歐空局的下一代運(yùn)載火箭“阿里安”6

□ 張雪松

歐空局是當(dāng)今世界主要航天機(jī)構(gòu)之一，過(guò)去30多年時(shí)間里它以阿里安系列運(yùn)載火箭，尤其是“阿里安”4和“阿里安”5火箭建立了赫赫威名。隨著美國(guó)、俄羅斯、日本和中國(guó)等國(guó)家運(yùn)載火箭的發(fā)展，以及歐空局航天任務(wù)需求的變化，歐空局現(xiàn)有的“阿里安”5火箭已經(jīng)不能滿足自身發(fā)展的需要，研制新型運(yùn)載火箭勢(shì)在必行。

歐空局當(dāng)前主要使用“阿里安”5運(yùn)載火箭，1996年“阿里安”5火箭首次發(fā)射，在16年的歷史上曾出現(xiàn)“阿里安”5 G、“阿里安”5 G+、“阿里安”5 GS、“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES等型號(hào)，目前使用的型號(hào)為“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES，分別主要用于發(fā)射靜止軌道通信衛(wèi)星和ATV貨運(yùn)飛船。憑借早期“阿里安”5 G系列火箭的成功業(yè)績(jī)，“阿里安”5火箭延續(xù)了“阿里安”4號(hào)運(yùn)載火箭在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上的輝煌，而性能更為優(yōu)秀的“阿里安”5 ECA火箭達(dá)到了10噸的同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)力，并可通過(guò)一箭雙星的發(fā)射方式降低發(fā)射費(fèi)用，進(jìn)一步鞏固了“阿里安”5火箭在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)?！鞍⒗锇病?火箭的研制和生產(chǎn)由歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)的子公司阿斯特里姆(Astrium)負(fù)責(zé)，而發(fā)射業(yè)務(wù)由阿里安宇航公司負(fù)責(zé)。

歐洲的阿里安宇航公司和俄美合資的國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司(ILS)壟斷了國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)。雖然中國(guó)運(yùn)載火箭更為廉價(jià)，但受到美國(guó)《國(guó)際武器交易規(guī)則》（ITAR）的限制，無(wú)法發(fā)射美國(guó)及包含美國(guó)零部件的衛(wèi)星，而且中國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭的運(yùn)力也與兩巨頭的主力運(yùn)載火箭“阿里安”5和質(zhì)子火箭存在差距，無(wú)法發(fā)射6噸級(jí)大型通信衛(wèi)星；美國(guó)運(yùn)載火箭長(zhǎng)期以來(lái)一直報(bào)價(jià)高昂，基本退出了商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)；印度的運(yùn)載火箭運(yùn)力更弱，相對(duì)日本的運(yùn)載火箭則費(fèi)效比更差。

“阿里安”6火箭想象圖

隨著其他國(guó)家的發(fā)展，阿里安宇航公司的市場(chǎng)地位已經(jīng)受到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。中國(guó)正在研制中的長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)新一代火箭在運(yùn)力和價(jià)格上分別構(gòu)成了強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)的太空探索公司推出了廉價(jià)的“獵鷹”9號(hào)火箭，憑借低價(jià)從阿里安宇航公司和國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司手中搶走了大量發(fā)射訂單。印度正在研制中的GSLV MK III火箭也具備了發(fā)射中型通信衛(wèi)星的能力，而日本正在進(jìn)行H-II系列火箭的私有化，以大幅度降低發(fā)射費(fèi)用。商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，但阿里安宇航公司的現(xiàn)狀卻并不樂(lè)觀，公司在過(guò)去數(shù)年內(nèi)都不得不依賴政府上億歐元的補(bǔ)貼才能實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)平衡。研制進(jìn)一步降低成本的新型運(yùn)載火箭，對(duì)于阿里安宇航公司的生存和發(fā)展都是十分重要的。阿里安宇航公司還必須滿足歐空局各國(guó)的發(fā)射需求，而這也是它的軟肋。阿里安宇航公司除了運(yùn)力巨大的“阿里安”5重型運(yùn)載火箭，只有新投入使用的織女星小型固體運(yùn)載火箭?？椗腔鸺梢詫?.5噸的載荷送入700千米高度的太陽(yáng)同步軌道，很大程度上避免了“阿里安”5火箭存在的運(yùn)力浪費(fèi)問(wèn)題，但在“阿里安”5和織女星火箭之間仍存在巨大的運(yùn)力空白，不得不向俄羅斯購(gòu)買(mǎi)大批聯(lián)盟中型運(yùn)載火箭，研制歐洲人自己的中型運(yùn)載火箭，也是順理成章的事情。

航天要發(fā)展，動(dòng)力要先行。歐空局為研制新一代運(yùn)載火箭已經(jīng)做了大量準(zhǔn)備，2004年2月歐空局開(kāi)始了未來(lái)運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項(xiàng)目(FLPP)，為阿里安5火箭的下一代運(yùn)載火箭開(kāi)展技術(shù)研究。未來(lái)運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項(xiàng)目除了發(fā)展用于2025年以后運(yùn)載火箭技術(shù)，還要增強(qiáng)運(yùn)載火箭的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力，滿足未來(lái)航天發(fā)展的需求，并保持在商業(yè)市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項(xiàng)目主要包括3個(gè)部分：新一代運(yùn)載火箭項(xiàng)目(NGL)、過(guò)渡性實(shí)驗(yàn)飛行器項(xiàng)目(IXV)和“阿里安”5中期演進(jìn)項(xiàng)目(Ariane 5 ME)，其中的NGL項(xiàng)目最終演化為“阿里安”6運(yùn)載火箭。

根據(jù)2008年國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)上歐空局相關(guān)人員的報(bào)告，NGL項(xiàng)目的設(shè)計(jì)逐漸清晰起來(lái)。NGL將配備一個(gè)高效的上面級(jí)，具備將衛(wèi)星直接送入地球靜止軌道(GEO)的能力，為此將研制具備多次點(diǎn)火能力的先進(jìn)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。NGL還計(jì)劃延續(xù)“阿里安”5火箭的單主發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型，這就需要為火箭研制新的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。NGL包括NGLHH-SC、NGLHH-GG、NGLCH、NGLHC四種主要設(shè)計(jì)，其中NGLHH-SC和NGLHH-GG分別表示全氫氧火箭(HH)和芯級(jí)使用分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(SC)，全氫氧火箭(HH)和芯級(jí)使用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(GG)，這兩種全氫氧火箭的上面級(jí)使用新開(kāi)發(fā)的芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)。NGL CH和NGL HC分別表示第一級(jí)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)加上面級(jí)使用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，以及第一級(jí)使用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)加上面級(jí)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。四種主要方案中NGLHH-SC設(shè)計(jì)在性能上較好的滿足了歐空局和商業(yè)發(fā)射的需求，而且當(dāng)時(shí)的評(píng)估認(rèn)為它的成本最低，此外它還有力地推動(dòng)各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，因此成為優(yōu)先考慮的方案。NGLHH-SC設(shè)計(jì)的火箭將包括GTO運(yùn)力3噸、5噸和8噸的型號(hào)，其中3噸運(yùn)力的型號(hào)為基本型，然后通過(guò)捆綁2枚和6枚20噸固體推進(jìn)劑的小型固體助推器將運(yùn)力提高到5噸和8噸。基本型NGL火箭長(zhǎng)度51米起飛質(zhì)量226噸，其中第一級(jí)推進(jìn)劑質(zhì)量156噸、發(fā)動(dòng)機(jī)為起飛推力2500千牛級(jí)別的大推力分級(jí)燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)推進(jìn)劑質(zhì)量26噸、發(fā)動(dòng)機(jī)為180千牛的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。從這些參數(shù)看，NGL火箭第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)將是FLPP中大推力發(fā)動(dòng)機(jī)(HTE)項(xiàng)目的后續(xù)，HTE項(xiàng)目后來(lái)改名為分級(jí)燃燒循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)演示項(xiàng)目(SCORE-D)，其目標(biāo)就是研制推力更大的新型第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，為歐空局提供一種無(wú)需助推器即可起飛的單發(fā)中型運(yùn)載火箭。第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)就是研制已久的芬奇(Vinci)發(fā)動(dòng)機(jī)，芬奇氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)具備最多5次的啟動(dòng)能力，已經(jīng)成為歐空局未來(lái)運(yùn)載火箭上面級(jí)的首選配置，但仍未完成研制。

FLPP計(jì)劃中的運(yùn)載工具，左上為IXV，左下為未來(lái)的可復(fù)用運(yùn)載工具，右側(cè)三個(gè)是早期阿里安6的方案

2010年CNES的“阿里安”6火箭設(shè)計(jì)，這是早期“阿里安”6向目前“阿里安”6設(shè)計(jì)的過(guò)渡階段

2009年5月法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)、法國(guó)國(guó)防采辦局 (DGA)和法國(guó)國(guó)家航天研究中心(CNES)聯(lián)合提交報(bào)告建議研制“阿里安”6運(yùn)載火箭，報(bào)告中的“阿里安”6運(yùn)載火箭將具備3～6噸的GTO軌道運(yùn)載能力，從設(shè)計(jì)和性能上說(shuō)比俄羅斯聯(lián)盟火箭更適合填補(bǔ)“阿里安”5火箭和織女星火箭之間的運(yùn)力空白。不過(guò)歐空局國(guó)家眾多，新一代運(yùn)載火箭發(fā)展的問(wèn)題上存在巨大的爭(zhēng)議，其中法國(guó)政府作為推動(dòng)發(fā)展阿里安系列火箭的主力，更傾向于啟動(dòng)“阿里安”6火箭的研制，而德國(guó)政府則希望優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭。

2010年4月歐空局在捷克召開(kāi)會(huì)議討論FLPP的發(fā)展，為我們提供了NGL項(xiàng)目更新的消息。會(huì)議報(bào)告中NGL火箭增加了固體發(fā)動(dòng)機(jī)方案。固體發(fā)動(dòng)機(jī)方案來(lái)自更早的積木運(yùn)載火箭方案(BBL)。在早期報(bào)告中BBL和NGL并列，而2010年的報(bào)告中兩者合并為新的NGL系列。為了實(shí)現(xiàn)靈活和運(yùn)力配置，固體NGL方案不論是PH構(gòu)型系列還是PPH構(gòu)型系列，都使用小型固體助推器增加運(yùn)力。典型的PPH設(shè)計(jì)為使用240噸固體推進(jìn)劑的P240第一級(jí)，外加使用107噸固體推進(jìn)劑的P107第二級(jí)，再加上28噸氫氧推進(jìn)劑的H28第三級(jí)，此外還捆綁2到6枚使用35噸固體推進(jìn)劑的P35固體助推器。PPH設(shè)計(jì)的好處在于7天的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間在各種構(gòu)型設(shè)計(jì)中最短，另外可以和當(dāng)時(shí)的織女星火箭升級(jí)方案共享P107固體發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然PPH方案也有缺點(diǎn)，使用固體發(fā)動(dòng)機(jī)作前兩級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)，使載荷的振動(dòng)環(huán)境最糟糕，此外這個(gè)方案火箭的發(fā)展?jié)摿τ邢?，更不要說(shuō)發(fā)展為重型運(yùn)載火箭的可能了。相比之下NGLHHSC方案除了發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不確定性，載荷受到的振動(dòng)小，而且未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，可以采用美?guó)重型Delta IV火箭的公用芯級(jí)助推器設(shè)計(jì)，衍生出LEO軌道運(yùn)載能力最大25噸的重型運(yùn)載火箭，因此當(dāng)時(shí)NGLHH-SC方案仍然是新一代火箭的首選設(shè)計(jì)，不過(guò)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也受到了更多的重視。

2011年法國(guó)國(guó)家航天研究中心工作人員參加了在南非舉行的第62屆國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)，在會(huì)上公開(kāi)了“阿里安”6火箭更詳細(xì)的信息?！鞍⒗锇病?火箭將具備把2到8噸的載荷送入GTO軌道的能力，在現(xiàn)有“阿里安”5 ECA火箭的基礎(chǔ)上，“阿里安”6火箭將把發(fā)射費(fèi)用降低30～40%，大大加強(qiáng)火箭的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。即使上面級(jí)使用多次點(diǎn)火設(shè)計(jì)，“阿里安”6火箭的可靠性仍將達(dá)到98%以上，并具備2周內(nèi)改變發(fā)射任務(wù)的高度靈活性，此外在載荷振動(dòng)環(huán)境和對(duì)外界環(huán)境的影響上，“阿里安”6火箭都優(yōu)于“阿里安”5火箭。由于設(shè)計(jì)只進(jìn)行單星發(fā)射，“阿里安”6火箭的設(shè)計(jì)發(fā)射能力也較大，年發(fā)射量預(yù)計(jì)在4到14次之間。2011年國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)上的報(bào)告提到了PPH、PH和HH方案，它們的整流罩直徑均為為4.4米或5.2米。PPH方案為P180/P110/H31基本型外加2、4、6枚P39固體助推器的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)了3噸、大于5噸、大于6.5噸和大于8噸的GTO軌道運(yùn)力，PH方案為P315/H34的基本型設(shè)計(jì)，外加2、4、6枚P39固體助推器的設(shè)計(jì)，GTO軌道運(yùn)力分別為3噸、大于5噸、大于6噸和大于8噸。PPH方案的固體芯級(jí)直徑3.7米，液體上面級(jí)直徑4.4米，PH方案固體第一級(jí)直徑為4.6米，液體上面級(jí)直徑4.4米。報(bào)告中的HH方案發(fā)生了巨大的變化，最顯著的就是基本放棄了2500千牛的分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，而是改之以150噸推力的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的火神3發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)設(shè)計(jì)中HH1設(shè)計(jì)是單臺(tái)火神3，HH2設(shè)計(jì)為兩臺(tái)火神3發(fā)動(dòng)機(jī)，氫氧推進(jìn)劑質(zhì)量分別為120噸和165噸，雖然上面級(jí)均為芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)，但氫氧推進(jìn)劑質(zhì)量分別為25噸和30噸，對(duì)應(yīng)的HH1捆綁0到6枚39噸推進(jìn)劑的P39固體助推器，而HH2捆綁0到6枚33噸推進(jìn)劑的P33固體助推器。兩個(gè)HH方案覆蓋了2到8噸的GTO運(yùn)力，可以提供更靈活的發(fā)射能力?！鞍⒗锇病?火箭設(shè)計(jì)尤其是HH方案的改進(jìn)，主要是高性能的分級(jí)燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度的不確定性，此外分級(jí)燃燒循環(huán)的研制和使用成本都較高，改用火神3發(fā)動(dòng)機(jī)是很現(xiàn)實(shí)的選擇。

2012年是“阿里安”6火箭發(fā)展的關(guān)鍵一年，法德圍繞優(yōu)先發(fā)展“阿里安”6還是“阿里安”5中期演進(jìn)火箭的爭(zhēng)論終于有了一個(gè)初步結(jié)果，法德兩國(guó)政府聯(lián)合研究得出結(jié)論，優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型號(hào)。雖然法國(guó)一直認(rèn)為商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的發(fā)展使“阿里安”5火箭的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步削弱，“阿里安”5火箭的中期壽命升級(jí)很難降低發(fā)射成本，這將導(dǎo)致未來(lái)阿里安宇航公司更加依賴歐空局各國(guó)尤其是法國(guó)政府的財(cái)政支持，但“阿里安”5中期演進(jìn)型號(hào)的研制只需要大約14億歐元，而全新的“阿里安”6火箭將需要40億歐元，經(jīng)濟(jì)危機(jī)后日益窘迫的歐洲各國(guó)政府很難支持“阿里安”6火箭的全面開(kāi)發(fā)，這恐怕是聯(lián)合結(jié)論支持德國(guó)航天局建議的根本原因。盡管德國(guó)堅(jiān)持優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型號(hào)，但法國(guó)也仍堅(jiān)持優(yōu)先至少是繼續(xù)研制“阿里安”6火箭，為了降低“阿里安”6火箭的研制成本， 法國(guó)的“阿里安”6火箭設(shè)計(jì)發(fā)生了翻天覆地的變化，根據(jù)美國(guó)《航空周刊》10月15日的報(bào)道，“阿里安”6火箭的模塊化候選設(shè)計(jì)方案包括兩種固體發(fā)動(dòng)機(jī)為主的設(shè)計(jì)和一種液體發(fā)動(dòng)機(jī)為主的設(shè)計(jì)，而且法國(guó)航天局更傾向于固體火箭方案?！逗娇罩芸穲?bào)道中的兩種構(gòu)型與2011年國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)上公開(kāi)的構(gòu)型完全一致，其中的P1B方案就是原來(lái)的PPH構(gòu)型，而H2C方案就是原來(lái)的HH2構(gòu)型，不過(guò)新的報(bào)道明確指出P1B和H2C方案中捆綁6個(gè)P39固體助推器時(shí)的GTO軌道運(yùn)力均為8.4噸，而不是IAC報(bào)告中語(yǔ)焉不詳?shù)拇笥?噸?！逗娇罩芸饭嫉牡谌N構(gòu)型P7C，基本設(shè)計(jì)為三個(gè)直徑3.7米裝藥135噸的P135固體發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，外加一個(gè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的第二級(jí)和使用芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)的第三級(jí)。P7C設(shè)計(jì)的雖然3臺(tái)P135發(fā)動(dòng)機(jī)都裝有推力矢量裝置，但同時(shí)點(diǎn)燃同時(shí)分離，降低了火箭復(fù)雜程度，此外與未來(lái)的織女星火箭共用P135固體發(fā)動(dòng)機(jī)，也平攤了研制成本，并得到意大利的支持。

“阿里安”5ME(中期升級(jí))和“阿里安”6的對(duì)比圖

2012年11月“阿里安”6火箭的想象圖，3個(gè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)+1個(gè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)+1個(gè)液體上面級(jí)的設(shè)計(jì)

2012年11月21日歐空局部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議在意大利的那不勒斯落幕，歐空局的20個(gè)成員國(guó)和加拿大的部長(zhǎng)們共同決定為未來(lái)3年的航天活動(dòng)撥款100億歐元，其中包括“阿里安”5火箭中期演進(jìn)型火箭(Ariane 5 ME)和下一代的“阿里安”6火箭的研制預(yù)算，未來(lái)兩年內(nèi)歐空局將為包括“阿里安”5火箭中期演進(jìn)型火箭投資1.87億歐元，同時(shí)為“阿里安”6火箭投資1.57億歐元，至此“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭和“阿里安”6火箭的爭(zhēng)論暫時(shí)平息，2014年歐空局將繼續(xù)討論全面研制“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭還是“阿里安”6火箭。按照目前的規(guī)劃，“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭將在2017年左右執(zhí)行首次發(fā)射任務(wù)，而“阿里安”6火箭的首次發(fā)射則要等到2021至2022年。如果全力開(kāi)展“阿里安”6火箭的研制，將給商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手留下太多的時(shí)間和機(jī)會(huì)，畢竟2003年以后阿里安宇航公司沒(méi)有推出新的商業(yè)發(fā)射工具，再考慮“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭也使用基于芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)上面級(jí)，將降低“阿里安”6火箭的研制費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，可以說(shuō)“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭已經(jīng)占了先機(jī)。

不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，“阿里安”6火箭的研制仍然得到了1.57億歐元的撥款，而法國(guó)也以固體火箭設(shè)計(jì)方案試圖獲得意大利的支持。如果法意聯(lián)合，歐空局未來(lái)的運(yùn)載火箭發(fā)展仍有很大的不確定性，“阿里安”6重新占據(jù)上風(fēng)也是很有可能的。作為歐空局多年預(yù)研的成果，“阿里安”6火箭使用成熟的模塊化設(shè)計(jì)，其先進(jìn)的設(shè)計(jì)和靈活的性能也值得我們借鑒，雖然發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了諸多磨難，相信它還是有實(shí)現(xiàn)首飛的那一天。