俄罗斯联盟－2.1v/“伏尔加”小型运载火箭成功首飞

张绿云 黄长梅 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

2013年12月28日，俄罗斯首枚联盟－2.1v/“伏尔加”上面级新型运载火箭搭载质量为53kg的俄罗斯“鹤”（Aist）微卫星从普列谢茨克航天发射场升空，卫星进入高度581km/559km、倾角4.9°的预定轨道。

1 火箭研制背景及过程

目前，俄罗斯“宇宙”和“旋风”小型运载火箭均已退役，“隆声”小型火箭需进行进一步改进，而轻型“安加拉”运载火箭仍处于研制过程中。随着全球小型卫星发射需求的增加，俄罗斯对小型运载火箭的发射需求进一步增加。2007年，俄罗斯进步国家火箭航天科研生产中心提出了联盟－2.1v小型运载火箭方案，项目总投资共计25亿卢布（约合763万美元），其中10亿卢布（约合305万美元）由进步国家火箭航天科研生产中心负责，其余15亿卢布（约合458万美元）由军事预算提供。该火箭采用的全新“伏尔加”上面级的研制全部由进步国家火箭航天科研生产中心提供资金支撑。

联盟－2.1v火箭从项目立项至火箭成功首飞历经了5.5年的时间。

联盟－2.1v火箭的研制过程

2 火箭结构

概述

俄罗斯于20世纪50年代开始在R－7洲际弹道导弹的基础上研制“联盟”系列运载火箭，截止到目前共完成了1800多次发射任务。该系列运载火箭经历了多次改进，目前仍有多个“联盟”火箭型号提供发射服务。联盟－U火箭主要用于执行“进步”系列货运飞船的发射任务，同时兼顾军用卫星的发射。联盟－FG火箭用于执行载人飞船的发射任务。联盟－2火箭既可用于载人飞船的发射，也可用于军事和商业卫星的发射，首个型号为联盟－2.1a火箭，二子级采用标准的RD－0110发动机。第二个型号为联盟－2.1b型火箭，二子级采用性能更强大的RD－0124发动机。联盟－2火箭将在未来几年内取代联盟－U火箭，而联盟－FG火箭将继续服役至2020年左右。

联盟－2.1v火箭的总体结构

联盟－2.1v火箭为两级小型运载火箭，由俄罗斯进步国家火箭航天科研生产中心研制，在联盟－2.1b的基础上去掉4个捆绑助推器，更换了一子级的推进系统（采用1台NK－33A发动机和1台4室RD－0110R游动发动机，取代联盟－2.1b火箭的RD－118发动机），并对一子级做了相应的结构上的改进。其二子级沿用联盟－2.1b火箭的二子级，采用数字控制系统，增强火箭的灵活性。此外，该火箭还可加装具备多次启动能力的“伏尔加”上面级，增加任务适应性。

联盟－2.1v火箭可从普列谢茨克、拜科努尔和未来的东方港航天发射场执行发射任务。在本次任务中，联盟－2.1v火箭利用普列谢茨克航天发射场的联盟－2.1b火箭的地面发射设施和硬件设施，并在火箭一子级中段和尾段分别安装4个支撑结构，实现了火箭与发射台支架的连接。

联盟－2.1v火箭全长44m，最大直径2.95m，起飞质量157～160t，整流罩直径3m。

联盟－2.1v火箭地面发射设施的改进

一子级

联盟－2.1v火箭一子级长27.8m，最大直径2.95m，由1台NK－33A液氧/煤油主发动机提供动力。推进剂贮箱为圆柱形结构，采用分体贮箱。氧化剂箱在上，燃料箱在下，由不同厚度的铝合金壳段焊接而成。燃料箱同样采用铝合金材料，由前底、后底和筒段组成。与其他“联盟”系列火箭采用氮气增压不同，联盟－2.1v火箭采用氦气增压方式。

联盟－2.1v火箭一子级外形结构

联盟－2.1v火箭的性能参数

NK－33A是NK－33发动机的改进型，但改进不多。NK－33发动机是20世纪60年代末70年代初由苏联库兹涅佐夫设计局为N－1登月火箭设计的液氧/煤油发动机，N－1载人登月计划失败后，该型发动机一直处于停产状态。目前，该发动机具备一定的库存量，因其较高的性能等技术优势，联盟－2.1v火箭将其作为一子级的主发动机。NK－33发动机为可再生冷却、分级燃烧循环发动机。该发动机长3.71m，直径1.45m，最大海平面推力为1630kN，比冲297s。该发动机能提供额定推力的56%～108%的节流能力，而其飞行过程中最大推力设置通常为105%。在发动机热试车过程中，NK－33发动机成功实现了额定推力的135%。NK－33A发动机封闭于尾舱中，通过纵梁和结构环与RD－0110R游动发动机连接。

RD－0110R游动发动机由俄罗斯化工自动化设计局研制，是在RD－0110发动机的基础上改进而来，用于一子级的姿态控制。该发动机利用开式循环方式，设计了4个燃烧室，共用氧化剂涡轮泵与燃料涡轮泵。采用液压推力矢量控制系统控制4个喷管摆动，实现一子级飞行段的三轴控制。配备1个热交换器，用于加热氦气，给贮箱增压。RD－0110R游动发动机质量870kg，真空推力为279.3kN。

联盟－2.1v火箭的前几次飞行将采用NK－33A发动机，在NK－33A发动机库存量用完且其重启生产计划失败后，其一子级主发动机将采用RD－193发动机。RD－193是在RD－191发动机（用于“安加拉”运载火箭）的基础上改进而来的，为闭环单室发动机，长3.02m，直径2.1m，真空推力为2085kN。

联盟－2.1v火箭二子级结构

联盟－2.1v火箭一子级与二子级采用热分离方式，在一子级关机2s后，二子级发动机点火，同时，启动分离系统，实现两级物理分离。

二子级

联盟－2.1v火箭二子级沿用联盟－2.1b火箭的二子级，长6.74m，直径2.66m，由1台4室RD－0124分级燃烧液氧/煤油发动机提供动力，真空推力达到294.3kN。贮箱采用分体结构，燃料箱在上，氧化剂箱在下。控制系统采用数字机载计算机，通过三轴惯性测量装置提供制导。控制装置安装于2个推进剂贮箱之间的仪器舱内，为火箭飞行阶段提供火箭控制、遥测和导航，并自动传输所有火箭指令。

“伏尔加”上面级

为了提升联盟－2.1v火箭运载能力和入轨精度，进步国家火箭航天科研生产中心研制了一个全新的“伏尔加”上面级。它采用“伊卡尔”上面级的成熟组件，研制价格只是“弗雷盖特”上面级的1/4。

“伏尔加”上面级长1.03m，直径3.1m，采用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，推进剂质量为0.3～0.9t，可依据任务需求调整。其主发动机真空推力2.94kN，真空比冲307s，燃烧时间900s。火箭控制通过由一些推力器组成的姿态控制系统实现。“伏尔加”上面级采用惯性测量装置进行导航，并在执行长时间复杂的上升任务中使用星敏感器。“伏尔加”上面级还具备获取“全球导航卫星通信”（GLONASS）导航信号以实现火箭控制的能力。

“伏尔加”上面级具备多次重启能力，可通过机载电池在轨运行24h，但一般的任务都不超过2h。除了联盟－2.1v火箭，该上面级还可用于联盟－2.1a运载火箭。

“伏尔加”上面级结构

“联盟”系列运载火箭的未来发展

3 未来发展

俄罗斯能源火箭航天公司曾提出包括联盟－2.3和3火箭在内的多种研制方案，但都处于设计阶段。

联盟－2.3是向联盟－3过渡的一个火箭型号，其一子级采用1台NK－33A液氧/煤油发动机，并捆绑4个助推器（RD－0155液氧/煤油发动机）；其二子级为液氧/煤油发动机。联盟－3将沿用联盟－2.3火箭的基本结构，其一子级采用1台NK－33A液氧/煤油发动机，捆绑助推器将使用4台RD－120液氧/煤油发动机，其二子级将使用4台RD－0146E液氧/液氢发动机。

此次联盟－2.1v/“伏尔加”上面级火箭成功首飞，标志着NK－33A发动机在N－1火箭登月任务失败后首次在俄罗斯火箭上成功应用，其基本结构也将用于未来联盟－2.3火箭。据俄罗斯进步国家火箭航天科研生产中心称，在联盟－2.1v火箭的基本构型上捆绑“联盟”火箭标准型助推器，可将火箭运载能力从3t提高至10t，其他的联盟－2.1v火箭改进型可将运载能力提高至16～17t。该火箭的成功为俄罗斯进步国家火箭航天科研生产中心研制性能更强大的联盟－2.3和3运载火箭奠定了坚实的基础。

4 小结

纵观全球卫星发射市场，近10余年来，全球共成功发射卫星1206颗，1000kg以下卫星497颗，占发射总数的41.21%。另据《2013年商业航天运输预测》报告，2013－2014年，全球非静止轨道（NGSO）商业卫星的发射需求为106颗，质量在1200kg以下的小卫星为91颗，占总需求的86%。数据表明，小卫星已成为航天活动的主要领域，未来小卫星的发射需求将进一步增加。目前，俄罗斯“宇宙”、“旋风”小型运载火箭已退役，“隆声”火箭需进一步改进，而“安加拉”小型运载火箭的投入使用仍需要时间。俄罗斯联盟－2.1v小型运载火箭成功首飞，将为俄罗斯小型卫星的发射需求提供保障，同时增强商业市场竞争力。

在产品研发方面，联盟－2.1v火箭采用了大量成熟技术，其一子级采用的NK－33A主发动机为苏联N－1火箭的NK－33发动机的改进型，RD－0110R游动发动机为RD－0110发动机的改进型；其二子级沿用联盟－2.1b火箭的二子级；“伏尔加”上面级采用了“伊卡尔”上面级的成熟组件。联盟－2.1v火箭沿用联盟－2.1b火箭的地面发射设施，并进行相应的改进。在降低火箭研制成本和发射成本的同时确保了火箭的可靠性。