印度首次成功發(fā)射使用國(guó)產(chǎn)低溫上面級(jí)的運(yùn)載火箭

楊開(kāi) 曲晶（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

2014年1月5日，印度空間研究組織（ISRO）的地球同步軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭－MK2 D5（GSLVMK2 D5）搭載地球靜止衛(wèi)星－14（GSAT－14）從薩蒂什-達(dá)萬(wàn)航天中心發(fā)射升空，17min后火箭成功將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道（近地點(diǎn)180km，遠(yuǎn)地點(diǎn)35975km，傾角19.3°），驗(yàn)證了印度自主研制的低溫上面級(jí)技術(shù)。此次發(fā)射的GSLV－D5火箭，是GSLV－MK2火箭繼2010年4月首次發(fā)射失敗之后的第二次發(fā)射。該型火箭在首飛中由于自主研制的低溫上面級(jí)發(fā)生故障，導(dǎo)致火箭爆炸墜入印度洋的孟加拉灣海域，星箭俱毀。

GSAT－14衛(wèi)星是印度研制的第23顆地球同步軌道通信衛(wèi)星，質(zhì)量1982kg，凈質(zhì)量851kg。此前印度已經(jīng)利用GSLV火箭發(fā)射了4顆GSAT衛(wèi)星，GSAT－14投入運(yùn)行后，印度將擁有9顆地球同步軌道衛(wèi)星。GSAT－14的主要目的是增加現(xiàn)有通信能力，并為新試驗(yàn)提供平臺(tái)。

總裝中的GSAT－14衛(wèi)星

1 GSLV－MK2介紹

GSLV－MK2為三級(jí)運(yùn)載火箭，全長(zhǎng)49.13m，起飛質(zhì)量414.75t，起飛推力6773kN。

GSLV－MK2可以采用直徑3.4m、長(zhǎng)7.8m的鋁合金整流罩，也可以采用直徑4.0m、長(zhǎng)8.7m的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料整流罩。該型運(yùn)載火箭的第一次飛行試驗(yàn)采用了直徑4m的整流罩，運(yùn)載能力達(dá)到2.22t。此次飛行試驗(yàn)為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，采用直徑3.4m的整流罩。

由于GSLV在2010年連續(xù)2次發(fā)射失敗，印度根據(jù)以往的飛行數(shù)據(jù)，對(duì)火箭進(jìn)行了大量的改進(jìn)工作，以提高其可靠性，主要包括：

1）重新對(duì)上面級(jí)下裙進(jìn)行了設(shè)計(jì)，下裙的主要作用是在大氣飛行過(guò)程中保護(hù)低溫上面級(jí)；

2）重新設(shè)計(jì)低溫級(jí)導(dǎo)線(xiàn)通道，使其可以在飛行中承受更大的作用力；

3）修正整個(gè)火箭的氣動(dòng)特性，進(jìn)行了900多次風(fēng)洞試驗(yàn)，利用得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了4000多個(gè)小時(shí)的氣動(dòng)仿真計(jì)算；

4）增加了視頻系統(tǒng)監(jiān)控，以監(jiān)控下裙在飛行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況；

5）上面級(jí)的改進(jìn)：①重新設(shè)計(jì)了燃料增壓渦輪泵，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到了軸承與軸套的膨脹和收縮行為；②修正了點(diǎn)火順序，保證主發(fā)動(dòng)機(jī)、游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)獍l(fā)生器的平穩(wěn)點(diǎn)火。

此次發(fā)射任務(wù)的預(yù)定發(fā)射時(shí)序

GSLV－MK2 D5原定于2013年8月19日發(fā)射，但在發(fā)射前75min，因二子級(jí)燃料泄漏而中止發(fā)射。之后，技術(shù)人員排空了二子級(jí)、上面級(jí)以及4個(gè)液體捆綁助推器的推進(jìn)劑，將火箭運(yùn)回總裝廠(chǎng)房拆解。其中，上面級(jí)和有效載荷未受到燃料泄漏的影響得以保留。燃料泄漏原因是二子級(jí)采用了2010年制造的7020鋁合金貯箱，這種材料加工的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間存放之后易產(chǎn)生裂紋。更換之后的二子級(jí)采用了2219鋁合金的貯箱，提高了可靠性。

GSLV－MK2主要性能參數(shù)

2 GSLV系列火箭發(fā)展歷程及未來(lái)規(guī)劃

印度現(xiàn)役運(yùn)載火箭包括“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（PSLV）以及GSLV。PSLV為四級(jí)型運(yùn)載火箭，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力為1.3t，具備“一箭多星”的發(fā)射能力，已成功發(fā)射過(guò)月球和火星探測(cè)器。截止2013年底，PSLV已經(jīng)執(zhí)行過(guò)25次發(fā)射任務(wù)，完全成功23次，成功率92%。

雖然PSLV的成功率很高，但是受其運(yùn)載能力所限，印度國(guó)內(nèi)的很多衛(wèi)星并不能采用PSLV進(jìn)行發(fā)射。因此，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，印度在PSLV的基礎(chǔ)上研制了運(yùn)載能力更大的GSLV，設(shè)計(jì)用于將2噸級(jí)國(guó)內(nèi)外通信衛(wèi)星送入GTO，同時(shí)也可執(zhí)行低地球軌道（LEO）發(fā)射任務(wù)。GSLV包括3種構(gòu)型，分別為三級(jí)型的GSLVMK1、MK2和兩級(jí)型的GSLV－MK3。GSLV從2001年4月首飛至今已進(jìn)行了8次發(fā)射，完全成功3次，成功率只有37.5%。

GSLV系列各型號(hào)火箭主要技術(shù)性能參數(shù)

GSLV－MK1前兩級(jí)是在PSLV的一、二子級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)行小幅度改進(jìn)而來(lái)，一子級(jí)采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（S139），捆綁4枚常溫液體火箭助推器（L40）；二子級(jí)為常溫液體推進(jìn)級(jí)（L37.5）；三子級(jí)采用俄羅斯提供的具有多次點(diǎn)火能力的液氫/液氧低溫上面級(jí)12KRB，配有2臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。此次發(fā)射的GSLV－D5屬于GSLV－MK2構(gòu)型，與GSLV－MK1火箭結(jié)構(gòu)基本相同，但是采用自主研制的低溫上面級(jí)代替12KRB，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

隨著運(yùn)載需求的不斷提高，印度已著手研制運(yùn)載能力更大的GSLV－MK3，該項(xiàng)目在2002－2003年獲得批準(zhǔn)立項(xiàng)。但是由于印度自主研制的低溫上面級(jí)工作一直不順利，GSLV－MK3的首飛被推遲至2014年4月。GSLV－MK3為兩級(jí)火箭，采用110t液體推進(jìn)劑的芯級(jí)（L110）捆綁2枚裝有200t推進(jìn)劑的固體助推器（S200），C25低溫上面級(jí)將裝有25t的推進(jìn)劑，GTO運(yùn)載能力將達(dá)到4t，具有多軌道發(fā)射能力。GSLV－MK3主要為滿(mǎn)足印度大型衛(wèi)星以及載人航天的需求，同時(shí)為爭(zhēng)奪國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)做準(zhǔn)備。

GSLV發(fā)射情況

3 印度的低溫上面級(jí)

印度在20世紀(jì)80年代GSLV項(xiàng)目啟動(dòng)之后，就開(kāi)始研究低溫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。由于美國(guó)等西方國(guó)家不愿意轉(zhuǎn)讓技術(shù)，印度在1991年1月與蘇聯(lián)達(dá)成協(xié)議，從蘇聯(lián)購(gòu)買(mǎi)了5臺(tái)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)。此后，美國(guó)不斷對(duì)俄羅斯施加壓力，迫使其在1992年4月加入禁止向印度轉(zhuǎn)讓低溫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的協(xié)議。俄羅斯沒(méi)有完全履行禁止向印度轉(zhuǎn)讓低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的承諾，在1993年7月再次售給印度2臺(tái)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)。印度也一直在進(jìn)行自主低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，制定了低溫上面級(jí)計(jì)劃（CUSP），并在印度泰米爾納德邦成立了液體推進(jìn)系統(tǒng)中心（LPSC）。經(jīng)過(guò)近20年的探索與努力，同時(shí)也受益于俄羅斯低溫上面級(jí)技術(shù)，ISRO終于在2008年12月完成了本國(guó)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行驗(yàn)收熱點(diǎn)火試車(chē)，成功驗(yàn)證了關(guān)鍵而復(fù)雜的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

印度國(guó)產(chǎn)的低溫上面級(jí)使用再生冷卻氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)C12（其性能與俄羅斯12KRB上面級(jí)使用的KVD－1發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)），采用分級(jí)燃燒循環(huán)方式，真空比沖可達(dá)452s（俄羅斯12KRB的真空比沖為454s），額定工作時(shí)間為720s。單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的真空推力為69.5kN，加上2個(gè)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)后總的真空推力為73.55kN。發(fā)動(dòng)機(jī)主渦輪泵由預(yù)燃室產(chǎn)生的熱氣驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)39000r/min，將推進(jìn)劑以16.6kg/s的流量送入燃燒室。為了實(shí)現(xiàn)較高的推進(jìn)劑流量，液氫和液氧采用了獨(dú)立的渦輪增壓泵。C12發(fā)動(dòng)機(jī)采用2個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器，分別實(shí)現(xiàn)推力控制和混合比控制。上面級(jí)使用的材料包括鋁、鈦、鎳及其合金，在裝配過(guò)程中實(shí)施了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2010年，印度采用自制的低溫上面級(jí)的GSLVMK2 D3進(jìn)行首次試驗(yàn)飛行。由于低溫上面級(jí)的燃料渦輪泵發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)射失敗。故障原因是過(guò)高壓力和熱應(yīng)力引起了渦輪斷裂以及轉(zhuǎn)子抱死。在分析發(fā)射失敗原因之后，印度對(duì)推進(jìn)劑渦輪泵進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)改進(jìn)了低溫上面級(jí)的其他部分，包括對(duì)下裙重新設(shè)計(jì)并加強(qiáng)、延長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)槽的長(zhǎng)度、將拉線(xiàn)連接器從下裙轉(zhuǎn)移到桁架結(jié)構(gòu)上等。

2012年5月，印度對(duì)其自制低溫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)。該低溫發(fā)動(dòng)機(jī)在ISRO液體推進(jìn)系統(tǒng)中心進(jìn)行了持續(xù)200s的試車(chē)，試驗(yàn)驗(yàn)證了燃料增壓渦輪泵轉(zhuǎn)速的余量，同時(shí)也證明了推進(jìn)劑供應(yīng)管路的冷卻能力，貯箱壓力穩(wěn)定性達(dá)到了低溫發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所需的條件。2013年3月和5月，該液體推進(jìn)系統(tǒng)中心成功進(jìn)行了其低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的高空試驗(yàn)，驗(yàn)證了該發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火穩(wěn)定性。

4 小結(jié)分析

（1）成功驗(yàn)證低溫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，為大型運(yùn)載火箭研制奠定基礎(chǔ)

印度一直致力于低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，經(jīng)過(guò)20年的探索與努力，終于利用GSLV－D5的試驗(yàn)飛行驗(yàn)證了印度自主低溫上面級(jí)技術(shù)，使印度成為美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本和中國(guó)之外，第6個(gè)掌握低溫推進(jìn)技術(shù)的國(guó)家或地區(qū)，為采用更大低溫上面級(jí)的GSLV－MK3提供了技術(shù)保證，滿(mǎn)足印度未來(lái)深空探測(cè)以及載人航天的需求。

（2）擺脫國(guó)外依賴(lài)，大幅降低發(fā)射成本，增加商業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

ISRO主席拉達(dá)克里什南表示，印度此次發(fā)射成功擺脫對(duì)國(guó)外商業(yè)運(yùn)載火箭（阿里安－5）的依賴(lài)，為降低發(fā)射費(fèi)用鋪平了道路；同時(shí)，將來(lái)也可以發(fā)射更多的衛(wèi)星，提高空間通信能力，從而獲取更多收益。印度利用國(guó)外商業(yè)運(yùn)載火箭發(fā)射3.5t衛(wèi)星將支付8500萬(wàn)～9000萬(wàn)美元，而此次運(yùn)載火箭的成本僅為3545萬(wàn)美元。

多年以來(lái)，印度一直在為進(jìn)入國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)而努力，并成功于2007年用本國(guó)PSLV發(fā)射了1顆意大利衛(wèi)星，成為世界上第5個(gè)能夠發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星的國(guó)家。但由于其運(yùn)載能力較低，只能發(fā)射LEO衛(wèi)星，因此印度一直希望通過(guò)GSLV拓寬其商業(yè)服務(wù)范疇。但由于印度一直依賴(lài)俄羅斯的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)（每臺(tái)價(jià)格高達(dá)1800萬(wàn)美元），令其發(fā)展計(jì)劃受到牽制。印度擁有自主低溫推進(jìn)技術(shù)之后，可以完全依靠自身能力發(fā)展大型運(yùn)載火箭，使得將來(lái)爭(zhēng)奪國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)成為可能。

（3）GSLV－MK2將充當(dāng)承上啟下的過(guò)渡角色

在印度2012－2017的5年計(jì)劃中，PSLV將要進(jìn)行17次飛行任務(wù)，而GSLV－MK2只有6次飛行任務(wù)，并且GSLV－MK2 D5以及2014－2015年之間發(fā)射的GSLVMK2 D6為試驗(yàn)飛行。按照印度的規(guī)劃，GSLVMK2的目標(biāo)是采用獨(dú)立自主技術(shù)發(fā)射2噸級(jí)的INSAT/GSAT。但是隨著衛(wèi)星質(zhì)量的不斷增大以及深空探測(cè)任務(wù)需求不斷提高，需要研制新型的運(yùn)載能力更大的運(yùn)載火箭，所以GSLV－MK2構(gòu)型是一個(gè)承上啟下的過(guò)渡角色，驗(yàn)證印度的低溫上面級(jí)技術(shù)，為GSLV－MK3的研制工作鋪路。

火箭裝配及發(fā)射過(guò)程