苏联的N-1火箭是怎样失败的？
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2023-04-22 11:17:58 6park.com
据外媒报道，4月20日晚，万众瞩目的太空探索技术公司（SPACEX）研发的星舰（Starship）重型火箭在众目睽睽之下发射升空，4分钟后凌空爆炸。现场视频表明，该火箭第一级的33个发动机有6个未能正常工作，这让人强烈联想起同样是采用多发动机并联技术、第一级拥有30个发动机的原苏联N-1火箭。 6park.com
趁热打铁，今天聊聊苏联N-1火箭的失败情况。 6park.com
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（发射台上的N-1） 6park.com
N-1火箭的俄文名字叫носитель-1，拉丁文转写是Nossitel-1，意思是“运载器1号”。它的研制者是苏联著名火箭总设计师谢尔盖·科罗廖夫，研制单位是科罗廖夫设计局（OKB-1），最初的概念设计是1959年提出的，当时计划在东方号火箭上安装一个核发动机作为上面级，以运载50吨级的有效载荷，这样苏联就有了发射空间站和月球乃至火星飞船的能力。不过苏联军方当时的兴趣是搞能用于实战的洲际导弹，对这种巨无霸运载工具不感兴趣，所以N-1的研发也就停顿了。 6park.com
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（N-1、土星5号和UR-700对比示意图） 6park.com
1961年5月肯尼迪宣布美国人要在1970年前登月之后，苏联方面暗暗下定决心要抢在美国人之前实现载人登月，于是科罗廖夫得到一个难得的机会来继续N-1的研发，但在这个节骨眼儿上，危机出现了：科罗廖夫和火箭发动机专家瓦连京·格卢什科为N-1应该采用哪种发动机爆发了争吵。格卢什科刚刚设计出采用偏二甲肼/四氧化二氮推进剂方案的大推力火箭发动机RD-270，但科罗廖夫更中意煤油/液氧发动机，俩人一拍两散，格卢什科愤而转与科罗廖夫的竞争对手弗拉基米尔·切洛梅合作（后来格卢什科设计出目前世界上推力最大的煤油/液氧发动机RD-170，曾用于苏联的能源号火箭和天顶号火箭，苏联解体后，美国人买走了一些改进型号RD-180，用于宇宙神5号的第一级，此外其减少推力版RD-151也卖给韩国作为罗老号的第一级）。  6park.com
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（NK-33型发动机） 6park.com
万般无奈之下，科罗廖夫向火箭发动机专家尼古莱·库兹涅佐夫求援，后者提供了一个煤油/液氧组合的NK-15发动机方案，后来又升级为NK-33。RD-270的推力是6270千牛，NK-33的推力只有1510千牛，而N-1设计发射重量为2735吨，原本只需要5台RD-270火箭发动机并联即可，现在只能用30台NK-33（按等效推力计算，20台即可，然而增加了发动机数量就增加了火箭的结构重量，所以需要额外增加6台发动机来推动新增的自重，之后由于火箭有效载荷设计指标从50吨上升到98吨，最终定下来N-1火箭采用30台发动机并联驱动）。 6park.com
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（N-1尾部喷口排列） 6park.com
30台火箭发动机，也就是30个喷管，组成两个喷口环（外环24个，内环6个），整齐排列在N-1火箭的尾部，从后面看上去，就跟煤气灶似的。这种复杂的发动机群方案导致输送推进剂的管道设计也极端复杂，这就为N-1的连续失败埋下了祸根。科罗廖夫去世后的OKB-1考虑到这种复杂性带来的隐患，在设计上允许4台发动机在发射时出现问题而关闭，但事实证明这是不够的。 6park.com
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（通过铁路运输N-1） 6park.com
1967年11月25日，第一枚N-1被送上了发射台进行了联调，12月12日被拉回厂房待命，1968年5月8日，这枚N-1再次被送上发射台准备发射，这时突然发现火箭外壳上有裂缝，于是它又被卸下来进行维修。这一年的9月、11月，这枚倒霉的火箭又如此这般反复折腾了几次，都因为各种各样的原因没有点火。直到1969年1月15日，它终于带着联盟7K-L1S绕月飞船再次登上发射台，准备加注燃料起飞了。 6park.com
匪夷所思的是，反复折腾这一年多时间内，它的30台发动机从来没进行过同步点火测试，往好了说，这叫艺高人胆大，但苏联人很快就尝到了不按科学规律办事的苦果。 6park.com
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（正在起竖的N-1）当时美国土星5号已经采用先进的三垂（垂直总装、垂直测试、垂直转运）发射模式 6park.com
2月21日莫斯科时间12:18，N-1运载火箭尾部喷出30条火龙，徐徐离开发射台。6秒钟后，有两台发动机故障关机，25秒后，传感器探测到发动机燃烧室压力不足，于是驱动燃料泵增加功率，意外引发管道发生高频振动，导致66秒时一根燃料管路爆炸破裂，由于未能及时关闭发动机，泄露的推进剂引发大火，并蔓延至发动机控制系统，随后在69秒时发生爆炸，当时火箭距离地面12千米。 6park.com
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（1969年2月N-1首次发射） 6park.com
由于阿波罗11号飞船已经宣布在7月16日发射，苏联人为了抢在阿11之前完成绕月飞船发射，于是在7月3日就把第二枚N-1火箭匆匆忙忙竖在发射台上，并在当天晚上就把火箭打了出去。这次更惨，点火前0.25秒时一枚松动的螺栓随着煤油被冲进了燃料泵，并于点火6秒钟后被传感器发现，故障控制系统本来应该只关闭出问题的那一台发动机，却在3秒钟内一口气连续关闭了29台发动机，此时火箭离地面才200米，立刻下坠并倾倒在发射台上，引发了剧烈的大爆炸（据说爆炸当量为7000吨级TNT），把发射台夷为平地不说，还炸死了约150个现场的工作人员。 6park.com
之后阿波罗11号顺利完成登月任务，而苏联用于挽回颜面而仓促发射的月球15号也在软着陆时坠毁，在登月竞赛中遭遇惨败。痛定思痛的苏联航天专家这次终于下定决心要彻底解决N-1的技术问题，首先就是修改故障控制逻辑。两年后的1971年6月26日，携带着联盟7K-LOK登月飞船的第3枚N-1火箭竖立在发射台上准备发射。莫斯科时间27日02:15，火箭点火起飞。这次动力系统表现正常，出问题的是制导系统。火箭起飞10秒后，姿态控制系统突然认定火箭姿态异常并试图纠正，导致火箭过快转弯，结果第3级和上面级都被甩掉了，被甩掉的部分回落到刚启用的新发射台上，引发爆炸，而失去控制的第1级和第2级飞出去22千米，在地面炸出了一个大坑。 6park.com
此时阿波罗计划已近尾声，苏联人还执着地搞N-1，纯粹就是不蒸馒头争口气。第二年，即1972年11月23日上午9时，第4枚N-1火箭满载着苏联航天人的期望点火起飞。这次它顺利地挺过了前90秒，已经飞到了离地面40千米的高空，但就在这时候弹载计算机认定4号发动机过载，于是关闭了位于中心区域的6台发动机，结果导致向这6台发动机输送燃料的管路多处破损，顿时又燃起了大火，此时本来可以通过提前一二级分离来避免悲剧发生，但由于没有相应的预案而没有执行，结果一级火箭爆炸后引发整个发射任务进入紧急中止程序：逃逸塔工作，把飞船带离爆炸区域，而火箭其余部分失控坠毁。 6park.com
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（1972年11月N-1最后一次发射） 6park.com
由于四次惨重的失败，苏联高层领导对N-1失望透顶。1976年，掌握大权的格卢什科宣布N-1项目完全中止，给能源号火箭、暴风雪航天飞机和质子号火箭等项目让路。虽然N-1第一级火箭采用的NK-33型发动机在苏联解体后卖了一部分给美国，被美国轨道科学公司采用在“心宿二”运载火箭（最开始叫“金牛座Ⅱ号”，后来改叫“心宿二”）上，用于向国际空间站发射“天鹅座”货运飞船，但N-1这个整体性能堪与美国土星5号比肩的史上第一大推力火箭终究还是以耻辱性的连续四次失败而进入博物馆。 6park.com


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