俄罗斯安加拉-A5火箭上面级研制纵观

杨青格 吴小宁 林倩

（1 北京航天动力研究所，2 北京航天长征科技信息研究所，3 中国长城工业总公司）

1 引言

安加拉-A5是俄罗斯“安加拉”系列中的重型运载火箭，俄罗斯自主研制的第一款重型运载火箭，由赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心负责，主要供应给俄罗斯国防部。与质子号不同，它使用环保推进剂，将大幅度减少发射带来的环境破坏。能源火箭航天公司计划使用安加拉-A5火箭发射俄联邦新一代载人飞船。

上面级是多级火箭一子级以上部分，常为二子级或三子级，可多次起动，满足不同的发射任务，将载荷送入既定轨道。可以说，火箭的运载能力在很大程度上取决于上面级。安加拉-A5火箭计划使用3种上面级，至今共发射3次：前两次均采用上面级微风-M（Briz-M），第三次采用上面级“珀尔修斯”。按照计划，还有一种在研上面级KVDK。前两款上面级主发动机均使用液氧煤油发动机，第三款上面级则将使用氢氧发动机。

2 上面级微风―M

“微风”系列上面级共两款：即微风-M和微风-KM。2000年两者均已成功完成首飞：微风-M用于质子-M（Proton-M）火箭；微风-KM用于隆海号火箭。这两款上面级最大的差异为微风-M配备额外的推进剂贮箱，给运载器提供了更大的特征速度（Delta-V）余量，提高了有效载荷。该上面级以非常密集的布局为特色。

微风―M结构图

上面级微风-M的发动机位于贮箱内，此外，贮箱内还包含增压氦气罐。燃料和氧化剂使用共底贮箱，贮箱具备承重能力，无需支架。其可抛贮箱实际上相当于半个子级，抛掉空贮箱后可以提高加速度。

虽然密集的结构布局能够缩小发动机尺寸，减轻重量，但也存在一些缺点，比如：发动机特别靠近贮箱和管路，运行时不利于散热。其中，过高的推进剂温度（规格范围内1～2℃）和发动机运行时过高的热强度（也在规格范围内）均会导致氧化剂沸腾，从而破坏涡轮泵液体氧化剂冷却，发动机故障。

“微风”上面级的推进系统均由3种发动机组成：1个主发动机(14D30)、4个备用发动机（用于在启动发动机前将推进剂沉积贮箱底部）和12个姿态控制发动机。

尽管为开路结构，主发动机也拥有较高的性能，燃烧室气压1.01×10Pa，单位比冲328.6s，最多可起动8次，运行时间不少于1天。

2014年，农村水电工作的总体思路是：在水利部党组的坚强领导下，锐意进取，扎实工作，全面贯彻落实党的十八大和十八届三中全会精神，按照深化水利改革的总体部署，结合农村水电实际，进一步解放思想，努力破除影响农村水电发展的体制机制障碍，切实转变和正确履行政府职能，发挥市场在资源配置中的决定性作用，全面激发农村水电发展活力，为农村经济社会发展服务，努力实现农村水电改革新跨越。

“微风”上面级湿质量为22.5t，有效载荷为6t。与三子级分离后总质量低于26t。其推重比约为0.76。这是“微风”的一个小缺点。“微风”和三子级分离后处于开放轨道，需要额外发射的冲量，而发动机推力过小造成重力损失约1%～2%。因此长时间的运行对可靠性提出了更高的要求。此外，主发动机需保证运行时间长达3200s（近1h）。

安加拉-A5.1及上面级微风-M于莫斯科时间2014年12月23日由普列谢茨克发射场顺利发射。运载火箭质量约为768t，有效载荷质量为2.04t。上面级微风-M经过多次轨道修正后，将有效载荷发射到地球静止轨道（高3.58×10km）。有效载荷与上面级未分离，同滞留于既定轨道。

3 上面级“珀尔修斯”

“珀尔修斯”是一款新型俄罗斯上面级模块，计划用于“安加拉”系列运载火箭。它基于能源号火箭的现有结构进行改良，是古老的上面级模块D系列的一部分。

上面级“珀尔修斯”结构图

上面级微风―M部分技术参数

上面级“珀尔修斯”部分技术参数

从设计的角度来看，“珀尔修斯”是对上面级11C861-03或ДМ-03的深度现代化改造。“珀尔修斯”的第一个版本是由能源火箭航天公司按照俄罗斯航天国家集团的命令在Двина-ДМ项目内进行开发。该款上面级首先计划用于质子-M火箭，然后再用于安加拉-A5火箭。后来对14C48项目计划进行了调整，决定放弃质子-M火箭的兼容性。现在安加拉-A5火箭被认为是14C48上面级的主要载体。

2017-2018年，第一款“珀尔修斯”上面级开始设计并生产。克拉斯诺亚尔斯克机械厂、沃罗涅日机械厂等多家企业均参与其中。2018年12月，克拉斯诺亚尔斯克机械厂完成部件及系统组装后，将发动机样机移交能源火箭航天公司。

上面级14C49“珀尔修斯”结构图

2019-2020年，新型上面级“珀尔修斯”顺利完成地面测试，准备用于安加拉-A5火箭的发射任务。

目前，基于上面级14C48正在研发14C49，计划配备不同的推进系统和仪器，保留“珀尔修斯”的技术特性。

上面级14C49部分技术参数

在设计方面，上面级“珀尔修斯”安装了推进剂贮箱、控制系统，以及用于固定有效载荷和上面级的装置。其主发动机为液氧煤油发动机11D58M，真空推力将达到8500kg，总运行时间为1200s，可起动7次，发动机推进剂贮箱进行了扩容。干重为3240kg，可携带近19t的推进剂，远远重于前身上面级模块D。据悉，“珀尔修斯”可与最新型运载火箭兼容，并且以高精度和高能效移除负载，可将航天器从参考轨道转移到目标近地球轨道或离地轨道。

然而,在2021年的发射中，“珀尔修斯”发生了一些意外。其发动机只起动1次，仅将有效载荷发射到176km×200km的轨道上，无法继续三脉冲方案。如果不采取任何行动，上面级将在几周内脱轨。幸运的是，设备故障并没有给航天器带来巨大损失。

目前“珀尔修斯”项目涉及在普列谢茨克航天发射场为安加拉-A5创建一个上面级综合体。根据俄罗斯2016-2025年的联邦太空计划，东方航天发射场将建造一个类似的综合设施，名为“猎户座”。克拉斯诺亚尔斯克机械厂负责建造上面级14C48用于静态测试的上面级氧箱架构，以及用于振动强度测试的基本模块和2个飞行器。计划于2022年进行上面级“珀尔修斯”第二次发射，用于搭载卫星有效载荷。

4 上面级KVDK

上面级KVDK由赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心负责研制，计划于2024年发射，用以提高安加拉-A5火箭的运载能力，将单个或成组航天器发射到高能轨道。在结构上，KVDK包括一个配套的液氢贮箱、一个悬浮的液氧贮箱、一个等格隔板和碳纤维强化塑料制成的仪表舱。它是通过下垫片直接安装在运载火箭上。贮箱表层覆有“伊索纶”玻璃纤维泡沫和多层屏幕真空绝缘材料，以此保障在太空条件下进行长期飞行（长达9h），主发动机多次起动（5次）。基于上面级KVDK将开发集设计、推进系统和机载设备高度统一的低温上面级和轨道拖船系统。不仅可以降低技术风险、时间和成本，还可以长期保持运载火箭的高能效率。

安加拉―A5上面级KVDK的基本参数

发动机RD0146D1推力为9吨级，是化学自动化设计局研发的RD0146系列发动机之一。这是俄罗斯第一台无气体发生器的液体火箭发动机，也是世界上第一台根据独立双轴方案（向涡轮连续供气）制造的液体火箭发动机。该设计证明了具有最佳机组特性的供应系统效率。

2021年12月29日,沃罗涅日火箭发动机制造中心（隶属于格鲁什科动力机械制造生产联合公司）的氢氧发动机RD0146D1试车成功。测试过程为在额定工况下起动发动机，并根据指定测试程序关机。该款氢氧发动机计划用于安加拉-A5火箭上面级KVDK。与之前用于火箭安加拉-A5上面级所研制和测试氢氧发动机相比，新款发动机将推力提高了20%。本次试车成功证明了现阶段制定的所有设计和技术解决方案具有可靠性。

发动机RD0146基本参数

可以说RD0146是上面级KVDK动力系统的重要基础，它配备独立的氢泵和氧泵，可以多次点火。为了让氢泵转速达到120000千转/min第一次给发动机配备高速轴承，以保证在液氢条件下的工作性能。化学自动化设计局拥有全套的液体火箭发动机设计流程，并且进行了多种试验，保留了全部数据和文件。基于RD0146可以改装成新的发动机（RD0146D），成本低，其中包括改装成甲烷发动机。

目前，化学自动化设计局正在对RD0146进行供氧系统测试，制氢建设也即将完工。研制过程中的一个重点难题为需要10个发动机样机分别进行测试。为解决上述问题，他们主张在元件自主测试期间，对发动机元件性能进行额外检查。

同期，赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心也设计了一款10.5吨级的氢氧发动机RD0148，计划用于上面级及有效载荷。该款发动机的设计方案为燃气发生器结构，带有经典的补燃闭合环路。其电路结构设计沿用RD0146的方案。

5 结束语

俄罗斯航天国家集团在氢氧发动机的研制道路上一直砥砺前行，以化学自动化设计局为代表，出品了系列高可靠性发动机，如：RD56，RD57，RD0120及RD0146等。

安加拉-A5火箭作为俄罗斯新一代重要火箭型号，对航天领域和国防领域来说意义重大。其上面级及主发动机技术也给世界航天事业的发展带来巨大的推动作用。尤其是氢氧上面级技术对我国很有借鉴价值。

安加拉-A5火箭3种上面级主发动机均使用低温推进剂液氧煤油和氢氧，这体现着未来上面级技术发展的一个重要趋势：即低温推进剂的使用及延展。

新型上面级KVDK虽是在研阶段，但足见俄方对其重视程度，以及对氢氧推进系统的研发力度。我们相信，在今后的载人探月、探火任务中氢氧上面级KVDK将给人类历史留下浓墨重彩的一笔。