航天帝国被禁锢的脚步——苏联载人登月失败原因分析洞穴之外

     


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导读



1969年2月21日和7月3日,苏联驱动着它的前两发N-1火箭升空,但均发生爆炸,对阿波罗计划发起挑战的希望已成泡影。在1971年和1972年的两次失败后,从此退出了历史舞台。航天帝国的脚步被禁锢在了有限的高度。

 关于N-1火箭的设计以及这四次失利过程,目前互联网有大量资料,本文不再做特别详述的分析,而聚焦于失败原因分析。

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今天是2019春节上班的第一天,总要做点什么。
 
2019年,是美国阿波罗11载人登月50周年。
 
1969年7月21日2点56分(UTC),阿姆斯特朗扶着登月舱的阶梯踏上了月球,说道:这是我个人的一小步,但却是全人类的一大步(That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.)


图 阿姆斯特朗在月球“静海”留下的第一个人类脚印


在同一年里的2月21日和7月3日,苏联驱动着它的前两发N-1火箭升空,但均发生爆炸,对阿波罗计划发起挑战的希望已成泡影。在1971年和1972年的两次失败后,从此退出了历史舞台。航天帝国的脚步被禁锢在了有限的高度。
 
关于N-1火箭的设计(尤其是一级30台发动机,全箭30+8+4+1+1=44台主发动机的配置),以及这四次失利过程(尤其是控制系统工作过程),目前互联网有大量资料,本文不再做特别详述的分析,而聚焦于失败原因分析。

N-1火箭来源



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 N-1火箭最初不是登月火箭。1956年9月14日项目计划启动,科罗廖夫给它起了个平淡的名字,N-1,N(носитель,Nositel)代表运载的意思,工业编号11A51。这个阶段的N-1是一枚巨型火箭,可以把50吨的有效载荷送上轨道。与土星V把人送上月球的单一目标比起来,N系列火箭是多用途火箭。科罗廖夫为获取军方支持,暗示它可以发射军事侦查卫星。但因为它没有明确的军事用途,所以军方不支持。直到1960年6月23日,情况有所改变,受到之前成功探索宇宙空间的鼓舞,加上美国发表土星运载火箭研制进度报告的刺激,苏联政府颁布715-296号决议,即《关于1960-1967年研制大型运载火箭、卫星和征服宇宙空间的决议》,授权发展大型运载火箭系统,如N-1火箭,同时授权研究液氢、离子、等离子和核动力火箭,这项决议还授权研究N-2火箭(工业编号11A52),可以发射75吨载荷,但这取决于液氢和核动力火箭等研制进展情况。此项决议还建议进行绕月飞行和星际飞行。

 

N-1火箭50吨的设计目标,对于载人登月来说远远不够(土星V号达到120吨),它隐含的目标是载人绕火,而不是载人登月。
 

1964年8月3日,苏联做出了655-268号决议,即《关于探索月球和外层空间有关工作》决议,正式决定:开展登月计划,由科罗廖夫的OKB-1设计局承担项目任务,争取在1968年把人送上月球;继续进行绕月飞行计划,由切洛梅的OKB-52设计局承担,争取在1967年实现载人绕月飞行

 
苏联确定载人登月决策后,N-1火箭需将有效载荷提升到95吨(其间科罗廖夫曾合并了N-1和N-2概念,将其能力提升到75吨),对原设计调整如下:


  • 一级发动机由24台增加到30台;

  • 一二三级发动机推力均提高2%;

  • 发射前加注过冷推进剂;

  • 用塑料代替钢材制造一些关键部件;

  • 轨道高度、倾角降低。

N-1火箭构型



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 说起N-1火箭,自然要与土星V号火箭比较。


图 土星V VS N-1

 

 

图 N1-L3登月系统全图,由N-1火箭和L3登月器组成

 

图 N-1火箭一子级示意图,注意特殊的环形发动机和用于飞行稳定的4个栅格翼


图 N-1火箭二、三子级示意图

 

所有人都会为N-1火箭一子级的30台发动机所倾倒,并认为其将前苏联暴力美学发挥的淋漓尽致科罗廖夫其实充满了无奈,公认的原因是科罗廖夫和格鲁什科不对付。
 
在N-1研制初期,格鲁什科为N-1各级火箭设计了不同的发动机:RD-114、RD-115、RD-200、RD-220、RD-222、RD-223。没有一个被科罗廖夫相中,都是氮基燃料,他讨厌这种燃料。一向资源丰富的科罗廖夫把目光投向了古比雪夫飞机制造厂的尼古拉.库兹涅佐夫,请他协助设计制造用煤油和液氧为燃料的发动机。库兹涅佐夫没有制造火箭发动机的经验,知道自己没有能力研制大推力发动机,但数量很多的中等推力煤油燃料发动机加起来也可以实现大推力的要求,这就是NK-15。
 
总设计师都是沟通的天才,冯.布劳恩如是,科罗廖夫也如是,他集指挥、激励、协调、领导、设计和追求细节的能力于一身,他有超凡的预见力、工作热情和旺盛的精力,这些都极大地感染了他的合作者和下级。有人说他拒绝在技术问题的妥协,拒绝格鲁什科的有毒推进剂,是他的固执所致。是格鲁什科的不配合,还是科罗廖夫的固执,不得而知。

笔者感兴趣的一个资料是,在SS-8导弹—世界上最后一款液氧煤油洲际导弹—研制过程中,科罗廖夫引入了库茨涅佐夫。不知道是库兹涅佐夫的天才感染了格鲁什科,还是让他感受到了巨大的压力。格鲁什科又回到了液氧煤油推进剂,一如他当年与科罗廖夫在R-7上的合作,他设计了RD-111发动机。

 

但根据资料,其间(50年代末到1964年)发生了两件事情。一是格鲁什科在发动机研制中遇上燃烧室高频率振荡问题,花费了很长时间对发动机进行修补工作;二是科罗廖夫请格鲁什科为N-1火箭设计一个液氢液氧发动机,他说液氢作为火箭燃料完全不可行。笔者能不能做个如下的猜测,当然,仅仅是猜测格鲁什科对于新鲜事物的兴趣,远没有科罗廖夫来的那么强烈,并且可能对液氢液氧、液氧煤油没有信心,甚至是恐惧,远不如与杨格尔合作的RD-214(1953-1955)以及与切洛梅合作的RD-253(1961-1963)干起来那么得心应手。在格鲁什科接替米申总设计师职务,主政能源联合体设计局后,即使在已有F-1发动机成功经验的情况下,他的RD-170也还是采用了四个喷管。在这个猜测下由于理念之争,科罗廖夫坚持发掘新人、锻炼新人就有一定的道理了,譬如他在东方号的二级上发掘了科斯贝格,现在又是库兹涅佐夫,他甚至到克里姆林宫坚持说要放弃格鲁什科的发动机,赞成用库兹涅佐夫的NK-9,只是这次他失败了。

 

此处不留爷,自有留爷处。1962年6月26日格鲁什科开始研发海平面推力640吨的RD-270(从传奇的苏联RD-270到SpaceX新一代猛禽发动机——浅谈全流量分级燃烧循环的前生今世),专供杨格尔的R-56和老搭档切洛梅的UR-700。


 图 RD-270发动机


今天大家都说,至少在Falcon重型首飞之前大家说,科罗廖夫不与格鲁什科合作,选择多机并联就是个错误,这也是科罗廖夫的N-1之所以失败,冯.布劳恩的土星V之所以成功的根本原因。
 
只是早期的世界不是这样的,早期格鲁什科为N-1设计的RD系列,推力没有大于170吨的;早期,冯.布劳恩心中的大型火箭也不是现在土星V号的样子


1951年10月举行了一次航天讨论会,《科利尔》杂志编辑瑞安遇到了冯.布劳恩,冯.布劳恩宣称载人空间站将在1967年上天。1952年3月,《科利尔》出了一批太空飞行专刊,冯.布劳恩准备了15页的文章,以及火箭和太空船的工程图与草图。

 

图 科利尔杂志配图—布劳恩和他的载人火箭


根据冯.布劳恩的设想,火箭由三级组成,推进剂为硝酸和肼。


  • 一子级有51台发动机,总推力14000吨,工作84秒,推进剂总耗量为5250吨;

  • 二子级有34台发动机,总推力1750吨,工作124秒,推进剂总耗量770吨;

  • 三子级有5台发动机,总推力220吨。


毒发,90台主发动机,与之相比,N-1火箭真是小巫见大巫。也许,在这些总设计师的认知里,有多少菜吃多少饭才是第一性原理工程设计,永远没有理想的境地,永远都是在突破,永远都是在变不可能为可能。

 

科罗廖夫的哲学绝对是这样,他要抓住机会让火箭在第一时间上天,因此可能存在的缺陷会在火箭发展的早期暴露出来。在巨大压力下N-1火箭在继续进行着,科罗廖夫和他的继任者米申简化了地面试验部分,这种错误在土星V号火箭中未曾发生过


科罗廖夫有时为自己的错误辩护,政府没有投资建设适当的地面试验设施,他们本应给他更多的支持。赫鲁晓夫不同意这种说法,他说如果科罗廖夫申请的话,政府绝不会拒绝提供足够的经费来建立适当的地面试验设施,尤其是出自总设计师科罗廖夫的要求。

 

1967年9月N-1火箭开始了第一次发动机试车。之后二三四五级进行了整级火箭的试车,而第一级则没有做这样的试车。到N-1火箭首飞之前,发动机共经历了10万秒的地面试车。

 

考虑到一级没有开展整级试车,且发动机数量多,飞行中失效概率较大,作为总设计师,留个后手是十分有必要的,这就是N-1火箭的发动机操作控制系统,简称KORD(Kontrol Roboti Dvigvateli),俄文意思为机器人控制装置。当发动机出现故障时,它会自动关闭故障发动机和与之位置相对的无故障发动机,以保持火箭的平衡稳定。KORD也会重新设定燃烧状态,以弥补损失的推力。在一级发动机四台发动机和二级两台发动机出现故障的情况下,该系统仍能保证把飞船送入轨道。

 

关于N-1火箭的四次失败,请直接查看维基百科或百度百科,不再详述。

 

N-1火箭的创新点



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动力冗余


N-1火箭设计上,具备一级发动机四台发动机停机下继续飞行能力。无独有偶,2012年10月7日,Falcon9火箭飞行到79秒时,一级九台发动机中的一台突然失去压力然后关闭,在其他发动机的驱动下仍然完成了第一次将龙宇宙飞船送入轨道的任务。

 

栅格翼


栅格翼,不用多说了吧,因Falcon9火箭而闻名天下。自20世纪40年代开始,苏联科学家对栅格翼的空气动力、结构、强度、质量以及工艺制造等方面开展了系统的理论和试验研究工作,但是由于当时对这种翼面的各种特性认识不足,栅格翼没有被广泛应用。70年代开始,苏联科学家开始在导弹设计中应用栅格翼,特别是弹道导弹。这方面关注的少,论时间,难道N-1是首次采用?

 

过冷加注


N-1火箭为将运力提高到95吨,采用了过冷加注以增加燃料携带量,煤油被冷却到-15~-20摄氏度,液氧被冷却到-191摄氏度。无独有偶,Falcon9火箭2015年的首次陆地回收时,煤油降温到-6.6摄氏度,液氧到-206摄氏度。Falcon简直是在以各种方式向N-1火箭致敬


推力差动姿态控制


火箭姿态控制,有燃气舵、伺服机构、姿控喷管,也有民兵3导弹采用的喷管内液体喷射控制,还有N-1奇特的发动机推力差动控制,通过调节24台发动机推力,产生差值来控制俯仰和偏航姿态。据报道电子号火箭曾说后续采用此方案


N-1火箭失败原因分析



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对于苏联在登月竞赛中的失败,大家无不饱含着遗憾。有人认为,在早期空间探测计划取得很多突破后,如果组织得当,苏联应当能第一个达到月球。


米申对失败的解释包括:资源远逊于美国,设计局之间内斗,决策的反复,为了省钱而不做全面的地面试验,以及科罗廖夫在关键时刻的离世。其中尤其是错误地为了省钱而不做全面的地面试验一条,取得了大家的一致认同。

 

这些都对,但不是都说对历史要抱有一种温情与敬意,能不能换个视角来看待这个问题?笔者尝试着将自己代入当时的背景进行分析。

苏联地缘劣势带来的政治经济困局



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二战后,苏联拥有全世界最大的陆军、最多的坦克与最多的炮兵,但美国的一颗原子弹就逆转了这个局势。美国可以从西欧部署中程弹道导弹轰炸苏联,还可以用B-29、B-36,以及后来的B-52从本土轰炸苏联。

 

苏联不具备这个能力,1962年古巴导弹危机以撤回中程导弹告终,战略轰炸机不给力,而且被认为无法透过美国的防空网。在此背景下,赫鲁晓夫下令所有的设计局都必须研究导弹,否则就要裁撤,最后大导弹主义主宰了苏联军工业的发展,这是造成各设计局之间的竞争,以及战略目标的极其不坚定的根本原因

 

N-1火箭在任何时候,都需要宣称它的军事用途,如科罗廖夫包装了17枚百万吨级核弹头攻击美国本土,以及发射作战空间站等用途。1962年9月24日,苏共中央和部长会议批准了N-1火箭和GR-1(全球导弹)研制,但由于经费、NK-9发动机进度等,也许还包括R-7导弹以来军方对液氧、煤油的无感,1964年科罗廖夫的GR-1方案被取消,代之以杨格尔的SS-9。GR-1项目的丢失使科罗廖夫丢失了为N-1火箭进行测试的平台(没有大项目就没有钱)。

 

那么登月选切洛梅的UR-700可好?常规推进剂,威力惊人,而且大家都说UR-700发动机数量少,且有高成功的UR-500(质子号)案例,成功可能性更高。但现实很骨感,UR-500(质子号)火箭成功率并不高。1961年10月苏联在新地岛投掷了5800万吨级的“大伊万”,也称沙皇炸弹后,为解决投掷问题,切洛梅和他的OKB-52设计局设计和制造了质子号。切洛梅不喜欢匆忙行事,对火箭的设计进行了严格的地面试验。这种努力得到了回报,首飞成功,第一轮4次发射成功3次,但它的发展道路并不是一帆风顺的,早期的辉煌未能保持,前29次发射中有14次失败,并损失了多颗月球和火星探测器。

 

此外,切洛梅的OKB-52设计局隶属航空工业部,是国防工业部(后来两者都转到通用机器制造部)的外来户,在军方的人缘不佳。军方人士曾不怀好意地嘲笑说:杨格尔在为我们工作,科罗廖夫在为塔斯社工作,而切洛梅在为抽水马桶工作。切洛梅的保护人是赫鲁晓夫,由于他航空工业出身,具备大量组织量产能力,深得赫鲁晓夫喜欢,其次赫鲁晓夫的儿子谢尔盖.赫鲁晓夫毕业后一直在切洛梅的OKB-52设计局工作,由他穿针引线,经常在父亲面前说切洛梅的好话,也不无关系。但这种只走上层路线,与实权派搞不好关系,在1964年10月赫鲁晓夫被赶下台后,被乌斯季诺夫和科罗廖夫排挤就是理所当然的事了。终于,在1965年10月,科罗廖夫把绕月飞船从切洛梅领导的设计局接过来了,也把切洛梅挤出了绕月计划。但科罗廖夫也不能完全把切洛梅排挤出去,因为政府决定继续使用UR-500,即质子号火箭。科罗廖夫说服政府把N-1火箭正在采用的D段上面级用在质子号火箭上。

 

这里,科罗廖夫抢名誉吗?也许是抢资源吧!由于载人绕月项目采用了与登月项目一样的D段上面级以及相关联的成员舱,苏联的探月计划终于取得了一些规模经济效益。但留给科罗廖夫的时间已经不多了,美国人没给他时间,上帝更没给他时间。

 

科罗廖夫为了让他的N-1火箭飞起来,总是在跟时间打仗,争取政府部门财政支持。科罗廖夫设想,如果他有幸成功地发射一枚N-1火箭,就可以从他的政治领导人那里得到所需的资源,让计划结出果子来。但没有首飞成功就没有钱,没有钱就难有首飞成功,这也许就是科罗廖夫的宿命,N-1就是他生命中最大的一场豪赌。遗憾的是,1966年1月科罗廖夫死于手术台,上帝提前清场了。

前苏联综合国力不足且资源分散重复



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 米申抱怨资金不足,缺乏财务控制,力量在多个设计局之间分散了,有26个政府部门、500多个企业参与,管理糟糕。投资只有29亿卢布,折合45亿美元,而美国人在阿波罗工程上的投资是240亿美元

 

苏联综合国力仅为美国的一半,可用在登月上的投入不可能赶上美国。纵观整个月球竞赛期间,苏联的GNP(国民生产总值)大约是美国的一半。1957年,美国的GNP是4500亿美元,苏联是2100亿美元,只是前者的46.6%。1969年,即登月那年,美国GNP是9300亿美元,苏联是4070亿美元,是前者的43.7%。即使苏联在空间事业上的投入占国民生产总值比例更大,仍然会远远小于美国的投资总量。美国人估计苏联在空间事业的高峰年(1966~1970年),投资总量占国民生产总值的1.25%。中央情报局估计苏联的投资从1962年的10亿美元上升到1966年的50亿美元,在月球竞赛的高峰年稳定在55亿美元左右。其中,N-1火箭计划占了大约20%,即48亿美元(相当接近米申的数字)。

 

如果苏联人较小的财力能得到非常仔细的使用,那么较低的投资率也就不一定会成为一个压倒性的问题。在苏联空间计划早期,苏联通过对有限资源的精心配制,就可以取得举世瞩目的成就。但是,苏联从20世纪60年代初开始挥霍有限的资源。1964年的决议批准了不是一个而是两个探月项目,即N-1和切洛梅的UR-500K。实际上更糟糕的是,到了60年代中期,苏联不仅在运行两个探月项目,而且还有空间站、航天飞机和其它军用项目,同时开展的载人航天项目不少于7个。在不同的设计局研制这么多的项目,很少能达到规模经济的要求。在航天领域的精力分散和重复,使得苏联根本无力承担。

 

 肯尼迪总统在1964你曾经这么说:只要竞争维持在火箭和当时存在的硬件的水平上,莫斯科会赢。但是竞争到土星V号、阿波罗和N-1这种程度时,竞赛实际上是在考验两个超级大国在认真努力的事业上投入大笔资金的能力。早在1961年《新闻周刊》把太空竞赛比作西北太平洋Kwakiutl部落的冬节仪式,他们将最值钱的东西往火里扔。但是,这个月球冬节正是这个国家所需要的,也正是它所得到的。

 

按另一位专家的话说:美国人花了150亿美元建立了一个试验基地,我们只花了10亿美元。苏联没有能够到达月球,因为他们想便宜地到达月球

 

盘根错节的管理体系和设计局之间的内斗倾轧



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 1957年10月4日,苏联发射第一颗人造卫星后,美国举国震动。作为应对,总统艾森豪威尔要求海军发射卫星,但屡次失败。经过调查,艾森豪威尔发现了问题的根本症结。美国不是没有很好的科学基础,也不是技不如人,而是航天资源太分散,缺乏统一的组织与管理。当时,全美国做航天研究的单位非常多,却彼此独立。比如,美国陆军俘获了德国纳粹火箭专家冯·布劳恩后,自认为自己最应该搞火箭,却得不到信任;而美国海军虽然也在研发火箭,但却缺乏关键技术与人才,只能硬着头皮发射火箭,发射了一颗影响美国人心理健康的”哑弹”。此外,还有各种名目的航天实验室、导弹兵工厂、发动机公司、飞机公司、大学研究所、个人团体等,都在做重复而无统一性的工作。这样的”百家争鸣””百花齐放”,肯定无法与苏联专制调配下的航天工业抗衡。

 

1958年7月29日,艾森豪威尔总统签署了《国家航空航天法案》,以法律的形式确定了太空研究的计划、方向和目标。10月1日,艾森豪威尔宣布成立”美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA,直接听命于总统,向总统汇报。在艾森豪威尔和第一任局长格伦楠的强力干预下,美国陆海空三军跟航天相关的单位,比如海军研究实验室、陆军弹道导弹局、空军火箭发动机研究所等机构的航天部门,均被划归美国宇航局,同时,格伦楠还拿到了喷气推进实验室的控制权,逐步构建了今日美国宇航局的雏形。

 

NASA是一个独立的机构,相当于部级单位,和国防部、教育部等平行,它的局长由总统直接任免,直接听命于总统。这种政策保证了局长和总统的统一性,保证许多或有远见或愚蠢至极的计划都能偏执地执行下去。


疑惑是种背叛,使我们遇事畏缩,输掉本可赢得的好与善。

—莎士比亚


  对比苏联,项目审批要经过多道环节层层把关,缺乏有效的统筹机构。在项目实施过程中,研究单位内部要经过设计局科技苏维埃的讨论,在外部还要经受总设计师委员会和国家专家委员会的审核。总设计师委员会无疑提供了总设计师之间矛盾公开化的机会,于是“有仇的可以报仇,有冤的可以申冤”。如果设计师们之间能够更加团结,能有完整的长期规划,苏联的宇航成就恐怕还要更辉煌。


设计局之间内斗倾轧。乌斯季诺夫和科罗廖夫关系不错,军方喜欢杨格尔,赫鲁晓夫喜欢切洛梅。各设计局相互明争暗斗,绕月、登月计划可以一调再调,1964年8月3日,《关于探索月球和外层空间有关工作》决议,科罗廖夫的OKB-1设计局争取在1968年用N-1火箭把人送上月球;切洛梅的OKB-52设计局争取1967年实现载人绕月飞行。1966年9月,苏联34位最具权威的专家受邀组成专家委员会,重审登月计划,决定N-1火箭和UR-700火箭的去留,一次性解决内部竞争问题,委员会报告确定N-1火箭胜出。但1967年7月21日切洛梅的UR-700蓝图获得签署(也许科罗廖夫还在的话会没有这事吧?),同年11月17日获得了苏共和政府的批准(1070-363号决议),这距批准N-1火箭作为登月火箭已三年了。苏联的月球计划充满着无序、浪费和混乱。

 

美国的目标就是一个——登月,苏联却分成了两个任务目标,分别给了两个不同的设计局。这是一种政治上的妥协,要造出两种不同的硬件。如果苏联的资源比美国丰富得多,还说得过去,然而情况却恰恰相反

 

表 三种登月火箭参数对比


N-1

R-56

UR-700

设计者

科罗廖夫

杨格尔

切洛梅

设计局

OKB-1

OKB-586

OKB-52

奔月方法

月球轨道交会

月球轨道交会

直接降落

高度

105米

68米

74米

起飞重量

2750吨

1421吨

3400吨

登月飞船

33吨

30吨

50吨

一级发动机

NK-15

RD-270

RD-270

注:在登月火箭上,杨格尔的R-56火箭没有成为主要竞争者。有些人认为,杨格尔看到了内部竞争对苏联航天工业造成的伤害,因而不愿提出第三个方案来加剧资源的分化。


图 N-1、UR-700对比图

 

 一般印象中,苏联的空间计划是中央集权,美国是分散和竞争的方式进行的,事实正好相反。美国联邦政府在公用工程上的主导作用由来已久,如巴拿马运河、胡佛水坝、曼哈顿工程、以及“母亲之路”66号公路等。在美国,互相竞争的公司提出方案进行投标,但只有一家公司中标,开发项目并制造硬件(称为主承包商)。反观苏联,一直有2家设计局在竞争探月项目,无论是设计还是制造。各个设计局不择手段地谋求党和政府中同盟者的支持。不仅如此,敌对的派别总是试图让决策者改变对自身不利的决定,并使自己的项目得以保留,如UR-700项目的决策过程中就翻了好几次烧饼,在它被否决之后,又多次拿回到议事日程中,这种竞争对手之间的内耗,对项目进展产生巨大的负面作用。

苏联没有从人类征服太空的角度去认知载人登月



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1957年10月4日,苏联发射第一颗人造卫星后,美国举国震动。美国总统艾森豪威尔1958年4月向国会宣讲的咨文,酝酿成立美国宇航局,以达到:


  1. 提高人类对地球和宇宙的认识;

  2. 改进飞机的用途、性能、安全性和效率;

  3. 发展能携带武器、设备和生物进入宇宙的飞行器;

  4. 保持美国在航空航天领域的领先地位;

  5. 向政府提供有军事价值或军事意义的研究成果;

  6. 与其它国家合作,从事空间研究成果的和平利用;

  7. 最有效地利用美国的工程力量,避免重复建设。

 

咨文中首要目的是“提高人类对地球和宇宙的认识”。现在,美国宇航局公之于众的职责,是几行简洁的诗样文字:



美国宇航局执着于探索


美国宇航局专注于发现


美国宇航局努力寻找问题的答案




为了这个目标,遍布世界数以万计的人,已经用60年的探索,试图给出一些基本问题的答案:宇宙深处有什么,我们怎样才能到那,在这探索中我们怎样才能使我们的生活更美好。


正如2018观点总结:SpaceX民营火箭都上天了,做火箭难不难?》所说:美国军方搁置了F-1发动机研制,1958年NASA成立后,他们需要这样的发动机!洛克达因一些工程师们提到这段往事:“NASA的人找到了我们,说是很中意我们的发动机。我在想,天哪,美国空军抛弃了我们两次,这次又轮到新成立的NASA了吧。不过,他们的人看起来很真诚,而且仿佛不太关心地球上的事情,对洲际导弹的项目也不感兴趣。我们觉得他们应该是要把我们的发动机用在地球之外的事情上。这让我们感到很兴奋。”

 

因此,对于苏联来说,人造卫星、加加林的突破固然很好,吹牛涨面子,但吹牛只有当时和事后的快感,没有生存的压力或理想信念的支持,很难为吹牛开展持久的提前布局。在上世纪60年代的苏联眼中,只有导弹,其它的都是可以商量的。国防部长安德烈.格列奇科(1967-1976任国防部长)甚至说:我不给你人,也不给你钱,我不想和政府一样助你们有钱花在无用处的风气,总之我反对登月计划。

一个浪漫主义总统赋予了美国航天黄金十年



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 1957年艾森豪威尔总统任内苏联发射第一颗人造卫星后,他组建了一个名为“关于载人航天的特别委员会”评估登月所需费用,委员会估计需要投入250亿~580亿美元。艾森豪威尔震惊了,着手削减NASA预算,取消了除“水星”计划外的所有载人航天项目

 

1961年4月12日加加林上天后,下一任总统肯尼迪会见了他的顾问们,他听到他们嘴里嘀咕“我们可能再也追不上了”,浪漫主义总统肯尼迪说:我们能干什么?我们能在他们之前绕月飞行吗?能不能在他们之前把人放上月球?


NASA的德赖登副局长解释他们的一个希望是类似曼哈顿工程的一鸣惊人的计划,但这将耗资400亿美元,得胜的概率不超过50%。肯尼迪说:经费瞧我的。

 

没过几天肯尼迪会见了林登.约翰逊,发给他一个备忘录:是否有机会放个实验室到太空来击败苏联?或者作一次绕月飞行,或者发射一枚火箭到月球,或者进行一次载人的登月飞行再返回地球?有没有其他我们能赢的机会带来惊人结果的太空计划?

 

约翰逊的回答主要集中在政治层面,“苏联通过令人印象深刻的太空技术成就使其在世界上的威望超过了美国。。。炫目的太空成就越来越被人们认为是领导世界的主要标志”。

 

1962年,肯尼迪在休斯顿赖斯大学以阿波罗为主题做了演讲:


不管我们参加与否,人类对宇宙的探索将不断向前,这是有史以来最大的冒险之一,在这个争夺太空的竞争落在后面是不可能成为其他国家的领导者的。


全球的目光现在都注视着太空,注视着月球,注视着行星以外遥远的太空。我们发誓,我们不会看到它插着敌方政府的旗帜,而是自由与和平的旗帜。


我们在这新的海洋里扬帆,因为能获得新的知识,赢得新的权利,这些新的知识和权利必须为所有人的进步所赢得、所使用。


但是有人会问:为什么到月球去?为什么选它为目标?他们完全可以问:为什么要攀登最高的山?为什么35年前要飞跃大西洋?赖斯队为什么要与德克萨斯队比赛?


我们选择到月球去!我们选择了这十年到月球去并且干其他事,并不是因为它容易,而是因为它艰难。因为这个目标可以组织起和度量我们最好的力量与技术。因为这个挑战是我们愿意接受的,是我们不愿意推迟的挑战,是我们要赢的挑战。


事情总在变化,1962年古巴导弹危机后,苏联开始谋求与美国共同主宰世界,在1963年签订“部分禁止核试验条约”后,美苏关系有所缓和,阿波罗计划面临了短暂的论战。一些领导谴责它代价抬高,并对其价值提出质疑。国会后来将NASA的预算削减了5亿美元。1963年11月22日肯尼迪被暗杀后,论战就平息了,登月成为政治上极其神圣的目标,因为它成了这位殉难领袖的纪念碑。同时经济的腾飞,促成了登月计划的进行,NASA的预算从1962年的12亿美元跃至1966年的59亿美元,各承包商共计雇员41万人,单NASA就有3.6万人,全国靠此太空计划为生的人数超过100万。

 

类比苏联,上世纪60年代,尤其是1966年,科罗廖夫病逝,能整合资源的人没了,赫鲁晓夫下台,好不容易形成的平衡关系被打破,各设计局又炒起了新一轮的冷饭。

 

历史某些时候总是有些巧合,正如《大秦帝国》尾记中作者所描述,秦国从秦孝公起,巧遇六代明君,不懈努力才统一中国。而之后,如果秦始皇不死在沙丘,或者李斯不变节,或者王贲不死,秦国或许将是另一个景况了。也许这就是国运吧。

美国载人登月的胜利是系统工程和地面试验的胜利



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N-1火箭只是载人登月的关键,还远不是全部,正如土星V火箭不是阿波罗计划的全部,美国人为登月飞行准备了4项辅助计划是:


  • 徘徊者号探测器计划(1961—1965年):主要目的是为了研究整个月球的外观,测量月球附近的辐射和星际等离子体等,评估月球环境对载人飞船着陆任务的影响,以便为阿波罗登月作准备。前5次均失败,第6次部分成功(着陆成功但未获得月球照片),后3次取得完全成功,在不同的月球轨道上拍摄月球表面状况的照片1.8万张,以了解飞船在月面着陆的可能性。

  • 勘测者号探测器计划(1966—1968年):主要任务是进行月面软着陆试验,探测月球并为“阿波罗”号飞船载人登月选择着陆点。“勘测者”探测器落月时只能简单地执行事先设计好的降落程序,然后听天由命。从1966年5月到1968年1月共发射7个,“勘测者”系列探测器除了在落月中途失败过两次外,其余5次全部安全着陆,通过电视发回8.6万张月面照片,并探测了月球土壤的理化特性数据。

  • 月球轨道环行器计划(1966—1967年):主要任务是在绕月轨道飞行时拍摄月球正面和背面的详细地形照片,绘制0.5米口径的火山口或其他细微部分的月面图,并且为“阿波罗”号载人登月飞船选择着陆点。5次发射任务均圆满成功,对40多个预选着陆区拍摄高分辨率照片,获得 1654多张小比例尺高清晰度的月面照片,据此选出约10个预计的登月点。

  • 双子星座号飞船计划(1965—1966年):主要目的是试验轨道机动、交会和对接能力及让航天员在轨出舱,为“阿波罗”号飞船载人登月飞行作技术准备。“双子星座”飞船总共进行了12次飞行,其中2次无人飞行和10次载人飞行,以试验轨道机动、交会和对接能力及让航天员在轨出舱,共进行了52项试验,其中27项是实验和检验新技术,8项是医学试验,另外17项是科学实验,拍摄地球彩色照片1400张,为美国航天创造了数个“第一”。

 

与之对比,苏联在1958~1976年间,发射了近70枚月球探测器,失败率超过50%,其中N-1火箭全盘失败,与冯.布劳恩的全盘成功的记录相比令人痛心疾首。在1961至1975年间,土星I火箭的30多次发射,包括13次土星V号,除阿波罗6号外,均达到轨道或完成亚轨道任务,原因可以归纳为一个词:测试。

 

对所有参与者来说,阿波罗计划是极好的测试练习,它从螺母、螺栓开始:那些紧固件是用明尼苏达州德鲁斯附近梅萨比山露天铁矿内某一特定截面的铁矿砂制作的。螺栓的制作花了11道工序,产品必须经过每道工序的精心测试,合格后才交给下一道工序。合格证要发给铁矿熔炼成的铁锭、从铁锭锻造出的铁条、从铁条精炼出的钢条以及从钢棒加工出的螺栓本身。如此加工的螺栓的成本是五金店买到的螺栓的五倍,但是这是将宇航员送到月球的螺栓。

 

苏联人不是这么做的,密西西比的试车设施可以对整枚土星V号进行静态测试,但苏联没有那么大的试车台能容纳30台发动机的一级。用米申的话说:我们一件件单独测试,甚至想都不敢想所有30台发动机组装成完整的第一级后同时点火。

 

苏联有限的经济资源和糟糕的组织管理阻碍了N-1的全面地面测试,如果提前知道多台发动机集成引发的振动、声音、燃料流动和控制等问题,在N-1火箭上表现的是如此突出,科罗廖夫和米申也许就没有那么着急了。


发动机单台测试时可能都没有问题,但这不能保证总装在一起工作时不出问题。即使做了地面试验,也不能保证一定会成功,就像质子号火箭,以及阿里安V、德尔塔4H所表现的那样。不得不说,冯.布劳恩是伟大的总设计师,而且他的命也太好了,土星V号的表现太优秀了。

科罗廖夫的逝世使前苏联登月计划丧失了最后的荣光



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在苏联航天事业的早期,科罗廖夫把苏联空间计划整合在一起的方法,以及在人员组织与公共关系的处理方面的能力非凡。如果没有科罗廖夫,N-1火箭的进展绝不可能那么快。在月球竞赛的关键时刻科罗廖夫病逝,米申本人也承认,他驾驭不了其他的设计局,而科罗廖夫却有办法做到这一点。米申说:如果科罗廖夫还活着,我们将取得更多的成就。虽然米申个人才干突出,但他缺乏科罗廖夫那种魄力、组织才华与坚忍不拔的意志,以及将其他领导者组织在一起共事的气度。格鲁什科具有可与科罗廖夫相比的雄心,但是却没有能力处理好与他的政治主人的关系,他着力于达到技术目标,而没有站在他们的角度来看待这些计划。

 

从美苏全面竞争过程中,即使科罗廖夫在世,也无法首先做到载人登月,但他在继首颗卫星、首个载人、首个月球探测器外,有可能第一个把航天员送入绕月轨道,有可能完成N-1的成功飞行。

 

小结



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 N-1四射四败后,米申受到了日甚一日的抨击。1974年5月,勃列日涅夫解除米申的总设计师职务,由格鲁什科接替。没过几天,格鲁什科终止了N-1计划。1976年3月,苏联最终取消N-1火箭计划,并命令销毁所有的N-1火箭硬件,幸存下来的物件有:NK-33(NK-15改进型)火箭发动机,被存放在位于古比雪夫的工厂库房内,后来漂洋过海并与阿塔瑞斯火箭有段姻缘;半个燃料贮箱,改成了列宁斯克市内一个公园的音乐台顶棚;一个贮箱成了废弃的水箱。

 

失败让所有参加这项工作的人难受,而计划的取消,则让他们心碎。

 

1976年8月21日,随着月球24号采样返回,没有人意识到,这是苏联最后一次执行探月任务。就像没有人意识到,这时候的苏联,一个曾经朝气蓬勃的超级大国,已经变得暮气沉沉,最终令人心碎。

 

在后来的历史学家眼里,月球竞赛的失败成了勃列日涅夫时期(1964-1982年)的一个标记。加加林的飞行是共产主义事业的绝对顶峰,赫鲁晓夫可以将苏联描绘成一个充满活力、社会进步甚至自由解放的国家,国家领导的计划和以航天事业为主的投资是现代化的工具。

 

做个设想,如果在登月计划开始之初,苏联这样一个善于集中力量办事情的国家,有效地整合两个设计局,通过共同目标化解私人恩怨和个人情绪,有无可能给苏联注入新的活力,给军事和政治带来新的信心?

 

可惜没有假设,历史无言,这场登月竞赛,很有可能是20世纪历史的关键转折点。

 

后记



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1966年1月13日,科罗廖夫住进了医院实施结肠瘤切除手术时,卫生部长鲍里斯.彼特罗夫斯基在手术过程中发现一个更大肿瘤,手术继续进行当中,突然动脉血管破裂导致大出血发生,科罗廖夫衰弱的心脏无法承受长时间手术,1月14日因抢救无效永远离开了他的岗位。1月16日,他被安葬在克里姆林宫墙下。人们不遗余力地赞扬他那钢铁般的意志、无穷无尽的精力、丰富的想象力和技术天赋。


图 科罗廖夫


作为科罗廖夫死对头的格鲁什科,在1974年终于得偿所愿,接替米申负责OKB-1设计局的工作,并在之后将整个设计局整合进自己领导的军工联合体(后来成为俄罗斯能源火箭航天公司的雏形),算是大出了一口多年来对科罗廖夫的怨气。1989年年近80岁的格鲁什科在莫斯科逝世。


  

 图 葬于莫斯科郊外新圣女公墓的格鲁什科

 

切洛梅,在登月计划取消以后,他领导的设计局又多次参与苏联礼炮系列与和平号轨道空间站的研制工作,他研制的质子号运载火箭,至今仍活跃在航天发射第一线。1984年8月12日在莫斯科病逝。


 

图 同样葬于莫斯科新圣女公墓的切洛梅

 

作为科罗廖夫接班人的米申,在1974年被格鲁什科取代后就退居二线,专注于教学工作。2001年10月10日在莫斯科病逝。


图 科罗廖夫的接班人米申


曾经作为科罗廖夫下手和对手的扬格尔,在1971年10月25日在莫斯科骤逝,年仅59岁,他逝世的那一天,由他设计的一个LK型登月舱(即宇宙434)还在太空中遨游。



图 杨格尔


参考文献:


  1. 语宙:苏联载人登月计划始末——夭折的红色阿波罗

  2. 承载苏联载人登月梦想:N-1火箭

  3. N-1火箭到底发生了什么?为什么重型猎鹰成功了,他却炸平了发射台?

  4. 从传奇的苏联RD-270到SpaceX新一代猛禽发动机——浅谈全流量分级燃烧循环的前生今世

  5. http://www.russianspaceweb.com/n1.html

  6. https://en.wikipedia.org/wiki/N1_(rocket)

  7. 哈维(爱尔兰)著,邓宁丰译,《苏联/俄罗斯探月历程》,宇航出版社,2009. 


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背景简介:本文作者笔名洞穴之外,文章于2019年2月11日发表于微信公众号 理念世界的影子 (航天帝国被禁锢的脚步——苏联载人登月失败原因分析),风云之声获授权转载。

责任编辑杨娜



文章转载自微信公众号:风云之声

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