徐利杰 陳曉飛 陳海鵬 鄧夢(mèng)然 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

印度新型運(yùn)載火箭技術(shù)方案剖析

Analysis of Indian's New Launch Vehicle Technical Scheme

徐利杰 陳曉飛 陳海鵬 鄧夢(mèng)然 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

印度時(shí)間2017年6月5日，印度地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭－Mk3－D1（GSLV－Mk3－D1）在薩提斯達(dá)瓦航天中心首飛發(fā)射成功，標(biāo)志著印度航天又向前邁進(jìn)了一步。文章綜合分析了印度GSLV－Mk3新型火箭總體方案及技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)對(duì)我國(guó)航天發(fā)展的啟示。

1 研制背景

1969年8月，印度政府成立了印度空間研究組織（ISRO），并正式開(kāi)始研制本國(guó)的運(yùn)載火箭。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“地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭”（GSLV）。PSLV火箭為四級(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，成功發(fā)射過(guò)月球和火星軌道探測(cè)器。受PSLV火箭運(yùn)載能力的限制，無(wú)法滿足印度的發(fā)射需求。因此從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在PSLV火箭的基礎(chǔ)上研制了運(yùn)載能力更大的GSLV火箭，用于將印度2t級(jí)的“印度衛(wèi)星”（INSAT）或者國(guó)外通信衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，同時(shí)也可執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)。

GSLV火箭包括三種構(gòu)型，分別為三級(jí)型Mk1、Mk2和兩級(jí)型Mk3。Mk2與Mk1火箭結(jié)構(gòu)基本相同，但是采用本土研制的液氫/液氧低溫上面級(jí)CUS12代替俄羅斯的12KRB，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。Mk2于2010年4月15日首飛，由于低溫上面級(jí)故障而宣告飛行失敗，第一次飛行成功時(shí)間為2014年1月5日，驗(yàn)證了印度本土研制的低溫上面級(jí)的性能。

為了滿足國(guó)內(nèi)需求并開(kāi)發(fā)國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，印度于2002年啟動(dòng)新一代運(yùn)載火箭GSLV－Mk3的研制，GTO運(yùn)載能力提升至4t，LEO運(yùn)載能力提升至10～12t。Mk3最大的特點(diǎn)是使用比Mk2更大推力的低溫氫氧上面級(jí)，采用CE－20低溫發(fā)動(dòng)機(jī)。2014年12月完成首次亞軌道飛行，對(duì)火箭助推器、芯一級(jí)以及總體相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。印度時(shí)間2017年6月5日，印度GSLV－Mk3－D1火箭首飛成功，搭載了地球靜止衛(wèi)星－19E（GSAT－19E）通信衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量為3.135t。該火箭后續(xù)將服務(wù)于印度載人航天任務(wù)和衛(wèi)星發(fā)射。

2 技術(shù)方案

總體方案

GSLV－Mk3全長(zhǎng)43.43m，起飛質(zhì)量640t，采用兩級(jí)捆綁結(jié)構(gòu)。芯級(jí)為L(zhǎng)－110液體推進(jìn)級(jí)，直徑4m，裝有110t可存儲(chǔ)推進(jìn)劑。芯級(jí)外側(cè)捆綁兩枚S－200固體助推器。上面級(jí)采用印度本土研制的C－25氫氧低溫上面級(jí)。S－200助推器與芯級(jí)采用火工品分離，并利用側(cè)推火箭作為分離能源。一、二級(jí)分離采用彈簧作為分離能源。整流罩分離采用包帶連接和線性波紋管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。整流罩直徑5m，具有110m3的有效載荷容積。

研制過(guò)程中，印度空間研究組織充分利用成熟技術(shù)和硬件設(shè)施，降低研制難度，在繼承PSLV火箭以及GSLV火箭現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)GSLV－Mk3的總體結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)。

GSLV火箭總體參數(shù)和運(yùn)載能力

GSLV-Mk3主要參數(shù)

L-110液體芯級(jí)

L－110芯級(jí)采用2臺(tái)Vikas發(fā)動(dòng)機(jī)。采用四氧化二氮/偏二甲肼和水合肼混合物作為推進(jìn)劑，推進(jìn)劑質(zhì)量為110t，2臺(tái)Vikas發(fā)動(dòng)機(jī)提供1600kN的推力，工作時(shí)間為200s。

L－110芯級(jí)結(jié)構(gòu)從下到上為芯級(jí)底部防護(hù)罩、燃料貯箱、箱間段、氧化劑貯箱以及1S1/2L段、電子設(shè)備所在的1S1/2M段、與S－200助推器相接合的1S1/2U段。L－110的兩個(gè)推進(jìn)劑貯箱為圓柱形的鋁合金硬殼結(jié)構(gòu)，容積均為50m3。推進(jìn)劑貯箱采用氦氣增壓。Vikas發(fā)動(dòng)機(jī)噴口面積比為31，能夠在偏航軸5°和俯仰軸8°范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火箭姿態(tài)控制。

S-200固體助推器

S－200助推器直徑為3.2m，真空比沖274s，最大推力6000kN。整個(gè)助推器分為三段，中段和尾段的長(zhǎng)度都超過(guò)8m，頭錐長(zhǎng)度3m，裝有205t的復(fù)合推進(jìn)劑（HTPB），額定工作時(shí)間130s。

S－200是僅次于美國(guó)航天飛機(jī)固體助推器和歐洲阿里安－5 P230的世界第三大固體助推器。助推器殼體采用M－250合金鋼，厚度7.7mm。段間的結(jié)合采用成熟可靠的PS－1/GS－1榫槽式連接。頭部防護(hù)罩外緣與錐形適配器連接。頭部錐形適配器的半錐角為20°。助推器底部帶有防熱罩。助推器藥柱的配置要滿足動(dòng)壓及可控性要求，尤其要避免兩助推器推力的不匹配。通過(guò)靈敏度分析達(dá)到最佳的燃燒室壓力和噴管面積比。

S－200的柔性噴管系統(tǒng)允許噴管擺動(dòng)±7.8°。該系統(tǒng)由5個(gè)組件構(gòu)成，其中彈性密封是關(guān)鍵。彈性密封件采用15CDV6特種鋼球形加固墊片和天然橡膠制成的彈性體疊加的結(jié)構(gòu)，平均直徑為1.5m。彈性密封通過(guò)低硬度熱防護(hù)罩隔離高溫燃?xì)?。作?dòng)機(jī)構(gòu)包括40t動(dòng)力的電動(dòng)液壓伺服作動(dòng)器和液壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)S－200附帶的加壓油箱驅(qū)動(dòng)。S－200助推器的推力由頭部連接的球面軸承傳遞到芯級(jí)。當(dāng)固體助推器燃盡時(shí)，爆炸螺栓起爆，然后助推器頭部和底部安裝的6枚分離側(cè)推火箭工作，使助推器和芯級(jí)箭體分離。

C-25低溫上面級(jí)

C－25上面級(jí)攜帶28t的液氫/液氧推進(jìn)劑，采用CE－20低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力為200kN，額定工作時(shí)間為595s。CE－20發(fā)動(dòng)機(jī)為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式，使用2套增壓渦輪分別驅(qū)動(dòng)液氫/液氧泵，混合比和推力可調(diào)。燃燒室采用雙層通道壁結(jié)構(gòu)，利用氫氣實(shí)現(xiàn)再生冷卻。CE－20利用電磁作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)±4°的擺動(dòng)?；须A段利用反作用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定。

C－25上面級(jí)有2個(gè)直徑4m的獨(dú)立鋁合金硬殼貯箱，上方為70m3的液氫貯箱，下方為20m3的液氧貯箱。液氫貯箱利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻通道回流的氫氣（溫度160K）進(jìn)行增壓，液氧貯箱利用氦氣增壓。

電氣系統(tǒng)

箭上電氣系統(tǒng)主要包括遙測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火箭的數(shù)據(jù)處理、制導(dǎo)控制、遙測(cè)跟蹤以及飛行終止等功能。

制導(dǎo)控制系統(tǒng)采用雙重冗余的分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用印度自行研制的計(jì)算機(jī)用于導(dǎo)航解算，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的總線，利用雙總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)冗余。時(shí)序控制采用三冗余設(shè)計(jì)，降低了誤發(fā)指令的風(fēng)險(xiǎn)。慣性系統(tǒng)采用3個(gè)斜置的陀螺儀和加速度表，為箭載計(jì)算機(jī)提供慣性基準(zhǔn)以及箭體姿態(tài)、位置和速度。箭載計(jì)算機(jī)根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算軌跡以及姿態(tài)控制律。

遙測(cè)系統(tǒng)采用主數(shù)據(jù)鏈和冗余數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)。S頻段的數(shù)據(jù)鏈1的數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s，當(dāng)?shù)谝患?jí)分離后，轉(zhuǎn)換為1Mbit/s。數(shù)據(jù)鏈2數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s，作為冗余數(shù)據(jù)鏈?；鸺系膮?shù)采用S頻段的發(fā)射機(jī)傳輸?shù)降孛嬲?。這些數(shù)據(jù)包括壓力、溫度、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、聲學(xué)特征以及電子設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。與制導(dǎo)控制相關(guān)的參數(shù)由1553B總線上的控制單元監(jiān)測(cè)。火箭飛行狀態(tài)跟蹤由儀器艙中的雷達(dá)應(yīng)答機(jī)實(shí)現(xiàn)。為了提高箭體安全控制的可靠性，固體助推器和芯級(jí)火箭都采用了雙重冗余的飛行終止系統(tǒng)。

火箭組裝和發(fā)射設(shè)施

GSLV－Mk3火箭組裝和發(fā)射設(shè)施位于薩提斯達(dá)瓦航天中心，主要包括固體級(jí)組裝廠房、液體級(jí)準(zhǔn)備廠房（用于L－110級(jí)）、綜合技術(shù)廠房（用于C－25上面級(jí)）、衛(wèi)星準(zhǔn)備設(shè)施和火箭總裝廠房。

用于發(fā)射PSLV/GSLV的第二發(fā)射臺(tái)經(jīng)改進(jìn)后用于GSLV－Mk3的發(fā)射。該發(fā)射臺(tái)采用轉(zhuǎn)運(yùn)-發(fā)射方案，火箭隨發(fā)射平臺(tái)一起轉(zhuǎn)場(chǎng)，移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)是一個(gè)19m×19m×7m的長(zhǎng)方體平臺(tái)，在平臺(tái)兩側(cè)7.8m處對(duì)稱放置2個(gè)底座用于支撐S－200助推器。在GSLV－Mk3組裝階段，第一步先將兩個(gè)S－200助推器放置在支撐底座上，然后將L－110芯級(jí)垂直放置于移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上，并使其位于2個(gè)S－200助推器中間，之后將組裝好的結(jié)構(gòu)運(yùn)至火箭總裝廠房。第二步檢查C－25低溫上面級(jí)并在火箭總裝廠房完成火箭組裝，最后組裝整流罩與箭體。

3 主要技術(shù)進(jìn)步

GSLV－Mk3火箭使印度在技術(shù)上有3個(gè)方面的進(jìn)步，包括：采用大推力固體助推器；首次嘗試液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作；首次自行研制高技術(shù)含量的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。

大推力固體助推器

GSLV－Mk3最引人注目的就是它的2個(gè)大型固體助推器，代號(hào)為S－200，在PSLV火箭的S－139固體助推器基礎(chǔ)上放大發(fā)展而來(lái)，其推力突破500t級(jí)。但其燃燒室平均壓強(qiáng)只有4MPa，導(dǎo)致地面比沖只有227s，真空比沖也僅有274s，外加沉重的鋼殼體，總體性能并不出色，唯一值得稱道的是推力巨大。

液體發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)布局

L－110使用2臺(tái)并聯(lián)的Vikas液體發(fā)動(dòng)機(jī)，這是印度首次進(jìn)行液體發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的嘗試，更是GSLV－Mk3火箭的重大技術(shù)突破。芯一級(jí)與大多數(shù)火箭不同的是，它并非在地面點(diǎn)火，而是發(fā)射110s后在高空點(diǎn)火，由于S－200固體助推器從發(fā)射一直工作到130s，和L－110形成了近似的一二級(jí)關(guān)系，從而獲得了更高的運(yùn)載效率。但是與大多數(shù)火箭不同的是，S－200固體助推器要在第149s才分離，無(wú)用、沉重的助推器殼體被火箭攜帶飛行將近20s，這嚴(yán)重影響了火箭的運(yùn)載效率。

自研低溫上面級(jí)

低溫上面級(jí)代號(hào)為C－25，使用印度新研制的CE－20發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)使用傳統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，真空推力180～200kN，真空比沖達(dá)444s，在首飛前僅完成了2次試車。

目前，印度航天技術(shù)正在逐漸從國(guó)際合作走向獨(dú)立自主，GSLV－Mk3完全采用自主技術(shù)，典型代表為自主研制的CE－20高性能液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。低溫發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功將有助于印度擺脫國(guó)外依賴，大幅降低發(fā)射成本，增加商業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 技術(shù)先進(jìn)性分析

GSLV－Mk3火箭的發(fā)射成功標(biāo)志著印度實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，向航天大國(guó)又邁進(jìn)了一步。就數(shù)據(jù)而言，跟其宣傳的“重型”火箭相比有些名不副實(shí)，但不可否認(rèn)其發(fā)展仍有較多借鑒意義。

綜合水平仍未達(dá)到國(guó)際主流水平

GSLV－Mk3火箭雖然運(yùn)載能力達(dá)到4.0t，但是仍與國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)主流運(yùn)載火箭德?tīng)査?、宇宙神－5、阿里安－5、長(zhǎng)征－3A系列等在運(yùn)載能力上存在較大差距。該火箭以640t左右的起飛質(zhì)量達(dá)到4.0t的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力，而阿里安－5火箭則以780t左右的起飛質(zhì)量達(dá)到10.5t的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力，表征其運(yùn)載效率并不高，綜合水平低于目前國(guó)際主流水平。

單項(xiàng)技術(shù)取得重大突破，突出表現(xiàn)為動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展

GSLV－Mk3火箭的S－200固體助推器推力達(dá)到500t級(jí)，是繼美國(guó)航天飛機(jī)和歐洲阿里安－5固體助推器的另一個(gè)世界大型固體助推器，其推力水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位；CE－20低溫發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力為200kN，額定工作時(shí)間為595s，采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方式，比沖達(dá)到444s，超過(guò)長(zhǎng)征－3A系列火箭的438s，技術(shù)水平亦屬國(guó)際領(lǐng)先。

循序漸進(jìn)的技術(shù)驗(yàn)證思路具有借鑒意義

為提高地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力，印度逐步發(fā)展GSLV－Mk1、Mk2、Mk3三型火箭，使得各項(xiàng)技術(shù)逐步驗(yàn)證，縮小技術(shù)跨越，縮減技術(shù)難度；將GSLV－Mk3火箭研制與發(fā)展載人航天和商業(yè)發(fā)射相結(jié)合，體現(xiàn)其戰(zhàn)略規(guī)劃的前瞻性；通過(guò)助推器和一級(jí)亞軌道飛行對(duì)系統(tǒng)接口、飛行環(huán)境和系統(tǒng)功能性能進(jìn)行驗(yàn)證，使試驗(yàn)考核更加充分，這也不失為一種運(yùn)載火箭研制試驗(yàn)的新思路。

5 發(fā)展與啟示

發(fā)展動(dòng)力，優(yōu)化火箭總體性能

在GSLV－Mk3火箭中，印度在動(dòng)力方面取得了多項(xiàng)突破。其固體助推器的推力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，首次自研的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)比沖也超過(guò)了長(zhǎng)征－3A系列，與長(zhǎng)征－5火箭相當(dāng)，表明印度固體、液體動(dòng)力技術(shù)發(fā)展迅猛。在我國(guó)的航天技術(shù)發(fā)展中，仍舊需要重點(diǎn)提升動(dòng)力系統(tǒng)性能，突破固體助推器捆綁與分離技術(shù)，牽引大推力固體和液體動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，突破發(fā)動(dòng)機(jī)深度節(jié)流、多次啟動(dòng)、推力快速在線調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)，為運(yùn)載火箭的綜合性能提升和可重復(fù)使用奠定基礎(chǔ)。

注重成本，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

通過(guò)對(duì)GSLV－Mk3火箭的綜合分析，印度火箭具有低成本的優(yōu)勢(shì)，其固體助推器采用了鋼殼體，并沒(méi)有像美國(guó)那樣采用復(fù)合材料，雖然結(jié)構(gòu)效率比不上歐美，但一枚火箭4650萬(wàn)美元的成本在國(guó)際市場(chǎng)上仍具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。在中國(guó)火箭受制于《國(guó)際武器貿(mào)易條例》（ITAR）的情況下，印度火箭在國(guó)際市場(chǎng)上愈發(fā)活躍，其在2013－2015年完成了包括加拿大、美國(guó)、英國(guó)、丹麥、法國(guó)、德國(guó)等9個(gè)國(guó)家的28顆衛(wèi)星發(fā)射，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收約1億美元。降低發(fā)射成本是各國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，在運(yùn)載火箭的研制過(guò)程中需要兼顧火箭性能與成本之間的平衡，實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

拓寬領(lǐng)域，保持源動(dòng)力

航天技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。印度作為后發(fā)成員，展現(xiàn)出了一定的技術(shù)實(shí)力，雖然其運(yùn)載火箭綜合水平與我國(guó)相比還有差距，但是，我們也應(yīng)該看到印度在航天領(lǐng)域的持續(xù)投入和取得的成績(jī)。

航天發(fā)展，運(yùn)載先行。雖然我國(guó)新一代長(zhǎng)征－5、6、7運(yùn)載火箭均陸續(xù)首飛并投入使用，但我國(guó)新一代運(yùn)載火箭型譜還不夠完善，同時(shí)在低成本發(fā)射、子級(jí)重復(fù)使用、分離體落區(qū)控制、前端加注無(wú)人值守等領(lǐng)域還需要持續(xù)投入，實(shí)現(xiàn)我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)的快速發(fā)展。