俄罗斯在研航天运载火箭方案及进展

天际线

来源：太阳谷



航天运输系统的技术水平代表着一个国家自主进出空间的能力，也体现着一个国家最终利用空间和发展空间技术的能力，是一个国家航天能力的基础，也是综合国力的象征，处于重要的基础和优先发展的地位。目前，美国、俄罗斯、欧洲及日本都正在开展各种类型航天运输系统项目，如NASA的重型火箭航天发射系统（SLS）项目、ULA公司的大中型火神火箭、诺•格公司的欧米茄火箭、欧洲的阿里安6火箭、日本的H-3火箭等。而俄罗斯方面正在实施“联盟-5”中型运载火箭，安加拉-A5P（载人版本）重型火箭；还以2029-2030年载人登月计划的需求和目标，开展“叶塞尼”及“顿河”超重型运载火箭的研发工作。



俄罗斯开发的新型运载火箭



“联盟-5”中型运载火箭

“联盟-5”（Soyuz-5）号，也称“额尔齐斯”号（Irtysh），是俄罗斯“能源”航天火箭集团正在开发的先进两级中型运载火箭，替代乌克兰生产的“天顶”号（Zenit）火箭，主要用于向近地轨道发射新一代载人飞船“雄鹰”号（原“联邦”号），向地球同步轨道、高椭圆轨道、高圆形轨道及分离轨道发射自动航天器，向地球同步转移轨道及同步轨道进行航天器的商业发射。“联盟-5”号运载火箭可将重约17-18吨的有效载荷送入近地轨道，并将20吨以上的货物送到低地球轨道上，前提是该货物是从赤道附近的近海平台发射（海上发射）。



“联盟-5”所输送的“雄鹰”号新型宇宙飞船的研发工作从2009年至今已经进行了11年。2020年1月28日，俄罗斯国家航天集团公司（Roscosmos）第一副总理尤里•乌里希奇（Yuri•Urlichich）表示，“雄鹰”号计划在2028年进行无人驾驶绕月飞行，并在2029年实现载人飞行及与月球起降着陆器载人开发对接。2020年2月13日，“能源”火箭航天集团消息显示，“雄鹰”号航天器将于2025年9月以载人模式首次进入国际空间站（ISS），2024年9月以无人驾驶模式进入国际空间站（ISS）。





俄罗斯未来新一代“雄鹰”号宇宙飞船

“联盟-5”中型新式火箭的研制工作开始于2016年。火箭第一级发动机计划使用RD-171MV发动机，它是“天顶”号火箭第一级发动机的现代化升级后的发动机；第二级发动机是“联盟-2.1b”火箭第三级发动机的现代化升级后的RD-0124MS发动机，用来替换乌克兰为“天顶”号生产的RD-120发动机。



载有“雄鹰”号飞船的“联盟-5”运载火箭方案构图

据悉，RD-171MV“沙皇”发动机是专门为正在研制的“联盟-5”中型运载火箭打造的。该发动机于2017年开始研发，重10.3吨，推力超过800吨，功率达到24.6万马力，是目前世界上功率最大的火箭发动机，比美国安装在“土星-5”火箭上的一级发动机功率大5％，同时尺寸小1.5倍，且可重复使用10至15次。该发动机还将应用于正在研制的“叶尼塞”超重型运载火箭上。

时间	研制对象/工作内容
2018年2月	完成液体火箭发动机RD-171MV草案设计
2018-2019年	开发和发布RD-171MV设计及技术文件
2019年2月	完成首台RD-171MV组装
2019年4月末	向“进步”火箭航天中心交付发动机动态模型
2019年7月	完成3D格式设计文件的转换
2019年	开始发动机组件试验
2019年12月	进行首台RD-171MV点火试验
2020到2021年初	第二台及后续样机点火试验
2021年3月	交付用于“联盟-5”的首个飞行套件
2021年9月	交付用于“联盟-5”的第二个飞行套件
2023年	为载人“联盟-5”提供完全开发的发动机

RD-171MV“沙皇”发动机研制发展历程

“联盟-5”号计划于2024年开始飞行试验，到2025年，开始由俄罗斯国际发射服务公司（International Launch Services）进行商业发射。“联盟-5”号中型运载火箭研制完成之后，航天发射成本将从7000万美元下降到5500万美元。

2017年，Roscosmos决定放弃在安加拉-A5P运载火箭上对“雄鹰”号飞船的测试，转而支持正在研发的“联盟-5”运载火箭。

时间	研发对象/工作类型
2016-2021年	航天火箭综合体开发
2020-2021年	完成地面综合体建设
2022-2024年	飞行设计试验
2024年起	商业应用

“联盟-5”运载火箭发展时间表

2018年4月，Roscosmos官网显示，集团公司委员会已经通过了新型中型“联盟-5”运载火箭的设计草案，该运载火箭还将作为RSC Energia开发的超重型太空火箭综合体的关键要素。开发人员进行了大量的设计研究，以确定中型运载火箭综合体的外观和特性，确认了将重达15.5吨的载人运输飞船发射到地球轨道的可能性，以及将自动航天器（采用上面级）发射到低地球轨道及太阳系飞行轨迹的可能性。该项目设想的“联盟-5”运载火箭的技术特征包括：起飞重量约530吨，长度61.87m，直径4.1m，一级发动机为RD-171MV，第二级发动机为RD-0124MS。燃料成分：氧化剂-液氧，燃料-萘基。从拜科努尔发射到近地轨道的有效载荷质量约为18吨。

2019年12月2日，动力机械科研生产联合体总经理向塔斯社透露，将在2022年交付用于“联盟-5”运载火箭的第一台RD-171MV发动机。

2020年4月27日，拉沃契金（Lavochkina）科学生产联合体已经开始为“联盟-5”火箭制造新型“Frigate-SBU”上面，计划3年内完成。

2020年5月7日，“进步”火箭航天中心总经理德米特里•巴拉诺夫（Dmitry Baranov）在接受塔斯社采访时表示，“进步”火箭航天中心内的设计文件的开发，生产筹备工作以及“联盟-5”运载火箭的原型生产目前正在进行中。Roscosmos将在完成开发工作（R&D）后确定该运载火箭的生产量。“联盟-5”运载火箭计划在开发工作和相关措施完成后开始批量生产。计划将“联盟-5”运载火箭用于运载商业货物、载人飞行等。他还指出，目前，“联盟-6”的草图设计尚未开始。但根据初步设想，“联盟-6”是中型运载火箭。“联盟-6”火箭将基于“联盟-5”火箭开展研制工作，未来将作为重型运载火箭的二级（芯级），采用RD-180发动机。预计将于2025年在哈拜科努尔发射场启动飞行试验。



安加拉-A5P（Angara-A5P）模型

重型运载火箭方面，俄罗斯还在持续推进安加拉-A5P（Angara-A5P）重型运载火箭的研制工作，其技术外观设计已于2019年完成。2019年11月时，Roscosmos负责人罗戈津对塔斯社表示，首辆Angara-A5P载人运载火箭计划在2024年之前由欧姆斯克“飞行”企业生产，该运载火箭将用于发射“雄鹰”航天器。该火箭将配备现代化的RD-191发动机，更先进的控制系统以及更轻巧的设计。



早些时候，航天火箭行业的一位消息人士告诉塔斯社，Angara-A5P运载火箭项目的开发将在2019年底完成，该项目将把“雄鹰”载人飞船送入轨道。据他介绍，火箭的制造工作尚处于初期阶段。消息人士解释说，Angara-A5P在冗余度，可靠性和安全性方面与Angara-A5基本型不同，当它离开发射台及第三级与“雄鹰”载人飞船分离时，过载较小。

新一代超重型运载火箭

“叶尼塞”（Yenisei）是俄罗斯正在研制的超重型运载火箭，将用于载人登月甚至探测火星。总研制商为“能源”火箭航天集团（RSC Energia）。该项目作为“建造2020-2030年太空超重型火箭系统”联邦目标计划的一部分被创建。该项目拨款1.5万亿卢布，计划于2028年在东方发射场进行首次发射。



新型超重型运载火箭概念图

发展重型运载火箭原因及背景

由国家主导的人类航天步伐从近地轨道向深空稳步迈进，新一轮深空探测热潮即将到来，重型运载火箭就是这一轮航天热潮的“神兵利器”，是实现载人登月的技术基础，同时也是更高效率地完成火星取样返回、太阳系行星探测等深空探测任务的保障。美国、俄罗斯、欧空局、日本、印度等国家和组织纷纷启动了研制计划或推进研究论证。

俄罗斯多次宣称，要研制新一代重型火箭，用于载人登月，建立月球基地。

早在2014年6月9日，俄罗斯联邦航天局（现Roscosmos）局长奥斯塔科就透露，为实现登月计划，俄罗斯需要制造一个近地轨道运载能力为80-85吨的重型火箭。

2014年9月2日，俄罗斯副总理罗戈津表示，普京总统赞同开始开发载重量达到150吨的重型火箭。据估计，项目也将分两个阶段落实：第一阶段是有效载重量为70-80吨的火箭，下一个阶段是120-190吨。

2016年，俄罗斯发布《关于俄罗斯联邦2016～2025年航天计划》，作为未来10年制定和实施航天计划的重要依据，其中一项基本的任务是“研制在东方航天发射场使用的重型运载火箭系统，向月球轨道发射大型航天器、载人飞船和月球轨道舱，并完成绕月飞行”。



2018年2月，俄罗斯总统普京签署研制重型运载火箭的总统令，指定“能源”火箭航天集团为总研制商。到2019年底，“能源”集团应完成重型运载火箭的草案设计，2027年完成火箭制造，2028年计划进行首飞。重型运载火箭将从东方发射场发射，计划执行未来的空间飞行任务，比如飞向月球与火星，其近地轨道运载能力将达100吨，不仅能将载荷送入月球轨道，还可将载荷送至月球表面。

俄新社2019年称，俄罗斯将打造由重型火箭、载人运输飞船和月球起降系统组成的空间运输基础设施。其中“叶尼塞”重型火箭的设计已经定型，它由6个配备RD-171发动机的助推器以及RD-180发动机芯级组成，长约百米。这款重型运载火箭能将88-103吨货物送上近地轨道，将20-27吨货物送上月球轨道。

另外，俄罗斯还开始研发“顿河”超重型火箭，并计划于2029年首次发射。它将保障未来俄罗斯航天员登陆月球。与“叶尼塞”火箭相比，“顿河”的载重量更大，能将125-130吨载荷送上近地轨道，将32吨的货物送上月球轨道。

设计方案

2019年1月，Roscosmos将新型重型运载火箭命名为“叶尼塞”（Yenisei），在此之前被称为“RN STK”，即超重型运载火箭或“超重运载火箭”；10月，俄罗斯“进步”火箭航天中心通过了“叶尼塞”超重型火箭的初步概念设计，研制工作将进入方案细化阶段。在重型运载火箭的研制中将充分利用RD-171和RD-180发动机的成熟技术，以在研的新型中型运载火箭联“联盟-5”和“联盟-6”火箭的研制作为铺垫，通过捆绑实现LEO轨道运载能力100t的“叶尼塞”重型火箭2028年首飞。“联盟-5”一子级采用的RD-171MV发动机将作为重型火箭的助推级；“联盟-6”一子级采用的RD-180MV发动机将作为重型火箭的芯一级。



超重型火箭运载综合体（“叶尼塞-5”）提案

针对“叶尼塞”火箭的设计研制，Roscosmos将按照“工艺化乐高式配装”的原则开展该型火箭的装配，即火箭的每个部件都将是独立的飞行元素，火箭一、二和三子级均应具备2～3次的任务应用。“叶尼塞”火箭的结构包括：一子级将由6个“联盟-5”火箭一子级助推器组成，而配套的发动机RD-171MV正由动力机械（Energomash）研究与生产联合体进行其首次地面启动试验；二子级发动机将应用功能强大的RD-180；三子级将源自“安加拉-A5V”火箭，其将配置一个液氢发动机，可将火箭的运载能力从27吨提升到37吨；上面级为2个RD-0150或2个RD-0146。



俄罗斯超重型火箭项目

配置方案

俄罗斯中央机械制造科研院（TsNIImash）在2017年提出了以下方案：

◆超重型运载火箭（RN STK）的发展版本为废旧运载火箭的改型，其重量为1440吨，近地轨道的有效载荷为50吨，可用于“雄鹰”飞船或“联盟”号月球飞船在自动模式下绕月飞行。计划其发射在2027年进行。

◆第一阶段的RN STK是超重型运载工具改型，即“叶塞尼”超重型运载火箭，其重2800吨，近地轨道飞行有效载荷为88吨，能将“雄鹰”载人运输航天器和其他有效载荷发射到近绕月轨道，包括极地。计划其发射在2028年进行。

◆第二阶段的RN STK运载火箭是超重型运载工具的改型，即“顿河”超重型运载火箭，重2930吨，近地轨道有效载荷为115吨。预计发射将在2032-2035年进行。其一级将使用“联盟-5”的6个一子级单元包括五个横向模块和一个中央模块。与第一阶段的开发版本和超重型不同，第二阶段将使用上面级或氧氢轨道间拖船。在2018年冬季，KBHA Gorokhov（首席设计师）在一次超重型运载火箭的开发会议上提出了一个基于氧气甲烷发动机的项目，该项目专为运载火箭的所有子级而设计。

运输系统：超重型运载火箭

2017年之前存在的初始配置方案：

◆能源-3D（超重综合体-3）—一种轻型版本，近地轨道有效载荷为70吨。

◆能源-5V（超重综合体-5）—主要型号，低轨道的运载能力为100吨，月球轨道的运载能力为20.5吨（“雄鹰”航天器的“月球”版本的重量）。此外，代替“雄鹰”号飞船，可以将登月和降落模块运送到月球轨道。

◆能源-6—低轨道运载能力为150吨的改型型号。

“能源-3”及”能源-5-1”超重型运载火箭方案对比

研制及规划历程

时间	研制对象/工作类型
2017.06	开始建造RD-171MV发动机
2017.06	开始RD-0150发动机科研工作
2017.10	预估超重型运载火箭研制经费
2018.01	根据总统令开始建造超重型航天火箭综合体
2018.12	俄国家航天集团公司选定超重型运载方案：由进步中心提出，捆绑6台RD-171发动机，但芯一级采用RD-180发动机。
2019.01	超重型运载火箭官方命名
2019.春季	超重型运载火箭项目可行性研究
2018-2019	超重型运载火箭草案确定
2020-2028	研发，设计和勘测以及建造和安装工程
2020.03	运载火箭元件开始生产
2028年起	飞行设计试验

“顿河”超重型运载火箭是在“叶塞尼”火箭基础上添加一个上面级，从而使“顿河”火箭的载荷量更大。俄罗斯计划用“顿河”运载火箭向月球运送起飞着陆系统，以便制定月球登陆方案，保障未来俄罗斯宇航员登陆月球。

“叶塞尼”和“顿河”未来的有效载荷将是重20吨的“雄鹰”号载人运输船、重27吨月球起飞着陆系统和重27-32吨的月球基地模块。此外，这两型火箭能向地球同步轨道运送重26-30吨、基于运输和能源模块前往太阳-地球系统的第二拉格朗日点的航天器和用于深空基础研究的重30-40吨的望远镜。

总之，俄罗斯在发展超重型运载火箭的过程中，有俄罗斯总统与航天部门研制重型火箭的强烈愿望，有研制成功“能源号”重型火箭的底子，有成熟发动机（RD-180）研制技术，必定会降低项目难度、缩短研发周期；有俄罗斯强大的航天工业基础提供支撑，以及有基于东方航天发射场开展重型火箭发射的保障，俄罗斯已经为研制重型火箭扫清了诸多障碍。目前，唯一的障碍就是经济上能否长久支撑重型火箭的研制。在研制经费不足的情况下，俄罗斯希望依靠渐进式的研制逻辑逐步积累，但俄罗斯本身变数就多，再加上研制周期比较长、载人登月的需求过于单一，使得其重型火箭计划的不确定性更为突出。为此，俄罗斯也正积极谋求国际合作。

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20.柳军.俄将推出“全球最强”火箭发动机，中国国防报（10.09.2019）.

21.世界最大推力火箭发动机即将出产

22.2018年度国外载人航天发展报告

23.东山再起的重型火箭

24.俄罗斯批准超重型运载火箭的概念设计

25.俄罗斯“叶尼塞”超重型火箭研制费用将高达116亿美元

26.俄计划2029年发射“顿河”超重型运载火箭

27.俄航选定超重型运载方案

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