原创 邢强博士 2020-07-01 22:49
正有诗云：
联盟火箭三大怪，
法术加成，拂尘圣水扫尘埃；
射面对齐，启动旋转发射台；
太空召唤，桦树火把点起来！
本文作者：邢强
今天，咱们再聊一聊联盟运载火箭，聊一下她鲜为人知的一些技术和文化方面的吧。
总论
1957年，R-7导弹经过工程师们3年来的努力，终于横空出世。
上图为矗立在发射场的R-7弹道导弹。
联盟火箭的最初设计源自苏联研制的世界上第一款洲际弹道导弹R-7（有关该导弹和该系列火箭的详细介绍和分析，见小火箭的公号文章《1863次发射！开启人类航天时代的R-7导弹》）。
他驾驶的东方一号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器，在轨飞行了108分钟。
1966年，R-7弹道导弹分离出来的亚型，正式定名为联盟运载火箭，并在当年11月28日进行了首次发射。
从1957年5月15日，第一枚R-7弹道导弹发射到2020年7月份，六十三年以来，该系列的导弹和火箭撑起了苏联/俄罗斯大部分的洲际弹道导弹技术的探索以及载人航天、商业卫星的发射任务。
按小火箭的太空数据库统计，R-7系列弹道导弹/运载火箭家族，总发射次数为1923次，为人类发射次数最多的单一系列航天飞行器。其中，以联盟运载火箭为名的发射，超过1700次。
她投掷出了人类第一个洲际弹头，把第一颗人造地球卫星、第一个月球探测器、第一个进行探测器、第一个进入绕日轨道的探测器、第一个人类宇航员送入预定轨道。
（数据截止到公元2020年7月1日）
法力
联盟运载火箭，有着如此闪亮的历史，如此光辉的过去，而咱们首先说的，则是她的法力加持。
这与当年的R-7洲际弹道导弹的起竖过程是一样的。
起竖之后，是不是就要加注和发射了呢？
不急，还有一项必不可少的流程：
这位工作人员怎么没有穿场站的制服？
原来是东正教的牧首亲自前来为联盟火箭进行法力加持！
扫除火箭前路的种种孽障。
做万种事，结万人缘；
利万种人，修万种行。
当然，如果是涉及载人发射的话，即将进入联盟火箭顶部的宇航员，也是需要法力加持的。
圣水洗净一切障碍。
水会不会洒到宇航员脸上呢？
答：实际上是要结结实实地完成与圣水的亲密接触的，见下图：
这块空地，同时也是联盟运载火箭起竖过程的最佳拍摄位。
水滴连绵不绝，组成一个环状，或许是寓意着保证圆满成功吧！
联盟运载火箭的发射前准备工作，这才算是全部完成。
旋转
有的，则相当复杂，比如上上图的发射架。
复杂的部分，为防止联盟运载火箭倾倒的环抱固定臂。
实际上，联盟运载火箭发射架的下半部分更为复杂：
这个环，是用来整体旋转联盟运载火箭的。
这也就是继法力加持后，咱们要说的联盟运载火箭的第二个怪特征：发射前需要原地旋转。
为什么要转？
答：为了对准弹道坐标系的射面。
联盟系列运载火箭，是由R-7洲际弹道导弹发展而来的。
当年，R-7洲际弹道导弹可是为了大打核战争而设计的，追求的是巨大的量产能力和简单可靠的制导控制。
为了符合当时的经济条件的要求，R-7洲际弹道导弹的制导控制设计师，把导弹的滚转控制回路整个给省略了，只保留俯仰控制回路来控制弹道倾角。
这种极简主义的设计，被联盟运载火箭所继承。
那么，问题就来了：
我的天，宇航员胆子真是够大的。这本质上还是一枚弹道导弹啊。
不过，就算他们敢乘坐这样的第一级不具备弹道偏角和滚转回路控制能力的火箭，可是，咱们生活在三维空间里，而不是纸面上的二维平面弹道空间。
那么，联盟运载火箭的弹道坐标系和惯性空间的大地坐标系之间是如何协调的呢？
或者更直白地说，不具备一级横向拐弯能力的联盟运载火箭，是如何满足不同的射向要求，满足不同的人造卫星和载人飞船的入轨约束条件对发射方位角的要求的呢？
答：用苏联的导弹技术。
上图这样的不具备垂直发射能力的导弹，在可以调节俯仰角和方位角的发射架的辅助下，依然可以满足360°的射向要求。
联盟运载火箭本身不能够像其他大部分运载火箭那样在一级上升段进行滚转机动和偏航机动来控制射向。
但是，她的发射架是可以带着她整体转动的。
在发射之前，先转到所需的方位角就好了。
这就是俄式设计的简单直接。
嗯，再加上 有效 这个词吧，毕竟将近2000次的发射，还没有任何一次是在这个环节出岔子。
考虑到语言描述或许还难以留下深刻印象，因此小火箭费了一些工夫找寻并剪辑了上面这段视频。
在以上视频中，咱们可以依次看到：联盟运载火箭的发射架环抱固定臂的合拢、发射场弹道工程师进行发射前诸元装订与初始方位角对准工作、联盟运载火箭原地旋转来对准射面。
这在很大程度上，提升了该火箭的可靠性。
当然，这种可靠性可以说是一种被动技能，而不是联盟火箭本身的设计初衷。
这种旋转对准射面的机制，本质上是上世纪50年代，苏联导弹设计师考虑到经济方面的约束和导弹生产过程中的质量控制问题，想出了这个方法来尽量简化陀螺仪-加速度计架构和制导控制电路的。
想到如果那个年代爆发大战的话，在茫茫戈壁上，大风萧瑟吹过，烈日灼烧狼烟。
一枚R-7洲际弹道导弹带着核弹头，腾空而起。十字状的火焰，推举粗壮的导弹，把真理和祝福带到一座城市。
随后，发射架发出嘎吱的声响，开始旋转。
另一枚R-7洲际弹道导弹起竖，就位。
发射架再次旋转微调后，这枚R-7弹道导弹发射，奔赴另一座城市。
在法属圭亚那库鲁航天中心，阿丽亚娜5号运载火箭的发射工位的北边，建设了一个联盟运载火箭的发射工位。
为了简化发射准备工作，联盟运载火箭的21世纪版本诞生。
后来被定名为联盟2.1a和2.1b的两款运载火箭，是少有的具备主动滚转控制能力的联盟火箭。
她们的发射准备工作比较简单，无需转动发射架。
这种按照国际商业航天发射市场的技术标准进行的改进，帮助联盟系列火箭走出了哈萨克斯坦拜科努尔发射场和俄罗斯东方发射场、普列谢思克发射场的怀抱，来到了靠近赤道的库鲁发射场。
2011年10月21日，一枚联盟号运载火箭点火成功。她要把伽利略卫星从圭亚那航天中心发射到2万公里高的太空。
这次发射，就没有预先在发射架上对准方位角，而是靠火箭一级的制导控制系统在飞行过程中自主完成的。
这次发射，联盟火箭的第一级自主完成了滚转机动和飞行中对准射面的操作。
上图为从国际空间站上拍摄的联盟载人飞船向太空爬升的过程。
点火
小火箭不得不感慨一下：好多喷口啊！
芯级的1台RD-108A发动机有4个大喷口，4个小喷口（4个游动发动机）；4个助推器，每个有1台RD-107A发动机。
每台RD-107发动机有4个大喷口，2个小喷口。
那么，问题又来了：
联盟火箭尾部有20个大喷管，12个小喷管。
这么多喷管，对应的就是同样数量的燃烧室。
那么，总共32个燃烧室，是如何点火的？
联盟火箭又是通过怎样的尖端技术，来实现点火在时间上的一致性的呢？
要知道，要是任何一个燃烧室的工作不正常或者没能点燃的话，就会给火箭带来推力偏差，这会让火箭出现滚转俯仰和偏航的姿态变化，直接影响火箭的稳定性。
而且，更要命的是：除21世纪版本的2.1a和2.1b之外，其他所有联盟系列运载火箭的第一级都不具备滚转通道的主动控制能力。
一旦出现姿态稳定方面的偏差，后果不堪设想。
咱们对27台液体火箭发动机的点火同步性和可靠性的问题进行了详细分析。
那么，联盟运载火箭的32个推力室的点火的同步性和可靠性，又是怎样实现的呢？
答：此乃长期以来秘而不宣的苏联黑科技。[捂脸.jpg]
多年前，小火箭偶遇相关工程师。老爷子们连比划带画草图，终于解了我多年来的迷惑。
一转眼，将近二十年的时光过去了。
几天前，就在6月24日，R-7洲际弹道导弹与联盟系列运载火箭的RD-107和RD-108火箭发动机的设计师阿纳托利·达龙老爷子在美国逝世，享年94岁。
在此，向国内外所有老一辈火箭工程师致敬！
达龙开始参与设计RD-107火箭发动机的时候，还不到30岁。
他到底用什么黑科技来解决了R-7洲际弹道导弹和联盟运载火箭的32个大小推力室的可靠点火问题的呢？
小火箭讲个故事吧。
公元2016年3月12日，一枚联盟运载火箭矗立在哈萨克斯坦拜科努尔发射场第31号工位，准备进行发射。
该卫星，5.7吨重，7.93米高，直径2.72米，技术指标先进，可以说是代表了俄罗斯商业遥感卫星的最高水平。
载荷方，也就是遥感卫星企业的人，来到拜科努尔发射场指挥大厅来全程参与发射。
然而，3月12日当天，出事了。
祈福也祈过了，燃料加注顺利。
点火指令也下了。
但是，点火按钮按下去23秒后，大厅里响起了指挥员的声音：
中止发射，推迟到明天再进行发射。
卫星企业的人的好奇心一下子就来了：
神奇了啊。他明明就是从现场的高清影像中看到了联盟火箭的尾部冒起了烟。居然这个时候还能够中止发射。
厉害了，看来指挥人员当场就锁定了问题来源，而且还胸有成竹地认定明天就能够恢复发射呢。
他们找到指挥人员询问具体情况。
得到了一个短语：
火把灭了一根。
大家面面相觑。
但是对于这火箭领域的专业术语，也不便多问。
但是总归还是有有心人的。
第二天，刻意留心看着发射准备过程的卫星工程师们，发现了联盟运载火箭的大秘密：
一辆卡车，带着几十根木棍，停到了发射架旁边。
随后，几个小伙子，每人扛着一些木棍，就往联盟运载火箭发射架下面走去。
小树顶部绑着设备。设备后面连着导线。
原来，这些就是联盟运载火箭的点火装置！
在21世纪，这好歹也算是尖端技术代表的运载火箭，竟然是用木头火把点燃的！
大的给主发推力室用，小的给游机用。
上图为小火箭凭借记忆绘出的示意图。
上图左下，为个人估计的一种控制方式，不一定是联盟火箭正在使用的。
木棍顶部蘸上油，然后把铜导线和火药放到木棍顶端。
由上图电路图可知，通电点燃火药之前，指示灯被并联的铜导线短接，不发光。
发射指挥官按了发射按钮后，火药被电火花引燃，进而把木棍顶端点燃，成为火把。
火焰烧断铜线，从而让指示灯结束短路状态，开始发光。
上图可见倒T形的横杆和连接的铜导线。
32支火把，用料考究，必须为上好的桦树木杆子。
据说用桦树木炭烧烤出来的烤肉也是别有一番风味的。
第一：导弹或者运载火箭第一级本身不需要精密的点火电子设备，这使得导弹/火箭在贮存和转运过程中，能够应对极端恶劣的环境条件；
第二：每一支火把可以持续燃烧20秒种，发射指挥控制人员看到所有32个指示灯都亮起之后，确定每一个燃烧室都有一支点燃的火把之后，就可以不慌不忙地打开所有32个燃烧室的燃料供应系统的阀门了。此时32支火把都在燃烧着，液氧和煤油的小液滴在火苗这里一触即然，确保了发动机点火的时间同步性；
第三：一旦个别火把自身点火失败，也没关系，因为此时火箭还没有供油。发射指挥人员可以尝试再次点火，或者像2016年3月份那样，坐等其余火把燃尽，然后第二天再换上新的桦树木杆子再点就是了，无需在导弹/火箭身上折腾。
这是RD-107液氧煤油火箭发动机的涡轮泵系统示意图。最左侧是过氧化氢气体发生器，这种系统在小火箭的经典导弹系列文章《V-2导弹：现代弹道导弹和运载火箭的鼻祖》一文已有详述。
橙色部分为煤油泵，图中间的青色部分为液氧泵，右侧棕色的部分为热交换器。与V-2导弹的液氧酒精发动机相比，RD-107的涡轮泵既有继承，又有创新，虽然基本原理相似，但是RD-107的功率要猛得多。
进入工作状态后，RD-107的涡轮泵主轴将达到8300转/分钟的高速，产生5200马力的超强功率。
第一，准备火把的过程，几乎没有被拍摄过或者公开宣传过；
第二，火箭一旦点火成功，那就是雷霆万钧之力和千度量级的高温。这些白桦木杆子也就直接被炭化后，灰飞烟灭了。
迷之喷管，别样的美丽。
火把点火，优点这么多，那有什么缺点和不足么？
答：有的。那就是对三五名精壮小伙儿的需求。
上图可见，在水平转运过程中，白桦木杆子还没放进去呢。
因为木杆子顶端是有火药的，一定要到临发射之前才安装的。
火箭是悬空着的。
因此，安装白桦木杆子，需要胆大心细，手脚麻利的精壮小伙儿。
那问题又来了，联盟火箭在法属圭亚那的库鲁航天中心发射的话，那岂不还得培训法国工程师来往火箭发动机里面塞木杆子？
答：现在不必了。
因为当初技术交流的时候，欧空局的火箭工程师们已经被那个旋转发射架的设计给惊呆了一次。
而当他们知道联盟火箭点火还需要大量白桦木杆子，并且要全部手动安装的时候，当即就提出了技术改进建议。
说实在的，白桦是高大挺拔的落叶乔木，主要分布在西伯利亚、大小兴安岭等地，是非常耐寒的树木。
在赤道附近的南美洲库鲁航天发射场附近大量种植白桦（这种苏联航天飞行器点火用的标准器材），也真是有些为难。
因此，欧空局购买和使用的联盟系列运载火箭，有两个比较大的改变，一个就是之前咱们聊到的一级滚转姿态控制回路的增设，使得新版本的联盟火箭发射之前无需跟着发射架一起转动来对齐射面；二是在32个推力室加装了符合欧空局标准的运载火箭电点火设备。
这样改了之后，联盟火箭就更像是现代运载火箭，而不再像是她的R-7家族洲际弹道导弹了。
这些现代化的电点火设备，究竟是提高了联盟火箭的可靠性还是降低了呢？
还得看后续的发射情况吧！
要知道，从1957年到2020年，63年时间里，白桦木杆子点火系统只在2016年3月12日出现过一次状况。
而且还是小问题，仅仅是推迟了一天的发射。
第二天换上新的白桦木杆子，火箭点火成功。
可见，白桦木杆子点火系统的可靠性还是非常高的，已经在正式的航天发射任务中，用了将近2000次，也就是用了6万多根白桦木杆子了。
以上是联盟系列运载火箭RD-107液体火箭发动机在试车台上进行点火测试的珍贵镜头。
该视频有助于咱们对RD-107火箭发动机从点火到建立推力的过程有一个直观的感觉。
R-7家族/联盟系列洲际弹道导弹和运载火箭，拥有着辨识度极高的外形，也有着传奇的历史和1923次的最多的发射次数，蕴含着人类工程师对火箭技术的独特领悟和坚守。
下一次当我们看到联盟火箭燃着标志性的火焰升空的时候，是否会想起小火箭今天提到的联盟三大怪呢？
全文说了些啥？正有诗云：
联盟火箭三大怪，法术加成，拂尘圣水扫尘埃；
射面对齐，启动旋转发射台；
太空召唤，桦树火把点起来！
《开启人类航天时代的R-7导弹》《小火箭图解联盟火箭的发射准备全过程》
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