印度有史以來最大火箭「大而無當」？確實處於國際偏低水平

【文/觀察者網專欄作者 殷豈】

6月5日，印度又發射了一枚火箭，這次沒有絢麗的104星，更沒有出現什麼意外，是一次扎紮實實的GTO（地球同步轉移軌道）發射任務。任務載荷也是印度自主研發的GSAT-19E通信衛星，最終將定軌在印度附近的赤道上空，為印度國內提供通信服務。不過這個640噸的大傢伙畢竟是印度有史以來發射的最大重量火箭，所以還是引起了不少關注。

早在2014年12月18日，GSLV MK3就已經進行過第一次發射。不過由於當時配套的芯二級C25的氫氧發動機進度延誤，導致該火箭在首次發射時芯二級位置只是搭載了模擬配重，而不是具有完整功能的C25，因此只進入了亞軌道，並不能算是一次完整的航天發射任務。所以嚴格意義上講，這次的GSLV MK3才是該型火箭第一次真正的發射任務。

從左至右三枚火箭分別為美國的大力神3E，印度的GSLV MK3和歐空局的阿麗亞娜5

GSLV的全稱是Geosynchronous Satellite Launch Vehicle，即「地球同步軌道運載火箭」，顧名思義，印度空間研究組織開發這一系列火箭的主要目的就是發射地球同步軌道衛星。

早期型號的GSLV比如MK2型有一些奇葩的問題存在，比如芯一級使用的是固體火箭發動機，而邊上的幾個助推器則是液體火箭發動機。由於固推普遍比沖較低燃燒時間較短，就發生了一件奇怪的事情：通常來說，火箭器起飛之後最先分離的是先燃燒完燃料的助推器，其次是芯一級，然後芯二級，如果有更多的級數那麼就還會有三級、上面級等等。

GSLV系列火箭MK1和MK2一共進行了11次發射，成功了6次

而GSLV MK2的厲害之處就在於，它的芯一級在起飛237秒後會燃盡，但是此時助推器還有25秒的工作時間，也就是說芯一級在熄火之後會有接近半分鐘不到的時間變成火箭發射過程中的死重，由周圍的四台助推器繼續提供加速度。對於每一分重量都錙銖必較的運載火箭來說，這樣的設計著實不能說是先進的。

不過印度的宇航部門相比其他的軍事和工業部門都要靠譜許多，當GSLV發展到MK3型的時候，在基本結構上就參考了一些非常先進的設計，比如阿麗亞娜5。

因此從火箭的外形結構看，GSLV MK3與歐空局的阿麗亞娜5相似，中間芯級是液體火箭，兩側是固體助推。但是從技術標準上說，GSLV MK3距阿麗亞娜5相去甚遠。印度從俄羅斯引進上面級用氫氧發動機作為技術藍本，在多年開發之後也將將是掌握了小推力氫氧發動機的入門技術，用於GSLV MK3的第三級，而芯一級仍然是使用偏二甲肼的「毒發」（由於偏二甲肼燃料的劇毒性質，因此航天愛好者們通常將使用該種燃料的火箭發動機），和阿麗亞娜5這種芯級使用大推力氫氧發動機的尖端火箭完全沒法比。

當然，如果從芯級使用「毒發」配合固體助推的設計考慮，很容易讓人想到美國在1971年首次發射的大力神3E運載火箭。大力神3E的起飛重量和GSLV MK3基本相似，差不多在640噸。不過這也只是相似，而非完全一致，並且在實際運載能力上，GSLV MK3比大力神3E相去甚遠。

大力神3E運載火箭，2台固推搭配芯一級毒發以及芯級總共3級的設計提供了7噸的GTO運載能力

GSLV的發射任務通常是把載荷送入地球轉移軌道（GTO），在遠地點的軌道圓化工作是衛星自己完成的。所以做運載能力對比時，筆者以GTO運載能力作為標準。根據資料，大力神3E的GTO發射能力是7噸，GSLV MK3在現階段的運載能力是4噸，本次發射的衛星質量實際是3.1噸，還留有不少的載荷餘量。同樣的起飛重量，大力神3E的運載能力多出75%。

說到這裡需要提一下的是，筆者在關注此次印度火箭發射的新聞消息時看到了一種有趣的說法。那就是不要糾結於GSLV MK3的運載能力不足，畢竟其總體結構是非常先進的固液結合，畢竟GSLV MK3的固體助推器是世界第二大的S200，畢竟火箭看上去令人震撼。

這樣的說法筆者並不認同，在人類現階段完全依賴化學火箭發射航天器的背景下，發射上天的每一千克重量都意味著更多的成本。因此運載火箭的各種先進技術應用的服務標準都是以提升運能為目標的，無論是火箭發動機推力和比沖的提升，還是新材料的應用，亦或是更為簡潔卻不失強度的箭體設計，都是希望在一定的重量條件下壓榨出更多的運載能力。所以雖然說以運力來衡量火箭的性能顯得非常簡單，實際卻是最客觀的衡量標準。

GSLV MK3火箭的飛行時序

GSLV MK3運力捉急的原因是多方面的，而且即使採用了時新的固液結合設計和S200這個世界第二粗的固推火箭助推器助陣，也沒有能夠彌補火箭在其他設計上的缺陷。

比如助推器與芯級之間存在結構設計問題，導致S200在燃燒結束15秒之後才能分離，採用類似發射時序的大力神3E的這一數據大約為4秒。兩枚S200助推的空重高達60多噸，也就是說這部分死重在火箭身上多留差不多10秒之後才能順利脫離，這段時間的影響對火箭燃料的應用效率可謂不低，火箭燃料的應用效率最終的直接體現就是載荷能力的大小。

除此之外，GSLV MK3的芯二級，也就是C25部分燃料攜帶量偏低也是影響GTO運載能力的重要原因之一，C25燃料攜帶量偏低的鍋則應該由芯一級的發動機Vikas來背，原因如下：

GSLV MK3的總起飛重量是640噸，兩側助推重量472噸，芯級部分總重約170噸，兩台Vikas發動機能夠提供的總推力只有約160噸。即便芯一級L110在固推熄火之前26秒提前開始工作，當固推分離時通過燃料的消耗已經降低了一部分芯級總重，GSLV MK3在這一階段的飛行仍然面臨推重比將將夠用的局面，因此在這種情況下如果還要加大上面級C25的燃料儲量，甚至使用更大推力的上面級氫氧發動機，那麼勢必會造成火箭在中間段飛行過程中推重比嚴重不足的局面，甚至會影響到發射任務的成功與否。

GSLV MK3後續改進型，芯一級使用更大推力的複雜循環煤油發動機，GTO運載能力提高到6.2噸，但是總體運載效率還是處於國際偏低水平

作為GSLV MK3的研發方，印度空間研究組織（ISRO）也自然清楚這一問題，因此下一階段的改進就包括了芯一級使用印度自主研發的SCE-200複雜循環液氧煤油發動機，根據印度官方的說法，這種發動機能夠提供182噸的海平面推力和200噸的真空推力，那麼就能夠使用更大的上面級C30，最終把GTO提高到6.2噸的水準。雖然只是比目前的4噸多出了2.2噸，考慮到目前國際市場主流同步軌道商業衛星的重量，提高載荷能力後的印度大火箭至少能在商業發射市場上搶一杯羹。

平心而論，作為ISRO的拳頭產品，GSLV MK3確實存在一些技術亮點，包括總體結構思路和大推力的固推都可圈可點，只是印度人不注重細節打磨的生性和糟糕的基礎工業能力拖累了GSLV的最終運載性能，實在是可嘆。

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