印度可重復使用運載器計劃初探

單文杰 代坤 康斯貝（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

長期以來，印度一直將發展航天技術視作其提升國家地位和加快科技發展的重要手段。歷經50多年不懈努力，印度在運載火箭、人造衛星、導彈武器等方面取得了巨大成就，已經成為了一個新興的航天大國。為實現低成本進入太空，印度空間研究組織（ISRO）正在實施雄心勃勃的可重復使用運載器研究計劃。

1 計劃概述

印度空間研究組織表示，印度發展航天技術的最終目標是建立空間站和星際基地，而發展單級入軌、水平起降的可重復使用運載器（SSTO－RLV）和載人航天是實現這一目標的必由之路。目前，印度的航天科技水平正在向實現兩級入軌（TSTO）努力，并且在實現兩級入軌可重復使用運載器（TSTO－RLV）之前，還必須掌握高超聲速再入相關的關鍵技術。因此，印度需要研制可重復使用運載器技術驗證機（RLV－TD）來實現這一目的。

根據上述思路，印度的可重復使用計劃分為三個階段：第一階段，研制可重使用運載器技術驗證機，攻克高超聲速再入等關鍵技術；第二階段，在現有技術的基礎上研制兩級入軌可重復使用運載器；第三階段，研制單級入軌、水平起降的可重復使用運載器。

在航天運輸領域，印度“十一五”計劃（2008－2012年）明確提出，完善有效載荷回收和再入技術，到“十一五”計劃中期完成吸氣式發動機驗證機的研制并進行回收試驗；通過兩級入軌可重復使用運載器的技術驗證飛行，完成可重復使用運載器各個階段的技術論證任務；在2025年研制出先進的兩級入軌運載器。在“十一五”期間，印度在航天運輸領域的投資將達到1363.3億盧比（約合34.08億美元），有力地支撐了可重復使用計劃相關研究工作的開展。

印度航天運輸規劃（1998－2030）

2 研究進展

目前，印度的可重復使用運載器計劃還處在第一階段。2010年3月，印度空間研究組織稱，已經完成RLV－TD的研制工作。RLV－TD外形為翼身組合體，是兩級入軌可重復使用運載器的第一級的縮比樣機。

RLV－TD的設計思想是首先使用已有的技術，并且將逐漸采用和試驗新技術。在3～6年的時間內，RLV－TD將在節約經費的原則下，驗證全尺寸的兩級入軌可重復使用運載器設計和研發全過程所需的關鍵技術，從而確定技術實施途徑。RLV－TD將作為試驗平臺驗證關鍵技術，如超聲速飛行、自主著陸、動力巡航、利用吸氣式推進系統超聲速飛行等。

印度兩級入軌可重復使用運載器方案內部示意圖

RLV－TD演示驗證試驗

印度發展可重復使用技術由一系列試驗完成。

印度RLV－TD示意圖

試驗一：高超聲速飛行試驗（HEX）。在此次試驗中，印度的衛星運載火箭－3第一級（被稱作S－9）將用作試驗的助推火箭。助推火箭攜帶RLV－TD飛到要求的高度，釋放RLV－TD后落入大海，RLV－TD入軌。在任務結束后，RLV－TD再入大氣層在海上降落，進行回收。出于成本考慮，印度維克拉姆-薩拉伯依航天中心宣布RLV－TD首次飛行試驗將不會從海上回收，只是通過遙測，獲得再入、減速和返回的相關數據。按照計劃，RLV－TD首次高超聲速飛行試驗在2010－2011年間進行，但2011年6月，印度空間研究組織宣布，該計劃落后于原定進度，RLV－TD高超聲速飛行試驗將在2012－2013年間進行。

試驗二：超燃沖壓發動機試驗（SPEX）。使用超然沖壓發動機的可重復使用運載器在一個被稱為“先進技術飛行器”（ATV）的項目完成試驗。2010年3月3日，印度空間研究組織為可重復使用運載器技術演示項目進行了第一次無動力超然沖壓發動機試驗。先進技術飛行器ATV－D01助推組合質量約3t，由火箭在120s內推升到46km的高度，整個試驗過程持續了240s。火箭助推器攜帶被動式超燃沖壓發動機加速到Ma=6，持續了7s的工作時間。印度空間研究組織稱此次試驗取得了圓滿成功，并將在不久后進行ATV－D02試驗。

試驗三：返回飛行試驗（REX）。在這一步，可重復使用運載器將會被發射入軌，任務完成后再入大氣層，最終在飛機跑道上降落。

試驗四：自主著陸試驗（LEX）。這一步主要試驗沒有使用超燃沖壓發動機推進的可重復使用運載器。火箭助推器工作停止后與可重復使用運載器分離，RLV依靠慣性繼續無動力爬升。爬升結束后可重復使用運載器以高超聲速再入大氣層，利用空氣動力減速。可重復使用運載器以大約272m/s的速度無動力滑行，進一步降低速度，直至水平降落。

3 “艾瓦塔”方案

“艾瓦塔”方案是印度可重復使用計劃的重要組成部分。1998年5月，印度首次在班加羅爾航空展上公布了該方案。2001年7月，印度退役空軍上校、原印度動力有限公司主席戈帕拉斯瓦米在美國鹽湖城“全球動力推進大會”上，介紹了印度可重復使用計劃方案及其模型。新方案被命名為“吸氣式高超聲速航天運輸飛行器”（Avatar，音譯為“艾瓦塔”）。戈帕拉斯瓦米稱，“‘艾瓦塔’設計思想源自美國蘭德公司1987年的一份出版物，他們把這項研究束之高閣，但對我來說，就是這個不保密的文件，構成了我們方案的基礎。”

“艾瓦塔”可重復使用運載器模型

“艾瓦塔”是一種單級入軌、水平起降的可重復使用運載器，由印度國防研究與發展組織、印度空間研究組織等25家研究機構共同研發。“艾瓦塔”質量僅25t，利用渦輪風扇沖壓式噴氣發動機作動力，水平起飛爬升到巡航高度，此時改用超燃燒沖壓發動機。到巡航速度Ma=7時，利用火箭發動機加速進入軌道。完成任務后，“艾瓦塔”便脫離軌道，再入大氣層，利用本身的動力降落。在起飛時，“艾瓦塔”只攜帶極少量用于驅動沖壓式噴氣發動機渦輪所需的液氧。火箭發動機工作時所需的液氧，將由航天飛機上的一個系統自己制造。該系統在航天飛機巡航階段能收集空氣并將其液化，分離出其中的液氧，并貯存起來供火箭發動機使用。

據報道，“艾瓦塔”計劃已在兩個技術領域取得了進展：① 1998年3月份，超燃沖壓發動機研究組在海得拉巴的印度國防研究與發展組織實驗室中，第一次用超聲速壓縮空氣使氫燃料點火成功；②1998年4月18日，在班加羅爾的印度科學院，科學家們利用渦旋管空氣分離技術，在模擬飛行條件下制取了液氧。

印度國防研究與發展組織已批準了下階段的工作，主要是提高氧的純度和制取更多的液氧。戈帕拉斯瓦米稱，“艾瓦塔”雖然是作為發射低軌道小型通信衛星和導航衛星的低風險、低成本和可重復使用運載器而提出來的，但去掉火箭發動機，它就是一架航空飛機，能以Ma=7的速度在30km的高空飛行，執行天對地打擊、情報搜集、監視和偵察等任務。

4 印度實施可重復使用計劃的啟示

高度重視技術演示驗證是印度實施可重復使用計劃的顯著特點。印度實施可重復使用研究計劃，面臨技術難度大、涉及學科多、成熟技術少等諸多問題。為此，印度有步驟地開展高超聲速飛行、自主著陸、返回飛行等一系列驗證試驗解決這一難題。

加強國際合作與自主發展相結合是印度實施可重復使用計劃的重要策略。除了國內的印度空間研究組織等25家研究機構共同參與可重復使用研究計劃外，印度還與美國、俄羅斯、歐洲、烏克蘭等國家及國際組織開展國際合作，為其提供相關技術、設備支持。

印度空間計劃之父維克多·山姆說：“有人曾經質疑，一個發展中國家發展空間計劃是否恰當，但是我們的意志是堅定的。”可重復使用計劃只是雄心勃勃的印度航天事業的一個組成部分，印度將在探索宇宙空間的道路上越走越遠。