台灣運載火箭研製秘辛

  2012年底以來,圍繞朝鮮成功發射「銀河-3號」航天火箭以及準備試射「舞水端」中程彈道導彈一事,整個東北亞的軍事形勢顯得頗爲緊綳。更有意思的是,據臺灣媒體渲染,臺灣小型衛星運載火箭的開發也「取得階段性成果」,臺灣即將邁進「世界航天俱樂部」。考慮到航天火箭除執行和平利用太空的任務外,其背後所隱藏的軍事意味同樣令人過目難忘,臺灣大推火箭的發展也受到外界關注。
  開發歷時多年
  按照美國聯邦航空管理局(FAA)的定義,小型衛星運載火箭是指能將5000磅(約2273公斤)以下的載荷送至近地軌道的火箭,臺灣在這方面的開發要追溯到2004年。當時臺灣「國科會」委托島內産業界、學術界和相關研究單位組成小組,以一年時間進行「臺灣發展小型運載火箭可行性評估」。評估結果認爲,臺灣開發小型衛星運載火箭是可行的,並建議由「中山科學研究院」(下稱「中科院」)負責研製工作,最終火箭研製任務交給具有40多年導彈開發經驗並掌握相關科技和製造技術的「中科院」二所(飛彈火箭研究所)負責,著手擬訂最佳且可行的火箭設計方案。
  進行相關評估後,「中科院」二所的小型衛星運載火箭設計方案,以近地軌道的小型衛星載荷爲設計目標,經整體系統、導控設計和彈道仿真完整分析評估後,擬訂運載工具發射、全程飛行與衛星入軌運轉情形。在入軌需求與配合整體設計下,「中科院」二所設計的小型衛星運載火箭是一種四級全固體燃料火箭,其中第一級是由三台大型固體火箭發動機組成的「捆綁式火箭」。
  不過,爲了降低成本,其推進系統采用導彈常用的固體燃料發動機技術。雖然「中科院」研製過多款導彈,却因自製的導彈固體燃料發動機推力不足,需開發改進才能滿足小型衛星運載火箭的推力需求。但小型衛星運載火箭使用的大型固體火箭發動機,並非導彈使用小型固體火箭發動機的比例放大,而是發動機設計、組裝、檢驗、測試等技術的全面提升,像大型固體火箭發動機的鑄藥技術、發動機FRP外殼材料燒制等,都是全新的挑戰。
  由於小型衛星運載火箭第一級是「捆綁式火箭」,首先會面臨如何讓捆綁式側掛加力器順利脫離的側向分離,及主體火箭前後節的軸向分離問題。「中科院」過去在開發雄風-3反艦導彈時,就曾在加力器脫離上遭遇難題。要使側掛加力器同時脫離彈體而不碰撞彈體並不容易,因爲既不能同時脫離,也不能在脫離後因氣流原因使加力器回撞導彈主體。隨著「中科院」引進相關技術和人才,才逐漸突破技術瓶頸。後來雄風-3反艦導彈和探空火箭的成功,也證明「中科院」在分離設計與運用方面已累積了豐富經驗。
  2007年「探空一6號」火箭發射時曾進行過「回收艙試驗」,其中的「載荷彈出」科目就是衛星與載荷段分離技術。這種分離裝置的優點在結構簡單、緊致、重量較輕,使用方便,但分離時對回收艙的衝擊較大。後來因回收艙未能找回,以致相關資料流失,因此「國家太空中心」决定在「探空-8號」火箭上再進行一次試驗,顯見「回收艙試驗」搜集資料的重要性。
  除此之外,小型衛星運載火箭開發上還有一個重大挑戰,即導航控制系統。因爲火箭發射初期受大氣環境及風向影響很大,因此需要有良好的導航控制系統,導引小型衛星運載火箭進人預期軌道。小型衛星運載火箭的導航方式應是慣性導航配合衛星導航(GPS/INS),即以GPS修正慣性導航因長時間工作造成的累積偏移誤差,如此就可進行高精度小誤差的導航。
  早在2004年發射「探空-4號」火箭時,「中科院」就進行過GPS接收機高速運動及太空環境下的性能驗證,並提供大氣觀測飛行路徑實時精密數據。2006年1月18日發射的「探空-5號」火箭,還將GPS接收機作爲制式配備,提供飛行路徑實時精密數據。
  根據臺灣「國家試驗研究院」2009年度作業計劃,將完成小型衛星運載火箭關鍵技術發展與各級推進系統之地面點火測試、細部設計,完成小型衛星運載火箭接口驗證審查,並提出測試評估報告書。按照第二期太空計劃安排,「中科院」應於2013年前後相繼完成用小型衛星運載火箭發射第一枚30公斤小型衛星至500公里任務軌道,再以小型衛星運載火箭發射50公斤自製小衛星至500公里任務軌道。但從目前進度來看,若想全部完成難度很高。
  極具軍事潛力
  一般而言,由於地球由西向東自轉,所以往東發射運載火箭能「免費」獲得一些初速度,較節省能貴。但有些國家受地理環境和鄰國因素限制,無法朝正東方向發射,比如朝鮮即便朝東北方發射火箭,飛行軌道仍難避開日本領空。韓國限制更大,若朝正東方發射,火箭將飛越廣島、大阪等日本大都會上空,且第一級火箭殘骸會落在人口稠密的日本本土。
  目前世界上發射運載火箭方向最奇特的是以色列。因爲如果朝東發射,分離的火箭會掉落在阿拉伯國家領土上,勢必造成嚴重糾紛。此外,一旦火箭落於敵國,還可能讓其技術爲敵國獲得。於是,哪怕浪費能量,以色列也只好選擇向西發射,成爲「逆行軌道」。
  相比之下,臺灣的地理位置十分優越,由於東臨太平洋,往東發射並無太多顧忌。「中科院」九鵬發射場就位於臺灣東海岸,環境條件與日本最爲接近。比如日本M系列火箭一般以斜角方式發射,「中科院」二所設計中的小型衛星運載火箭也是選用該發射方式進行,以確保發射安全。
  在外界看來,小型衛星運載火箭和彈道導彈可謂「一體兩面」,它們均使用固體火箭發動機,只是用途不同,就像某些車輛的民用版和軍用版一樣。比如小型衛星運載火箭有方便儲存及運送、操作簡單、發射成本低、能快速進人太空等優點,而這些優點也可在彈道導彈上體現出來,甚至是構成彈道導彈强大突防能力的要素。
  衛星運載火箭和彈道導彈共享相同的固體火箭發動機,在以色列就有先例。以色列「沙維特」衛星運載火箭由三級固體火箭發動機組成,其頭二級固體火箭發動機便沿用該國「杰裏科-2」兩級中程彈道導彈的設計。以色列的「杰裏科-2」導彈類似美國「潘興-2」導彈,但比「潘興-2」大出一號,射程却遜於「潘興-22」導彈。
  不過,衛星運載火箭的潛力尚不限於發展中程彈道導彈。以色列曾於1988年9月19日用「沙維特」衛星發射運載工具,成功發射第一枚「地平線-1」偵察衛星。正式加入「太空俱樂部」後,許多分析家指出「沙維特」火箭具有發展成遠程彈道導彈的潛力。
  當「沙維特」衛星運載火箭將156公斤重的「地平線-1」衛星送人離地表約200多公里高的近地軌道後,美國勞倫斯•利夫莫爾國家試驗室推測「沙維特」火箭可發展成能携帶一枚核彈頭、射程至少達5300公里的遠程彈道導彈。美國國防部也估計「沙維特」火箭具有發展成射程達7200公里的遠程彈道導彈的潛九1990年6月,美國馬里蘭大學的物理學家斯蒂芬•費特根據「沙維特」衛星運載火箭發射「地平線-1」和「地平線-2」衛星提供的信息推算出其射程和携帶參數,發現如果把「沙維特」火箭發展成遠程彈道導彈,可携帶一枚775公斤重的彈頭飛行4000公里,射程涵蓋整個中東甚至部分蘇聯領土。
  應該來說,臺灣的情况和以色列類似,因此火箭科技發展采用「軍民通用」方式是很自然的。這樣不僅能整合軍民資源,還能減少當局負擔。因此倘若臺灣順利開發小型衛星運載火箭,並成功將自製小型衛星送入軌道,不僅能加入自力發射衛星俱樂部,也會取得發展中程彈道導彈的「入場券」。
(雷炎/文)