N1运载火箭（1969年发射的载人登月火箭）

火箭简介

N-1运载火箭

技术诸元

N-1运载火箭

第一级 - A段

引擎：30台NK-15

推力：45,310 千牛 (4620吨)

比冲：330 s

推进时间：125 s

燃料：RP-1/LOX

第二级 - B段

引擎：8台NK-15V

推力：14,040千牛 (1434吨)

比冲：346 s

推进时间：120 s

燃料：RP-1/LOX

第三级 - V段

引擎：4台NK-21

推力：1610千牛 (160吨)

比冲：353 s

推进时间 370 s

燃料：RP-1/LOX

第四级 - G段

引擎：1台NK-19

推力：446千牛 (44.5吨)

比冲：353 s (3,460 N·s/kg)

N-1运载火箭

燃料：RP-1/LOX

第五级 - D段

发动机：1台RD-58

推力：79.46千牛（8.1吨）

比冲：394 s (3,860 N·s/kg)

推进时间：600 s

燃料：RP-1/LOX

N-1火箭控制系统—KORD

KORD是俄文Контроль ракетных двигателей的缩写，意为火箭推力控制器，对火箭所有发动机进行控制。KORD系统通过调整推进剂的流量对第一级外环的24个发动机进行推力差动控制，并可以关闭彼此相对的故障发动机，保证火箭正常飞行。理论上，N-1火箭的第一级可以在两对彼此相对的发动机失效的情况下正常飞行。不幸的是，KORD无法对一些快速出现的事件做出迅速且正确的回应，特别是在第2次发射中KORD的缺点显露无疑。

第二次发射前0.25秒，火箭8号发动机涡轮泵爆炸，由于KORD对此

反应迟钝

1. 火箭受到内部爆炸冲击波影响而摆动；
2. 7号、8号和9号发动机温度急剧上升；
3. 8号和9号发动机传感器失效；
4. 第一级内部起火。

KORD在0.6秒后才回过神来，下达关闭7、8、19和20这四台发动机的命令，7号、8号和20号发动机立刻关闭，但9号发动机却没有收到关闭信号，反倒是与9号发动机相对的21号发动机因收到了关机信号而关闭。在发射后8.76秒火箭主电源因爆炸引发的大火而发生故障，导致在T+10~T+12秒内，KORD把剩下的发动机全部关闭，火箭最终失去推力而坠毁在发射塔上。

由于KORD系统的不足，苏联在第四次发射中启用了全新的计算机控制系统S-530。这是首个苏联设计的数字制导控制系统，遥测系统可在14个频段上共320000个信道中以9.6 gibabyte/s的速率传回数据，控制信号以相同的速率发射到N-1火箭上。

所有已生产火箭简介

1965年10月到1974年5月间，苏联一共生产了10枚N-1火箭。

第1枚：序列号N1-1L，用于地面单元测试，但因为时间仓促，只对第一级30个发动机中的1/4进行测试；

第2枚：序列号N1-2L，用于地面测试和发射演习，第一级为灰色涂装，第三级为灰色、白色混合涂装，上面级为白色涂装；

第3枚：序列号N1-3L，第一枚用于实际发射的火箭，在发射后68.7秒所有发动机停机，导致火箭在52公里外坠毁；

第4枚：序列号N1-4L，原定于用于第二次发射，因地面测试时第一级出现裂缝而报废；

第5枚：序列号N1-5L，第二次发射，发射后10秒第一级所有发动机熄火，导致火箭在发射台上坠毁，摧毁了发射台；

第6枚：序列号N1-6L，第三次发射，火箭发射后姿态异常，发射51秒后火箭解体；

第7枚：序列号N1-7L，全白色涂装，外形有较明显变化，最后一枚实际发射的火箭。因第一级停机程序工作失误导致管道破裂、引发火灾，火箭于107秒在40千米高空爆炸；

第8、第9枚，序列号N1-8L和N1-9L，分别为首枚和第二枚N-1F火箭，计划分别发射月球探测器和空间站，但从未发射；

第10枚：序列号N1-10L，第3枚N-1F火箭，未完工。

发射历史

1969年2月21日，序列号N1-3L，携带了联盟7K-L1登月飞船。

在T+0.34秒时，第一级出现了短暂而剧烈的电压波动，导致KORD关闭了12号发动机；为了保持推力对称，KORD又关闭了24号发动机。T+6秒时，2号发动机出现了纵向耦合振动，振动在2号推进剂管道上撕开口子并导致燃料泄漏。T+25秒时，又一次更强烈的振动让燃气输送管道发生泄漏，燃料和340度的燃气相接触并在T+65秒时引发了火灾。火灾破坏了KORD电缆的绝缘，导致KORD收到了无数的虚假信号。在T+68.7秒时，KORD对此做出回应：下达命令

关闭了第一级的所有发动机

完全失去动力的N-1火箭在空中滑翔，在T+183秒时在距离发射塔52公里处坠毁。

调查组在52公里以外找到了火箭残骸。总设计师米申把本次事故的原因归咎于电源故障，因为他“实在是想不出有什么原因导致所有发动机同时关闭”。但很快，对电源的分析结果出来：它的工作状态良好，还被运回了设计局工厂重新翻修、上台架实验，且毫无异常。调查组还发现

KORD存在许多严重的设计缺陷和拙劣的控制逻辑。

1969年7月3日，序列号N1-5L，携带了联盟号飞船，计划在月球轨道对登陆地点进行拍摄后返回。

本枚火箭搭载了L1飞船和逃逸塔。在莫斯科时间23点18分火箭升空。从公开的发射录像上看到，当火箭起飞到100m高处时，

火箭底部出现一道闪光并可见大量碎片坠落

导致火箭“凝固”在夜空中，渐渐朝着发射塔倾斜，随后坠毁在110号发射架上

在事故中没有人员伤亡

调查组发现8号发动机的残骸有融化的痕迹，和其他29台发动机残骸完全不同，综合了遥测数据的分析结果，调查人员得知在离火箭点火还有0.25秒时，8号发动机的涡轮泵爆炸。爆炸引发了强烈的冲击波，切断了周围的推进剂输送管道并导致第一级内部燃起大火。爆炸和火灾最终摧毁了第一级的推力控制部件导致发动机在T+10秒到T+12秒内迅速关闭。从复原的KORD操作日志中发现，在检测到发动机压力和转数异常后（因为大量管道被切断），KORD下达了关闭7、19、20和21这4台发动机的命令。其他发动机为何一起被关闭，遥测数据和操作日志没有提供有价值的信息。18号发动机在一片混乱中继续工作，让火箭倾斜达45度，并一直工作到火箭坠毁，苏联工程师无法解释这种现象。8号发动机涡轮泵爆炸的原因至今有多种说法，一种说法是一枚压力传感器从电路中断开，滞留在涡轮泵内并卡住；另一种说法是涡轮泵叶片因为加工问题和金属外壳摩擦产生火花引爆了液氧。根据遥测数据，8号发动机在起飞前工作不正常，压力传感器从8号发动机的涡轮泵中检测到“不可思议的压力”。总设计师米申认为8号涡轮泵在起飞前已经完全解体，NK-15发动机设计师反对这个观点，声称NK-15发动机加工没有问题。库兹涅佐夫设计局的调查人员调查确认故障原因为“

发动机吸入外来碎片

美国间谍卫星拍摄到了被摧毁的发射复合体，让美国人确信苏联同样在准备着月球火箭。苏联人在之后生产的N-1火箭中加入了燃料过滤器，防止异物进入涡轮泵。苏联人花费了18个月的时间重建被摧毁的发射台，延误了下一枚N-1火箭的发射。同时，本次事故导致了其中一个人类历史上最大规模的人工非核爆炸事件，爆炸的火光在35公里外的列宁斯克清晰可见。

1971年6月26日，序列号N1-6L，携带了联盟7K-LOK登月飞船和登月舱。

在第二次发射以惨剧收场后，苏联高层失去了对月球计划的兴趣。但是在米申的坚持下，N-1火箭的研发得以继续进行。在两年的时间里，苏联科学家改进了火箭的燃料供应管道配置，KORD计算机的控制逻辑进行了修改，并对第一级的整个发动机控制系统进行了大量的改进和测试，已经有了较大的把握。发射原定于6月23日进行，但因为连续的阴雨天气导致发射推迟了3天。

和前两次发射不同，这一次点火后，第一级的

所有

这也导致了本次发射任务失败。当30台发动机同时工作时，它产生的废气让火箭出现了意料之外的轴向旋转，完全超出了火箭现有补偿能力。

对遥测数据的评估很快就发现了事故的原因。和前两次发射失败的原因均不同，导致本次任务失败的原因是火箭气动外形存在设计缺陷。这个缺陷完全可以通过地面试验来发现。唯一能让苏联科学家欣慰的是，第一级30台发动机在T+50.1秒下达关机命令之前均工作正常，验证了发动机控制系统改进的有效性。

1972年11月23日，序列号N1-7L，携带了联盟7K-L3型登月飞船，计划绕月飞行24圈，于12月4日返回地球。

在一年多的时间里，火箭得到了许多改进，旨在消除已发现的缺陷并增加输出有效载荷的质量。飞行控制计算机内部署了全新的陀螺仪平台（首席设计师N. A. Pilyugin）；修改了火箭的气动外形，第一级底部被重新修改为圆柱形样式，直径减小了1m；’整个火箭的所有空气动力学整流罩由钝头型替换为尖头型。安装了氟利昂防火系统，在发动机周围飞行时形成了保护性气体环境。遥测方面采用了全新设计的数字制导控制系统。总共有超过13,000个传感器安装在这个火箭上。

莫斯科时间11月23日9点11分52秒火箭升空，一切似乎都在按照计划顺利进行。但在T+107秒时火箭在40千米高空爆炸—距离一二级分离仅仅剩下7秒。原因是T+90秒对内环6个发动机进行程序性关机时，产生的压力波动比预期强得多，导致发动机供给管道大量爆裂，第一级底部开始着火。火灾在T+104秒时诱爆了4号发动机，并在连锁反应下在T+106.93秒引爆了整个第1级。

事后推算，在第一级起火时火箭已经达到预定速度，可以发出手动命令放弃第一级，并开始第二级的燃烧，从而挽救发射任务。但是，控制系统没有提供这种可能性。事实证明，放弃第一级30台发动机地面试验的程序是完全错误的。第3次和第4次任务失败的原因都完全可以在地面试验中发现，并可能得到妥善解决。但N-1计划至始至终缺乏资金支持，加上种种技术失误，最终导致了N-1火箭的研发失败。

1964年，N1-L3组合体立项时计划的发射任务时间表如下所示。

3L: 火箭整体测试 (1967年9月)

4L: 地面测试

5L: 无人登月飞船测试 (1967年12月)

6L: 无人登月飞船测试 (1968年2月)

7L: 载人LOK飞船/无人LK飞船测试 (1968年4月)

8L: 载人LOK飞船/无人LK飞船测试 (1968年6月)

9L: 载人LOK飞船/无人LK飞船和着陆器测试 (1968年8月)

10L: 人类首次登月 (1968年9月)

11L和12L:任务待定。

这些随着科罗廖夫的逝世、缺乏资金支持和技术缺陷而大大延期，计划的10次发射任务在前4次发射均失败后提前告终。

研发历史

1959年，N1的研发在谢尔盖·科罗廖夫（Sergey Korolyov）的带领下在他的科罗廖夫设计局（OKB-1）展开了。原方案是在火箭的上面级使用一台核发动机，使之能够发射50吨的载荷，用于军用太空站和载人火星飞船的发射。其中N-1火箭尺寸最大，N2稍小，N3最小。当时并没有展开实际研发，N系列还只停留于计划阶段。

1959年12月，一场汇集了所有主设计师的会议上，设计师各自提出他们最新设计。科罗廖夫提出了N系列以及更保守的R-7。弗拉基米尔·切洛梅，科罗廖夫的对头，提出了他的“通用火箭”系列，使用一个通用的下面级搭配不同的模块来满足多种载荷需要。米哈伊尔·扬格利提出用R-26来代替R-16。最后，会议主持者决定将切洛梅的UR-100作为新的轻型洲际导弹，将扬格利的R-36作为重型洲际导弹方案，而他们认为没用使用科罗廖夫的超大型运载工具的必要，但给了他许多研发资金，以支持他将R-7改进为闪电号运载火箭(8K78)。

情况在1961年有了转机，3月在一次在拜科努尔举行的会议期间，诸位设计师一起探讨了N1方案和另一个正在设计中的R-20方案。6月，科罗廖夫得到了用于N1研发的小额经费。1961年5月，一份名为《重新考虑用于防御目的的航天运载器计划》中明确指出要在1965年试射N1火箭。

当美国在1961年5月宣布实施人类登月计划时，科罗廖夫提出了基于一种新型飞船（后来的联盟号）进行地球轨道集合的登月计划。这个计划需要发射数次来完成登月组件运用，一个是联盟号飞船，一个是登月舱，还有用于地月间推进的发动机和燃料的辅助设备，这降低了运载火箭的性能需求，但是以必须快速完成组件发射为代价的。因为必须在组件的燃料耗尽前进行组装。然而当时的苏联还是无力进行这样密集的发射。科罗廖夫于是研发50吨级版本的N1。

为了支持这个提议，凡棱丁·古鲁什科为科罗廖夫的方案提供了新型的RD-270发动机。这种发动机已广泛用于古鲁什科的现有发动机设计和多种洲际导弹中。然而，RD-270使用的四氧化二氮和偏二甲肼产生的比冲低于煤油液氧组合。科罗廖夫认为高性能发动机必须用高性能燃料，而且也对使用联氨的安全性提出质疑。

分歧最终导致科罗廖夫与古鲁什科的合作陷入僵局，1962年，设计委员会打破僵局并表示支持科罗廖夫的方案。因为格卢什科的退出，科罗廖夫不得不另寻出路，他找到了尼古莱·库兹涅佐夫（Nikolai Kuznetsov）的OKB-276设计局。库兹涅佐夫的火箭设计经验有限，他将一种根据海拔不同型号各异的发动机NK-15提交给科罗廖夫。为了达到要求的推力，有人提出在下面级周围使用数台NK-15，形成发动机群，这种环状结构中间留空，让空气通过。使空气和废气混合以增加推力，同时氧化废气中故意增多含量的燃料。N1第一级的环形发动机群形成了一种原始的瓦形发动机。

同时，切洛梅提出一系列绕月飞行计划，他认为这样也可能击败美国。他还提出在推力器上使用由三台UR-200组成的发动机群，然而在格卢什科把RD-270交给切洛梅后，这个方案也被放弃。因为使用RD-270可以设计出更简单的发动机版本。这个方案就是UR-500。

当时的苏军尤其是战略导弹部队，并不支持这种对军事无益的政治工程。而科罗廖夫与切洛梅却极力促成登月计划。1961年至1964年间，切洛梅的保守方案被普遍认同，于是UR-500和联盟号 7KL1的研发被提上了日程。

双子座计划让美国在太空领域领先于苏联，于是科罗廖夫向赫鲁晓夫施压，要求必须在美国之前进行载人登月。由于当时对地球轨道集合的研究甚少，以致最后不得不选用类似阿波罗计划的直接起飞方案。而这需要推力更大的助推器。

科罗廖夫于是提出了研制大型N1的想法，同时设计出新的登月飞船L3。 L3飞船包含了地球推进发动机，改造后的联盟号 7K-L3和新的LK月球着陆器。而切洛梅提出了另一套方案，一艘已经开始研制的L1飞船和他自己设计的着陆器。 1964年8月，科罗廖夫的方案被选定，而切洛梅则继续他的环月飞船UR-500/L1的研发。

1964年赫鲁晓夫垮台后，两人重新开始了明争暗斗。1965年10月，苏联政府宣布：绕月飞行任务将使用切洛梅的UR-500搭配科罗廖夫的联盟号飞船，代替了切洛梅自己的探测器号飞船。第一次发射定于十月革命50周年之际的1967年。而科罗廖夫坚持自己的N1-L3方案研究，虽然他赢得了这次学术争锋，但L1的研究也在继续。

1966年，科罗廖夫死于一次外科手术并发症，他的工作由他20年来的助手瓦西里·米辛（Vasily Mishin）接管。米辛没有科罗廖夫的政治头脑，这个问题导致N1最后的失败，以致登月计划整体的失败。

最终的N-1火箭设计如下所示：

N-1高105米(345英尺)，在高度、质量和有效负载上仅次于世界第一的土星五号。N1-L3方案采用五级推进，前三级将飞船送入地球轨道，其余两级用于地月推进。加满燃料满载情况下，N1-L3重2788吨(6.1百万磅)。下面三级呈截锥体形，最下部直径约10米，这是受箭体内燃料箱形状的限制，一个较小的球形煤油箱在上部，较大的液氧箱在下部。上部分呈圆柱形，直径4.4米。

第一级A段，由30台NK-15发动机驱动，发动机排成两个环，外环24台，内环6台。这些发动机都是分级燃烧循环的先例。控制系统基于发动机的差动节流，外环应付倾斜和偏转，安装在框架内的六个用于应付滚动。A段还装有四个栅格翼，这种平衡装置后来用在了苏联的空空导弹设计上。 A段总共产生4620吨（1000万磅力）的推力，远远超出土星五号的3469公吨（765万磅力）的推力。

第二级B段，由8台NK-15V发动机驱动，也排列成环形。NK-15V与15的区别就是吊钟形涡流室和高空发动机性能。上面级V段，装了4台更小的NK-21发动机，排列成矩形。

在N-1的研制过程中，不断有各种发动机改进方案。将第一级的NK-15改进为NK-33，将第二级发动机改进为NK-43，后面三级采用NK-31，改进后的NI被成为N1F，然而直至登月计划结束，这种改进型都没有试飞过。

比起土星五号，N-1虽然推力更大，但它只能将95吨的物体送入低地球轨道，而土星五号可以运送130吨物体。这是由于N-1全箭都以煤油做燃料，而美国对氢氧燃料的研究起步早，使得土星五号设计时选用了比较成熟的氢氧发动机，以此获得了较高的效率。

存在问题

N-1运载火箭

用于发射N-1的拜科努尔基地不支持水运。为了通过铁路运送火箭，箭体各级都被拆散再重新组装。结果，许多潜在问题都不能即时发现并排除，例如有害震动（可能导致推进剂管道破裂），废气流体力学问题（可能导致箭体翻滚）。

N-1运载火箭

登月计划取消后，米辛继续N1F研发，希望这款火箭今后能用于发射一个类似美国天空实验室的大型太空站。研究还是在1974年因格卢什科接替了米辛而宣告终止。当时两枚N1F已经做好了发射准备。

紧随N-1计划之后的是1976年的能源号/暴风雪号计划启动，以及质子火箭的研制。

火箭遗物

N-1运载火箭

而N1F上的前进发动机未遭破坏，因为虽然火箭整体不可靠，但单独的NK-33和NK-43还是很先进可靠的。约150台发动机被保留下来，90年代中期，俄罗斯政府把其中的36台以每台110万美元的价格卖给了喷气飞机公司。这家公司还取得了发动机的生产权。

由喷飞公司搭桥，日本的J-1和J-2火箭采用了3台发动机。美国公司基斯特勒航天公司也在自己的火箭方案中采用了这种发动机。而在俄罗斯，直到2004年，剩余的70多台才重新启用，而这项采用N-1发动机的新火箭研制计划也在2005年因资金短缺而破产。

后期利用

至于用剩下的NK-33做什么时常成为争论焦点。当时超前的设计理念使这批发动机至今仍有利用价值。喷气飞机公司已将NK-33和NK-43分别重命名为AJ26-58AJ26-59。基斯特勒航空航天公司，即现在的基斯特勒火箭飞机公司 (RpK)用三台NK-33和NK-43设计了K-1火箭。

RSC能源公司打算用一台NK-33来驱动新运载器“Aurora-L.SK”。

还有提议用NK-33替换联盟号中间的RD-108，或者再用四台NK-33替换四个推进发动机 RD-107。通过减轻飞船重量来增加有效载荷，而且使用仓库存货也能降低飞船造价。

“Aurora”和“联盟-3”替换计划都面临一个现实问题，就是NK-33的现存数量不是很多，难以用在每年频繁发射的联盟飞船上。而基斯特勒的K-1是可重用的，需要的发动机数量比较少。

轨道科学公司打算在新研制的“金牛II”型运载火箭的第一级使用两台NK-33。

历史影响

N-1运载火箭的第一批图如今已经被苏联公开发表。在1990年米申已经画了N-1/L-3S运载火箭，以照片的形式在1990年11月英国Windfall电影公司/ NovaTV的“轨道上的红星”节目中播出。（重新命名为“苏联权威材料”，1991年2月在美国播出）。米申1990年十二月出版的小册子里有更加详细的图，1991年4月12日在莫斯科电视上播出里真实的关于第一个N-1运载火箭在控制台上的胶片。

基本的N-1是一个三级运载火箭，所有的三级火箭是圆锥形但是侧面没有共用同一斜面。在它本身，给了这个工具一个极其不平常的外观。第四和第五段被一个大的白色覆盖物里的有效载荷围住，顶端是联盟号类型的覆盖物和塔。

较低的三段每一个都携带两个球形的推进罐带有巨大的氧气罐，氧气罐在煤油罐下面：球形的储罐（不是椭圆形或其它形状）决定了下一段的形状。

最有可能的是，所有N-1运载火箭上底下三级火箭的发动机都是由Kuznetsov部门设计的。第一级（A组）用了一串共30个发动机，每个发动机有154吨推进力：这是任何发射工具中推进力最高的第一级火箭。（相比N-1的4620吨，土星5号大约达到3900吨）。第二级（B组）有八个发动机，每个有179吨的推进力：这是由用于运载火箭的第一级的发动机改进来的。最后，第三级（V组）有四个发动机，每一个有41吨的推进力。

第四级（G组），米申并没有特别描述，但是它用的是单独一个发动机，与V组同样类型，推进力大约45吨。第五级（D组，象所说的那样与UR-500K质子运载火箭相关），也可以看作是飞船的推进系统，在苏联的有关质子火箭的文献中被广泛描述。^[1]

N1原本是在第一级使用NK-15发动机，在第二级使用NK-15V。然而N1发射的接连失败使这项工程没有了下文。而N1的改进还在继续，库兹涅佐夫将两种发动机分别改造为NK-33和NK-43。改造后的N1就是N1F。由于在登月竞赛上失利，苏联不得不重新设计新的重型运载火箭能源号。因此，N1F从未试飞。

随着N1工程的停工，政府下令毁掉一切资料，一个政府官员接管了这些发动机，将它们存放在仓库中。发动机的消息最后传到了美国。将近30年后，一些尚存怀疑态度的技术人员被带到仓库。随后，其中一台发动机被带回美国，在精确测定发动机性能后，其技术参数才被公之于众。其发动机技术也被美国人用做美国航天技术储备。