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苏联载人登月失败原因分析

苏联没有从人类征服太空的角度去认知载人登月

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设计局 OKB-1 OKB-586 OKB-52

地月转移能力/ton对应速度10834m/s 45.690 23.500

1976年8月21日,随着月球24号采样返回,没有人意识到,这是苏联最后一次执行探月任务。就像没有人意识到,这时候的苏联,一个曾经朝气蓬勃的超级大国,已经变得暮气沉沉,最终令人心碎。

咨文中首要目的是“提高人类对地球和宇宙的认识”。现在,美国宇航局公之于众的职责,是几行简洁的诗样文字:

对于苏联在登月竞赛中的失败,大家无不饱含着遗憾。有人认为,在早期空间探测计划取得很多突破后,如果组织得当,苏联应当能第一个达到月球。

N-1火箭设计上,具备一级发动机四台发动机停机下继续飞行能力。无独有偶,2012年10月7日,Falcon 9火箭飞行到79秒时,一级九台发动机中的一台突然失去压力然后关闭,在其他发动机的驱动下仍然完成了第一次将龙宇宙飞船送入轨道的任务。

考虑到一级没有开展整级试车,且发动机数量多,飞行中失效概率较大,作为总设计师,留个后手是十分有必要的,这就是N-1火箭的发动机操作控制系统,简称KORD(Kontrol Roboti Dvigvateli),俄文意思为机器人控制装置。当发动机出现故障时,他会自动关闭故障发动机和与之位置相对的无故障发动机,以保持火箭的平衡稳定。KORD也会重新设定燃烧状态,以弥补损失的推力。在一级发动机四台发动机和二级两台发动机出现故障的情况下,该系统仍能保证把飞船送入轨道。

米申对失败的解释包括:资源远逊于美国,设计局之间内斗,决策的反复,为了省钱而不做全面的地面试验,以及科罗廖夫在关键时刻的离世。其中尤其是错误地为了省钱而不做全面的地面试验一条,取得了大家的一致认同。

1967年9月N-1火箭开始了第一次发动机试车。之后二三四五级进行了整级火箭的试车,而第一级则没有做这样的试车。到N-1火箭首飞之前,发动机共经历了10万秒的地面试车。

N-1火箭为将运力提高到95吨,采用了过冷加注以增加燃料携带量,煤油被冷却到-15~-20摄氏度,液氧被冷却到-191摄氏度。无独有偶,Falcon 9火箭2015年的首次陆地回收时,煤油降温到-6.6摄氏度,液氧到-206摄氏度。Falcon简直是在以各种方式向N-1火箭致敬

在苏联航天事业的早期,科罗廖夫把苏联空间计划整合在一起的方法,以及在人员组织与公共关系的处理方面的能力非凡。如果没有科罗廖夫,N-1火箭的进展绝不可能那么快。在月球竞赛的关键时刻科罗廖夫病逝,米申本人也承认,他驾驭不了其他的设计局,而科罗廖夫却有办法做到这一点。米申说:如果科罗廖夫还活着,我们将取得更多的成就。虽然米申个人才干突出,但他缺乏科罗廖夫那种魄力、组织才华与坚忍不拔的意志,以及将其他领导者组织在一起共事的气度。格鲁什科具有可与科罗廖夫相比的雄心,但是却没有能力处理好与他的政治主人的关系,他着力于达到技术目标,而没有站在他们的角度来看待这些计划。

土星V N1-L3

真空推力/kN 5141 14040

科罗廖夫有时为自己的错误辩护,政府没有投资建设适当的地面试验设施,他们本应给他更多的支持。赫鲁晓夫不同意这种说法,他说如果科罗廖夫申请的话,政府绝不会拒绝提供足够的经费来建立适当的地面试验设施,尤其是出自总设计师科罗廖夫的要求。

苏联载人登月失败原因分析

推力差动姿态控制

苏联载人登月失败原因分析

没过几天肯尼迪会见了林登.约翰逊,发给他一个备忘录:是否有机会放个实验室到太空来击败苏联?或者作一次绕月飞行,或者发射一枚火箭到月球,或者进行一次载人的登月飞行再返回地球?有没有其他我们能赢的机会带来惊人结果的太空计划?

苏联载人登月失败原因分析

一个浪漫主义总统赋予了美国航天黄金十年

美国宇航局执着于探索

美国载人登月的胜利是系统工程和地面试验的胜利

二子级 S-II Block B

1957年艾森豪威尔总统任内苏联发射第一颗人造卫星后,他组建了一个名为“关于载人航天的特别委员会”评估登月所需费用,委员会估计需要投入250亿~580亿美元。艾森豪威尔震惊了,着手削减NASA预算,取消了除“水星”计划外的所有载人航天项目

起飞重量 2750吨 1421吨 3400吨

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我们在这新的海洋里扬帆,因为能获得新的知识,赢得新的权利,这些新的知识和权利必须为所有人的进步所赢得、所使用。

发动机单台测试时可能都没有问题,但这不能保证总装在一起工作时不出问题。即使做了地面试验,也不能保证一定会成功,就像质子号火箭,以及阿里安V、德尔塔4H所表现的那样。不得不说,冯.布劳恩是伟大的总设计师,而且他的命也太好了,土星V号的表现太优秀了。

苏联载人登月失败原因分析

地球出发级 S-IVB (二次点火) Block G

肯尼迪总统在1964你曾经这么说:只要竞争维持在火箭和当时存在的硬件的水平上,莫斯科会赢。但是竞争到土星V号、阿波罗和N-1这种程度时,竞赛实际上是在考验两个超级大国在认真努力的事业上投入大笔资金的能力。早在1961年《新闻周刊》把太空竞赛比作西北太平洋Kwakiutl部落的冬节仪式,他们将最值钱的东西往火里扔。但是,这个月球冬节正是这个国家所需要的,也正是它所得到的。

切洛梅,在登月计划取消以后,他领导的设计局又多次参与苏联礼炮系列与和平号轨道空间站的研制工作,他研制的质子号运载火箭,至今仍活跃在航天发射第一线。1984年8月12日在莫斯科病逝。

在同一年里的2月21日和7月3日,苏联驱动着它的前两发N-1火箭升空,但均发生爆炸,对阿波罗计划发起挑战的希望已成泡影。在1971年和1972年的两次失败后,从此退出了历史舞台。航天帝国的脚步被禁锢在了有限的高度。

但根据资料,其间(50年代末到1964年)发生了两件事情。一是格鲁什科在发动机研制中遇上燃烧室高频率振荡问题,花费了很长时间对发动机进行修补工作;二是科罗廖夫请格鲁什科为N-1火箭设计一个液氢液氧发动机,他说液氢作为火箭燃料完全不可行。笔者能不能做个如下的猜测,当然,仅仅是猜测格鲁什科对于新鲜事物的兴趣,远没有科罗廖夫来的那么强烈,并且可能对液氢液氧、液氧煤油没有信心,甚至是恐惧,远不如与杨格尔合作的RD-214(1953-1955)以及与切洛梅合作的RD-253(1961-1963)干起来那么得心应手。在格鲁什科接替米申总设计师职务,主政能源联合体设计局后,即使在已有F-1发动机成功经验的情况下,他的RD-170也还是采用了四个喷管。在这个猜测下由于理念之争,科罗廖夫坚持发掘新人、锻炼新人就有一定的道理了,譬如他在东方号的二级上发掘了科斯贝格,现在又是库兹涅佐夫,他甚至到克里姆林宫坚持说要放弃格鲁什科的发动机,赞成用库兹涅佐夫的NK-9,只是这次他失败了。

奔月方法 月球轨道交会 月球轨道交会 直接降落

N-1火箭最初不是登月火箭。1956年9月14日项目计划启动,科罗廖夫给它起了个平淡的名字,N-1,N(носитель,Nositel)代表运载的意思,工业编号11A51。这个阶段的N-1是一枚重型火箭,可以把50吨的有效载荷送上轨道。与土星V把人送上月球的单一目标比起来,N系列火箭是多用途火箭。科罗廖夫为获取军方支持,暗示它可以发射军事侦查卫星。但因为它没有明确的军事用途,所以军方不支持。直到1960年6月23日,情况有所改变,受到之前成功探索宇宙空间的鼓舞,加上美国发表土星运载火箭研制进度报告的刺激,苏联政府颁布715-296号决议,即《关于1960-1967年研制大型运载火箭、卫星和征服宇宙空间的决议》,授权发展大型运载火箭系统,如N-1火箭,同时授权研究液氢、离子、等离子和核动力火箭,这项决议还授权研究N-2火箭(工业编号11A52),可以发射75吨载荷,但这取决于液氢和核动力火箭等研制进展情况。此项决议还建议进行绕月飞行和星际飞行。

1957年10月4日,苏联发射第一颗人造卫星后,美国举国震动。美国总统艾森豪威尔1958年4月向国会宣讲的咨文,酝酿成立美国宇航局,以达到:

图 葬于莫斯科郊外新圣女公墓的格鲁什科

1962年,肯尼迪在休斯顿赖斯大学以阿波罗为主题做了演讲:

N-1火箭构型

笔者感兴趣的一个资料是,在SS-8导弹——世界上最后一款液氧煤油洲际导弹——研制过程中,科罗廖夫引入了库茨涅佐夫。不知道是库兹涅佐夫的天才感染了格鲁什科,还是让他感受到了巨大的压力。格鲁什科又回到了液氧煤油推进剂,一如他当年与科罗廖夫在R-7上的合作,他设计了RD-111发动机。

NASA的德赖登副局长解释他们的一个希望是类似曼哈顿工程的一鸣惊人的计划,但这将耗资400亿美元,得胜的概率不超过50%。肯尼迪说:经费瞧我的。

美国的目标就是一个——登月,苏联却分成了两个任务目标,分别给了两个不同的设计局,这是一种政治上的妥协,要造出两种不同的硬件,如果苏联的资源比美国丰富得多,还说得过去,然而情况却恰恰相反

科罗廖夫为了让他的N-1火箭飞起来,总是在跟时间打仗,争取政府部门财政支持。科罗廖夫设想,如果他有幸成功地发射一枚N-1火箭,就可以从他的政治领导人那里得到所需的资源,让计划结出果子来。但没有首飞成功就没有钱,没有钱就难有首飞成功,这也许就是科罗廖夫的宿命,N-1就是他生命中最大的一场豪赌。遗憾的是,1966年1月科罗廖夫死于手术台,上帝提前清场了。

N-1火箭在任何时候,都需要宣称它的军事用途,如科罗廖夫包装了17枚百万吨级核弹头攻击美国本土,以及发射作战空间站等用途。1962年9月24日,苏共中央和部长会议批准了N-1火箭和GR-1(全球导弹)研制,但由于经费、NK-9发动机进度等,也许还包括R-7导弹以来军方对液氧、煤油的无感,1964年科罗廖夫的GR-1方案被取消,代之以杨格尔的SS-9。GR-1项目的丢失使科罗廖夫丢失了为N-1火箭进行测试的平台(没有大项目就没有钱)。

那么登月选切洛梅的UR-700可好?常规推进剂,威力惊人,而且大家都说UR-700发动机数量少,且有高成功的UR-500(质子号)案例,成功可能性更高。但现实很骨感,UR-500(质子号)火箭成功率并不高。1961年10月苏联在新地岛投掷了5800万吨级的“大伊万”,也称沙皇炸弹后,为解决投掷问题,切洛梅和他的OKB-52设计局设计和制造了质子号。切洛梅不喜欢匆忙行事,对火箭的设计进行了严格的地面试验。这种努力得到了回报,首飞成功,第一轮4次发射成功3次,但它的发展道路并不是一帆风顺的,早期的辉煌未能保持,前29次发射中有14次失败,并损失了多颗月球和火星探测器。

毒发,90台主发动机,与之相比,N-1火箭真是小巫见大巫。也许,在这些总设计师的认知里,有多少菜吃多少饭才是第一性原理工程设计,永远没有理想的境地,永远都是在突破,永远都是在变不可能为可能。

因此,对于苏联来说,在人造卫星、加加林的突破固然很好,吹牛涨面子,但吹牛只有当时和事后的快感,没有生存的压力或理想信念的支持,很难为吹牛开展持久的提前布局。在上世纪60年代的苏联眼中,只有导弹,其它的都是可以商量的。国防部长安德烈.格列奇科(1967-1976任国防部长)甚至说:我不给你人,也不给你钱,我不想和政府一样助你们有钱花在无用处的风气,总之我反对登月计划。

图 科罗廖夫

栅格翼

苏联载人登月失败原因分析

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1958年7月29日,艾森豪威尔总统签署了《国家航空航天法案》,以法律的形式确定了太空研究的计划、方向和目标。10月1日,艾森豪威尔宣布成立"美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA,直接听命于总统,向总统汇报。在艾森豪威尔和第一任局长格伦楠的强力干预下,美国陆海空三军跟航天相关的单位,比如海军研究实验室、陆军弹道导弹局、空军火箭发动机研究所等机构的航天部门,均被划归美国宇航局,同时,格伦楠还拿到了喷气推进实验室的控制权,逐步构建了今日美国宇航局的雏形。

N-1四射四败后,米申受到了日甚一日的抨击。1974年5月,勃列日涅夫解除米申的总设计师职务,由格鲁什科接替。没过几天,格鲁什科终止了N-1计划。1976年3月,苏联最终取消N-1火箭计划,并命令销毁所有的N-1火箭硬件,幸存下来的物件有:NK-33(NK-15改进型)火箭发动机,被存放在位于古比雪夫的工厂库房内,后来漂洋过海并与阿塔瑞斯火箭有段姻缘;半个燃料贮箱,改成了列宁斯克市内一个公园的音乐台顶棚;一个贮箱成了废弃的水箱。

海平面推力/kN 33000 45400

苏联不具备这个能力,1962年古巴导弹危机以撤回中程导弹告终,战略轰炸机不给力,而且被认为无法透过美国的防空网。在此背景下,赫鲁晓夫下令所有的设计局都必须研究导弹,否则就要裁撤,最后大导弹主义主宰了苏联军工业的发展,这是造成各设计局之间的竞争,以及战略目标的极其不坚定的根本原因

做个设想,如果在登月计划开始之初,苏联这样一个善于集中力量办事情的国家,有效地整合两个设计局,通过共同目标化解私人恩怨和个人情绪,有无可能给苏联注入新的活力,给军事和政治带来新的信心?

关于N-1火箭的设计(尤其是一级30台发动机,全箭30+8+4+1+1=44台主发动机的配置),以及这四次失利过程(尤其是控制系统工作过程),目前互联网有大量资料,本文不再做特别详述的分析,而聚焦于失败原因分析。

关于N-1火箭的四次失败,请直接查看维基百科或百度百科,不再详述。

苏联载人登月失败原因分析

这些都对,但不是都说对历史要抱有一种温情与敬意,能不能换个视角来看待这个问题?笔者尝试着将自己代入当时的背景进行分析。

图 N1-L3登月系统全图,由N-1火箭和L3登月器组成

图 阿姆斯特朗在月球“静海”留下的第一个人类脚印

如果苏联人较小的财力能得到非常仔细的使用,那么较低的投资率也就不一定会成为一个压倒性的问题。在苏联空间计划早期,苏联通过对有限资源的精心配制,就可以取得举世瞩目的成就。但是,苏联从20世纪60年代初开始挥霍有限的资源。1964年的决议批准了不是一个而是两个探月项目,即N-1和切洛梅的UR-500K。实际上更糟糕的是,到了60年代中期,苏联不仅在运行两个探月项目,而且还有空间站、航天飞机和其它军用项目,同时开展的载人航天项目不少于7个。在不同的设计局研制这么多的项目,很少能达到规模经济的要求。在航天领域的精力分散和重复,使得苏联根本无力承担。

1966年1月13日,科罗廖夫住进了医院实施结肠瘤切除手术时,卫生部长鲍里斯.彼特罗夫斯基在手术过程中发现一个更大肿瘤,手术继续进行当中,突然动脉血管破裂导致大出血发生,科罗廖夫衰弱的心脏无法承受长时间手术,1月14日因抢救无效永远离开了他的岗位。1月16日,他被安葬在克里姆林宫墙下。人们不遗余力地赞扬他那钢铁般的意志、无穷无尽的精力、丰富的想象力和技术天赋。

动力冗余

发动机 1×J-2 4×NK-21

类比苏联,上世纪60年代,尤其是1966年,科罗廖夫病逝,能整合资源的人没了,赫鲁晓夫下台,好不容易形成的平衡关系被打破,各设计局又炒起了新一轮的冷饭。

工作时间/s 147 370

二战后,苏联拥有全世界最大的陆军、最多的坦克与最多的炮兵,但美国的一颗原子弹就逆转了这个局势。美国可以从西欧部署中程弹道导弹轰炸苏联,还可以用B-29、B-36,以及后来的B-52从本土轰炸苏联。

最大直径/m 10 17

可惜没有假设,历史无言,这场登月竞赛,很有可能是20世纪历史的关键转折点。

历史某些时候总是有些巧合,正如《大秦帝国》尾记中作者所描述,秦国从秦孝公起,巧遇六代明君,不懈努力才统一中国。而之后,如果秦始皇不死在沙丘,或者李斯不变节,或者王贲不死,秦国或许将是另一个景况了。也许这就是国运吧。

美国宇航局专注于发现

N-1火箭的创新点

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