印度重型火箭試射成功

□ 張雪松

北京時(shí)間2014年12月18日中午12時(shí)，印度GSLV MK III重型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，這是該型火箭的首次發(fā)射。不過(guò)和多數(shù)新型運(yùn)載火箭不同，GSLV MK III火箭的首次發(fā)射中，火箭第二級(jí)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L(zhǎng)VM3-X任務(wù)。LVM3-X任務(wù)還決定將未來(lái)載人飛船的返回艙作為載荷進(jìn)行再入飛行試驗(yàn)（CARE），再入試驗(yàn)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(dòng)吹響了號(hào)角。順利的話，2017年后印度空間研究組織可能正式立項(xiàng)開(kāi)始印度自主的載人航天項(xiàng)目。

LVM3試驗(yàn)基本情況

GSLV MK III火箭很早就出現(xiàn)在印度空間研究組織的規(guī)劃中，21世紀(jì)初甚至計(jì)劃2007年發(fā)射，但是由于GSLV MK I和MK II火箭研制發(fā)射并不順利，這種空中樓閣式的時(shí)間點(diǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。GSLV MK I火箭使用俄制RD-56M分級(jí)燃燒循環(huán)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而印度仿制RD-56M后的發(fā)動(dòng)機(jī)稱之為CE-7.5，表示它的推力約為73.5千牛。GSLV-D3任務(wù)即使用CE-7.5發(fā)動(dòng)機(jī)的GSLV MK II火箭的首次發(fā)射中，CE-7.5啟動(dòng)后立刻就出現(xiàn)故障導(dǎo)致發(fā)射失敗。隨后印度空間研究組織使用俄制低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的GSLV-F06任務(wù)又出現(xiàn)GSLV MK I火箭凌空爆炸的悲劇，導(dǎo)致GSLV火箭陷入漫長(zhǎng)的整改排故階段。經(jīng)過(guò)3年時(shí)間的臥薪嘗膽，2014年1月5日，使用國(guó)產(chǎn)低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的GSLV-D5火箭終于發(fā)射成功，標(biāo)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(wèn)題的同時(shí)，仍在積極推動(dòng)研制GSLV MK III火箭，2010年到2011年，GSLV MK III火箭的L110液體推進(jìn)段和S200大型固體助推器都先后進(jìn)行了兩次長(zhǎng)程點(diǎn)火工作試驗(yàn)。2012年印度空間研究組織終于決定進(jìn)行GSLV MK III火箭的首飛試驗(yàn)，但由于CE-20氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度嚴(yán)重滯后，火箭也只能進(jìn)行亞軌道試驗(yàn)。印度空間研究組織稱，這次亞軌道試驗(yàn)將測(cè)試火箭新設(shè)計(jì)的第一級(jí)和第二級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際飛行驗(yàn)證新火箭的氣動(dòng)和受熱設(shè)計(jì)，并對(duì)S200固體助推器、L110推進(jìn)段和整流罩的分離進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2014年12月18日中午12時(shí)GSLV MK III火箭準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火升空，發(fā)射后第120秒L110液體推進(jìn)段成功點(diǎn)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(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)速度約4.92千米/秒，至此標(biāo)志著GSLV MK III火箭的亞軌道試驗(yàn)取得了圓滿成功。雖然GSLV MK III火箭的亞軌道發(fā)射都從最初預(yù)定的2013年一路推遲到2014年12月，但或許是做足了準(zhǔn)備和測(cè)試工作，火箭的首次發(fā)射反而相當(dāng)順利。

印度這次發(fā)射的一大亮點(diǎn)，是成功發(fā)射和回收了質(zhì)量超過(guò)3 噸的CARE返回艙，該返回艙直徑約3.1米，高度約2.7米，質(zhì)量3735千克，它使用了鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底部為酚醛樹(shù)脂材料防熱瓦構(gòu)成的防熱大底，側(cè)面為中密度（酚醛材料）燒蝕性防熱瓦，從這個(gè)設(shè)計(jì)上看，印度試圖一步到位實(shí)現(xiàn)返回艙的復(fù)用，以降低載人任務(wù)的成本。CARE試驗(yàn)中返回艙在120多千米高度分離后，彈道飛行一段時(shí)間在80千米高度再入大氣層，返回艙上有6臺(tái)100牛的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和三軸穩(wěn)定的制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。返回艙再入后在15千米高度開(kāi)引導(dǎo)傘，3千米高空開(kāi)主傘，最后在發(fā)射1100多秒后成功濺落在孟加拉灣距離安達(dá)曼群島英迪拉角180千米處海面，并被附近的工作人員發(fā)現(xiàn)和回收。

LVM3的基本性能

GSLV MK III（簡(jiǎn)稱LVM3）火箭是印度正在全力研制的新型運(yùn)載火箭，根據(jù)最近兩年印度空間研究組織公布的預(yù)算，GSLV MK III重型運(yùn)載火箭的研制費(fèi)用約為4億美元。雖然在世界范圍內(nèi)看，這些錢(qián)對(duì)于研制一種新型大推力運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)不算多，但對(duì)預(yù)算一直不多的印度空間研究組織，絕對(duì)算得上是真正的旗艦級(jí)項(xiàng)目了。

根據(jù)印度空間研究組織的官方數(shù)據(jù)，GSLV MK III火箭的高度為42.4米，起飛質(zhì)量為630噸，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為4噸，是一種三級(jí)運(yùn)載火箭。GSLV MK III火箭的第一級(jí)為兩個(gè)長(zhǎng)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(tǒng)，S200表示填充了約200噸推進(jìn)劑的固體推進(jìn)段。LVM3-X任務(wù)中S200固體助推器總質(zhì)量238噸，填充了207噸HTPB固體推進(jìn)劑，據(jù)介紹S200的最大推力為約5145千牛，工作時(shí)間約130秒?；鸺牡诙?jí)為可重復(fù)啟動(dòng)的L110液體推進(jìn)段，它的長(zhǎng)度為21.26米，直徑4米，并聯(lián)了兩臺(tái)推力686千牛的Vikas發(fā)動(dòng)機(jī)，總質(zhì)量125.6噸，其中裝有115噸UH25/N2O4液體推進(jìn)劑?；鸺牡谌?jí)為C25液氧液氫低溫推進(jìn)段，它裝有約25噸液氧液氫推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)為正在研制的推力180千?！?00千牛的CE-20發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)LVM3-X任務(wù)中，儲(chǔ)箱裝的是液氮作為配重，總質(zhì)量只有15噸。

如果只看火箭照片的話，很多人或許會(huì)誤認(rèn)為GSLV MK III是一種二級(jí)半運(yùn)載火箭，即芯一級(jí)捆綁固體助推器，外加芯二級(jí)的總體設(shè)計(jì)，不過(guò)事實(shí)并非如此，印度空間研究組織相關(guān)網(wǎng)頁(yè)稱GSLV MK III是一種三級(jí)運(yùn)載火箭。根據(jù)官方公布的飛行時(shí)序，LVM3-X任務(wù)中，火箭地面點(diǎn)火的只有兩臺(tái)S200固體助推器，它們的推力足以將整枚火箭送上天空?；鸺c(diǎn)火工作114秒（實(shí)際是120秒）后，第二級(jí)L110的兩臺(tái)Vikas發(fā)動(dòng)機(jī)才在高空進(jìn)行點(diǎn)火。這種設(shè)計(jì)并非印度獨(dú)創(chuàng)，美國(guó)的大力神IIIC/IIID/IIIE等火箭，都是完全使用兩臺(tái)大推力固體助推器升空，主發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火工作。不過(guò)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(shí)際為153秒）才脫離，也就是說(shuō)L110要帶著燃盡的S200飛行十幾秒，而美國(guó)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(duì)加速度計(jì)和分離定時(shí)器的設(shè)計(jì)要求較低，因此時(shí)延更大一些。如果嚴(yán)格按照定義來(lái)說(shuō)，大力神IIIE和GSLV MK III火箭不是真正的三級(jí)火箭，但它們更不是二級(jí)半火箭，將其歸類為三級(jí)火箭還是符合實(shí)情的。

雖然是一種三級(jí)運(yùn)載火箭，而且使用了液氧液氫的低溫上面級(jí)，但GSLV MK III火箭的運(yùn)載能力僅為近地軌道10噸，同步轉(zhuǎn)移軌道4噸，印度空間研究組織還稱未來(lái)4.5噸～5噸的INSAT-4級(jí)別衛(wèi)星都將使用GSLV MK III發(fā)射，這個(gè)描述令人十分費(fèi)解。目前外界還不清楚GSLV MK III火箭同步轉(zhuǎn)移軌道的4噸運(yùn)力的具體條件，但印度空間研究組織已經(jīng)又披露4.5噸的運(yùn)力數(shù)據(jù)，還有資料提到GSLV MK III火箭未來(lái)升級(jí)后同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力可增強(qiáng)到5噸～6噸。這樣看來(lái)，GSLV MK III火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力最低也有4噸，足以發(fā)射印度現(xiàn)有I-1K、I-2K和I-3K系列的通信衛(wèi)星，并在升級(jí)后可以發(fā)射更大的I-4K系列通信衛(wèi)星。不過(guò)有趣之處正在這里，印度空間研究組織稱可發(fā)射重4500千克～5000千克的INSAT-4級(jí)別衛(wèi)星，而INSAT-4A/B/C等衛(wèi)星都是3噸級(jí)別的衛(wèi)星，筆者認(rèn)為這可能是I-4K衛(wèi)星平臺(tái)之誤，I-4K平臺(tái)的GSAT-11衛(wèi)星就曾計(jì)劃使用GSLV MK III火箭發(fā)射，但由于火箭研制進(jìn)度的不斷拖延，現(xiàn)在看來(lái)只能繼續(xù)交給阿里安宇航公司發(fā)射了。

“第四大火箭”只是噱頭

LVM3-X/CARE任務(wù)發(fā)射前，印度媒體曾報(bào)道稱從起飛質(zhì)量看，GSLV MK III火箭是僅次于美國(guó)土星五號(hào)，歐洲阿里安5號(hào)和俄羅斯質(zhì)子號(hào)的第四大運(yùn)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(guò)這種算法讓人感覺(jué)實(shí)在過(guò)于牽強(qiáng)附會(huì)。姑且不論大量的紙面火箭，曾經(jīng)存在于這個(gè)世界上的運(yùn)載火箭中，蘇聯(lián)的N-1巨型火箭和能源號(hào)巨型火箭都比GSLV MK III火箭的起飛質(zhì)量大得多，美國(guó)退役的大力神3/4系列和現(xiàn)役德?tīng)査?IV Heavy火箭也要重于630噸?？紤]到LVM3-X只是一次亞軌道發(fā)射，那么同樣亞軌道發(fā)射的戰(zhàn)神I-X火箭，起飛質(zhì)量816噸就比LVM3-X火箭更重。如果要考慮軌道發(fā)射的話，即使按印度空間研究組織的樂(lè)觀預(yù)計(jì)，LVM3-D1的發(fā)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(jìn)行了實(shí)際的軌道發(fā)射，它的起飛質(zhì)量約為760噸。我國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭今后兩年將從文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，它的起飛質(zhì)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(wú)論從哪個(gè)角度都是無(wú)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(hào)并列，很大程度上是渲染印度運(yùn)載火箭能力和技術(shù)的大躍進(jìn)。雖然起飛質(zhì)量也是火箭一個(gè)重要指標(biāo)，但衡量一種火箭的性能，更多是用運(yùn)輸能力，也有很多人傾向于以運(yùn)載能力系數(shù)，也就是有效載荷質(zhì)量與火箭起飛質(zhì)量的比值來(lái)衡量火箭的運(yùn)載效率或是先進(jìn)程度。如果從這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，GSLV MK III火箭就實(shí)在排不上號(hào)了，雖然GSLV MK III火箭以630噸的起飛質(zhì)量超過(guò)了美國(guó)的大力神 V系列火箭，也超過(guò)了我國(guó)的長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭和日本的H-IIB火箭，但要說(shuō)運(yùn)載能力的話，GSLV MK III火箭無(wú)論是近地軌道還是同步轉(zhuǎn)移軌道都只能甘拜下風(fēng)。美國(guó)大力神 V火箭以587噸的起飛質(zhì)量做到了18.5噸的近地軌道運(yùn)力，日本的H-IIB火箭以531噸的起飛質(zhì)量做到了19噸的近地軌道運(yùn)力，連我國(guó)使用老式發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，459噸的起飛質(zhì)量下也有約12噸的近地軌道運(yùn)力。以這些對(duì)比看，GSLV MK III火箭雖然體積和質(zhì)量大，但運(yùn)載能力和運(yùn)載系數(shù)小，反映出印度運(yùn)載火箭技術(shù)和設(shè)計(jì)水平與其他國(guó)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(shù)，本身設(shè)計(jì)注重于運(yùn)載能力的提高而不是不顧國(guó)情和能力去攀比技術(shù)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(fā)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(shù)上沒(méi)有趕上國(guó)際先進(jìn)水平，總體水平甚至落后于中國(guó)20世紀(jì)90年代的長(zhǎng)征三號(hào)甲系列火箭，但它對(duì)印度航天具有極為重要的價(jià)值。通過(guò)GSLV MK III火箭的研制，印度將掌握S200、L110和C25的研制生產(chǎn)技術(shù)。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(fā)展奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；L110上實(shí)現(xiàn)的雙發(fā)并聯(lián)技術(shù)，也是GSLV MK III火箭取得重大技術(shù)突破之一，為印度未來(lái)發(fā)展更大的液體推進(jìn)段鋪平了道路。C25上使用的約20噸推力的CE-20氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)志著印度成為具備獨(dú)立設(shè)計(jì)先進(jìn)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家，更是印度航天運(yùn)載技術(shù)的巨大成就。GSLV MK III火箭還讓印度第一次具備了使用國(guó)產(chǎn)運(yùn)載火箭發(fā)射所有國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的能力，在印度航天發(fā)展史上更是空前重要的里程碑。