印度首次成功发射使用国产低温上面级的运载火箭

杨开 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

2014年1月5日，印度空间研究组织（ISRO）的地球同步轨道卫星运载火箭－MK2 D5（GSLVMK2 D5）搭载地球静止卫星－14（GSAT－14）从萨蒂什-达万航天中心发射升空，17min后火箭成功将卫星送入预定轨道（近地点180km，远地点35975km，倾角19.3°），验证了印度自主研制的低温上面级技术。此次发射的GSLV－D5火箭，是GSLV－MK2火箭继2010年4月首次发射失败之后的第二次发射。该型火箭在首飞中由于自主研制的低温上面级发生故障，导致火箭爆炸坠入印度洋的孟加拉湾海域，星箭俱毁。

GSAT－14卫星是印度研制的第23颗地球同步轨道通信卫星，质量1982kg，净质量851kg。此前印度已经利用GSLV火箭发射了4颗GSAT卫星，GSAT－14投入运行后，印度将拥有9颗地球同步轨道卫星。GSAT－14的主要目的是增加现有通信能力，并为新试验提供平台。

总装中的GSAT－14卫星

1 GSLV－MK2介绍

GSLV－MK2为三级运载火箭，全长49.13m，起飞质量414.75t，起飞推力6773kN。

GSLV－MK2可以采用直径3.4m、长7.8m的铝合金整流罩，也可以采用直径4.0m、长8.7m的碳纤维增强复合材料整流罩。该型运载火箭的第一次飞行试验采用了直径4m的整流罩，运载能力达到2.22t。此次飞行试验为了规避风险，采用直径3.4m的整流罩。

由于GSLV在2010年连续2次发射失败，印度根据以往的飞行数据，对火箭进行了大量的改进工作，以提高其可靠性，主要包括：

1）重新对上面级下裙进行了设计，下裙的主要作用是在大气飞行过程中保护低温上面级；

2）重新设计低温级导线通道，使其可以在飞行中承受更大的作用力；

3）修正整个火箭的气动特性，进行了900多次风洞试验，利用得到的试验数据进行了4000多个小时的气动仿真计算；

4）增加了视频系统监控，以监控下裙在飞行过程中的运动情况；

5）上面级的改进：①重新设计了燃料增压涡轮泵，在设计过程中考虑到了轴承与轴套的膨胀和收缩行为；②修正了点火顺序，保证主发动机、游动发动机以及燃气发生器的平稳点火。

此次发射任务的预定发射时序

GSLV－MK2 D5原定于2013年8月19日发射，但在发射前75min，因二子级燃料泄漏而中止发射。之后，技术人员排空了二子级、上面级以及4个液体捆绑助推器的推进剂，将火箭运回总装厂房拆解。其中，上面级和有效载荷未受到燃料泄漏的影响得以保留。燃料泄漏原因是二子级采用了2010年制造的7020铝合金贮箱，这种材料加工的结构长时间存放之后易产生裂纹。更换之后的二子级采用了2219铝合金的贮箱，提高了可靠性。

GSLV－MK2主要性能参数

2 GSLV系列火箭发展历程及未来规划

印度现役运载火箭包括“极轨卫星运载火箭”（PSLV）以及GSLV。PSLV为四级型运载火箭，地球同步转移轨道（GTO）运载能力为1.3t，具备“一箭多星”的发射能力，已成功发射过月球和火星探测器。截止2013年底，PSLV已经执行过25次发射任务，完全成功23次，成功率92%。

虽然PSLV的成功率很高，但是受其运载能力所限，印度国内的很多卫星并不能采用PSLV进行发射。因此，从20世纪80年代开始，印度在PSLV的基础上研制了运载能力更大的GSLV，设计用于将2吨级国内外通信卫星送入GTO，同时也可执行低地球轨道（LEO）发射任务。GSLV包括3种构型，分别为三级型的GSLVMK1、MK2和两级型的GSLV－MK3。GSLV从2001年4月首飞至今已进行了8次发射，完全成功3次，成功率只有37.5%。

GSLV系列各型号火箭主要技术性能参数

GSLV－MK1前两级是在PSLV的一、二子级基础上进行小幅度改进而来，一子级采用固体火箭发动机（S139），捆绑4枚常温液体火箭助推器（L40）；二子级为常温液体推进级（L37.5）；三子级采用俄罗斯提供的具有多次点火能力的液氢/液氧低温上面级12KRB，配有2台姿控发动机。此次发射的GSLV－D5属于GSLV－MK2构型，与GSLV－MK1火箭结构基本相同，但是采用自主研制的低温上面级代替12KRB，并对控制系统进行了改进。

随着运载需求的不断提高，印度已着手研制运载能力更大的GSLV－MK3，该项目在2002－2003年获得批准立项。但是由于印度自主研制的低温上面级工作一直不顺利，GSLV－MK3的首飞被推迟至2014年4月。GSLV－MK3为两级火箭，采用110t液体推进剂的芯级（L110）捆绑2枚装有200t推进剂的固体助推器（S200），C25低温上面级将装有25t的推进剂，GTO运载能力将达到4t，具有多轨道发射能力。GSLV－MK3主要为满足印度大型卫星以及载人航天的需求，同时为争夺国际商业发射市场做准备。

GSLV发射情况

3 印度的低温上面级

印度在20世纪80年代GSLV项目启动之后，就开始研究低温发动机技术。由于美国等西方国家不愿意转让技术，印度在1991年1月与苏联达成协议，从苏联购买了5台低温发动机及相关技术。此后，美国不断对俄罗斯施加压力，迫使其在1992年4月加入禁止向印度转让低温发动机技术的协议。俄罗斯没有完全履行禁止向印度转让低温发动机的承诺，在1993年7月再次售给印度2台低温发动机。印度也一直在进行自主低温发动机的研制工作，制定了低温上面级计划（CUSP），并在印度泰米尔纳德邦成立了液体推进系统中心（LPSC）。经过近20年的探索与努力，同时也受益于俄罗斯低温上面级技术，ISRO终于在2008年12月完成了本国低温发动机的飞行验收热点火试车，成功验证了关键而复杂的低温发动机技术。

印度国产的低温上面级使用再生冷却氢氧发动机C12（其性能与俄罗斯12KRB上面级使用的KVD－1发动机相当），采用分级燃烧循环方式，真空比冲可达452s（俄罗斯12KRB的真空比冲为454s），额定工作时间为720s。单台发动机的真空推力为69.5kN，加上2个姿控发动机后总的真空推力为73.55kN。发动机主涡轮泵由预燃室产生的热气驱动，转速达39000r/min，将推进剂以16.6kg/s的流量送入燃烧室。为了实现较高的推进剂流量，液氢和液氧采用了独立的涡轮增压泵。C12发动机采用2个独立的调节器，分别实现推力控制和混合比控制。上面级使用的材料包括铝、钛、镍及其合金，在装配过程中实施了严格的质量控制。

2010年，印度采用自制的低温上面级的GSLVMK2 D3进行首次试验飞行。由于低温上面级的燃料涡轮泵发生故障，导致发射失败。故障原因是过高压力和热应力引起了涡轮断裂以及转子抱死。在分析发射失败原因之后，印度对推进剂涡轮泵进行了改进，同时改进了低温上面级的其他部分，包括对下裙重新设计并加强、延长导线槽的长度、将拉线连接器从下裙转移到桁架结构上等。

2012年5月，印度对其自制低温发动机进行了地面试验。该低温发动机在ISRO液体推进系统中心进行了持续200s的试车，试验验证了燃料增压涡轮泵转速的余量，同时也证明了推进剂供应管路的冷却能力，贮箱压力稳定性达到了低温发动机点火所需的条件。2013年3月和5月，该液体推进系统中心成功进行了其低温发动机的高空试验，验证了该发动机的点火稳定性。

4 小结分析

（1）成功验证低温发动机技术，为大型运载火箭研制奠定基础

印度一直致力于低温发动机的研制，经过20年的探索与努力，终于利用GSLV－D5的试验飞行验证了印度自主低温上面级技术，使印度成为美国、俄罗斯、欧洲、日本和中国之外，第6个掌握低温推进技术的国家或地区，为采用更大低温上面级的GSLV－MK3提供了技术保证，满足印度未来深空探测以及载人航天的需求。

（2）摆脱国外依赖，大幅降低发射成本，增加商业市场竞争力

ISRO主席拉达克里什南表示，印度此次发射成功摆脱对国外商业运载火箭（阿里安－5）的依赖，为降低发射费用铺平了道路；同时，将来也可以发射更多的卫星，提高空间通信能力，从而获取更多收益。印度利用国外商业运载火箭发射3.5t卫星将支付8500万～9000万美元，而此次运载火箭的成本仅为3545万美元。

多年以来，印度一直在为进入国际商业卫星发射市场而努力，并成功于2007年用本国PSLV发射了1颗意大利卫星，成为世界上第5个能够发射商业卫星的国家。但由于其运载能力较低，只能发射LEO卫星，因此印度一直希望通过GSLV拓宽其商业服务范畴。但由于印度一直依赖俄罗斯的低温发动机（每台价格高达1800万美元），令其发展计划受到牵制。印度拥有自主低温推进技术之后，可以完全依靠自身能力发展大型运载火箭，使得将来争夺国际商业发射市场成为可能。

（3）GSLV－MK2将充当承上启下的过渡角色

在印度2012－2017的5年计划中，PSLV将要进行17次飞行任务，而GSLV－MK2只有6次飞行任务，并且GSLV－MK2 D5以及2014－2015年之间发射的GSLVMK2 D6为试验飞行。按照印度的规划，GSLVMK2的目标是采用独立自主技术发射2吨级的INSAT/GSAT。但是随着卫星质量的不断增大以及深空探测任务需求不断提高，需要研制新型的运载能力更大的运载火箭，所以GSLV－MK2构型是一个承上启下的过渡角色，验证印度的低温上面级技术，为GSLV－MK3的研制工作铺路。

火箭装配及发射过程