后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺

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后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺

2010年4月15日当地时间16:27分,北京时间18:57分,印度使用国产低温上面级(即液氢液氧燃料发动机)的GSLV-D3火箭发射升空,这是印度2010年的首次航天发射,此前PSLV和GSLV已经有了总计21次的发射,不过此次发射仍然被印度航天研究机构(ISRO)作为重中之重,原因就是国产的低温上面级发动机了。不过遗憾的是,GSLV-D3火箭助推器和火箭一二级都工作正常,但发射后505秒,火箭和地面控制中心之间失去联系,正式宣告发射失败,印度声称将在一年内继续使用国产低温上面级进行发射。从505秒的时间出发,笔者当时认为低温上面级发动机只工作了约200秒,速度增量严重不足,卫星无力进入轨道。


氢氧发动机可能没有点火


随后的消息很离奇,有消息称火箭升空到60千米高度就失去了控制,这个从后继的报道来看应该是误传,根据视频截图分析是发射后505秒时火箭高度65.9千米。当时ISRO称上面级低温发动机点火而姿控发动机没有点火,导致火箭失控坠入大海。如果姿控发动机未点火而主发动机点火属实的话,那失去姿态控制的火箭做的可就是货真价实的布朗运动了。终于到了4月17日,印度媒体报道了ISRO发言人的声明,宣布低温上面级发动机没有点火,这无疑是更糟糕的结果,对印度发展低温发动机是个很大打击,18日又出现新的说法,认为低温发动机工作了1秒后由于燃料泵阻塞导致停机。



GSLV-D3火箭当时发射时的情况,火箭发射后不久便坠海。

氢氧发动机:航天大国的标志


所谓低温发动机,是指所用推进剂是低温下保存的液氧液氧的发动机。液氢液氧推进剂是目前实用的比冲最高的推进剂。比冲(specific impulse)量是指火箭发动机冲量与消耗推进剂质量的比值,这是衡量发动机性能的重要参数。类比来说,比冲等同于汽车的耗油率。发动机更高的比冲,有效载荷系数更高,意味着火箭可以以较轻的起飞质量把同样质量的载荷送入地球轨道。尤其是对于上面级,提高入轨载荷的效果尤为明显。


不过正如世上没有免费的午餐,高比冲发动机使用超低温下保存的液氢液氧作为推进剂,对于推进剂储箱,推进剂管道和发动机设计都提出极高的要求。氢氧发动机更是要在超高速涡轮泵,再生冷却和氢氧 燃烧室设计上付出很大的努力。可以说,氢氧发动机技术是火箭发动机皇冠上的明珠,掌握氢氧发动机技术是一个国家步入航天大国的标志之一。



后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺


后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺

印度作为航天领域的后起之秀,在尚未掌握普通发动机研制生产之时,就敏锐认识到高性能氢氧发动机的重要性。上世纪80年代印度只有固体的SLV和ASLV火箭进行航天发射,这些火箭整体推力小,发动机比冲低,和其他国家有太大的差距,也无法满足印度航天发展的需要。


ISRO及时规划新一代运载火箭,这就是90年代出现的极地轨道卫星运载火箭(PSLV)和静止轨道卫星运载火箭 (GSLV)。极地轨道是指卫星在地面投影经过南北极地区的轨道,一般的说就是太阳同步轨道,特点是可以在每天相同时间经过特定地点上空,这是遥感卫星普遍采用的轨道。不过PSLV不仅用来发射遥感卫星,也用于发射地球低轨道的其他卫星,ISRO还用它发射了月球探测器Chandrayaan-1。相比之下,发射同步转移轨道(GTO)的 GSLV火箭更大,由于GTO需要更多的速度增量,对高比冲上面级需求更为迫切。


引进俄制氢氧发动机


上世纪80年代ISRO开始GSLV研制工作,印度国产低温上面级发动机的研制工作也同步展开,不过低温发动机对于尚没有进行过常温发动机研制的印度来说,实在过于复杂,几经周折,印度不得不放弃了自制的 努力。1991年,印度和苏联Glavkosmos公司签订了价值1.2亿美元的合同,购买了两台RD-56发动机,迄今为止,印度共向俄罗斯购买了7台 RD-56M发动机,其中5台已经用于GSLV的发射,此次发射失败后印度有关部门宣布暂时继续使用俄罗斯的发动机。


分级燃烧循环的氢氧发动机


RD-56M发动机采用分级燃烧循环方式,所谓分级燃烧循环,是指一部分推进剂在预燃器燃烧产生燃气推动燃料和氧化剂泵,这部分燃气也进入主燃烧室的方式,对应的是预燃器的燃气驱动涡轮泵后直接排到外界的燃气发生器循环。分级燃烧循环结构复杂,发动机价格也更高,但比冲比燃气发生器循环要高出一截。RD-56发动机当年是为登月的N-1火箭设计的,90年代的改进版本RD-56M是为印度专门设计的,都没有在俄罗斯火箭上进行过发射测试,未免有拿印度当小白鼠的意图。事实上俄罗斯交付发动机时比冲就未能达标,重量还超标。



后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺

随着RD-56M的引进,印度重新开始了低温上面级发动机(CUS)的研制工作。新的印度低温发动机是RD-56M的印度仿制版本,新的CUS发动机采用分级燃烧循环方式,还具有二次启动能力。CUS发动机重量435千克,推力73.6千牛,喷口面积比为200,燃烧室压力5.8MPa,比冲得益于分级燃烧循环高达454秒,项目最初计划23.5亿卢比约合4750万美元,不过根据此次发射前的数据,最终费用上涨到7600万美元,对比其他国家,这个花费真可谓小钱办大事的典范。


此次发射准备过于仓促


不过CUS此次发射前只进行过7760秒的地面试车和一次720秒全程试验,720秒 全程试车还是2009年才实现的,实在有些匆促。发射失败后印度媒体称累计试车时间10倍于实际工作时间,其实试验时间对比同类发动机太短。同样是发展低温发动机的中国,最早实用的YF-73发动机,进行了120次试车,时间累计约32000秒,此后发展的YF-75发动机,也进行了67次试车,时间累积 22065秒,YF-75做到了单台累计试车2800多秒,实现了6倍工作时间无故障。此次发射失败,GSLV使用CUS的进度推迟,CUS的失败还将直接影响到印度 Chandrayaan-2月球探测器的发射,原定使用国产CUS发动机的GSLV火箭发射Chandrayann-2探测器,但现在在故障排除前只能将进度延后。



后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺


后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺

航天摸索过程挫折难免


不过话说回来,印度的失败并不是不可承受之重。同为发展中国家,中国也有过类似的失败,1984年1月29 日,长征3号火箭发射东方红2号通讯卫星,低温上面级发动机YF-73就曾提前关机,导致卫星未能进入GTO轨道,不过中国技术人员及时发现结冰的问题, 发动机设计上进行了补救,加上还有一颗备用卫星,于是在1984年4月8日的发射取得了成功。印度虽然没有备用火箭和卫星,但发动机地面已经进行了 7760秒的试车,一年内排除发动机故障,再次进行发射时间是足够的。


现有故障不难克服


CUS发动机固然只是印度对俄罗斯RD-56M发动机的仿制,但是比冲指标凌驾于中国现有YF-75发动机之上,这对中国航天并不是好消息。印度上面级发动机技术的超越是近在眼前的现实,此次印度发射的失败,不过是将时间推后一年。CUS的原型RD-56M发动机已经进行过5次成功发射,可靠性已经得到初步检验,印度仿制的CUS发动机克服现有的故障并不困难。虽说CUS比中国的YF-75发动机比冲提高有限,但毕竟印度领先了一次,这对沉迷于幻想印度航天技术远远落后中国的人来说,恐怕是很难接受的现实。


中国缺乏氢氧发动机设计经验


随着技术的进步,燃气发生器循环方式氢氧发动机的价格优势恐怕不再明显,而分级燃烧循环方式氢氧发动机的性能优势尤其是海平面的比冲优势要突出的多。印度通过CUS的研制掌握了分级燃烧氢氧发动机的设计制造能力,这对他们进一步发展大推力的分级燃烧氢氧发动机是个很大的优势,而中国却缺乏分级燃烧氢氧发动机的设计和工程经验。现在美俄日已经有了百吨级的分级燃烧氢氧发动机,未来15年内,欧空局将发展出世界上最强大的250吨级分级燃烧氢氧发动机,印度也将开发百吨级分级燃烧氢氧发动机。


中国大推力发动机将大幅落后


如若中国那时还只有一种海平面推力50吨级的YF-77氢氧发动机,技术上航天大国的地位就不稳固了。我国现有运载火箭长征2,3,4号火箭都派生自东风5号洲际导弹,主发动机YF-20已经有了40年历史,技术指标落后,燃料剧毒影响环境,更损害工作人员的身体健康。


新一代火箭的主发动机YF-77作为一种地面推力51吨, 真空推力70吨的发动机,真空比冲只有426秒,在推力和比冲上都落后于美俄欧日现有的发动机,和印度计划开发的100吨推力氢氧发动机也有很大差距。 YF-77发动机推力和比冲不足对长征5号火箭影响还不太明显,如用于登月等更大运力的火箭,所需的发动机就太多了些,将直接导致可靠性不足。我国尽快进行1500KN推力氢氧发动机的研制工作,是十分必要的。否则印度在遥感卫星领域后来居上,技术水平到现在还在中国之上的悲剧,未尝不会重演。




后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺


印度卫星已配有电推发动机


除了火箭的低温发动机,印度的GSAT-4卫星上也有一个很先进的发动机,那就是此次将要测试的离子发动机。GSAT-4卫星带有4个霍尔推进器,其中两个是印度自产的,外加两个进口的发动机,共同上天测 试,这又走在了中国前面。如果在分级燃烧氢氧发动机上,我们还可以自我安慰氢氧发动机本来就具有高比冲,使用燃气发生器循环,发动机既便宜性能还不错的 话,电推发动机却是无论如何也绕不过去的敲门砖。


主流通信卫星已普及电推发动机


当今世界主流通信卫星已经普及了电推发动机,电推发动机推力小比冲高,十分适合通信卫星的轨道维持。如果我国不迎头赶上,尽快在东方红系列通信卫星上配置电推发动机的话,未来将彻底失去通信卫星市场的准入资格。面对印度的先行一步,实在是令人尴尬。遥想2006年珠海航展,展出XIPS-200电推发动机了,曾和朋友们意气风发讨论实践系列试验卫星何时带XIPS-200发动机上天试验,XIP-S200何时成为东方红卫星销售的标配,实在想不到印度居然会先试验电推发动机。




后起的印度航天正在逐渐的赶超中国,中国航天基础投入欠缺


由于最新发动机的测试时间很短,测试恐怕也不全面,印度氢氧发动机火箭发射失败并不意外。不过失败背后,ISRO在航天技术上的大幅度进步是无法忽视的。中国在大笔投资进行载人航天这些外表光鲜的项目背后,实在是到了进一步加大航天基础技术投入的时候,否则恐怕更多的领域要被印度超越。尽管他们这次由于急功近利失败了,但是作为中国人总不能将自己的优势建立在印度人的运气上。




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