弗雷盖特：忙碌的“伏尔加船工”

文/松堂

“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，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。

▲ 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

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63～85千克肼，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：①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；②智能，通过自己的AI算法处置各种紧急情况；③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；④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；⑤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；⑥使用寿命长达2天；⑦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。

▲ 俄罗斯技师正在加工弗雷盖特的球罐

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。

▲ 弗雷盖特SB上面级

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SBB上面级的附加燃料罐

▲ 弗雷盖特 MT上面级发射火星探测器，可惜任务失败

▲ 微风上面级

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。