N1運載火箭

zh-hans:拜科努爾; zh-hant:白寇奴爾;N-I運載火箭

N1運載火箭 （「N」源自Ракета-носитель，運載火箭；俄語字母：Н1）是蘇聯太空計劃中研發的載人登月超重型運載火箭。N1運載火箭是美國阿波羅計劃土星五號的對手，但研發工作啟動比後者晚了近4年，不僅資金短缺、未經測試，而且1969年至1972年間四次發射試驗都失敗了，於是蘇聯在1976年正式取消了這項工程。

## 歷史

1959年在謝爾蓋·科羅廖夫的帶領下，科羅廖夫設計局（OKB-1）開始研發N1運載火箭。原方案是在火箭的上面級使用一台核發動機，使之能夠發射50噸的載荷，用於軍用太空站和載人火星飛船的發射。其中N1火箭尺寸最大，N2稍小，N3最小。當時並沒有展開實際研發，N系列還只停留於計劃階段。

1959年12月，在一場匯集了所有主設計師的會議上，設計師各自提出他們最新設計。科羅廖夫提出了N系列以及更保守的R-7。弗拉基米爾·切洛梅，科羅廖夫的對頭，提出了他的"通用火箭"系列，使用一個通用的下面級搭配不同的模塊來滿足多種載荷需要。米哈伊爾·揚格利提出用R-26來代替R-16。最後，會議主持者決定將切洛梅的UR-100作為新的輕型洲際飛彈，將揚格利的R-36作為重型洲際飛彈方案，而他們認為沒有使用科羅廖夫的超大型運載工具的必要，但給了他許多研發資金，以支持他將R-7改進為閃電號運載火箭（8K78）。

情況在1961年有了轉機，3月在一次在拜科努爾舉行的會議期間，諸位設計師一起探討了N1方案和另一個正在設計中的R-20方案。6月，科羅廖夫得到了用於N1研發的小額經費。1961年5月，一份名為《重新考慮用於防禦目的的航天運載器計劃》中明確指出要在1965年試射N1火箭。

當美國在1961年5月宣布實施人類登月計劃時，科羅廖夫提出了基於一種新型飛船（後來的聯盟號）進行地球軌道交會的登月計劃。這個計劃需要發射數次來完成登月組件運用，一個是聯盟號飛船，一個是登月艙，還有用於地月間推進的發動機和燃料的輔助設備。這降低了運載火箭的性能需求，但是以必須快速完成組件發射為代價的。因為必須在組件的燃料耗盡前進行組裝。然而當時的蘇聯還是無力進行這樣密集的發射。科羅廖夫於是研發50噸級版本的N1。

為了支持這個提議，瓦朗坦·格盧什科為科羅廖夫的方案提供了新型的RD-270發動機。這種發動機已廣泛用于格盧什科的現有發動機設計和多種洲際飛彈中。然而，RD-270使用的四氧化二氮和偏二甲肼產生的比沖低於煤油液氧組合。科羅廖夫認為高性能發動機必須用高性能燃料，而且也對使用聯氨的安全性提出質疑。

分歧最終導致科羅廖夫與格盧什科的合作陷入僵局。1962年，設計委員會打破僵局並表示支持科羅廖夫的方案。因為格盧什科的退出，科羅廖夫不得不另尋出路，他找到了尼古拉·德米特里耶維奇·庫茲涅佐夫的OKB-276設計局。庫茲涅佐夫的火箭設計經驗有限，他將一種根據海拔不同型號各異的發動機NK-15提交給科羅廖夫。為了達到要求的推力，有人提出在下面級周圍使用數台NK-15，形成發動機群，這種環狀結構中間留空，讓空氣通過。使空氣和廢氣混合以增加推力，同時氧化廢氣中故意增多含量的燃料。N1第一級的環形發動機群形成了一種原始的氣尖發動機。

同時，切洛梅提出一系列繞月飛行計劃，他認為這樣也可能擊敗美國。他還提出在推力器上使用由三台UR-200組成的發動機群，然而在格盧什科把RD-270交給切洛梅後，這個方案也被放棄。因為使用RD-270可以設計出更簡單的發動機版本。這個方案就是UR-500。

當時的蘇軍尤其是戰略飛彈部隊，並不支持這種對軍事無益的政治工程。而科羅廖夫與切洛梅卻極力促成登月計劃。1961年至1964年間，切洛梅的保守方案被普遍認同，於是UR-500和聯盟號 7KL1的研發被提上了日程。雙子座計劃讓美國在太空領域領先於蘇聯，於是科羅廖夫向赫魯雪夫施壓，要求必須在美國之前進行載人登月。由於當時對地球軌道集合的研究甚少，以致最後不得不選用類似阿波羅計劃的直接起飛方案。而這需要推力更大的助推器。

科羅廖夫於是提出了研製大型N1的想法，同時設計出新的登月飛船L3。L3飛船包含了地球推進發動機，改造後的聯盟號 7K-L3和新的LK月球著陸器。而切洛梅提出了另一套方案，一艘已經開始研製的L1飛船和他自己設計的著陸器。1964年8月，科羅廖夫的方案被選定，而切洛梅則繼續他的環月飛船UR-500/L1的研發。

1964年赫魯雪夫垮台後，兩人重新開始了明爭暗鬥。1965年10月，蘇聯政府宣布：繞月飛行任務將使用切洛梅的UR-500搭配科羅廖夫的聯盟號飛船，代替了切洛梅自己的探測器號飛船。第一次發射定於十月革命50周年之際的1967年。而科羅廖夫堅持自己的N1-L3方案研究，雖然他贏得了這次學術爭鋒，但L1的研究也在繼續。

1966年，科羅廖夫死於一次外科手術併發症，他的工作由他的助手瓦西里·米申（Vasily Mishin）接管。米申沒有科羅廖夫的政治頭腦，這個問題導致N1最後的失敗，以致登月計劃整體的失敗。

## 描述

N1高105米（345英尺），在高度，質量和有效負載上僅次於世界第一的土星五號。N1-L3方案採用五級推進，從下到上依次為A、B、V、G、D級（以前5個俄語字母命名），前三級將飛船送入地球軌道，其餘兩級用於地月推進。加滿燃料滿載情況下，N1-L3重2788噸（6.1百萬磅）。下面三級呈截錐體形，最下部直徑約10米，這是受箭體內燃料箱形狀的限制，一個較小的球形煤油箱在上部，較大的液氧箱在下部。上部分呈圓柱形，直徑4.4米。

第一級A段，由30台NK-15發動機驅動，發動機排成兩個環，外環24台，內環6台。這些發動機都是分級燃燒循環的先例。控制系統基於發動機的差動節流，外環應付傾斜和偏轉，安裝在框架內的六個用於應付滾動。A段還裝有四個柵格翼，這種平衡裝置後來用在了蘇聯的空空飛彈設計上。A段總共產生4620噸（1000萬磅力）的推力，遠遠超出土星五號的3469公噸（765萬磅力）的推力。飛行過程中若部分發動機出現故障，控制系統會自動關閉該發動機及其對稱布置的發動機。N-1火箭允許關閉4台發動機。

第二級B段，由8台NK-15V發動機驅動，也排列成環形。NK-15V與15的區別就是吊鐘形渦流室和高空發動機性能。

上面級V段，裝了4台更小的NK-21發動機，排列成矩形。

在N1的研製過程中，不斷有各種發動機改進方案。將第一級的NK-15改進為NK-33，將第二級發動機改進為NK-43，後面三級採用NK-31，改進後的NI被稱為N1F，然而直至登月計劃結束，這種改進型都沒有試飛過。

比起土星五號，N1雖然推力更大，但效率較低，只能將95噸的物體送入低地球軌道，而土星五號可以運送130噸物體。這是由於N1全箭都以煤油做燃料，而美國對氫氧燃料的研究起步早，使得土星五號設計時選用了比較成熟的氫氧發動機，具有更高的比沖，以此獲得了較高的效率。

## 存在問題

複雜的發動機群導致輸送推進劑的管道設計也很複雜，而這種極端脆弱的結構是導致N1最後失敗的罪魁。有趣的是，當時是否要花大價錢研發用於土星五號的F-1發動機還是一個爭論的焦點，有一種設計方案就是採用類似N1的發動機群。而N1的失敗證實這一方案並不可靠。

用於發射N1的拜科努爾太空發射場並不能水運。為了通過鐵路運送火箭，箭體各級都被拆散再重新組裝。結果，許多潛在問題都不能即時發現並排除，例如有害震動（可能導致推進劑管道破裂），廢氣流體力學問題（可能導致箭體翻滾）。

種種的技術失誤，以及缺乏資金支持，N1從未經過嚴格的出廠測試，甚至N1每次爆炸都在一二級分離之前。計劃的12次試飛也因前四次徹底失敗而提前告終。

登月計劃取消後，米申繼續N1F研發，希望這款火箭今後能用於發射一個類似美國天空實驗室的大型太空站。研究還是在1974年因格魯什科接替了米申而宣告終止。當時兩枚N1F已經做好了發射準備。

緊隨N1計劃之後的是1976年的能源號／暴風雪號計劃啟動，以及質子火箭的研製。

## 遺物

兩枚待飛的N1F火箭殘體現在仍擺放拜科努爾，被當作儲藏庫。起動發動機被人為破壞以掩蓋蘇聯破產的登月計劃，以此欺騙美國以為登月競賽還在繼續。這個秘密直到開放政策時期，火箭遺物被公開展示才公諸於眾。

而N1F上的發動機未遭破壞，因為雖然火箭整體不可靠，但單獨的NK-33和NK-43還是很先進可靠的。約150台發動機被保留下來，90年代中期，俄羅斯政府把其中的36台以每台110萬美元的價格賣給了噴氣飛機公司。

## 發射歷史

- 1969年2月21日：由於燃氣發生器意外地高頻振動，一處導管裂開，導致發動機失火。火勢延伸到發動機控制系統，於是在飛行68.7秒後，發動機停機。火箭在69秒後在12,200米高空爆炸。
- 1969年7月3日：一顆鬆動螺柱被吸入燃料泵，導致控制系統停止了30台中的29台發動機，發動機停機23秒後火箭爆炸，炸毀了發射塔，成為火箭應用史上最大規模的爆炸。
- 1971年6月24日：起飛後就不正常轉動，且超過了控制系統的可調範圍，51秒後火箭在1千米高空爆炸。
- 1972年11月23日：40千米高空處，其中一台發動機遭遇縱向耦合振動，其他發動機程序性停機，導致4號發動機爆炸。

## 注釋

整個火箭系統其實應該叫做N1-L3：N1是地球推進級，L3是地月推進級。關於這個名稱，現有俄語資料比較混亂，因為在俄語中，N1-L3（俄語：Н1-Л3）和N1-LZ（俄語：Н1-ЛЗ）極為相似。). 而英語資料一致指向L3，因為L1到L5是一個系列。

## 參見

- SpaceX星艦——後世美國SpaceX公司開發的類似重型火箭，同樣第一級使用33台猛禽火箭發動機提供推力。
- 長征九號運載火箭——後世中國航天局開發的類似重型火箭，在2021年重新設計後，在2023年版本中，第一級使用30台火箭發動機提供推力。

## 基本資料

- 圖像尺寸：300
- 用途：載人登月超重型運載火箭
- 製造商：OKB-1
- 製造國家：蘇聯
- 直徑：17 m
- 質量：2,735,000 kg
- 級數：5
- 近地軌道：95,000 kg
- 現狀：退役
- 發射場：LC-110, 拜科努爾
- 總飛行次數：4次
- 成功：0
- 失敗次數：4次
- 首次發射：1969年2月21日
- 末次發射：1972年11月23日
- stage1name：A段
- 發動機：30台NK-15
- 推力：5,130,000 kgf
- 推力：50.3 MN
- 推進時間：125 s
- 比沖：330 s
- 推進劑：RP-1/LOX
- stage2name：B段
- 發動機：8台NK-15V
- 推力：1,431,680 kgf
- 推力：14.04 MN
- 推進時間：120 s
- 比沖：346 s
- stage3name：V段
- 發動機：4台NK-21
- 推力：164,000 kgf
- 推力：1.61 MN
- 推進時間：370 s
- 比沖：353 s
- stage4name：G段
- 發動機：1台NK-19
- 推力：45,479 kgf
- 推力：446.00 kN
- 推進時間：443 s
- 比沖：353 s (3,460 N·s/kg)
- stage5name：D段
- 發動機：1台RD-58
- 推力：8,500 kgf
- 推進時間：600 s
- 比沖：394 s (3,860 N·s/kg)