印度新型运载火箭技术方案剖析

徐利杰 陈晓飞 陈海鹏 邓梦然 （北京宇航系统工程研究所）

印度新型运载火箭技术方案剖析

Analysis of Indian's New Launch Vehicle Technical Scheme

徐利杰 陈晓飞 陈海鹏 邓梦然 （北京宇航系统工程研究所）

印度时间2017年6月5日，印度地球同步卫星运载火箭－Mk3－D1（GSLV－Mk3－D1）在萨提斯达瓦航天中心首飞发射成功，标志着印度航天又向前迈进了一步。文章综合分析了印度GSLV－Mk3新型火箭总体方案及技术特点，总结对我国航天发展的启示。

1 研制背景

1969年8月，印度政府成立了印度空间研究组织（ISRO），并正式开始研制本国的运载火箭。印度现役运载火箭包括“极轨卫星运载火箭”（PSLV）以及“地球同步卫星运载火箭”（GSLV）。PSLV火箭为四级型运载火箭，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，成功发射过月球和火星轨道探测器。受PSLV火箭运载能力的限制，无法满足印度的发射需求。因此从20世纪80年代开始，在PSLV火箭的基础上研制了运载能力更大的GSLV火箭，用于将印度2t级的“印度卫星”（INSAT）或者国外通信卫星送入地球同步转移轨道，同时也可执行近地轨道发射任务。

GSLV火箭包括三种构型，分别为三级型Mk1、Mk2和两级型Mk3。Mk2与Mk1火箭结构基本相同，但是采用本土研制的液氢/液氧低温上面级CUS12代替俄罗斯的12KRB，并对控制系统进行了改进。Mk2于2010年4月15日首飞，由于低温上面级故障而宣告飞行失败，第一次飞行成功时间为2014年1月5日，验证了印度本土研制的低温上面级的性能。

为了满足国内需求并开发国际商业卫星发射市场，印度于2002年启动新一代运载火箭GSLV－Mk3的研制，GTO运载能力提升至4t，LEO运载能力提升至10～12t。Mk3最大的特点是使用比Mk2更大推力的低温氢氧上面级，采用CE－20低温发动机。2014年12月完成首次亚轨道飞行，对火箭助推器、芯一级以及总体相关技术进行了验证。印度时间2017年6月5日，印度GSLV－Mk3－D1火箭首飞成功，搭载了地球静止卫星－19E（GSAT－19E）通信卫星，卫星质量为3.135t。该火箭后续将服务于印度载人航天任务和卫星发射。

2 技术方案

总体方案

GSLV－Mk3全长43.43m，起飞质量640t，采用两级捆绑结构。芯级为L－110液体推进级，直径4m，装有110t可存储推进剂。芯级外侧捆绑两枚S－200固体助推器。上面级采用印度本土研制的C－25氢氧低温上面级。S－200助推器与芯级采用火工品分离，并利用侧推火箭作为分离能源。一、二级分离采用弹簧作为分离能源。整流罩分离采用包带连接和线性波纹管系统实现。整流罩直径5m，具有110m3的有效载荷容积。

研制过程中，印度空间研究组织充分利用成熟技术和硬件设施，降低研制难度，在继承PSLV火箭以及GSLV火箭现有技术基础上，设计GSLV－Mk3的总体结构和子系统。

GSLV火箭总体参数和运载能力

GSLV-Mk3主要参数

L-110液体芯级

L－110芯级采用2台Vikas发动机。采用四氧化二氮/偏二甲肼和水合肼混合物作为推进剂，推进剂质量为110t，2台Vikas发动机提供1600kN的推力，工作时间为200s。

L－110芯级结构从下到上为芯级底部防护罩、燃料贮箱、箱间段、氧化剂贮箱以及1S1/2L段、电子设备所在的1S1/2M段、与S－200助推器相接合的1S1/2U段。L－110的两个推进剂贮箱为圆柱形的铝合金硬壳结构，容积均为50m3。推进剂贮箱采用氦气增压。Vikas发动机喷口面积比为31，能够在偏航轴5°和俯仰轴8°范围内摆动，实现火箭姿态控制。

S-200固体助推器

S－200助推器直径为3.2m，真空比冲274s，最大推力6000kN。整个助推器分为三段，中段和尾段的长度都超过8m，头锥长度3m，装有205t的复合推进剂（HTPB），额定工作时间130s。

S－200是仅次于美国航天飞机固体助推器和欧洲阿里安－5 P230的世界第三大固体助推器。助推器壳体采用M－250合金钢，厚度7.7mm。段间的结合采用成熟可靠的PS－1/GS－1榫槽式连接。头部防护罩外缘与锥形适配器连接。头部锥形适配器的半锥角为20°。助推器底部带有防热罩。助推器药柱的配置要满足动压及可控性要求，尤其要避免两助推器推力的不匹配。通过灵敏度分析达到最佳的燃烧室压力和喷管面积比。

S－200的柔性喷管系统允许喷管摆动±7.8°。该系统由5个组件构成，其中弹性密封是关键。弹性密封件采用15CDV6特种钢球形加固垫片和天然橡胶制成的弹性体叠加的结构，平均直径为1.5m。弹性密封通过低硬度热防护罩隔离高温燃气。作动机构包括40t动力的电动液压伺服作动器和液压气动驱动装置，通过S－200附带的加压油箱驱动。S－200助推器的推力由头部连接的球面轴承传递到芯级。当固体助推器燃尽时，爆炸螺栓起爆，然后助推器头部和底部安装的6枚分离侧推火箭工作，使助推器和芯级箭体分离。

C-25低温上面级

C－25上面级携带28t的液氢/液氧推进剂，采用CE－20低温发动机，真空推力为200kN，额定工作时间为595s。CE－20发动机为燃气发生器循环方式，使用2套增压涡轮分别驱动液氢/液氧泵，混合比和推力可调。燃烧室采用双层通道壁结构，利用氢气实现再生冷却。CE－20利用电磁作动器实现±4°的摆动。滑行阶段利用反作用控制系统实现姿态稳定。

C－25上面级有2个直径4m的独立铝合金硬壳贮箱，上方为70m3的液氢贮箱，下方为20m3的液氧贮箱。液氢贮箱利用发动机冷却通道回流的氢气（温度160K）进行增压，液氧贮箱利用氦气增压。

电气系统

箭上电气系统主要包括遥测系统和控制系统，实现火箭的数据处理、制导控制、遥测跟踪以及飞行终止等功能。

制导控制系统采用双重冗余的分布式结构。该系统采用印度自行研制的计算机用于导航解算，设计了统一的总线，利用双总线结构实现冗余。时序控制采用三冗余设计，降低了误发指令的风险。惯性系统采用3个斜置的陀螺仪和加速度表，为箭载计算机提供惯性基准以及箭体姿态、位置和速度。箭载计算机根据这些参数计算轨迹以及姿态控制律。

遥测系统采用主数据链和冗余数据链结构。S频段的数据链1的数据速率为2Mbit/s，当第一级分离后，转换为1Mbit/s。数据链2数据速率为1Mbit/s，作为冗余数据链。火箭上的参数采用S频段的发射机传输到地面站。这些数据包括压力、温度、结构振动、声学特征以及电子设备监测数据。与制导控制相关的参数由1553B总线上的控制单元监测。火箭飞行状态跟踪由仪器舱中的雷达应答机实现。为了提高箭体安全控制的可靠性，固体助推器和芯级火箭都采用了双重冗余的飞行终止系统。

火箭组装和发射设施

GSLV－Mk3火箭组装和发射设施位于萨提斯达瓦航天中心，主要包括固体级组装厂房、液体级准备厂房（用于L－110级）、综合技术厂房（用于C－25上面级）、卫星准备设施和火箭总装厂房。

用于发射PSLV/GSLV的第二发射台经改进后用于GSLV－Mk3的发射。该发射台采用转运-发射方案，火箭随发射平台一起转场，移动发射平台是一个19m×19m×7m的长方体平台，在平台两侧7.8m处对称放置2个底座用于支撑S－200助推器。在GSLV－Mk3组装阶段，第一步先将两个S－200助推器放置在支撑底座上，然后将L－110芯级垂直放置于移动发射平台上，并使其位于2个S－200助推器中间，之后将组装好的结构运至火箭总装厂房。第二步检查C－25低温上面级并在火箭总装厂房完成火箭组装，最后组装整流罩与箭体。

3 主要技术进步

GSLV－Mk3火箭使印度在技术上有3个方面的进步，包括：采用大推力固体助推器；首次尝试液体火箭发动机并联工作；首次自行研制高技术含量的液氢/液氧发动机。

大推力固体助推器

GSLV－Mk3最引人注目的就是它的2个大型固体助推器，代号为S－200，在PSLV火箭的S－139固体助推器基础上放大发展而来，其推力突破500t级。但其燃烧室平均压强只有4MPa，导致地面比冲只有227s，真空比冲也仅有274s，外加沉重的钢壳体，总体性能并不出色，唯一值得称道的是推力巨大。

液体发动机并联布局

L－110使用2台并联的Vikas液体发动机，这是印度首次进行液体发动机并联的尝试，更是GSLV－Mk3火箭的重大技术突破。芯一级与大多数火箭不同的是，它并非在地面点火，而是发射110s后在高空点火，由于S－200固体助推器从发射一直工作到130s，和L－110形成了近似的一二级关系，从而获得了更高的运载效率。但是与大多数火箭不同的是，S－200固体助推器要在第149s才分离，无用、沉重的助推器壳体被火箭携带飞行将近20s，这严重影响了火箭的运载效率。

自研低温上面级

低温上面级代号为C－25，使用印度新研制的CE－20发动机。该发动机使用传统的燃气发生器循环，真空推力180～200kN，真空比冲达444s，在首飞前仅完成了2次试车。

目前，印度航天技术正在逐渐从国际合作走向独立自主，GSLV－Mk3完全采用自主技术，典型代表为自主研制的CE－20高性能液氢/液氧发动机。低温发动机的研制成功将有助于印度摆脱国外依赖，大幅降低发射成本，增加商业市场竞争力。

4 技术先进性分析

GSLV－Mk3火箭的发射成功标志着印度实现了多项技术进步，向航天大国又迈进了一步。就数据而言，跟其宣传的“重型”火箭相比有些名不副实，但不可否认其发展仍有较多借鉴意义。

综合水平仍未达到国际主流水平

GSLV－Mk3火箭虽然运载能力达到4.0t，但是仍与国际发射市场主流运载火箭德尔他－4、宇宙神－5、阿里安－5、长征－3A系列等在运载能力上存在较大差距。该火箭以640t左右的起飞质量达到4.0t的地球同步转移轨道运载能力，而阿里安－5火箭则以780t左右的起飞质量达到10.5t的地球同步转移轨道运载能力，表征其运载效率并不高，综合水平低于目前国际主流水平。

单项技术取得重大突破，突出表现为动力系统的发展

GSLV－Mk3火箭的S－200固体助推器推力达到500t级，是继美国航天飞机和欧洲阿里安－5固体助推器的另一个世界大型固体助推器，其推力水平处于国际领先地位；CE－20低温发动机真空推力为200kN，额定工作时间为595s，采用燃气发生器循环方式，比冲达到444s，超过长征－3A系列火箭的438s，技术水平亦属国际领先。

循序渐进的技术验证思路具有借鉴意义

为提高地球同步转移轨道运载能力，印度逐步发展GSLV－Mk1、Mk2、Mk3三型火箭，使得各项技术逐步验证，缩小技术跨越，缩减技术难度；将GSLV－Mk3火箭研制与发展载人航天和商业发射相结合，体现其战略规划的前瞻性；通过助推器和一级亚轨道飞行对系统接口、飞行环境和系统功能性能进行验证，使试验考核更加充分，这也不失为一种运载火箭研制试验的新思路。

5 发展与启示

发展动力，优化火箭总体性能

在GSLV－Mk3火箭中，印度在动力方面取得了多项突破。其固体助推器的推力达到国际领先，首次自研的低温发动机比冲也超过了长征－3A系列，与长征－5火箭相当，表明印度固体、液体动力技术发展迅猛。在我国的航天技术发展中，仍旧需要重点提升动力系统性能，突破固体助推器捆绑与分离技术，牵引大推力固体和液体动力技术的发展，突破发动机深度节流、多次启动、推力快速在线调节等关键技术，为运载火箭的综合性能提升和可重复使用奠定基础。

注重成本，提升市场竞争力

通过对GSLV－Mk3火箭的综合分析，印度火箭具有低成本的优势，其固体助推器采用了钢壳体，并没有像美国那样采用复合材料，虽然结构效率比不上欧美，但一枚火箭4650万美元的成本在国际市场上仍具有较强的竞争力。在中国火箭受制于《国际武器贸易条例》（ITAR）的情况下，印度火箭在国际市场上愈发活跃，其在2013－2015年完成了包括加拿大、美国、英国、丹麦、法国、德国等9个国家的28颗卫星发射，实现创收约1亿美元。降低发射成本是各国运载火箭发展的主要趋势之一，在运载火箭的研制过程中需要兼顾火箭性能与成本之间的平衡，实现技术经济一体化发展，提升市场竞争力。

拓宽领域，保持源动力

航天技术水平是一个国家综合国力的重要标志。印度作为后发成员，展现出了一定的技术实力，虽然其运载火箭综合水平与我国相比还有差距，但是，我们也应该看到印度在航天领域的持续投入和取得的成绩。

航天发展，运载先行。虽然我国新一代长征－5、6、7运载火箭均陆续首飞并投入使用，但我国新一代运载火箭型谱还不够完善，同时在低成本发射、子级重复使用、分离体落区控制、前端加注无人值守等领域还需要持续投入，实现我国运载火箭技术的快速发展。