r17弹道******最大时速：开启人类航天时代的R-7******

小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文是小火箭经典******和运载火箭系列文章第二季的第二篇。从上一篇的V-2******一文的结尾部分，我们已经能够看到人们用弹道******将灵长类动物送上太空的多次尝试。

V-2******是当之无愧的现代弹道******和运载火箭的鼻祖，而从弹道******和运载火箭的发展史上来看，将人类真正带入航天时代的，当属苏联的R-7弹道******和运载火箭家族。

世界上第一枚洲际弹道******、第一颗人造地球卫星、第一位进入太空的宇航员、第一次月球探测、第一次行星探测都与这个******家族有着密切的联系。如今，我们依然能够看到这个******家族中的年轻一代为国际空间站的维护做着贡献。R-7******家族身上有着太多传奇，而其设计细节也有太多值得我们现在的******和火箭设计师借鉴的地方。

要做就做个大的

从严格意义上来说，苏联是在1946年开始拥有成体系的******与运载火箭设计生产系统的。

到了1948年，以科罗廖夫为总设计师的苏联******研发团队研制出了R-1弹道******。后来又有了R-3弹道******。27米长，直径2.8米，起飞重量为7.2吨的R-3******可以打击到3000千米之外的目标。

当时，将人类第一颗卫星送入太空的梦想在美苏等有能力发展远程弹道******的国家中得到的关注越来越多。美苏两国在二战之后的对抗也愈发明显，发展能够从各自的本土打击到对方领土的弹道******的任务需求也越来越强烈。

一开始，苏联方面有工程师提出，将3枚R-3弹道******并联起来发射的话，可以实现将卫星送入太空的要求，也能打到美国本土。

但是，科罗廖夫认为，从长远角度来看的话，苏联需要一枚更大的******，这枚******不仅仅可以满足打击美国本土的需求，更能够在将来把卫星送入环绕地球的轨道，把探测器送上月球、金星和火星。因此，无论是******还是火箭，要做，就做个大的！

分秒必争

于是，从1953年开始，整个团队把全部精力都放在了这个名为R-7的******上。

1957年，R-7******经过工程师们3年来的努力，终于横空出世。上图为矗立在发射场的R-7弹道******。

能够携带核弹头的******成为了核威慑力量的中流砥柱。按照大部分工程师认同的观点，当一枚弹道******的射程超过5500千米的时候，就可以被称作洲际弹道******了。美苏当时基本上都具备了发展这种武器的条件，所以，逐渐地，争夺第一的竞赛开始变得白热化了。

1957年4月，一辆专列将R-7弹道******运送到拜科努尔发射中心附近。1957年5月15日，******发射。但是，在飞行了88秒之后，******突发故障，随后，第一枚试射的R-7******坠毁在400千米外的沙漠上。

而这些活动，早已被美国盯上了。上图为从天上拍摄的R-7弹道******位于拜科努尔发射中心的发射塔架。这张珍贵的照片来源于美国中央情报局，由1957年飞临拜科努尔上空的一架刚刚入役的U-2侦察机拍摄。多年来，美国一直在寻找苏联的弹道******和运载火箭的研发中心和发射基地。终于，在1957年，趁着苏联的******试射活动开始密集出现的时候，美国的高空侦察机发现了位于丘拉塔姆小镇旁边的这个发射中心。

苏联第一次试射的失败让美国人感到机会来了。1957年6月初，一枚美国宇宙神弹道******拔地而起。美国康维尔飞机公司与1948年和1949年之间在新墨西哥州白沙******试验场取得了不少成果，不过该公司没能说服美国空军进行支持。但是，他们认为值得一拼，因此决定自筹经费继续进行研发。上图这枚宇宙神就是康维尔继续自己投了300万美元后的结果。可是，******发射后不久，就爆炸了，没能飞出洲际弹道******要求的飞行弹道。

1957年6月11日，得知美国人也在进行洲际弹道******试验的苏联人再次进行了一枚R-7弹道******的试验。不过，这一次比上次的飞行时间还要短。******升空后33秒，就出现了难以控制的滚转，在空中解体爆炸。

公元1957年8月21日，第3枚R-7弹道******被运往拜科努尔的发射架。当日，******从拜科努尔升空，冲出稠密大气，飞出了漂亮的亚轨道弹道，然后，******的弹头再入大气，一头扎进了太平洋。

5天后，苏联宣布成功进行了一枚洲际弹道******的试射，命中6000千米外的预定海域。

从此，洲际弹道******这类飞行器正式诞生了。R-7，这款初出茅庐的******使苏联成为了世界上最早掌握洲际弹道******技术的国家。（不甘心的美国人在1957年到1958年6月，共进行了8次试射，其中有6枚******在发射台上或者升空后不久爆炸，其中2枚试射部分成功，最远射程为966千米。后来宇宙神的射程达到了14480千米，等到小火箭专门为宇宙神写一篇文章的时候再来详述。）

R-7洲际弹道******全长34米，芯级直径3.02米，重280吨。

其设计最大射程为8800千米，圆概率误差为5千米，能够携带一枚TNT当量为300万吨的核弹头。

从外形上看，R-7******最大的特征就是侧面的4个外挂式助推器了。每台助推器的长度为19米，最大直径为3米。助推器越往上，越收敛，并逐渐变为一个倾斜尖锥。尖锥的顶角为10°。

R-7弹道******可以采用不同的弹头配置。从1957年到1961年，R-7进行了28次试射（其中25次成功）。不过，最后正式入役的，是R-7A（上图最右边那个）。

赢得又一个第一

在经过多次洲际弹道******试射后，苏联人认为，时机成熟了。于是，他们正式启动了人造地球卫星的发射计划。

1957年10月4日，在拜科努尔发射中心升空的，由R-7洲际弹道******改造而来的人类第一枚运载火箭，将人类第一颗人造卫星送入了太空。由此，太空竞赛正式拉开帷幕，人类也就由此开始进入了航天时代。

按照通常的说法，由R-7******改来的火箭为一枚二级运载火箭。但是，小火箭认为，严格来说，这是一枚一级半运载火箭。

传统意义上的二级运载火箭指的是一级先点火，然后一级与二级分离后，在一级火箭上面的二级火箭再点火全推力工作。

但是，R-7并不是这样子工作的。R-7的5台发动机（芯级1台，4个助推各1台）是在地面同时点火的，只不过，芯级的燃料贮箱大一些，能够使芯级发动机燃烧时间足够长。当助推器中的燃料烧尽后，助推器分离。

这样的设计，使得R-7避免了那个年代的多级******或者火箭要面临的一个重大难题：上面级发动机的高空或者真空环境中的点火可靠性问题。

R-7的所有发动机都在地面点火，这就避免了火箭在高空面临点火的难题。

R-7助推器分离的设计很有趣：燃料燃尽后，助推器底部与芯级相连的地方被火工品炸开，然后液氧贮箱中残余的高压气体被释放出来，使助推器绕着顶端与芯级相连的机构转动。该机构由球形接头和带豁口的连接盘组成，当助推器旋转的角度足够大的时候，助推器便从豁口中脱离下来，并最终坠落到地面。

从R-7******的底部向上看去，能够看到5台发动机的布局方式。

这5台发动机，每一台都有4个主燃烧室，因此，能够看到R-7系列火箭的底部有20个较大的喷管。

另外，注意中间的芯级发动机的四周，有4个小喷管，那是用来调整火箭姿态的游动发动机。而每台助推器上也有2台小游动发动机。游动发动机的摆动范围是±45°。

这个设计相对于V-2******的燃气舵来说，有非常大的优势。R-7对自身姿态有很强的控制能力。

还有，注意每台助推器底部与芯级靠近的地方都有亮亮的部分。那是一块包覆在助推器表面的不锈钢板，用来防止芯级的火焰对助推器造成伤害。

这是R-7******的4个助推器使用的4台RD-107发动机中的一台。

我们可以看到她有4个主燃烧室和2台用于调姿的游机。

RD-107是一台液氧煤油火箭发动机。没错！苏联人在上世纪50年代就掌握了成熟的液氧煤油火箭发动机的技术。

RD-107发动机的燃烧室压力为5.88MPa，海平面推力高达813.98千牛，真空推力更是超过了1000千牛。

R-7系列火箭芯级那台发动机叫做RD-108，基本性能和RD-107相近，只不过多用了2台游机，因此比RD-107重了93千克。

RD-107全高2.865米，整体外框直径1.85米，真空比冲313秒。这款自上世纪50年代来到这个世界的发动机，设计优秀，性能优良。不知道她有没有想到，60年后，人们依然在使用着她的改进型号。

上图为一个主燃烧室被剖开后的RD-107，我们能够看到圆柱段顶端的喷注盘（有337个喷注孔，这是小火箭的好友橡树高工亲自数过的）。燃烧室内壁亮闪闪的是耐高温铜合金。另外，小火箭认为RD-107的设计还有一个妙处：煤油紧贴燃烧室内壁流下，形成了一层液膜，使燃烧室内壁免遭高温燃气的灼伤。有关发动机喷管的设计和流场仿真，详见小火箭的公号文章《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》。RD-170虽然比RD-107的燃烧室压力大得多，但是计算原理相通。感兴趣的同学可以自行计算一下。小火箭在这里贴出RD-170的内流场计算结果，计算出RD-107的结果的可以自行比较一下，或者微信发给小火箭后台。

这是RD-107液氧煤油火箭发动机的涡轮泵系统示意图。最左侧是过氧化氢气体发生器，这种系统在小火箭的经典******系列文章《V-2******：现代弹道******和运载火箭的鼻祖》一文已有详述。

橙色部分为煤油泵，图中间的青色部分为液氧泵，右侧棕色的部分为热交换器。与V-2******的液氧酒精发动机相比，RD-107的涡轮泵既有继承，又有创新，虽然基本原理相似，但是RD-107的功率要猛得多。

进入工作状态后，RD-107的涡轮泵主轴将达到8300转/分钟的高速，产生5200马力的超强功率。

正在从拜科努尔发射中心的发射台上升空的由R-7弹道******改造而来的运载火箭。

要知道，最早宣布将要发射人造地球卫星的国家是美国。1955年7月29日，时任美国总统艾森豪威尔通过白宫新闻秘书发布美国将于1957年，即国际地球物理年（IGY）的时候发射第一枚人造卫星。结果，苏联的R-7火箭家族拔得头筹，在1957年10月4日发射了人类第一枚人造地球卫星。

就在冯·布劳恩带队的美国工程师团队急于兑现艾森豪威尔总统的承诺的时候，R-7火箭家族又一次给了他们巨大的打击。

1957年11月3日，R-7火箭家族的一枚火箭发射了人类第二枚人造地球卫星。这下子，美国人连第二也没能争到。而且，这枚卫星里面携带了一只为科学而献身的小动物。

莱卡，这只在莫斯科街头被人寻获的雌性流浪小狗，搭乘R-7系列运载火箭进入太空，成为第一只进入绕地轨道的动物。

苏联方面认为，这只乖巧的小狗具有哈士奇或者其他北欧犬种的血统，而美国的NASA则认定莱卡有部分萨摩耶血统。

缓过神来的美国人终于在1958年2月1日发射了他们的第一枚人造地球卫星（重13.97千克）。

然而，R-7系列火箭再一次创造了历史：

1958年5月15日，就在第一枚R-7******试射失败一周年的时候，苏联人将一枚载满地球物理探测设备的卫星送入了太空。在长达692天的轨道运行时间里，该卫星进行了大量观测和试验。

令人感慨的是，这枚卫星重达1.327吨！其质量是美国100多天前发射的人造卫星的95倍！

最右是R-7运载火箭，而左侧是美国同时期的各型运载火箭（基本上都会出现在小火箭的后续文章中）。仅仅从个头上来看，R-7系列火箭在当时算是独孤求败了。

赢得各种第一

第一枚洲际弹道******、第一枚运载火箭、将第一颗人造地球卫星送上太空，把第一个动物送入绕地轨道，让第一颗超过1吨重的卫星在太空工作，都是R-7完成的。接下来，近地轨道的圣杯中，或许就只剩下第一个把人类送入绕地轨道这一个了。

当然，就在全世界为R-7在近地轨道上创造的各种纪录而惊叹的时候。R-7系列火箭已经把目光望向了更远处。

1958年9月23日，R-7火箭发射了人类第一个月球探测器。然后，在人们的感慨声中，到1960年4月16日，R-7火箭连续发射了9个月球探测器。（总共有2次成功。）

后来的事情，可能大部分人就都知道了。科罗廖夫像是正在和一队航天员说着掏心窝子的话。

1961年4月12日莫斯科时间上午9时零7分，加加林乘坐东方一号宇宙飞船从拜科努尔航天发射场起飞，在远地点为301千米的轨道上绕地球一圈，历时1小时48分钟，于上午10时55分安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。他驾驶的东方一号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器，在轨飞行了108分钟。

此时的火箭，改进的地方主要是增加了一级。

增加的一级高3.1米，直径2.58米，里面装有一台RD-0109发动机。

该发动机也是液氧煤油的！也就是，苏联在上世纪60年代就掌握了在真空环境中启动的液氧煤油发动机技术。这一点即使放到今天，依然值得火箭设计团队骄傲。

RD-0109运行可靠，从1960年12月12日开始投入使用之后，一直为R-7系列运载火箭服务，直到1991年8月29日，该火箭发动机才算是走完了她31年的辉煌生涯。

增加的那一级与R-7系列运载火箭的基础级之间，由钢制桁架结构连接。

这样的结构，大家是不是觉得似曾相识呢？曾有小火箭好友留言询问某型运载火箭为什么有这样的一层长得像脚手架一样的框框，在这里刚好可以借助R-7系列火箭来说明一下。

这个钢制桁架的作用是让上面级点火的火焰更好地向四周排开。芯级基础级的结构主要是铝合金制成的，如果上面级的喷流直接喷到基础级顶端而无处泄流的话，1690℃的喷流（这里算是公布了发动机仿真计算的答案，之前做过计算的同学可以验算一下。）会直接把基础级顶端烧穿，从而引爆里面的残余燃料，后果不堪设想。另外，为了保护基础级，设计师在基础级顶端安置了一块厚厚的钛合金板材。

另外，注意上图底部，那个小三角形板子是R-7系列火箭的稳定翼。翼展为0.9米。

正在进行装配的R-7系列运载火箭。注意观察助推器与芯级之间的连接部分。另外，助推器最大直径为3米，芯级最大直径为3.02米，芯级的中后部变细，直径为2.2米。还有，注意仔细看喷管里面铜合金的颜色。助推器工作时间130秒，芯级工作时间为300秒，需要有非常耐热的材料保障喷管的强度和内型面形状。

R-7******、卫星号火箭、东方号火箭、闪电号火箭，她们用的都是R-7系列火箭的基础级，只不过因为载荷的不同，而有了不同的上面级配置。

而R-7系列火箭后来的改型的名字，就太令人熟悉了。小火箭相信，即使是对航天不太感兴趣的人，也知道“联盟”这个名字。

这枚火箭是庞大的联盟家族中的一枚。（联盟火箭是R-7系列运载火箭的最新一代的嫡传子嗣）。摄于1975年7月15日的这张照片中的这枚火箭不一般。她将要发射联盟飞船，执行联盟-阿波罗任务。联盟飞船将和阿波罗飞船在太空进行跨越国界的对接（太空握手）。小火箭认为，总有一天，太空探索的情怀会把全人类团结起来。另外注意，即使是到了联盟火箭这一代，那段钢制桁架还是存在的。还有，该火箭顶部有逃逸塔和栅格翼。

正在进行批量生产的R-7系列运载火箭。小火箭觉得这厂房里至少正在同时装配3枚R-7系列的火箭。

不知道你看到火箭芯级和助推级的这种配置的时候，有没有想过，既然5台发动机是在地面同时点火的，而且助推器工作时间为130秒。那么，助推器分离的时候，火箭应该已经飞出了稠密大气了，空气阻力减速的效果会变得不明显了，怎样保证助推器可靠分离呢？

小火箭计算了一下，130秒后，R-7系列火箭的飞行高度为55070米左右（考虑空气阻力，按六自由度弹道进行的计算，有不同计算结果的同学可微信后台联系。）此时，大气密度按照美国标准大气模型来计算的话，的确是非常小的。

小火箭其实在几年前也被这个问题困扰过。直到后来看了大量R-7火箭的发射视频和相关加速度数据，并由橡树高工解释后，才得知了R-7系列火箭的分离之道，在此分享给想要了解火箭设计细节的人。

在火箭将要分离前16.85至17.05秒的区间范围内，助推器的8台游动发动机全部熄火，然后RD-107发动机的燃料流量阀门、涡轮泵等系统协调工作，将RD-107发动机的推力减小25%。

这一系列动作主要是让火箭的速度稍微减慢一些，以减小分离时的动载荷，给芯级提供良好的启动条件。

然后，芯级的隐藏能量瞬间爆发出来，推力一下子增大了55%。原来，虽然芯级在地面就点火了，但其实并没有满负荷工作。直到分离完成的时候，芯级的强劲推力才真正显现出来。

这样的设计为包括加加林在内的大量航天员的安全提供了保障，同时也让小火箭觉得要重新认识苏联的设计。一直以来，人们以暴力美学、大力出奇迹等词汇来形容苏联设计。但是，其实苏联设计也有温柔的一面，也会通过一些细节，通过减小推力、减速等方式来提高安全性。

科罗廖夫、第一位航天员、第一位女性航天员，小火箭的后续文章会提及。

迷之喷管，别样的美丽

他们应该能够看到传说中的 科罗廖夫十字

发射控制室，注意中间的那个筒子是潜望镜。在这里控制和观看发射，俗称“进地堡”。

后来，R-7系列运载火箭的喷管材料有了新的改进，大量引入了钛合金。不过，火箭基础级的总体设计，60年来，没有大改。

如今，R-7系列运载火箭已经成了很多博物馆的标志

这种水平运输，垂直起竖发射的方式，几十年来也没有变化。变化的，只有人类越来越远大的理想和越来越复杂的航天器。

两张照片，跨越了两代工程师，然而，R-7系列火箭风采依旧，依然是世界上最重要的运载火箭之一。

这枚联盟2.1a有个大头。

2008年10月10日，拜科努尔的落日。R-7系列运载火箭在这里进行了太多次发射。

小火箭进行了统计，从1957年5月15日的R-7弹道******的首次试射，到2016年7月7日，联盟运载火箭将飞船送上国际空间站，

R-7系列运载火箭总共进行了1863次发射，

成为了世界上发射次数最多的火箭系列。

而且像联盟-U、联盟-FG、联盟-2.1a、2.1b、联盟2-1v这些型号依然准备着执行新的发射任务，因此这个纪录还将由R-7系列火箭自身不断地打破。

仅联盟-U火箭这一个型号，就发射了783次，其中成功763次，成功率97.45%。用于载人航天的联盟-FG发射了56次，56次成功，成功率为100%。

生于冷战时期，设计超前于时代，迄今仍在不断创造传奇的R-7系列火箭的故事和设计细节，小火箭就先讲到这里了。

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