[科普中國]-第聶伯號運載火箭

發(fā)展歷史

第聶伯號運載火箭，是俄羅斯與烏克蘭在R-36M洲際彈道導(dǎo)彈（北約代號SS-18“撒但”，START-1中稱為RS-20）基礎(chǔ)上改造而成的一種運載火箭。R-36M是蘇聯(lián)所研制的最大的重型陸基洲際導(dǎo)彈。按美蘇第一階段削減戰(zhàn)略武器條約（START-1），這種導(dǎo)彈應(yīng)被銷毀。俄羅斯與烏克蘭兩國政府決定開發(fā)這種導(dǎo)彈的商業(yè)價值，對將其改裝為商用運載火箭進行了專門研究，于是產(chǎn)生了第聶伯號火箭。

第聶伯號的發(fā)射服務(wù)提供商是ISCKosmotras公司，這是一家俄羅斯、烏克蘭和哈薩克斯坦的合資企業(yè)。市場開發(fā)交由美國企業(yè)ATK錫奧科爾公司進行。由于火箭的發(fā)射費用非常低廉（僅有800~1100萬美元），所以很有競爭力。第一次發(fā)射在1999年4月21日進行，將一顆名為UoSAT-12的小衛(wèi)星成功送入軌道。

2013年11月21日，俄羅斯用一枚“第聶伯”運載火箭順利發(fā)射了多顆衛(wèi)星。根據(jù)計劃，本次發(fā)射的一顆意大利衛(wèi)星在入軌一個月后，還將釋放出其攜帶的多顆子衛(wèi)星，使發(fā)射載荷總數(shù)達到32個，超過美國19日“一箭29星”的世界紀錄。

2014年6月“第聶伯”運載火箭將發(fā)射33顆衛(wèi)星包括俄羅斯、哈薩克斯坦、西班牙、沙特阿拉伯、日本、意大利、加拿大、美國、荷蘭以及阿根廷的衛(wèi)星。1

火箭前身要了解“第聶伯河”運載火箭，首先要介紹一下其前身 SS- 18戰(zhàn)略導(dǎo)彈。SS- 18戰(zhàn)略導(dǎo)彈是蘇聯(lián)第三代洲際彈道導(dǎo)彈，俄方代號為 P- 36,導(dǎo)彈編號為 PC- 20,北約稱其為“魔鬼”或“撒旦”。該導(dǎo)彈是在蘇聯(lián)第二代戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈 SS- 9的基礎(chǔ)上研制的，是當今世界上裝備的最大的洲際彈道導(dǎo)彈，使用二級液體可儲推進劑火箭發(fā)動機。

該導(dǎo)彈全長 36.5 m，彈體直徑 3 m，重量為210 t，采用地下井冷發(fā)射方式發(fā)射。該導(dǎo)彈有 5種型號，基本結(jié)構(gòu)大致相同，但在具體性能上卻有較大的差別，其最大的不同之處在于所攜帶的彈頭數(shù)量與質(zhì)量。Ⅰ型為單彈頭，1975年開始裝備部隊，射程為12 000 km，當量為 2 400萬噸，命中精度為430 m，投擲重量為 6 100 kg。Ⅱ型為分導(dǎo)式多彈頭，1976年開始裝備部隊，射程為11 000 km ,共攜帶 8個或 10個彈頭，每個彈頭當量為 55萬噸，命中精度達 420 m,投擲重量為 6 800 kg。Ⅲ 型為單彈頭導(dǎo)彈，1976年開始裝備部隊 , 射程為 16 000 km，彈頭當量為 2 000萬噸，命中精度達 350 m，投擲重量為 5 000 kg。Ⅳ型為分導(dǎo)式多彈導(dǎo)彈 ,射程為 11 000 km，共攜帶 10個彈頭，并有誘餌和其他突防裝置，每個彈頭的當量為50萬噸，命中精度達245 m，投擲重量為7300kg。V型為試驗型導(dǎo)彈，攜帶有 3個機動式子彈頭 ,但未裝備部隊。SS- 18是世界上核彈頭當量最大的洲際彈道導(dǎo)彈，突防能力強，曾是蘇聯(lián)戰(zhàn)略核力量的主力。該導(dǎo)彈的主要特點是采用冷發(fā)射方式 ,主發(fā)動機在導(dǎo)彈離開發(fā)射井之后才點火，因此，這種導(dǎo)彈發(fā)射井具有迅速再次裝填能力。同時，導(dǎo)彈都安放在發(fā)射井中的發(fā)射容器內(nèi)，這種容器可減少首次發(fā)射給發(fā)射架造成的破壞，從而也能夠給發(fā)射架再次裝彈。2

改裝初衷俄羅斯進入航天發(fā)射市場并不容易，因為遇到了一系列的困難，如國家缺乏投資航天規(guī)劃的巨額資金，或者與西方國家的利益發(fā)生沖突，這些國家不想看到一個新的巨大競爭對手的出現(xiàn)并超過自己。為了打進市場，俄在現(xiàn)有財政條件下，認為利用退役導(dǎo)彈并將其改進成運載火箭最為有利。這樣，只要投入極小的資金便可獲得更大的效益。

一方面 ,盡管俄羅斯的運載火箭與美國及歐洲的火箭在性能和級別上相近，但在只有部分發(fā)射訂貨的情況下，很難與其進行有效的競爭。而另一方面，現(xiàn)在各國都在積極發(fā)展信息與通信網(wǎng)絡(luò) ,也就需要向近地低軌道發(fā)射大量的通信衛(wèi)星?？梢哉f，衛(wèi)星發(fā)射市場前景極為廣闊。

俄羅斯、烏克蘭和美國的專家對發(fā)射市場進行調(diào)查后認為，最為適宜的火箭是用SS- 18改裝成的輕型運載火箭，它保證向軌道上發(fā)射大量的衛(wèi)星。根據(jù)第一階段戰(zhàn)略性進攻武器條約，308枚 SS- 18導(dǎo)彈中的1/2應(yīng)被縮減，而如果第二階段戰(zhàn)略性進攻武器條約被批準，那么到 2001年，所有的該型導(dǎo)彈都將被銷毀。為此，俄在下戈羅德
市的蘇羅瓦季霍村建立了銷毀 SS- 18的基地，但將此種復(fù)雜的導(dǎo)彈技術(shù)裝備只分解成金屬是極不合算的。因此，將其改裝并向低軌道發(fā)射衛(wèi)星是其最好的出路，同時，SS-18也是世界上戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能最為出色的導(dǎo)彈之一，這從其無數(shù)次成功發(fā)射便可證明。該火箭的原型SS-18導(dǎo)彈成功進行了157次發(fā)射，足以證明其高度的可靠性，其
最后一次發(fā)射是在 1998年 4月進行的。

重達 210 t的 SS- 18導(dǎo)彈具有較大的能量余度 , 可改裝成一次能發(fā)射4 t多重有效載荷的運載火箭。作為戰(zhàn)略導(dǎo)彈，它可全天候使用 , 并在晝夜任何時候發(fā)射。在發(fā)射井中，SS-18導(dǎo)彈可處于燃料填充的一級戰(zhàn)備狀態(tài)。將導(dǎo)彈改裝成運載火箭，比制造新型火箭花費較少，同時也可節(jié)省下銷毀這一導(dǎo)彈的費用，變廢為寶，一舉兩得。因此，相比來講 , 此種火箭發(fā)射的價格較低，這也是外國訂戶青睞俄羅斯火箭技術(shù)的原因之一。衛(wèi)星的發(fā)射可在拜科努爾的發(fā)射陣地上進行，即可根據(jù)需要進行單枚火箭的發(fā)射，也可進行多枚同時發(fā)射。2

型號第聶伯號火箭包含三種型號：第聶伯-1，第聶伯-M和第聶伯-3。其中只有第聶伯-3裝備了上面級。火箭都使用蘇聯(lián)洲際導(dǎo)彈常用的劇毒可貯存液體推進劑。

基本參數(shù)

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外型和質(zhì)量參數(shù)

第一級

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第二級

第三級

第四級

運載能力

綜合評價第聶伯號的發(fā)射均采取地下井冷發(fā)射方式，利用原有的導(dǎo)彈發(fā)射井，因此幾乎不受氣象條件的影響。由于第聶伯號運載火箭的發(fā)射費用非常低廉（僅有800~1100萬美元），所以很有競爭力。第聶伯運載火箭可將4500千克的有效負載送入近地軌道，或者將550千克的有效負載送入月球轉(zhuǎn)移軌道，而其搭載的航天器可將450千克的有效負載送入火星。1

發(fā)射失敗7月26日，宇宙運輸國際航天公司經(jīng)營的第聶伯1火箭在拜科驁爾發(fā)射場發(fā)射18顆小衛(wèi)星時失敗。弟聶伯1火箭由退役SS-18導(dǎo)彈改裝而成，該火箭從一個地下導(dǎo)彈發(fā)射井起飛后不久便出現(xiàn)了放障。火箭第一段起飛后86礎(chǔ)過早關(guān)機，據(jù)預(yù)定關(guān)機時聞還差約10秒。星箭墜毀在距發(fā)射臺約150千米處，但沒有人員傷亡的報道該火箭第一級采用的是一臺四室RD-264發(fā)動機，此次發(fā)射曾準備在6月份進行，但因火箭準備中發(fā)現(xiàn)問題而推遲，并換用了備份火箭。第聶伯1火箭此前進行的6次發(fā)射均取得成功，自1999年投入商業(yè)發(fā)射以來已淺功把23顆衛(wèi)星送人太空。3

8 月 9 日，俄羅斯航天局新聞秘書伊格爾·巴納林對媒體宣布，在“第聶伯”火箭墜毀地區(qū)，有 7%的居民健康狀況出現(xiàn)了輕度異常。7 月 26 日，攜帶 18 顆衛(wèi)星的俄羅斯“第聶伯”火箭因第一節(jié)發(fā)動機出現(xiàn)故障，升空 74 秒后
在距離哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場西南 150 公里處墜毀。由于升空時間很短，火箭墜地時有大量燃料外泄。由“白楊－20”洲際導(dǎo)彈改造而成的“第聶伯”火箭，燃料總量為 150 噸，且主要成分為劇毒的庚基物質(zhì)等。有關(guān)研究顯示， 1 升水中如含有 10 微克庚基就能致人死亡。俄羅斯科學(xué)家估計，火箭墜毀后泄出的燃料會超過 60 噸。因此，墜毀地區(qū)的生態(tài)安全與居民健康成為世界關(guān)注的焦點。

事發(fā)后，俄哈兩國迅速組成專家組，對附近地區(qū)生態(tài)安全及居民健康狀況展開了調(diào)查。 9 日，俄羅斯航天局新聞秘書伊格爾·巴納林宣布，俄羅斯與哈薩克族的聯(lián)合專家小組對墜毀地區(qū) 2000多名居民進行體檢后發(fā)現(xiàn)，其中 7%的人健康狀況出現(xiàn)輕度異常，具體表現(xiàn)為在膽紅素正常情況下轉(zhuǎn)氨酶指標高于正常值。巴納林強調(diào)，雖然指標高于正常值，但目前還沒有出現(xiàn)任何臨床癥狀。巴納林同時透露，截止到 8 月 20 日，所有的火箭與衛(wèi)星碎片都將被收集后運送到拜科努爾發(fā)射場的專門修理庫，專家將在那里對它們進行深入研究。4

一箭37星北京時間6月20日3時11分，“第聶伯"火箭從俄羅斯境內(nèi)杜巴羅夫斯基發(fā)射基地的發(fā)射井發(fā)射，采用“冷發(fā)射”方式，在火箭第一級出井后發(fā)動機點火，成功將37顆衛(wèi)星送入高630千米、傾角98度的目標軌道。其中，33顆衛(wèi)星以精確的30秒時間間隔在軌相繼部署，從而避免了碰撞；另有1個裝載了4顆衛(wèi)星的母體航天器也被部署，并在隨后不久釋放了4顆衛(wèi)星。

37顆衛(wèi)星分別來自4大洲17個國家，大部分是用于環(huán)境和安全目的的地球成像衛(wèi)星。其中，最大的2顆衛(wèi)星分別是西班牙Elecnor Deimos公司的Deimos 2衛(wèi)星（重300千克，分別率0.75米）和哈薩克斯坦的KazEOSat2衛(wèi)星（重180千克，分辨率6.5米）。

“一箭多星”發(fā)射受到廣泛關(guān)注的一個重要原因是能在其基礎(chǔ)上完善分導(dǎo)式多彈頭技術(shù)，這在軍事方面有著極其重要的戰(zhàn)略意義。多彈頭技術(shù)促進了20世紀70年代美國與蘇聯(lián)兩個軍事大國“相互確保摧毀”威懾格局的形成，成為雙方導(dǎo)彈技術(shù)先進與否的主要標志，也是美蘇維持大國地位和稱雄世界的籌碼。近年來，美國與俄羅斯在“一箭多星”上競爭，有專家認為“實際上是在展現(xiàn)各自的分導(dǎo)式多彈頭技術(shù)”。

特別是隨著美國加緊部署導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，俄羅斯越來越重視發(fā)展多彈頭技術(shù)。俄羅斯在“一箭多星”上一再超越美國，保持世界第一，無疑將增強其對以美國為首的西方國家的戰(zhàn)略威懾。

此次“第聶伯”火箭以精確的30秒時間間隔部署衛(wèi)星，展示了俄羅斯衛(wèi)星釋放技術(shù)的先進性。從技術(shù)上看，“多星分時釋放技術(shù)’’是衛(wèi)星分離技術(shù)的一大突破，完成這一技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備在于時間程序機構(gòu)的應(yīng)用，即通過時間程序控制爆炸螺栓按照預(yù)訂的程序釋放衛(wèi)星。這一時間間隔是經(jīng)過嚴格計算的，因此“一箭多星”的難點是如何精確控制爆炸螺栓準時工作。俄羅斯能夠一再打破衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的紀錄，表明其‘‘多星分時釋放技術(shù)”巳達到非常成熟的水平。

除上述影響外，“一箭多星”還具備降低衛(wèi)星發(fā)射成本的巨大優(yōu)勢。當前，不斷攀升的發(fā)射成本巳經(jīng)成為制約大規(guī)模利用太空的關(guān)鍵因素，同時技術(shù)進步以及"分離模塊”概念的提出，使得衛(wèi)星小型化成為一個重要方向，而且用于試驗和技術(shù)測試的低成本微小衛(wèi)星也需要更多的發(fā)射機會。在此背景下，“一箭多星”的優(yōu)勢將愈發(fā)明顯。“一箭多星”可以充分利用運載火箭有限的負載量，非常適合以搭載方式發(fā)射小型衛(wèi)星，增加了發(fā)射載荷的數(shù)量，從而降低單顆衛(wèi)星的發(fā)射成本。5