印度首次成功發(fā)射使用國產(chǎn)低溫上面級的運載火箭

楊開 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

2014年1月5日，印度空間研究組織（ISRO）的地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭－MK2 D5（GSLVMK2 D5）搭載地球靜止衛(wèi)星－14（GSAT－14）從薩蒂什-達萬航天中心發(fā)射升空，17min后火箭成功將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道（近地點180km，遠地點35975km，傾角19.3°），驗證了印度自主研制的低溫上面級技術(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，并為新試驗提供平臺。

總裝中的GSAT－14衛(wèi)星

1 GSLV－MK2介紹

GSLV－MK2為三級運載火箭，全長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7.8m的鋁合金整流罩，也可以采用直徑4.0m、長8.7m的碳纖維增強復(fù)合材料整流罩。該型運載火箭的第一次飛行試驗采用了直徑4m的整流罩，運載能力達到2.22t。此次飛行試驗為了規(guī)避風險，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)，對火箭進行了大量的改進工作，以提高其可靠性，主要包括：

1）重新對上面級下裙進行了設(shè)計，下裙的主要作用是在大氣飛行過程中保護低溫上面級；

2）重新設(shè)計低溫級導(dǎo)線通道，使其可以在飛行中承受更大的作用力；

3）修正整個火箭的氣動特性，進行了900多次風洞試驗，利用得到的試驗數(shù)據(jù)進行了4000多個小時的氣動仿真計算；

4）增加了視頻系統(tǒng)監(jiān)控，以監(jiān)控下裙在飛行過程中的運動情況；

5）上面級的改進：①重新設(shè)計了燃料增壓渦輪泵，在設(shè)計過程中考慮到了軸承與軸套的膨脹和收縮行為；②修正了點火順序，保證主發(fā)動機、游動發(fā)動機以及燃氣發(fā)生器的平穩(wěn)點火。

此次發(fā)射任務(wù)的預(yù)定發(fā)射時序

GSLV－MK2 D5原定于2013年8月19日發(fā)射，但在發(fā)射前75min，因二子級燃料泄漏而中止發(fā)射。之后，技術(shù)人員排空了二子級、上面級以及4個液體捆綁助推器的推進劑，將火箭運回總裝廠房拆解。其中，上面級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)長時間存放之后易產(chǎn)生裂紋。更換之后的二子級采用了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)展歷程及未來規(guī)劃

印度現(xiàn)役運載火箭包括“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）以及GSLV。PSLV為四級型運載火箭，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運載能力為1.3t，具備“一箭多星”的發(fā)射能力，已成功發(fā)射過月球和火星探測器。截止2013年底，PSLV已經(jīng)執(zhí)行過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，但是受其運載能力所限，印度國內(nèi)的很多衛(wèi)星并不能采用PSLV進行發(fā)射。因此，從20世紀80年代開始，印度在PSLV的基礎(chǔ)上研制了運載能力更大的GSLV，設(shè)計用于將2噸級國內(nèi)外通信衛(wèi)星送入GTO，同時也可執(zhí)行低地球軌道（LEO）發(fā)射任務(wù)。GSLV包括3種構(gòu)型，分別為三級型的GSLVMK1、MK2和兩級型的GSLV－MK3。GSLV從2001年4月首飛至今已進行了8次發(fā)射，完全成功3次，成功率只有37.5%。

GSLV系列各型號火箭主要技術(shù)性能參數(shù)

GSLV－MK1前兩級是在PSLV的一、二子級基礎(chǔ)上進行小幅度改進而來，一子級采用固體火箭發(fā)動機（S139），捆綁4枚常溫液體火箭助推器（L40）；二子級為常溫液體推進級（L37.5）；三子級采用俄羅斯提供的具有多次點火能力的液氫/液氧低溫上面級12KRB，配有2臺姿控發(fā)動機。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代替12KRB，并對控制系統(tǒng)進行了改進。

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

GSLV發(fā)射情況

3 印度的低溫上面級

印度在20世紀80年代GSLV項目啟動之后，就開始研究低溫發(fā)動機技術(shù)。由于美國等西方國家不愿意轉(zhuǎn)讓技術(shù)，印度在1991年1月與蘇聯(lián)達成協(xié)議，從蘇聯(lián)購買了5臺低溫發(fā)動機及相關(guān)技術(shù)。此后，美國不斷對俄羅斯施加壓力，迫使其在1992年4月加入禁止向印度轉(zhuǎn)讓低溫發(fā)動機技術(shù)的協(xié)議。俄羅斯沒有完全履行禁止向印度轉(zhuǎn)讓低溫發(fā)動機的承諾，在1993年7月再次售給印度2臺低溫發(fā)動機。印度也一直在進行自主低溫發(fā)動機的研制工作，制定了低溫上面級計劃（CUSP），并在印度泰米爾納德邦成立了液體推進系統(tǒng)中心（LPSC）。經(jīng)過近20年的探索與努力，同時也受益于俄羅斯低溫上面級技術(shù)，ISRO終于在2008年12月完成了本國低溫發(fā)動機的飛行驗收熱點火試車，成功驗證了關(guān)鍵而復(fù)雜的低溫發(fā)動機技術(shù)。

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

2010年，印度采用自制的低溫上面級的GSLVMK2 D3進行首次試驗飛行。由于低溫上面級的燃料渦輪泵發(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，印度對推進劑渦輪泵進行了改進，同時改進了低溫上面級的其他部分，包括對下裙重新設(shè)計并加強、延長導(dǎo)線槽的長度、將拉線連接器從下裙轉(zhuǎn)移到桁架結(jié)構(gòu)上等。

2012年5月，印度對其自制低溫發(fā)動機進行了地面試驗。該低溫發(fā)動機在ISRO液體推進系統(tǒng)中心進行了持續(xù)200s的試車，試驗驗證了燃料增壓渦輪泵轉(zhuǎn)速的余量，同時也證明了推進劑供應(yīng)管路的冷卻能力，貯箱壓力穩(wěn)定性達到了低溫發(fā)動機點火所需的條件。2013年3月和5月，該液體推進系統(tǒng)中心成功進行了其低溫發(fā)動機的高空試驗，驗證了該發(fā)動機的點火穩(wěn)定性。

4 小結(jié)分析

（1）成功驗證低溫發(fā)動機技術(shù)，為大型運載火箭研制奠定基礎(chǔ)

印度一直致力于低溫發(fā)動機的研制，經(jīng)過20年的探索與努力，終于利用GSLV－D5的試驗飛行驗證了印度自主低溫上面級技術(shù)，使印度成為美國、俄羅斯、歐洲、日本和中國之外，第6個掌握低溫推進技術(shù)的國家或地區(qū)，為采用更大低溫上面級的GSLV－MK3提供了技術(shù)保證，滿足印度未來深空探測以及載人航天的需求。

（2）擺脫國外依賴，大幅降低發(fā)射成本，增加商業(yè)市場競爭力

ISRO主席拉達克里什南表示，印度此次發(fā)射成功擺脫對國外商業(yè)運載火箭（阿里安－5）的依賴，為降低發(fā)射費用鋪平了道路；同時，將來也可以發(fā)射更多的衛(wèi)星，提高空間通信能力，從而獲取更多收益。印度利用國外商業(yè)運載火箭發(fā)射3.5t衛(wèi)星將支付8500萬～9000萬美元，而此次運載火箭的成本僅為3545萬美元。

多年以來，印度一直在為進入國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場而努力，并成功于2007年用本國PSLV發(fā)射了1顆意大利衛(wèi)星，成為世界上第5個能夠發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星的國家。但由于其運載能力較低，只能發(fā)射LEO衛(wèi)星，因此印度一直希望通過GSLV拓寬其商業(yè)服務(wù)范疇。但由于印度一直依賴俄羅斯的低溫發(fā)動機（每臺價格高達1800萬美元），令其發(fā)展計劃受到牽制。印度擁有自主低溫推進技術(shù)之后，可以完全依靠自身能力發(fā)展大型運載火箭，使得將來爭奪國際商業(yè)發(fā)射市場成為可能。

（3）GSLV－MK2將充當承上啟下的過渡角色

在印度2012－2017的5年計劃中，PSLV將要進行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為試驗飛行。按照印度的規(guī)劃，GSLVMK2的目標是采用獨立自主技術(shù)發(fā)射2噸級的INSAT/GSAT。但是隨著衛(wèi)星質(zhì)量的不斷增大以及深空探測任務(wù)需求不斷提高，需要研制新型的運載能力更大的運載火箭，所以GSLV－MK2構(gòu)型是一個承上啟下的過渡角色，驗證印度的低溫上面級技術(shù)，為GSLV－MK3的研制工作鋪路。

火箭裝配及發(fā)射過程