質子：蘇聯留給俄羅斯的運力最強的火箭
小火箭出品
本文作者：邢強博士
原文題目：質子：蘇聯留給俄羅斯的運力最強的火箭
本文是小火箭經典導彈與運載火箭系列文章第3季的第3篇。在本季第1篇與第2篇合輯中，小火箭將介紹了美國「雷神」彈道導彈。（導彈的總體設計、材料、發動機、彈道計算、反衛星試驗以及這款導彈改造為運載火箭後，發射了NASA的第一枚探測器的歷史。）
而本文將要分析的是蘇聯/俄羅斯的質子運載火箭（介紹切洛梅和質子火箭的總體設計）。
提起蘇聯的火箭，人們或許會立刻想到屬於R-7火箭系列的聯盟火箭（詳見小火箭的公號文章《1863次發射！開啟人類航天時代的R-7導彈》），或者是蘇聯屢敗屢戰的帶有濃厚傳奇色彩的N-1重型運載火箭（詳見小火箭的公號文章《承載蘇聯載人登月夢想：N-1火箭》），亦或是用來運載暴風雪號太空梭的能源號火箭。
但是，冷戰後期，蘇聯放棄了能夠將100噸載荷送入近地軌道的能源號火箭。解體後的蘇聯，留給新生的俄羅斯的能力最強的火箭，不是R-7系列的聯盟，也不是能源號，而是一開始並沒有被當做運載火箭來研發，但卻在蘇聯解體後頑強地存活下來，並成為建設國際空間站的中堅力量的質子火箭。
質子火箭以20.7噸的近地軌道運載能力超過了聯盟火箭（6.45噸），成為了蘇聯留給俄羅斯的運載能力最強的運載火箭。
1.切洛梅的大計劃
說起質子火箭，小火箭就不得不先說一下她的設計者弗拉基米爾·尼古拉耶維奇·切洛梅博士了。
1958年，切洛梅向蘇聯最高領導部門提出了一個大計劃：研製一系列導彈和運載火箭，其中，該系列的導彈具有12000千米的射程，是名副其實的洲際彈道導彈，而同系列的運載火箭擁有和上述彈道導彈通用的結構，能夠將巨大的軍用空間站送上太空，還能夠把探測器甚至是航天員送上月球、火星、金星。
啥？1958年就有此等計劃了？切洛梅又到底是誰？
鑒於人們對科羅廖夫比較熟悉，甚至認為科羅廖夫一人就能代表蘇聯的火箭設計師了，小火箭覺得有必要多介紹一下切洛梅。
其實看上圖老爺子胸前戴的5枚獎章，就能夠知道他並非等閑之輩了。
左數第1枚和第2枚是蘇聯國家獎章！（蘇聯最高榮譽體系之一）
左數第3枚是列寧獎章！（蘇聯最高榮譽體系之一，獎給科學、文學、藝術、建築和技術方面的人才。）
而切洛梅左胸佩戴的2枚獎章就更要說一下了。這是傳說中的社會主義勞動英雄獎章！專門頒發給為蘇聯做過重大貢獻的人。
切洛梅老爺子得了2枚社會主義勞動英雄獎章。按規定，得了2枚這種獎章的人，國家會專門在他的出生地豎立銅像或紀念碑來表彰。怎麼樣，夠霸氣了吧。
不過說到這，有些人可能會覺得不服氣了，比如：
飛機設計大師圖波列夫，得過3枚社會主義勞動英雄獎章。（另一位飛機設計大師伊留申也得過3枚，蘇聯氫彈之父薩哈羅夫也得過3枚，真是沒有最霸氣，只有更霸氣啊！）
接著說切洛梅博士。他1914年生於沙皇俄國時代的謝德爾采（如今該地屬於波蘭），在一戰的戰火中顛沛流離的童年和充滿飢餓與不安的少年時代過去後，18歲的切洛梅考入基輔理工學院（這個學院就是基輔航空學院的前身）。在這裡，他展現了數學和力學方面的天賦。大學一畢業，他就出版了他的第一部專著《向量分析》。二戰時期，他研製了蘇聯第一台脈動衝壓發動機（獨立於德國與法國的研究）。
1951年，37歲的切洛梅完成答辯，被莫斯科國立鮑曼技術大學授予博士學位。（這所大學得說一說，科羅廖夫、蘇霍伊、茹科夫斯基、圖波列夫都是在這裡畢業的。）4年後，切洛梅成為了以他名字命名的切洛梅設計局的首席設計師。
1958年，切洛梅提出了洲際彈道導彈的設計方案，成為了蘇聯最早提出多級洲際彈道導彈方案的人。（科羅廖夫的R-7是芯級+助推器的一級半構型，不是嚴格意義上的多級導彈——小火箭注。）
這就是УР-500導彈（火箭）。
小火箭要對УР這個型號名稱解釋一番。僅僅從這個名字其實就可以看出切洛梅的理想了。УР是俄語универсальная ракета的縮寫。其中，универсальная是萬能的、通用的意思。比如萬能膠（Универсальный клей）。而 ракета是火箭和導彈的意思。
是的，在俄語中， 火箭和導彈是同一個詞，都是 ракета，也就沒有咱們非得分清楚火箭和導彈的那種糾結了。本來就是同一類飛行器嘛。
切洛梅的理想在這個型號的名稱中顯露無疑：通用的、萬能的導彈（火箭）。近可當洲際彈道導彈用，中可發射近地軌道衛星，遠可進行深空探測。
然而，切洛梅的影響力始終還是不如科羅廖夫。萬能導彈在競爭中沒能贏過R-7導彈。
2.質子的倔強
1965年，被蘇聯軍方拋棄的УР-500導彈爭取到了證明自己的機會。她矗立在拜科努爾發射基地。
從1965年7月16日開始，切洛梅的火箭發射了一系列名為「質子」的科學實驗衛星。質子衛星是人類較早地能夠在太空中對高能粒子、夸克等物質進行研究的衛星。
為什麼切洛梅的火箭能夠爭取到這樣的發射任務呢？
因為質子衛星重17噸，是衛星中的龐然大物。科羅廖夫的R-7最多只能運載6.45噸的載荷。在當時，這個系列的衛星，也就只有切洛梅的火箭可以發射了。
也就從這個時候開始，切洛梅開始淡化УР-500導彈這個名稱，而改用質子火箭來稱呼他的巔峰之作。（為了紀念他爭取到了發射質子衛星的任務而保住了УР-500項目的不易。）
但是，質子火箭的發展依然不順。按照蘇聯的標準，火箭的發射成功率要在90%以上才能夠正式被列入國家型號。但是，從1965年到1972年，質子火箭事故頻頻，直到1977年，質子火箭才終於勉強通過了正式驗收。
但是，切洛梅博士並未有一刻停止他的研究。
1967年3月10日，帶有上面級的3級運載火箭——質子-K火箭迎來了她的首次發射。面臨種種困難，質子系列火箭不僅沒有退縮，還在逐步添丁。上圖4枚火箭示意圖中，最左側是質子火箭基本型（共2級），其他3枚為質子-K。
這是正在莫斯科進行總裝的質子系列火箭。我們能夠看到連在一次的第一級與第二級，這兩級共同構成了質子系列火箭的基礎級。
幾乎毋庸置疑的是，質子火箭最容易被辨識出來的外形特徵就是她的6台一級發動機呈正六邊形的布局方式了。
質子系列火箭的第一級擁有6台RD-253常溫燃料液體火箭發動機，燃燒室壓力14.7MPa。
RD-253發動機乾重1.08噸，噴管直徑1.5米，噴管擴張比為26.2。蘇聯人對發動機噴管的設計頗具美學造詣，這一點在小火箭經典導彈與火箭系列的前兩季中已做過計算和對照，在第三季中，就不再贅述了。
6台RD-253為質子火箭的基礎級提供了10470千牛的推力，讓質子火箭擁有了強大的運載能力。
值得注意的是，質子火箭的第一級的一周鼓起來的部分並不是助推器，而是推進劑的貯箱。這些貯箱是與火箭「芯級」連在一起的。
也就是說：質子火箭看起來像是捆了6台助推器，而實際上她1台助推器都沒有。
火箭第一級外側環向布置了6個推進劑貯箱，但它們並非助推器，即在發射後並不與箭體分離。
那質子火箭的第一級長成這個樣子，裡面到底是怎樣的結構呢？
哈，原來是這個樣子的。6台RD-253發動機實際上是安裝在質子火箭第一級的推進劑貯箱下方的。
6個長得像助推器的大鼓包裡面，並沒有其他管路和發動機，而僅僅是安置了一個偏二甲肼（UDMH）貯箱（上圖的大紅色部分為偏二甲肼）。質子火箭的第一級的核心部位則是一個巨大的四氧化二氮貯箱（上圖的橙紅色部分）。
【以下僅限腦洞，切勿付諸實踐：
如果你來到一枚質子火箭下面，並且手裡恰好有一把小小的羊角錘的話，使勁敲一下質子火箭的6個鼓包中的任意一個，就會發現有大量無色液體噴涌而出，而在你失去直覺之前，會聞到一股極為獨特的魚腥味。小火箭至今仍未忘記那股味道。
如果你用羊角鎚子向正上方敲擊質子火箭底部中心的話，則會有橙紅色的液體伴著橙紅的氣體呼嘯而出，那就是腐蝕能力超級強的四氧化二氮了。
腦洞結束，以上。】
如果想知道導彈的偏二甲肼泄露之後會出現什麼情況，詳見小火箭的公號文章《一柄扳手引發的美國核導彈大爆炸》。
這是在莫斯科的質子火箭總裝廠房內等待進行裝配的6台RD-253液體火箭發動機。看，她們已經與偏二甲肼貯箱連為一體，之後就要與質子火箭的一級箭體進行固連了。注意噴管上方紅色的四氧化二氮輸送管線。
6個帶有RD-253發動機的偏二甲肼貯箱與箭體連接好之後，就構成了質子火箭的第一級。強調一下，質子火箭的偏二甲肼貯箱與箭體是固連的，因此，她沒有像聯盟火箭那樣助推器分離的場景，而是以上圖中那樣的囫圇個兒的第一級火箭進行分離。
另外注意，質子火箭的第一級通過桁架結構與上面的部分進行連接。這基本上是蘇聯血統的火箭或某些國家的火箭的標準了。
質子火箭的第一級長21.2米，外接圓直徑7.4米。
小火箭其實是比較擔心上圖中的廠房裡面的吊車的，因為質子火箭的第一級的空重足足有31.1噸，上圖廠房中的鋼纜看起來有點細。雖然實際上是夠用的，但是總覺得和蘇聯的風格有些不太相符。
而加註滿偏二甲肼和四氧化二氮燃料之後，質子火箭的第一級的總重會達到450.51噸。看到這裡，大家應該就已經明白為什麼質子火箭比聯盟火箭的運載能力大那麼多了吧。
質子火箭的第一級就已經比目前在役的分量最重的聯盟火箭（重308噸）沉100多噸了。
值得注意的是，質子火箭的第一級空重31.1噸，總重450.51噸，也就是說，質子火箭第一級的燃料占第一級總重的比為93.1%。即使是在今天，這個指標在導彈或者火箭總體設計中，也是個非常了不起的成就。切洛梅博士在力學上的造詣的確值得我們給他點個贊。
質子火箭第一級的發動機細節。噴管外面的管路是用來輸送偏二甲肼的。這些偏二甲肼通過噴管的中空夾層結構進入RD-253發動機的燃燒室，與四氧化二氮進行反應，產生推動火箭拔地而起的力量。
外側是RD-253發動機的渦輪泵。
質子火箭的第一級能夠用31.1噸的空重產生10470千米的推力，說明她在減重方面下足了功夫。上圖為RD-253的渦輪泵剖開的樣子。可以發現，該發動機的預燃、燃燒室的推進劑泵和氧化劑泵等等全部是用同一根軸驅動的。
RD-253火箭發動機的噴注盤設計細節。有關噴注盤的設計以及火箭燃燒穩定性的問題已經在第一季中詳細分析，不再贅述。
質子火箭的第一級總體設計在眾多運載火箭中可謂獨一無二。RD-253發動機採用富氧分級燃燒的循環方式，因此其噴口附近非常簡潔明快，沒有燃氣發生器的廢氣排放管。另外，注意看質子火箭第一級的設計細節，她為了減小底部阻力而設計了收斂段。
燃氣發生器廢氣排放管就是像上圖的雷神導彈的噴管上方的細管子那樣的。如果質子火箭的發動機也有這樣的管子的話，就沒有今天看起來這麼美了。
質子火箭的第二級長14米，直徑4.15米，採用了4台RD-0210發動機。注意噴管內壁閃閃發亮的耐高溫銅合金。
RD-0210發動機的設計風格也是簡潔明快，單台推力為582千牛。
小火箭提醒：透過桁架結構，可以看到質子火箭第二級的發動機噴口噢。
質子火箭的雕像在目送質子火箭升空。
質子系列運載火箭，總發射次數335次，其中成功294次。
在第三季的第4篇文章中，小火箭將繼續介紹質子運載火箭，講述她發射禮炮系列空間站、和平號空間站和國際空間站的光輝歷史，並在文末給出具體的算例，指出帶有上面級的質子火箭在地球同步軌道運載與深空探測中的強大潛力，展示火箭到底是怎樣把衛星送到地球同步轉移軌道上的。
感謝大家對小火箭的支持！
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