不可忽视的失败【评GSLV-D3火箭发射失败】

作者：squirrel
http://freebsd48.blog.163.com/bl ... 361201031592244752/

发射前转运中的GSLV-D3火箭

　　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。

GSLV-D3发射轨迹

　　不过随后的消息更为离奇，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60 多千米，当然当时这个消息误导了不少人的分析思路。俄新社则报出发射后304秒坠入大海的笑话，实际情况是上面级发动机发射后304秒点火，而当时印度航 天研究机构(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。

　　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。火箭发动机如果有更高 的比冲，火箭可以以较少的推进剂消耗把同样质量的载荷送入地球轨道，从总体上说，这意味着火箭设计的相对简化。对于上面级来说，则可在第一级箭体不变的情 况下，大幅度提高入轨载荷的质量。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 设计到提出极高的要求，尤其是氢氧发动机，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极大的努力，超低温对材料的影响是其中最主要的障碍之 一。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。

　　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。印度航天研究机构(ISRO)此 时就开始规划新一代运载火箭的发展，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)了。对于PSLV来说，一 方面是所需速度增量较小，另一方面是极地轨道卫星一般质量也不打，氢氧发动机的需求还并不迫切，但是对于发射地球静止轨道的发射而言，这个轨道上所需速度 增量很大，卫星一般是大质量的通讯卫星，氢氧发动机的需求可以说迫在眉睫。尤其是印度本身运载火箭方面基础较差，无力作出大推力的下面级，不可能仿效苏联 质子火箭，使用常温肼类燃料的上面级也小有不错的静止轨道运载能力。

ISRO引进的苏联RD-56/KVD-1低温发动机

　　在上世纪80年代ISRO开始GSLV研制工作的同时，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走完常温发动机研制 的印度来说，似乎过于复杂，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。一般的说，上面级氢氧发动机为了实现更高比 冲会倾向于膨胀循环方式，为了提高可靠性降低成本也倾向于膨胀循环，为了降低设计难度则乐于使用燃气发生器循环设计。使用设计复杂，价格昂贵的分级燃烧方 式，是苏联的首创，RD-56当年还是为了登月的N-1巨型火箭开发的。有趣的是，无论是上世纪70年代设计的RD-56还是它90年代的改进版本RD- 56M，此前都从未进行过实际航天发射。RD-56M卖给印度，未尝没有废物利用兼让印度做小白鼠试验的意思，事实上俄罗斯交付发动机时比冲就未能达标， 重量还超标了，不过对苦于没有氢氧发动机技术的印度航天机构来说，这些都不算什么关键问题。

　　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，毫无疑问，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，这是印俄两国的特别设计。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。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。尽管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，但这个试验时间还是实在有点少。对比下同样 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。至于美欧发达国家，则更为苛刻，美国航天飞机的SSME发动机累计进行了30万秒的地面试车，苏联RD-0120累计试 车时间达到了约20万秒，欧空局火神发动机上天前至少进行了11万秒的地面试车。当然不是没有试车时间较少的，如日本LE-7发动机实际发射前只进行了 15639秒地面试车，不过H-II火箭惨淡的发射记录，侧面证明了投机取巧只会便宜没好货，印度航天研究机构此次发射失败，更是进一步证明了这一点。因 此此次发射失败，GSLV使用CUS的进度被拖后，下一次发射将继续使用俄罗斯进口的RD- 56M发动机。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。

ISRO的国产低温上面级(CUS

)

　　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，设计上进行了补救并通过地面试车进行验证， 加上有一颗备用卫星，于是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，一年内排除点火故 障再次进行发射时间是足够的。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。印度发动机上的赶超并不是很遥远的事情，而是近在眼前的现实，此次印度发射的失败，不过是将时间推 后一年而已。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发动机克服点火的故障并不困难。虽说CUS比我国的YF-75发动机比冲提高有限，但毕竟印度领先了，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。

　　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将不再明显，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。未 雨绸缪及早进行百吨级分级燃烧氢氧发动机的设计工作，是十分必要的。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，而我国缺乏分级燃烧氢氧发动机的设计和工程能力，这个劣势不得不引起注意。现 在美俄日已经有了百吨级的分级燃烧氢氧机，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。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，有什么资格说自己是航天大国呢，难道要自嘲自己是航天大国不是航天强国不成？印 度在航天发展早期，遥感卫星领域计划明确执行有力，技术水平到现在还凌驾于中国之上，已经是中国航天人和航天爱好者难以承受之痛了，希望氢氧发动机上这种 悲剧不会重演吧。

GSAT-4卫星配置了4台Hall电推发动机用作控制

　　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，我们还可以说氢氧发动机本来就具有高比冲，用燃气发生器循环发动机既便宜性能也还不错的话，就像我们现在面对日本LE-7A发动机就是这么说自己的 YF-77的，那么在霍尔发动机等电推发动机上，则是无论如何也绕不过去的敲门砖。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，实在是令人尴尬的事情，遥想2006年珠海航展，XIPS-200电推发动机展出时，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，东方红卫星何时XIP-S200成为销售的标配，实在想不到印度居然会先试验啊。

2006年珠海航展上的XIPS-200，何日飞天？

　　GSLV-D3火箭发射GSAT-4通信卫星失败了，CUS发动机的测试时间很短，测试恐怕也不全面，这种结果其实也算正常。不过这掩饰不了失败背 后，ISRO在航天技术上的大幅度进度。大笔投资进行载人航天这些外表光鲜的项目背后，中国实在是到了应该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于求成失败了，但是作为中国人，总不能将自己的优势建立在印度人运气差上。

本文所有权利归squirrel所有

[ 本帖最后由 zhangjiayuan 于 2010-4-19 03:41 编辑 ]