探月探火载人航天 韩国火箭发展能否支撑其太空雄心

　　来源：高端装备产业研究中心

　　导读

　　2013年11月，韩国未来创造科学部（MSIP）制定了《宇宙开发中长期计划（2014~2040）》，着重强调要通过研发韩国型运载火箭确保自主发射能力，力争获得先进国家水平的太空开发能力。2002年，韩国宇航研究机构（KARI）启动KSLV（Korea Space Launch Vehicle）运载火箭的研制计划，并于2009年发射了首枚KSLV-1“罗老号”（Naro）。2013年开始，KARI开始着手研制新型运载火箭KSLV-2“世界号”（Nuri），并计划于2021年10月完成首次试射。

　　一、探空火箭和KSLV-1“罗老号”

　　KSR（Korean Sounding Rocket）系列是韩国在20世纪90年代发展的探空火箭，主要是想在正式开展运载火箭研发前，提前验证已掌握的固体火箭发动机、复合材料推进剂贮箱、推力矢量控制、低温地面支持设施、箭上电子通信系统等与运载火箭相关的关键技术。

　　1993年，韩国发射了两枚单级固体探空火箭KSR-1，代号分别为420S-1和420S-2，飞行高度约40km；1997~1998年，韩国又先后发射了两枚二级固体探空火箭KSR-2，飞行高度超过了120km；2002年11月，韩国研制的KSR-3单级液体探空火箭试射成功，飞行高度约为80km。KSR-3是韩国第一枚采用液体推进剂的火箭，也表明了韩国开始走上发展液体火箭的路线，采用了一款挤压循环的液氧煤油发动机，但具体型号韩国并未公开。

　　从左至右分别为：KSR-1、KSR-2、KSR-3的发射场景

　　韩国KSR探空火箭尺寸对比图

　　韩国KSR系列探空火箭性能参数

　　资料来源：市场调研

　　在KSR探空火箭的几次成功发射后（虽然KSR-2的第一次发射以失败告终），韩国认为已基本掌握了运载火箭的基础技术，因此在2003年启动了KSLV-1“罗老号”的研发工作，目标是能够将100kg有效载荷送入300km高的近地轨道。然而韩国无论是自己的固体火箭发动机还是液体火箭发动机，推力基本都在80~120kN左右，根本无法满足需求，因此韩国KARI与俄罗斯合作，引进了俄罗斯动力机械科研生产联合体（NPO Energomash）的RD-151液氧煤油发动机作为“罗老号”第一级的动力装置。

　　韩国KSLV-1“罗老号”运载火箭

　　第一级与第二级的直径相差巨大

　　韩国KSLV-1“罗老号”运载火箭的第二级，沿用了KSR-2探空火箭的固体发动机

　　RD-151液氧煤油发动机是RD-191发动机的小推力版本，推力约为1670kN。说到RD-191发动机，不得不提到传奇的RD-170和RD-180液氧煤油发动机。RD-170是人类历史上研制的推力最大的多燃烧室液体火箭发动机——拥有4个燃烧室、1台共享涡轮泵和2个富氧预燃室，采用分级补燃循环，海平面最大推力为7259kN，海平面比冲为309s，混合比为2.6：1，发动机干重12t，高4.01m，直径3.71m。RD-170的单台涡轮泵同时供给四个相同的喷注器和燃烧室，两个预燃室用富氧燃烧产物驱动该单台涡轮，两股高温富氧燃气以1.758t/s的流量驱动涡轮。涡轮带动燃料泵和氧化剂泵，使氧化剂泵出口压力达到60.2MPa，增压的液氧泵入预燃室进行第一次燃烧；煤油泵出口压力达到50.6MPa，整体轴功率达到186.4MW。RD-170曾主要作为苏联时期“能源号”超重型运载火箭助推器的动力装置。

　　RD-170液氧煤油发动机原理图

　　在“能源号”项目结束后，由于RD-170推力太大，可应用的场景并不多，因此NPO以四推力室的RD-170为基础，开发出一种新型双推力室发动机——RD-180，RD-180保留了RD-170大部分设计，最大程度的降低了研发工作量。根据RD-180的具体推力要求，NPO将RD-170的推力室和预燃室数量减半，并把开发任务集中在缩比设计新的主涡轮泵单元，包括主轴、泵叶轮以及配套的液氧和煤油泵及预压泵等。

　　在RD-180的基础上将燃烧室数量再次减半，就形成了RD-191发动机，同样采用富氧分级循环，混合比为2.6，真空推力为1920kN，真空比冲为337s。

　　RD-170（左）、RD-180（中）和RD-191（右）液氧煤油发动机

　　韩国KSLV-1“罗老号”运载火箭曾于2009年8月和2010年6月分别进行第一次和第二次发射，但都以失败告终。KSLV-1“罗老号”在其2009年8月的首飞过程中由于整流罩分离装置存在结构缺陷和电路设计有问题，导致火箭升空后未能将卫星送入预定轨道。第2次发射中，升空两分钟后与地面失去联系，随后爆炸坠毁，由于事故发生时正是俄方生产的第一级火箭发动机工作阶段，因此韩国专家认为事故是由第一级火箭发动机工作异常引起的。

　　KSLV-1“罗老号”原本计划在2012年10月进行第三次发射，但在连接火箭第一级和发射台时，发现密封用橡胶圈破损，结果只能将有问题的橡胶圈运回俄罗斯查找破损原因，发射计划取消。2012年11月，“罗老号”再次准备发射，但是在检查过程中又发现第二级固体火箭发动机的电力推力矢量控制系统出现异常，再一次取消了第三次发射。直到2013年1月才发射成功，将100kg有效载荷送入近地轨道，这也是KSLV-1“罗老号”唯一一次成功发射。

　　二、KSLV-2“世界号”

　　2013年，KARI开始了新型运载火箭KSLV-2“世界号”（Nuri）的研制，并于2010年3月到2015年7月的第一个研究阶段中，进行了7t级真空液氧煤油火箭发动机的地面测试；于2015年8月到2018年3月的第二个阶段中进行了75t级液氧煤油发动机燃烧实验；第三个阶段中，于2018年11月利用TLV（Test Launch Vehicle）成功进行了火箭的试验型发动机发射。

　　KSLV-2“世界号”7t级（左）和75t级（右）液氧煤油发动机的试验

　　KSLV-2“世界号”试验箭（TLV）在罗老航天中心（Naro Space Center）起竖

　　（一）总体设计

　　在2017年关键技术评审（CDR）中，KSLV-2“世界号”的设计构型已基本确定，采用三级火箭构型，长47.2m，最大直径3.5m，起飞质量约200t。第一级采用四台75t级KRE-075液氧煤油发动机，总推力为2610.7kN，比冲289.1s；第二级采用一台真空型KRE-075发动机，推力为784kN，比冲可以达到315.4s；第三级火箭则使用一台7t级KRE-007液氧煤油发动机，真空推力为68.6kN，比冲为325.1s。以下为KSLV-2“世界号”运载火箭的具体性能参数。

　　韩国KSLV-2“世界号”运载火箭性能参数

　　资料来源：市场调研

　　KSLV-2“世界号”运载火箭

　　KSLV-2“世界号”第一级的四台发动机并联

　　（二）动力装置

　　韩国KSLV-2“世界号”的设计基本保持了通用化的特点，第一级和第二级采用了相同的KRE-075液氧煤油发动机，唯一区别是第二级的KRE-075具有更大的扩张喷管。第三级的KRE-007发动机也基本延续了KRE-075的设计特点，采用了相同的循环方式，可以猜测其燃气发生器、燃烧室、涡轮泵或许也采用了相同的设计制造技术。

　　KRE-075采用开式循环，燃气发生器（Gas Generator）需要消耗大约4%的推进剂来驱动涡轮泵，废气通过热交换器和排气管排出，能产生约1%的推力。开式循环从燃料和氧化剂的主流中抽取少量推进剂进入燃气发生器，不充分燃烧后的燃气通过涡轮做功来驱动两台推进剂泵。不充分燃烧的目的是为了保护涡轮叶片不至于被高温烧毁，但同时又带来了十分棘手的积碳问题，好在KRE-075并没有为可重复使用而设计，工作时间仅为短短的100多秒。

　　另一个耳熟能详采用开式循环的液氧煤油发动机就是美国太空探索公司（SpaceX）的“梅林”系列发动机（Merlin）。不同的是，SpaceX的“梅林”发动机采用调节涡轮燃气流量来实现推力变化，并配备了大变比的针栓式喷注器。SpaceX虽然没有公开太多“梅林”发动机的细节，但是曾经在地面试车中，“梅林1D+”发动机的推重比最大可以超过230，这恐怕是令韩国KRE-075无法望其项背的设计和制造水准（KRE-075的推重比应该不超过90）。

　　KRE-075液氧煤油发动机原理图

　　韩国KRE-075液氧煤油发动机（左）和美国SpaceX“梅林1D+”液氧煤油发动机（右）

　　韩国KRE系列液氧煤油火箭发动机设计指标

　　资料来源：市场调研

　　（三）“测试发射火箭”

　　为了对KRE-075发动机及火箭矢量控制、滚动控制、分离系统、推进剂贮箱、底部热防护圈以及测发控技术进行测试，KARI设计了“测试发射火箭”（TLV）。TLV的设计类似KSLV-2“世界号”的第二级结构，去掉了原KSLV-2第二级与第三级的级间段、分离装置等功能组件，只保留了整流罩，动力装置为1台KRE-075发动机（喷管长度略微进行了调整）。

　　TLV箭体（上）和KSLV-2“世界号”第二级箭体（下）的对比

　　TLV采用“二平一垂”（水平装配、垂直测试、水平运输）的装配测控模式。2018年11月，TLV在罗老航天中心LC-2工位逐渐起竖，最终成功发射。KRE-075发动机燃烧了151s，将TLV送入209km高空，最后在济州岛东南429km的太平洋上溅落。

　　TLV的装配、测试以及运输

　　三、远期入轨能力建设

　　韩国国家航天政策的最高决策机构——韩国国家航天委员会可不仅仅满足于只发射近地轨道卫星，在《航天开发中长期规划》中还提出了要在2030年前利用自有的运载火箭发射地球静止轨道卫星、月球着陆器和采样返回器、火星探测器和着陆器；要在2040年前推进小行星探测、开展空间站建设、发射载人太空运输船。这些任务注定需要更大运载能力、更低成本的航天运载器。

　　KARI提出了两种地球静止轨道型KSLV——KSLV-3的方案，第一种方案在第一级安装四台90t级的KRE-090发动机，四台助推器各配备一台KRE-090发动机；第二级采用真空版KRE-090发动机；第三级采用新型KRE-010V富氧分级循环发动机。KSLV-3地球静止轨道运载能力为3000kg，预计在2027年实现首飞。而第二种方案取消了助推器的设计，采用两级构型，直接加大第一级的直径，上面级与方案一保持一致，这样极其类似SpaceX“猎鹰9”（Falcon 9）的设计方案。

　　KSLV-3地球静止轨道运载火箭方案，左为方案一，右为方案二

　　根据韩国民间航天爱好者的透露，KARI一方面在针对可重复使用运载火箭技术进行研究论证，一方面将更大运载能力的重型或超重型运载火箭列入论证计划，这也确实符合韩国在《航天开发中长期规划》中提到的“开展可重复使用空间运输器所需基础技术”。

　　可重复使用KSLV-2“世界号”似乎是一种可靠的方案，2019年8月，KARI也提出了一款88t级KRE-088液氧煤油发动机的方案，具有40%的节流能力。KSLV-2的第一级可以安装5台KRE-088发动机以实现可重复使用，并具备一定冗余能力。

　　可重复使用KSLV-2的第一级发动机布局

　　在超重型运载火箭方面，KARI在2018年提到一款名为KSLV-4的重型运载火箭将很快进入论证发展阶段。可以看出，KSLV-4似乎模仿了SpaceX“猎鹰重型”（Falcon Heavy）的设计，芯级为两级构型，第一级捆绑着两台助推器。芯级的第一级和助推级分别装有9台95t级发动机，芯级的第二级为4台7t级发动机，以上发动机应该都属于液氧煤油发动机（并未见韩国启动氢氧发动机的研制计划）。KSLV-4整箭高47m，芯级直径4.4m，起飞重量约2200t，近地轨道运载能力为64t，地球静止轨道运载能力为14t。这个类似“猎鹰重型”的设计将对韩国多发动机并联控制和燃料交叉输送技术提出极高的要求，不过无需回收的设计大概能一定程度降低设计难度。

　　韩国超重型运载火箭KSLV-4概念图

　　总结

　　韩国的航天入轨能力建设发展历程并不顺利，起步晚虽然是一个原因，但是后续的推进速度并不算快，在多次的试验过程中还屡次出现问题。在发展的早期阶段，韩国可能过于依赖俄罗斯提供的液体火箭发动机而耽误了自研的进程，在与俄罗斯的合作中止后，韩国仅仅依靠现乌克兰南方设计局提供的15t级液氧煤油发动机的纸面设计方案，才在2015年前后艰难拓展出30t级和75t级的液氧煤油发动机，且性能并不出色。在火箭整体设计方面，韩国在KSLV-2之后似乎一直在模仿美国SpaceX的“猎鹰”系列，坚持通用化、模块化的设计思路，是否适合韩国自身还有待见证。

　　另一方面，由于朝鲜半岛问题，美国一直限制韩国发展敏感的固体火箭发动机，导致韩国在中大型固体火箭发动机方面一直没有突破，这也极大限制了韩国运载火箭的发展路线，或许也是韩国航天入轨能力如此落后的原因之一。

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