韓國運載火箭發(fā)展歷程及分析

蘇晗 汪芊芊 李操（北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

2023 年5 月25 日，韓國首枚自主研制的世界號（KSLV-2，也稱Nuri）運載火箭第三次發(fā)射升空，成功將任務載荷送入預定軌道。作為KSLV-2 運載火箭的首次常態(tài)化應用發(fā)射任務，取得成功的結果對于正在積極謀求世界航天大國地位的韓國來說具有十分重要的意義。

1 韓國KSLV-2 運載火箭第三次發(fā)射情況

發(fā)射情況

當?shù)貢r間2023 年5 月25 日，韓國KSLV-2 運載火箭從位于南部海岸的羅老航天中心發(fā)射升空，并將8 顆衛(wèi)星送入550km 高度的太陽同步軌道，任務載荷由1 顆新一代衛(wèi)星-2（NEXTSat-2）主星和7 顆微小衛(wèi)星組成。

主要飛行程序

KSLV-2 運載火箭在羅老航天中心點火起飛后依次經(jīng)歷一級分離（125s）、整流罩分離（234s）、二級分離（275s）、主星分離（783s）、搭載衛(wèi)星分離等時序動作。KSLV-2 第三次發(fā)射過程如圖1所示。

圖1 KSLV-2 第三次發(fā)射任務過程圖

有效載荷情況

本次發(fā)射任務有效載荷為1 顆新一代衛(wèi)星-2 和7顆微小衛(wèi)星（分別見圖2 和圖3）。新一代衛(wèi)星-2 是一顆合成孔徑雷達（SAR）地球觀測衛(wèi)星，主要用于對地遙感觀測、宇宙射線觀測、太空技術驗證等，由人造衛(wèi)星研究所（KAIST）研制，質(zhì)量為179.9kg，設計壽命2 年。其余微小衛(wèi)星質(zhì)量為4～10kg，設計壽命0.5～1 年，主要用于空間觀測等任務。

圖2 新一代衛(wèi)星-2 外觀圖

圖3 7 顆微小衛(wèi)星外觀圖

2 韓國運載火箭研制歷程

20 世紀90 年代，韓國通過探空火箭的早期探索積累了運載火箭研制相關的關鍵技術。2002 年，韓國航空航天研究所（KARI）啟動“韓國航天運載火箭”（KSLV）的研制計劃，并于2009 年發(fā)射了該計劃的首枚運載火箭——羅老號（KSLV-1，也稱Naro）。2013 年開始，KARI 開始著手研制新型的KSLV-2 運載火箭，并于2021 年10 月完成首次試射。

早期探索

“韓國探空火箭”（KSR）系列是韓國在20 世紀90 年代發(fā)展的探空火箭，主要目的是在正式開展入軌級運載火箭研發(fā)前，提前驗證已掌握的固體火箭發(fā)動機、復合材料推進劑貯箱、推力矢量控制、低溫地面支持設施、箭上電子通信系統(tǒng)等關鍵技術。

1993 年，韓國發(fā)射了兩枚單級固體探空火箭KSR-1，飛行高度約40km；1997-1998 年，韓國先后發(fā)射了兩枚二級固體探空火箭KSR-2，飛行高度超過了120km；2002 年11 月，韓國研制的KSR-3單級液體探空火箭試射成功，飛行高度約為80km。KSR-3 是韓國第一枚采用液體推進劑的火箭，采用了一款擠壓循環(huán)的液氧煤油發(fā)動機，成為了韓國液體火箭研制的起點。KSR-1～3 火箭發(fā)射圖如圖4 所示。

圖4 “韓國探空火箭”發(fā)射

過程曲折

在KSR 探空火箭的幾次成功發(fā)射后，韓國認為其已初步掌握了運載火箭的基礎技術，因此在2003 年啟動了KSLV-1 火箭的研發(fā)工作，目標是能夠將100kg 有效載荷送入高度300km 的近地軌道。然而韓國在動力系統(tǒng)研發(fā)方面出現(xiàn)瓶頸，無論是固體火箭發(fā)動機還是液體火箭發(fā)動機，推力基本在80～120kN，遠不能滿足入軌發(fā)射需求，因此韓國KARI 與俄羅斯合作，引進了俄羅斯動力機械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的安加拉系列火箭通用火箭模塊，采用RD-151 液氧煤油發(fā)動機作為KSLV-1 火箭第一級的動力裝置，第二級動力裝置基本沿用KSR-2 探空火箭的固體發(fā)動機。

KSLV-1 火箭一級使用的RD-151 液氧煤油發(fā)動機是俄羅斯RD-191 發(fā)動機的降推力版本，而RD-191 發(fā)動機是在RD-170 四燃燒室液體火箭發(fā)動機基礎上將燃燒室數(shù)量減為一個，并重新設計開發(fā)主渦輪泵單元等組件而來。RD-191 發(fā)動機采用富氧分級循環(huán)，真空推力1920kN，真空比沖337s；韓國KSLV-1 火箭一級RD-151 發(fā)動機推力約1670kN。

KSLV-1 火箭分別于2009 年8 月和2010 年6月進行第一次和第二次發(fā)射，但都以失敗告終。在首飛過程中由于整流罩分離裝置存在結構缺陷和電路設計問題，導致火箭升空后未能將有效載荷送入預定軌道。在第二次發(fā)射中，火箭升空兩分鐘后與地面失去聯(lián)系，隨后爆炸墜毀，韓國專家認為事故是由第一級火箭發(fā)動機工作異常引起的。

經(jīng)歷兩次失利后，KSLV-1 火箭原計劃于2012年10 月進行第三次試射，但在發(fā)射場將火箭第一級對接到發(fā)射臺時，發(fā)現(xiàn)密封用橡膠圈破損，由于第一級箭體由俄羅斯集成配套，只能將有問題的橡膠圈運回俄羅斯查找破損原因，發(fā)射計劃推遲。一個月后，KSLV-1 火箭再次準備發(fā)射，但是在檢查過程中又發(fā)現(xiàn)第二級固體火箭發(fā)動機的電力推力矢量控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常，發(fā)射計劃再次推遲。直到2013 年1 月，KSLV-1 火箭才完成發(fā)射并取得成功，將100kg 有效載荷送入近地軌道，這也是其唯一一次成功發(fā)射。

初見曙光

2013 年11 月，韓國未來創(chuàng)造科學部（MSIP）制定了《宇宙開發(fā)中長期計劃（2014-2040）》，著重強調(diào)要通過研發(fā)韓國本土型運載火箭確保自主發(fā)射能力，力爭獲得先進國家水平的太空開發(fā)能力。同年，KARI 啟動了新型運載火箭KSLV-2 的研制，在2010 年3 月到2015 年7 月的第一個研究階段中，進行了7t 級真空液氧煤油火箭發(fā)動機的地面測試；在2015 年8 月到2018 年3 月的第二個階段中，進行了75t 級液氧煤油發(fā)動機燃燒實驗；第三個階段中，于2018 年11 月利用子級驗證試驗箭（TLV）進行了一次子級模塊驗證飛行試驗，KRE-075 發(fā)動機工作了151s，將TLV 送入209km 高空，最后在濟州島東南429km 的太平洋上濺落，參加本次試驗的產(chǎn)品為KSLV-2 火箭完整二子級+配重三子級，全面考核驗證了電氣系統(tǒng)及以KRE-075 發(fā)動機為重點的動力系統(tǒng)。KSLV-2 火箭子級驗證飛行試驗如圖5 所示。

圖5 KSLV-2 火箭子級驗證飛行試驗

KSLV-2 火箭的設計基本保持了通用化和模塊化的特點，第一級和第二級采用了相同的KRE-075開式循環(huán)液氧煤油發(fā)動機，區(qū)別是第二級的KRE-075 具有更大的擴張噴管；三級KRE-007 發(fā)動機也延續(xù)了一二級KRE-075 發(fā)動機的設計特點，采用相同的循環(huán)方式并共享設計制造技術。以發(fā)動機為代表的關鍵單機采用產(chǎn)品化、模塊化的研制思路，可以最大限度共享研制成果，從而提高研制效率、加快研制進度、降低研制成本。

當?shù)貢r間2021 年10 月21 日，韓國自主研發(fā)的KSLV-2 運載火箭在羅老航天中心進行了首次發(fā)射，本次發(fā)射計劃將質(zhì)量為1.5t 的模擬載荷送入高度700km 的太陽同步軌道（SSO）。本次任務KSLV-2 火箭3 個子級均成功點火且順利完成分離等時序，載荷在發(fā)射后約15min 完成分離。起飛約1h 后，時任韓國總統(tǒng)文在寅宣布，盡管KSLV-2 完成了所有飛行程序，但未能將衛(wèi)星送入預定軌道，首次發(fā)射失敗。

KARI 官方公布其失敗原因是三子級發(fā)動機提前關機導致。該問題的主要原因是在貯箱結構設計時，設計師只考慮了罐體在靜載荷下的強度，未考慮火箭加速階段不同載荷及推力作用下的共振與過載問題。為了避免問題重復發(fā)生，設計人員對氦氣瓶下部的固定裝置進行加固，增加其承載能力和環(huán)境適應性。

截至2023 年11 月，KSLV-2 運載火箭共完成3 次發(fā)射任務，首飛失利后的2 次發(fā)射連續(xù)成功，使韓國成為繼俄羅斯、美國、法國、中國、日本和印度之后第7 個具備將超過1t 載荷發(fā)射入軌能力的國家。

未來可期

《宇宙開發(fā)中長期計劃（2014-2040）》中還提出，要在2030 年前利用自主研發(fā)的運載火箭發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星、月球著陸器和采樣返回器、火星探測器和著陸器；并且要在2040 年前推進小行星探測、開展空間站建設、發(fā)射載人太空運輸船。

針對地球同步轉移軌道（GTO）3t 的運載能力需求，KARI 提出了兩種KSLV-3 的方案：第一種方案為三級半構型，在第一級安裝4 臺90t 級的KRE-090 發(fā)動機，4 個助推器各配備1 臺KRE-090發(fā)動機；第二級采用真空版KRE-090 發(fā)動機；第三級采用新型KRE-010V 富氧分級循環(huán)發(fā)動機。第二種方案采用兩級構型，取消助推器設計的同時加大一級直徑，安裝9 臺90t 級的KRE-090 發(fā)動機。兩種方案在動力系統(tǒng)特別是一級發(fā)動機方面均有一定的繼承性，預計將大幅壓縮整體研制難度。

可重復使用運載火箭方面，韓國也規(guī)劃了明確的發(fā)展路線：對KSLV-2 運載火箭進行可重復使用改進，主要方案為一級安裝5 臺88t 級KRE-088 可重復使用液氧煤油發(fā)動機，采用“十”字布局，周圍4 臺發(fā)動機具備單向擺動能力，中心1 臺發(fā)動機具備雙向擺動能力，具有40%的節(jié)流能力。

超重型運載火箭方面，KARI 在2018 年提到一款名為KSLV-4 的重型運載火箭將很快進入論證發(fā)展階段。采用芯一級并聯(lián)捆綁構型（CBC），芯一級和助推級分別裝有9 臺95t 級發(fā)動機，芯級的第二級為4 臺7t 級發(fā)動機，整箭高為47m，芯級直徑為4.4m，起飛質(zhì)量約為2200t，近地軌道（LEO）運載能力為64t，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力為14t。

3 分析及研判

KSLV-2 性能雖不先進，但韓國運載火箭研制已走上正軌

KSLV-2 運載火箭作為一款三級低溫液體運載火箭，低軌運載能力約2～3t，太陽同步軌道運載能力宣稱可達1.5t，性能水平介于我國長征一號運載火箭和長征二號系列運載火箭之間。除采用無毒無污染的液氧煤油推進劑、在環(huán)境友好性方面具有一定的先進性外，動力系統(tǒng)技術指標和總體構型設計指標均較為落后。盡管如此，從韓國運載火箭獨立自主的研制路線、充分的地面試驗以及清晰務實的長遠發(fā)展規(guī)劃來看，目前韓國運載火箭領域已經(jīng)走過了曲折的探索歷程，KSLV-2 運載火箭的連續(xù)成功帶來了曙光，未來可期。

他山之石，可以攻玉

KSLV-2 運載火箭首飛失利的原因最終定位為三級液氧貯箱內(nèi)的氦氣瓶在上升過程中復雜環(huán)境作用下固定松脫，導致引發(fā)一連串災難性后果。值得注意的是，早在2015 年，太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹-9（Falcon-9）火箭執(zhí)行CRS-7 任務時空中解體，其故障原因就定位于浸泡在二級氧箱中的氦氣瓶直接斷裂，導致氦氣瓶脫離原有位置并與箱頂碰撞，氦氣泄漏最終導致氧箱過壓爆炸。兩起事故的發(fā)生機理幾乎相同，韓方未對SpaceX 公司的故障進行充分的舉一反三，只能接受首飛失利的結果。因此，用好“前車之鑒”、做好質(zhì)量問題的舉一反三是取勝之匙。

韓國積極發(fā)展航天，半島局勢趨于不穩(wěn)

運載火箭技術是一個國家進出空間能力的體現(xiàn)，同時也是國家科學技術水平和遠程投擲能力的一種顯示。韓國在運載火箭研制發(fā)射方面逐步走上正軌，對同處朝鮮半島的鄰國朝鮮釋放出刺激信號，朝鮮在2023 年頻繁試射其新型液體運載火箭千里馬-1（Chollima-1）。預計雙方將開展一輪新的軍備競賽，在半島問題上開展多輪博弈互動，不斷影響著朝鮮半島局勢穩(wěn)定與和平。