GSLV MARKIII？是個(gè)什么箭

▲ 2014年實(shí)驗(yàn)中的GSLV MARKIII 第二級采用了液氮填充

不管“天船”是不是靠譜，印度至少已經(jīng)擁有一種載人飛船的雛形了。要把它送進(jìn)400公里高的軌道，當(dāng)然還需要一種大型火箭。ISRO通過艱苦的努力，研制出了一種外形很壯觀的火箭，這就是GSLV MARKIII。

GSLV MARKIII的基本性能

GSLV MARKIII的外觀令人印象很深刻，它的一級采用捆綁式設(shè)計(jì)，采用粗壯的L110液體芯級，兩個(gè)略微纖細(xì)一點(diǎn)的S200固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為捆綁助推器。

GSLV MARKIII高度為43.43米，芯級直徑4米、助推器直徑3.2米，助推器外側(cè)還各有一個(gè)細(xì)小的撓性噴管控制油箱。再加上直徑5米的大型整流罩，GSLV MARKIII成為了印度有史以來制造過的最高大的火箭。

從運(yùn)載比的角度來說，GSLV MARKIII并不是一種很出色的火箭。簡單說，它的起飛質(zhì)量為630.58噸，低軌道運(yùn)載能力為8噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為4噸——這都是ISRO自己公布的數(shù)字。相比之下，中國的長征三號乙運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量為426噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為5.1噸；獵鷹9號火箭的起飛質(zhì)量為549噸，低軌道運(yùn)載能力達(dá)到22.8噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力達(dá)到了8.3噸。

但不管怎么說，這是印度自主研發(fā)的、運(yùn)載能力最大的火箭，8噸的低軌道運(yùn)載能力剛好可以執(zhí)行低軌道載人飛船的發(fā)射任務(wù)。而且它已經(jīng)進(jìn)行了兩次成功的飛行，是印度載人航天計(jì)劃中最長的一塊板。

LVM3任務(wù)中的GSLV MARKIII

對GSLV MARKIII的介紹文章已經(jīng)很多，本文的重點(diǎn)，將放在2014年的那次試驗(yàn)飛行上。這次試驗(yàn)的編號是LVM3，主要目的有四個(gè)。首先是驗(yàn)證火箭氣動(dòng)外形，這是印度首次采用大型固體火箭助推器設(shè)計(jì)。第二是驗(yàn)證主要設(shè)計(jì)參數(shù)。第三是考察包括飛船、發(fā)射場、測控和回收系統(tǒng)在內(nèi)的大系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第四就是考察飛船返回和著陸回收的技術(shù)。

在這當(dāng)中，S200火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和L100火箭發(fā)動(dòng)機(jī)要分別接受驗(yàn)證和考核。從S200角度來說，這是印度首次將如此大直徑的固體發(fā)動(dòng)機(jī)用于航天發(fā)射。該發(fā)動(dòng)機(jī)也是僅次于美國航天飛機(jī)和歐洲阿里安火箭的世界第三大固體助推器。固體發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱在制造時(shí)，不可避免地會出現(xiàn)一定誤差。也就是說，兩側(cè)助推器的推力大小和方向都是不同的。而固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，又不能像液體發(fā)動(dòng)機(jī)那樣通過調(diào)節(jié)燃料供給來控制推力。為了保證兩側(cè)推力大致相同，這次試驗(yàn)中使用的兩個(gè)助推器是在相同工藝條件下同步制造的，并且采用了燃燒速率控制技術(shù)來保證兩側(cè)燃料消耗率基本一致。具體的措施，就是推進(jìn)劑外側(cè)的兩個(gè)撓性噴管控制油箱。從ISRO給出的圖示來看，采用的是所謂流體二次噴射控制技術(shù)。兩個(gè)S200總計(jì)裝有207噸推進(jìn)劑，幾乎占了起飛質(zhì)量的三分之一。

L100液體芯級的技術(shù)相對成熟，采用兩臺威克斯液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，以偏二甲肼和四氧化二氮為燃料。這是用在PLSV和GLSV上的成熟產(chǎn)品，但用在GLSV MARKIII上時(shí)，把推力提高到了100噸。

比較有意思的是低溫上面級。在2014年的時(shí)候，這個(gè)名為C25的級段還沒有研制完成。于是ISRO采取了一種折中辦法。既然試驗(yàn)飛船只需要飛到亞軌道，那么C25不能產(chǎn)生推力也不要緊。ISRO在C25的液氫和液氧儲箱里灌滿了液氮，這樣就可以考核相當(dāng)大一部分技術(shù)性能了。

▲ GSLV MARKIII成功發(fā)射了兩次

▲ LVM3飛行前，模擬飛船準(zhǔn)備裝入整流罩

GSLV MARKIII起飛的時(shí)候，是S200先點(diǎn)火。到達(dá)43.43公里高度、1785.98米每秒飛行速度后，L110芯級點(diǎn)火。因此LVM3任務(wù)起飛時(shí)只有兩臺固體發(fā)動(dòng)機(jī)在推進(jìn)，但它們能發(fā)出10300千牛的推力，足夠把整枚火箭推離地面。L110的推力只有1598千牛，但這時(shí)的S200已經(jīng)消耗了大部分燃料，火箭質(zhì)量比起飛的時(shí)候小得多了。L110點(diǎn)火后24秒，S200就燃盡分離。每個(gè)S200上下兩端各裝有3臺小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它們一起點(diǎn)火，把S200從L110上剝離出去，此時(shí)的火箭速度已經(jīng)達(dá)到2124.96米每秒，高度為70.81公里，但質(zhì)量已經(jīng)下降到了400噸左右。當(dāng)火箭飛行到114.35公里的高度，已經(jīng)飛過了馮·卡門線，空氣已經(jīng)非常稀薄，于是整流罩分離?；鸺傧蛏巷w行十多公里，抵達(dá)126.24公里高度后，芯級發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。與此同時(shí)，地面控制人員向C25低溫上面級發(fā)出模擬關(guān)機(jī)指令。這個(gè)時(shí)候，火箭還在憑慣性飛行，高度開始降低。當(dāng)?shù)椭?26.14公里高度時(shí)，模擬飛船與火箭分離。飛船進(jìn)入返回程序。

▲S200正在準(zhǔn)備進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)

法國血統(tǒng)的維克斯發(fā)動(dòng)機(jī)

維克斯發(fā)動(dòng)機(jī)是印度目前的主力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，無論極軌道運(yùn)載火箭（PSLV）還是靜止軌道運(yùn)載火箭（GSLV），第一級火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都是維克斯。在GSLV MARKIII上，使用的是維克斯X型發(fā)動(dòng)機(jī)。

維克斯是維克拉姆·阿姆巴拉爾·薩拉貝（VIKram Ambalal Sarabhai）的縮寫，此人是印度著名科學(xué)家，號稱印度航天之父。但維克斯發(fā)動(dòng)機(jī)本身并不是他的作品，而是從法國引進(jìn)的維京發(fā)動(dòng)機(jī)。

維京發(fā)動(dòng)機(jī)是法國為阿里安1火箭研制的，早期的推力只有190千牛，后來逐步提高。到阿里安1火箭實(shí)際飛行的時(shí)候，使用的是611千牛的維京2。維京發(fā)動(dòng)機(jī)一直使用到阿里安4上，在第一級芯級上并聯(lián)了4臺，其時(shí)的推力已經(jīng)提高到了667千牛。維京發(fā)動(dòng)機(jī)非常成熟，先后生產(chǎn)了1000臺，其中958臺進(jìn)行了實(shí)際飛行，只有2臺失效。其中一次還是人為失誤造成的。到1998年，維京發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性已經(jīng)成長到了無需測試就可以總裝的程度。

印度引進(jìn)這樣成熟的型號，是明智的選擇。因?yàn)楣I(yè)基礎(chǔ)上的不足，在維克斯發(fā)動(dòng)機(jī)制造的早期，ISRO還要從法國進(jìn)口一些必要的零部件，但如今已經(jīng)能完全自行生產(chǎn)。

維克斯發(fā)動(dòng)機(jī)在不同火箭上配用的燃料儲箱有所不同，其中在GSLV MARKIII上配用了容量為55噸的儲箱，海平面推力達(dá)到756.5千牛，真空推力達(dá)到839千牛，比維京發(fā)動(dòng)機(jī)更進(jìn)一步。

后續(xù)任務(wù)

首次亞軌道飛行完成后，GSLV MARKIII進(jìn)行了一系列改進(jìn)。首先是把固體燃料顆粒的形狀從13瓣星型改成了10瓣開槽型，裝藥量減少到了205噸。很顯然，第一次飛行中的207噸燃料沒有用完。固體助推器分離前后，正是火箭處在跨音速飛行階段，減少兩噸質(zhì)量可以改善這個(gè)區(qū)段的飛行品質(zhì)。整流罩的頭部更尖銳了一些，助推器頭錐外形也進(jìn)行了修改。

2017年6月5日，GSLV MARK III正式執(zhí)行了D1任務(wù)，將3136千克重的GSAT-19衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入同步轉(zhuǎn)移軌道。這次任務(wù)與LVM3任務(wù)的主要區(qū)別是C25上面級換成了真燃料。飛行過程還是比較順利的，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入了預(yù)定軌道。這也給印度當(dāng)局提供了2022年載人飛行的進(jìn)一步信心。

從目前的發(fā)射計(jì)劃來看，GSLV MARKIII在實(shí)施載人飛行之前，還要發(fā)射4次。其中在2018年10月發(fā)射GSAT-29衛(wèi)星，在2019年發(fā)射GSAT-20和月船二號月球探測器。GSLV MARKIII還將發(fā)射GSAT-22衛(wèi)星，但日期未定。

載人飛行的前景分析

一種火箭能夠?qū)嵤﹥纱纬晒︼w行，不管技術(shù)水平是高是低，都有了繼續(xù)使用下去的價(jià)值。從火箭時(shí)間表來看，印度人似乎太著急了一些。除非一開始就作為載人火箭設(shè)計(jì)，6次發(fā)射未必能徹底完善一種火箭，把它的可靠性提高到載人火箭的水平。從蘇聯(lián)、美國和中國的經(jīng)驗(yàn)看，載人火箭要在完全的載人狀態(tài)下，進(jìn)行至少一次不載人的飛行。才能確信它可以把航天員安全地送上天。

為了載人飛行，為了解決高可靠性問題，GSLV MARKIII還要經(jīng)歷一番脫胎換骨，起飛質(zhì)量可能還要有所上升。如果因此而使LEO軌道運(yùn)載能力降低到了飛船的質(zhì)量指標(biāo)以下，恐怕就要對設(shè)計(jì)做大幅度改動(dòng)。是不是會影響2022年發(fā)射的目標(biāo)，也是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。另外，如果在2022年前的這4次發(fā)射中發(fā)生不測，哪怕只是一個(gè)小故障，都必須重新審視整個(gè)設(shè)計(jì)和制造。這是載人飛行所必須采取的態(tài)度。

然而這還不夠，印度對于載人航天的雄心并不僅僅是400公里的軌道高度，空間站甚至登月都在考慮之中。因此，看起來很強(qiáng)大但是運(yùn)力嚴(yán)重不足的GSLV MARK III肯定是不夠用的。印度必須設(shè)法研制一系列全新的發(fā)動(dòng)機(jī)，并以此為核心構(gòu)建新的火箭。印度方面有人提出，需要研制一種低軌道運(yùn)載能力在20～30噸的火箭，其實(shí)這就是獵鷹9號火箭的指標(biāo)。但對于印度的工業(yè)基礎(chǔ)來說，這個(gè)跨度確實(shí)大了一點(diǎn)，需要在推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、電子技術(shù)、軟件和分析能力方面全都上一個(gè)臺階。

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他是唯一進(jìn)入過太空的印度人

拉克什·沙爾瑪

印度人上一次進(jìn)入太空是在1984年，實(shí)際上這也是印度人唯一一次進(jìn)入太空。印度空軍飛行員拉克什·沙爾瑪乘坐聯(lián)盟T-11號飛船進(jìn)入了太空，并且前往禮炮7號空間站，在那里度過了181天零21小時(shí)48分的時(shí)間，繞軌道飛行2935圈。

由于這次飛行的目的地是禮炮7號空間站，因此所進(jìn)入的軌道是近地點(diǎn)195公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)224公里的傾斜橢圓軌道，高度比印度“天船”計(jì)劃所預(yù)定的要低得多。

沙爾瑪本人出生于1946年，1970年加入印度空軍，擔(dān)任試飛員。1982年入選ISRO的航天員計(jì)劃，得到了航天飛行的機(jī)會。

在空間站飛行期間，沙爾瑪對印度本土進(jìn)行了空間觀測，還進(jìn)行了一些生命科學(xué)和材料處理方面的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該說這是一次政治意味很濃厚的飛行，集中于體現(xiàn)蘇聯(lián)和印度的友好合作關(guān)系。沙爾瑪?shù)倪@次飛行期間執(zhí)行的空間科學(xué)任務(wù)有多大意義未見報(bào)道，沙爾瑪本人也沒有為印度的后續(xù)載人航天計(jì)劃做出什么貢獻(xiàn)。因此也可以認(rèn)為，聯(lián)盟T-11號飛船的這次飛行和“天船”之間沒有什么繼承性。

沙爾瑪在飛行期間還做了一件其他國家航天員未曾嘗試過的舉動(dòng)：在空間站里練習(xí)瑜伽，來緩解長期空間飛行對身體所造成的負(fù)擔(dān)。這項(xiàng)嘗試有什么實(shí)際成果，人們不得而知，看來效果極其有限。

1987年沙爾瑪退出現(xiàn)役，來到印度航空工業(yè)公司擔(dān)任首席試飛員，直到退休。從正式報(bào)道中，除了2006年參與了ISRO的一次載人航天會議之外，沒有發(fā)現(xiàn)沙爾瑪對這一輪載人航天計(jì)劃有什么參與。

印度科學(xué)家沒有參加過美國航天飛機(jī)的飛行，或者國際空間站的飛行，在搭載航天飛機(jī)飛行過的航天員當(dāng)中，確實(shí)有一些印度裔，包括蘇尼塔·威廉姆斯、卡爾帕娜·喬拉等人。這些印度裔航天員也確實(shí)和印度航天界進(jìn)行過學(xué)術(shù)交流，但很顯然沒有對印度載人航天計(jì)劃做出過正式的指導(dǎo)，更沒有人回國任職?？柵聊取汤透豢赡茏鍪裁戳?，因?yàn)樗?003年乘坐哥倫比亞號航天飛機(jī)返回地球時(shí)遇難。

至于國際空間站，由于空間站的容量受到航天飛機(jī)失事的影響，常駐人員的數(shù)量被限制在三人，而搭載聯(lián)盟TMA飛船往返天地之間的也只能有三人而已。加上聯(lián)盟飛船的費(fèi)用越來越高，因此印度航天員沒有進(jìn)入過國際空間站。

簡而言之，沙爾瑪?shù)哪且淮物w行，就是印度載人航天此前的唯一經(jīng)歷了。當(dāng)然，如果不出意料的話，ISRO應(yīng)該保存著他受訓(xùn)前后的所有記錄。這對“天船”的研制和航天員選拔，或許還是有點(diǎn)作用的。