绝不放弃的火箭雄心

文/ 松堂

韩国经济的“汉江奇迹”是从引进西方技术起步，航天技术的发展也无法脱离这样的桎梏。但西方对韩国的技术转让有相当大的偏重，卫星技术方面的合作与转让比较宽松，火箭技术转让却极为苛刻。这在很大程度上是为了避免韩国研制出射程太远的弹道导弹，从而刺激到周边国家。

但是韩国绝不肯放弃。1989年，韩国成立了国家航空航天研究所，简称KARI。它是负责航空航天研究和开发的政府研究机构，还包括促进与工业界和大学的合作。到2011年，KARI的规模已经超过700人。自成立以来，KARI一直在设法研制运载火箭。按照这家机构的说法，火箭研发的目的是纯粹的科学和民用，但这种话也就是说说而已，至少韩国运载火箭承担着发射军用卫星的重大期望。

▲ 比较矮的模型是KSLV- I火箭模型

从KSR-I火箭起步

早在1993年，韩国就发射了单级固体火箭KSR-I。1997年和1998年，韩国又先后发射了二级固体火箭KSRII。这两代火箭的主要任务目标都是观测平流层和臭氧层。此后韩国研制了KSR-III液体推进剂火箭，KSR-III是韩国第一枚使用液体推进剂的火箭，于2003年发射。从KSR-III开始，韩国走上了低温液体火箭发动机的道路。这种火箭采用煤油和液氧燃料，采用了高压气瓶作为推进剂供给系统的动力来源，火箭发动机推力为13吨。在发动机开发的早期阶段，KSR-III曾遭遇过燃烧不稳定的问题，KARI为此开发了隔板技术，解决了问题。2002年11月28日KSRIII首次发射。火箭长14米，直径1米，起飞时总重量约6吨，飞行时间是231秒、飞行距离为80千米。这个型号让韩国初步掌握了液体推进剂等航天运载火箭的基本技术，以及低温地面支持、推力矢量控制（TVC）、使用复合材料的加压罐和发射架，验证了包括惯性导航系统在内的电子系统技术。

韩国认为，自己通过上述项目，获得了运载火箭所需要的各种基础技术，如电子技术、地面支持系统、发射操作技术等，因此启动了KSLV-I罗老号运载火箭的研制。但实际上，韩国当时并没有能力研制真正的大推力火箭发动机，因此“罗老号”只能选择从俄罗斯进口第一级的办法。俄罗斯为此索取了高价，却没有转让技术。即使如此，“罗老号”的研制也不顺利，第一次和第二次发射均以失败告终，到2013年的第三次发射才算把卫星送入轨道。但是KARI对这段历史往往是一笔带过。

自2010年起，也就是KSLV-I第二次发射失败的第二年，KARI启动了韩国第二种运载火箭的研制。KSLV-II并不是KSLV-I的国产化型号或者后续型号，而是一个全新的型号。

KSLV-II的韩语发音是“努里”，意思是“世界”。韩国政府的偶像是美国太空探索技术公司，希望自己也能培育出一个企业来，用相对廉价可靠的火箭，满足国际商业发射市场的需求。KSLV-II目前的目标是将1500千克的有效载荷送入600-800千米的低地球轨道（LEO），或者将2600千克的有效载荷送入300千米的低地球轨道。

KSLV-II火箭

KSLV-II是一种三级火箭。第一级采用四台KRE-075型发动机，总推力为266.4吨，比冲289.1秒。第二级采用一台真空型KRE-075发动机，喷管的直径更大，比冲可以达到315.4秒。第三级火箭则使用一台比冲为325.1秒的KRE-007发动机。所有这些发动机都采用液氧煤油燃料，其中航空煤油的牌号是A-1型。

KSLV-II采用这样的构型，并不是KSLV-I的第一级在设计上有什么问题。实际上，这种采用RD-191发动机作为核心的火箭级段，是世界上最先进的构型之一。韩国没有仿造，仅仅是因为仿造不出来而已。但不管怎么说，KSLV-II也算是韩国靠自己的力量迈向宇宙的第一块阶石。

▲ 测试中的KRE-075发动机

▲ 韩华公司准备测试KRE-075发动机

▲首枚KSLV-II火箭前往发射场

▲ 为KRE-075发动机专门修建的试车台

KSLV-II的开发分为3个阶段。第一阶段为2010年3月至2015年7月，进行了系统设计和火箭初步设计，并进行了多次测试，完成了发动机有关子系统和系统测试设施的建设，并开始了7吨级液体发动机的系统测试。第二阶段从2015年8月到2018年3月，实施了运载火箭关键设计、75吨级发动机系统地面试验和（TLV）试飞。目前这种火箭的研制处在第三阶段，也就是正式研制和发射。

▲ 为KSLV-II火箭修建的 LC-2发射工位

KSLV-II长47.2米，最大直径3.5米，起飞质量200吨。火箭的设计基线在初步设计阶段就已经确立，关键设计评审（CDR）计划在2017年进行，此后并未发生大的改动。KSLV-II是一种比较规矩的火箭设计，第一级包括推进系统、推进剂储箱和燃料供给系统、防火系统、航电系统和推力矢量控制系统的执行机构。第一级的总质量为143吨，真空推力约为300吨（2940千牛），真空比冲为298.5秒，发动机运行时间为126秒。二级火箭包括火箭发动机、推力矢量控制系统、滚动控制系统、级间段，总质量42.3吨，真空推力80吨（784千牛），真空比冲315.9秒，发动机运行时间为144秒。第三级包括推进系统、航电设备、惯性导航和制导单元（INGU）、TVC系统、卫星适配器、反作用控制系统等，总质量12.6吨，真空推力7吨（68.6千牛），真空比冲326.6秒，发动机工作时间约为500秒。整流罩长7米，重700千克，包括结构、分离系统、隔音毯和热控制系统等。

KSLV-II GLSV-G（C35） 长征四号子级数量 3 4 3高度 47.2 44 45.6起飞重量 200吨 320吨 250吨一级推力 2940千牛 4800千牛 2961.6千牛700千米太阳同步轨道运载能力 1.5吨 1.75吨 1.9吨发射日期 计划2021年10月 2016年9月26日 1999年5月10日（首次发射）

从总体参数上说，KSLV-II和印度的PSLV-G、中国的长征四号乙比较接近，但是运载能力却要差很多。特别是KSLV-II的起飞重量和起飞推力相差100吨之多。推测这是因为KARI第一次自己搞运载火箭，为了确保成功，在很多地方留了太多余量。如果能逐步成熟起来，估计会逐渐把这些余量“吃掉”，有效提高运载能力。

KRE-075发动机

KRE-075是一种采用开放式燃气发生器循环的发动机，燃气发生器需要消耗大约4%的推进剂来驱动涡轮泵。燃气驱动涡轮后，通过热交换器和排气管排出，能产生约1%的推力。

KRE-075有两种型号，海平面型和真空型。KRE-075没有控制发动机推力和燃料混合比的功能，但在地面试验中，可以通过3个控制阀来控制和保持发动机的工作状态。

为了验证发动机系统的性能，KARI在罗老航天中心建造了几个测试设施，包括燃烧室试验装置、涡轮泵试验装置、火箭发动机试验装置、高空发动机试验设备。有了这些设施之后，韩国终于可以独立自主开展火箭发动机研制了。

▲ 组装完成的KSLV II一级

▲KRE-075发动机四机联合点火试验

按照韩国方面的说法，燃气发生器是KRE-075的研制重点。用在这种发动机上的型号被称为75tGG。这个型号并不是凭空研制的，在开发KSLV-I火箭期间，KARI为30吨级液体火箭发动机研制过一种燃气发生器，称为30tGG，获得了一定的经验和技术。30tGG从2002年开始研制，是一种富燃料型燃气发生器（也就是为涡轮泵供应超额的煤油，实现不完全燃烧）。到2008年KSLV-I起飞前，KARI共生产8个小尺寸和11个全尺寸样机。这11个全尺寸样机，进行了21次燃烧试验，累积时间为470秒。韩国还利用俄罗斯试验设施，对30吨级发动机动力总成与30tGG涡轮泵进行了联用试验，据说取得了满意的燃烧特性、燃烧稳定性和耐久性。

75tGG的结构与30tGG几乎相同，只是把推进剂流量扩大了约3倍。在30tGG技术的基础上，对气缸式燃烧室、同轴涡流喷射器和蓄热冷却燃烧室加以改进。75tGG开发项目可分为4个阶段：全尺寸技术演示模型（TDM）、子尺寸TDM（STDM）、开发模式第一阶段和第二阶段（DM）以及发动机开发模型。

▲ KSLV-II 的未来大推力型，低轨道运载能力可以达到4吨

为了开发75tGG，KARI摸索出了一套试验方法、建立了试验设施，也遇到了很多次故障和事故，包括试验设施的收缩应力和紧固件因注入液氮而泄漏、推进剂供应程序不佳导致头部面板焊接部分开裂、燃料泄漏导致点火期间发生爆炸、燃烧器的燃烧不稳定问题需要返工，等等。但经过几年的努力，KARI还是解决了上述问题，把75tGG造出来了。

韩华科技公司于2016年1月25日与KARI签订了141亿韩元（1177万美元）的合同，为KSLV-II生产两种类型的液体推进剂火箭发动机。2016年1月8日，为攻克燃烧室燃烧不稳定和液体发动机油箱焊接技术难题，开展了二期工程，并对KRE-075发动机进行了几秒钟的燃烧试验。2016年5月3日，KRE-075发动机进行了1.5秒长的火花点火试验。后来在2016年6月8日燃烧了75秒。在这些成功之后，2016年7月20日下午1:39，成功实现了145秒（147秒）的最终目标燃烧时间。在燃烧试验期间，发动机名义上运行，燃烧安全性和燃烧推力等所有数值均在预期误差范围内。在实际发射过程中，第一级发动机燃烧127秒，第二级发动机燃烧143秒。从2016年10月开始，第二台KRE-075发动机已经进行了200多次燃烧试验，性能基本上稳定下来了。

至于第三级火箭用的KRE-007发动机，2014年3月7吨级燃烧室首次燃烧试验顺利完成，2015年7月开始进行KRE-007总装和首次点火试验，该项目的第一阶段已经完成，增加了一个三级发动机燃烧试验设施和一个燃烧室燃烧试验设施。

一个发动机的TLV火箭

为了确保KSLV-II火箭的研制成功，特别是为了确保KRE-075发动机稳妥可靠，KARI专门研制了“测试发射火箭”，简称TLV。这是一种单级火箭，只装了一台KRE-075发动机。它的长度为25.8米、直径2.6米，发射质量52.1吨，干质量38吨。有些研究者在美国宇航局论坛上发表推测说，这个重量意味着火箭携带了一定的有效载荷，并且认为可能是某种大气研究设备。然而KARI研究人士竟然专门跟帖回复说，TLV整流罩里不是什么设备，仅仅是配重而已。

▲ KSLV-II起竖的连续动作

▲ KSLV-II一级发动机构型

TLV原本打算在2018年10月25日发射，但由于在火箭推进剂加压系统中检测到异常读数，只好推迟到2018年11月28日。当天下午4点，火箭从韩国全罗南道高乡的罗老航天中心发射升空。原计划是火箭主发动机燃烧140秒，达到100千米的高度，然后在济州岛和冲绳岛之间的海面上溅落。

但实际上，它的主发动机燃烧了151秒，实际达到了209千米，最后在济州岛东南429千米的太平洋上溅落。

由于TLV的目的是作为一种试验飞行器，并且飞行以成功告终，因此不会有第二次TLV发射。

KSLV-II火箭对韩国的经济、国家战略都有重要意义。2020年7月28日，韩国国家安全事务副顾问金贤聪在记者会上说，韩国军方需要“睁大眼睛”监视朝鲜半岛。他说韩国“不久将拥有许多低轨道军事卫星，这些卫星具有出色的监视能力”，可以对该地区进行24小时监测。

▲ KSLV-II进入LC-2发射工位

KSLV-II将用于发射多颗地球观测卫星，如韩国多用途卫星、低轨道侦察卫星。它计划支持韩国的月球探测任务，发射轨道飞行器和着陆器。KSLV-II还将是韩国第一枚进入商业发射服务市场的火箭。发射成本估计在3000万美元左右，比亚洲同行便宜。这将使韩国能够为东南亚国家提供廉价的发射服务。

地球静止轨道型KSLV

韩国方面考虑，在KSLV-II项目成功后，进一步将KRE-075的推力从75.9吨（743.82千牛）增加到86.6吨（7848.68千牛），比冲从261.7秒增加到315.4秒。另外，还打算减轻发动机重量，例如取消点火器和降低结构重量，这样可以把KSLV-II的有效载荷能力从1.5吨增加到2.8吨。

还有一种用于地球静止赤道轨道的KSLV-II的升级型号正在研制中。它将在核心级集合四台KRE-090发动机，四台侧面助推器各配备一台KRE-090发动机。第二级将采用真空优化的KRE-090发动机（KRE-090V）。第三级将采用新开发的KRE-010V富氧化剂分级燃烧发动机。