苏联的登月之路⑤——南方设计局重型火箭R-56

军心安营扎寨 2024-06-15 08:22:43

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R-56发射的想象图

杨格尔和南方设计局

1960年代初,致力于苏联登月计划的设计局并不只是科罗廖夫和切洛梅,位于乌克兰第聂伯罗彼得罗夫斯克的OKB-586或者叫“南方设计局”«Южное»当时由著名设计师米哈伊尔·杨格尔(Михаил Кузьмич Янгель)领导。

乌克兰发行的杨格尔纪念邮票

杨格尔1937年从莫斯科航空学院毕业,先后和波利卡波夫和米高扬合作过,在战后进入弹道导弹设计领域,首先和科罗廖夫合作负责研制制导系统,,他在乌克兰的第聂伯罗彼得罗夫斯克建立了一个火箭推进中心,后来在1954年形成了他自己的OKB-586设计局的基础。

装填中的R-16

起初,杨格尔的设计局专注于开发洲际弹道导弹(ICBM),Yangel是苏联可储存的肼基燃料火箭的先驱。他的局先后完成了 R-12、R-16 和 R-36导弹设计,其运载火箭改装分别被称为 “宇宙”、“旋风”和 “第聂伯”。

1960年10月拜科努尔爆炸灾难

在1960年10月拜科努尔,杨格尔在R-16的发射事故爆炸中侥幸逃生,这次事故导致负责弹道导弹开发的米特罗凡·内德林元帅牺牲。

1962年开始,杨格尔开始设计一种串联级重型运载火箭,能够通过苏联运河系统从工厂运输到发射场,具备近地轨道40吨的运载能力。这一运载能力已经远远超出了洲际弹道导弹的基本需求,正是为了紧张的太空竞赛准备的方案。

最初方案:大捆绑

SK-100

杨格尔最初的重型火箭设计是捆绑R-16火箭的SK-100,七个 R-16第一级并联,预期近地轨道运载能力100t。有效载荷:100,000 千克(220,000 磅)。总质量:2,000,000千克(4,400,000磅)。高度:55.00 米(180.00 英尺)。直径:30.00米(98.00英尺)。远地点:200 公里(120 英里)。SK-100第一级由六个R-16第一级组成,围绕一个R-16第一级作为第二级/车辆核心。第三阶段将来自R-16第二阶段。起飞质量为2,000公吨。

南方设计局保存的R-56大比例模型

虽然从表面上看很有吸引力,但这种捆绑概念将导致 24 个第一级发动机必须同时点火。单个腔室的故障可能是灾难性的。此外,还存在复杂的动态相互作用和共振问题。另一个新的技术挑战是第二级需要零重力启动。需要解决发动机点火前的推进剂沉降问题,杨格尔通过使用空隙电机通过隔膜给推进剂加压来解决。这种“低推力系统”将在后来的扬格尔导弹设计中得到应用。SK-100很快被抛弃,转向更加务实的设计。

根据1962年4月16日的指令,杨格尔负责开发新的重型导弹R-46,同型号的火箭命名为R-56,生产编号8K68。

SK-100和不同的R-56版本

根据当时的情况,这种重型运载火箭同样是作为军方的战略武器开始开发的,作为洲际导弹使用。射程应该超过16,000公里。它既可以搭载一枚35吨重的超级热核弹头,也可以是带有几个当量较小的可分离弹头。由于其特点,该系统仅被视为先发制人武器,因为它的尺寸也很小,并且可以从地面无保护的发射器。同时,也可以作为轨道炸弹,即将弹头送入轨道战备,然后根据指令俯冲到目标。

火车运输的组合版本

作为运载火箭使用时,R-56可以将40吨有效载荷进入200公里极地轨道,可以发射地球同步或倾斜伪同步轨道上的大型通信卫星,12吨的月球轨道运载能力将可以支持无人月球表面监测站、载人绕月和月球轨道测绘任务,道通过在低地球轨道上使用对接,组装将可以完成载人月球任务。还可以用来,向金星发射重达9吨的探测器或向火星发射重达8吨的探测器。

4联捆绑的R-56发射想象图

整体版本

三个版本的R-56 整体、7联捆绑和4联捆绑

最初R-56的 各种版本的发射重量从1165到1421吨不等,火箭的长度从51.5米到67.8米,块的直径从3到7.6米。大约有二十几个布局方案选项正在开发中。类似SK-100的7条3m直径的R-36组合首先出局。

整体式细节

捆绑版本被认为有利于铁路运输。但随后扬格尔在分析了整体项目后,和科罗廖夫在N-1火箭方案中得出了同样的结论——即两级整体设计显著的由于捆绑组合。主要因素如下:

工厂制造和发射场集成所需的劳动力更少;R-16/R-36洲际弹道导弹上已经使用的设计解决方案可以扩大规模,可以使用为R-16/R-36开发的火箭动力学模型 由于火箭自身的动力学不太复杂,因此开发工作更少;由于燃料和接口点的数量减少,发射复杂成本更低;更大直径的芯级更适合携带低密度液氢/核热发动机上面级和供载人使用行星际航天器。

选定的整体火箭长67.8 m,由三个阶段组成,前两个阶段的基本直径为6.5 m。第一级有一个直径为8.2米的喇叭形底座,可容纳16台发动机。这些是由瓦伦丁·格鲁什科(Valentin Glushko)的OKB-456开发的,每个在升空时产生148吨的推力。

整体式设计图

推力和技术特性表明,它们将与为Chelomei的UR-500火箭开发的RD-253发动机相同或密切相关。其中12台主发动机是固定的,而4台是浮动调节的,以提供运载火箭转向。单独的推进剂罐被布置成氧化剂前部罐,燃料罐后部。据说运载火箭一级似乎配备了实验的回收系统。

第二级在氧化剂和推进剂罐之间有一个共同的舱壁。它配备了一个推力为172吨的固定主发动机。技术特性表明,它与同样为Chelomei的UR-700开发的RD-253的RD-254高膨胀发动机相同。四台游动发动机的总推力为50,000 kgf,为主机点火、主发动机燃烧期间的转向以及主机切断后的精确速度校正提供了推进力。

R-16、SK-100和三个版本的R-56

第三级有两个版本:用于将大型有效载荷放置到低地球轨道的单次启动版,以及用于将较小的有效载荷带到高地球轨道或地球逃逸轨迹的多次启动版本。它配备了一台 50,000 kgf 的主发动机和四台总计 5,500 kgf 的游走发动机。它可能基于质子运载火箭第三级的RD-0123发动机。

第四级设计用于将有效载荷插入地球同步轨道或月球轨道。使用的推进剂和发动机类似1960年代中期开发的实验性RD-280。该阶段独特地使用了美国为泰坦50洲际弹道导弹开发的Aerozine-2燃料。发动机能够重新启动四次。

运河连接可能的发射场

组装好的火箭部件将通过公路从第聂伯罗彼得罗夫斯克的扬格尔工厂运往苏里亚河口。从那里,它可以通过苏联精心设计的内河航道系统移动到任何现有的发射场——伏尔加河上的卡普斯京亚尔、锡尔河上的拜科努尔或叶姆察河上的普列谢茨克。离工厂最近的卡普斯京亚尔是首选地点。在发射场,飞行器将被移动到离河不远的一个简陋的发射台。直立后,它将被一个服务塔包围,为最终的火箭和有效载荷准备提供一个环境保护的环境。

战前的第聂伯罗彼得罗夫斯克,现在是满目疮痍的战场

回归捆绑式

发射想象图

1964年,R-56的最终版本回归了捆绑模式,以提升更大的有效载荷,例如载人登月所需的有效载荷。685,000 kgf RD-270发动机也被用于R-56的后续版本。这将使第一阶段的发动机数量从 16 台减少到 4 台。

人类第一台全流量分级燃烧循环引擎 RD-270

使用3.8m直径的捆绑火箭成为主要方向,其中主要分为第一和第二级的纵向分割版、一级横向分割整体第二级版、和一级横向分割组合第二级三种主要方案。结果,最终采用了第一和第二级的纵向分割版本。在这个版本中还有第一级使用3-5个助推器的各种不同构型。4 x 3.8 m直径的组合被认为最有优势。新版本可以通过铁路运输至拜科努尔,发射的基础设施包括两个发射台、一个服务塔、几座行政和技术大楼以及一个指挥所。

捆绑的三个模式

让路

杨格尔得到了苏联科学院、NII-88、NITI-40、GSPI 和国防部的支持,但最终1964年8月3日,中央委员会发布了决议#655-268,杨格尔没有切洛梅的关系或者科罗廖夫的光环,苏联领导层不愿改变路线,终止了R-56的投入。

设计局保留的模型级间段细节

经济上切洛梅和科罗廖夫已经投入了大量资金来开发火箭和航天器。技术上其他首席设计师反对使用R-56进行载人登月,因为将需要两次R-56发射,而不是一次UR-700或N1的发射。这将意味着使用未经试验的地球轨道交会技术在地球轨道上组装航天器。

另一个版本的级间段细节

到1965年,扬格尔认为切洛梅和科罗廖夫之间关于载人登月计划控制权的激烈斗争正在损害苏联的太空努力。他第一个意识到项目的规模已经达到了这样的规模,以至于一个设计局不可能处理所有必需的元素。他提出了一项合作努力:扬格尔将设计和制造运载火箭,载人飞船由科罗廖夫负责,无人航天器由切洛梅负责。这是一个类似阿波罗计划的大分工。然而,最终无人理睬他。

实际上,一个设计局不可能处理载人登月这种极其复杂的巨型项目。最终结果是除了切洛梅大多数其他火箭设计局都参与到了N-1项目中,但科罗廖夫的继承人瓦西里·米辛并没有成功的领导起这一只巨大的队伍。在这支队伍里扬格尔将负责开发LK月球着陆器,负责将宇航员送上月球的最后一步,这个系列将会拿一期详述。@nordland 今日头条 原创首发

发射想象

一级脱离想象,可见是整体脱离,而不是R-7的“科罗廖夫十字”

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