印度火箭再开挂!这一技术远超中国(图)

2017-06-09 21:29

当地时间6月5日下午5时左右,印度在萨迪什·达万航天中心成功发射国产最大推力运载火箭GSLV-MarkIII,将3.2吨的新一代GSAT-19通信卫星送入距地面3.6万公里的地球同步轨道。印度媒体一片欢呼,大概现在还在弹冠相庆。天天在这里需要说明的是,这不是该火箭的第一次发射。其首次发射于2014年12月就已经完成了,当时其载荷进行了一次亚轨道飞行。

印度大概有理由为这枚火箭感到骄傲,至少从外形上看是这样的。这枚火箭芯级直径达到4米,整流罩直径5米,起飞重量达到640吨,从外形上看,直逼中国长征-5号运载火箭,从起飞重量上看,大致能挤进现役火箭的前五名,其大型固体助推器也是世界上第三大。现役第二大固体助推器。不过,印度的火箭制作极为粗糙,被西方笑称会飞的锅炉,和中国的新型运载火箭更有20年以上的差距。即便如此,印度火箭有一技术的运用却大幅度领先中国火箭。

GSLV-MkIII是一种三级火箭,总长42.4米,最大起飞重量630吨,从重量上来说,现役火箭中能挤进前五名。GLSV-MkIII被设计用来发射更重的INSAT-4级的通信卫星。和其他大多数国家的火箭不太一样的是,印度的火箭第一级往往是并联在芯级上的发动机,第一级工作时芯级不工作。GSLV-MkIII的第一级是两台长25米、并联在芯级上的、完全相同的S200大型固体火箭发动机(LSB),单台发动机全重232吨,填充约200吨的固体燃料。仅仅从上述参数上来看,这个助推器似乎“非常了得”。他一直工作到第二级、也就是芯级的第一级——L110液体火箭发动机工作。

L110是可重启的液体级段。印度此前的PSLV和GSLV火箭使用的是单台维卡斯发动机。而GSLV-MKIII的L110极段为增加推力并联了两台维卡斯发动机。L110级段长约17米,直径4米,可装载110吨液体推进剂。使用的燃料是传统的常温燃料四氧化二氮和偏二甲肼。

第三级是由液氧和液氢推进的C25低温级段。低温高能发动机一直是印度火箭研制的瓶颈,一直依靠进口的俄罗斯原装发动机,而GSLV-MkIII则采用了国产CE-20液氢液氧发动机。由于CE-20发动机研制进度滞后,导致GSLV-MkIII火箭在2014年的首次试射只进行了亚轨道飞行。第三极发动机上面的整流罩的最大直径达到5米。

如果仅仅从外形和重量上看,这枚火箭可谓高大上。但是从它的能力来看,就有点偏弱了。这枚火箭最大起飞重量630吨,GTO(地球同步转移轨道)运载能力却只有4吨(印度空间研究组织主席库马尔表示,4吨只是新火箭的初步设计载荷,未来运载能力还会逐渐增加),LEO(近地轨道)运载能力接近10吨。

一个可供对比的数据是,中国于上世纪九十年代研发成功的长征3号乙运载火箭的起飞重量459吨,而GTO运载能力已经达到5.5吨。也就是说,中国上世纪研制的运载火箭以更轻的重量,达到了更大的载荷。当然,长征三号乙运载火箭的潜力几乎被挖尽了,而GSLV-MkIII还有进一步提升的潜力,但即便如宣传的那样达到GTO运载能力达到5-6吨,其低效已是很显然的了。中国的长征五号运载火箭的起飞重量为784吨,而最大LEO载荷达到25吨,最大GTO载荷将达到14吨!

也就是说,GSLV-MkIII看上去显得有点虚胖——虽然体型威勐但是力气小。这一点也体现在2015年1月31日印度进行第三次试射、同时也是第一次利用机动式发射筒发射的烈火-5洲际弹道导弹身上。这种最大射程5000公里到5500公里的洲际弹道导弹,重量达到了50吨。美、俄上世纪八十年代研制的固体洲际弹道导弹重量都在50吨以下,而射程普遍超过1万千米。这种“虚胖”,不仅仅是印度在某一单项技术上落后所致,而是在液体火箭发动机技术、材料、电子工业上全方面落后所累加的效应。

首先,印度火箭略显虚胖的原因是采用的第一级固体发动机的比冲(单位重量的推进剂产生的冲量)较小。一般而言,固体火箭发动机的比冲要小于液体火箭发动机,哪怕是常规的四氧化二氮和偏二甲肼燃料液体火箭发动机。当然,固体火箭发动机结构简单,几乎不需要维护,可靠性较高。可以以较为简单的结构实现很大的推力。但是比冲相对较小,也就是说达到相同的冲量,固体火箭发动机需要的燃料更重。但是固态燃料的密度较大,所以相同体积下的固态燃料更重,往往能提供更大的总冲。GSLV-MkIII的固体发动机由于燃烧室平均压强较低,地面比冲只有227秒,而长征三号乙运载火箭的一二级和助推器均使用常温液体火箭发动机(比冲超过300秒),尽管和采用液氢液氧发动机没法比,但仍然超过采用HTPB燃料的固体发动机很多。

GSLV-MKIII的第二级并联了两台维卡斯发动机,而在GSLV之前的型号上,只安装了一台维卡斯发动机,这也是为什么GSLV MKIII看上去很胖的原因。维卡斯发动机是有Nambi Narayanan和他的团队于1970年代研制的,虽然都采用四氧化二氮和偏二甲肼作为燃料,其推力与长征三/二号的第一级发动机仍有较大差距。而GSLV-MkIII的第三级发动机,燃料箱的过扁,结构利用率较低,就进一步相对增加了重量。加之GSLV MKIII总体上的材料水平较低,其结构重量也偏重,所以才导致了GSLV-MkIII虚胖的结果,印度火箭常被讽刺为会飞的锅炉。

运载火箭被认为是整个自主航天活动的基础。它同时是动力、材料、化工、电子领域成果的集中体现。从某种程度上讲,运载火箭的强弱代表着一个国家的航天实力。在这方面,中国的运载火箭遥遥领先于印度。实际上,在GSLV-MkIII之前,印度火箭的运载能力更为有限。GSLV能携带重2.5吨的有效载荷进入地球同步转移轨道,而PSLV能携带1.6吨的卫星进入极轨道或携带1.1吨的卫星进入地球同步转移轨道,远低于中国同类火箭。

除了吨位上的不足,印度在先进的液氢液氧发动机方面相当长一段时间以来一直靠从俄罗斯购买,GSLV-MkIII首次使用了国产化的型号。相比之下,中国长征五号、长征七号可以说将保持对印度的绝对优势。

当然,印度在固体火箭发动机领域的专注,使得其在航天领域固体火箭发动机技术的运用一度领先中国,GSLV-MkIII火箭的固体发动机虽然性能并不出众,但是其庞大的体积本身,就代表着难度和实力。毕竟,制造大直径固体火箭发动机的工艺非常复杂。这两个固体助推器并不简单。其重量仅次于美国航天飞机的助推器(燃料质量440吨、长37.8米)和欧洲的阿里安火箭助推器(燃料质量240吨、长31.6米)。而其直径为3.2米(相当于长征-2/3/7的芯级直径),位居世界第二,现役世界第一,美国航天飞机和阿里安火箭的的固体助推器的直径分别为3.6米和3.05米。而至今,中国的大型运载火箭尚未运用固体助推器。固体发动机虽然比冲较低,但是密度大,体积比冲较高,而且结构简单,为很多数航天大国所重视。

然而,随着中国逐渐意识到这一点,特别是“快舟”、“开拓”等系列固体运载火箭的发射成功,持这种观点的声音逐渐销声匿迹。随着新一代大型固体助推器的研制试车成功,碾压印度只是时间问题。

如果说印度有优势,那就是印度能够与欧洲、美国、和俄罗斯展开更多的合作。“能够接触到更为先进的科技”,中国航天的国际合作条件则根本没办法和印度比。这当然从侧面反映出中国航天业自主发展的能力。


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