航天科普：（前）苏联/俄罗斯“质子”号运载火箭

“质子”号运载火箭（俄语：Протон）是（前）苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载火箭，该系列也被称为Д运载火箭，“质子号”系列共有三种型号：二级型、三级型和四级型。质子号火箭从20世纪60年代中期以来一直是前苏联及其航天力量的继承者俄罗斯在发射大型航天器时的主要运载工具。但因为存在结构性问题导致发射成功率不高，同时因为其使用剧毒的偏二甲肼液体燃料，一旦发射失败可能对发射场周边地区造成严重污染，所以俄罗斯已决定用新研制的“安加拉”号运载火箭（使用液氧/煤油作为推进剂）来取代“质子”号。 2014年12月15日，“质子-M”运载火箭成功发射“亚马尔-401”通信卫星。至此，“质子”系列运载火箭完成了它的第400次发射。 2019年10月，俄罗斯赫鲁尼切夫机器制造公司宣布将制造最后11枚“质子”号运载火箭，完成这批生产后，俄罗斯将开始使用新型“安加拉”运载火箭，为苏联和俄罗斯航天立下汗马功劳的“质子”号运载火箭将退出历史舞台。 最初的质子号火箭是在1961年~1965年间研制成功的，总设计师是OKB-52设计局的负责人切洛梅。切洛梅当时向赫鲁晓夫提出了一个庞大的洲际导弹发展计划，在这个计划中，UR500（即两级型的质子号）是一种“全球火箭”。但是UR500最终没有被军队接受，而是决定用于民用航天发射。1965年7月16日，UR500在哈萨克苏维埃社会主义共和国的拜科努尔发射场执行了第一次任务，将质子1号科学考察卫星送入太空，火箭也从此而得名质子号。美国国防部对这种火箭的代号是“SL-9”，美国国会的则根据谢尔顿命名法（用于识别火箭的衍生型号）则称其为“D”。两级型质子号的运载效率不高，因此很快被停止使用。 在UR500基础上加入第三级后，苏联人得到了运载能力更为强大的、三级状态的质子-K火箭（即UR500K；美国国防部：SL-13，谢尔顿命名法：D-1）。带有第三级的质子号在1967年3月10日首次发射（当时使用了D组级上面级，实际构成了四级火箭：质子-K/D组级），将宇宙-146（一颗月球探测器）送入太空。1968年，不带上面级的质子-K首次发射。在1970年代初至1980年代末，苏联曾利用不带上面级的质子-K将8个空间站送入轨道。国际空间站的两个主要组件曙光号功能货舱和星辰号服务舱也是用质子-K发射的。 在质子-K上再加入一个上面级，就形成了UR500K-L1运载火箭，即四级状态的质子号火箭（美国国防部：SL-12，谢尔顿命名法：D-1-e）。苏联时代的质子号所使用的上面级主要有两种：D组级或DM组级（D组级的发展型号，1974年开始使用），所构成的火箭分别称为质子-K/D组级和质子-K/DM组级。这两种火箭是苏联发射大型地球静止卫星和深空探测器的主力。从1967年开始，四级型质子号向月球、金星和火星发射了多个探测器，并且在流产的苏联登月计划中被选为发射载人环月飞船的运载工具。 在美苏登月竞赛时期，切洛梅还在质子号基础上提出了一个名为UR700的设计方案，以与科罗廖夫的N-1探月火箭竞争。UR700的设计思想很像质子号，但其体积之巨大甚至使N-1和美国的土星5号都相形见绌。在UR700中，两级型的质子号仅仅是一个上面级。 冷战结束后，俄罗斯新研制了一种四级型质子号火箭，即质子-M（有时使用未改进的质子-K箭体搭配和风-M的四级火箭质子-KM也被归入其中）。它与质子-K/DM组级的主要区别是使用了更为先进的和风-M上面级，因此火箭也被叫做质子-M/和风-M。和风-M上面级具有两次点火的能力，它可以将重型卫星直接送入地球同步轨道（以前的质子号通常是将卫星发射到地球同步转移轨道）。质子-M在2001年首次发射，将一颗银幕-M通信卫星送入轨道。 另外俄罗斯还发展了所谓“质子-M增强型”，主要改进了和风-M上面级的性能。质子-M增强型只在2007年发射过一次。 所有型号的质子号火箭都只能从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天中心发射。在拜科努尔的81号和200号发射阵地各有两个质子号专用发射工位，火箭以水平方式运输至发射台，然后起竖、发射。 质子号系列共包括5种型号。 二级型（西方代号D型，SL-9）：UR500（基础型质子号火箭），二级型“质子号”火箭在1965年至1966年7月发射了三颗“质子号”卫星，此后即停止使用。[4] 三级型（西方代号D-1，SL-13）：质子-K（UR500K），三级型“质子号”火箭于1968年11月16日首次发射，有效载荷为“质子-4号”卫星，此后主要用于发射“礼炮号”（САЛЮТ）、“和平号”（МИР）空间站及“晶体号”（КРИСТАЛЛ）和“量子号”（КВАНТ）空间站舱体和航天飞机模型等。 四级型：质子-K/D组级和质子-K/DM组级（UR500K-L1，UR500K-L1P） 四级型：质子-M（可能包括质子-KM） 四级型“质子号”火箭（西方代号D-1-e，SL-12）于1967年3月首次发射，有效载荷为“宇宙-146”。后来主要用于发射各类大型星际探测器，如“月球-15～24”、“金星-9～16”、“火星-2～7”、“探测器-4～8”、“韦加”（ВЕАГ）和“火卫”（ФОБОС）等，还用于发射地球同步轨道卫星，包括“虹”、“荧光屏”、“地平线”、“射线”和“宇宙号”系列中的军用对地静止卫星。此外，四级型“质子号”火箭还具有一箭三星能力，用来发射（前）苏联的全球导航卫星。 质子”号火箭从20世纪60年代中期以来一直是苏联及其航天力量的继承者俄罗斯在发射大型航天器时的主要运载工具。由于N-1探月火箭的研制失败和对能源号运载火箭的弃用，质子号火箭实际上成为俄罗斯拥有的发射能力最强的运载火箭。以横向比较而言，质子号系列中最大型的产品的运载能力远逊于能源号和美国阿波罗计划中使用的土星5号火箭，与美国的大力神4型、我国的长征五号以及欧洲航天局的阿丽亚娜5型火箭处于同一水平，强于印度和日本所研制的任何一种火箭。俄罗斯与乌克兰联合研制的安加拉号，以及美国最新研制的宇宙神5型火箭中的某些型号，其运载能力可能也强于质子号。 早期的质子号火箭主要用于发射大型人造卫星。但由于其运载能力远大于其它苏联火箭（如联盟号和闪电号），质子号遂成为发射星际探测器的首选。在美苏登月竞赛时期，质子号承担了将大多数月球号无人探测器送上月球的任务。质子号也预定参加苏联载人登月计划。当时苏联平行开展了两个计划：科罗廖夫主导的使用N-1的宇航员登月计划，和切洛梅主导的使用质子号的载人环月飞行计划。但在一次内部论证会之后，切洛梅的计划被搁置。在N-1开发失败而美国人率先实现登月之后，苏联政府对登月失去了兴趣。虽然还是用质子号发射了几艘“探测器”号飞船进行了绕月飞行，但所携带的只是动物而已。 从1971年开始，苏联用质子-K火箭先后将8个空间站（礼炮1号~礼炮7号，和平号）的几乎全部舱体发射入轨。冷战结束后，质子-K又用于发射国际空间站的几个重要舱段。除了美国的航天飞机以外，质子号是唯一能够承担这项任务的运载工具。 四级型质子号被用于发射苏联的大型通信卫星（“银幕”，“彩虹”，“地平线”）和行星探测器（“火星”，“织女星”，“福波斯”）。 苏联解体后，俄罗斯将质子号火箭投入国际市场，结果十分受客户青睐。1996年4月，质子号将欧洲的阿斯特拉-1F卫星发射入轨，完成了第一次商业发射。到2007年为止，质子号已经执行了40多次商业发射任务。 “质子”号的发射成功率并不突出。 从1965年至1994年底，“质子”号运载火箭共发射224次，其中失败25次，成功率为84%。自1970年1月至1989年4月1日，“质子号”火箭发射132次，失败10次，成功率为92.4%。相比之下，“质子”号运载火箭是（前）苏联的现役运载火箭中成功率最低的一种型号。 1996年该火箭发射火星-96探测器失败，载荷在太平洋上空坠毁，其上携带有200克放射性元素钚。 2015年5月16日，俄罗斯在发射载有墨西哥MexSat-1通讯卫星的“质子”-M运载火箭时出现事故。运载火箭在飞行至497秒时，第三级的发动机出现故障。 质子号火箭更为突出的问题是其使用的推进剂偏二甲肼/四氧化二氮有毒，一旦发射失败，泄漏的推进剂可能对环境造成污染。俄罗斯经常因火箭在发射后坠毁而与拜科努尔发射场的所在国哈萨克斯坦进行交涉。近几年来，如果“质子”号发射失败，哈萨克斯坦就会禁止在拜科努尔发射这种火箭，直到问题解决为止。 2015年7月17日，鉴于“质子”号火箭曾发生多次事故（过去五年发生事故7次），事故的发生不是生产性事故，而是其第三级舵机转子在高温下发生材料疲劳的结构性事故，因此，俄方表示，计划于2025年前将停止建造“质子”-M运载火箭，用环保的‘安加拉-A5’新型模块化运载火箭代替‘质子’。 存放在拜科努尔航天发射场的“质子”-M运载火箭发现2015-2016年期间生产的次品配件，所有发现问题的火箭都已经发往莫斯科返修。 发射记录（部分） 2023年 发射时间：当地时间2023年2月5日 发射载荷：Elektro–L气象卫星 发射地点：拜科努尔航天发射中心 运载工具：俄罗斯“质子”号运载火箭 发射状态：发射升空[12] 2016年 发射时间：2016年06月09日 15:10:00 发射载荷：Intelsat 31通信卫星 发射地点：拜科努尔航天发射场 运载工具：质子-M运载火箭 分离轨道：地球同步转移轨道 发射状态：发射成功 任务简介：Intelsat 31通信卫星，由美国劳拉空间系统公司基于LS-1300卫星平台研制，卫星高达8.64米，重6.45吨，搭载有72个Ku波段和4个C波段转发器，设计寿命15年，将定点于西经95度赤道上空。[10] 发射时间：2016年03月14日 17:31:00 发射载荷：ExoMars 2016火星探测器 发射地点：拜科努尔航天发射场 运载工具：质子号运载火箭 分离轨道：火星转移轨道 发射状态：发射成功 任务简介：ExoMars 2016火星探测器，是由欧洲航天局和俄罗斯合作研制的，由轨道器（TGO）和着陆器（EDM）组成，主要由泰雷兹-阿莱尼亚宇航公司研制，俄罗斯提供部分探测仪器和负责探测器的发射。ExoMars 2016火星探测器的主要科学目标有：寻找火星过去存在有生命的痕迹；分析火星次表层土壤中的水和化学环境；研究火星大气中的痕量气体成分及其来源。该探测器由痕量气体轨道器和减速着陆器组成。轨道器主要用于探测火星大气中的微量气体；着陆器用于火星表面着陆试验，为后续任务的火星着陆进行技术验证，并为其他火星任务积累经验。