韩国运载火箭发展历程及分析

苏晗 汪芊芊 李操（北京宇航系统工程研究所）

2023 年5 月25 日，韩国首枚自主研制的世界号（KSLV-2，也称Nuri）运载火箭第三次发射升空，成功将任务载荷送入预定轨道。作为KSLV-2 运载火箭的首次常态化应用发射任务，取得成功的结果对于正在积极谋求世界航天大国地位的韩国来说具有十分重要的意义。

1 韩国KSLV-2 运载火箭第三次发射情况

发射情况

当地时间2023 年5 月25 日，韩国KSLV-2 运载火箭从位于南部海岸的罗老航天中心发射升空，并将8 颗卫星送入550km 高度的太阳同步轨道，任务载荷由1 颗新一代卫星-2（NEXTSat-2）主星和7 颗微小卫星组成。

主要飞行程序

KSLV-2 运载火箭在罗老航天中心点火起飞后依次经历一级分离（125s）、整流罩分离（234s）、二级分离（275s）、主星分离（783s）、搭载卫星分离等时序动作。KSLV-2 第三次发射过程如图1所示。

图1 KSLV-2 第三次发射任务过程图

有效载荷情况

本次发射任务有效载荷为1 颗新一代卫星-2 和7颗微小卫星（分别见图2 和图3）。新一代卫星-2 是一颗合成孔径雷达（SAR）地球观测卫星，主要用于对地遥感观测、宇宙射线观测、太空技术验证等，由人造卫星研究所（KAIST）研制，质量为179.9kg，设计寿命2 年。其余微小卫星质量为4～10kg，设计寿命0.5～1 年，主要用于空间观测等任务。

图2 新一代卫星-2 外观图

图3 7 颗微小卫星外观图

2 韩国运载火箭研制历程

20 世纪90 年代，韩国通过探空火箭的早期探索积累了运载火箭研制相关的关键技术。2002 年，韩国航空航天研究所（KARI）启动“韩国航天运载火箭”（KSLV）的研制计划，并于2009 年发射了该计划的首枚运载火箭——罗老号（KSLV-1，也称Naro）。2013 年开始，KARI 开始着手研制新型的KSLV-2 运载火箭，并于2021 年10 月完成首次试射。

早期探索

“韩国探空火箭”（KSR）系列是韩国在20 世纪90 年代发展的探空火箭，主要目的是在正式开展入轨级运载火箭研发前，提前验证已掌握的固体火箭发动机、复合材料推进剂贮箱、推力矢量控制、低温地面支持设施、箭上电子通信系统等关键技术。

1993 年，韩国发射了两枚单级固体探空火箭KSR-1，飞行高度约40km；1997-1998 年，韩国先后发射了两枚二级固体探空火箭KSR-2，飞行高度超过了120km；2002 年11 月，韩国研制的KSR-3单级液体探空火箭试射成功，飞行高度约为80km。KSR-3 是韩国第一枚采用液体推进剂的火箭，采用了一款挤压循环的液氧煤油发动机，成为了韩国液体火箭研制的起点。KSR-1～3 火箭发射图如图4 所示。

图4 “韩国探空火箭”发射

过程曲折

在KSR 探空火箭的几次成功发射后，韩国认为其已初步掌握了运载火箭的基础技术，因此在2003 年启动了KSLV-1 火箭的研发工作，目标是能够将100kg 有效载荷送入高度300km 的近地轨道。然而韩国在动力系统研发方面出现瓶颈，无论是固体火箭发动机还是液体火箭发动机，推力基本在80～120kN，远不能满足入轨发射需求，因此韩国KARI 与俄罗斯合作，引进了俄罗斯动力机械科研生产联合体的安加拉系列火箭通用火箭模块，采用RD-151 液氧煤油发动机作为KSLV-1 火箭第一级的动力装置，第二级动力装置基本沿用KSR-2 探空火箭的固体发动机。

KSLV-1 火箭一级使用的RD-151 液氧煤油发动机是俄罗斯RD-191 发动机的降推力版本，而RD-191 发动机是在RD-170 四燃烧室液体火箭发动机基础上将燃烧室数量减为一个，并重新设计开发主涡轮泵单元等组件而来。RD-191 发动机采用富氧分级循环，真空推力1920kN，真空比冲337s；韩国KSLV-1 火箭一级RD-151 发动机推力约1670kN。

KSLV-1 火箭分别于2009 年8 月和2010 年6月进行第一次和第二次发射，但都以失败告终。在首飞过程中由于整流罩分离装置存在结构缺陷和电路设计问题，导致火箭升空后未能将有效载荷送入预定轨道。在第二次发射中，火箭升空两分钟后与地面失去联系，随后爆炸坠毁，韩国专家认为事故是由第一级火箭发动机工作异常引起的。

经历两次失利后，KSLV-1 火箭原计划于2012年10 月进行第三次试射，但在发射场将火箭第一级对接到发射台时，发现密封用橡胶圈破损，由于第一级箭体由俄罗斯集成配套，只能将有问题的橡胶圈运回俄罗斯查找破损原因，发射计划推迟。一个月后，KSLV-1 火箭再次准备发射，但是在检查过程中又发现第二级固体火箭发动机的电力推力矢量控制系统出现异常，发射计划再次推迟。直到2013 年1 月，KSLV-1 火箭才完成发射并取得成功，将100kg 有效载荷送入近地轨道，这也是其唯一一次成功发射。

初见曙光

2013 年11 月，韩国未来创造科学部（MSIP）制定了《宇宙开发中长期计划（2014-2040）》，着重强调要通过研发韩国本土型运载火箭确保自主发射能力，力争获得先进国家水平的太空开发能力。同年，KARI 启动了新型运载火箭KSLV-2 的研制，在2010 年3 月到2015 年7 月的第一个研究阶段中，进行了7t 级真空液氧煤油火箭发动机的地面测试；在2015 年8 月到2018 年3 月的第二个阶段中，进行了75t 级液氧煤油发动机燃烧实验；第三个阶段中，于2018 年11 月利用子级验证试验箭（TLV）进行了一次子级模块验证飞行试验，KRE-075 发动机工作了151s，将TLV 送入209km 高空，最后在济州岛东南429km 的太平洋上溅落，参加本次试验的产品为KSLV-2 火箭完整二子级+配重三子级，全面考核验证了电气系统及以KRE-075 发动机为重点的动力系统。KSLV-2 火箭子级验证飞行试验如图5 所示。

图5 KSLV-2 火箭子级验证飞行试验

KSLV-2 火箭的设计基本保持了通用化和模块化的特点，第一级和第二级采用了相同的KRE-075开式循环液氧煤油发动机，区别是第二级的KRE-075 具有更大的扩张喷管；三级KRE-007 发动机也延续了一二级KRE-075 发动机的设计特点，采用相同的循环方式并共享设计制造技术。以发动机为代表的关键单机采用产品化、模块化的研制思路，可以最大限度共享研制成果，从而提高研制效率、加快研制进度、降低研制成本。

当地时间2021 年10 月21 日，韩国自主研发的KSLV-2 运载火箭在罗老航天中心进行了首次发射，本次发射计划将质量为1.5t 的模拟载荷送入高度700km 的太阳同步轨道（SSO）。本次任务KSLV-2 火箭3 个子级均成功点火且顺利完成分离等时序，载荷在发射后约15min 完成分离。起飞约1h 后，时任韩国总统文在寅宣布，尽管KSLV-2 完成了所有飞行程序，但未能将卫星送入预定轨道，首次发射失败。

KARI 官方公布其失败原因是三子级发动机提前关机导致。该问题的主要原因是在贮箱结构设计时，设计师只考虑了罐体在静载荷下的强度，未考虑火箭加速阶段不同载荷及推力作用下的共振与过载问题。为了避免问题重复发生，设计人员对氦气瓶下部的固定装置进行加固，增加其承载能力和环境适应性。

截至2023 年11 月，KSLV-2 运载火箭共完成3 次发射任务，首飞失利后的2 次发射连续成功，使韩国成为继俄罗斯、美国、法国、中国、日本和印度之后第7 个具备将超过1t 载荷发射入轨能力的国家。

未来可期

《宇宙开发中长期计划（2014-2040）》中还提出，要在2030 年前利用自主研发的运载火箭发射地球静止轨道卫星、月球着陆器和采样返回器、火星探测器和着陆器；并且要在2040 年前推进小行星探测、开展空间站建设、发射载人太空运输船。

针对地球同步转移轨道（GTO）3t 的运载能力需求，KARI 提出了两种KSLV-3 的方案：第一种方案为三级半构型，在第一级安装4 台90t 级的KRE-090 发动机，4 个助推器各配备1 台KRE-090发动机；第二级采用真空版KRE-090 发动机；第三级采用新型KRE-010V 富氧分级循环发动机。第二种方案采用两级构型，取消助推器设计的同时加大一级直径，安装9 台90t 级的KRE-090 发动机。两种方案在动力系统特别是一级发动机方面均有一定的继承性，预计将大幅压缩整体研制难度。

可重复使用运载火箭方面，韩国也规划了明确的发展路线：对KSLV-2 运载火箭进行可重复使用改进，主要方案为一级安装5 台88t 级KRE-088 可重复使用液氧煤油发动机，采用“十”字布局，周围4 台发动机具备单向摆动能力，中心1 台发动机具备双向摆动能力，具有40%的节流能力。

超重型运载火箭方面，KARI 在2018 年提到一款名为KSLV-4 的重型运载火箭将很快进入论证发展阶段。采用芯一级并联捆绑构型（CBC），芯一级和助推级分别装有9 台95t 级发动机，芯级的第二级为4 台7t 级发动机，整箭高为47m，芯级直径为4.4m，起飞质量约为2200t，近地轨道（LEO）运载能力为64t，地球同步转移轨道（GTO）运载能力为14t。

3 分析及研判

KSLV-2 性能虽不先进，但韩国运载火箭研制已走上正轨

KSLV-2 运载火箭作为一款三级低温液体运载火箭，低轨运载能力约2～3t，太阳同步轨道运载能力宣称可达1.5t，性能水平介于我国长征一号运载火箭和长征二号系列运载火箭之间。除采用无毒无污染的液氧煤油推进剂、在环境友好性方面具有一定的先进性外，动力系统技术指标和总体构型设计指标均较为落后。尽管如此，从韩国运载火箭独立自主的研制路线、充分的地面试验以及清晰务实的长远发展规划来看，目前韩国运载火箭领域已经走过了曲折的探索历程，KSLV-2 运载火箭的连续成功带来了曙光，未来可期。

他山之石，可以攻玉

KSLV-2 运载火箭首飞失利的原因最终定位为三级液氧贮箱内的氦气瓶在上升过程中复杂环境作用下固定松脱，导致引发一连串灾难性后果。值得注意的是，早在2015 年，太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰-9（Falcon-9）火箭执行CRS-7 任务时空中解体，其故障原因就定位于浸泡在二级氧箱中的氦气瓶直接断裂，导致氦气瓶脱离原有位置并与箱顶碰撞，氦气泄漏最终导致氧箱过压爆炸。两起事故的发生机理几乎相同，韩方未对SpaceX 公司的故障进行充分的举一反三，只能接受首飞失利的结果。因此，用好“前车之鉴”、做好质量问题的举一反三是取胜之匙。

韩国积极发展航天，半岛局势趋于不稳

运载火箭技术是一个国家进出空间能力的体现，同时也是国家科学技术水平和远程投掷能力的一种显示。韩国在运载火箭研制发射方面逐步走上正轨，对同处朝鲜半岛的邻国朝鲜释放出刺激信号，朝鲜在2023 年频繁试射其新型液体运载火箭千里马-1（Chollima-1）。预计双方将开展一轮新的军备竞赛，在半岛问题上开展多轮博弈互动，不断影响着朝鲜半岛局势稳定与和平。