印度可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃初探

單文杰 代坤 康斯貝（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

長期以來，印度一直將發(fā)展航天技術(shù)視作其提升國家地位和加快科技發(fā)展的重要手段。歷經(jīng)50多年不懈努力，印度在運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈武器等方面取得了巨大成就，已經(jīng)成為了一個新興的航天大國。為實現(xiàn)低成本進(jìn)入太空，印度空間研究組織（ISRO）正在實施雄心勃勃的可重復(fù)使用運(yùn)載器研究計劃。

1 計劃概述

印度空間研究組織表示，印度發(fā)展航天技術(shù)的最終目標(biāo)是建立空間站和星際基地，而發(fā)展單級入軌、水平起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器（SSTO－RLV）和載人航天是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必由之路。目前，印度的航天科技水平正在向?qū)崿F(xiàn)兩級入軌（TSTO）努力，并且在實現(xiàn)兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器（TSTO－RLV）之前，還必須掌握高超聲速再入相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，印度需要研制可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)驗證機(jī)（RLV－TD）來實現(xiàn)這一目的。

根據(jù)上述思路，印度的可重復(fù)使用計劃分為三個階段：第一階段，研制可重使用運(yùn)載器技術(shù)驗證機(jī)，攻克高超聲速再入等關(guān)鍵技術(shù)；第二階段，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研制兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器；第三階段，研制單級入軌、水平起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器。

在航天運(yùn)輸領(lǐng)域，印度“十一五”計劃（2008－2012年）明確提出，完善有效載荷回收和再入技術(shù)，到“十一五”計劃中期完成吸氣式發(fā)動機(jī)驗證機(jī)的研制并進(jìn)行回收試驗；通過兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)驗證飛行，完成可重復(fù)使用運(yùn)載器各個階段的技術(shù)論證任務(wù)；在2025年研制出先進(jìn)的兩級入軌運(yùn)載器。在“十一五”期間，印度在航天運(yùn)輸領(lǐng)域的投資將達(dá)到1363.3億盧比（約合34.08億美元），有力地支撐了可重復(fù)使用計劃相關(guān)研究工作的開展。

印度航天運(yùn)輸規(guī)劃（1998－2030）

2 研究進(jìn)展

目前，印度的可重復(fù)使用運(yùn)載器計劃還處在第一階段。2010年3月，印度空間研究組織稱，已經(jīng)完成RLV－TD的研制工作。RLV－TD外形為翼身組合體，是兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器的第一級的縮比樣機(jī)。

RLV－TD的設(shè)計思想是首先使用已有的技術(shù)，并且將逐漸采用和試驗新技術(shù)。在3～6年的時間內(nèi)，RLV－TD將在節(jié)約經(jīng)費(fèi)的原則下，驗證全尺寸的兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器設(shè)計和研發(fā)全過程所需的關(guān)鍵技術(shù)，從而確定技術(shù)實施途徑。RLV－TD將作為試驗平臺驗證關(guān)鍵技術(shù)，如超聲速飛行、自主著陸、動力巡航、利用吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)超聲速飛行等。

印度兩級入軌可重復(fù)使用運(yùn)載器方案內(nèi)部示意圖

RLV－TD演示驗證試驗

印度發(fā)展可重復(fù)使用技術(shù)由一系列試驗完成。

印度RLV－TD示意圖

試驗一：高超聲速飛行試驗（HEX）。在此次試驗中，印度的衛(wèi)星運(yùn)載火箭－3第一級（被稱作S－9）將用作試驗的助推火箭。助推火箭攜帶RLV－TD飛到要求的高度，釋放RLV－TD后落入大海，RLV－TD入軌。在任務(wù)結(jié)束后，RLV－TD再入大氣層在海上降落，進(jìn)行回收。出于成本考慮，印度維克拉姆-薩拉伯依航天中心宣布RLV－TD首次飛行試驗將不會從海上回收，只是通過遙測，獲得再入、減速和返回的相關(guān)數(shù)據(jù)。按照計劃，RLV－TD首次高超聲速飛行試驗在2010－2011年間進(jìn)行，但2011年6月，印度空間研究組織宣布，該計劃落后于原定進(jìn)度，RLV－TD高超聲速飛行試驗將在2012－2013年間進(jìn)行。

試驗二：超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗（SPEX）。使用超然沖壓發(fā)動機(jī)的可重復(fù)使用運(yùn)載器在一個被稱為“先進(jìn)技術(shù)飛行器”（ATV）的項目完成試驗。2010年3月3日，印度空間研究組織為可重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)演示項目進(jìn)行了第一次無動力超然沖壓發(fā)動機(jī)試驗。先進(jìn)技術(shù)飛行器ATV－D01助推組合質(zhì)量約3t，由火箭在120s內(nèi)推升到46km的高度，整個試驗過程持續(xù)了240s?；鸺破鲾y帶被動式超燃沖壓發(fā)動機(jī)加速到Ma=6，持續(xù)了7s的工作時間。印度空間研究組織稱此次試驗取得了圓滿成功，并將在不久后進(jìn)行ATV－D02試驗。

試驗三：返回飛行試驗（REX）。在這一步，可重復(fù)使用運(yùn)載器將會被發(fā)射入軌，任務(wù)完成后再入大氣層，最終在飛機(jī)跑道上降落。

試驗四：自主著陸試驗（LEX）。這一步主要試驗沒有使用超燃沖壓發(fā)動機(jī)推進(jìn)的可重復(fù)使用運(yùn)載器。火箭助推器工作停止后與可重復(fù)使用運(yùn)載器分離，RLV依靠慣性繼續(xù)無動力爬升。爬升結(jié)束后可重復(fù)使用運(yùn)載器以高超聲速再入大氣層，利用空氣動力減速?？芍貜?fù)使用運(yùn)載器以大約272m/s的速度無動力滑行，進(jìn)一步降低速度，直至水平降落。

3 “艾瓦塔”方案

“艾瓦塔”方案是印度可重復(fù)使用計劃的重要組成部分。1998年5月，印度首次在班加羅爾航空展上公布了該方案。2001年7月，印度退役空軍上校、原印度動力有限公司主席戈帕拉斯瓦米在美國鹽湖城“全球動力推進(jìn)大會”上，介紹了印度可重復(fù)使用計劃方案及其模型。新方案被命名為“吸氣式高超聲速航天運(yùn)輸飛行器”（Avatar，音譯為“艾瓦塔”）。戈帕拉斯瓦米稱，“‘艾瓦塔’設(shè)計思想源自美國蘭德公司1987年的一份出版物，他們把這項研究束之高閣，但對我來說，就是這個不保密的文件，構(gòu)成了我們方案的基礎(chǔ)?！?/p>

“艾瓦塔”可重復(fù)使用運(yùn)載器模型

“艾瓦塔”是一種單級入軌、水平起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器，由印度國防研究與發(fā)展組織、印度空間研究組織等25家研究機(jī)構(gòu)共同研發(fā)?！鞍咚辟|(zhì)量僅25t，利用渦輪風(fēng)扇沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)作動力，水平起飛爬升到巡航高度，此時改用超燃燒沖壓發(fā)動機(jī)。到巡航速度Ma=7時，利用火箭發(fā)動機(jī)加速進(jìn)入軌道。完成任務(wù)后，“艾瓦塔”便脫離軌道，再入大氣層，利用本身的動力降落。在起飛時，“艾瓦塔”只攜帶極少量用于驅(qū)動沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)渦輪所需的液氧?；鸺l(fā)動機(jī)工作時所需的液氧，將由航天飛機(jī)上的一個系統(tǒng)自己制造。該系統(tǒng)在航天飛機(jī)巡航階段能收集空氣并將其液化，分離出其中的液氧，并貯存起來供火箭發(fā)動機(jī)使用。

據(jù)報道，“艾瓦塔”計劃已在兩個技術(shù)領(lǐng)域取得了進(jìn)展：① 1998年3月份，超燃沖壓發(fā)動機(jī)研究組在海得拉巴的印度國防研究與發(fā)展組織實驗室中，第一次用超聲速壓縮空氣使氫燃料點(diǎn)火成功；②1998年4月18日，在班加羅爾的印度科學(xué)院，科學(xué)家們利用渦旋管空氣分離技術(shù)，在模擬飛行條件下制取了液氧。

印度國防研究與發(fā)展組織已批準(zhǔn)了下階段的工作，主要是提高氧的純度和制取更多的液氧。戈帕拉斯瓦米稱，“艾瓦塔”雖然是作為發(fā)射低軌道小型通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星的低風(fēng)險、低成本和可重復(fù)使用運(yùn)載器而提出來的，但去掉火箭發(fā)動機(jī)，它就是一架航空飛機(jī)，能以Ma=7的速度在30km的高空飛行，執(zhí)行天對地打擊、情報搜集、監(jiān)視和偵察等任務(wù)。

4 印度實施可重復(fù)使用計劃的啟示

高度重視技術(shù)演示驗證是印度實施可重復(fù)使用計劃的顯著特點(diǎn)。印度實施可重復(fù)使用研究計劃，面臨技術(shù)難度大、涉及學(xué)科多、成熟技術(shù)少等諸多問題。為此，印度有步驟地開展高超聲速飛行、自主著陸、返回飛行等一系列驗證試驗解決這一難題。

加強(qiáng)國際合作與自主發(fā)展相結(jié)合是印度實施可重復(fù)使用計劃的重要策略。除了國內(nèi)的印度空間研究組織等25家研究機(jī)構(gòu)共同參與可重復(fù)使用研究計劃外，印度還與美國、俄羅斯、歐洲、烏克蘭等國家及國際組織開展國際合作，為其提供相關(guān)技術(shù)、設(shè)備支持。

印度空間計劃之父維克多·山姆說：“有人曾經(jīng)質(zhì)疑，一個發(fā)展中國家發(fā)展空間計劃是否恰當(dāng)，但是我們的意志是堅定的。”可重復(fù)使用計劃只是雄心勃勃的印度航天事業(yè)的一個組成部分，印度將在探索宇宙空間的道路上越走越遠(yuǎn)。