35-39 弗雷盖特：忙碌的“伏尔加船工”_松堂.pdf

文/松堂弗雷盖特：忙碌的“伏尔加船工”入不同的轨道，是世界上最可靠的上面级之一。不但如此，它还是世界上唯一能够在一次发射中将有效载荷送入 3 个或更多不同轨道的上面级。拉沃契金设计局表示，弗雷盖特是当今最优秀的上面级，它继承了前苏联硬件的许多组件，降低了开发成本，提高了系统的整体可靠性。也就是波罗的海舰队，第一艘军舰就是护卫舰。所以，俄罗斯人对这个名词的感情是很深的。弗雷盖特首次发射在 2000 年 2月。和阿金纳一样，它也采用偏二甲肼和硝酸作为推进剂。弗雷盖特的成功率为 97.8%（93 次发射中有 2 次失败），成功地将 300 多个有效载荷送“弗雷盖特”是由俄罗斯拉沃契金设计局在 20 世纪 90 年代开发的一种上面级，可以适配联盟和天顶运载火箭，也可以在中型和重型运载火箭之间通用。俄语里这个词的意思是海军的护卫舰。这是一种轻快灵活的军舰，负责为主力舰提供掩护。沙俄的缔造者彼得大帝建立的第一支海军，SPACE EXPLORATION 2023.03|35 形形色色上面级专题弗雷盖特的特点弗雷盖特的奇特构造，起源于 20世纪 60 年代开发的苏联月球探测器。它看上去就像是 6 个球体拼在一起，用管道和线路连接起来，形成一个扁平的结构。其中 4 个装推进剂，另外两个装控制设备。在储罐之间有一组8 个支柱提供结构强度，并且充当有效载荷和火箭之间的适配器。它同样采用偏二甲肼和硝酸推进剂，燃料罐直径 375 毫米、容量 23 升。两个控制设备球体中，一个装不需要加压的电子设备，可以在真空中工作；另一个是加压的，并且提供温度控制，里面装有飞行控制计算机。主发动机放置在球体之间，采用单台 S5.92 发动机。它能够多次点火，推力可调，采用涡轮泵和气体发生器循环运行。弗雷盖特的扁平外形可以尽量降低质量和惯性。因此，它的主发动机可以不考虑摆动功能。弗雷盖特还有自己的姿态控制系统，拥有独立的推进剂储罐，能携带 6385 千克肼，小型发动机推力为 5 千克，比冲为 225 秒。弗雷盖特有自己的制导、导航、姿态控制、跟踪和遥测系统，可以三轴稳定，也可以自旋稳定。弗雷盖特可以用来把卫星送入地球轨道，也可以把探测器送往星际转移轨道，在发射金星快车和火星快车时，就是弗雷盖特送探测器最后一程。目前，弗雷盖特基本上与联盟火箭形成了固定搭配。按照拉沃契金设计局的说法，弗雷盖特具备这样几个特色：自主式，在没有任何地面协助的情况下自行完成整个有效载荷入轨过程；智能，通过自己的 AI 算法处置各种紧急情况；精确，基于格洛纳斯和 GPS导航设备，可以几乎绝对精确抵达目标轨道；多次点火能力，发动机可重复点火，从而确保最佳入轨精度，或把多个有效载荷送入不同轨道；适应性，燃料罐在安装到发射场之前就已经装载完毕，可以兼容几乎任何类型的运载火箭；使用寿命长达 2天；能够从 4 个航天港发射，拜科努尔、东方发射场、普列谢茨克和圭亚那空间中心。俄罗斯航天工作人员正在装配弗雷盖特上面级 弗雷盖特上面级的发动机 俄罗斯技师正在加工弗雷盖特的球罐 弗雷盖特上面级有两个球体用来容纳电子设备36|2023.03 SPACE EXPLORATION形形色色上面级专题可靠的上面级到 2022 年底，弗雷盖特共计发射 113 次，失败 3 次，是一种非常可靠的运载工具。2014 年 8 月 22 日，弗雷盖特 MT在运送两枚伽利略导航卫星时，进入了错误轨道。联盟火箭从库鲁起飞升空过程中一切顺利，但是当弗雷盖特 MT 二次点火后，人们发现卫星处于错误的轨道。2014 年 10 月 7 日，阿里安公司的调查委员会宣布了最终结论。故障发生在弗雷盖特飞行期间，时刻大约是发射后约 35 分钟，原因是弗雷盖特主发动机推力方向误差。主发动机本身没有问题，但在前一个飞行阶段，两个姿态控制推力器的无水肼管道发生冻结，导致推进剂供应中断。2017 年 7 月，弗雷盖特在发射72 颗小卫星时，未能将其中 9 颗送入预定轨道，属于部分失败。2017 年 11 月，弗雷盖特在发射流星 MS-1 气象卫星和 18 个立方体卫星时失败，因为计算机程序错误，导致姿态错误，主发动机点火的推力矢量指向了错误方向，所有卫星和上面级本身进入大气层烧毁。除此之外，弗雷盖特还发生过几次异常，但没有影响任务成功。2012年，弗雷盖特在发射 COROT 科学卫星期间，一个阀门发生泄漏，未能向推进剂罐提供所需的压力。但幸运的是，主发动机的推进剂供应还是够用的。2007 年 5 月 30 日，在发射全球星卫星期间，弗雷盖特上也发生了类似的问题。后来的调查得出结论，阀门的特殊设计及其隔膜的柔性损失可能是罪魁祸首。改进型弗雷盖特 SB 于 2011 年 1 月 20日首次发射，将 Elektro-L 气象卫星送入地球同步轨道。弗雷盖特在设计之初，就考虑作为俄罗斯/乌克兰主力运载火箭的固定搭配。比如作为联盟 2 火箭的第四级，将有效载荷从低“停泊”轨道送入各种高轨道，或将行星探测器送入深空。或者取消联盟火箭原本的第三级，用弗雷盖特取而代之。在这种配置下，火箭可以将货物发射到中低轨 弗雷盖特上面级发射伽利略导航卫星 弗雷盖特 SB 上面级SPACE EXPLORATION 2023.03|37 形形色色上面级专题道，以及太阳同步轨道。拉沃契金设计局还考虑过，用弗雷盖特作为天顶火箭的第三级，或质子 M 火箭的第五级。在与质子 M 火箭组合时，将采用双上面级的配置，也就是把弗雷盖特安装在原本 Block D 上面级的顶上。这种组合可以把3500 千克的有效载荷送入地球静止轨道，否则只能运送 2600 千克。弗雷盖特 SB 型用来适配天顶 2SB 运载火箭，该版本是弗雷盖特 M 的一个变体，在原本 6 个储罐的下方，增加了一个环形燃料罐，称为 SBB，可提高有效载荷能力。环形 SBB 重 360 千克，可以携带最多 3050 千克推进剂。这样形成的弗雷盖特 SB 总干重为 1410 千克，最大推进剂运载能力为 10150 千克。弗雷盖特有一种独特改型弗雷盖特 MT，是为火星任务开发的。它增加了一个可抛式外罐，并且在推进剂罐上方增加了球形插件。根据非官方消息来源，推进剂箱的携带能力将从 5350 千克增加到 6640 千克。这个版本的改型专门用于库鲁中心与联盟ST火箭搭配飞行。2018 年 5 月 29 日，在 NTS 科学技术委员会的一次扩大会议上，副总设计师谢尔盖伊辛介绍了弗雷盖特 SBU，它在原本的 4 个燃料罐上方，各增加了 2 个长球形的储罐。弗雷盖特 MT 上面级发射火星探测器，可惜任务失败萤火 1 号火星轨道器福波斯着陆器主推进系统环形燃料罐 弗雷盖特 SBB 上面级的附加燃料罐着陆舱返回推进器巡舱级桁架萤火 1 号火星轨道器主推进系统环形燃料罐38|2023.03 SPACE EXPLORATION形形色色上面级专题微风上面级 俄罗斯目前有两种火箭上面级在使用。除弗雷盖特外，微风系列上面级虽然飞行频率不高，算不上俄罗斯真正的主力上面级，但也值得说一说。微风上面级是一种比较大型的上面级。它是由赫鲁尼切夫国家研究与生产航天中心制造的，不但用于质子 M 火箭，也用于新一代火箭安加拉 A5。这种上面级的来历很有意思。它最早其实是一种反卫星武器，是苏联在上世纪 80 年代研制的，用来发射它们的是当时已经落伍的 UR-100NU 液体燃料洲际导弹。冷战结束后，微风不用去太空里打打杀杀了，于是被开发成一种卫星上面级。微风 K 在 1990 年至 1994 年3 次发射成功。1995 年，为了承揽铱星发射任务，开发了更大的微风 KM。这种上面级的发射质量达到 6.77 吨，从普列谢茨克发射，可将 1.95 吨有效载荷送入 200 千米高、倾角 63 度的圆轨道，在轨飞行 7 小时。微风 KM于 2000 年 5 月 16 日首次发射。后续研制的微风 M 专门用于发射大型卫星，把它们送入不同的轨道高度。微风 M 是在微风 KM 基础上研制而成的，在外围增加了一组可抛式附加环形储罐，里面装的也是偏二甲肼和硝酸。微风 M 装有一台摆动式主发动机 14D30，可以重复点火 8 次，实现精确入轨。微 风 M 和 质 子 的 组 合，可 以把 4385 千克重的卫星送入远地点35786 千米、近地点 7030 千米、倾角17.3的目标轨道，也可以把 5645 千克载荷送入标准的地球同步转移轨道。KVTK 上面级俄罗斯目前正在开发的 KVTK 上面级，将用在新一代的安加拉 A5 运载火箭上。KVTK 这个单词没有什么文化背景，意思就是氢氧重型舱。它的核心是 RD-0146D。KVTK 将是俄罗斯运载火箭第一次使用氢燃料上面级，可以重复点火5次，在轨寿命9小时。与现役的微风 M 上面级相比，KVTK的地球同步转移轨道载荷能力可以增加 20%50%。KVTK 其实早就开始研制了，但在 1987 年一度下马。1996 年，俄曾考虑为国际空间站建造一个由 KVTK衍生的俄罗斯推进舱，由航天飞机运送到国际空间站。2020年12月10日，KVTK 迎来新生，俄罗斯航天局与赫鲁尼切夫宇航集团签署了 206 亿俄罗斯卢布的合同，在 2025 年 12 月之前制造 KVTK 样机并飞行。但 2021 年 8月，赫鲁尼切夫宇航集团宣布，KVTK的首次飞行将于 2027 年进行。在 KVTK 基础上，赫鲁尼切夫宇航集团还打算研制较小的 KVSK 型，用在安加拉 A3 火箭上，可以携带10760 千克推进剂；较大的 KVSK-A7适配设想中的安加拉 A7 超重型火箭，可以携带 26500 千克推进剂。责任编辑：夏丹 微风上面级SPACE EXPLORATION 2023.03|39 形形色色上面级专题