□ 張雪松

北京時間2014年12月18日中午12時，印度GSLV MK III重型運載火箭發(fā)射升空，這是該型火箭的首次發(fā)射。不過和多數(shù)新型運載火箭不同，GSLV MK III火箭的首次發(fā)射中，火箭第二級是配重，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LVM3-X任務(wù)。LVM3-X任務(wù)還決定將未來載人飛船的返回艙作為載荷進行再入飛行試驗（CARE），再入試驗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吹響了號角。順利的話，2017年后印度空間研究組織可能正式立項開始印度自主的載人航天項目。

LVM3試驗基本情況

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世紀初甚至計劃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間點沒有實現(xiàn)。GSLV MK I火箭使用俄制RD-56M分級燃燒循環(huán)的氫氧發(fā)動機，而印度仿制RD-56M后的發(fā)動機稱之為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)動機的GSLV MK II火箭的首次發(fā)射中，CE-7.5啟動后立刻就出現(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)動機的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火箭陷入漫長的整改排故階段。經(jīng)過3年時間的臥薪嘗膽，2014年1月5日，使用國產(chǎn)低溫氫氧發(fā)動機的GSLV-D5火箭終于發(fā)射成功，標志著GSLV火箭的初步成熟。

印度空間研究組織在解決GSLV火箭問題的同時，仍在積極推動研制GSLV MK III火箭，2010年到2011年，GSLV MK III火箭的L110液體推進段和S200大型固體助推器都先后進行了兩次長程點火工作試驗。2012年印度空間研究組織終于決定進行GSLV MK III火箭的首飛試驗，但由于CE-20氫氧發(fā)動機研制進度嚴重滯后，火箭也只能進行亞軌道試驗。印度空間研究組織稱，這次亞軌道試驗將測試火箭新設(shè)計的第一級和第二級的推進系統(tǒng)，通過實際飛行驗證新火箭的氣動和受熱設(shè)計，并對S200固體助推器、L110推進段和整流罩的分離進行實際驗證。

2014年12月18日中午12時GSLV MK III火箭準時點火升空，發(fā)射后第120秒L110液體推進段成功點火，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，關(guān)機速度約4.92千米/秒，至此標志著GSLV MK III火箭的亞軌道試驗取得了圓滿成功。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，但或許是做足了準備和測試工作，火箭的首次發(fā)射反而相當順利。

印度這次發(fā)射的一大亮點，是成功發(fā)射和回收了質(zhì)量超過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，底部為酚醛樹脂材料防熱瓦構(gòu)成的防熱大底，側(cè)面為中密度（酚醛材料）燒蝕性防熱瓦，從這個設(shè)計上看，印度試圖一步到位實現(xiàn)返回艙的復(fù)用，以降低載人任務(wù)的成本。CARE試驗中返回艙在120多千米高度分離后，彈道飛行一段時間在80千米高度再入大氣層，返回艙上有6臺100牛的姿態(tài)控制發(fā)動機和三軸穩(wěn)定的制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。返回艙再入后在15千米高度開引導(dǎo)傘，3千米高空開主傘，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（簡稱LVM3）火箭是印度正在全力研制的新型運載火箭，根據(jù)最近兩年印度空間研究組織公布的預(yù)算，GSLV MK III重型運載火箭的研制費用約為4億美元。雖然在世界范圍內(nèi)看，這些錢對于研制一種新型大推力運載火箭來說不算多，但對預(yù)算一直不多的印度空間研究組織，絕對算得上是真正的旗艦級項目了。

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)移軌道運載能力為4噸，是一種三級運載火箭。GSLV MK III火箭的第一級為兩個長度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噸推進劑的固體推進段。LVM3-X任務(wù)中S200固體助推器總質(zhì)量238噸，填充了207噸HTPB固體推進劑，據(jù)介紹S200的最大推力為約5145千牛，工作時間約130秒。火箭的第二級為可重復(fù)啟動的L110液體推進段，它的長度為21.26米，直徑4米，并聯(lián)了兩臺推力686千牛的Vikas發(fā)動機，總質(zhì)量125.6噸，其中裝有115噸UH25/N2O4液體推進劑?；鸺牡谌墳镃25液氧液氫低溫推進段，它裝有約25噸液氧液氫推進劑，發(fā)動機為正在研制的推力180千?！?00千牛的CE-20發(fā)動機。不過LVM3-X任務(wù)中，儲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，很多人或許會誤認為GSLV MK III是一種二級半運載火箭，即芯一級捆綁固體助推器，外加芯二級的總體設(shè)計，不過事實并非如此，印度空間研究組織相關(guān)網(wǎng)頁稱GSLV MK III是一種三級運載火箭。根據(jù)官方公布的飛行時序，LVM3-X任務(wù)中，火箭地面點火的只有兩臺S200固體助推器，它們的推力足以將整枚火箭送上天空?；鸺c火工作114秒（實際是120秒）后，第二級L110的兩臺Vikas發(fā)動機才在高空進行點火。這種設(shè)計并非印度獨創(chuàng)，美國的大力神IIIC/IIID/IIIE等火箭，都是完全使用兩臺大推力固體助推器升空，主發(fā)動機高空點火工作。不過印度的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（實際為153秒）才脫離，也就是說L110要帶著燃盡的S200飛行十幾秒，而美國的大力神IIIC火箭是117秒和121秒，只間隔了4秒。究其原因，可能是印度對加速度計和分離定時器的設(shè)計要求較低，因此時延更大一些。如果嚴格按照定義來說，大力神IIIE和GSLV MK III火箭不是真正的三級火箭，但它們更不是二級半火箭，將其歸類為三級火箭還是符合實情的。

雖然是一種三級運載火箭，而且使用了液氧液氫的低溫上面級，但GSLV MK III火箭的運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4.5噸～5噸的INSAT-4級別衛(wèi)星都將使用GSLV MK III發(fā)射，這個描述令人十分費解。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噸的運力數(shù)據(jù)，還有資料提到GSLV MK III火箭未來升級后同步轉(zhuǎn)移軌道運力可增強到5噸～6噸。這樣看來，GSLV MK III火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運力最低也有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，并在升級后可以發(fā)射更大的I-4K系列通信衛(wèi)星。不過有趣之處正在這里，印度空間研究組織稱可發(fā)射重4500千克～5000千克的INSAT-4級別衛(wèi)星，而INSAT-4A/B/C等衛(wèi)星都是3噸級別的衛(wèi)星，筆者認為這可能是I-4K衛(wèi)星平臺之誤，I-4K平臺的GSAT-11衛(wèi)星就曾計劃使用GSLV MK III火箭發(fā)射，但由于火箭研制進度的不斷拖延，現(xiàn)在看來只能繼續(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，印度媒體曾報道稱從起飛質(zhì)量看，GSLV MK III火箭是僅次于美國土星五號，歐洲阿里安5號和俄羅斯質(zhì)子號的第四大運載火箭。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，不過這種算法讓人感覺實在過于牽強附會。姑且不論大量的紙面火箭，曾經(jīng)存在于這個世界上的運載火箭中，蘇聯(lián)的N-1巨型火箭和能源號巨型火箭都比GSLV MK III火箭的起飛質(zhì)量大得多，美國退役的大力神3/4系列和現(xiàn)役德爾它 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觀預(yù)計，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火箭進行了實際的軌道發(fā)射，它的起飛質(zhì)量約為760噸。我國的長征五號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，無論從哪個角度都是無法成立的。

印度媒體提到GSLV MK III是世界第四大火箭，并與土星五號并列，很大程度上是渲染印度運載火箭能力和技術(shù)的大躍進。雖然起飛質(zhì)量也是火箭一個重要指標，但衡量一種火箭的性能，更多是用運輸能力，也有很多人傾向于以運載能力系數(shù)，也就是有效載荷質(zhì)量與火箭起飛質(zhì)量的比值來衡量火箭的運載效率或是先進程度。如果從這兩個標準來看，GSLV MK III火箭就實在排不上號了，雖然GSLV MK III火箭以630噸的起飛質(zhì)量超過了美國的大力神 V系列火箭，也超過了我國的長征三號乙火箭和日本的H-IIB火箭，但要說運載能力的話，GSLV MK III火箭無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噸的近地軌道運力，連我國使用老式發(fā)動機的長征三號乙運載火箭，459噸的起飛質(zhì)量下也有約12噸的近地軌道運力。以這些對比看，GSLV MK III火箭雖然體積和質(zhì)量大，但運載能力和運載系數(shù)小，反映出印度運載火箭技術(shù)和設(shè)計水平與其他國家仍有不小的差距。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)計注重于運載能力的提高而不是不顧國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)上沒有趕上國際先進水平，總體水平甚至落后于中國20世紀90年代的長征三號甲系列火箭，但它對印度航天具有極為重要的價值。通過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)展奠定了更堅實的基礎(chǔ)；L110上實現(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，為印度未來發(fā)展更大的液體推進段鋪平了道路。C25上使用的約20噸推力的CE-20氫氧發(fā)動機，標志著印度成為具備獨立設(shè)計先進氫氧發(fā)動機的國家，更是印度航天運載技術(shù)的巨大成就。GSLV MK III火箭還讓印度第一次具備了使用國產(chǎn)運載火箭發(fā)射所有國產(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。