第4164回：大型質子運載火箭，空間艙體發射入軌

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第4164回：大型質子運載火箭，空間艙體發射入軌

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在《黃劍博採風追影》「第4161回：人探索天空實驗室，裡程碑式太空行走；第4162回：宇宙殖民太空移民，構想人類第二故鄉」中，我們談論了很多關於太空探索的歷史，不管如何探索太空，都離不開運載火箭的功勞。

質子運載火箭是俄修研製的一個大型運載火箭系列，包含多種衍伸型號。質子號從1960年代中期以來一直是俄修、俄邦發射大型太空飛行器的主要運載火箭。在冷戰結束後，由於能源號火箭被棄而不用，質子運載火箭實際上成為俄邦運載能力最強的火箭。

但質子號使用劇毒的四氧化二氮與聯氨作為燃料，一旦發射失敗可能對發射場周邊地區造成嚴重汙染，因此俄邦已決定用新研製的安加拉號運載火箭來取代它，此種新型火箭採用液氧與煤油作為推進劑。

最初的質子運載火箭是在1961年至1965年間研製成功的，總設計師是OKB-52設計局的負責人切洛勉。切洛勉當時向何路小夫提出了一個龐大的洲際飛彈發展計劃，在這個計劃中，UR500（即兩級型的質子號）是一種「全球火箭」。但是UR500最終沒有被軍隊接受，而是決定用於航天發射。

1965年7月16日，UR500在拜科努爾發射場執行了第一次任務，將質子1號科學考察衛星送入太空，火箭也從此而得名質子號。米國國防部對這種火箭的代號是「SL-9」，米國國會的謝爾頓命名法（用於識別火箭的衍生型號）則稱其為「D」。兩級型質子號的運載效率不高，因此很快被停止使用。

在UR500基礎上加入第三級後，俄修人得到了運載能力更為強大的、三級狀態的質子-K火箭（即UR500K；米國國防部：SL-13，謝爾頓命名法：D-1）。帶有第三級的質子號在1967年3月10日首次發射（當時使用了D組級上面級，實際構成了四級火箭：質子-K/D組級），將宇宙-146（一顆月球探測器）送入太空。1968年，不帶上面級的質子-K首次發射。在1970年代初至1980年代末，俄修曾利用不帶上面級的質子-K將8個空間站送入軌道。國際空間站的兩個主要組件曙光號功能貨艙和星辰號服務艙也是用質子-K發射的。

在質子-K上再加入一個上面級，就形成了UR500K-L1運載火箭，即四級狀態的質子號火箭（米國國防部：SL-12，謝爾頓命名法：D-1-e）。俄修時代的質子號所使用的上面級主要有兩種：D組級或DM組級（D組級的發展型號，1974年開始使用），所構成的火箭分別稱為質子-K/D組級和質子-K/DM組級。這兩種火箭是俄修發射大型地球靜止衛星和深空探測器的主力。從1967年開始，四級型質子號向月球、金星和火星發射了多個探測器，並且在流產的俄修登月計劃中被選為發射載人環月飛船的運載工具。

在美蘇登月競賽時期，切洛勉還在質子號基礎上提出了一個名為UR700的設計方案，以與科羅廖夫的N1運載火箭競爭。UR700的設計思想很像質子號，但其體積之巨大甚至使N-1和米國的土星5號都相形見絀。在UR700中，兩級型的質子號僅僅是一個上面級。

冷戰結束後，俄邦新研製了一種四級型質子號火箭，即質子-M（有時使用未改進的質子-K箭體搭配和風-M的四級火箭質子-KM也被歸入其中）。它與質子-K/DM組級的主要區別是使用了更為先進的和風-M上面級，因此火箭也被叫做質子-M/和風-M。和風-M上面級具有兩次點火的能力，它可以將重型衛星直接送入地球同步軌道（以前的質子號通常是將衛星發射到地球同步轉移軌道）。

質子-M在2001年首次發射，將一顆銀幕-M通信衛星送入軌道。

另外俄邦還發展了所謂「質子-M增強型」，主要改進了和風-M上面級的性能。質子-M增強型只在2007年發射過一次。

所有型號的質子號火箭都只能從哈薩克斯坦境內的拜科努爾航天發射場發射。在拜科努爾的81號和200號發射陣地各有兩個質子號發射工位，火箭以水平方式運輸至發射臺，然後起豎、發射。

早期的質子號火箭主要用於發射大型人造衛星。但由於其運載能力遠大於其它俄修火箭（如聯盟號和閃電號），質子號遂成為發射星際探測器的首選。在美蘇登月競賽時期，質子號承擔了將大多數月球號無人探測器送上月球的任務。質子號也預定參加俄修載人登月計劃。當時俄修平行開展了兩個計劃：

科羅廖夫主導的使用N-1的太空人登月計劃，和切洛勉主導的使用質子號的載人環月飛行計劃。但在一次內部論證會之後，切洛勉的計劃被擱置。在N-1開發失敗而米國人率先實現登月之後，俄修晸府對登月失去了興趣。雖然還是用質子號發射了幾艘「探測器」號飛船進行了繞月飛行，但所攜帶的只是動物而已。

從1971年開始，俄修用質子-K火箭先後將8個空間站（禮炮1號至禮炮7號，和平號）的幾乎全部艙體發射入軌。冷戰結束後，質子-K又用於發射國際空間站的幾個重要艙段。除了米國的太空梭以外，質子號是目前唯一能夠承擔這項任務的運載工具。

四級型質子號被用於發射俄修的大型通信衛星（「銀幕」，「彩虹」，「地平線」）和行星探測器（「火星」，「織女星」，「福波斯」）。

俄修解體後，俄邦將質子號火箭投入國際市場，結果十分受客戶青睞。1996年4月，質子號將歐洲的阿斯特拉-1F衛星發射入軌，完成了第一次商業發射。到2007年為止，質子號已經執行了40多次商業發射任務。

質子號系列的發射成功率並不突出。1996年該火箭發射火星-96探測器失敗，載荷在太平洋上空墜毀，其上攜帶有200克劇毒放射性元素鈽。

質子號火箭更為突出的問題是其使用的液體推進劑偏二甲肼或四氧化二氮有毒，一旦發射失敗，洩漏的推進劑可能對環境造成汙染。俄邦經常因火箭在發射後墜毀而與發射場地的所在國哈薩克斯坦進行交涉。近幾年來，如果質子號發射失敗，哈薩克斯坦就會禁止在白寇努爾發射這種火箭，直到問題解決為止。

質子系列運載火箭共包括5種型號：UR500（基礎型質子號火箭）； 質子-K（UR500K）；質子-K/D組級和質子-K/DM組級（UR500K-L1，UR500K-L1P）；質子-M（可能包括質子-KM）等。

UR500運載火箭，即基礎型質子號運載火箭，是俄修於1961年開始研製的大型運載火箭。米國國防部對這種火箭的代號是「SL-9」，米國國會的謝爾頓命名法（用於識別火箭的衍生型號）則稱其為「D」。這種兩級液體火箭是整個質子號運載火箭家族的基礎。

UR500型火箭由切洛梅設計局（OKB-52）負責研製，主設計師為弗拉基米爾·切洛勉。切洛勉當時與俄修另一位火箭設計師科羅廖夫之間存在激烈競爭。為了爭奪給蘇軍開發新式洲際飛彈的任務，切洛勉向俄修領導人何路小夫提出了一個龐大的計劃，該計劃要研製三種火箭：UR100，UR200和UR500，彼此之間存在繼承關係。

UR500就是在UR200（北約代號SS-10「瘦子」）基礎上研發的，當時打算把它設計成射程12000公裡的洲際飛彈。1962年4月，這個計劃獲得批准。但是，由於在與競爭對手的比試中表現不佳，這些飛彈中最後只有UR100（北約代號SS-11「美洲百合」）進入軍隊服役。UR200項目在1964年下馬，UR500則被保留下來，最終成為俄修的主力運載火箭。

UR500最早的一個設計方案是直接用4枚UR200捆綁在一起，但這個可笑的方案很快就被放棄了。除了OKB-52以外，各分系統的負責單位還包括格魯什科的OKB-456（負責發動機）和皮柳金的NII-885（負責控制系統）。整個開發工作於1965年完成，當年7月16日火箭進行了首飛。由於火箭第一次發射時攜帶的載荷為質子1號科學衛星，該火箭得名為質子號運載火箭。

UR500火箭的設計與俄修最早的那些由R-7洲際飛彈衍生出來的運載火箭（如衛星號和聯盟號）有了一些不同。雖然保留了第一級發動機沿環形安放的設計，但火箭是兩級結構，而不像衛星號火箭是捆綁式結構（從而實際是一級半）。火箭第一級外側環向布置了6個推進劑貯箱，但它們並非助推器，即在發射後不與箭體單獨分離。UR500使用的推進劑是劇毒的肼類化合物。在UR500基礎上增加若干級或上面級，就形成了質子號火箭的各種型號。

UR500有記錄的發射任務共有4次，包括將質子1號到質子3號三顆質子號衛星送上天，以及一次發射失敗。由於缺少上面級，它的運載能力很低，比競爭對手、科羅廖夫的R-7系列高不了多少，而質量卻比後者大得多。1966年這種火箭被停止使用。

質子-K運載火箭是俄修質子號運載火箭家族中的三級型號。米國國防部對這種火箭的代號是「SL-13」，米國國會的謝爾頓命名法（用於識別火箭的衍生型號）則稱其為「D-1」。此火箭主要用來發射空間站。

在切洛勉的UR500（即兩級型質子號）基礎上發展三級火箭的計劃在1964年就已經決定了。當時為這種新火箭安排的任務是發射「金剛石」軍用空間站（其中實際發射成功的都被編進了禮炮號的編號序列）和LK-1載人環月飛船（此飛船後來被取消）。但火箭的發展出了一些問題，主要是可靠性一直達不到要求。第一枚帶有第三級的質子號於1967年3月10日發射，但這是一枚帶有「D組級」上面級的四級火箭；不帶上面級的質子-K於1968年11月16日首次發射，將質子4號科學衛星（重達16噸）送入太空。

以下是由質子-K發射成功的空間站。

禮炮號系列：禮炮1號，禮炮2號，禮炮3號，禮炮4號，禮炮5號，禮炮6號，禮炮7號；

TKS空間艙系列：宇宙-929，宇宙-1267，宇宙-1443，宇宙-1686（注意這些艙段通常是對接到禮炮號空間站上作為後者的組件）；

和平號空間站的6個組件：核心艙，量子1號天文物理艙，量子2號氣閘艙，「晶體」號實驗艙，「光譜」號遙感艙，「自然」號地球觀測艙；

國際空間站的兩個組件：曙光號功能貨艙和星辰號服務艙。截止2000年，質子-K共發射31次，其中失敗4次。

質子-K/D組級運載火箭是俄修質子號運載火箭家族中的第一種四級型號。米國國防部對這種火箭的代號是「SL-12」，米國國會的謝爾頓命名法（用於識別火箭的衍生型號）則稱其為「D-1-e」。這種火箭及其改型是俄修發射大型深空探測器的主要運載工具。

質子-K/D組級的設計工作始於美蘇登月競賽時期，其最初目的就是向月球發射探測器和載人宇宙飛船。火箭的主要設計思想是，在三級型質子號（質子-K）基礎上加入一個上面級。該上面級稱為「D組級」，是質子號火箭使用的第一種上面級；但它本來是給與科羅廖夫的N-1火箭配套的登月飛船設計的。D組級的特點是沒有導航設備，其導航功能必須由載荷艙內的太空飛行器自己提供。

將質子號（UR500）發展為三級火箭的工作在1964年就開始了，主要由於何路小夫（質子號總設計師切洛勉的晸治保護人）下臺，進展有些緩慢。1965年，由切洛勉主導的使用LK-1飛船的登月計劃被科羅廖夫的N-1/L-1淘汰了。1967年第一種擁有第三級的質子號發射時，使用了D組級上面級，因此實際是四級火箭；純粹的三級火箭在1968年才第一次發射。

基礎型質子-K/D組級在1975年停止使用，其間共發射39次，失敗15次，發射成功率只有61.5%。由質子-K/D組級發射成功的太空飛行器有探測器4號~探測器8號無人飛船，月球15號~月球23號月球探測器，火星2號~火星7號火星探測器，金星9號至金星10號金星探測器。

對D組級加以改進獲得了兩種衍生的上面級，D-1組級和D-2組級，所對應的火箭稱為質子-K/D-1組級（8K82K/11S824M）和質子-K/D-2組級（8K82K/11S824F）。D-1組級和D-2組級使用RD-58M發動機，擁有更大的推力。但是，這兩種上面級仍然沒有導航能力。

質子-K/D-1組級於1976年8月9日首飛，發射了月球24號探測器。此後又發射了金星11號~金星16號、織女星1號和織女星2號（用於探測金星和哈雷彗星），1989年發射石榴石高能天體物理實驗衛星後退役。

質子-K/D-2組級只發射了三次，其中失敗一次。它成功地將福波斯1號和福波斯2號火星-火衛一探測器送入太空。失敗的那次則是在1996年發射火星-96探測器，結果載荷在太平洋上空墜落。

質子-M運載火箭是俄邦質子號火箭家族中的最新型號。

質子-M與以前的質子號火箭相比作了許多改進。它使用了更先進的和風-M上面級，這種新上面級在1999年首次進行了飛行，當時前三級使用的是原有的質子-K箭體；這樣組成的火箭被稱為「質子-K/和風-M」或「質子-KM」。質子-KM可能只是代用品，因為不久就對火箭的前幾級進行了改進，使用了與以前完全不同的箭體結構（可能主要是減輕了前三級的質量）。

總共只有70%的技術是從以前的質子號中繼承的。換用新箭體的火箭在2001年首次發射，將一顆銀幕-M通信衛星送入軌道。這種火箭是目前俄邦從事國際商業發射服務的主力。

2007年俄邦又發展出了「質子-M增強型」火箭。

2013年7月2日上午，在哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場，俄邦一枚質子-M運載火箭在點火升空後不到一分鐘發生偏轉並爆炸解體。 2014年5月16日，俄邦一攜帶「快車-AM4R」通信衛星的「質子-M」火箭由於意外情況未能進入預定軌道，並在大氣層中爆炸。後來被披露出火箭製造商的腐敗現象，使用了次級的材料以至於發射多次失敗。

Jumbo Huang Notes: Proton (formal designation: UR-500) is an expendable launch system used for both commercial and Russian government space launches. The first Proton rocket was launched in 1965. Modern versions of the launch system are still in use as of 2020, making it one of the most successful heavy boosters in the history of spaceflight. All Protons are built at the Khrunichev State Research and Production Space Center factory in Moscow and Chemical Automatics Design Bureau in Voronezh, transported to the Baikonur Cosmodrome, brought to the launch pad horizontally, and raised into vertical position for launch.

As with many Soviet rockets, the names of recurring payloads became associated with the Proton. The moniker "Proton" originates from a series of similarly named scientific satellites, which were among the rocket's first payloads. During the Cold War, it was designated the D-1/D-1e or SL-12/SL-13 by Western intelligence agencies.

Launch capacity to low Earth orbit is about 22.8 tonnes (50,000 lb). Geostationary transfer capacity is about 6.3 tonnes (14,000 lb). Commercial launches are marketed by International Launch Services (ILS). In 2013, the rocket was intended to be retired before 2030.

As of June 2018, production on the Proton rocket is ceasing as the new Angara launch vehicle comes on line and becomes operational. No new launch service contracts for Proton are likely to be signed.

第4165回：宇宙系安加拉火箭，阿麗亞娜運載火箭