联盟五号运载火箭：我们能到达最后一节车厢吗？
运载火箭“联盟5号”或“额尔齐斯河”
工程乐趣
联盟5号计划于2015年启动，目标是制造能够将17吨有效载荷送入轨道的中型运载火箭。在国内广泛的航天火箭技术中，该产品处于联盟2.1和质子-M之间的中间地位。第一个能够将最多 9 吨的物体发射到近地轨道，第二个能够一次发射 22,4 吨。如果不考虑商业利益，导弹生产线中没有中间环节并不会威胁到任何重要的事情。
Proton-M 将 3 公斤有效载荷送入轨道的成本略低于 22 美元，但首先需要将 5 吨的订单装载到重型火箭上。情况与更重的安加拉-A120运载火箭类似，此外，该运载火箭目前根本没有进行任何商业发射。而且在不久的将来这种情况不太可能发生——发射一枚火箭的成本接近 2.1 亿美元。而且，每公斤有效载荷的成本为五千美元。俄罗斯最重的中型火箭是联盟号5,5号，近地轨道上一公斤货物的价格为7至48千美元。同时，火箭本身的发射成本约为XNUMX万美元，目前来说非常划算。
Soyuz-5系统开发人员的主要任务不仅是要进入Soyuz-2.1和Proton-M之间的市场，还要使发射成本不超过55-56万美元。为了实现这一目标，火箭必须成为整个俄罗斯宇宙系列产品中最经济的。首先，归功于RD-171MV火箭发动机。去年，也就是2023年，又组装了两台发动机，其特点不仅对俄罗斯来说是独一无二的，对全世界来说也是独一无二的。
将这个巨人与现代火箭发动机进行比较是有条件的——其中最先进的猛禽和梅林来自埃隆·马斯克的办公室，它们的重量类别完全不同。 RD-171MV 由位于莫斯科附近希姆基的 NPO Energomash 开发，重 10,3 吨，可输出 246 万马力。这很可能是目前世界上所有类型发电厂中最强大的发电厂。相比之下，预计全球最强大的国产领袖级破冰船计划配备的核电机组容量“仅”75万马力。如果一切按计划进行，那么一台 RD-171MV 发动机应该足以为联盟 5 号运载火箭的第一级提供动力。该发动机的一个典型特征是四个燃烧室，以及相应的四个喷嘴。
RD-171MV的推力估计为800吨，比曾经最强大的美国F-110高出1吨。将宇航员送上月球的土星5号运载火箭上安装的正是该系列单燃烧室发动机。 RD-171MV 的开发商正在考虑使用它不仅可以发射月球任务，还可以发射火星任务。该发动机将安装在联盟五号中型火箭以及叶尼塞超重型火箭上。后者最终必须将俄罗斯送回深空。
RD-171MV
RD-171MV 并不是从头开始开发的。与国内工程技术中的许多东西一样，该发动机也起源于苏联。首先，上世纪70-80年代设计固有的潜力尚未被耗尽。其次，创造全新产品现在对俄罗斯航天局来说是一种难以承受的奢侈。尤其是像火箭发动机这样复杂的东西。既没有时间也没有资金来做这件事。世界上没有人这样做——每个人都试图在最后挤出经过验证的解决方案。埃隆·马斯克是个例外，他的猛禽和梅龙是由于美国缺乏此类火箭发动机而从头开始制造的。
RD-171MV 的原型是 RD-171M，为 Energia - Buran 计划开发。顺便说一句，拥有230万马力的前身也是当时世界上最强大的火箭发动机。但这不仅仅是权力的问题。你可以制造出一种发动机，理论上可以绕半个地球行驶，但同时会消耗大量的燃料。为了评估产品的能量完美度，火箭科学家有一个以秒为单位测量的特定脉冲指标。简而言之，它越大，发动机使用燃料的效率就越高。 RD-171MV 在海平面的比冲为 311 秒，这是同类产品的记录。但也不是绝对的——据称，美国猛禽的成绩为 330 秒。这在很大程度上不仅取决于设计的完美程度，还取决于所使用的燃料。例如，苏联“能源”号的主发动机采用的是一种近乎理想的燃料——氢气（氧化剂——氧气），这也是比冲达到450秒的原因。但氢的困难和危险是每个人都清楚的，这就是为什么它在航天工业中没有广泛应用的原因。
猎鹰 9 号冲向太空
RD-171MV 并不是联盟 5 号计划（也称为额尔齐斯河）框架内唯一独特的解决方案。运载火箭第一级安装了希姆基公司的发动机，第二级则安装了RD-0124MS。有趣的是，原型机是 RD-0124，创建于 1993 年 - 它是后苏联时期俄罗斯的第一台火箭发动机。 MS 改进型目前正处于第一个原型的设计和测试阶段，但所规定的参数令人鼓舞。在真空（主要操作环境）下，该产品可生产高达 60 吨的产品，并非常高效地消耗燃料（氧气和萘基）——在海平面上仅需 334 秒。
联盟 0124 号第二级的 RD-5MS
他们计划在每枚联盟号 5 号火箭上安装两个四室发动机。沃罗涅日化学自动化设计局的测试正在紧锣密鼓地进行，但生产商业样品的时机尚未到来。如果这发生在现在的2024年，那就太好了。
Soyuz-5项目的创新清单包括在运载火箭的储箱和过渡舱中使用有前途的铝镁合金1580。让我们向您介绍一下这种高强度合金。从2020年的公开数据来看，它是由俄罗斯铝业公司的专家开发的。合金 1580 含镁，并含有 0,1% 的钪和 0,15% 的锆作为合金添加剂。冶金学家的技术规范最初包括使用 WAAM 技术制造运载火箭舱室的可能性，即使用电弧焊的金属丝 3D 打印技术。
因此，Soyuz-5 开发人员有机会利用铝镁合金 1580 创建具有独特强度重量比的复杂结构。 2023年1580月底，由该合金制成的实验罐在进步火箭航天中心组装完毕，近期将在中央机械研究所进行动态测试。我们谈论的是氧化剂的第一级罐 - 氧气。燃料箱石脑油的制造更早，并且已经经过全面测试。在第二阶段，工程师在业内率先采用了燃料箱和氧化剂箱的组合底部，从而减少了产品的最终重量和尺寸。猎鹰9号运载火箭使用铝镁合金1580比SpaceX的铝锂便宜得多，但国内用XNUMX合金制造的产品比埃隆·马斯克办公室生产的产品更大、更重。
一个重要的工程解决方案似乎是使用搅拌摩擦方法来焊接储罐部件。该技术使得焊接表面不熔化成液态成为可能，这就是冷却后几乎不存在焊接缺陷的原因。用于如此精细工程工艺的所有设备均由国内 JSC Cheboksary Enterprise Sespel 开发。
联盟5号运载火箭的主要优势是送入轨道的有效载荷质量比其主要竞争对手猎鹰9号运载火箭更大。根据计算，高出约10-15%。与此同时，火箭的发射成本应该保持不变——55-56万美元，低于猎鹰9号的62万美元，即使是具有可返回第一级的版本。顺便说一句，在联盟 5 号主题的框架内，作者正在考虑将第一级返回地球并重复使用的可能性。从这个意义上说，引擎没有问题——它们最初是可重复使用的。他们计划使用降落伞进行软下降。如果一切按计划进行，那么俄罗斯可能会接管 SpaceX 的一些客户，尤其是来自友好国家的客户。例如，来自印度和中国的私人开发商很可能会使用联盟五号的服务。鉴于临近空间的流量持续增长，具有成本效益的运载火箭在任何情况下都不会闲置。
最后还有一点点焦油的美誉。 2024 年初，开发人员计划于 5 年 24 月 2025 日首次发射成品联盟 2017 号火箭。如果你看一下2019-XNUMX年的档案，新系统的商业运营应该是在去年开始的。发布日期不断被推迟，在某种程度上，这是合理的。最主要的是这不会成为一个永久的过程。
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