GSLV MARKIII？是個什么箭

▲ 2014年實驗中的GSLV MARKIII 第二級采用了液氮填充

不管“天船”是不是靠譜，印度至少已經擁有一種載人飛船的雛形了。要把它送進400公里高的軌道，當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計，采用粗壯的L110液體芯級，兩個略微纖細一點的S200固體火箭發動機作為捆綁助推器。

GSLV MARKIII高度為43.43米，芯級直徑4米、助推器直徑3.2米，助推器外側還各有一個細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，它的起飛質量為630.58噸，低軌道運載能力為8噸，地球同步轉移軌道的運載能力為4噸——這都是ISRO自己公布的數字。相比之下，中國的長征三號乙運載火箭起飛質量為426噸，地球同步轉移軌道的運載能力為5.1噸；獵鷹9號火箭的起飛質量為549噸，低軌道運載能力達到22.8噸，地球同步轉移軌道的運載能力達到了8.3噸。

但不管怎么說，這是印度自主研發的、運載能力最大的火箭，8噸的低軌道運載能力剛好可以執行低軌道載人飛船的發射任務。而且它已經進行了兩次成功的飛行，是印度載人航天計劃中最長的一塊板。

LVM3任務中的GSLV MARKIII

對GSLV MARKIII的介紹文章已經很多，本文的重點，將放在2014年的那次試驗飛行上。這次試驗的編號是LVM3，主要目的有四個。首先是驗證火箭氣動外形，這是印度首次采用大型固體火箭助推器設計。第二是驗證主要設計參數。第三是考察包括飛船、發射場、測控和回收系統在內的大系統設計。第四就是考察飛船返回和著陸回收的技術。

在這當中，S200火箭發動機和L100火箭發動機要分別接受驗證和考核。從S200角度來說，這是印度首次將如此大直徑的固體發動機用于航天發射。該發動機也是僅次于美國航天飛機和歐洲阿里安火箭的世界第三大固體助推器。固體發動機的藥柱在制造時，不可避免地會出現一定誤差。也就是說，兩側助推器的推力大小和方向都是不同的。而固體發動機點火后，又不能像液體發動機那樣通過調節燃料供給來控制推力。為了保證兩側推力大致相同，這次試驗中使用的兩個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來保證兩側燃料消耗率基本一致。具體的措施，就是推進劑外側的兩個撓性噴管控制油箱。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。兩個S200總計裝有207噸推進劑，幾乎占了起飛質量的三分之一。

L100液體芯級的技術相對成熟，采用兩臺威克斯液體火箭發動機并聯，以偏二甲肼和四氧化二氮為燃料。這是用在PLSV和GLSV上的成熟產品，但用在GLSV MARKIII上時，把推力提高到了100噸。

比較有意思的是低溫上面級。在2014年的時候，這個名為C25的級段還沒有研制完成。于是ISRO采取了一種折中辦法。既然試驗飛船只需要飛到亞軌道，那么C25不能產生推力也不要緊。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大一部分技術性能了。

▲ GSLV MARKIII成功發射了兩次

▲ LVM3飛行前，模擬飛船準備裝入整流罩

GSLV MARKIII起飛的時候，是S200先點火。到達43.43公里高度、1785.98米每秒飛行速度后，L110芯級點火。因此LVM3任務起飛時只有兩臺固體發動機在推進，但它們能發出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，但這時的S200已經消耗了大部分燃料，火箭質量比起飛的時候小得多了。L110點火后24秒，S200就燃盡分離。每個S200上下兩端各裝有3臺小型火箭發動機，它們一起點火，把S200從L110上剝離出去，此時的火箭速度已經達到2124.96米每秒，高度為70.81公里，但質量已經下降到了400噸左右。當火箭飛行到114.35公里的高度，已經飛過了馮·卡門線，空氣已經非常稀薄，于是整流罩分離。火箭再向上飛行十多公里，抵達126.24公里高度后，芯級發動機停止工作。與此同時，地面控制人員向C25低溫上面級發出模擬關機指令。這個時候，火箭還在憑慣性飛行，高度開始降低。當低至126.14公里高度時，模擬飛船與火箭分離。飛船進入返回程序。

▲S200正在準備進行點火試驗

法國血統的維克斯發動機

維克斯發動機是印度目前的主力火箭發動機，無論極軌道運載火箭（PSLV）還是靜止軌道運載火箭（GSLV），第一級火箭發動機都是維克斯。在GSLV MARKIII上，使用的是維克斯X型發動機。

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家，號稱印度航天之父。但維克斯發動機本身并不是他的作品，而是從法國引進的維京發動機。

維京發動機是法國為阿里安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火箭實際飛行的時候，使用的是611千牛的維京2。維京發動機一直使用到阿里安4上，在第一級芯級上并聯了4臺，其時的推力已經提高到了667千牛。維京發動機非常成熟，先后生產了1000臺，其中958臺進行了實際飛行，只有2臺失效。其中一次還是人為失誤造成的。到1998年，維京發動機的可靠性已經成長到了無需測試就可以總裝的程度。

印度引進這樣成熟的型號，是明智的選擇。因為工業基礎上的不足，在維克斯發動機制造的早期，ISRO還要從法國進口一些必要的零部件，但如今已經能完全自行生產。

維克斯發動機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，海平面推力達到756.5千牛，真空推力達到839千牛，比維京發動機更進一步。

后續任務

首次亞軌道飛行完成后，GSLV MARKIII進行了一系列改進。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，減少兩噸質量可以改善這個區段的飛行品質。整流罩的頭部更尖銳了一些，助推器頭錐外形也進行了修改。

2017年6月5日，GSLV MARK III正式執行了D1任務，將3136千克重的GSAT-19衛星發射進入同步轉移軌道。這次任務與LVM3任務的主要區別是C25上面級換成了真燃料。飛行過程還是比較順利的，衛星準確進入了預定軌道。這也給印度當局提供了2022年載人飛行的進一步信心。

從目前的發射計劃來看，GSLV MARKIII在實施載人飛行之前，還要發射4次。其中在2018年10月發射GSAT-29衛星，在2019年發射GSAT-20和月船二號月球探測器。GSLV MARKIII還將發射GSAT-22衛星，但日期未定。

載人飛行的前景分析

一種火箭能夠實施兩次成功飛行，不管技術水平是高是低，都有了繼續使用下去的價值。從火箭時間表來看，印度人似乎太著急了一些。除非一開始就作為載人火箭設計，6次發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、美國和中國的經驗看，載人火箭要在完全的載人狀態下，進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還要經歷一番脫胎換骨，起飛質量可能還要有所上升。如果因此而使LEO軌道運載能力降低到了飛船的質量指標以下，恐怕就要對設計做大幅度改動。是不是會影響2022年發射的目標，也是一個風險。另外，如果在2022年前的這4次發射中發生不測，哪怕只是一個小故障，都必須重新審視整個設計和制造。這是載人飛行所必須采取的態度。

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，看起來很強大但是運力嚴重不足的GSLV MARK III肯定是不夠用的。印度必須設法研制一系列全新的發動機，并以此為核心構建新的火箭。印度方面有人提出，需要研制一種低軌道運載能力在20～30噸的火箭，其實這就是獵鷹9號火箭的指標。但對于印度的工業基礎來說，這個跨度確實大了一點，需要在推進、結構、材料、制造工藝、電子技術、軟件和分析能力方面全都上一個臺階。

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他是唯一進入過太空的印度人

拉克什·沙爾瑪

印度人上一次進入太空是在1984年，實際上這也是印度人唯一一次進入太空。印度空軍飛行員拉克什·沙爾瑪乘坐聯盟T-11號飛船進入了太空，并且前往禮炮7號空間站，在那里度過了181天零21小時48分的時間，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，因此所進入的軌道是近地點195公里、遠地點224公里的傾斜橢圓軌道，高度比印度“天船”計劃所預定的要低得多。

沙爾瑪本人出生于1946年，1970年加入印度空軍，擔任試飛員。1982年入選ISRO的航天員計劃，得到了航天飛行的機會。

在空間站飛行期間，沙爾瑪對印度本土進行了空間觀測，還進行了一些生命科學和材料處理方面的實驗，應該說這是一次政治意味很濃厚的飛行，集中于體現蘇聯和印度的友好合作關系。沙爾瑪的這次飛行期間執行的空間科學任務有多大意義未見報道，沙爾瑪本人也沒有為印度的后續載人航天計劃做出什么貢獻。因此也可以認為，聯盟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：在空間站里練習瑜伽，來緩解長期空間飛行對身體所造成的負擔。這項嘗試有什么實際成果，人們不得而知，看來效果極其有限。

1987年沙爾瑪退出現役，來到印度航空工業公司擔任首席試飛員，直到退休。從正式報道中，除了2006年參與了ISRO的一次載人航天會議之外，沒有發現沙爾瑪對這一輪載人航天計劃有什么參與。

印度科學家沒有參加過美國航天飛機的飛行，或者國際空間站的飛行，在搭載航天飛機飛行過的航天員當中，確實有一些印度裔，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和印度航天界進行過學術交流，但很顯然沒有對印度載人航天計劃做出過正式的指導，更沒有人回國任職。卡爾帕娜·喬拉就更不可能做什么了，因為她在2003年乘坐哥倫比亞號航天飛機返回地球時遇難。

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

簡而言之，沙爾瑪的那一次飛行，就是印度載人航天此前的唯一經歷了。當然，如果不出意料的話，ISRO應該保存著他受訓前后的所有記錄。這對“天船”的研制和航天員選拔，或許還是有點作用的。