□邢強

R-7：將人類帶入航天時代

□邢強

V-2導彈是當之無愧的現代彈道導彈和運載火箭的鼻祖，而從彈道導彈和運載火箭的發(fā)展史上來看，將人類真正帶入航天時代的，當屬蘇聯的R-7彈道導彈/運載火箭家族。

世界上第一枚洲際彈道導彈、第一顆人造地球衛(wèi)星、第一位進入太空的航天員、第一次月球探測、第一次行星探測都與這個導彈家族有著密切的聯系。如今，我們依然能夠看到這個導彈/運載火箭家族中的年輕一代為國際空間站的維護做著貢獻。R-7導彈家族身上有著太多傳奇，而其設計細節(jié)也有太多值得我們現在的導彈和火箭設計師借鑒的地方。

要做就做個大的

從嚴格意義上來說，蘇聯是在1946年開始擁有成體系的導彈與運載火箭設計生產系統(tǒng)的。到了1948年，以科羅廖夫為總設計師的蘇聯導彈研發(fā)團隊研制出了R-1彈道導彈，后來又有了R-3彈道導彈。27米長，直徑2.8米，起飛質量為7.2噸的R-3導彈可以打擊到3000千米之外的目標。當時，將人類第一顆衛(wèi)星送入太空的夢想在美蘇等有能力發(fā)展遠程彈道導彈的國家中得到的關注越來越多。美蘇兩國在二戰(zhàn)之后的對抗也愈發(fā)明顯，發(fā)展能夠從各自的本土打擊到對方領土的彈道導彈的任務需求也越來越強烈。

一開始，蘇聯方面有工程師提出，將3枚R-3彈道導彈并聯起來發(fā)射的話，可以實現將衛(wèi)星送入太空的要求，也能打到美國本土。但是，科羅廖夫從長遠角度提出，蘇聯需要一枚更大的導彈，這枚導彈不僅僅可以滿足打擊美國本土的需求，更能夠在將來把衛(wèi)星送入環(huán)繞地球的軌道，把探測器送上月球、金星和火星。因此，無論是導彈還是火箭，要做，就做個大的！

分秒必爭

于是，從1953年開始，整個團隊把全部精力都放在了這個名為R-7的導彈上。1957年，R-7導彈經過工程師們3年來的努力，終于橫空出世。能夠攜帶核彈頭的導彈成為了核威懾力量的中流砥柱。按照當時大部分工程師認同的觀點，當一枚彈道導彈的射程超過5500千米的時候，就可被稱作洲際彈道導彈。美蘇當時基本上都具備了發(fā)展這種武器的條件，所以，爭奪第一的競賽開始變得白熱化。

1957年4月，一輛專列將R-7彈道導彈運送到拜科努爾發(fā)射中心附近。5月15日導彈發(fā)射。但是，在飛行了88秒之后，導彈突發(fā)故障，隨后，第一枚試射的R-7導彈墜毀在400千米外的沙漠上。而這些活動，早就被美國盯上了。1957年，一架剛剛入役的U-2偵察機飛臨拜科努爾上空進行拍攝。多年來，美國一直在尋找蘇聯的彈道導彈和運載火箭的研發(fā)中心和發(fā)射基地。終于，在1957年，趁著蘇聯的導彈試射活動開始密集出現的時候，美國的高空偵察機發(fā)現了位于丘拉塔姆小鎮(zhèn)旁邊的這個發(fā)射中心。

蘇聯第一次試射的失敗讓美國人感到機會來了。1957年6月初，一枚美國宇宙神彈道導彈拔地而起。美國康維爾飛機公司于1948年和1949年之間在新墨西哥州白沙導彈試驗場取得了不少成果，不過該公司沒能說服美國空軍進行支持。但是，他們認為值得一拼，因此決定自籌經費繼續(xù)進行研發(fā)?？墒?，導彈發(fā)射后不久就爆炸了，沒能飛出洲際彈道導彈要求的彈道。

1957年6月11日，得知美國人也在進行洲際彈道導彈試驗的蘇聯人再次進行了一枚R-7彈道導彈的試驗。不過，這一次比上次的飛行時間還要短。導彈升空后33秒，就出現了難以控制的滾轉，在空中解體爆炸。

1957年8月21日，第三枚R-7彈道導彈被運往拜科努爾的發(fā)射場。當日，導彈從拜科努爾升空，沖出稠密大氣，飛出了漂亮的亞軌道彈道，然后，導彈的彈頭再入大氣，一頭扎進了太平洋。5天后，蘇聯宣布成功進行了一枚洲際彈道導彈的試射，命中6000千米外的預定海域。從此，洲際彈道導彈這類飛行器正式誕生了。R-7，這款初出茅廬的導彈使蘇聯成為了世界上最早掌握洲際彈道導彈技術的國家。

▲ R-7導彈使蘇聯成為世界上最早掌握洲際彈道導彈技術的國家

贏得第一

R-7洲際彈道導彈全長34米，芯級直徑3.02米，重280噸。其設計最大射程為8800千米，圓概率誤差為5千米，能夠攜帶一枚當量為300萬噸TNT的核彈頭。從外形上看，R-7導彈最大的特征就是側面的4個外掛式助推器了。每臺助推器的長度為19米，最大直徑為3米。助推器越往上越收斂，并逐漸變?yōu)橐粋€傾斜尖錐。尖錐的頂角為10°。R-7彈道導彈可以采用不同的彈頭配置。從1957年到1961年，R-7進行了28次試射，其中25次成功。

▲ R-7導彈有5臺發(fā)動機，每一臺都有4個主燃燒室，因此，R-7系列火箭的底部有20個噴管。這種布局被聯盟運載火箭所繼承，一直沿用至今

在經過多次洲際彈道導彈試射后，蘇聯人認為時機成熟了。于是，他們正式啟動了人造地球衛(wèi)星的發(fā)射計劃。1957年10月4日，在拜科努爾發(fā)射中心升空的，由R-7洲際彈道導彈改造而來的人類第一枚運載火箭，將人類第一顆人造衛(wèi)星送入了太空。由此，太空競賽正式拉開帷幕，人類進入了航天時代。

按照通常的說法，由R-7導彈改來的火箭為一枚二級運載火箭。但是嚴格來說，這是一枚一級半運載火箭。傳統(tǒng)意義上的二級運載火箭指的是一級先點火，然后一級與二級分離后，在一級火箭上面的二級火箭再點火全推力工作。但是， R-7的5臺發(fā)動機（芯級1臺，4個助推各1臺）是在地面同時點火的，只不過，芯級的燃料貯箱大一些，能夠使芯級發(fā)動機燃燒時間足夠長。當助推器中的燃料燒盡后，助推器分離。這樣的設計，使得R-7避免了那個年代的多級導彈或者火箭要面臨的一個重大難題：上面級發(fā)動機的高空或者真空環(huán)境中的點火可靠性問題。

R-7助推器分離的設計很有趣：燃料燃盡后，助推器底部與芯級相連的地方被火工品炸開，然后液氧貯箱中殘余的高壓氣體被釋放出來，使助推器繞著頂端與芯級相連的機構轉動。該機構由球形接頭和帶豁口的連接盤組成，當助推器旋轉的角度足夠大的時候，助推器便從豁口中脫離下來，并最終墜落到地面。

R-7導彈的5臺發(fā)動機每一臺都有4個主燃燒室，因此，R-7系列火箭的底部有20個較大的噴管。另外，中間的芯級發(fā)動機的四周有4個小噴管，那是用來調整火箭姿態(tài)的游動發(fā)動機，而每臺助推器上也有2臺小游動發(fā)動機。

RD-107是一臺液氧煤油火箭發(fā)動機（蘇聯人在上世紀50年代就掌握了成熟的液氧煤油火箭發(fā)動機的技術。）。其燃燒室壓力為5.88MPa，海平面推力高達813.98千牛，真空推力更是超過了1000千牛。R-7系列火箭芯級那臺發(fā)動機叫做RD-108，基本性能和RD-107相近，只不過多用了2臺游機，因此比RD-107重了93千克。

RD-107全高2.865米，整體外框直徑1.85米，真空比沖313秒。這款自上世紀50年代來到這個世界的發(fā)動機，設計優(yōu)秀，性能優(yōu)良。進入工作狀態(tài)后，RD-107的渦輪泵主軸可達到每分鐘8300轉的高速，產生5200馬力的超強功率。

要知道，最早宣布將要發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家是美國。1955年7月29日，時任美國總統(tǒng)艾森豪威爾通過白宮新聞秘書發(fā)布美國將于1957年（即國際地球物理年）的時候發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星。結果，蘇聯的R-7火箭家族拔得頭籌，在1957年10月4日把人類第一顆人造地球衛(wèi)星送上了太空。

▲ 廠房內準備進行總裝的聯盟火箭

贏得更多第一

就在馮·布勞恩帶隊的美國工程師團隊急于兌現艾森豪威爾總統(tǒng)的承諾時，R-7火箭家族又一次給了他們巨大的打擊。1957年11月3日，R-7火箭家族的一枚火箭發(fā)射了人類第二顆人造地球衛(wèi)星，這下美國人連第二也沒能爭到。而且，這枚衛(wèi)星里面攜帶了一只為科學而獻身的小狗——萊卡。這只在莫斯科街頭被人們尋獲的雌性流浪小狗，搭乘R-7系列運載火箭進入太空，成為第一只進入繞地軌道的動物。

緩過神來的美國人終于在1958年2月1日發(fā)射了他們的第一枚人造地球衛(wèi)星（重13.97千克）。

然而，R-7系列火箭再一次創(chuàng)造了歷史：

1958年5月15日，就在第一枚R-7導彈試射失敗一周年的時候，蘇聯人將一枚載滿地球物理探測設備的衛(wèi)星送入了太空。在長達692天的軌道運行時間里，該衛(wèi)星進行了大量觀測和試驗。令人感慨的是，這枚衛(wèi)星重達1.327噸！其質量是美國100多天前發(fā)射的人造衛(wèi)星的95倍！

第一枚洲際彈道導彈、第一枚運載火箭、將第一顆人造地球衛(wèi)星送上太空，把第一個動物送入繞地軌道，讓第一顆超過1噸重的衛(wèi)星在太空工作，都是R-7完成的。接下來，近地軌道的圣杯中，或許就只剩下第一個把人類送入繞地軌道這一個了。當然，就在全世界為R-7在近地軌道上創(chuàng)造的各種紀錄而驚嘆的時候，R-7系列火箭已經把目光望向了更遠處。

1958年9月23日，R-7火箭發(fā)射了人類第一個月球探測器。然后，在人們的感慨聲中，到1960年4月16日，R-7火箭連續(xù)發(fā)射了9個月球探測器（有2次成功）。

后來的事情可能大家就更熟悉了：1961年4月12日，莫斯科時間上午9時07分，加加林乘坐東方一號宇宙飛船從拜科努爾航天發(fā)射場起飛，在遠地點為301千米的軌道上繞地球一圈，于上午10時55分安全返回，降落在薩拉托夫州斯梅洛夫卡村地區(qū)，完成了世界上首次載人航天飛行，實現了人類進入太空的愿望。他駕駛的東方一號飛船成為世界上第一個載人進入外層空間的航天器，在軌飛行了108分鐘。

此時的火箭，改進的地方主要是增加了一級。增加的一級高3.1米，直徑2.58米，里面裝有一臺RD-0109發(fā)動機。該發(fā)動機也是液氧煤油的！也就是說，蘇聯在上世紀60年代就掌握了在真空環(huán)境中啟動液氧煤油發(fā)動機的技術。這一點即使放到今天，依然值得火箭設計團隊驕傲。RD-0109運行可靠，從1960年12月12日開始投入使用之后，一直為R-7系列運載火箭服務，直到1991年8月29日，才算是走完了它31年的輝煌生涯。

R-7導彈、衛(wèi)星號火箭、東方號火箭、閃電號火箭，它們用的都是R-7系列火箭的基礎級，只不過因為載荷的不同，而有了不同的上面級配置。而R-7系列火箭后來改型的名字就太令人熟悉了，那就是大名鼎鼎的聯盟火箭。

后來，R-7系列運載火箭的噴管材料有了新的改進，大量引入了鈦合金。不過，火箭基礎級的總體設計，60年來沒有大改。如今，R-7系列運載火箭已經成了很多博物館的標志。這種水平運輸、垂直起豎發(fā)射的方式，幾十年來也沒有變化，變化的只有人類越來越遠大的理想和越來越復雜的航天器載荷。

據統(tǒng)計，從1957年5月15日的R-7彈道導彈的首次試射，到2017年7月14日，一枚聯盟-2.1a火箭將一顆對地觀測衛(wèi)星送入預定軌道，隨后又進行3次變軌操作，將72顆小衛(wèi)星送入各自軌道，R-7系列導彈/運載火箭總共進行了1870次發(fā)射，是世界上發(fā)射次數最多的火箭系列。而且像聯盟-U、聯盟-FG、聯盟-2.1a、2.1b、聯盟2-1v這些型號依然準備著執(zhí)行新的發(fā)射任務，因此這個紀錄還將由R-7系列火箭自身不斷地打破。

責任編輯：薛滔