印度国产低温上面级研发及应用

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来源 | 高端装备发展研究中心（ID：wwwjixiezbcomcn）

将重达2吨以上的重型卫星发射到地球静止轨道需要一个由低温发动机提供动力的上级。低温技术涉及使用零下183℃的液氧和零下252℃的液态氢。这项技术门槛极高，一度由拥有该技术的五个国家严密保护——美国、俄罗斯、欧洲、中国和日本。2014年，印度成功迈入了这一行列。

一、印度国产低温上面级C-12诞生之路

说起印度低温上面级C-12的诞生，不得不提到印度“地球同步卫星运载火箭”GSLV此前一直离不开的俄罗斯低温发动机技术。印度本土低温发动机的研制始于1986年，当时ISRO刚刚开始研制GSLV火箭。美国、欧洲都想借机在印度身上狠敲一笔。

1987年，通用动力公司提出将其RL-10发动机出售给ISRO用于GSLV，同意将该发动机用于GSLV，并在美国政府批准的情况下转让其在印度生产的技术。考虑到2台RL-108亿美元的天价费用，以及美国政府一旦拒绝技术转移，印度航天即将受制于人的不利局面，ISRO拒绝了这一提议。

1989年，欧洲阿里亚娜空间公司也表示愿意出售2台7吨推力的HM7氢氧发动机，转让技术并在印度建立生产设施，开价12亿美元。这无异于趁火打劫的开价最终也没有谈成。

美欧先进氢氧发动机RL-10（左）和HM-7（右）

于是印度又找到了苏联，苏联可以提供的是当时仍保密的由伊萨耶夫设计局的RD-56氢氧发动机，这是美苏太空争霸竞争中苏联为了登月项目研制的，起始1964年。苏联最初的提供2台发动机并转让技术的报价是2亿美元。

由于首次研发低温发动机的尝试失败，ISRO转而求助苏联/俄罗斯的航天技术。1991年，ISRO与俄罗斯Glavkosmos签订了1.2亿美元（750亿卢比）的合同，供应两台KVD-1（RD- 56）低温发动机并转移其在印度制造的技术。 技术转让（TOT）包括转移图纸，文件和销售用于制造发动机的材料。Glavkosmos还同意在开发和测试C12发动机期间培训ISRO科学家。

KVD-1是俄罗斯唯一的氢氧液体推进剂火箭发动机，已知的资料显示，该型发动机在苏联时期就已经通过了全面的地面测试程序。KVD-1的原型称为RD-56，由伊萨耶夫化学工程设计局（KB Khimmash）于1965年至1972年间开发，用于未来计划版本的重型月球N-1运载火箭的第四阶段。该发动机的台架试验始于1966年KVD-1发动机是一个单室发动机，带有涡轮泵系统，用于输送推进剂；并且性能彪悍，能够加力燃烧，具备俄罗斯所有强大的液体推进剂火箭发动机的设计特征，适合用于低温上面级。

俄制KVD-1发动机

然而美国得知这一消息却以违反导弹技术控制制度（MTCR）为由反对俄罗斯的技术转移，并在1992年5月宣布对印度空间研究组织和俄罗斯Glavkosmos公司实施制裁。1993年7月，在美国的强大压力下，俄罗斯不得不违背此前的合约，以不可抗力为由停止了将技术转移到印度的协议。但是此时印度已经向俄罗斯支付了合同金额的60％，而俄罗斯又已经向印度提供了引擎的图纸和其他已知的部分技术转移服务。因此印度被迫重新谈判合同并自行完成低温发动机的开发。重新谈判的合同仅用于直接销售两台KVD-1发动机。令人满意的是，美国人解除了对Glavkosmos和ISRO的制裁。

在此期间，ISRO没有停下研发的脚步。在泰米尔纳德邦Mahendragiri的液体推进系统中心（LPSC），ISRO加紧研发自己的低温上面级。然而，ISRO的研发之路并非一帆风顺。最大的挑战是开发与低温燃料一起使用所需的特殊合金和高速涡轮机。在液态氢和液态氧的极低温度下，金属会变脆；开发的特殊合金需要新的焊接技术；低温发动机燃油泵需要新型润滑剂……种种困难之下，ISRO艰苦的研发努力很快落后于预计的时间计划（颇具印度风格），威胁到了印度政府的其他太空活动。由于KVD-1衍生物的生产延迟，2001年12月，ISRO与Khrunichev航天中心签订了一项协议，提供另外五台KVD-1发动机。这笔额外购买确保了GSLV发射计划的连续性。五台KVD-1发动机用于GSLV的发射当中。

最终，ISRO开发出了由7.5吨推力的CE-7.5低温发动机，以及由其驱动的低温上面级C-12。据了解，国产化的开发工作得益于根据与俄罗斯签订的原始合同获得的设计图纸和其他信息，以及ISRO工程师在俄罗斯接受的广泛培训。印度空间研究组织与前俄罗斯空间技术人员签约，以协助开发工作。两台KVD-1发动机的直接供应则为ISRO提供了通向KVD-1技术源的渠道。

故此，自1991年开始，俄罗斯一直为印度GSLV火箭提供的低温发动机。印度前后得到了俄罗斯的7台低温发动机并进行发射和研究（笔者猜测为拥有图纸和技术指导下的1:1反向工程）。

2010年4月，ISRO首次测试其国产低温发动机，但低温上面级在点火不足1秒后即出现故障。经过整修的低温上面级原计划于2013年8月进行发射。但由于液体燃料贮箱泄露,导致该次发射任务在火箭点火前2小时被取消。时间推移到了2014年。

C-12上面级

印度国产低温上面级在运载火箭装配大楼被抬起，准备叠放在GSLV-D3火箭上

国产低温上面级CUS-12被装配到GSLV火箭上

失败后的ISRO在2014年初再次踏上征程。2014年1月5日，印度空间研究组织（ISRO）从位于斯里哈里科塔岛的萨迪什·达万航天中心成功发射了装备国产低温发动机的地球同步轨道卫星运载火箭（GSLV）。火箭于印度时间4点18分点火发射，17分钟后，成功地将GSAT-14通信卫星送入地球同步转移轨道。

ISRO时任主席拉达克里希南宣布此次发射任务获得成功。他说：“这表明火箭研制团队已经成熟。”

二、印度空间组织各型上面级简介

1、PS4 上面级

PS4是印度PSLV运载火箭的上面级的官方命名法。作为印度空间研究组织（ISRO）的主力，PSLV能够根据客户要求将卫星发射到不同类型的轨道，如太阳同步极轨道（SSPO），低地球轨道（LEO）和地球同步转移轨道（GTO）。PSLV在上级（PS4）配置方面具有很高的灵活性，可以经济高效地发射不同类型的卫星。其上面级——PS4平台由双液体发动机提供动力，使用液体推进剂MMH + MON-3。PS4引擎在其第29次飞行任务中完成主要目标后进行了试验，并在第35次任务中，两台发动机重新启动，验证了一系列技术。并由此正式具备了太空重启能力。

PSLV液体上面级及其发动机

2、C-12 低温上面级

C-12（Cryogenic Upper Stage）也称CUS-12，是印度GSLV Mk-2运载火箭的上面级。2014年1月5日在GSLV-D5上成功测试并开始启用。该型上面级的低温技术来自俄罗斯。所采用的低温发动机名为CE-7.5。

CE-7.5是由印度空间研究组织开发的低温火箭发动机，用于为其GSLV Mk-2运载火箭的上面级提供动力。该发动机是作为“低温上面级项目”（CUSP）的一部分而开发的。它取代了为GSLV Mk-1的上级提供动力的KVD-1（RD-56）俄罗斯低温发动机。

3、C-25 低温上面级

C-25是印度空间研究组织（ISRO）为GSLV Mk-3（LVM3）研发的最强大的上面级，采用液氧（LOX）和液氢（LH2）推进剂组合。这个级段载有27.8吨装在两个独立贮箱中的推进剂。该低温段的开发具有独特的设计挑战，液体氢储存在-253摄氏度，液态氧储存在-195摄氏度储罐中。 为了储存这些低温流体，为储罐和其他结构提供了特殊的多层绝缘。

测试台架上的C-25上面级

展柜中的CE-20发动机

CE-20是由印度空间研究组织（ISRO）的子公司Liquid Propulsion Systems Center开发的低温火箭发动机。它正在开发中，为GSLV III的上级提供动力。这是第一台采用气体发生器循环的印度低温发动机，也是世界上最强大的低温发动机之一。该发动机可产生200 kN的标称推力，但其操作推力范围在180 kN至220 kN之间，可设置为它们之间的任何固定值。燃烧室以5.05混合比在6MPa下燃烧液态氢和液态氧。发动机的推重比为34.7，真空中的比冲为444秒（4.35公里/秒）。

安装好的CE-20的燃气发生器在测试床上

在级段准备中的C-25上面级

C25低温上面级

C-25上面级组装至火箭结构中

三、印度新一代低温上面级C-25应用情况

目前，印度最强大的运载火箭是GSLV-Mark III。该火箭重640吨，配备两个S200固体捆绑式助推器；一个L110自燃液体燃料芯级——由两台“Vikas-2”发动机驱动；一个C-25液氢/液氧燃料上面级，由一台印度国产低温发动机驱动，即CE-20。对于新型低温上面级的成功应用，ISRO也做了几番测试：

2015年4月28日，ISRO在Mahendragiri的测试了CE-20发动机，并取得了长时间的热测试（635秒）结果。

图为2015年5月29日CE-20的一次测试，因测量异常而被迫终止

2015年7月16日，在ISRO推进综合中心，CE-20成功耐久热测试了800秒。这个持续时间比飞行中的发动机燃烧持续时间大约多25%。

2016年2月19日，在ISRO推进综合中心，CE-20低温发动机再次经过640秒的持续时间测试。

2016年2月19日，CE-20发动机进行热测试

为了在飞行相同条件下测试发动机，ISRO在Mahendragiri的IPRC建立了高海拔测试（HAT）设施。 该设施允许在真空条件下以其全面积比测试CE20发动机。

图为CE-20发动机在HAL设施中

2017年1月25日，印度空间研究组织（ISRO）在泰米尔纳德邦Mahendragiri的ISRO推进综合设施厂（IPRC）成功地对其开发的GSLV MkIII低温上面级C-25进行了静态点火测试。测试阶段的持续时间为50秒，测试结果证明并具有标称性能。

2017年2月17日完成了第二次静态点火试验，飞行持续时间为640秒。该测试证明了发动机性能及其子系统的可靠性，包括推力室、气体发生器、涡轮泵和控制部件的整个持续时间。所有发动机参数都具有标称性能。

2017年2月17日，C-25上面级进行热测试

图为GSLV MkIII火箭正在装配中

2017年6月5日，GSLV-Mark III成功在印度萨迪什·达万航天中心发射升空，火箭搭载多波束通信卫星GSAT-19，成为印度迄今为止发射的推力与载荷量最大的火箭，继美、俄、欧、中、日之后，达到“重型运载火箭”标准。

虽然GSLV-Mark III的运载能力在主流大火箭中排名居末，而且存在很多缺陷，但是不可否认这枚火箭在很多方面的技术是先进的，比如固体捆绑助推器、以及高指标的氢氧上面级发动机等。其运载能力足以发射载人舱，未来将有望用于人类探索太空任务。这次发射在印度航天发射史上具有里程碑意义，也标志着印度结束了无法发射重量超过2.3吨卫星的历史。目前，ISRO正在对GSLV-Mark III存在的各项问题进行解决，力求发挥出该型火箭的最大潜力。

本文转载自微信公众号“高端装备发展研究中心（ID：wwwjixiezbcomcn）”，原标题《印度国产低温上面级研发及应用》

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