□ 邢強(qiáng)

承載蘇聯(lián)載人登月夢想的N-1火箭

□ 邢強(qiáng)

說到載人登月，尼爾·阿姆斯特朗在1969年7月21日凌晨2點(diǎn)56分說的那句“這是個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步”，或許會(huì)立刻涌到關(guān)注人類科技發(fā)展的人們的耳畔。

不僅是美國人，實(shí)際上，蘇聯(lián)人同樣有著載人登月的夢想，而且他們同樣為此付出了汗水、鮮血甚至是生命。在蘇聯(lián)那樣的制度下，保密工作的優(yōu)先級別高于一切，這導(dǎo)致了有關(guān)蘇聯(lián)載人登月計(jì)劃的細(xì)節(jié)至今仍鮮為人知。

這款火箭為什么叫N-1？

實(shí)際上，蘇聯(lián)人并不是在肯尼迪宣布“阿波羅”計(jì)劃之后才著手準(zhǔn)備把航天員送上月球的。在肯尼迪的宣言發(fā)表之前2年，即1959年，當(dāng)時(shí)科羅廖夫就已經(jīng)在準(zhǔn)備重型運(yùn)載火箭了，而這一系列火箭為包括載人登月在內(nèi)的大型航天項(xiàng)目預(yù)留了一定的運(yùn)載能力。

科羅廖夫帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研制的這一系列火箭被命名為N系列火箭。這個(gè)N，得名于俄語носитель對應(yīng)的拉丁拼寫Nossitel，是運(yùn)載器的意思。當(dāng)時(shí)N系列運(yùn)載火箭有3款型號，從大到小依次命名為N-1、N-2和N-3，準(zhǔn)備采用核發(fā)動(dòng)機(jī)，為未來的空間站和登月、登陸火星等任務(wù)提供運(yùn)載力量。

然而，美國總統(tǒng)肯尼迪的宣言讓蘇聯(lián)人加快了發(fā)展速度，并且暫時(shí)把可行性不高的核發(fā)動(dòng)機(jī)放在一邊，采用化學(xué)能源和多級火箭構(gòu)型，爭取趕在美國人前面把航天員送上月球。

當(dāng)時(shí)，科羅廖夫和蘇聯(lián)科學(xué)院力學(xué)所的切洛梅院士對登月火箭的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行競爭。

N-1火箭的總體設(shè)計(jì)

N-1運(yùn)載火箭由運(yùn)載部分和上面級構(gòu)成。全高105米（比“土星”5號火箭稍矮），整體呈圓柱體與圓錐體的結(jié)合狀，這種氣動(dòng)外形在火箭中并不多見。最大直徑17米（實(shí)際為16.876米），起飛質(zhì)量為2735噸。

N-1火箭的運(yùn)載部分由3級火箭構(gòu)成：自下而上為第一級（Block A），第二級（Block B），第三級（Block V）。上面級則包含月球軌道器、登月飛船和奔月火箭等結(jié)構(gòu)。

N-1火箭的第一級

N-1重型運(yùn)載火箭的第一級高30.09米，最大直徑16.876米，頂部直徑10.3米?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴管伸出一級火箭底部平臺1.78米。一級火箭上面的那個(gè)框架格柵結(jié)構(gòu)為一級火箭與二級火箭相連的部分，高6.325米，鏤空的結(jié)構(gòu)方便二級火箭點(diǎn)火的時(shí)候向外噴出火箭燃?xì)狻?/p>

設(shè)計(jì)圖

最終確定方案

其實(shí)，原本N-1不必使用這么多臺發(fā)動(dòng)機(jī)。在N-1火箭的總體方案剛剛被提出時(shí)，蘇聯(lián)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師古舒高提出了設(shè)計(jì)一款推力強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的方案：RD-270。N-1運(yùn)載火箭本可以采用5臺RD-270火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的方式。但鑒于液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)取代偏二甲肼/四氧化二氮火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)可以預(yù)見的趨勢，科羅廖夫極力反對古舒高的RD-270火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案。古舒高認(rèn)為受到了科羅廖夫的排擠，終止了與科羅廖夫的合作?？屏_廖夫只好尋求其他火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師的幫助。庫茲涅佐夫領(lǐng)導(dǎo)的OKB-276（276所）拿出了當(dāng)時(shí)叫做NK-15的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。后來，該發(fā)動(dòng)機(jī)被升級為NK-33。

于是，為了滿足N-1火箭總體設(shè)計(jì)中需要的推力，最終，選用NK-33火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的N-1火箭的第一級采用了30臺發(fā)動(dòng)機(jī)。

N-1火箭的第一級是如何控制火箭的飛行方向的？

我們都知道，大型運(yùn)載火箭要想控制其飛行姿態(tài)和彈道，需要擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或者噴管，讓高溫高速的噴流指向需要的方向。而N-1火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)排得這么緊密（尤其是外圈），實(shí)在是動(dòng)彈不得。

另外，如果讓這30臺發(fā)動(dòng)機(jī)每一臺都有自己獨(dú)立的伺服機(jī)構(gòu)的話，那結(jié)構(gòu)重量更小不了了。

于是，N-1火箭有了自己的獨(dú)門絕技：不擺動(dòng)噴管也能控制火箭的飛行方向。這個(gè)聽起來就像是不張嘴也能說話的腹語術(shù)一樣神奇。

簡單說來，N-1火箭的30臺發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩個(gè)部分，并各司其職。外環(huán)的24臺發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)控制火箭的俯仰和偏航，內(nèi)環(huán)6臺發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)控制火箭的滾轉(zhuǎn)。米申的日記給出了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的編號。這位蘇聯(lián)人的習(xí)慣與我們不同，他以圓圈的最下方為起點(diǎn)，順時(shí)針方向增加編號。

當(dāng)火箭需要向左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，底部位于右側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)們保持較大推力，而左側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)們適當(dāng)減小推力，這樣就形成了左右的推力差（蘇聯(lián)人將其稱作推力差動(dòng)轉(zhuǎn)彎）。火箭如向右轉(zhuǎn)彎則情況相反。

滾轉(zhuǎn)控制依賴內(nèi)環(huán)的6臺發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，這與常見的火箭控制類似。

N-1火箭的第二級

N-1火箭的第二級長20.461米，底部直徑10.30米，頂部直徑7.59米。由8臺NK-43火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。

NK-43火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部分與NK-33相同，只是因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境主要在近真空中，因此其噴管的擴(kuò)張比要比NK-33的大。因此，其推力與比沖NK-33的大一些。NK-43的最大推力為1754千牛（NK-33為1510千牛）。

N-1火箭的第二級內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)為兩個(gè)球罐：靠下的為液氧罐，容積為512立方米；上面為煤油罐，容積為343立方米。

N-1火箭的第三級

N-1火箭的第三級長11.01米，底部直徑7.59米，頂部直徑5.475米。由4臺NK-21火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，每臺NK-21的推力為402千牛。

N-1火箭的總裝與發(fā)射

N-1火箭采用水平總裝和水平測試的方案。也就是說，在燃料加注之前，火箭基本上處于躺著的狀態(tài)。

1967年11月25日，N-1火箭的第一枚試驗(yàn)箭運(yùn)到發(fā)射臺上進(jìn)行了為期3個(gè)星期的聯(lián)調(diào)測試。當(dāng)年12月12日，測試通過的N-1火箭運(yùn)回廠房待命。

上發(fā)射臺測試是沒辦法的事情，因?yàn)闆]有這么高的廠房供N-1火箭進(jìn)行垂直測試。另外，值得一提的是：N-1火箭的30臺NK-33并聯(lián)而成的一級火箭發(fā)動(dòng)機(jī)從來就沒有進(jìn)行過同步點(diǎn)火測試。因?yàn)樘K聯(lián)當(dāng)時(shí)已經(jīng)沒有時(shí)間建造那么巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺了。這為之后的事故埋下了伏筆。

1968年5月7日，N-1火箭第一枚試驗(yàn)箭再次登上發(fā)射臺，準(zhǔn)備進(jìn)行首次發(fā)射。但是，發(fā)射前，工程人員突然發(fā)現(xiàn)一級火箭外殼結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)裂縫?；鸺恢匦路牌?，拉回廠房維修。

同年的9月、11月，這枚火箭來來回回又折騰了幾次，依然是有各種各樣的問題。

N-1火箭的四次發(fā)射

好不容易解決了火箭結(jié)構(gòu)件的問題后，第一枚N-1火箭于1969年1月15日矗立在發(fā)射臺上。

蘇聯(lián)人冒了好大的風(fēng)險(xiǎn)！所有的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)都是出廠狀態(tài)，從未進(jìn)行過任何一次點(diǎn)火測試！這是正常的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程所不允許的。而且，這枚試驗(yàn)箭實(shí)際上是任務(wù)箭！這枚火箭的上面級里面放了一艘真正的L1飛船。這飛船可是要繞著月球飛上一圈然后返回地球的。也就是說，蘇聯(lián)人要跳過所有的近地軌道測試步驟，直接繞月了！

經(jīng)過4個(gè)星期的準(zhǔn)備，矗立在發(fā)射臺上的N-1火箭飽受風(fēng)吹日曬，但終于也迎來了發(fā)射的日子。1969年2月20日，風(fēng)雪交加。發(fā)射總指揮臨時(shí)推遲了發(fā)射任務(wù)。但是，一道嚴(yán)厲的指令到來了：無論怎樣，最遲到2月21日，火箭一定要上天！

1969年2月21日，莫斯科時(shí)間下午12點(diǎn)18分07秒，地動(dòng)山搖的轟鳴聲宣告N-1火箭掙脫地球懷抱的時(shí)候來了！

6秒后，火箭離開發(fā)射塔范圍。然而，這時(shí)候，指揮中心突然收到了火箭發(fā)出的警告：傳感器報(bào)告有2臺發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火。

熄火的2臺發(fā)動(dòng)機(jī)是12號與24號，從米申的日記中，我們能夠看到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的編號順序。這是位置相對的2臺發(fā)動(dòng)機(jī)。工程人員當(dāng)即認(rèn)為，任務(wù)仍可完成。因?yàn)镹-1火箭設(shè)計(jì)了動(dòng)力冗余，損失2臺發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力對火箭本身的測試任務(wù)的完成并不構(gòu)成致命威脅。

但是，接下來的事情就不太好了。起飛25秒后，傳感器報(bào)告發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力整體不足。這個(gè)指令觸發(fā)了火箭的應(yīng)急預(yù)案。渦輪泵的功率開始增大，但是這個(gè)指令與作動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)沒有進(jìn)行過測試。

從自動(dòng)控制原理的角度來說，管路控制系統(tǒng)遇到了比較嚴(yán)重的“超調(diào)”。65.8秒時(shí)，28臺發(fā)動(dòng)機(jī)的功率全部超過最大允許值。整個(gè)管路系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的高頻振動(dòng)。66秒時(shí)，1臺NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)的液氧輸送管路爆炸！

按N-1火箭的設(shè)計(jì)，1臺發(fā)動(dòng)機(jī)的管路爆炸并不該影響整體性能。只需將該管路關(guān)閉即可。但是，箭載計(jì)算機(jī)反應(yīng)有些慢。等到它關(guān)閉管路的時(shí)候（在68.7秒成功關(guān)閉），一級火箭內(nèi)部的大火已經(jīng)無法控制。隨后，火箭發(fā)生了大爆炸（起飛69秒，此時(shí)火箭高度12200米）。

N-1火箭第一枚試驗(yàn)箭的殘骸飛散到了發(fā)射架附近30千米的范圍。但是，值得慶幸的是，L-1飛船在逃逸塔的幫助下，飛離了危險(xiǎn)區(qū)域。后來，在爆炸平息后，降落在距離發(fā)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號發(fā)射臺，準(zhǔn)備趕在“阿波羅”11號之前進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射6秒后，傳感器報(bào)告：燃料泵異常！后來分析是一枚螺絲釘松動(dòng)后，被強(qiáng)大的煤油噴流沖到了燃料泵里。故障控制系統(tǒng)用3秒鐘的時(shí)間，關(guān)閉了第一級火箭30臺發(fā)動(dòng)機(jī)中的29臺。從200米高的地方帶著巨量燃料和氧化劑的火箭墜落到發(fā)射臺上，引發(fā)了驚天動(dòng)地的大爆炸。

1969年7月21日凌晨2點(diǎn)56分（UTC），阿姆斯特朗登上了月球。美國人贏得了載人登月的競賽。這回蘇聯(lián)人不用趕時(shí)間了。他們認(rèn)認(rèn)真真地開始搜集2枚火箭的殘骸，分析事故原因。重新設(shè)計(jì)N-1火箭的故障處理系統(tǒng)的算法，就像是試圖在尋找錯(cuò)題原因的一名虔誠的學(xué)生。

這個(gè)錯(cuò)誤，一改就是兩年。

這是第1枚與第2枚N-1火箭的合影?？梢钥吹剑K聯(lián)人在拜科努爾實(shí)際上為N-1火箭準(zhǔn)備了2個(gè)發(fā)射臺。這兩個(gè)發(fā)射臺之間相距500米。第2枚N-1火箭徹底炸毀了1號發(fā)射臺，同時(shí)也讓2號發(fā)射臺受損

1971年，重新設(shè)計(jì)了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)邏輯的第3枚N-1火箭出廠。

1971年6月27日莫斯科時(shí)間凌晨2點(diǎn)15分07秒，第3枚N-1火箭點(diǎn)火。這次問題沒有出在動(dòng)力系統(tǒng)上，而是出在了制導(dǎo)控制系統(tǒng)?；鸺?級啟動(dòng)自毀程序，飛船也被引爆。失去了第3級和上面級的N-1火箭仍在向上飛行，但是已經(jīng)失去了彈載計(jì)算機(jī)的控制，成了一枚巨型無控火箭彈。最終，重重地撞到了20千米外的一座小丘上，炸出了一個(gè)直徑30米，深度將近16米的大坑。

1972年11月23日莫斯科當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午9點(diǎn)11分52秒，第4枚N-1火箭點(diǎn)火升空。起飛90秒后，N-1火箭程序轉(zhuǎn)彎順利，按最新的制導(dǎo)程序，再過26秒，就該準(zhǔn)備一二級的分離程序了。警報(bào)聲在此時(shí)響起，彈載計(jì)算機(jī)認(rèn)為此時(shí)火箭的軸向過載太大，按照預(yù)案，彈載計(jì)算機(jī)自動(dòng)關(guān)閉了一級火箭內(nèi)環(huán)的6臺發(fā)動(dòng)機(jī)。在關(guān)閉了內(nèi)環(huán)6臺發(fā)動(dòng)機(jī)后，一級火箭供給內(nèi)環(huán)的燃料系統(tǒng)面對突如其來的壓力變化沒有防備。管路多處破損，導(dǎo)致一級火箭底部中心開始著火。整個(gè)一級火箭沒有經(jīng)受住烈火的炙烤，發(fā)生了爆炸。

當(dāng)時(shí)指揮中心的工程師事后也有相應(yīng)的分析。這是N-1火箭離成功最近的一次。因此，我們可以理解，為什么后來的藝術(shù)家們在畫N-1火箭的概念圖的時(shí)候，要強(qiáng)調(diào)一二級的分離這一瞬間了。

其實(shí)還有2枚N-1火箭

歷史上，N-1重型火箭4次發(fā)射，4次失敗。從后來解密的資料中，我們能夠驚奇地發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上還有第5枚和第6枚N-1火箭的存在，但沒能在后來爭取到更多的發(fā)射機(jī)會(huì)。米申計(jì)劃于1975年8月發(fā)射的第5枚N-1火箭只與發(fā)射臺見過1面，就再也沒有得到飛行的機(jī)會(huì)。原計(jì)劃于1975年年底發(fā)射的第6枚N-1火箭甚至都沒有走出過廠房。

1976年，掌握實(shí)權(quán)的古舒高下令，徹底廢止了與N-1火箭相關(guān)的所有項(xiàng)目?！俺鰩熚唇萆硐人馈?，或許是對N-1火箭準(zhǔn)確的寫照?！?/p>