蘇晗 汪芊芊 李操(北京宇航系統(tǒng)工程研究所)
2023 年5 月25 日,韓國(guó)首枚自主研制的世界號(hào)(KSLV-2,也稱Nuri)運(yùn)載火箭第三次發(fā)射升空,成功將任務(wù)載荷送入預(yù)定軌道。作為KSLV-2 運(yùn)載火箭的首次常態(tài)化應(yīng)用發(fā)射任務(wù),取得成功的結(jié)果對(duì)于正在積極謀求世界航天大國(guó)地位的韓國(guó)來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023 年5 月25 日,韓國(guó)KSLV-2 運(yùn)載火箭從位于南部海岸的羅老航天中心發(fā)射升空,并將8 顆衛(wèi)星送入550km 高度的太陽(yáng)同步軌道,任務(wù)載荷由1 顆新一代衛(wèi)星-2(NEXTSat-2)主星和7 顆微小衛(wèi)星組成。
KSLV-2 運(yùn)載火箭在羅老航天中心點(diǎn)火起飛后依次經(jīng)歷一級(jí)分離(125s)、整流罩分離(234s)、二級(jí)分離(275s)、主星分離(783s)、搭載衛(wèi)星分離等時(shí)序動(dòng)作。KSLV-2 第三次發(fā)射過(guò)程如圖1所示。
圖1 KSLV-2 第三次發(fā)射任務(wù)過(guò)程圖
本次發(fā)射任務(wù)有效載荷為1 顆新一代衛(wèi)星-2 和7顆微小衛(wèi)星(分別見(jiàn)圖2 和圖3)。新一代衛(wèi)星-2 是一顆合成孔徑雷達(dá)(SAR)地球觀測(cè)衛(wèi)星,主要用于對(duì)地遙感觀測(cè)、宇宙射線觀測(cè)、太空技術(shù)驗(yàn)證等,由人造衛(wèi)星研究所(KAIST)研制,質(zhì)量為179.9kg,設(shè)計(jì)壽命2 年。其余微小衛(wèi)星質(zhì)量為4~10kg,設(shè)計(jì)壽命0.5~1 年,主要用于空間觀測(cè)等任務(wù)。
圖2 新一代衛(wèi)星-2 外觀圖
圖3 7 顆微小衛(wèi)星外觀圖
20 世紀(jì)90 年代,韓國(guó)通過(guò)探空火箭的早期探索積累了運(yùn)載火箭研制相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。2002 年,韓國(guó)航空航天研究所(KARI)啟動(dòng)“韓國(guó)航天運(yùn)載火箭”(KSLV)的研制計(jì)劃,并于2009 年發(fā)射了該計(jì)劃的首枚運(yùn)載火箭——羅老號(hào)(KSLV-1,也稱Naro)。2013 年開(kāi)始,KARI 開(kāi)始著手研制新型的KSLV-2 運(yùn)載火箭,并于2021 年10 月完成首次試射。
“韓國(guó)探空火箭”(KSR)系列是韓國(guó)在20 世紀(jì)90 年代發(fā)展的探空火箭,主要目的是在正式開(kāi)展入軌級(jí)運(yùn)載火箭研發(fā)前,提前驗(yàn)證已掌握的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、復(fù)合材料推進(jìn)劑貯箱、推力矢量控制、低溫地面支持設(shè)施、箭上電子通信系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。
1993 年,韓國(guó)發(fā)射了兩枚單級(jí)固體探空火箭KSR-1,飛行高度約40km;1997-1998 年,韓國(guó)先后發(fā)射了兩枚二級(jí)固體探空火箭KSR-2,飛行高度超過(guò)了120km;2002 年11 月,韓國(guó)研制的KSR-3單級(jí)液體探空火箭試射成功,飛行高度約為80km。KSR-3 是韓國(guó)第一枚采用液體推進(jìn)劑的火箭,采用了一款擠壓循環(huán)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),成為了韓國(guó)液體火箭研制的起點(diǎn)。KSR-1~3 火箭發(fā)射圖如圖4 所示。
圖4 “韓國(guó)探空火箭”發(fā)射
在KSR 探空火箭的幾次成功發(fā)射后,韓國(guó)認(rèn)為其已初步掌握了運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)技術(shù),因此在2003 年啟動(dòng)了KSLV-1 火箭的研發(fā)工作,目標(biāo)是能夠?qū)?00kg 有效載荷送入高度300km 的近地軌道。然而韓國(guó)在動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)方面出現(xiàn)瓶頸,無(wú)論是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)還是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī),推力基本在80~120kN,遠(yuǎn)不能滿足入軌發(fā)射需求,因此韓國(guó)KARI 與俄羅斯合作,引進(jìn)了俄羅斯動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體的安加拉系列火箭通用火箭模塊,采用RD-151 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為KSLV-1 火箭第一級(jí)的動(dòng)力裝置,第二級(jí)動(dòng)力裝置基本沿用KSR-2 探空火箭的固體發(fā)動(dòng)機(jī)。
KSLV-1 火箭一級(jí)使用的RD-151 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)是俄羅斯RD-191 發(fā)動(dòng)機(jī)的降推力版本,而RD-191 發(fā)動(dòng)機(jī)是在RD-170 四燃燒室液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上將燃燒室數(shù)量減為一個(gè),并重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)主渦輪泵單元等組件而來(lái)。RD-191 發(fā)動(dòng)機(jī)采用富氧分級(jí)循環(huán),真空推力1920kN,真空比沖337s;韓國(guó)KSLV-1 火箭一級(jí)RD-151 發(fā)動(dòng)機(jī)推力約1670kN。
KSLV-1 火箭分別于2009 年8 月和2010 年6月進(jìn)行第一次和第二次發(fā)射,但都以失敗告終。在首飛過(guò)程中由于整流罩分離裝置存在結(jié)構(gòu)缺陷和電路設(shè)計(jì)問(wèn)題,導(dǎo)致火箭升空后未能將有效載荷送入預(yù)定軌道。在第二次發(fā)射中,火箭升空兩分鐘后與地面失去聯(lián)系,隨后爆炸墜毀,韓國(guó)專家認(rèn)為事故是由第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常引起的。
經(jīng)歷兩次失利后,KSLV-1 火箭原計(jì)劃于2012年10 月進(jìn)行第三次試射,但在發(fā)射場(chǎng)將火箭第一級(jí)對(duì)接到發(fā)射臺(tái)時(shí),發(fā)現(xiàn)密封用橡膠圈破損,由于第一級(jí)箭體由俄羅斯集成配套,只能將有問(wèn)題的橡膠圈運(yùn)回俄羅斯查找破損原因,發(fā)射計(jì)劃推遲。一個(gè)月后,KSLV-1 火箭再次準(zhǔn)備發(fā)射,但是在檢查過(guò)程中又發(fā)現(xiàn)第二級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的電力推力矢量控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常,發(fā)射計(jì)劃再次推遲。直到2013 年1 月,KSLV-1 火箭才完成發(fā)射并取得成功,將100kg 有效載荷送入近地軌道,這也是其唯一一次成功發(fā)射。
2013 年11 月,韓國(guó)未來(lái)創(chuàng)造科學(xué)部(MSIP)制定了《宇宙開(kāi)發(fā)中長(zhǎng)期計(jì)劃(2014-2040)》,著重強(qiáng)調(diào)要通過(guò)研發(fā)韓國(guó)本土型運(yùn)載火箭確保自主發(fā)射能力,力爭(zhēng)獲得先進(jìn)國(guó)家水平的太空開(kāi)發(fā)能力。同年,KARI 啟動(dòng)了新型運(yùn)載火箭KSLV-2 的研制,在2010 年3 月到2015 年7 月的第一個(gè)研究階段中,進(jìn)行了7t 級(jí)真空液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的地面測(cè)試;在2015 年8 月到2018 年3 月的第二個(gè)階段中,進(jìn)行了75t 級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒實(shí)驗(yàn);第三個(gè)階段中,于2018 年11 月利用子級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)箭(TLV)進(jìn)行了一次子級(jí)模塊驗(yàn)證飛行試驗(yàn),KRE-075 發(fā)動(dòng)機(jī)工作了151s,將TLV 送入209km 高空,最后在濟(jì)州島東南429km 的太平洋上濺落,參加本次試驗(yàn)的產(chǎn)品為KSLV-2 火箭完整二子級(jí)+配重三子級(jí),全面考核驗(yàn)證了電氣系統(tǒng)及以KRE-075 發(fā)動(dòng)機(jī)為重點(diǎn)的動(dòng)力系統(tǒng)。KSLV-2 火箭子級(jí)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)如圖5 所示。
圖5 KSLV-2 火箭子級(jí)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)
KSLV-2 火箭的設(shè)計(jì)基本保持了通用化和模塊化的特點(diǎn),第一級(jí)和第二級(jí)采用了相同的KRE-075開(kāi)式循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),區(qū)別是第二級(jí)的KRE-075 具有更大的擴(kuò)張噴管;三級(jí)KRE-007 發(fā)動(dòng)機(jī)也延續(xù)了一二級(jí)KRE-075 發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),采用相同的循環(huán)方式并共享設(shè)計(jì)制造技術(shù)。以發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的關(guān)鍵單機(jī)采用產(chǎn)品化、模塊化的研制思路,可以最大限度共享研制成果,從而提高研制效率、加快研制進(jìn)度、降低研制成本。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021 年10 月21 日,韓國(guó)自主研發(fā)的KSLV-2 運(yùn)載火箭在羅老航天中心進(jìn)行了首次發(fā)射,本次發(fā)射計(jì)劃將質(zhì)量為1.5t 的模擬載荷送入高度700km 的太陽(yáng)同步軌道(SSO)。本次任務(wù)KSLV-2 火箭3 個(gè)子級(jí)均成功點(diǎn)火且順利完成分離等時(shí)序,載荷在發(fā)射后約15min 完成分離。起飛約1h 后,時(shí)任韓國(guó)總統(tǒng)文在寅宣布,盡管KSLV-2 完成了所有飛行程序,但未能將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道,首次發(fā)射失敗。
KARI 官方公布其失敗原因是三子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)導(dǎo)致。該問(wèn)題的主要原因是在貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師只考慮了罐體在靜載荷下的強(qiáng)度,未考慮火箭加速階段不同載荷及推力作用下的共振與過(guò)載問(wèn)題。為了避免問(wèn)題重復(fù)發(fā)生,設(shè)計(jì)人員對(duì)氦氣瓶下部的固定裝置進(jìn)行加固,增加其承載能力和環(huán)境適應(yīng)性。
截至2023 年11 月,KSLV-2 運(yùn)載火箭共完成3 次發(fā)射任務(wù),首飛失利后的2 次發(fā)射連續(xù)成功,使韓國(guó)成為繼俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)、日本和印度之后第7 個(gè)具備將超過(guò)1t 載荷發(fā)射入軌能力的國(guó)家。
《宇宙開(kāi)發(fā)中長(zhǎng)期計(jì)劃(2014-2040)》中還提出,要在2030 年前利用自主研發(fā)的運(yùn)載火箭發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星、月球著陸器和采樣返回器、火星探測(cè)器和著陸器;并且要在2040 年前推進(jìn)小行星探測(cè)、開(kāi)展空間站建設(shè)、發(fā)射載人太空運(yùn)輸船。
針對(duì)地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)3t 的運(yùn)載能力需求,KARI 提出了兩種KSLV-3 的方案:第一種方案為三級(jí)半構(gòu)型,在第一級(jí)安裝4 臺(tái)90t 級(jí)的KRE-090 發(fā)動(dòng)機(jī),4 個(gè)助推器各配備1 臺(tái)KRE-090發(fā)動(dòng)機(jī);第二級(jí)采用真空版KRE-090 發(fā)動(dòng)機(jī);第三級(jí)采用新型KRE-010V 富氧分級(jí)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。第二種方案采用兩級(jí)構(gòu)型,取消助推器設(shè)計(jì)的同時(shí)加大一級(jí)直徑,安裝9 臺(tái)90t 級(jí)的KRE-090 發(fā)動(dòng)機(jī)。兩種方案在動(dòng)力系統(tǒng)特別是一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)方面均有一定的繼承性,預(yù)計(jì)將大幅壓縮整體研制難度。
可重復(fù)使用運(yùn)載火箭方面,韓國(guó)也規(guī)劃了明確的發(fā)展路線:對(duì)KSLV-2 運(yùn)載火箭進(jìn)行可重復(fù)使用改進(jìn),主要方案為一級(jí)安裝5 臺(tái)88t 級(jí)KRE-088 可重復(fù)使用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),采用“十”字布局,周圍4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)具備單向擺動(dòng)能力,中心1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)具備雙向擺動(dòng)能力,具有40%的節(jié)流能力。
超重型運(yùn)載火箭方面,KARI 在2018 年提到一款名為KSLV-4 的重型運(yùn)載火箭將很快進(jìn)入論證發(fā)展階段。采用芯一級(jí)并聯(lián)捆綁構(gòu)型(CBC),芯一級(jí)和助推級(jí)分別裝有9 臺(tái)95t 級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),芯級(jí)的第二級(jí)為4 臺(tái)7t 級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),整箭高為47m,芯級(jí)直徑為4.4m,起飛質(zhì)量約為2200t,近地軌道(LEO)運(yùn)載能力為64t,地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)載能力為14t。
KSLV-2 運(yùn)載火箭作為一款三級(jí)低溫液體運(yùn)載火箭,低軌運(yùn)載能力約2~3t,太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力宣稱可達(dá)1.5t,性能水平介于我國(guó)長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭和長(zhǎng)征二號(hào)系列運(yùn)載火箭之間。除采用無(wú)毒無(wú)污染的液氧煤油推進(jìn)劑、在環(huán)境友好性方面具有一定的先進(jìn)性外,動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和總體構(gòu)型設(shè)計(jì)指標(biāo)均較為落后。盡管如此,從韓國(guó)運(yùn)載火箭獨(dú)立自主的研制路線、充分的地面試驗(yàn)以及清晰務(wù)實(shí)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃來(lái)看,目前韓國(guó)運(yùn)載火箭領(lǐng)域已經(jīng)走過(guò)了曲折的探索歷程,KSLV-2 運(yùn)載火箭的連續(xù)成功帶來(lái)了曙光,未來(lái)可期。
KSLV-2 運(yùn)載火箭首飛失利的原因最終定位為三級(jí)液氧貯箱內(nèi)的氦氣瓶在上升過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境作用下固定松脫,導(dǎo)致引發(fā)一連串災(zāi)難性后果。值得注意的是,早在2015 年,太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的獵鷹-9(Falcon-9)火箭執(zhí)行CRS-7 任務(wù)時(shí)空中解體,其故障原因就定位于浸泡在二級(jí)氧箱中的氦氣瓶直接斷裂,導(dǎo)致氦氣瓶脫離原有位置并與箱頂碰撞,氦氣泄漏最終導(dǎo)致氧箱過(guò)壓爆炸。兩起事故的發(fā)生機(jī)理幾乎相同,韓方未對(duì)SpaceX 公司的故障進(jìn)行充分的舉一反三,只能接受首飛失利的結(jié)果。因此,用好“前車之鑒”、做好質(zhì)量問(wèn)題的舉一反三是取勝之匙。
運(yùn)載火箭技術(shù)是一個(gè)國(guó)家進(jìn)出空間能力的體現(xiàn),同時(shí)也是國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和遠(yuǎn)程投擲能力的一種顯示。韓國(guó)在運(yùn)載火箭研制發(fā)射方面逐步走上正軌,對(duì)同處朝鮮半島的鄰國(guó)朝鮮釋放出刺激信號(hào),朝鮮在2023 年頻繁試射其新型液體運(yùn)載火箭千里馬-1(Chollima-1)。預(yù)計(jì)雙方將開(kāi)展一輪新的軍備競(jìng)賽,在半島問(wèn)題上開(kāi)展多輪博弈互動(dòng),不斷影響著朝鮮半島局勢(shì)穩(wěn)定與和平。