挥中心的工程师事后也有相应的分析。这是N-1火箭离成功最近的一次。因此，我们可以理解，为什么后来的艺术家们在画N-1火箭的概念图的时候，要强调一二级的分离这一瞬间了。

其实还有2枚N-1火箭

历史上，N-1重型火箭4次发射，4次失败。从后来解密的资料中，我们能够惊奇地发现，实际上还有第5枚和第6枚N-1火箭的存在，但没能在后来争取到更多的发射机会。米申计划于1975年8月发射的第5枚N-1火箭只与发射台见过1面，就再也没有得到飞行的机会。原计划于1975年年底发射的第6枚N-1火箭甚至都没有走出过厂房。

1976年，掌握实权的古舒高下令，彻底废止了与N-1火箭相关的所有项目。“出师未捷身先死”，或许是对N-1火箭准确的写照。★