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小火箭出品

本文作者：邢强博士

提到印度的航天技术，人们通常会想到他们多快好省的发展思路。总体来说，印度的航天发展经历了3个阶段。从上世纪60年代建设顿巴赤道发射基地同时利用国外技术发射本国卫星，到重点发展遥感卫星，再到突破一箭多星技术并涉足可重复使用的空天运载器，印度航天有着不容小觑的追赶速度。如今的印度，早已渡过了那个用长得像电线杆一般的细长火箭发射小卫星的时代，开始向航天大国的行列迈进。

小火箭在这里要分析的是一款名为PSLV的印度运载火箭。这款火箭从1993年9月20日开始首次尝试发射以来，以发射印度自己的遥感卫星星座、为英国、欧盟、韩国、阿根廷、新加坡、加拿大等国发射卫星等业务逐渐为世界所知。

格林尼治标准时间2015年7月10日17时28分（北京时间2015年7月11 日0时28分），由3颗高分辨率卫星组成的“北京二号”中英联合遥感卫星星座（DMC3）在印度孟加拉湾的斯里赫里戈达岛搭乘印度太空研究机构的极地轨道运载火箭（PSLV）发射升空，并顺利进入预定轨道。这一星座是中国政府核准的第一个民用商业遥感卫星项目，已纳入中国国家民用空间基础设施规划。

也就是说，中国政府核准的首个民用商业遥感卫星项目是由这款印度火箭来进行发射的。PSLV火箭也就从此写入了中国商业航天发展的历史当中。

另外，该火箭还将印度自主研发的火星探测器送入了绕火星的轨道。这款火箭身上有较多可以分析的奇特之处。详见下文分解。

PSLV火箭的由来

首先掌握战略弹道导弹技术然后在此基础上发展运载火箭的思路对于工业技术基础较为薄弱而对卫星需求又极其迫切的印度来说并不合适。与苏、美、中这样的航天强国（或者是正在迈向航天强国的路上）的国家不同，印度航天事业的发展有着自己的特点：他们没有先研发出运载火箭，而是首先造出了卫星。

1963年，印度在顿巴建成了第一个火箭发射台，发射了印度的第一枚探空火箭（仅能亚轨道飞行，不能用来发射卫星）。1975年4月19日，印度研制出了第一颗自己的人造地球卫星，并借用了苏联的火箭发射成功。

但是，印度人很快就发现，借别人家的火箭来发射自己的卫星终归不是办法。印度共和国（भारत गणराज्य）是南亚印度次大陆上的一个国家，其土地面积排名全球第7大，人口数量全球第2多。

印度东部有肥沃的平原，阿萨姆邦 有着世界上最大的平均年降水量；西部的拉贾斯坦邦则比较干旱，塔尔沙漠，这个岩石和沙尘混合的沙漠是世界第18大沙漠，同时也是亚洲第3大沙漠；南方热带雨林密布，而北方则临近终年积雪的喜马拉雅山脉。

因此，印度认为自己特别需要性能优异的遥感卫星来了解自己的国土资源和地理地貌。而且，重点是遥感卫星的数量要足够。既然有这么大的需求，那么当然就会有足够的动力来开发一款特别适合用来发射遥感卫星的火箭了。

“印度太空研究组织”有1.68万人，具备研发、制造和发射运载火箭、人造卫星的技术，并且拥有较为完善的航天基础设施。从上世纪70年代开始预研，到上世纪80年代立项，再到上世纪90年代首发，PSLV火箭在150多家印度科研院所的通力合作下，研制成功。

PSLV火箭的总体设计

PSLV火箭的全称是Polar Satellite Launch Vehicle，按照名称直译应该是：极轨卫星运载器。该火箭全高44米，芯级直径2.8米，其-G型号的发射质量为295吨，-CA型号的发射质量为230吨，-XL型号的发射质量为320吨。

该火箭为一枚4级火箭，其近地轨道运载能力为3.25吨，太阳同步轨道运载能力为1.75吨。

PSLV的助推器

这枚PSLV火箭采用了捆绑式固体助推器。其中，-G型号采用6枚HTPB装药的固体火箭发动机，每枚装药9吨。-XL型号采用6枚HTPB装药的固体火箭发动机，每枚装药12吨。-CA型号为光杆型，不捆绑助推器。咦？不是说PSLV的助推器捆绑了6枚么？怎么在上面这样照片里，数了数，一侧是3大1小，另一侧如果是对称的话，岂不是应该有8枚固发助推？其实不是的。小的那个并不是助推器（仔细看的话，会发现小的下面并没有长得像助推器喷口的装置），其功能，见下文详述。

芯一级与助推器（#2助推器和#6助推器）

垂直吊装助推器

端羟基聚丁二烯（Hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB)）是一种丁二烯聚合物，两端各有一个羟基官能团，属于多羟基聚合物类。在很多种火箭和导弹（尤其是公路机动导弹或者潜射导弹上），HTPB得到了大量应用。

通过调节助推器的数量和类型，PSLV火箭可以对其运载能力进行一定程度上的调整。

正在进行垂直吊装的一枚PSLV火箭的助推器。为了确保固体助推器壳体在工作时候的热环境，PSLV的HTPB装药被包裹在一层厚厚的沥青中。

正在躺着进行同轴度测试的PSLV火箭助推器。注意其偏转的喷口。

PSLV的第一级

跟常见的较大推力的火箭不同，印度的这款PSLV火箭的芯一级居然采用了固体火箭发动机！这种独特的设计使得印度的这款火箭摆脱了对大推力液体火箭发动机技术的依赖。嗯。。。也同时逼迫他们把固体火箭发动机的技术潜力几乎榨取到了他们能够达到的极限。

486吨的单台真空推力！105秒的工作时间！5段式燃烧设计！印度PSLV火箭的一级固体火箭发动机蛮拼的。

MS1 901 ，这是PSLV运载火箭芯一级固体火箭发动机的5段中的其中一段。注意其HTPB推进剂的型面和多段固体火箭的连接方式。另外还要注意印度工程师踮起脚的下蹲姿势。

那么问题又来了：PSLV系列火箭，最大的起飞质量不过是320吨，仅仅芯一级的推力就486吨了，为什么还需要助推器？单台助推器的推力为50吨，如果把6台助推器和芯一级的推力加起来，总推力为786吨，即使考虑到海平面情况，其推力也是700吨量级。这么大的推力岂不是远远超过PSLV的起飞需要？印度火箭设计师们难道不怕把载荷推坏么？其实，6台助推器并不是同时点火的。他们采用了接力式的工作方式：发射的时候，PSLV火箭的芯一级先点火，同时点火的是其中2台助推器，然后是另外2台助推器，等到火箭飞到高空之后，最后剩下的2台助推器再点火，进行接力工作，而此时芯一级的推力已经没有那么强大了。

印度PSLV火箭捆绑的2个小的圆柱体实际上是用来给火箭调整姿态的。（总不能让固发的喷管也摆来摆去的吧！）为了让固体火箭芯一级和一堆固体助推器捆起来的火箭能够稳定飞行姿态，并按需要调整飞行方向，印度设计师们在一级火箭上下了一番苦功夫，硬是在第一级和助推器上安装了整套可以用来调整火箭俯仰、偏航和滚转的系统。这种RCS系统实际上在其他国家通常用在反导导弹和多弹头分导导弹的空间载具上面。（有关战略导弹的多弹头的技术，详见小火箭的微信公众号文章：《战略导弹多弹头技术的由来与发展》，微信ID:  ixiaohuiojian）

用于一级姿态控制的高压氮气储存在2个球冠圆柱的铝合金罐子里。

严格来说，6台助推器和芯一级的点火和分离的时刻有着这样的逻辑：

T：芯一级点火时刻；

T+0.42秒：1号和2号助推器点火；

T+0.62秒：3号和4号助推器点火；

T+25秒：5号和6号助推器点火；

T+1分9.9秒：1号和2号助推器分离；

T+1分10.1秒：3号和4号助推器分离；

T+1分32.0秒：5号和6号助推器分离；

T+1分50.18秒：芯一级分离。

PSLV的第二级

小火箭猜到了，你可能此时正对如此长的一个一二级的级间段表示感慨。没办法，看到下面那张二级火箭发动机喷管特写的照片就会理解了。的确，PSLV火箭在紧凑性方面需要改进的空间还很大。

正在吊装中的PSLV火箭的第二级。第二级全长12.8米，直径2.8米，总重46吨，采用一台Vikas液体火箭发动机，推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮。液体燃料储箱用铝合金制成，箱内用于防止燃料滚动的，还是沥青。

Vikas火箭发动机的燃烧室压力为5.85MPa，推力79.9吨，比冲293秒，其性能在所有的常温推进剂液体火箭发动机中，算是中规中矩。

正在厂房中进行装配的PSLV第二级火箭

从这张照片中看到看出第二级和第一级的大小关系。

PSLV的第三级

通常来说，运载火箭的第三级会选用液氢液氧发动机，因为第三级或者说上面级将起到太空摆渡车的作用，对于在真空环境中的持续工作和多次重复启动的要求非常高。

然而，PSLV火箭将会用什么样的发动机呢？当当当当！！！还是固体火箭发动机！

印度设计师对固体火箭发动机的青睐让小火箭瞠目结舌。

PSLV火箭第三级采用HTPB固体推进剂，其结构部件大量采用了凯夫拉纤维。第三级上面的姿态控制系统的能力较为有限，摆角仅为±2°，而且只能控制偏航和俯仰两个方向。滚转方向怎么控制呢？别着急，上面不是还有第四级么。第三级干脆就没有设计滚转控制系统，而是借用了第四级的RCS系统进行滚转控制。嗯，有点儿省事。

PSLV的第四级

作为一款神奇的火箭，又怎么能少了第四级呢！

PSLV火箭第四级采用两台常温液体推进剂火箭发动机，推力为1.46吨。第四级总长2.6米，直径2.02米。环形平台上安置着PSLV的大脑：弹载计算机。

PSLV火箭的整流罩内部的样子。

PSLV的典型弹道

格林尼治标准时间2015年7月10日17时28分，由3颗高分辨率卫星组成的“北京二号”遥感卫星星座（DMC3）在印度孟加拉湾的斯里赫里戈达岛搭乘印度太空研究机构的极地轨道运载火箭（PSLV）发射升空，并顺利进入预定轨道。这一星座是中国政府核准的第一个民用商业遥感卫星项目，已纳入中国国家民用空间基础设施规划。参与合作设计制造三颗DMC-3型卫星的萨里卫星科技有限公司（SSTL）表示，卫星被中国的二十一世纪空间技术有限公司（21AT）租用七年，并将用于中国各地包括环保监控在内的遥感勘测任务。

北京二号星座系统设计寿命7年，由三颗1米全色、4米多光谱的光学遥感卫星组成，可提供覆盖全球、空间和时间分辨率俱佳的遥感卫星数据和空间信息产品。这次由3颗卫星组成的DMC3星座所发回的数据可以在土地利用、地质调查、流域水资源调查、洪涝灾害、冬小麦播种面积监测、森林类型识别、城市规划监测和考古等方面得以广泛应用。

小火箭正好借助这次一箭5星的发射（3颗DMC3卫星，各自重447kg；1颗CBNT-1卫星，重91kg，1颗DeOrbitSail卫星，重7kg），通过表格的方式来展示PSLV火箭的典型弹道特征点。

不知道你有没有注意到，在0时刻，火箭本身已经有了452米/秒的速度了。这是怎么回事呢？火箭还没点火就已经超声速了？其实，在计算弹道的时候，小火箭采用的是惯性坐标系。这个速度本身叠加了地球自转的线速度。在赤道上，地球自转线速度约为466米/秒，随着纬度的增加，线速度逐渐减小，这也就是发射场靠近赤道越近越有利于提升载荷能力的原因。

在印度萨迪什·达万航天中心北纬13° 43′ 12″ 的发射架上，火箭在尚未点火的时候，就拥有了452米/秒的相对于惯性空间的速度了。

PSLV发射印度火星探测器

苏联、美国、欧空局都分别将火星探测器送上过绕火星的轨道，甚至做到了在火星表面软着陆。但是，唯独印度，至今保留着探测火星的100%的成功率：印度是第一个首次尝试就成功将探测器送上绕火星轨道的国家。

火星轨道探测器于印度标准时间2013年11月5日2:38 PM（9:08 UTC）在位于斯里赫里戈达岛的萨迪什·达万航天中心一号发射台以 PSLV-XL C25 型火箭发射。2013年11月30日 19:19 UTC，火星轨道探测器发动机开动23分钟进入霍曼转移轨道，离开地球轨道而进入飞向火星的日心轨道。2014年9月24日，火星轨道探测器成功进入火星轨道。

印度的ISRO于是成了继俄罗斯RSA、美国NASA、欧洲ESA之后第4个成功完成了探索火星任务的太空机构。

印度设计的探测火星轨道

当知道这枚火箭正在执行探测火星的任务时，是不是会对印度的航天有着不一样的认识呢？噢，另外值得一提的是，印度的火星探测任务，单次预算只有美国的十分之一。（7400万美元）

PSLV一箭20星

2015年9月20日07时01分14.331秒，“长征”6号运载火箭在太原卫星发射中心成功点火发射，将20颗卫星送入太空，成为中国航天新一代“长征”系列运载火箭的首发型号。

2016年6月22日03时56分，印度PSLV运载火箭在萨迪什·达万航天中心成功点火发射，也将20颗卫星（1颗Cartosat-2C + 3 颗小型卫星 + 2 颗微型卫星 +14 颗纳米卫星 = 20 颗卫星）送入太空，追平了中国在去年创造的亚洲纪录。

印度遥感卫星拍摄的画面

总体说来，印度的PSLV运载火箭36次发射，34次成功。

在这些发射任务中，印度逐步搭建成了印度自己的区域导航系统。

2008年10月22日，这款PSLV火箭发射了印度首颗国产月球探测器。

2015年7月10日，印度PSLV运载火箭搭载了3颗英国卫星，而这些卫星就是中国公司与英国方面合作的北京二号星座。

2015年9月28日，印度PSLV运载火箭首次承接美国卫星发射任务，一次发射了4枚美国卫星，同时搭载的还有1颗1.65吨重的印度国产多波段空间望远镜，1颗印度尼西亚卫星，还有1颗加拿大卫星。

曾在2008年以一箭10星创造了亚洲一箭多星发射纪录的PSLV如今追平了中国在2015年创造的一箭20星的新纪录。

PSLV夜间发射的样子，这枚火箭里面携带了印度的导航卫星。感谢你与小火箭一起对印度PSLV火箭进行分析。印度人的这枚火箭，以奇特的配置：固体助推器+芯一级固体火箭+二级液体火箭+三级固体火箭+四级液体火箭，为印度航天技术的追赶以及印度为全人类太空探索事业的贡献提供了一个可堪使用的平台。虽然从总体设计的角度来看，该火箭的效率还有待提高，但是印度设计师在客观条件有限的情况下，通过大量有趣的设计（沥青隔热、沥青防晃、弹簧分离机构、芯一级固发、上面级固发等），居然实现了遥感卫星星座建设、导航星座搭建、探测月球、探测火星等任务。

PSLV运载火箭的整流罩。上面有印度国旗和印度国徽。

印度国徽为4只狮子站在基座上，各面一个方向。基座上有一头象、一只狮子、一头牛和一匹马 （但在二维空间的画面中，我们只能看到3只狮子还有牛和马）。下方以天城体书有印度的国家格言：“唯真理必胜”。

PSLV的整流罩从中间打开。注意印度工程师设计的工装和他们的布线风格。

简单实用的卫星台架

总装厂房内的PSLV运载火箭

刚刚从总装厂房中出来的PSLV运载火箭。小火箭能够看到，离咱们比较近的3台固体火箭助推器，从左到右依次为#1助推器、#5助推器和#3助推器。

正在进行垂直转运的PSLV火箭。转运平台架设在两条轨道上。

PSLV火箭矗立在萨迪什·达万航天中心的一号发射架上。注意，脐带塔上的环抱装置对应着助推器顶端、二三级结合段和整流罩载荷段。

如今在国际商业火箭市场上，印度PSLV火箭的超低发射价格与目前来看还不错的发射成功率（从1999年以来就没有失败过）形成了一定的竞争力。不过，大推力液氧煤油发动机、液氢液氧发动机等技术是绕不过去的，印度的运载火箭何时会拥有这样的发动机，是通过国际合作的形式购买还是自主研发的道路拥有，尚需我们拭目以待。

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