陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(上)

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导言
近几年关于俄罗斯上面级导致的发射失败坏消息接踵而至，让卫星们心惊胆战，惴惴不安，抽到去拜科努尔、普列谢茨克（最近又多了一个东方发射场），感觉生死两茫茫，白发人送黑发人！真是这样吗？

先是2017年11月在东方发射场使用 Soyuz-2-1b 火箭发射 Meteor-M 气象卫星和 18 颗小型卫星，但上面级导航软件因为水土不服发射失败，所有卫星都被送入了亚轨道，在大气层中烧毁，再是2017年12月26日发射俄罗斯国产通信卫星---- 安哥拉首颗卫星“AngoSat-1”一波三折，接踵而来的不幸，折射出帝国的余辉。本期我们就来聊聊苏联/俄罗斯的上面级。关于上面级的概念，请见从科罗纳间谍照相机聊卫星投送界的顺丰快递——上面级

一、挑战者失事、商业卫星发射需求迫切、苏联解体……

上世纪成功登月之后，NASA(美国国家航空航天局)开始主导研制在当时相对经济的航天飞机系统，并且在之后要求所有载荷使用航天飞机发射，这使得美国运载火箭一度停产，航天飞机垄断所有发射市场。直到1986年1月，“挑战者”号航天飞机凌空爆炸，1986年8月美国政府决定航天飞机退出商业发射服务市场，参与商业发射服务竞争的实际上只剩下一次性运载火箭。

这时，美国通用动力公司在新上宇宙神火箭研发项目并重启生产线，阿丽亚娜火箭疯狂揽单，1986年一年签了18单发射服务合同，忙不过来，因为1986年5月31日，在阿丽亚娜1和3基础上研制的阿丽亚娜2火箭首飞失败，而1988年6月15日，阿丽亚娜4火箭才首飞成功。一时间，发射能力短缺，出现了用户急于寻找运载火箭的情景。中国也趁此良机，跨入国际商业卫星发射市场！

这时候，苏联也在行动！1985年苏联一反以往年来闭门发展空间技术传统做法，特意成立了苏联国家空间局。表面看，这一机构的成立是为了加强苏联民用空间技术的发展和开展对外空间合作，但实际上真正目的是挤入国际卫星发射商业市场以获得硬通货，并试图借国外空间科学技术以改进自身空间科学技术的不足。苏联一共推出7种型号火箭 , 包括联盟、质子等。苏联还采取种种优惠条件以招徕客户，比如发射费低廉 , 把一颗2吨重卫星送入高静地轨道只需1800至2000万美元 , 只及美国和欧空局费用的三分之二。在发射前，客户只需缴纳12%的订金。甚至聘请了世界著名的渣打保险公司为其在西方的代理商，而且一旦发射失败 , 分文不收等等。这些条件比西方优惠约一半以上。

但是苏联的几个发射场的纬度都偏高，如北纬63°的普列谢茨克、北纬46°拜科努尔，打大容量、高性能的地球静止转移轨道GTO，不仅要求基础级火箭能力强大，也要求上面级火箭能够多次可靠点火、长时间在停泊轨道运行等要求，于是苏联启动为质子和联盟等火箭开发新款满足商业发射的上面级。苏联解体后，急于摆脱经济困境，同时西方也看中俄罗斯雄厚实力，合作共赢，这个过程被加速……

从拜科努尔发射场打GTO，上面级一般要4～5次点火，时间长达9小时

（主页君注：有兴趣的读者可以对比一下从赤道附近发射的阿丽亚娜5火箭的GTO发射时序，看看高纬度带来了多少麻烦）

二、简洁明快的初代Fregat( 军舰鸟)上面级

Fregat (俄语：Фрегат，军舰鸟) 上面级，原本是由拉沃契金研发制造联合体在1988年启动的火星探测项目所用。对于解体后快速增长的发射市场需求，尤其是针对将多颗卫星释放到不同轨道的一箭多星任务，1992年利用现有成熟技术，明确定位，以改进中型和大型运载火箭的运载能力和适应性为目的，进行高轨道、一箭多星任务的发射, 它可提供复杂的轨道机动、滑行期间和飞行器分离时精确的姿态控制，和联盟号基础级火箭搭配。

1996年法国、俄罗斯合资公司Starsem成立，专门负责联盟号的商业发射。这家公司的股东是欧洲飞机制造商EADS（35％），阿丽亚娜航天公司（15％），俄罗斯航空航天局（25％）和俄罗斯航天中心萨马拉(Samara)（25％）。她推出联盟U-Fregat（Soyuz U-Fregat）版本如果从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射，能打1.35吨载荷的GTO轨道。

（一）风格简洁明快

在“军舰鸟”中有很多有趣的工程解决方案，强调实用性和简洁性。 正如你所看到的，外形是粗旷的工业简约设计风格，初代Fregat上面级高仅有1.55米，可以在整流罩让出宝贵空间给卫星，6个铝合金球形箱体，赤裸！其中四个为推进剂贮箱（氧化剂、燃料各2个）,另外二个为设备舱（一个用于控制系统, 一个用于通讯、遥测系统）。



（二）刺穿球体的铝合金桁架结构

球形结构的贮箱，质量/体积比上占优，但是要光靠薄壁球形贮箱传递发射时巨大的推举力至卫星，还是不现实！最简单的方法是将贮箱装入承力框架，但这会显着增加质量和尺寸。俄罗斯人的解决方案简单粗暴，支撑杆刺穿球体！



支撑杆刺穿设备舱球体！

８根撑杆怎么刺６只贮箱呢？考虑撑杆承力对燃料贮箱的影响，4个燃料贮箱少穿一点，就刺穿1根，２只设备舱多一点，各穿２只撑杆，那么这8根支撑杆就形成了上下端面横截面为八边形、外形为６贮箱的几何构型。



执行Mars Express任务的Fregat，注意看八条腿是怎么个形状！

这个设计很成功，重量上斤斤计较，铝制铝合金桁架作为承力结构，重量仅为400千克；撑杆与球形贮箱焊接相连，贮箱将分担部分载荷力，但球体壁平均厚度控制在了1.5～2.0毫米。

（三）略显老套但高可靠的推进剂选择

考虑到上面级在任务中需要多次启动，推进剂选择了北极熊擅长的剧毒偏二甲肼做燃料，四氧化二氮作氧化剂，省却点火器，成熟度高，可靠性好。主发动机采用俄罗斯已有发动机S5.92，涡轮泵压，双推力模式，最大推力为19.6KN，属小推力发动机，比冲327.2秒，具有超过20次以上的再起动能力。发动机可进行侧向摇摆。



推进剂采用高压氦气挤压，氦气被贮藏在23升的球形罐体内，至于数量，可以根据不同的任务需要，随心增减——对的，会多出几个球，又会少下去几个球！活络！

（四）上面级必不可少的沉底和姿态控制发动机

姿态控制发动机型号为单组元发动机S5.221，49N推力，它们分为四组, 12台，安装在球形贮箱的顶部。两个肼贮箱可贮存85公斤的推进剂，肼催化分解提供推力。用于俯仰、偏航、滚动三轴稳定控制和主发动机再起动前的推进剂沉底。关于推进剂沉底等概念，详见往期文章：高能金牌上面级——美国半人马液氢液氧上面级。



联盟号-Fregat运载火箭于2000年2月和3月进行了两次鉴定飞行, 并于2000年7月、8月为欧洲航天局发射了四颗CLUSTER-II。



发射CLUSTER卫星



英文不翻译了，自己查字典

三、长满恶性肿瘤的Fregat后续型号

阿丽亚娜4火箭退役之后，3000公斤载荷GTO轨道发射能力出现了空缺，合资公司想填补！俄罗斯提供了新款采用数字飞行控制系统的联盟-2.1a/b热带版本--Soyuz-ST-B，在低纬度的法属圭亚那库鲁航天中心发射，那么上面级也势必需要提升相应的运载能力。

（一）非常6+8，肿瘤越长越多——Fregat-M/Fregat-MT型号

率性的俄罗斯人想到的办法和之前氦气罐一毛一样！加！加！加！本来4个燃料罐体，Fregat-M/Fregat-MT在顶部安装了额外6个球形小罐体（另有两个肼燃料罐）。推进剂质量从初代的5,250公斤增加到M版本的6640公斤（6个小罐），而且罐体还会变大，后续MT版本的6个大罐达到7100公斤。同时高度也从Fregat的1.55m长高到了MT型号的1.85m，



肿瘤成长记！FREGAT，FREGAT-M，FREGAT-MT

（二）再接着长，环形肿瘤——Fregat-SB/SBU

Fregat-SB型主要用于天顶-2SB运载火箭上。天顶号（Zenit）事实上,该工程是能源-暴风雪号航天飞机工程的一部分，因为天顶号的第一级就是能源号火箭的助推器，“天顶-1”的项目编号给的就是这个助推器占了。火箭的总体设计由南方设计局负责，总设计师为弗拉基米尔•乌特金。设计者曾打算把天顶号作为一个覆盖不同运载能力的火箭家族来开发，但最后只有中等运载能力的方案被真正实施，这就是天顶-2。

天顶-2是两级结构的运载火箭，火箭的第一级采用一台大名鼎鼎的RD-171四推力室高压补燃液氧煤油发动机，和RD-170不同的是其喷管可以沿两个方向轴摆动，而RD-170只有一个可动方向轴，天顶-2的一级就是靠这种推力矢量喷管（其偏转角可达6度）来进行姿态控制。其推力达到了8180kN。

那么这么强大的基础级火箭，也要有能力强大的上面级来呼应，在Fregat-M 的基础上，再接着加！（真服了毛子，持之以恒的耐力……）

在Fregat-M型号上，在已有2（ACS肼燃料罐）+4（大推进剂罐）2（设备舱）+6（小推进剂罐）=14，14个罐体的基础上（不含氦气罐），进一步叠加，这次是加装了一个额外的下部可分离燃料箱，从而进一步提高运载能力。

环形日光灯管形状肿瘤，作为燃料箱空重为360公斤，能容纳最多3050公斤的推进剂。Fregat-SB的干重为1410公斤，最大推进剂携带量为10吨。2011年1月20日Fregat-SB上面级第一次投入使用，将Elektro-L气象卫星送入了同步轨道。



上下左右，四面八方扩容的Fregat-SB

（三）Fregat不断迭代（叠加）发展的大家族！

依靠工程师不断放任的恶心肿瘤式的简单粗暴叠加，Fregat的大家族组成了！总冲量也从初代的约17M牛∙秒，提升到SB的32M牛∙秒。



四、任性设计背后的可靠性

俄罗斯航天人是明白人，知道自己，国家已经解体，没这个钱、也没这个时间等待低温上面级的研发（鬼知道这个低温上面级要多少卫星祭祀才能成熟？），就用省事的毒发，比冲少个100秒也行，靠谱就行！也没有什么长远规划，为满足不同的基础级火箭，不断迭代，加罐子，各种罐子。

但从统计数据来看，Fregat的成功率和美国半人马等先进上面级有一定差距，截至2018年3月9日的68次发射，2次失败，2次部分失败，我们也来分析回顾一下3个有代表性的事故：

（一）肼燃料冰点过低引起的事故

用于姿态控制的肼燃料，联氨，其冰点比较高，高达2摄氏度，因此在寒冷的外太空，零下一百多度，要谨防结冰，美国原来打算用无水肼做主燃料，但冰点太高，必须改性，采用偏二甲肼做添加剂，结果，主体燃料和添加剂一样多的时候，达到最佳效果，这就是混肼50，又称航空肼。

但如果依靠单组元肼催化分解产生燃气的方式，就要做好保温绝热，相关贮箱、阀门配置电加热，防止肼结冰导致的事故。然而，Fregat，军舰鸟，在这个问题上翻船了。

2014年8月22日这次任务是由阿丽亚娜航天公司（Arianespace）操办，使用了Soyuz ST-B-Fregat-MT上面级，在法属圭亚那库鲁航天中心发射，计划将两颗伽利略导航卫星发射升空。



Fregat-MT发射两颗伽利略导航卫星的演示图

火箭发射成功！然而在Fregat-MT的第二次点火以后，两颗伽利略导航卫星被发现被送上了错误的轨道。任务失败！

事故发生后，在8月25日成立了一个独立调查委员会对这次异常的原因进行了研究，并在年10月7日公布了结果。分析结果如下：

1、这次失败是由Fregat上面级引起的，发生在发射后的大约35分钟，Fregat上面级二次点火前的弹道飞行阶段。

2、事故的直接原因是在Fregat的第二次点火过程中，Fregat上面级的姿态控制发动机的管线被扰动，发生了肼燃料冻结，主发动机的推力定向控制因此发生错误。

3、为什么会冻结？冻结是由于肼燃料管线和氦气管线被安装在了同一组支撑架构上，管线间距近，形成了两条管线间的热桥，冷氦气导致肼燃料发生了冻结。

事实上其他已经制造的Fregat火箭中也存在同样的问题，这次事故的根本原因是上面级的热力学设计缺陷。

找到了原因，在2014年8月22日之后，联盟ST-B-Fregat-MT运载火箭成功的发射了三次，将六颗伽利略卫星成功的送入了预定轨道。



（二）纯粹是管理的问题

目前，俄罗斯所有的载人和大部分商业发射都是在哈萨克斯坦进行的，租金不贵，根据俄罗斯和哈萨克斯坦在1994年签署的协议，俄罗斯每年要向哈萨克斯坦支付1.15亿美元的租金，租用期至2050年。

但拜科努尔航天中心已年近6旬，许多设施破旧不堪。同时，低廉的薪水、艰苦的工作环境也开始让大批俄罗斯科技人员返俄定居，航天城面临工程和技术人员的严重短缺。

普京强调，拥有“独立的航天发射基地”是一个“战略需要”，尽管拜科努尔发射基地位于一个“友好国家”，但毕竟不属俄罗斯所有。

一把手工程！俄罗斯以举国之力在远东地区阿穆尔州，齐奥尔科夫斯基市，建成东方航天发射场（Vostochny Cosmodrome）。2016年4月28日，在普京总统的见证下，“东方”航天发射场完成第一次发射任务，一枚“联盟2.1A”运载火箭将“罗蒙诺索夫”科研卫星等3颗卫星送入预定轨道。

2017年11月28日联盟号-Fregat火箭负责发射价值4500万美元的一颗“流星”M2-1气象卫星，太阳同步轨道，788 km × 829 km，98.57°。另外搭载18颗小卫星，包括加拿大电信卫星公司低轨宽带星座项目的首颗技术验证卫星（LEO宽带星座最近很火）。

火箭于莫斯科时间8时41分46秒起飞，作为主星，原本应在9时32分分离并开始发回遥测信号，但地面却并未收到该星信号。

最终确认发射失败！

调查组进驻，各种查，可是结果却让人啼笑皆非。习惯在拜科努尔，普列谢茨克和库鲁发射的Fregat上面级，出现了水土不服！

1、为实现正确的方位角（相对于北方的方向），在先前的联盟号发射场所发射所需的滚转角度介于正负140度之间。

2、然而，在东方发射场，滚转的角度要达到174度。

3、在联盟号火箭和Fregat上面级的组合中，联盟号火箭的三级和Fregat上面级都有两个独立的导引系统，由各自的陀螺仪控制。联盟号火箭的陀螺仪和Fregat上面级的陀螺仪所使用的引导参考轴相差10度。

4、因此Fregat的陀螺仪平台必须旋转174+10=184度才能达到所需的“0”位置。

5、为了使陀螺制导系统进入准备状态，其主平台必须通过尽可能短的路线旋转到0度位置。Fregat上，其平台到0度位置的最短路径是将其角度从184度增加到360度，可以少转动8度，因此设定，要转到360度这个地方。

6、但Fregat飞行控制计算机中的软件却不认为360度是所需要的0度，它认为相差了360度，因此在滚转到位后，继续指挥其姿态调整推进器点火，并且以每秒一度的速度开始补偿性的旋转。经过大约60度的旋转，Fregat上的陀螺仪系统卡住了。

7、飞船失去了在太空中调整自己方位的能力，指向了错误的方向。其结果是Fregat上面级及其19颗卫星的有效载荷又回落到地球和大西洋。   



轻描淡写说的是程序错误，难道不能提前发现吗？如果严谨执行质量管控的各项把关工作，应该可以避免！

（三）伤心的中国第一个火星探测器

那么这里也要说一件伤心事，在本世纪初，我国的火箭发射能力，深空探测配套测控能力还不强。

恰好，这个时候，俄罗斯自从1996年11月16日发射火星96失败后，重启第一个火星探测项目----“Phobos-Grunt”（火卫一-土壤）探测器。

该项目灵活的套用了俄罗斯运载火箭“天顶－2SB”基础级运载火箭的强大能力，近地轨道最大运载能力是13.74吨，太阳同步轨道运载能力是11.38吨；又借用了Fregat-SB的多次点火变轨、长时间滑行能力，将Fregat-SB改装成探测器的主推进单元 (MDU，main propulsion unit)，满足地球-火星轨道实现巡航期间的轨道修正和到达火星轨道后的制动。这些都超过了当时中国长二捆火箭等的能力。

该项目还计划将大约200克的火卫一土壤样本送回地球。



因此中国乘这个机会进行搭载，把中国第一个火星探测器“萤火一号”搭载！萤火一号2009年6月完成正样并赴俄罗斯联合测试。



看上图，一样的肿瘤、一样的味道，都是Fregat-SB

2011年11月8日20:16（北京时间9日凌晨4:16），天顶火箭从哈萨克斯坦拜科努尔发射场成功发射！

下图中标识MDU需要在“2”位置的点火，将把探测器送达250 km x 4,710 km的椭圆形轨道，然而等待许久，也没有出现……探测器被困在距离地表206到340公里的太空中。



7小时后，俄罗斯联邦太空总署（Roscosmos）先后两次抢救都未成功，俄方宣布福布斯-土壤卫星未能按计划实施变轨。2012年1月15日17时45分，探测器重返地球大气层，在太平洋上空烧毁。中国首次火星探测计划失败。

2012年2月6日，调查此次事故的委员会得出结论，Phobos-Grunt任务失败是因为“编程错误导致同时重启机载计算机的两个工作通道。”由于探测器上的计算机意外重启，Fregat-SB没有点火，导致飞船滞留在地球的近地轨道上。（但原因是探测器而非上面级本身有问题）

写到这里，也有一个传闻，虽然委托俄罗斯发射的萤火一号失败了，但中国火星探测计划继续前行，预计在2020年7月、8月择期用国产长征五号火箭在海南文昌航天发射场发射萤火二号，一步赶超完成绕、着、巡三阶段任务，这十分值得期待！

综上所述，Fregat上面级，虽然整体规划不够有前瞻性和全面性，但从设计上来说，除肼燃料保温BUG外还是比较成功的。

不过在不断满足新的发射需求时，后续的质量管控、技术支撑，能不能跟得上，恐怕还要从管理、人才梯队建设等多方面保障。

真正让卫星恐慌的质子-微风M上面级，以及现阶段俄罗斯航天究竟怎么了？留在下集讲。

（未完待续）

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