印度重型火箭試射成功

□ 張雪松

北京時間2014年12月18日中午12時，印度GSLV MK III重型運載火箭發射升空，這是該型火箭的首次發射。不過和多數新型運載火箭不同，GSLV MK III火箭的首次發射中，火箭第二級是配重，火箭最高飛行速度也只有約5千米/秒，屬于典型的亞軌道飛行，因此印度空間研究組織將其稱之為LVM3-X任務。LVM3-X任務還決定將未來載人飛船的返回艙作為載荷進行再入飛行試驗（CARE），再入試驗的成功成為印度載人航天的第一步，為印度載人航天工程的啟動吹響了號角。順利的話，2017年后印度空間研究組織可能正式立項開始印度自主的載人航天項目。

LVM3試驗基本情況

GSLV MK III火箭很早就出現在印度空間研究組織的規劃中，21世紀初甚至計劃2007年發射，但是由于GSLV MK I和MK II火箭研制發射并不順利，這種空中樓閣式的時間點沒有實現。GSLV MK I火箭使用俄制RD-56M分級燃燒循環的氫氧發動機，而印度仿制RD-56M后的發動機稱之為CE-7.5，表示它的推力約為73.5千牛。GSLV-D3任務即使用CE-7.5發動機的GSLV MK II火箭的首次發射中，CE-7.5啟動后立刻就出現故障導致發射失敗。隨后印度空間研究組織使用俄制低溫氫氧發動機的GSLV-F06任務又出現GSLV MK I火箭凌空爆炸的悲劇，導致GSLV火箭陷入漫長的整改排故階段。經過3年時間的臥薪嘗膽，2014年1月5日，使用國產低溫氫氧發動機的GSLV-D5火箭終于發射成功，標志著GSLV火箭的初步成熟。

印度空間研究組織在解決GSLV火箭問題的同時，仍在積極推動研制GSLV MK III火箭，2010年到2011年，GSLV MK III火箭的L110液體推進段和S200大型固體助推器都先后進行了兩次長程點火工作試驗。2012年印度空間研究組織終于決定進行GSLV MK III火箭的首飛試驗，但由于CE-20氫氧發動機研制進度嚴重滯后，火箭也只能進行亞軌道試驗。印度空間研究組織稱，這次亞軌道試驗將測試火箭新設計的第一級和第二級的推進系統，通過實際飛行驗證新火箭的氣動和受熱設計，并對S200固體助推器、L110推進段和整流罩的分離進行實際驗證。

2014年12月18日中午12時GSLV MK III火箭準時點火升空，發射后第120秒L110液體推進段成功點火，第153秒后S200固體助推器順利分離，第237秒后整流罩順利分離，第324秒后L110關機，關機速度約4.92千米/秒，至此標志著GSLV MK III火箭的亞軌道試驗取得了圓滿成功。雖然GSLV MK III火箭的亞軌道發射都從最初預定的2013年一路推遲到2014年12月，但或許是做足了準備和測試工作，火箭的首次發射反而相當順利。

印度這次發射的一大亮點，是成功發射和回收了質量超過3 噸的CARE返回艙，該返回艙直徑約3.1米，高度約2.7米，質量3735千克，它使用了鋁合金結構設計，底部為酚醛樹脂材料防熱瓦構成的防熱大底，側面為中密度（酚醛材料）燒蝕性防熱瓦，從這個設計上看，印度試圖一步到位實現返回艙的復用，以降低載人任務的成本。CARE試驗中返回艙在120多千米高度分離后，彈道飛行一段時間在80千米高度再入大氣層，返回艙上有6臺100牛的姿態控制發動機和三軸穩定的制導導航控制系統。返回艙再入后在15千米高度開引導傘，3千米高空開主傘，最后在發射1100多秒后成功濺落在孟加拉灣距離安達曼群島英迪拉角180千米處海面，并被附近的工作人員發現和回收。

LVM3的基本性能

GSLV MK III（簡稱LVM3）火箭是印度正在全力研制的新型運載火箭，根據最近兩年印度空間研究組織公布的預算，GSLV MK III重型運載火箭的研制費用約為4億美元。雖然在世界范圍內看，這些錢對于研制一種新型大推力運載火箭來說不算多，但對預算一直不多的印度空間研究組織，絕對算得上是真正的旗艦級項目了。

根據印度空間研究組織的官方數據，GSLV MK III火箭的高度為42.4米，起飛質量為630噸，同步轉移軌道運載能力為4噸，是一種三級運載火箭。GSLV MK III火箭的第一級為兩個長度25.75米、直徑3.2米的S200大型固體助推器，按印度的命名傳統，S200表示填充了約200噸推進劑的固體推進段。LVM3-X任務中S200固體助推器總質量238噸，填充了207噸HTPB固體推進劑，據介紹S200的最大推力為約5145千牛，工作時間約130秒。火箭的第二級為可重復啟動的L110液體推進段，它的長度為21.26米，直徑4米，并聯了兩臺推力686千牛的Vikas發動機，總質量125.6噸，其中裝有115噸UH25/N2O4液體推進劑。火箭的第三級為C25液氧液氫低溫推進段，它裝有約25噸液氧液氫推進劑，發動機為正在研制的推力180千牛～200千牛的CE-20發動機。不過LVM3-X任務中，儲箱裝的是液氮作為配重，總質量只有15噸。

如果只看火箭照片的話，很多人或許會誤認為GSLV MK III是一種二級半運載火箭，即芯一級捆綁固體助推器，外加芯二級的總體設計，不過事實并非如此，印度空間研究組織相關網頁稱GSLV MK III是一種三級運載火箭。根據官方公布的飛行時序，LVM3-X任務中，火箭地面點火的只有兩臺S200固體助推器，它們的推力足以將整枚火箭送上天空。火箭點火工作114秒（實際是120秒）后，第二級L110的兩臺Vikas發動機才在高空進行點火。這種設計并非印度獨創，美國的大力神IIIC/IIID/IIIE等火箭，都是完全使用兩臺大推力固體助推器升空，主發動機高空點火工作。不過印度的GSLV MK III火箭還是有些不同，盡管S200固體助推器只工作約130秒，但它直到第149秒（實際為153秒）才脫離，也就是說L110要帶著燃盡的S200飛行十幾秒，而美國的大力神IIIC火箭是117秒和121秒，只間隔了4秒。究其原因，可能是印度對加速度計和分離定時器的設計要求較低，因此時延更大一些。如果嚴格按照定義來說，大力神IIIE和GSLV MK III火箭不是真正的三級火箭，但它們更不是二級半火箭，將其歸類為三級火箭還是符合實情的。

雖然是一種三級運載火箭，而且使用了液氧液氫的低溫上面級，但GSLV MK III火箭的運載能力僅為近地軌道10噸，同步轉移軌道4噸，印度空間研究組織還稱未來4.5噸～5噸的INSAT-4級別衛星都將使用GSLV MK III發射，這個描述令人十分費解。目前外界還不清楚GSLV MK III火箭同步轉移軌道的4噸運力的具體條件，但印度空間研究組織已經又披露4.5噸的運力數據，還有資料提到GSLV MK III火箭未來升級后同步轉移軌道運力可增強到5噸～6噸。這樣看來，GSLV MK III火箭的同步轉移軌道運力最低也有4噸，足以發射印度現有I-1K、I-2K和I-3K系列的通信衛星，并在升級后可以發射更大的I-4K系列通信衛星。不過有趣之處正在這里，印度空間研究組織稱可發射重4500千克～5000千克的INSAT-4級別衛星，而INSAT-4A/B/C等衛星都是3噸級別的衛星，筆者認為這可能是I-4K衛星平臺之誤，I-4K平臺的GSAT-11衛星就曾計劃使用GSLV MK III火箭發射，但由于火箭研制進度的不斷拖延，現在看來只能繼續交給阿里安宇航公司發射了。

“第四大火箭”只是噱頭

LVM3-X/CARE任務發射前，印度媒體曾報道稱從起飛質量看，GSLV MK III火箭是僅次于美國土星五號，歐洲阿里安5號和俄羅斯質子號的第四大運載火箭。第四大火箭的殊榮，可能在一定程度上振奮了印度人的信心，不過這種算法讓人感覺實在過于牽強附會。姑且不論大量的紙面火箭，曾經存在于這個世界上的運載火箭中，蘇聯的N-1巨型火箭和能源號巨型火箭都比GSLV MK III火箭的起飛質量大得多，美國退役的大力神3/4系列和現役德爾它 IV Heavy火箭也要重于630噸。考慮到LVM3-X只是一次亞軌道發射，那么同樣亞軌道發射的戰神I-X火箭，起飛質量816噸就比LVM3-X火箭更重。如果要考慮軌道發射的話，即使按印度空間研究組織的樂觀預計，LVM3-D1的發射也是2017年的事情了，而12月23日俄羅斯的安加拉A5火箭進行了實際的軌道發射，它的起飛質量約為760噸。我國的長征五號火箭今后兩年將從文昌衛星發射中心發射升空，它的起飛質量約為867噸，同樣要重于GSLV MK III火箭。GSLV MK III火箭的所謂世界第四大火箭，無論從哪個角度都是無法成立的。

印度媒體提到GSLV MK III是世界第四大火箭，并與土星五號并列，很大程度上是渲染印度運載火箭能力和技術的大躍進。雖然起飛質量也是火箭一個重要指標，但衡量一種火箭的性能，更多是用運輸能力，也有很多人傾向于以運載能力系數，也就是有效載荷質量與火箭起飛質量的比值來衡量火箭的運載效率或是先進程度。如果從這兩個標準來看，GSLV MK III火箭就實在排不上號了，雖然GSLV MK III火箭以630噸的起飛質量超過了美國的大力神 V系列火箭，也超過了我國的長征三號乙火箭和日本的H-IIB火箭，但要說運載能力的話，GSLV MK III火箭無論是近地軌道還是同步轉移軌道都只能甘拜下風。美國大力神 V火箭以587噸的起飛質量做到了18.5噸的近地軌道運力，日本的H-IIB火箭以531噸的起飛質量做到了19噸的近地軌道運力，連我國使用老式發動機的長征三號乙運載火箭，459噸的起飛質量下也有約12噸的近地軌道運力。以這些對比看，GSLV MK III火箭雖然體積和質量大，但運載能力和運載系數小，反映出印度運載火箭技術和設計水平與其他國家仍有不小的差距。GSLV MK III火箭身上繼承了GSLV火箭的大量成熟技術，本身設計注重于運載能力的提高而不是不顧國情和能力去攀比技術水平，這是印度空間研究組織的明智選擇，但未免缺乏宣傳的噱頭，印度媒體發揮出第四大火箭的噱頭，也是情理之中的事情。

盡管GSLV MK III火箭在技術上沒有趕上國際先進水平，總體水平甚至落后于中國20世紀90年代的長征三號甲系列火箭，但它對印度航天具有極為重要的價值。通過GSLV MK III火箭的研制，印度將掌握S200、L110和C25的研制生產技術。S200固體助推器比S139固體助推器推力更大總沖更高，它為印度航天的發展奠定了更堅實的基礎；L110上實現的雙發并聯技術，也是GSLV MK III火箭取得重大技術突破之一，為印度未來發展更大的液體推進段鋪平了道路。C25上使用的約20噸推力的CE-20氫氧發動機，標志著印度成為具備獨立設計先進氫氧發動機的國家，更是印度航天運載技術的巨大成就。GSLV MK III火箭還讓印度第一次具備了使用國產運載火箭發射所有國產衛星的能力，在印度航天發展史上更是空前重要的里程碑。