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印度运载火箭:设计“奇葩”,但运力进步明显

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印度国产火箭设计比较“奇葩”,这是大推力液体发动机技术不过关的结果。虽然与其他大国同级别火箭相比,目前印度火箭水平性能平平,但这些“奇葩”的火箭却是支撑印度航天雄心的基础。

11月7日被送上太空的RISAT-2BR2雷达遥感卫星由印度国产PSLV-DL型运载火箭发射。PSLV火箭可以说是印度航天的功臣,月球探测、火星探测、商业发射、国防载荷发射……PLSV火箭包揽了印度过去十几年大部分的发射任务。随着GSLV系列火箭的逐渐成熟,印度航天发射能力有了明显的进步。

点火发射的PSLV火箭。

设计“奇葩”的PSLV火箭

1975年4月19日,印度的第一颗国产人造卫星“阿丽亚哈塔”号被送入太空,但借用的是苏联火箭发射。1980年,印度使用国产的SLV运载火箭将一颗35千克的卫星送入太空,成为世界上第七个使用本国火箭将卫星送入太空的国家。SLV火箭全称是“卫星运载器”(Satellite Launch Vehicle),最大运载能力40千克左右,实用性很低,更多是解决有无问题。后面研制的运载能力更强的PSLV火箭才具备发射不同应用卫星的能力。

PSLV火箭是一款四级运载火箭,长约44米,芯一级采用了少见的固体火箭发动机,直径2.8米,并捆绑了6个固体火箭助推器,第二级采用Vikas液体火箭发动机,第三级使用固体火箭发动机,直径小一些(2米),第四级采用液体火箭发动机。这种有点“奇葩”的设计是印度液体火箭发动机当时不过关的结果,后果是导致其运载系数不高,近地轨道运载能力约3.7吨,太阳同步轨道运载能力约为1.7吨。

PSLV火箭首飞是在1993年9月20日进行,但由于技术问题失败。1994年10月15日,该火箭在第二次飞行试验中获得成功。为了适应不同任务,PSLV火箭也不断改进,衍生出了PLSV-CA、XL、DL等不同亚型号。

虽然PSLV火箭设计有点“奇葩”,性能也平平,但却为印度航天立下了汗马功劳。月球探测、火星探测、商业发射、国内军民两用卫星发射、国防载荷发射……都有PSLV系列火箭的身影。2008年8月,印度首颗月球探测器“月船一号”由PSLV火箭发射成功,当年11月,探测器进入月球轨道,成为世界上第六个成功开展探月的国家(组织)。

PSLV火箭是印度发射次数最多的运载火箭。

2013年11月5日,印度首颗火星探测器“曼加里安”由PSLV火箭发射升空,第二年9月,“曼加里安”号探测器成功进入火星轨道,印度成为继俄罗斯(苏联)、美国、欧空局之后第四个成功发射火星探测器的国家(组织)。

除了发射地外天体的探测器,PSLV火箭执行最多的任务是发射各类型的卫星,包括遥感卫星、导航卫星以及国防载荷等。在微小卫星快速发展的当下,PSLV火箭还“乐于”创造纪录。2017年,PSLV火箭成功发射104颗卫星,打破了俄罗斯在2014年创造的“一箭37”星的世界纪录。由于发射报价低,PSLV系列火箭也一直弄潮国际商业发射,为美国、英国、加拿大、印度尼西亚等多个国家发射卫星。尤其是其一箭多星发射能力对很多小公司、高校以及科研部门发射微小卫星还是有很大的吸引力的。

从首飞至今,PSLV火箭已经进行了大概50次发射,其中47次获得成功,最近的一次失败是发生在2017年8月。当月,PSLV火箭执行印度区域卫星导航系统IRNSS-1H卫星的发射,整流罩未能成功分离。

相对低廉的发射成本、“一箭多星”技术以及很高的成功率,未来很长一段时间,这型火箭在印度航天中还将扮演重要角色。

GSLV-MK2火箭。

GSLV系列火箭运力大幅提升

虽然PSLV系列火箭发射成本低,成功率也非常高,但运力实在太小,太阳同步轨道最大运载能力只有大概1.7吨,发射一些中小型卫星还能胜任,重量更大一些的卫星就无能为力了,并且还缺乏发射地球同步轨道卫星的能力。为了满足发射高轨道卫星的需求,印度在上世纪90年代开始研制GSLV火箭。

这是一款发射重量约400吨级的中型三级运载火箭,箭长约49米。GSLV运载火箭的大部分主要部件都是通过PSLV系列火箭的实用验证的,比如芯一级也是采用S125/S139固体助推器(直径2.8米,携带大约129至138吨HTPB燃料),最大的不同是助推器使用了液体助推器和氢氧发动机,每个助推器安装了一台Vikas液体火箭发动机。

GSLV-MK1火箭在2001年4月进行了首飞,但卫星并未进入预定轨道,只能算部分成功。2003年5月,GSLV-MK1火箭发射成功,印度正式具备地球同步轨道卫星发射能力。之后,印度研制了国产氢氧发动机替代俄罗斯的RD-56M发动机,火箭命名也发生变化——GSLV-MK2。

和PSLV火箭一样,GSLV-MK1/2火箭设计也有些“奇葩”,捆绑4个单发Vikas发动机的液体助推器,出现了液体助推器比固体芯级燃烧时间更长的问题,把本来可以实现的“一级半”设计变成了一级设计,降低了运载系数。而且火箭表现也一般,GSLV-MK1火箭6次发射2次失败,2次部分失败,GSLV-MK2首飞也遭遇失败,后面几次发射获得成功,表现尚可。

运载能力不足也制约该型火箭的市场。GSLV火箭也只有不到2.5吨,而印度自行研制的同步轨道通信卫星早已不乏三四吨的质量了,它们不得不使用欧洲阿丽亚娜公司的“阿里安”-5火箭发射,直到GSLV-MK3火箭出现,才一部分缓解这种境况。

2017年6月5日,GSLV-MK3火箭发射成功,2018年,第二次轨道发射任务将一颗国产通信卫星送入预定轨道,2019年,该火箭成功发射“月船二号”探测器,虽然探测器最终没有完成任务,但火箭的任务还是圆满成功。未来该火箭还将承担印度载人航天任务。

GSLV-MK3火箭将印度航天发射能力提升至一个新的台阶。

GSLV-MK3火箭采用液体芯一级加大推力固体助推器,再外加氢氧上面级的构型设计,总体构型类似美国的“大力神”-3E火箭。芯一级安装了两台并联的Vikas液体火箭发动机。这是印度在运载火箭上首次尝试和突破大推力液体发动机并联技术。

S200固体助推器由GSLV-MK2等火箭的基础上发展而来,S200表示固体推进剂装药量约200吨,单发最大推力可达500多吨,两台S200固体助推器赋予火箭更大的推力。GSLV-MK3火箭氢氧上面级使用CE-20氢氧发动机,发动机推力20吨,真空比冲443秒,总体水平在上面级氢氧发动机中还是不错的。

GSLV-MK3火箭高43.43米,芯级直径4米,整流罩直径5米,起飞重量达到640吨,火箭的地球同步转移轨道运载能力为4吨,近地轨道运载能力为8吨,运载系数不高,与国外同级别火箭差距较大。比如中国的长三乙火箭最大起飞重量456吨,但地球同步转移轨道运载能力达到5.5吨,超过起飞重量比自己更大的GSLV-MK3火箭。现在普遍大型通信卫星重量都达到5吨左右,GSLV-MK3火箭就无能为力。

所以说,通过研制GSLV-MK3火箭,印度将本国火箭运载能力提高到一个新的台阶,但与其他航天大国相比,印度火箭整体水平还有较大的差距。

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