印度新型運載火箭技術方案剖析

徐利杰 陳曉飛 陳海鵬 鄧夢然 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

印度新型運載火箭技術方案剖析

Analysis of Indian's New Launch Vehicle Technical Scheme

徐利杰 陳曉飛 陳海鵬 鄧夢然 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

印度時間2017年6月5日，印度地球同步衛(wèi)星運載火箭－Mk3－D1（GSLV－Mk3－D1）在薩提斯達瓦航天中心首飛發(fā)射成功，標志著印度航天又向前邁進了一步。文章綜合分析了印度GSLV－Mk3新型火箭總體方案及技術特點，總結對我國航天發(fā)展的啟示。

1 研制背景

1969年8月，印度政府成立了印度空間研究組織（ISRO），并正式開始研制本國的運載火箭。印度現(xiàn)役運載火箭包括“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）以及“地球同步衛(wèi)星運載火箭”（GSLV）。PSLV火箭為四級型運載火箭，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運載能力為1.3t，具備“一箭多星”的發(fā)射能力，成功發(fā)射過月球和火星軌道探測器。受PSLV火箭運載能力的限制，無法滿足印度的發(fā)射需求。因此從20世紀80年代開始，在PSLV火箭的基礎上研制了運載能力更大的GSLV火箭，用于將印度2t級的“印度衛(wèi)星”（INSAT）或者國外通信衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，同時也可執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務。

GSLV火箭包括三種構型，分別為三級型Mk1、Mk2和兩級型Mk3。Mk2與Mk1火箭結構基本相同，但是采用本土研制的液氫/液氧低溫上面級CUS12代替俄羅斯的12KRB，并對控制系統(tǒng)進行了改進。Mk2于2010年4月15日首飛，由于低溫上面級故障而宣告飛行失敗，第一次飛行成功時間為2014年1月5日，驗證了印度本土研制的低溫上面級的性能。

為了滿足國內(nèi)需求并開發(fā)國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場，印度于2002年啟動新一代運載火箭GSLV－Mk3的研制，GTO運載能力提升至4t，LEO運載能力提升至10～12t。Mk3最大的特點是使用比Mk2更大推力的低溫氫氧上面級，采用CE－20低溫發(fā)動機。2014年12月完成首次亞軌道飛行，對火箭助推器、芯一級以及總體相關技術進行了驗證。印度時間2017年6月5日，印度GSLV－Mk3－D1火箭首飛成功，搭載了地球靜止衛(wèi)星－19E（GSAT－19E）通信衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量為3.135t。該火箭后續(xù)將服務于印度載人航天任務和衛(wèi)星發(fā)射。

2 技術方案

總體方案

GSLV－Mk3全長43.43m，起飛質(zhì)量640t，采用兩級捆綁結構。芯級為L－110液體推進級，直徑4m，裝有110t可存儲推進劑。芯級外側(cè)捆綁兩枚S－200固體助推器。上面級采用印度本土研制的C－25氫氧低溫上面級。S－200助推器與芯級采用火工品分離，并利用側(cè)推火箭作為分離能源。一、二級分離采用彈簧作為分離能源。整流罩分離采用包帶連接和線性波紋管系統(tǒng)實現(xiàn)。整流罩直徑5m，具有110m3的有效載荷容積。

研制過程中，印度空間研究組織充分利用成熟技術和硬件設施，降低研制難度，在繼承PSLV火箭以及GSLV火箭現(xiàn)有技術基礎上，設計GSLV－Mk3的總體結構和子系統(tǒng)。

GSLV火箭總體參數(shù)和運載能力

GSLV-Mk3主要參數(shù)

L-110液體芯級

L－110芯級采用2臺Vikas發(fā)動機。采用四氧化二氮/偏二甲肼和水合肼混合物作為推進劑，推進劑質(zhì)量為110t，2臺Vikas發(fā)動機提供1600kN的推力，工作時間為200s。

L－110芯級結構從下到上為芯級底部防護罩、燃料貯箱、箱間段、氧化劑貯箱以及1S1/2L段、電子設備所在的1S1/2M段、與S－200助推器相接合的1S1/2U段。L－110的兩個推進劑貯箱為圓柱形的鋁合金硬殼結構，容積均為50m3。推進劑貯箱采用氦氣增壓。Vikas發(fā)動機噴口面積比為31，能夠在偏航軸5°和俯仰軸8°范圍內(nèi)擺動，實現(xiàn)火箭姿態(tài)控制。

S-200固體助推器

S－200助推器直徑為3.2m，真空比沖274s，最大推力6000kN。整個助推器分為三段，中段和尾段的長度都超過8m，頭錐長度3m，裝有205t的復合推進劑（HTPB），額定工作時間130s。

S－200是僅次于美國航天飛機固體助推器和歐洲阿里安－5 P230的世界第三大固體助推器。助推器殼體采用M－250合金鋼，厚度7.7mm。段間的結合采用成熟可靠的PS－1/GS－1榫槽式連接。頭部防護罩外緣與錐形適配器連接。頭部錐形適配器的半錐角為20°。助推器底部帶有防熱罩。助推器藥柱的配置要滿足動壓及可控性要求，尤其要避免兩助推器推力的不匹配。通過靈敏度分析達到最佳的燃燒室壓力和噴管面積比。

S－200的柔性噴管系統(tǒng)允許噴管擺動±7.8°。該系統(tǒng)由5個組件構成，其中彈性密封是關鍵。彈性密封件采用15CDV6特種鋼球形加固墊片和天然橡膠制成的彈性體疊加的結構，平均直徑為1.5m。彈性密封通過低硬度熱防護罩隔離高溫燃氣。作動機構包括40t動力的電動液壓伺服作動器和液壓氣動驅(qū)動裝置，通過S－200附帶的加壓油箱驅(qū)動。S－200助推器的推力由頭部連接的球面軸承傳遞到芯級。當固體助推器燃盡時，爆炸螺栓起爆，然后助推器頭部和底部安裝的6枚分離側(cè)推火箭工作，使助推器和芯級箭體分離。

C-25低溫上面級

C－25上面級攜帶28t的液氫/液氧推進劑，采用CE－20低溫發(fā)動機，真空推力為200kN，額定工作時間為595s。CE－20發(fā)動機為燃氣發(fā)生器循環(huán)方式，使用2套增壓渦輪分別驅(qū)動液氫/液氧泵，混合比和推力可調(diào)。燃燒室采用雙層通道壁結構，利用氫氣實現(xiàn)再生冷卻。CE－20利用電磁作動器實現(xiàn)±4°的擺動。滑行階段利用反作用控制系統(tǒng)實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定。

C－25上面級有2個直徑4m的獨立鋁合金硬殼貯箱，上方為70m3的液氫貯箱，下方為20m3的液氧貯箱。液氫貯箱利用發(fā)動機冷卻通道回流的氫氣（溫度160K）進行增壓，液氧貯箱利用氦氣增壓。

電氣系統(tǒng)

箭上電氣系統(tǒng)主要包括遙測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)火箭的數(shù)據(jù)處理、制導控制、遙測跟蹤以及飛行終止等功能。

制導控制系統(tǒng)采用雙重冗余的分布式結構。該系統(tǒng)采用印度自行研制的計算機用于導航解算，設計了統(tǒng)一的總線，利用雙總線結構實現(xiàn)冗余。時序控制采用三冗余設計，降低了誤發(fā)指令的風險。慣性系統(tǒng)采用3個斜置的陀螺儀和加速度表，為箭載計算機提供慣性基準以及箭體姿態(tài)、位置和速度。箭載計算機根據(jù)這些參數(shù)計算軌跡以及姿態(tài)控制律。

遙測系統(tǒng)采用主數(shù)據(jù)鏈和冗余數(shù)據(jù)鏈結構。S頻段的數(shù)據(jù)鏈1的數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s，當?shù)谝患壏蛛x后，轉(zhuǎn)換為1Mbit/s。數(shù)據(jù)鏈2數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s，作為冗余數(shù)據(jù)鏈。火箭上的參數(shù)采用S頻段的發(fā)射機傳輸?shù)降孛嬲尽＿@些數(shù)據(jù)包括壓力、溫度、結構振動、聲學特征以及電子設備監(jiān)測數(shù)據(jù)。與制導控制相關的參數(shù)由1553B總線上的控制單元監(jiān)測。火箭飛行狀態(tài)跟蹤由儀器艙中的雷達應答機實現(xiàn)。為了提高箭體安全控制的可靠性，固體助推器和芯級火箭都采用了雙重冗余的飛行終止系統(tǒng)。

火箭組裝和發(fā)射設施

GSLV－Mk3火箭組裝和發(fā)射設施位于薩提斯達瓦航天中心，主要包括固體級組裝廠房、液體級準備廠房（用于L－110級）、綜合技術廠房（用于C－25上面級）、衛(wèi)星準備設施和火箭總裝廠房。

用于發(fā)射PSLV/GSLV的第二發(fā)射臺經(jīng)改進后用于GSLV－Mk3的發(fā)射。該發(fā)射臺采用轉(zhuǎn)運-發(fā)射方案，火箭隨發(fā)射平臺一起轉(zhuǎn)場，移動發(fā)射平臺是一個19m×19m×7m的長方體平臺，在平臺兩側(cè)7.8m處對稱放置2個底座用于支撐S－200助推器。在GSLV－Mk3組裝階段，第一步先將兩個S－200助推器放置在支撐底座上，然后將L－110芯級垂直放置于移動發(fā)射平臺上，并使其位于2個S－200助推器中間，之后將組裝好的結構運至火箭總裝廠房。第二步檢查C－25低溫上面級并在火箭總裝廠房完成火箭組裝，最后組裝整流罩與箭體。

3 主要技術進步

GSLV－Mk3火箭使印度在技術上有3個方面的進步，包括：采用大推力固體助推器；首次嘗試液體火箭發(fā)動機并聯(lián)工作；首次自行研制高技術含量的液氫/液氧發(fā)動機。

大推力固體助推器

GSLV－Mk3最引人注目的就是它的2個大型固體助推器，代號為S－200，在PSLV火箭的S－139固體助推器基礎上放大發(fā)展而來，其推力突破500t級。但其燃燒室平均壓強只有4MPa，導致地面比沖只有227s，真空比沖也僅有274s，外加沉重的鋼殼體，總體性能并不出色，唯一值得稱道的是推力巨大。

液體發(fā)動機并聯(lián)布局

L－110使用2臺并聯(lián)的Vikas液體發(fā)動機，這是印度首次進行液體發(fā)動機并聯(lián)的嘗試，更是GSLV－Mk3火箭的重大技術突破。芯一級與大多數(shù)火箭不同的是，它并非在地面點火，而是發(fā)射110s后在高空點火，由于S－200固體助推器從發(fā)射一直工作到130s，和L－110形成了近似的一二級關系，從而獲得了更高的運載效率。但是與大多數(shù)火箭不同的是，S－200固體助推器要在第149s才分離，無用、沉重的助推器殼體被火箭攜帶飛行將近20s，這嚴重影響了火箭的運載效率。

自研低溫上面級

低溫上面級代號為C－25，使用印度新研制的CE－20發(fā)動機。該發(fā)動機使用傳統(tǒng)的燃氣發(fā)生器循環(huán)，真空推力180～200kN，真空比沖達444s，在首飛前僅完成了2次試車。

目前，印度航天技術正在逐漸從國際合作走向獨立自主，GSLV－Mk3完全采用自主技術，典型代表為自主研制的CE－20高性能液氫/液氧發(fā)動機。低溫發(fā)動機的研制成功將有助于印度擺脫國外依賴，大幅降低發(fā)射成本，增加商業(yè)市場競爭力。

4 技術先進性分析

GSLV－Mk3火箭的發(fā)射成功標志著印度實現(xiàn)了多項技術進步，向航天大國又邁進了一步。就數(shù)據(jù)而言，跟其宣傳的“重型”火箭相比有些名不副實，但不可否認其發(fā)展仍有較多借鑒意義。

綜合水平仍未達到國際主流水平

GSLV－Mk3火箭雖然運載能力達到4.0t，但是仍與國際發(fā)射市場主流運載火箭德爾他－4、宇宙神－5、阿里安－5、長征－3A系列等在運載能力上存在較大差距。該火箭以640t左右的起飛質(zhì)量達到4.0t的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力，而阿里安－5火箭則以780t左右的起飛質(zhì)量達到10.5t的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力，表征其運載效率并不高，綜合水平低于目前國際主流水平。

單項技術取得重大突破，突出表現(xiàn)為動力系統(tǒng)的發(fā)展

GSLV－Mk3火箭的S－200固體助推器推力達到500t級，是繼美國航天飛機和歐洲阿里安－5固體助推器的另一個世界大型固體助推器，其推力水平處于國際領先地位；CE－20低溫發(fā)動機真空推力為200kN，額定工作時間為595s，采用燃氣發(fā)生器循環(huán)方式，比沖達到444s，超過長征－3A系列火箭的438s，技術水平亦屬國際領先。

循序漸進的技術驗證思路具有借鑒意義

為提高地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力，印度逐步發(fā)展GSLV－Mk1、Mk2、Mk3三型火箭，使得各項技術逐步驗證，縮小技術跨越，縮減技術難度；將GSLV－Mk3火箭研制與發(fā)展載人航天和商業(yè)發(fā)射相結合，體現(xiàn)其戰(zhàn)略規(guī)劃的前瞻性；通過助推器和一級亞軌道飛行對系統(tǒng)接口、飛行環(huán)境和系統(tǒng)功能性能進行驗證，使試驗考核更加充分，這也不失為一種運載火箭研制試驗的新思路。

5 發(fā)展與啟示

發(fā)展動力，優(yōu)化火箭總體性能

在GSLV－Mk3火箭中，印度在動力方面取得了多項突破。其固體助推器的推力達到國際領先，首次自研的低溫發(fā)動機比沖也超過了長征－3A系列，與長征－5火箭相當，表明印度固體、液體動力技術發(fā)展迅猛。在我國的航天技術發(fā)展中，仍舊需要重點提升動力系統(tǒng)性能，突破固體助推器捆綁與分離技術，牽引大推力固體和液體動力技術的發(fā)展，突破發(fā)動機深度節(jié)流、多次啟動、推力快速在線調(diào)節(jié)等關鍵技術，為運載火箭的綜合性能提升和可重復使用奠定基礎。

注重成本，提升市場競爭力

通過對GSLV－Mk3火箭的綜合分析，印度火箭具有低成本的優(yōu)勢，其固體助推器采用了鋼殼體，并沒有像美國那樣采用復合材料，雖然結構效率比不上歐美，但一枚火箭4650萬美元的成本在國際市場上仍具有較強的競爭力。在中國火箭受制于《國際武器貿(mào)易條例》（ITAR）的情況下，印度火箭在國際市場上愈發(fā)活躍，其在2013－2015年完成了包括加拿大、美國、英國、丹麥、法國、德國等9個國家的28顆衛(wèi)星發(fā)射，實現(xiàn)創(chuàng)收約1億美元。降低發(fā)射成本是各國運載火箭發(fā)展的主要趨勢之一，在運載火箭的研制過程中需要兼顧火箭性能與成本之間的平衡，實現(xiàn)技術經(jīng)濟一體化發(fā)展，提升市場競爭力。

拓寬領域，保持源動力

航天技術水平是一個國家綜合國力的重要標志。印度作為后發(fā)成員，展現(xiàn)出了一定的技術實力，雖然其運載火箭綜合水平與我國相比還有差距，但是，我們也應該看到印度在航天領域的持續(xù)投入和取得的成績。

航天發(fā)展，運載先行。雖然我國新一代長征－5、6、7運載火箭均陸續(xù)首飛并投入使用，但我國新一代運載火箭型譜還不夠完善，同時在低成本發(fā)射、子級重復使用、分離體落區(qū)控制、前端加注無人值守等領域還需要持續(xù)投入，實現(xiàn)我國運載火箭技術的快速發(fā)展。