陷入中年危機的俄羅斯上面級火箭（上）

科技 03-22

導言

近幾年關於俄羅斯上面級導致的發射失敗壞消息接踵而至，讓衛星們心驚膽戰，惴惴不安，抽到去拜科努爾、普列謝茨克（最近又多了一個東方發射場），感覺生死兩茫茫，白髮人送黑髮人！真是這樣嗎？

先是2017年11月在東方發射場使用 Soyuz-2-1b 火箭發射 Meteor-M 氣象衛星和 18 顆小型衛星，但上面級導航軟體因為水土不服發射失敗，所有衛星都被送入了亞軌道，在大氣層中燒毀，再是2017年12月26日發射俄羅斯國產通信衛星---- 安哥拉首顆衛星「AngoSat-1」一波三折，

接踵而來的不幸，折射出帝國的餘輝

。本期我們就來聊聊蘇聯/俄羅斯的上面級。關於上面級的概念，請見從科羅納間諜照相機聊衛星投送界的順豐快遞——上面級

一、挑戰者失事、商業衛星發射需求迫切、蘇聯解體……

上世紀成功登月之後，NASA(美國國家航空航天局)開始主導研製

在當時相對經濟

的太空梭系統，並且在之後要求所有載荷使用太空梭發射，這使得美國運載火箭一度停產，太空梭壟斷所有發射市場。直到1986年1月，「挑戰者」號太空梭凌空爆炸，

1986年8月美國政府決定太空梭退出商業發射服務市場，參與商業發射服務競爭的實際上只剩下一次性運載火箭

。

這時，美國通用動力公司在新上宇宙神火箭研發項目並重啟生產線，阿麗亞娜火箭瘋狂攬單，1986年一年簽了18單發射服務合同，忙不過來，因為1986年5月31日，在阿麗亞娜1和3基礎上研製的阿麗亞娜2火箭首飛失敗，而1988年6月15日，阿麗亞娜4火箭才首飛成功。一時間，發射能力短缺，出現了用戶急於尋找運載火箭的情景。中國也趁此良機，跨入國際商業衛星發射市場！

這時候，蘇聯也在行動！1985年蘇聯一反以往年來閉門發展空間技術傳統做法，特意成立了蘇聯國家空間局。表面看，這一機構的成立是為了加強蘇聯民用空間技術的發展和開展對外空間合作，但實際上真正目的是擠入國際衛星發射商業市場以獲得硬通貨，並試圖借國外空間科學技術以改進自身空間科學技術的不足。蘇聯一共推出7種型號火箭 , 包括聯盟、質子等。蘇聯還採取種種優惠條件以招徠客戶，比如發射費低廉 , 把一顆2噸重衛星送入高靜地軌道只需1800至2000萬美元 , 只及美國和歐空局費用的三分之二。在發射前，客戶只需繳納12%的訂金。甚至聘請了世界著名的渣打保險公司為其在西方的代理商，而且一旦發射失敗 , 分文不收等等。這些條件比西方優惠約一半以上。

但是蘇聯的幾個發射場的緯度都偏高

，如北緯63°的普列謝茨克、北緯46°拜科努爾，打大容量、高性能的地球靜止轉移軌道GTO，不僅要求基礎級火箭能力強大，也要求上面級火箭能夠多次可靠點火、長時間在停泊軌道運行等要求，

於是蘇聯啟動為質子和聯盟等火箭開發新款滿足商業發射的上面級。蘇聯解體後，急於擺脫經濟困境，同時西方也看中俄羅斯雄厚實力，合作共贏，這個過程被加速……

從拜科努爾發射場打GTO，上面級一般要4～5次點火，時間長達9小時

（

主頁君註：有興趣的讀者可以對比一下從赤道附近發射的阿麗亞娜5火箭的GTO發射時序，看看高緯度帶來了多少麻煩

）

二、簡潔明快的初代Fregat( 軍艦鳥)上面級

Fregat (俄語：Фрегат，軍艦鳥) 上面級，原本是由拉沃契金研發製造聯合體在1988年啟動的火星探測項目所用。對於解體後快速增長的發射市場需求，尤其是針對將多顆衛星釋放到不同軌道的一箭多星任務，1992年利用現有成熟技術，

明確定位，以改進中型和大型運載火箭的運載能力和適應性為目的，進行高軌道、一箭多星任務的發射, 它可提供複雜的軌道機動、滑行期間和飛行器分離時精確的姿態控制，和聯盟號基礎級火箭搭配。

1996年法國、俄羅斯合資公司Starsem成立，專門負責聯盟號的商業發射。這家公司的股東是歐洲飛機製造商EADS（35％），阿麗亞娜航天公司（15％），俄羅斯航空航天局（25％）和俄羅斯航天中心薩馬拉(Samara)（25％）。她推出聯盟U-Fregat（Soyuz U-Fregat）版本如果從哈薩克拜科努爾發射場發射，能打1.35噸載荷的GTO軌道。

（一）風格簡潔明快

在「軍艦鳥」中有很多有趣的工程解決方案，強調實用性和簡潔性。

正如你所看到的，外形是粗曠的工業簡約設計風格，

初代Fregat上面級高僅有1.55米，可以在整流罩讓出寶貴空間給衛星，

6個鋁合金球形箱體，赤裸！

其中四個為推進劑貯箱（氧化劑、燃料各2個）,另外二個為設備艙（一個用於控制系統, 一個用於通訊、遙測系統）。

（二）刺穿球體的鋁合金桁架結構

球形結構的貯箱，質量/體積比上佔優，

但是要光靠薄壁球形貯箱傳遞發射時巨大的推舉力至衛星，還是不現實！

最簡單的方法是將貯箱裝入承力框架，但這會顯著增加質量和尺寸。

俄羅斯人的解決方案簡單粗暴，支撐桿刺穿球體！

支撐桿刺穿設備艙球體！

８根撐桿怎麼刺６隻貯箱呢？考慮撐桿承力對燃料貯箱的影響，4個燃料貯箱少穿一點，就刺穿1根，２隻設備艙多一點，各穿２隻撐桿，那麼這8根支撐桿就形成了上下端面橫截面為八邊形、外形為６貯箱的幾何構型。

執行Mars Express任務的Fregat，注意看八條腿是怎麼個形狀！

這個設計很成功，重量上斤斤計較，鋁製鋁合金桁架作為承力結構，

重量僅為400千克

；撐桿與球形貯箱焊接相連，貯箱將分擔部分載荷力，

但球體壁平均厚度控制在了1.5～2.0毫米

。

（三）略顯老套但高可靠的推進劑選擇

考慮到上面級在任務中需要多次啟動，

推進劑選擇了北極熊擅長的劇毒偏二甲肼做燃料

，四氧化二氮作氧化劑，省卻點火器，成熟度高，可靠性好。主發動機採用俄羅斯已有發動機S5.92，渦輪泵壓，雙推力模式，最大推力為19.6KN，屬小推力發動機，比沖327.2秒，具有超過20次以上的再起動能力。發動機可進行側向搖擺。

推進劑採用高壓氦氣擠壓，氦氣被貯藏在23升的球形罐體內，至於數量，

可以根據不同的任務需要，隨心增減

——對的，會多出幾個球，又會少下去幾個球！活絡！

（四）上面級必不可少的沉底和姿態控制發動機

姿態控制發動機型號為單組元發動機S5.221，49N推力，它們分為四組, 12台，安裝在球形貯箱的頂部。兩個肼貯箱可貯存85公斤的推進劑，肼催化分解提供推力。

用於俯仰、偏航、滾動三軸穩定控制和主發動機再起動前的推進劑沉底。關於推進劑沉底等概念

，詳見往期文章：高能金牌上面級——美國半人馬液氫液氧上面級。

聯盟號-Fregat運載火箭於2000年2月和3月進行了兩次鑒定飛行, 並於2000年7月、8月為歐洲航天局發射了四顆CLUSTER-II。

發射CLUSTER衛星

英文不翻譯了，自己查字典

三、長滿惡性腫瘤的Fregat後續型號

阿麗亞娜4火箭退役之後，3000公斤載荷GTO軌道發射能力出現了空缺，合資公司想填補！俄羅斯提供了新款採用數字飛行控制系統的聯盟-2.1a/b熱帶版本--Soyuz-ST-B，在低緯度的法屬蓋亞那庫魯航天中心發射，那麼上面級也勢必需要提升相應的運載能力。

（一）非常6+8，腫瘤越長越多——Fregat-M/Fregat-MT型號

率性的俄羅斯人想到的辦法和之前氦氣罐一毛一樣！

加！加！加！本來4個燃料罐體，Fregat-M/Fregat-MT在頂部安裝了額外6個球形小罐體

（另有兩個肼燃料罐）。推進劑質量從初代的5,250公斤增加到M版本的6640公斤（6個小罐），

而且罐體還會變大

，後續MT版本的6個大罐達到7100公斤。同時高度也從Fregat的1.55m長高到了MT型號的1.85m，

腫瘤成長記！FREGAT，FREGAT-M，FREGAT-MT

（二）再接著長，環形腫瘤——Fregat-SB/SBU

Fregat-SB型主要用於天頂-2SB運載火箭上。天頂號（Zenit）事實上,該工程是能源-暴風雪號太空梭工程的一部分，因為天頂號的第一級就是能源號火箭的助推器，「天頂-1」的項目編號給的就是這個助推器佔了。火箭的總體設計由南方設計局負責，總設計師為弗拉基米爾?烏特金。設計者曾打算把天頂號作為一個覆蓋不同運載能力的火箭家族來開發，但最後只有中等運載能力的方案被真正實施，這就是天頂-2。

天頂-2是兩級結構的運載火箭，

火箭的第一級採用一台大名鼎鼎的RD-171四推力室高壓補燃液氧煤油發動機

，和RD-170不同的是其噴管可以沿兩個方向軸擺動，而RD-170隻有一個可動方向軸，天頂-2的一級就是靠這種推力矢量噴管（其偏轉角可達6度）來進行姿態控制。

其推力達到了8180kN

。

那麼這麼強大的基礎級火箭，也要有能力強大的上面級來呼應，在Fregat-M 的基礎上，再接著加！（

真服了毛子，持之以恆的耐力……

）

在Fregat-M型號上，在已有2（ACS肼燃料罐）+4（大推進劑罐）2（設備艙）+6（小推進劑罐）=14，14個罐體的基礎上（不含氦氣罐），進一步疊加，這次是加裝了一個額外的下部可分離燃料箱，從而進一步提高運載能力。

環形日光燈管形狀腫瘤

，作為燃料箱空重為360公斤，能容納最多3050公斤的推進劑。Fregat-SB的乾重為1410公斤，最大推進劑攜帶量為10噸。2011年1月20日Fregat-SB上面級第一次投入使用，將Elektro-L氣象衛星送入了同步軌道。

上下左右，四面八方擴容的Fregat-SB

（三）Fregat不斷迭代（疊加）發展的大家族！

依靠工程師不斷放任的噁心腫瘤式的簡單粗暴疊加，Fregat的大家族組成了！總衝量也從初代的約17M牛?秒，提升到SB的32M牛?秒。

四、任性設計背後的可靠性

俄羅斯航天人是明白人，知道自己，國家已經解體，沒這個錢、也沒這個時間等待低溫上面級的研發

（鬼知道這個低溫上面級要多少衛星祭祀才能成熟？），就用省事的毒發，比沖少個100秒也行，靠譜就行！也沒有什麼長遠規劃，為滿足不同的基礎級火箭，不斷迭代，加罐子，各種罐子。

但從統計數據來看，Fregat的成功率和美國半人馬等先進上面級有一定差距，

截至2018年3月9日的68次發射，2次失敗，2次部分失敗

，我們也來分析回顧一下3個有代表性的事故：

（一）肼燃料冰點過低引起的事故

用於姿態控制的肼燃料，聯氨，

其冰點比較高，高達2攝氏度

，因此在寒冷的外太空，零下一百多度，要謹防結冰，美國原來打算用無水肼做主燃料，但冰點太高，必須改性，採用偏二甲肼做添加劑，結果，主體燃料和添加劑一樣多的時候，達到最佳效果，這就是混肼50，又稱航空肼。

但如果依靠單組元肼催化分解產生燃氣的方式，就要做好保溫絕熱，相關貯箱、閥門配置電加熱，防止肼結冰導致的事故。

然而，Fregat，軍艦鳥，在這個問題上翻船了。

2014年8月22日這次任務是由阿麗亞娜航天公司（Arianespace）操辦，使用了Soyuz ST-B-Fregat-MT上面級，在法屬蓋亞那庫魯航天中心發射，計劃將兩顆伽利略導航衛星發射升空。

Fregat-MT發射兩顆伽利略導航衛星的演示圖

火箭發射成功！然而在Fregat-MT的第二次點火以後，兩顆伽利略導航衛星被發現被送上了錯誤的軌道。任務失敗！

事故發生後，在8月25日成立了一個獨立調查委員會對這次異常的原因進行了研究，並在年10月7日公布了結果。分析結果如下：

1、這次失敗是由Fregat上面級引起的，發生在發射後的大約35分鐘，Fregat上面級二次點火前的彈道飛行階段。

2、事故的直接原因是在Fregat的第二次點火過程中，Fregat上面級的姿態控制發動機的管線被擾動，發生了肼燃料凍結，主發動機的推力定向控制因此發生錯誤。

3、

為什麼會凍結？凍結是由於肼燃料管線和氦氣管線被安裝在了同一組支撐架構上，管線間距近，形成了兩條管線間的熱橋，冷氦氣導致肼燃料發生了凍結。

事實上其他已經製造的Fregat火箭中也存在同樣的問題，這次事故的根本原因是上面級的熱力學設計缺陷。

找到了原因，在2014年8月22日之後，聯盟ST-B-Fregat-MT運載火箭成功的發射了三次，將六顆伽利略衛星成功的送入了預定軌道。

（二）純粹是管理的問題

目前，俄羅斯所有的載人和大部分商業發射都是在哈薩克進行的，租金不貴，根據俄羅斯和哈薩克在1994年簽署的協議，俄羅斯每年要向哈薩克支付1.15億美元的租金，租用期至2050年。

但拜科努爾航天中心已年近6旬，許多設施破舊不堪。同時，低廉的薪水、艱苦的工作環境也開始讓大批俄羅斯科技人員返俄定居，航天城面臨工程和技術人員的嚴重短缺。

普京強調，擁有「獨立的航天發射基地」是一個「戰略需要」，儘管拜科努爾發射基地位於一個「友好國家」，但畢竟不屬俄羅斯所有。

一把手工程！俄羅斯以舉國之力在遠東地區阿穆爾州，齊奧爾科夫斯基市，建成東方航天發射場（Vostochny Cosmodrome）。2016年4月28日，在普京總統的見證下，「東方」航天發射場完成第一次發射任務，一枚「聯盟2.1A」運載火箭將「羅蒙諾索夫」科研衛星等3顆衛星送入預定軌道。

2017年11月28日聯盟號-Fregat火箭負責發射價值4500萬美元的一顆「流星」M2-1氣象衛星，太陽同步軌道，788 km × 829 km，98.57°。另外搭載18顆小衛星，包括加拿大電信衛星公司低軌寬頻星座項目的首顆技術驗證衛星（LEO寬頻星座最近很火）。

火箭於莫斯科時間8時41分46秒起飛，作為主星，原本應在9時32分分離並開始發回遙測信號，但地面卻並未收到該星信號。

最終確認發射失敗！

調查組進駐，各種查，可是結果卻讓人啼笑皆非。習慣在拜科努爾，普列謝茨克和庫魯發射的Fregat上面級，出現了水土不服！

1、為實現正確的方位角（相對於北方的方向），在先前的聯盟號發射場所發射所需的滾轉角度介於正負140度之間。

2、然而，在東方發射場，滾轉的角度要達到174度。

3、在聯盟號火箭和Fregat上面級的組合中，聯盟號火箭的三級和Fregat上面級都有兩個獨立的導引系統，由各自的陀螺儀控制。聯盟號火箭的陀螺儀和Fregat上面級的陀螺儀所使用的引導參考軸相差10度。

4、因此Fregat的陀螺儀平台必須旋轉174+10=184度才能達到所需的「0」位置。

5、為了使陀螺制導系統進入準備狀態，其主平台必須通過儘可能短的路線旋轉到0度位置。Fregat上，其平台到0度位置的最短路徑是將其角度從184度增加到360度，可以少轉動8度，因此設定，要轉到360度這個地方。

6、但Fregat飛行控制計算機中的軟體卻不認為360度是所需要的0度，它認為相差了360度，因此在滾轉到位後，繼續指揮其姿態調整推進器點火，並且以每秒一度的速度開始補償性的旋轉。經過大約60度的旋轉，Fregat上的陀螺儀系統卡住了。

7、飛船失去了在太空中調整自己方位的能力，指向了錯誤的方向。其結果是Fregat上面級及其19顆衛星的有效載荷又回落到地球和大西洋。

輕描淡寫說的是程序錯誤，難道不能提前發現嗎？如果嚴謹執行質量管控的各項把關工作，應該可以避免！

（三）傷心的中國第一個火星探測器

那麼這裡也要說一件傷心事，在本世紀初，我國的火箭發射能力，深空探測配套測控能力還不強。

恰好，這個時候，俄羅斯自從1996年11月16日發射火星96失敗後，重啟第一個火星探測項目----「Phobos-Grunt」（火衛一-土壤）探測器。

該項目靈活的套用了俄羅斯運載火箭「天頂－2SB」基礎級運載火箭的強大能力，近地軌道最大運載能力是13.74噸，太陽同步軌道運載能力是11.38噸；又借用了Fregat-SB的多次點火變軌、長時間滑行能力，將Fregat-SB改裝成探測器的主推進單元 (MDU，main propulsion unit)，滿足地球-火星軌道實現巡航期間的軌道修正和到達火星軌道後的制動。這些都超過了當時中國長二捆火箭等的能力。

該項目還計劃將大約200克的火衛一土壤樣本送回地球。