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殷岂:印度GSLV MK3重型运载火箭性能解析

时间:2017年06月08日 信息来源:观察者网 点击: 【字体:

【文/观察者网专栏作者 殷岂】

6月5日,印度又发射了一枚火箭,这次没有绚丽的104星,更没有出现什么意外,是一次扎扎实实的GTO(地球同步转移轨道)发射任务。任务载荷也是印度自主研发的GSAT-19E通信卫星,最终将定轨在印度附近的赤道上空,为印度国内提供通信服务。不过这个640吨的大家伙毕竟是印度有史以来发射的最大重量火箭,所以还是引起了不少关注。

早在2014年12月18日,GSLV MK3就已经进行过第一次发射。不过由于当时配套的芯二级C25的氢氧发动机进度延误,导致该火箭在首次发射时芯二级位置只是搭载了模拟配重,而不是具有完整功能的C25,因此只进入了亚轨道,并不能算是一次完整的航天发射任务。所以严格意义上讲,这次的GSLV MK3才是该型火箭第一次真正的发射任务。

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从左至右三枚火箭分别为美国的大力神3E,印度的GSLV MK3和欧空局的阿丽亚娜5

GSLV的全称是Geosynchronous Satellite Launch Vehicle,即“地球同步轨道运载火箭”,顾名思义,印度空间研究组织开发这一系列火箭的主要目的就是发射地球同步轨道卫星。

早期型号的GSLV比如MK2型有一些奇葩的问题存在,比如芯一级使用的是固体火箭发动机,而边上的几个助推器则是液体火箭发动机。由于固推普遍比冲较低燃烧时间较短,就发生了一件奇怪的事情:通常来说,火箭器起飞之后最先分离的是先燃烧完燃料的助推器,其次是芯一级,然后芯二级,如果有更多的级数那么就还会有三级、上面级等等。

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GSLV系列火箭MK1和MK2一共进行了11次发射,成功了6次

而GSLV MK2的厉害之处就在于,它的芯一级在起飞237秒后会燃尽,但是此时助推器还有25秒的工作时间,也就是说芯一级在熄火之后会有接近半分钟不到的时间变成火箭发射过程中的死重,由周围的四台助推器继续提供加速度。对于每一分重量都锱铢必较的运载火箭来说,这样的设计着实不能说是先进的。

不过印度的宇航部门相比其他的军事和工业部门都要靠谱许多,当GSLV发展到MK3型的时候,在基本结构上就参考了一些非常先进的设计,比如阿丽亚娜5。

因此从火箭的外形结构看,GSLV MK3与欧空局的阿丽亚娜5相似,中间芯级是液体火箭,两侧是固体助推。但是从技术标准上说,GSLV MK3距阿丽亚娜5相去甚远。印度从俄罗斯引进上面级用氢氧发动机作为技术蓝本,在多年开发之后也将将是掌握了小推力氢氧发动机的入门技术,用于GSLV MK3的第三级,而芯一级仍然是使用偏二甲肼的“毒发”(由于偏二甲肼燃料的剧毒性质,因此航天爱好者们通常将使用该种燃料的火箭发动机称为毒发),和阿丽亚娜5这种芯级使用大推力氢氧发动机的尖端火箭完全没法比。

当然,如果从芯级使用“毒发”配合固体助推的设计考虑,很容易让人想到美国在1971年首次发射的大力神3E运载火箭。大力神3E的起飞重量和GSLV MK3基本相似,差不多在640吨。不过这也只是相似,而非完全一致,并且在实际运载能力上,GSLV MK3比大力神3E相去甚远。

大力神3E运载火箭,2台固推搭配芯一级毒发以及芯级总共3级的设计提供了7吨的GTO运载能力

GSLV的发射任务通常是把载荷送入地球转移轨道(GTO),在远地点的轨道圆化工作是卫星自己完成的。所以做运载能力对比时,笔者以GTO运载能力作为标准。根据资料,大力神3E的GTO发射能力是7吨,GSLV MK3在现阶段的运载能力是4吨,本次发射的卫星质量实际是3.1吨,还留有不少的载荷余量。同样的起飞重量,大力神3E的运载能力多出75%。

说到这里需要提一下的是,笔者在关注此次印度火箭发射的新闻消息时看到了一种有趣的说法。那就是不要纠结于GSLV MK3的运载能力不足,毕竟其总体结构是非常先进的固液结合,毕竟GSLV MK3的固体助推器是世界第二大的S200,毕竟火箭看上去令人震撼。

这样的说法笔者并不认同,在人类现阶段完全依赖化学火箭发射航天器的背景下,发射上天的每一千克重量都意味着更多的成本。因此运载火箭的各种先进技术应用的服务标准都是以提升运能为目标的,无论是火箭发动机推力和比冲的提升,还是新材料的应用,亦或是更为简洁却不失强度的箭体设计,都是希望在一定的重量条件下压榨出更多的运载能力。所以虽然说以运力来衡量火箭的性能显得非常简单,实际却是最客观的衡量标准。

GSLV MK3火箭的飞行时序

GSLV MK3运力捉急的原因是多方面的,而且即使采用了时新的固液结合设计和S200这个世界第二粗的固推火箭助推器助阵,也没有能够弥补火箭在其他设计上的缺陷。

比如助推器与芯级之间存在结构设计问题,导致S200在燃烧结束15秒之后才能分离,采用类似发射时序的大力神3E的这一数据大约为4秒。两枚S200助推的空重高达60多吨,也就是说这部分死重在火箭身上多留差不多10秒之后才能顺利脱离,这段时间的影响对火箭燃料的应用效率可谓不低,火箭燃料的应用效率最终的直接体现就是载荷能力的大小。

除此之外,GSLV MK3的芯二级,也就是C25部分燃料携带量偏低也是影响GTO运载能力的重要原因之一,C25燃料携带量偏低的锅则应该由芯一级的发动机Vikas来背,原因如下:

GSLV MK3的总起飞重量是640吨,两侧助推重量472吨,芯级部分总重约170吨,两台Vikas发动机能够提供的总推力只有约160吨。即便芯一级L110在固推熄火之前26秒提前开始工作,当固推分离时通过燃料的消耗已经降低了一部分芯级总重,GSLV MK3在这一阶段的飞行仍然面临推重比将将够用的局面,因此在这种情况下如果还要加大上面级C25的燃料储量,甚至使用更大推力的上面级氢氧发动机,那么势必会造成火箭在中间段飞行过程中推重比严重不足的局面,甚至会影响到发射任务的成功与否。

GSLV MK3后续改进型,芯一级使用更大推力的复杂循环煤油发动机,GTO运载能力提高到6.2吨,但是总体运载效率还是处于国际偏低水平

作为GSLV MK3的研发方,印度空间研究组织(ISRO)也自然清楚这一问题,因此下一阶段的改进就包括了芯一级使用印度自主研发的SCE-200复杂循环液氧煤油发动机,根据印度官方的说法,这种发动机能够提供182吨的海平面推力和200吨的真空推力,那么就能够使用更大的上面级C30,最终把GTO提高到6.2吨的水准。虽然只是比目前的4吨多出了2.2吨,考虑到目前国际市场主流同步轨道商业卫星的重量,提高载荷能力后的印度大火箭至少能在商业发射市场上抢一杯羹。

平心而论,作为ISRO的拳头产品,GSLV MK3确实存在一些技术亮点,包括总体结构思路和大推力的固推都可圈可点,只是印度人不注重细节打磨的生性和糟糕的基础工业能力拖累了GSLV的最终运载性能,实在是可叹。


(作者:殷岂)
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