印度重型火箭试射成功

□ 张雪松

北京时间2014年12月18日中午12时，印度GSLV MK III重型运载火箭发射升空，这是该型火箭的首次发射。不过和多数新型运载火箭不同，GSLV MK III火箭的首次发射中，火箭第二级是配重，火箭最高飞行速度也只有约5千米/秒，属于典型的亚轨道飞行，因此印度空间研究组织将其称之为LVM3-X任务。LVM3-X任务还决定将未来载人飞船的返回舱作为载荷进行再入飞行试验（CARE），再入试验的成功成为印度载人航天的第一步，为印度载人航天工程的启动吹响了号角。顺利的话，2017年后印度空间研究组织可能正式立项开始印度自主的载人航天项目。

LVM3试验基本情况

GSLV MK III火箭很早就出现在印度空间研究组织的规划中，21世纪初甚至计划2007年发射，但是由于GSLV MK I和MK II火箭研制发射并不顺利，这种空中楼阁式的时间点没有实现。GSLV MK I火箭使用俄制RD-56M分级燃烧循环的氢氧发动机，而印度仿制RD-56M后的发动机称之为CE-7.5，表示它的推力约为73.5千牛。GSLV-D3任务即使用CE-7.5发动机的GSLV MK II火箭的首次发射中，CE-7.5启动后立刻就出现故障导致发射失败。随后印度空间研究组织使用俄制低温氢氧发动机的GSLV-F06任务又出现GSLV MK I火箭凌空爆炸的悲剧，导致GSLV火箭陷入漫长的整改排故阶段。经过3年时间的卧薪尝胆，2014年1月5日，使用国产低温氢氧发动机的GSLV-D5火箭终于发射成功，标志着GSLV火箭的初步成熟。

印度空间研究组织在解决GSLV火箭问题的同时，仍在积极推动研制GSLV MK III火箭，2010年到2011年，GSLV MK III火箭的L110液体推进段和S200大型固体助推器都先后进行了两次长程点火工作试验。2012年印度空间研究组织终于决定进行GSLV MK III火箭的首飞试验，但由于CE-20氢氧发动机研制进度严重滞后，火箭也只能进行亚轨道试验。印度空间研究组织称，这次亚轨道试验将测试火箭新设计的第一级和第二级的推进系统，通过实际飞行验证新火箭的气动和受热设计，并对S200固体助推器、L110推进段和整流罩的分离进行实际验证。

2014年12月18日中午12时GSLV MK III火箭准时点火升空，发射后第120秒L110液体推进段成功点火，第153秒后S200固体助推器顺利分离，第237秒后整流罩顺利分离，第324秒后L110关机，关机速度约4.92千米/秒，至此标志着GSLV MK III火箭的亚轨道试验取得了圆满成功。虽然GSLV MK III火箭的亚轨道发射都从最初预定的2013年一路推迟到2014年12月，但或许是做足了准备和测试工作，火箭的首次发射反而相当顺利。

印度这次发射的一大亮点，是成功发射和回收了质量超过3 吨的CARE返回舱，该返回舱直径约3.1米，高度约2.7米，质量3735千克，它使用了铝合金结构设计，底部为酚醛树脂材料防热瓦构成的防热大底，侧面为中密度（酚醛材料）烧蚀性防热瓦，从这个设计上看，印度试图一步到位实现返回舱的复用，以降低载人任务的成本。CARE试验中返回舱在120多千米高度分离后，弹道飞行一段时间在80千米高度再入大气层，返回舱上有6台100牛的姿态控制发动机和三轴稳定的制导导航控制系统。返回舱再入后在15千米高度开引导伞，3千米高空开主伞，最后在发射1100多秒后成功溅落在孟加拉湾距离安达曼群岛英迪拉角180千米处海面，并被附近的工作人员发现和回收。

LVM3的基本性能

GSLV MK III（简称LVM3）火箭是印度正在全力研制的新型运载火箭，根据最近两年印度空间研究组织公布的预算，GSLV MK III重型运载火箭的研制费用约为4亿美元。虽然在世界范围内看，这些钱对于研制一种新型大推力运载火箭来说不算多，但对预算一直不多的印度空间研究组织，绝对算得上是真正的旗舰级项目了。

根据印度空间研究组织的官方数据，GSLV MK III火箭的高度为42.4米，起飞质量为630吨，同步转移轨道运载能力为4吨，是一种三级运载火箭。GSLV MK III火箭的第一级为两个长度25.75米、直径3.2米的S200大型固体助推器，按印度的命名传统，S200表示填充了约200吨推进剂的固体推进段。LVM3-X任务中S200固体助推器总质量238吨，填充了207吨HTPB固体推进剂，据介绍S200的最大推力为约5145千牛，工作时间约130秒。火箭的第二级为可重复启动的L110液体推进段，它的长度为21.26米，直径4米，并联了两台推力686千牛的Vikas发动机，总质量125.6吨，其中装有115吨UH25/N2O4液体推进剂。火箭的第三级为C25液氧液氢低温推进段，它装有约25吨液氧液氢推进剂，发动机为正在研制的推力180千牛～200千牛的CE-20发动机。不过LVM3-X任务中，储箱装的是液氮作为配重，总质量只有15吨。

如果只看火箭照片的话，很多人或许会误认为GSLV MK III是一种二级半运载火箭，即芯一级捆绑固体助推器，外加芯二级的总体设计，不过事实并非如此，印度空间研究组织相关网页称GSLV MK III是一种三级运载火箭。根据官方公布的飞行时序，LVM3-X任务中，火箭地面点火的只有两台S200固体助推器，它们的推力足以将整枚火箭送上天空。火箭点火工作114秒（实际是120秒）后，第二级L110的两台Vikas发动机才在高空进行点火。这种设计并非印度独创，美国的大力神IIIC/IIID/IIIE等火箭，都是完全使用两台大推力固体助推器升空，主发动机高空点火工作。不过印度的GSLV MK III火箭还是有些不同，尽管S200固体助推器只工作约130秒，但它直到第149秒（实际为153秒）才脱离，也就是说L110要带着燃尽的S200飞行十几秒，而美国的大力神IIIC火箭是117秒和121秒，只间隔了4秒。究其原因，可能是印度对加速度计和分离定时器的设计要求较低，因此时延更大一些。如果严格按照定义来说，大力神IIIE和GSLV MK III火箭不是真正的三级火箭，但它们更不是二级半火箭，将其归类为三级火箭还是符合实情的。

虽然是一种三级运载火箭，而且使用了液氧液氢的低温上面级，但GSLV MK III火箭的运载能力仅为近地轨道10吨，同步转移轨道4吨，印度空间研究组织还称未来4.5吨～5吨的INSAT-4级别卫星都将使用GSLV MK III发射，这个描述令人十分费解。目前外界还不清楚GSLV MK III火箭同步转移轨道的4吨运力的具体条件，但印度空间研究组织已经又披露4.5吨的运力数据，还有资料提到GSLV MK III火箭未来升级后同步转移轨道运力可增强到5吨～6吨。这样看来，GSLV MK III火箭的同步转移轨道运力最低也有4吨，足以发射印度现有I-1K、I-2K和I-3K系列的通信卫星，并在升级后可以发射更大的I-4K系列通信卫星。不过有趣之处正在这里，印度空间研究组织称可发射重4500千克～5000千克的INSAT-4级别卫星，而INSAT-4A/B/C等卫星都是3吨级别的卫星，笔者认为这可能是I-4K卫星平台之误，I-4K平台的GSAT-11卫星就曾计划使用GSLV MK III火箭发射，但由于火箭研制进度的不断拖延，现在看来只能继续交给阿里安宇航公司发射了。

“第四大火箭”只是噱头

LVM3-X/CARE任务发射前，印度媒体曾报道称从起飞质量看，GSLV MK III火箭是仅次于美国土星五号，欧洲阿里安5号和俄罗斯质子号的第四大运载火箭。第四大火箭的殊荣，可能在一定程度上振奋了印度人的信心，不过这种算法让人感觉实在过于牵强附会。姑且不论大量的纸面火箭，曾经存在于这个世界上的运载火箭中，苏联的N-1巨型火箭和能源号巨型火箭都比GSLV MK III火箭的起飞质量大得多，美国退役的大力神3/4系列和现役德尔它 IV Heavy火箭也要重于630吨。考虑到LVM3-X只是一次亚轨道发射，那么同样亚轨道发射的战神I-X火箭，起飞质量816吨就比LVM3-X火箭更重。如果要考虑轨道发射的话，即使按印度空间研究组织的乐观预计，LVM3-D1的发射也是2017年的事情了，而12月23日俄罗斯的安加拉A5火箭进行了实际的轨道发射，它的起飞质量约为760吨。我国的长征五号火箭今后两年将从文昌卫星发射中心发射升空，它的起飞质量约为867吨，同样要重于GSLV MK III火箭。GSLV MK III火箭的所谓世界第四大火箭，无论从哪个角度都是无法成立的。

印度媒体提到GSLV MK III是世界第四大火箭，并与土星五号并列，很大程度上是渲染印度运载火箭能力和技术的大跃进。虽然起飞质量也是火箭一个重要指标，但衡量一种火箭的性能，更多是用运输能力，也有很多人倾向于以运载能力系数，也就是有效载荷质量与火箭起飞质量的比值来衡量火箭的运载效率或是先进程度。如果从这两个标准来看，GSLV MK III火箭就实在排不上号了，虽然GSLV MK III火箭以630吨的起飞质量超过了美国的大力神 V系列火箭，也超过了我国的长征三号乙火箭和日本的H-IIB火箭，但要说运载能力的话，GSLV MK III火箭无论是近地轨道还是同步转移轨道都只能甘拜下风。美国大力神 V火箭以587吨的起飞质量做到了18.5吨的近地轨道运力，日本的H-IIB火箭以531吨的起飞质量做到了19吨的近地轨道运力，连我国使用老式发动机的长征三号乙运载火箭，459吨的起飞质量下也有约12吨的近地轨道运力。以这些对比看，GSLV MK III火箭虽然体积和质量大，但运载能力和运载系数小，反映出印度运载火箭技术和设计水平与其他国家仍有不小的差距。GSLV MK III火箭身上继承了GSLV火箭的大量成熟技术，本身设计注重于运载能力的提高而不是不顾国情和能力去攀比技术水平，这是印度空间研究组织的明智选择，但未免缺乏宣传的噱头，印度媒体发挥出第四大火箭的噱头，也是情理之中的事情。

尽管GSLV MK III火箭在技术上没有赶上国际先进水平，总体水平甚至落后于中国20世纪90年代的长征三号甲系列火箭，但它对印度航天具有极为重要的价值。通过GSLV MK III火箭的研制，印度将掌握S200、L110和C25的研制生产技术。S200固体助推器比S139固体助推器推力更大总冲更高，它为印度航天的发展奠定了更坚实的基础；L110上实现的双发并联技术，也是GSLV MK III火箭取得重大技术突破之一，为印度未来发展更大的液体推进段铺平了道路。C25上使用的约20吨推力的CE-20氢氧发动机，标志着印度成为具备独立设计先进氢氧发动机的国家，更是印度航天运载技术的巨大成就。GSLV MK III火箭还让印度第一次具备了使用国产运载火箭发射所有国产卫星的能力，在印度航天发展史上更是空前重要的里程碑。