絕不放棄的火箭雄心

文/ 松堂

韓國經濟的“漢江奇跡”是從引進西方技術起步，航天技術的發展也無法脫離這樣的桎梏。但西方對韓國的技術轉讓有相當大的偏重，衛星技術方面的合作與轉讓比較寬松，火箭技術轉讓卻極為苛刻。這在很大程度上是為了避免韓國研制出射程太遠的彈道導彈，從而刺激到周邊國家。

但是韓國絕不肯放棄。1989年，韓國成立了國家航空航天研究所，簡稱KARI。它是負責航空航天研究和開發的政府研究機構，還包括促進與工業界和大學的合作。到2011年，KARI的規模已經超過700人。自成立以來，KARI一直在設法研制運載火箭。按照這家機構的說法，火箭研發的目的是純粹的科學和民用，但這種話也就是說說而已，至少韓國運載火箭承擔著發射軍用衛星的重大期望。

▲ 比較矮的模型是KSLV- I火箭模型

從KSR-I火箭起步

早在1993年，韓國就發射了單級固體火箭KSR-I。1997年和1998年，韓國又先后發射了二級固體火箭KSRII。這兩代火箭的主要任務目標都是觀測平流層和臭氧層。此后韓國研制了KSR-III液體推進劑火箭，KSR-III是韓國第一枚使用液體推進劑的火箭，于2003年發射。從KSR-III開始，韓國走上了低溫液體火箭發動機的道路。這種火箭采用煤油和液氧燃料，采用了高壓氣瓶作為推進劑供給系統的動力來源，火箭發動機推力為13噸。在發動機開發的早期階段，KSR-III曾遭遇過燃燒不穩定的問題，KARI為此開發了隔板技術，解決了問題。2002年11月28日KSRIII首次發射。火箭長14米，直徑1米，起飛時總重量約6噸，飛行時間是231秒、飛行距離為80千米。這個型號讓韓國初步掌握了液體推進劑等航天運載火箭的基本技術，以及低溫地面支持、推力矢量控制（TVC）、使用復合材料的加壓罐和發射架，驗證了包括慣性導航系統在內的電子系統技術。

韓國認為，自己通過上述項目，獲得了運載火箭所需要的各種基礎技術，如電子技術、地面支持系統、發射操作技術等，因此啟動了KSLV-I羅老號運載火箭的研制。但實際上，韓國當時并沒有能力研制真正的大推力火箭發動機，因此“羅老號”只能選擇從俄羅斯進口第一級的辦法。俄羅斯為此索取了高價，卻沒有轉讓技術。即使如此，“羅老號”的研制也不順利，第一次和第二次發射均以失敗告終，到2013年的第三次發射才算把衛星送入軌道。但是KARI對這段歷史往往是一筆帶過。

自2010年起，也就是KSLV-I第二次發射失敗的第二年，KARI啟動了韓國第二種運載火箭的研制。KSLV-II并不是KSLV-I的國產化型號或者后續型號，而是一個全新的型號。

KSLV-II的韓語發音是“努里”，意思是“世界”。韓國政府的偶像是美國太空探索技術公司，希望自己也能培育出一個企業來，用相對廉價可靠的火箭，滿足國際商業發射市場的需求。KSLV-II目前的目標是將1500千克的有效載荷送入600-800千米的低地球軌道（LEO），或者將2600千克的有效載荷送入300千米的低地球軌道。

KSLV-II火箭

KSLV-II是一種三級火箭。第一級采用四臺KRE-075型發動機，總推力為266.4噸，比沖289.1秒。第二級采用一臺真空型KRE-075發動機，噴管的直徑更大，比沖可以達到315.4秒。第三級火箭則使用一臺比沖為325.1秒的KRE-007發動機。所有這些發動機都采用液氧煤油燃料，其中航空煤油的牌號是A-1型。

KSLV-II采用這樣的構型，并不是KSLV-I的第一級在設計上有什么問題。實際上，這種采用RD-191發動機作為核心的火箭級段，是世界上最先進的構型之一。韓國沒有仿造，僅僅是因為仿造不出來而已。但不管怎么說，KSLV-II也算是韓國靠自己的力量邁向宇宙的第一塊階石。

▲ 測試中的KRE-075發動機

▲ 韓華公司準備測試KRE-075發動機

▲首枚KSLV-II火箭前往發射場

▲ 為KRE-075發動機專門修建的試車臺

KSLV-II的開發分為3個階段。第一階段為2010年3月至2015年7月，進行了系統設計和火箭初步設計，并進行了多次測試，完成了發動機有關子系統和系統測試設施的建設，并開始了7噸級液體發動機的系統測試。第二階段從2015年8月到2018年3月，實施了運載火箭關鍵設計、75噸級發動機系統地面試驗和（TLV）試飛。目前這種火箭的研制處在第三階段，也就是正式研制和發射。

▲ 為KSLV-II火箭修建的 LC-2發射工位

KSLV-II長47.2米，最大直徑3.5米，起飛質量200噸。火箭的設計基線在初步設計階段就已經確立，關鍵設計評審（CDR）計劃在2017年進行，此后并未發生大的改動。KSLV-II是一種比較規矩的火箭設計，第一級包括推進系統、推進劑儲箱和燃料供給系統、防火系統、航電系統和推力矢量控制系統的執行機構。第一級的總質量為143噸，真空推力約為300噸（2940千牛），真空比沖為298.5秒，發動機運行時間為126秒。二級火箭包括火箭發動機、推力矢量控制系統、滾動控制系統、級間段，總質量42.3噸，真空推力80噸（784千牛），真空比沖315.9秒，發動機運行時間為144秒。第三級包括推進系統、航電設備、慣性導航和制導單元（INGU）、TVC系統、衛星適配器、反作用控制系統等，總質量12.6噸，真空推力7噸（68.6千牛），真空比沖326.6秒，發動機工作時間約為500秒。整流罩長7米，重700千克，包括結構、分離系統、隔音毯和熱控制系統等。

KSLV-II GLSV-G（C35） 長征四號子級數量 3 4 3高度 47.2 44 45.6起飛重量 200噸 320噸 250噸一級推力 2940千牛 4800千牛 2961.6千牛700千米太陽同步軌道運載能力 1.5噸 1.75噸 1.9噸發射日期 計劃2021年10月 2016年9月26日 1999年5月10日（首次發射）

從總體參數上說，KSLV-II和印度的PSLV-G、中國的長征四號乙比較接近，但是運載能力卻要差很多。特別是KSLV-II的起飛重量和起飛推力相差100噸之多。推測這是因為KARI第一次自己搞運載火箭，為了確保成功，在很多地方留了太多余量。如果能逐步成熟起來，估計會逐漸把這些余量“吃掉”，有效提高運載能力。

KRE-075發動機

KRE-075是一種采用開放式燃氣發生器循環的發動機，燃氣發生器需要消耗大約4%的推進劑來驅動渦輪泵。燃氣驅動渦輪后，通過熱交換器和排氣管排出，能產生約1%的推力。

KRE-075有兩種型號，海平面型和真空型。KRE-075沒有控制發動機推力和燃料混合比的功能，但在地面試驗中，可以通過3個控制閥來控制和保持發動機的工作狀態。

為了驗證發動機系統的性能，KARI在羅老航天中心建造了幾個測試設施，包括燃燒室試驗裝置、渦輪泵試驗裝置、火箭發動機試驗裝置、高空發動機試驗設備。有了這些設施之后，韓國終于可以獨立自主開展火箭發動機研制了。

▲ 組裝完成的KSLV II一級

▲KRE-075發動機四機聯合點火試驗

按照韓國方面的說法，燃氣發生器是KRE-075的研制重點。用在這種發動機上的型號被稱為75tGG。這個型號并不是憑空研制的，在開發KSLV-I火箭期間，KARI為30噸級液體火箭發動機研制過一種燃氣發生器，稱為30tGG，獲得了一定的經驗和技術。30tGG從2002年開始研制，是一種富燃料型燃氣發生器（也就是為渦輪泵供應超額的煤油，實現不完全燃燒）。到2008年KSLV-I起飛前，KARI共生產8個小尺寸和11個全尺寸樣機。這11個全尺寸樣機，進行了21次燃燒試驗，累積時間為470秒。韓國還利用俄羅斯試驗設施，對30噸級發動機動力總成與30tGG渦輪泵進行了聯用試驗，據說取得了滿意的燃燒特性、燃燒穩定性和耐久性。

75tGG的結構與30tGG幾乎相同，只是把推進劑流量擴大了約3倍。在30tGG技術的基礎上，對氣缸式燃燒室、同軸渦流噴射器和蓄熱冷卻燃燒室加以改進。75tGG開發項目可分為4個階段：全尺寸技術演示模型（TDM）、子尺寸TDM（STDM）、開發模式第一階段和第二階段（DM）以及發動機開發模型。

▲ KSLV-II 的未來大推力型，低軌道運載能力可以達到4噸

為了開發75tGG，KARI摸索出了一套試驗方法、建立了試驗設施，也遇到了很多次故障和事故，包括試驗設施的收縮應力和緊固件因注入液氮而泄漏、推進劑供應程序不佳導致頭部面板焊接部分開裂、燃料泄漏導致點火期間發生爆炸、燃燒器的燃燒不穩定問題需要返工，等等。但經過幾年的努力，KARI還是解決了上述問題，把75tGG造出來了。

韓華科技公司于2016年1月25日與KARI簽訂了141億韓元（1177萬美元）的合同，為KSLV-II生產兩種類型的液體推進劑火箭發動機。2016年1月8日，為攻克燃燒室燃燒不穩定和液體發動機油箱焊接技術難題，開展了二期工程，并對KRE-075發動機進行了幾秒鐘的燃燒試驗。2016年5月3日，KRE-075發動機進行了1.5秒長的火花點火試驗。后來在2016年6月8日燃燒了75秒。在這些成功之后，2016年7月20日下午1:39，成功實現了145秒（147秒）的最終目標燃燒時間。在燃燒試驗期間，發動機名義上運行，燃燒安全性和燃燒推力等所有數值均在預期誤差范圍內。在實際發射過程中，第一級發動機燃燒127秒，第二級發動機燃燒143秒。從2016年10月開始，第二臺KRE-075發動機已經進行了200多次燃燒試驗，性能基本上穩定下來了。

至于第三級火箭用的KRE-007發動機，2014年3月7噸級燃燒室首次燃燒試驗順利完成，2015年7月開始進行KRE-007總裝和首次點火試驗，該項目的第一階段已經完成，增加了一個三級發動機燃燒試驗設施和一個燃燒室燃燒試驗設施。

一個發動機的TLV火箭

為了確保KSLV-II火箭的研制成功，特別是為了確保KRE-075發動機穩妥可靠，KARI專門研制了“測試發射火箭”，簡稱TLV。這是一種單級火箭，只裝了一臺KRE-075發動機。它的長度為25.8米、直徑2.6米，發射質量52.1噸，干質量38噸。有些研究者在美國宇航局論壇上發表推測說，這個重量意味著火箭攜帶了一定的有效載荷，并且認為可能是某種大氣研究設備。然而KARI研究人士竟然專門跟帖回復說，TLV整流罩里不是什么設備，僅僅是配重而已。

▲ KSLV-II起豎的連續動作

▲ KSLV-II一級發動機構型

TLV原本打算在2018年10月25日發射，但由于在火箭推進劑加壓系統中檢測到異常讀數，只好推遲到2018年11月28日。當天下午4點，火箭從韓國全羅南道高鄉的羅老航天中心發射升空。原計劃是火箭主發動機燃燒140秒，達到100千米的高度，然后在濟州島和沖繩島之間的海面上濺落。

但實際上，它的主發動機燃燒了151秒，實際達到了209千米，最后在濟州島東南429千米的太平洋上濺落。

由于TLV的目的是作為一種試驗飛行器，并且飛行以成功告終，因此不會有第二次TLV發射。

KSLV-II火箭對韓國的經濟、國家戰略都有重要意義。2020年7月28日，韓國國家安全事務副顧問金賢聰在記者會上說，韓國軍方需要“睜大眼睛”監視朝鮮半島。他說韓國“不久將擁有許多低軌道軍事衛星，這些衛星具有出色的監視能力”，可以對該地區進行24小時監測。

▲ KSLV-II進入LC-2發射工位

KSLV-II將用于發射多顆地球觀測衛星，如韓國多用途衛星、低軌道偵察衛星。它計劃支持韓國的月球探測任務，發射軌道飛行器和著陸器。KSLV-II還將是韓國第一枚進入商業發射服務市場的火箭。發射成本估計在3000萬美元左右，比亞洲同行便宜。這將使韓國能夠為東南亞國家提供廉價的發射服務。

地球靜止軌道型KSLV

韓國方面考慮，在KSLV-II項目成功后，進一步將KRE-075的推力從75.9噸（743.82千牛）增加到86.6噸（7848.68千牛），比沖從261.7秒增加到315.4秒。另外，還打算減輕發動機重量，例如取消點火器和降低結構重量，這樣可以把KSLV-II的有效載荷能力從1.5噸增加到2.8噸。

還有一種用于地球靜止赤道軌道的KSLV-II的升級型號正在研制中。它將在核心級集合四臺KRE-090發動機，四臺側面助推器各配備一臺KRE-090發動機。第二級將采用真空優化的KRE-090發動機（KRE-090V）。第三級將采用新開發的KRE-010V富氧化劑分級燃燒發動機。