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并联30台发动机史上推力最大的火箭—苏联N1运载火箭

2020-03-27 18:38:24  阅读:9188 作者:责任编辑NO。卢泓钢0469

1957年10月4日,苏联成功发射了全球榜首颗人造地球卫星,从此人类正式拉开了航天年代的前奏。与此一起,正处于暗斗期间的美苏两国也开端了白热化的太空比赛,在那个一触即发的年代,榜首次成功发射卫星、榜首次进入外太空、榜首次太空散步、榜首次拍到月球背部相片的苏联曾一度占尽优势。

个人的一小步

不过,苏联的在太空比赛中的优势并不是肯定的,1969年7月21日美国“阿波罗11号”航天员阿姆斯特朗在月球上首先踏出了“这是个人的一小步、却是人类的一大步”,那为安在太空比赛中曾一度占尽优势的苏联人,终究在载人登月中败下阵来,苏联的载人登月火箭又在哪里?

研制布景

其实,苏联的载人登月并不是在美国发布“阿波罗”方案(肯尼迪于1961年宣告)后才开端的,早在1958年榜首颗人造地球卫星刚刚发射不久,苏联科学家就开端对运载火箭进行改善,使之合适发射月球探测器;1959年,科罗廖夫就开端着手重型运载火箭的研制,不过该火箭开端是为了向火星发射无人重型探测器预备的。

图纸上上N1火箭

但是,美国“阿波罗”登月方案的宣告不得不让苏联人加快速度,1962年1月份,科罗廖夫规划局针对苏联的“登月方案”对N1运载火箭进行了屡次改善,并方案在1967-1968年间赶在美国之前,由科罗廖夫担任的N1-L3运载火箭将榜首个苏联人送上月球。

N1火箭的参数和结构

N1运载火箭可以说是苏联整个“登月方案”的中心,该火箭全高105米(相当于30层楼的高度)、最大直径约为17米,全体外形相似一个圆锥体,最大发射质量约为2800吨,最大推力约为4500吨(是人类历史上规划推力最大的运载火箭)、低地球轨迹的运载才能为90吨;N1全体由运载部分和上面级部分构成,而运载部分包含三级运载火箭,上面级则包含月球轨迹器、登月飞船等。

分化后的N1火箭CG图

其间,N1运载火箭运载部分的榜首级火箭全高约30米,底部直径17米、顶部直径约为10米,并用于二级火箭的衔接。N1运载火箭的榜首级是由30台液氧/火油NK-15发起机(后来晋级为NK-33,单台推力1510千牛)并联而来的,其间外环的24台发起机用于操控火箭的俯仰和偏航、中心6台发起机则用来操控火箭的转;

底部30台发起机

而N1火箭的二级火箭全长为20.5米,由8台NK-15V液氧/火油发起机构成(后改为NK-33的改善版NK-43),NK-15V/NK-43发起机在中心上本就与NK-15/NK-33相同,仅仅N1火箭的第二级是在真空环境中作业的,扩展了喷口、添加了推力(1754千牛);

N1火箭的第二级

N1火箭的第三级是该火箭运载部分中最小的一级,全长约为11米,由4台NK-21液氧/火油火箭发起机构成,该级火箭是用于将N1运载火箭的上面级里的月球轨迹探测器、月球飞船送入地球轨迹,全程在真空中作业,而NK-21发起机的单台推力只要402千牛。

四次发射、四次失利

1967年11月份榜首枚N1运载火箭就下线到发射渠道进行了联调测验,成功后又拉回厂房;1968年5月份,榜首枚N1火箭又被拉到发射台,预备进行榜首次发射,但在发射前的查看作业室时,N1火箭被发现外壳呈现裂缝,被逼拉回厂房推延发射;之后,又发作了几回相似的事端,导致N1火箭一向未能按期发射。

N1火箭的运载部分

总算在1969年1月份,榜首枚N1火箭被矗立在了发射台,但此刻的N1火箭其实仍没有彻底预备好,悉数30台NK-33发起机都是刚出厂大多未进行过焚烧测验的(这也为后来的事端埋下了危险),在通过了4个星期的风吹日晒后,N1火箭总算迎来了发射的日子,却遇到了大雨,发射被逼暂停。

竖起中的N1火箭

但此刻苏联高层却等不及了(由于此刻的美国的土星-5号现已完结了屡次发射,而且此次N1火箭直接带着了联盟7K-L1登月飞船,跳过了一些必要的过程),要求一天之内有必要发射成功。1969年2月21日N1火箭榜首次发射,6秒后2台发起机熄火(30台发起机有动力冗余,其实影响不大)、25秒传感器传来燃烧室压力缺乏(涡轮泵主动增大功率)、66秒剩下28台NK-33发起机功率过载管路体系呈现高频振荡、69秒火箭发射大爆炸,此刻N1火箭飞到了12200米高空,N1火箭榜首次发射宣告失利。

发射台上的N1火箭CG图

1969年7月3日,第二枚N1火箭被拉到了发射台,目的在美国“阿波罗11号”之前完结发射,在焚烧后的第6秒,一枚螺丝钉被引入了油料泵中(过后剖析得知的),操控办理体系急迫封闭29台发起机,N1火箭从200米坠入地上在地上引起了大爆炸,N1火箭第2次发射宣告失利。

N1火箭第2次发射发作爆炸

之后,美国“阿波罗11号”成功发射并在1969年7月21日登上月球,美国人赢得了美苏两国的载人登月比赛,苏联也开端能略微静下心仔细剖析N1火箭的问题了,这一剖析便是2年的时刻,1971年6月27日第三枚N1火箭发射,这一次通过从头规划后的动力体系没有再呈现一些显着的反常问题,而是操控体系毛病导致第三级火箭发起自毁程序,整个火箭发作爆炸,N1火箭第三次发射再次宣告失利。

“联盟7K-LOK”和LK登月舱(中)

又通过1年的时刻,苏联科学家对N1火箭进行了多项改善,1972年11月23日第四枚N1火箭带着联盟7K-L3登月飞船焚烧发射,在榜首级火箭作业的前90秒时刻内一切正常,在对内环6台NK-33发起机进行程序性封闭时,管路体系产生了超乎预期压力并开端决裂,榜首级火箭底部着火,通过大火继续的炙烤N1火箭再次发作爆炸。

N1火箭图纸

此刻N1火箭现已飞到40千米处的高空,再过10秒左右的时刻一二级火箭就该进行分离了,这也是N1火箭最接近成功榜首次发射,但终究仍是失利了,并成为N1火箭的终究一次发射。

失利的原因

从片面上来说,N1火箭的频频失利与研制时刻短、总规划师换人有着很大的联系,N1火箭本是科罗廖夫规划用来发射重型火星探测器的,但在美国宣告“阿波罗”登月方案后,1962年临危受命拿来用于载人登月,而且只给出了5年的研制时刻就要进行载人登月,时刻急迫使得N1火箭的全体方案都比较匆促。

土星5号(左)和N1火箭(中)

更重要的是,1966年科罗廖夫逝世,规划师瓦里西·米申接手了N1运载火箭的规划作业,他与科罗廖夫的规划理念不一致并发现了N1火箭的上面级部分严峻超重,所以他带领团队对N1火箭的进行了“魔改”,不只大改了NK-15发起机,还直接将科罗廖夫规划的N1火箭的榜首级24台发起机添加到了30台。

行将发射的N1火箭

从客观上来说,N1火箭的前两次和第四发射失利都是由“并联”多台发起机形成的,榜首级30台发起机并联不只让N1火箭的结构规划变得非常杂乱,杂乱的发起机群规划也导致运送推进剂的管道规划也很杂乱,一起多台发起机“并联”也大幅度的降低了N1火箭全体的安稳性,由于一台发起机发作毛病便会引发连锁反应。

右2为N1火箭

就N1火箭榜首级“并联”30台发起机这一问题,从概率论的方向来看,假定一台发起机的安稳功能到达99%,30台发起机“并联”之后,其全体可靠性也就降到了74%,这也就大幅度添加火箭发作反常的状况;别的,多台发起机“并联”也会导致耦合共振的问题,进一步诱发火箭发射毛病。

此外,N1火箭的发射也短少必要科学试验过程,在N1火箭榜首次发射前,榜首级的30台发起机在地上从未进行过同步焚烧测验,序列号N1-1L的榜首枚N1火箭在进行地上测验时,只对榜首级30台发起机中的四分之一进行了测验,而榜首次发射时运用的榜首级的30台发起机大多数都是簇新的。

重型猎鹰运载火箭的29台发起机

不过,N1火箭失利多年今后的今日,马斯克的重型猎鹰运载火箭并联27台发起机仍然取得了成功,这也阐明并联多台发起机的运载火箭并不是都不靠谱,通过老练的科学试验后,运载火箭并联多台发起机发起机也能的。

结语

四次发射,四次失利,实际总是那么严酷,N1重型运载火箭纵然有着再强壮的推力、再先进的功能,它终究仍是走向了完结。而N1火箭作为苏联整个载人登月方案的中心,它的失利也直接导致了苏联登月方案的无疾而终。N1火箭的失利,也阐明晰航空航天范畴没有捷径可走。

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