本文作者：邢强博士
原文题目：质子：苏联留给俄罗斯的运力最强的火箭
本文是小火箭经典导弹与运载火箭系列文章第3季的第3篇。在本季第1篇与第2篇合辑中，小火箭将介绍了美国“雷神”弹道导弹。（导弹的总体设计、材料、发动机、弹道计算、反卫星试验以及这款导弹改造为运载火箭后，发射了NASA的第一枚探测器的历史。）
而本文将要分析的是苏联/俄罗斯的质子运载火箭（介绍切洛梅和质子火箭的总体设计）。
提起苏联的火箭，人们或许会立刻想到属于R-7火箭系列的联盟火箭（详见小火箭的公号文章《1863次发射！开启人类航天时代的R-7导弹》），或者是苏联屡败屡战的带有浓厚传奇色彩的N-1重型运载火箭（详见小火箭的公号文章《承载苏联载人登月梦想：N-1火箭》），亦或是用来运载暴风雪号航天飞机的能源号火箭。
但是，冷战后期，苏联放弃了能够将100吨载荷送入近地轨道的能源号火箭。解体后的苏联，留给新生的俄罗斯的能力最强的火箭，不是R-7系列的联盟，也不是能源号，而是一开始并没有被当做运载火箭来研发，但却在苏联解体后顽强地存活下来，并成为建设国际空间站的中坚力量的质子火箭。
质子火箭以20.7吨的近地轨道运载能力超过了联盟火箭（6.45吨），成为了苏联留给俄罗斯的运载能力最强的运载火箭。
1.切洛梅的大计划
说起质子火箭，小火箭就不得不先说一下她的设计者弗拉基米尔·尼古拉耶维奇·切洛梅博士了。
1958年，切洛梅向苏联最高领导部门提出了一个大计划：研制一系列导弹和运载火箭，其中，该系列的导弹具有12000千米的射程，是名副其实的洲际弹道导弹，而同系列的运载火箭拥有和上述弹道导弹通用的结构，能够将巨大的军用空间站送上太空，还能够把探测器甚至是航天员送上月球、火星、金星。
啥？1958年就有此等计划了？切洛梅又到底是谁？
鉴于人们对科罗廖夫比较熟悉，甚至认为科罗廖夫一人就能代表苏联的火箭设计师了，小火箭觉得有必要多介绍一下切洛梅。
其实看上图老爷子胸前戴的5枚奖章，就能够知道他并非等闲之辈了。
左数第1枚和第2枚是苏联国家奖章！（苏联最高荣誉体系之一）
左数第3枚是列宁奖章！（苏联最高荣誉体系之一，奖给科学、文学、艺术、建筑和技术方面的人才。）
而切洛梅左胸佩戴的2枚奖章就更要说一下了。这是传说中的社会主义劳动英雄奖章！专门颁发给为苏联做过重大贡献的人。
切洛梅老爷子得了2枚社会主义劳动英雄奖章。按规定，得了2枚这种奖章的人，国家会专门在他的出生地竖立铜像或纪念碑来表彰。怎么样，够霸气了吧。
不过说到这，有些人可能会觉得不服气了，比如：
飞机设计大师图波列夫，得过3枚社会主义劳动英雄奖章。（另一位飞机设计大师伊留申也得过3枚，苏联氢弹之父萨哈罗夫也得过3枚，真是没有最霸气，只有更霸气啊！）
接着说切洛梅博士。他1914年生于沙皇俄国时代的谢德尔采（如今该地属于波兰），在一战的战火中颠沛流离的童年和充满饥饿与不安的少年时代过去后，18岁的切洛梅考入基辅理工学院（这个学院就是基辅航空学院的前身）。在这里，他展现了数学和力学方面的天赋。大学一毕业，他就出版了他的第一部专著《向量分析》。二战时期，他研制了苏联第一台脉动冲压发动机（独立于德国与法国的研究）。
1951年，37岁的切洛梅完成答辩，被莫斯科国立鲍曼技术大学授予博士学位。（这所大学得说一说，科罗廖夫、苏霍伊、茹科夫斯基、图波列夫都是在这里毕业的。）4年后，切洛梅成为了以他名字命名的切洛梅设计局的首席设计师。
1958年，切洛梅提出了洲际弹道导弹的设计方案，成为了苏联最早提出多级洲际弹道导弹方案的人。（科罗廖夫的R-7是芯级+助推器的一级半构型，不是严格意义上的多级导弹——小火箭注。）
这就是УР-500导弹（火箭）。
小火箭要对УР这个型号名称解释一番。仅仅从这个名字其实就可以看出切洛梅的理想了。УР是俄语универсальная ракета的缩写。其中，универсальная是万能的、通用的意思。比如万能胶（Универсальный клей）。而 ракета是火箭和导弹的意思。
是的，在俄语中， 火箭和导弹是同一个词，都是 ракета，也就没有咱们非得分清楚火箭和导弹的那种纠结了。本来就是同一类飞行器嘛。
切洛梅的理想在这个型号的名称中显露无疑：通用的、万能的导弹（火箭）。近可当洲际弹道导弹用，中可发射近地轨道卫星，远可进行深空探测。
然而，切洛梅的影响力始终还是不如科罗廖夫。万能导弹在竞争中没能赢过R-7导弹。
2.质子的倔强
1965年，被苏联军方抛弃的УР-500导弹争取到了证明自己的机会。她矗立在拜科努尔发射基地。
从1965年7月16日开始，切洛梅的火箭发射了一系列名为“质子”的科学实验卫星。质子卫星是人类较早地能够在太空中对高能粒子、夸克等物质进行研究的卫星。
为什么切洛梅的火箭能够争取到这样的发射任务呢？
因为质子卫星重17吨，是卫星中的庞然大物。科罗廖夫的R-7最多只能运载6.45吨的载荷。在当时，这个系列的卫星，也就只有切洛梅的火箭可以发射了。
也就从这个时候开始，切洛梅开始淡化УР-500导弹这个名称，而改用质子火箭来称呼他的巅峰之作。（为了纪念他争取到了发射质子卫星的任务而保住了УР-500项目的不易。）
但是，质子火箭的发展依然不顺。按照苏联的标准，火箭的发射成功率要在90%以上才能够正式被列入国家型号。但是，从1965年到1972年，质子火箭事故频频，直到1977年，质子火箭才终于勉强通过了正式验收。
但是，切洛梅博士并未有一刻停止他的研究。
1967年3月10日，带有上面级的3级运载火箭——质子-K火箭迎来了她的首次发射。面临种种困难，质子系列火箭不仅没有退缩，还在逐步添丁。上图4枚火箭示意图中，最左侧是质子火箭基本型（共2级），其他3枚为质子-K。
这是正在莫斯科进行总装的质子系列火箭。我们能够看到连在一次的第一级与第二级，这两级共同构成了质子系列火箭的基础级。
几乎毋庸置疑的是，质子火箭最容易被辨识出来的外形特征就是她的6台一级发动机呈正六边形的布局方式了。
质子系列火箭的第一级拥有6台RD-253常温燃料液体火箭发动机，燃烧室压力14.7MPa。
RD-253发动机干重1.08吨，喷管直径1.5米，喷管扩张比为26.2。苏联人对发动机喷管的设计颇具美学造诣，这一点在小火箭经典导弹与火箭系列的前两季中已做过计算和对照，在第三季中，就不再赘述了。
6台RD-253为质子火箭的基础级提供了10470千牛的推力，让质子火箭拥有了强大的运载能力。
值得注意的是，质子火箭的第一级的一周鼓起来的部分并不是助推器，而是推进剂的贮箱。这些贮箱是与火箭“芯级”连在一起的。
也就是说：质子火箭看起来像是捆了6台助推器，而实际上她1台助推器都没有。
火箭第一级外侧环向布置了6个推进剂贮箱，但它们并非助推器，即在发射后并不与箭体分离。
那质子火箭的第一级长成这个样子，里面到底是怎样的结构呢？
哈，原来是这个样子的。6台RD-253发动机实际上是安装在质子火箭第一级的推进剂贮箱下方的。
6个长得像助推器的大鼓包里面，并没有其他管路和发动机，而仅仅是安置了一个偏二甲肼（UDMH）贮箱（上图的大红色部分为偏二甲肼）。质子火箭的第一级的核心部位则是一个巨大的四氧化二氮贮箱（上图的橙红色部分）。
【以下仅限脑洞，切勿付诸实践：
如果你来到一枚质子火箭下面，并且手里恰好有一把小小的羊角锤的话，使劲敲一下质子火箭的6个鼓包中的任意一个，就会发现有大量无色液体喷涌而出，而在你失去直觉之前，会闻到一股极为独特的鱼腥味。小火箭至今仍未忘记那股味道。
如果你用羊角锤子向正上方敲击质子火箭底部中心的话，则会有橙红色的液体伴着橙红的气体呼啸而出，那就是腐蚀能力超级强的四氧化二氮了。
脑洞结束，以上。】
如果想知道导弹的偏二甲肼泄露之后会出现什么情况，详见小火箭的公号文章《一柄扳手引发的美国核导弹大爆炸》。
这是在莫斯科的质子火箭总装厂房内等待进行装配的6台RD-253液体火箭发动机。看，她们已经与偏二甲肼贮箱连为一体，之后就要与质子火箭的一级箭体进行固连了。注意喷管上方红色的四氧化二氮输送管线。
6个带有RD-253发动机的偏二甲肼贮箱与箭体连接好之后，就构成了质子火箭的第一级。强调一下，质子火箭的偏二甲肼贮箱与箭体是固连的，因此，她没有像联盟火箭那样助推器分离的场景，而是以上图中那样的囫囵个儿的第一级火箭进行分离。
另外注意，质子火箭的第一级通过桁架结构与上面的部分进行连接。这基本上是苏联血统的火箭或某些国家的火箭的标准了。
质子火箭的第一级长21.2米，外接圆直径7.4米。
小火箭其实是比较担心上图中的厂房里面的吊车的，因为质子火箭的第一级的空重足足有31.1吨，上图厂房中的钢缆看起来有点细。虽然实际上是够用的，但是总觉得和苏联的风格有些不太相符。
而加注满偏二甲肼和四氧化二氮燃料之后，质子火箭的第一级的总重会达到450.51吨。看到这里，大家应该就已经明白为什么质子火箭比联盟火箭的运载能力大那么多了吧。
质子火箭的第一级就已经比目前在役的分量最重的联盟火箭（重308吨）沉100多吨了。
值得注意的是，质子火箭的第一级空重31.1吨，总重450.51吨，也就是说，质子火箭第一级的燃料占第一级总重的比为93.1%。即使是在今天，这个指标在导弹或者火箭总体设计中，也是个非常了不起的成就。切洛梅博士在力学上的造诣的确值得我们给他点个赞。
质子火箭第一级的发动机细节。喷管外面的管路是用来输送偏二甲肼的。这些偏二甲肼通过喷管的中空夹层结构进入RD-253发动机的燃烧室，与四氧化二氮进行反应，产生推动火箭拔地而起的力量。
外侧是RD-253发动机的涡轮泵。
质子火箭的第一级能够用31.1吨的空重产生10470千米的推力，说明她在减重方面下足了功夫。上图为RD-253的涡轮泵剖开的样子。可以发现，该发动机的预燃、燃烧室的推进剂泵和氧化剂泵等等全部是用同一根轴驱动的。
RD-253火箭发动机的喷注盘设计细节。有关喷注盘的设计以及火箭燃烧稳定性的问题已经在第一季中详细分析，不再赘述。
质子火箭的第一级总体设计在众多运载火箭中可谓独一无二。RD-253发动机采用富氧分级燃烧的循环方式，因此其喷口附近非常简洁明快，没有燃气发生器的废气排放管。另外，注意看质子火箭第一级的设计细节，她为了减小底部阻力而设计了收敛段。
燃气发生器废气排放管就是像上图的雷神导弹的喷管上方的细管子那样的。如果质子火箭的发动机也有这样的管子的话，就没有今天看起来这么美了。
质子火箭的第二级长14米，直径4.15米，采用了4台RD-0210发动机。注意喷管内壁闪闪发亮的耐高温铜合金。
RD-0210发动机的设计风格也是简洁明快，单台推力为582千牛。
小火箭提醒：透过桁架结构，可以看到质子火箭第二级的发动机喷口噢。
质子火箭的雕像在目送质子火箭升空。
质子系列运载火箭，总发射次数335次，其中成功294次。
在第三季的第4篇文章中，小火箭将继续介绍质子运载火箭，讲述她发射礼炮系列空间站、和平号空间站和国际空间站的光辉历史，并在文末给出具体的算例，指出带有上面级的质子火箭在地球同步轨道运载与深空探测中的强大潜力，展示火箭到底是怎样把卫星送到地球同步转移轨道上的。
感谢大家对小火箭的支持！
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