[科普中国]-天顶号运载火箭

概述

天顶号运载火箭是前苏联解体前所发展的最先进的一种火箭，其主要生产设备位于乌克兰，俄罗斯只提供一些重要组件（如发动机）。因此在俄乌分家后，俄罗斯为了不在航天发射领域受制于人，已准备用新研制的安加拉号火箭来替代它。但在目前安加拉号尚未完成的情况下，俄罗斯为了发射某些载荷仍需与乌克兰合作生产天顶号（主要是两级型的天顶-2）。用于商业发射的天顶号（天顶-3SL）则由乌克兰、俄罗斯、挪威和美国波音公司共同投资组成的一个合资企业海上发射公司进行运作。1

由于安加拉号火箭研制进度的拖慢，天顶号曾被定为俄罗斯新一代载人飞船“快船号”的备选运载工具之一。1

研制过程天顶号火箭是苏联政府在1976年正式批准进行研制的，主要设计工作被分配给了位于乌克兰的南方设计局。南方设计局是苏联最主要的洲际导弹研制单位，曾在弹道导弹基础上开发过宇宙号运载火箭、旋风号运载火箭等多种运载火箭。天顶号是该设计局在苏联解体前完成的最后一种火箭，由R-36M洲际弹道导弹（北约代号SS-18“撒旦”）的设计者弗拉基米尔·乌特金任总设计师。1

天顶号的设计工作与苏联当时最具野心的航天计划——能源-暴风雪号航天飞机计划捆绑在一起。之所以出现这种情况，是因为苏联工程师打算直接用天顶号火箭的第一级作为能源号火箭的助推器，并为之配套发展一种大推力液体火箭发动机。由格鲁什科领导的设计团队研制了供能源号与天顶号使用的RD-170/RD-171型高压补燃液氧煤油发动机。能源号火箭的助推器使用RD-170，而天顶号火箭则使用RD-171；二者的区别在于，RD-170的推力矢量喷管只能沿一个方向轴摆动，RD-171的喷管则可以沿两个方向轴摆动。RD-170/RD-171大推力液体火箭发动机，其真空推力高达7903kN。由于威力强大，天顶号火箭的第一级只需安装一台发动机。1

整个天顶号工程的原本目的是要发展一个通用的，拥有小、中、大三种型号的火箭家族（类似俄罗斯现在的安加拉号计划）。按照南方设计局给出的资料，这三种型号的工程代号分别是11K55（小型），11K77（中型）和11K37（大型）。但实际上，最后只有中型型号（11K77）得到了发展，其它两种型号都被放弃了。11K77工程的结果就是天顶-2运载火箭。1

1985年投入使用的是“天顶号”的基本型，即“天顶号”2型，主要用来发射轨道高度在1500km以下的军用和民用卫星，经过改进的“联盟号”TM型载人飞船和“进步号”改进型货运飞船。2

天顶号火箭拥有许多优点。它使用无毒无污染的液氧/煤油推进剂组合，而其它一些苏联运载火箭（如质子号运载火箭）则使用有剧毒的肼类推进剂。天顶号的发射工序实现了完全无人化：火箭可以被机械装置自动吊装在发射台上并连上必须的地面控制管线，其后在发射准备、点火或因发射任务取消而须从发射台上撤下火箭时都不需要进行手动操作，从而大大减少了因发射事故导致人员伤亡的可能性。此外，天顶号的发射台不包含会在发射时被烧毁的设备，因此在一次发射完成5小时之后，就可以再次进行发射。1

在前苏联时代，天顶号火箭的部件是由位于俄罗斯和乌克兰的许多机构分别生产的，最后的总装则由位于第聂伯罗彼得罗夫斯克（在乌克兰）的南方机器制造厂完成。1

主要型号能源号助推器天顶号一子级被用作能源号运载火箭的液体燃料捆绑式助推器，四个天顶号一子级附加到能源号运载火箭上，为火箭起飞产生额外的推力。能源号在该计划放弃之前，依靠四个天顶号一子级助推成功发射过2次。2

天顶-2天顶-2火箭是天顶号系列运载火箭的第一种型号，为二级运载火箭，全长57m（大整流罩）或54.5m（小整流罩），最大直径3.9m，起飞质量459t，其中有效载荷质量为13.8t，起飞推力7257kN，推重比1.61。2

天顶-2火箭于1985年4月13日首次飞行，载有一个Tselina-2质量模拟器，测试飞行失败，之后再6月21日进行了第二次亚轨道试射后4，于1985年10月22日在拜科努尔航天发射场并搭载宇宙-1697（电子侦察卫星）第一次成功发射。2

天顶-3天顶3全长61.4m（长整流罩），直径3.9m，起飞质量466t（不含有效载荷）。它的第一级使用RD-172型发动机，基本结构与RD-171型发动机相同，通过将室压提高到25.9kPa使推力提高了5%。天顶-3的第二级与天顶-2火箭相同，第三级采用58M型可重复启动的单推力室发动机。这种发动机最初是科罗廖夫设计局为前苏联的N-1登月运载火箭研制的，登月计划失败后用于质子号运载火箭的第四级，即DM组级。它也用液氧/煤油作推进剂（推进剂共重约15.3t），真空推力为85kN，燃烧时间为600s左右（两次点火工作）。加上第三级后的天顶-3火箭可用于发射近地轨道、近地转移轨道及行星际轨道的有效载荷。前苏联曾为天顶-3专门设计了第三级，但后来放弃了该设计，改用质子号的DM组级。4

天顶号其他型号在整个苏联时期，只生产过两级型的天顶-2，从哈萨克斯坦的拜科努尔发射场发射（原本计划在普列谢茨克发射场修建的一套发射设施因苏联解体而未能完工，现已被改造为安加拉号火箭的发射台）。20世纪末，为了竞争国际商业发射服务市场，乌克兰与俄罗斯共同开发了三级型的天顶-3SL（三级型天顶号的设计方案则是在苏联时代就有了），由乌、俄、美、挪共同控股的海射公司运作。天顶-3SL使用位于太平洋赤道区域的奥德赛发射平台。最近为了适应商业市场的需要，海射公司又推出了可以在陆地上发射的天顶-3SL改型，称为天顶-3SLB。2007年，乌克兰与俄罗斯又推出了天顶-2的改进型天顶-M。还有一种两级型天顶号代号为“天顶-2SLB”。1

2014 年 5 月 26 日，海射天顶号-3SL运载火箭成功将一颗质量约6t的欧洲通信卫星送入地球同步转移轨道（GTO），此次成功发射标志着该火箭自2013年2月发射失败以来重返商业发射市场。该火箭原定 4 月 15 日发射，后因一、二子级级间桁架机械故障而推迟到5月26日。海射天顶号-3SL是在天顶-2火箭的基础上发展而来的三级液体火箭，箭长59.6m，最大直径3.9m，一子级采用1台RD-171发动机，二子级采用RD-120发动机，三子级采用1台11D58M 发动机，GTO运载能力达到 6.16 t。该火箭从 1999 年首次发射至今，共进行了36次海上发射，失败 4 次，成功率为89%。5