LVM3運載火箭

LVM3運載火箭（英文：LVM-3 Launch Vehicle，又名：Geosynchronous Satellite Launch Vehicle Mk Ⅲ，縮寫：GSLV Mk3），是印度研製的新型大推力重型運載火箭。

LVM3運載火箭是印度在GSLV-1和GSLV-2型運載火箭的後續型號，採用了全新設計。該火箭由２個芯級加兩台固體助推火箭捆綁構成的三級火箭，火箭直徑４米、高43.5米、起飛質量640噸，低軌道運載能力可達10噸，地球同步轉移軌道運載能力約4噸。該火箭造價約30億盧比（約合4650萬美元）。

當地時間2022年10月23日0時7分（台北時間23日2時37分），印度使用LVM3運載火箭將36顆通信衛星成功送入預定軌道。這枚火箭在位於印度東南部安得拉邦斯里赫里戈達島的薩蒂什·達萬航天中心發射升空。

基本介紹

• 中文名：LVM3運載火箭
• 外文名：LVM3 Launch Vehicle 
• 別名：GSLV Mk3（GSLV MkⅢ）運載火箭 
• 研製國家：印度
• 火箭類型：地球同步軌道運載火箭
• 火箭總重：640噸
• 火箭級數：3
• 前期型號：GSLV-2型運載火箭
• 首飛時間：2017年6月5日 

研製歷程

歷史背景

1969年8月，印度政府成立了印度空間研究組織（ISRO），並正式開始研製運載火箭。

印度火箭譜系

印度現役運載火箭包括“極軌衛星運載火箭”（PSLV）以及“地球同步衛星運載火箭”（GSLV）。PSLV火箭為四級型運載火箭，地球同步轉移軌道（GTO）運載能力為1.3噸，具備“一箭多星”的發射能力，成功發射過月球和火星軌道探測器。由於受PSLV火箭運載能力的限制，無法滿足印度新的發射需求。

20世紀80年代開始，印度在PSLV火箭的基礎上研製了運載能力更大的GSLV火箭，用於將印度2噸級的“印度衛星”（INSAT）或者國外通信衛星送入地球同步轉移軌道，同時也可執行近地軌道發射任務。

研發進程

前期型號

印度“地球同步衛星運載火箭”LVM（GSLV）包括三種構型，分別為三級型Mk1、Mk2和兩級型Mk3。Mk2與Mk1火箭結構基本相同，但是採用印度自行研製的液氫/液氧低溫上面級CUS12代替俄羅斯的12KRB，並對控制系統進行了改進。

印度LVM3運載火箭

2010年4月15日，GSLV Mk2型運載火箭首次發射，由於低溫上面級故障而宣告飛行失敗。

2014年1月5日，GSLV Mk2型運載火箭再次發射，飛行成功，驗證了印度自行研製的低溫上面級的性能，滿足國內需求並開發國際商業衛星發射市場。

啟動研製

2002年，印度啟動新一代運載火箭LVM3（GSLV Mk3）的研製，GTO運載能力提升至4噸，LEO運載能力提升至10～12噸。Mk3最大的特點是使用比Mk2更大推力的低溫氫氧上面級，採用CE-20低溫發動機。

2014年12月18日，LVM3運載火箭完成首次亞軌道飛行，對火箭助推器、芯一級以及總體相關技術進行了驗證。

2017年6月5日，LVM3-D1運載火箭首飛成功，搭載了地球靜止衛星-19E（GSAT-19E）通信衛星，衛星質量為3.135噸。該火箭後續服務於印度載人航天任務和衛星發射。

2022年10月23日0時7分（印度當地時間），印度使用LVM3運載火箭將36顆通信衛星成功送入預定軌道。該火箭在位於印度東南部安得拉邦斯里赫里戈達島的薩蒂什·達萬航天中心發射升空。印度空間組織說，發射任務成功完成，所有36顆衛星已被送入近地軌道。該次發射有效載荷達5796千克。

系統組成

總體設計

LVM3運載火箭全長43.43米，起飛質量640噸，採用兩級捆綁結構。火箭第一級的芯級為L-110液體發動機推進級，直徑4米，裝有110噸可存儲推進劑。芯運級外側捆綁兩枚S-200固體助推器。上面級採用印度自行研製的C-25氫氧低溫上面級。S-200助推器與芯級採用火工品分離，並利用側推火箭作為分離能源。一、二級分離採用彈簧作為分離能源。整流罩分離採用包帶連線和線性波紋管系統實現。整流罩直徑5米，具有110的有立方米效載荷容積。研製過程中，印度空間研究組織充分利用成熟技術和硬體設施，降低研製難度，在繼承PSLV火箭以及GSLV火箭現有技術基礎上，設計LVM3的總體結構和子系統。

動力系統

• L-110液體芯級

LVM3運載火箭的L-110芯級安裝2台Vikas發動機，採用四氧化二氮/偏二甲肼和水合肼混合物作為推進劑，推進劑質量為110噸，2台Vikas發動機提供1600千牛的推力，工作時間為200秒。L-110芯級結構從下到上為：芯級底部防護罩、燃料貯箱、箱間段、氧化劑貯箱以及1S1/2L段、電子設備所在的1S1/2M段、與S-200助推器相接合的1S1/2U段。L-110的兩個推進劑貯箱為圓柱形的鋁合金硬殼結構，容積均為50立方米。推進劑貯箱採用氦氣增壓。Vikas發動機噴口面積比為31，能夠在偏航軸5°和俯仰軸8°範圍內擺動，實現火箭姿態控制。

• S-200固體助推器

LVM3運載火箭的第一級S-200助推器，直徑為3.2米，真空比沖274秒，最大推力6000千牛。整個助推器分為三段，中段和尾段的長度都超過8米，頭錐長度3米，裝有205噸的複合推進劑（HTPB），額定工作時間130秒。

S-200助推器殼體採用M-250合金鋼，厚度7.7毫米。段間的結合採用成熟可靠的PS-1/GS-1榫槽式連線。頭部防護罩外緣與錐形適配器連線。頭部錐形適配器的半錐角為20°。助推器底部帶有防熱罩。助推器藥柱的配置要滿足動壓及可控性要求，尤其要避免兩助推器推力的不匹配。通過靈敏度分析達到最佳的燃燒室壓力和噴管面積比。S-200的柔性噴管系統允許噴管擺動±7.8°。該系統由5個組件構成，其中彈性密封是關鍵。彈性密封件採用15CDV6特種鋼球形加固墊片和天然橡膠製成的彈性體疊加的結構，平均直徑為1.5米。彈性密封通過低硬度熱防護罩隔離高溫燃氣。助推器作動機構包括40噸動力的電動液壓伺服作動器和液壓氣動驅動裝置，通過S-200附帶的加壓油箱驅動。S-200助推器的推力由頭部連線的球面軸承傳遞到芯級。當固體助推器燃盡時，爆炸螺栓起爆，然後助推器頭部和底部安裝的6枚分離側推火箭工作，使助推器和芯級箭體分離。

• C-25低溫上面級

LVM3運載火箭的C-25上面級攜帶28噸的液氫/液氧推進劑，採用CE-20低溫發動機，真空推力為200千牛，額定工作時間為595秒。CE-20發動機為燃氣發生器循環方式，使用2套增壓渦輪分別驅動液氫/液氧泵，混合比和推力可調。燃燒室採用雙層通道壁結構，利用氫氣實現再生冷卻。CE-20發動機利用電磁作動器實現±4°的擺動。滑行階段利用反作用控制系統實現姿態穩定。C-25上面級有2個直徑4米的獨立鋁合金硬殼貯箱，上方為70立方米的液氫貯箱，下方為20立方米的液氧貯箱。液氫貯箱利用發動機冷卻通道回流的氫氣（溫度160K）進行增壓，液氧貯箱利用氦氣增壓。

測控系統

LVM3運載火箭的箭上電氣系統主要包括遙測系統和控制系統，實現火箭的數據處理、制導控制、遙測跟蹤以及飛行終止等功能。制導控制系統採用雙重冗餘的分散式結構。該系統採用印度自行研製的計算機用於導航解算，設計了統一的匯流排，利用雙匯流排結構實現冗餘。時序控制採用三冗餘設計，降低了誤發指令的風險。慣性系統採用3個斜置的陀螺儀和加速度表，為箭載計算機提供慣性基準以及箭體姿態、位置和速度。箭載計算機根據這些參數計算軌跡以及姿態控制律。

遙測系統採用主數據鏈和冗餘數據鏈結構。S頻段的數據鏈1的數據速率為2兆/秒，當第一級分離後，轉換為1兆/秒。數據鏈2數據速率為1兆/秒，作為冗餘數據鏈。火箭上的參數採用S頻段的發射機傳輸到地面站，其數據包括壓力、溫度、結構振動、聲學特徵以及電子設備監測數據。與制導控制相關的參數由1553B匯流排上的控制單元監測。火箭飛行狀態跟蹤由儀器艙中的雷達應答機實現。為了提高箭體安全控制的可靠性，固體助推器和芯級火箭都採用了雙重冗餘的飛行終止系統。

組裝發射

LVM3運載火箭組裝和發射設施位於薩提斯達瓦航天中心，主要包括固體級組裝廠房、液體級準備廠房（用於L-110級）、綜合技術廠房（用於C-25上面級）、衛星準備設施和火箭總裝廠房。用於發射PSLV/GSLV的第二發射台經改進後用於LVM3的發射。該發射台採用轉運-發射方案，火箭隨發射平台一起轉場，移動發射平台是一個19×19×7米的長方體平台，在平台兩側7.8米處對稱放置2個底座用於支撐S-200助推器。在LVM3組裝階段，第一步先將兩個S-200助推器放置在支撐底座上，然後將L-110芯級垂直放置於移動發射平台上，並使其位於2個S-200助推器中間，之後將組裝好的結構運至火箭總裝廠房。第二步檢查C-25低溫上面級並在火箭總裝廠房完成火箭組裝，最後組裝整流罩與箭體。

LVM3運載火箭

設計參數

發射動態

發射記錄

LVM3運載火箭發射記錄

序號	任務名稱	載荷	起飛時間	目標軌道	發射結果
1	LVM-3/CARE	CARE（載人飛船大氣再入實驗器）	2014年12月18日	亞軌道	首飛成功
2	LVM3（GSLV Mk3）-D1/GSAT-19	GSAT-19通信衛星	2017年6月5日	GTO	成功
3	LVM3（GSLV Mk3）-D2/GSAT-29	GSAT-29通信衛星	2018年11月14日	GTO	成功
4	GSLV-Mk Ⅲ-M1/Chandrayaan-2	月船二號月球探測器	2019年7月22日	TLI	成功
5	LVM3 M2	OneWeb L14-1至L14-36	2022年10月22日	GTO	成功
備註：軌道縮寫對照表： GTO：geostationary transfer orbit，地球同步轉移軌道 TLI：trans-lunar injection，地月轉移軌道

發射任務

2017年6月5日，LVM3-D1/GSAT-19任務中，LVM3將GSAT-19衛星發射升空。

2018年11月14日，LVM3-D2/GSAT-29任務中，LVM3火箭將GSAT-29衛星送入太空。

2019年7月22日，LVM3火箭將印度第二個月球探測器，首個月球著陸器“月船二號”送入地月轉移軌道。

2022年10月23日，印度空間研究組織（ISRO）主席索馬納特在新聞發布會上宣布，印度計畫在2023年6月由LVM3運載火箭發射第三次探月任務“月船3號”（Chandrayaan-3）。

印度LVM3運載火箭發射

技術創新

LVM3運載火箭的成功發射，使印度在技術上有3個方面的進步：

LVM3運載火箭結構示意圖

首次採用大推力固體助推器；首次嘗試液體火箭發動機並聯工作；首次自行研製高技術含量的液氫/液氧發動機。

大推力固體助推器

LVM3運載火箭的2個大型固體助推器，代號為S-200，在PSLV火箭的S-139固體助推器基礎上放大發展而來，其推力突破500噸級。但其燃燒室平均壓強只有4兆帕，導致地面比沖只有227秒，真空比沖也僅有274秒，外加沉重的鋼殼體，總體性能並不出色，但其推力巨大。

液體發動機並聯布局

LVM3運載火箭的第一級L-110使用2台並聯的Vikas液體發動機，是印度首次進行液體發動機並聯的嘗試，更是該火箭的重大技術突破。芯一級與大多數火箭不同的是，它並非在地麵點火，而是發射110秒後在高空點火，由於S-200固體助推器從發射一直工作到130秒，和L-110形成了近似的一二級關係，從而獲得了更高的運載效率。但是與大多數火箭不同的是，S-200固體助推器要在第149秒才分離，無用、沉重的助推器殼體被火箭攜帶飛行將近20秒，嚴重影響了火箭的運載效率。

自研低溫上面級

LVM3運載火箭的低溫上面級代號為C-25，使用印度新研製的CE-20發動機。該發動機使用傳統的燃氣發生器循環，真空推力180~200千牛，比沖達444秒，在首飛前僅完成了2次試車。印度航天技術正在逐漸從國際合作走向獨立自主，GSLV-Mk3完全採用自主技術，典型代表為自主研製的CE-20高性能液氫/液氧發動機。低溫發動機的研製成功將有助於印度擺脫國外依賴，大幅降低發射成本，增加商業市場競爭力。

LVM3運載火箭

總體評價

LVM3運載火箭的研製，印度在動力方面取得了多項突破，其固體助推器的推力達到國際領先，首次自研的低溫發動機比沖高，表明印度固體、液體動力技術發展迅猛。

通過對LVM3運載火箭的綜合分析，印度火箭具有低成本的優勢，其固體助推器採用了鋼殼體，並沒有像美國那樣採用複合材料，雖然結構效率比不上歐美，但一枚火箭4650萬美元的成本在國際市場上仍具有較強的競爭力。因而印度火箭在國際發射市場上活躍，其在2013~2015年完成了包括加拿大、美國、英國、丹麥、法國、德國等9個國家的28顆衛星發射，實現創收約1億美元。

航天技術水平是一個國家綜合國力的重要標誌。印度作為後發成員，展現出了一定的技術實力，雖然其運載火箭綜合水平與世界先進國家還有差距，但是，印度在航天領域的持續投入和取得的成績值得肯定。（《國際太空》 評）

印度LVM3運載火箭研製