歐洲新型運(yùn)載火箭發(fā)展思路及特點(diǎn)分析

楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2014年12月2日，歐洲航天局成員國各部長在盧森堡決定建造新一代阿里安－6火箭，以便在2020年取代現(xiàn)有的阿里安－5火箭。阿里安－5ME的研制工作始于2008年的歐洲航天局部長級會議，并在2012年的部長級會議上得到了進(jìn)一步的資金支持。與此同時，歐洲航天局決定開始阿里安－6的方案研究。歐洲希望通過研制新型運(yùn)載火箭進(jìn)一步完善其一次性運(yùn)載火箭型譜，保持歐洲運(yùn)載火箭的商業(yè)市場競爭力。

1 阿里安－5ME、6火箭基本情況

阿里安－5ME是現(xiàn)役阿里安－5ECA的中期改進(jìn)型，采用兩級構(gòu)型：在低溫芯級周圍捆綁兩枚固體助推器，下面部分完全繼承自阿里安－5ECA，上面部分為新研。該火箭全長約53m，起飛質(zhì)量約800t；芯級直徑5.4m，真空推力1390kN；助推器直徑3.15m，真空推力7000kN；上面級直徑5.4m，可多次啟動的芬奇發(fā)動機(jī)真空推力180kN，貯箱采用共底結(jié)構(gòu)；整流罩直徑5.4m、長20m。經(jīng)改進(jìn)之后的阿里安－5ME可以執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）、地球靜止軌道以及逃逸軌道等多種發(fā)射任務(wù)。地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力（完成入軌后上面級直接離軌）達(dá)到11.5t，發(fā)射價格維持現(xiàn)有的2.1億美元。

阿里安－6火箭目前正在進(jìn)行方案論證研究，將研制一個系列化運(yùn)載火箭，滿足多種軌道、靈活的發(fā)射需求，發(fā)射成本將比現(xiàn)有阿里安－5ECA降低40%。該火箭全長約50m，采用兩級固體加液氫液氧上面級的三級構(gòu)型方案（PPH構(gòu)型）：最大型火箭的一子級使用3臺并排安裝的固體發(fā)動機(jī)，單臺直徑3.5m，澆注135t固體燃料，最大推力約4000kN；二子級使用1臺與一子級相同的固體發(fā)動機(jī)；上面級直徑4m，采用“芬奇”發(fā)動機(jī)；整流罩直徑5.4m，長約16.5～19m。阿里安－6的地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力為3～6.5t，可以執(zhí)行低地球軌道、中地球軌道、太陽同步軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道等多種任務(wù)，單次發(fā)射價格為9500萬美元。

“芬奇”發(fā)動機(jī)作為兩型火箭的共用組件于2014年底進(jìn)行了關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審，最終在2016年底驗(yàn)收。歐洲航天局初步估計(jì)阿里安－5ME大約需投入13.6億美元的研制費(fèi)用，預(yù)計(jì)在2018年進(jìn)行首飛；而阿里安－6的研制費(fèi)用則高達(dá)54.3億美元，預(yù)計(jì)在2021年實(shí)現(xiàn)首飛。

阿里安－5ME（左）/阿里安－6（右）概念圖

2 阿里安－6火箭方案選擇過程

阿里安－6火箭方案最早由法國國家空間研究中心（CNES）提出，并在早期進(jìn)行了大量的研究。作為歐洲下一代運(yùn)載器計(jì)劃下的項(xiàng)目，歐洲航天局委托德國OHB系統(tǒng)公司和MT航空航天公司對其總體方案進(jìn)行了選型工作，最終選擇了PPH構(gòu)型，即2013年所公布的阿里安－6構(gòu)型方案。

下一代運(yùn)載器的方案選型過程分為4步：首先，根據(jù)是否可重復(fù)使用、級數(shù)、推進(jìn)劑類型以及是否采用助推器等設(shè)計(jì)特點(diǎn)建立方案樹，形成了700多種理論方案；然后，根據(jù)歐洲航天局的要求從中確定了12個備選方案；之后再通過定性評估縮減為5種備選方案；最后，通過定量評估對5種備選方案進(jìn)行分析，得出最終的結(jié)果。

阿里安－6的PPH構(gòu)型概念圖

定性分析

阿里安－6定性評估的標(biāo)準(zhǔn)如下表所示，其中運(yùn)行操作成本所占的比重最大，這是降低發(fā)射成本的必然要求。

阿里安－6定性評估標(biāo)準(zhǔn)

阿里安－6備選方案及其定性評估結(jié)果

最終確定了1、2、3、8、9＋11五種方案，其中8號方案是根據(jù)歐盟必須有一種通用芯級助推器的要求入選的，而方案9和11則是因其近似性合并為一種方案。這5種方案的簡稱分別為：1-HH，2-KH，3-HH-PB，8-KH-CCB，9＋11-PPH。其中，H表示液氫液氧級，K表示液氧煤油級，P表示固體級，PB表示固體助推器，CCB表示可作為助推器的通用芯級。

阿里安－6定性評估標(biāo)準(zhǔn)

定量分析

定量分析采用層次分析法，其過程為：首先定義評估標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行分組；然后確定各組標(biāo)準(zhǔn)和每條標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)值；最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對方案進(jìn)行評估和排名。

從評估標(biāo)準(zhǔn)可以看到運(yùn)行操作成本在定量評估中所占的比重最大，所以首要目標(biāo)是降低發(fā)射價格；緊隨其后的是研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，保證項(xiàng)目研制順利進(jìn)行；其次是發(fā)射服務(wù)靈活性，適應(yīng)市場要求提高發(fā)射服務(wù)的質(zhì)量；然后是歐洲自主研制，不依賴其他國家保持市場競爭獨(dú)立性。總體而言，市場因素在評估過程中是最重要的考量點(diǎn)。

PPH構(gòu)型因其在運(yùn)行操作成本方面的巨大優(yōu)勢成為最終選擇的方案。

3 阿里安－5ME、6對未來商業(yè)發(fā)射市場的影響

新型火箭投入使用后必然會對發(fā)射市場產(chǎn)生影響，在2022年前除歐洲阿里安－5ME、6之外，其他投入市場的運(yùn)載火箭主要包括美國“獵鷹重型”和俄羅斯安加拉－A5。安加拉－A5會取代質(zhì)子號火箭，不會對市場產(chǎn)生明顯影響，所以這里只考慮前三型火箭。并且認(rèn)為美國“獵鷹重型”2015年投入使用，阿里安－5ME在2018年全面取代歐洲阿里安－5ECA，阿里安－6在2021年投入使用。

阿里安－6定量評估結(jié)果

如果將衛(wèi)星分為小型（2.5 t以下）、中型（2.5～4.2t）、大型（4.2～5.4）以及重型（5.4t以上），那么歐洲阿里安－5ME主要面向大型和重型衛(wèi)星發(fā)射市場，而歐洲阿里安－6則可以發(fā)射絕大部分的大中型衛(wèi)星，面向的衛(wèi)星市場范圍更廣。

對于歐洲阿里安－5ME所面對的大型和重型靜止軌道衛(wèi)星市場：美國“獵鷹重型”和阿里安－5ME火箭投入使用之后將出現(xiàn)供過于求的情況，供需比大約為1.9～2；如果2021年歐洲阿里安－6全面取代阿里安－5ME，將不會過多的改變大型/重型衛(wèi)星的供需比，供需比仍為2左右；如果阿里安－6投入使用之后，阿里安－5ME繼續(xù)服役，供需比將超過2.8?？傮w而言，預(yù)計(jì)2022年之前重型靜止軌道衛(wèi)星市場供需比將呈上升趨勢，供需比在1.8～2之間，市場競爭將越來越激烈。

對于阿里安－6所面對的大中型靜止軌道衛(wèi)星市場：供需比大約在1.4～1.6之間，供需關(guān)系明顯好于大型和重型衛(wèi)星發(fā)射市場，前景更好。所以，從市場需求角度來看，未來將更加趨向于發(fā)展像阿里安－6這種性能更全面的運(yùn)載火箭。

4 歐洲運(yùn)載火箭的發(fā)展思路及特點(diǎn)分析

隨著運(yùn)載技術(shù)的逐步成熟，追求低成本成為當(dāng)前發(fā)展的重要目標(biāo)。俄羅斯質(zhì)子號和美國獵鷹－9火箭以其價格優(yōu)勢不斷擴(kuò)大市場占有率，歐洲原本在商業(yè)發(fā)射市場中的領(lǐng)先地位受到了威脅，因此歐洲航天局提出了新型運(yùn)載火箭的發(fā)展方案：阿里安－5ME通過對現(xiàn)有阿里安－5ECA的改進(jìn)提升性能，作為向下一代運(yùn)載器過渡的角色；而發(fā)展阿里安－6運(yùn)載火箭則是為了適應(yīng)未來發(fā)射市場，實(shí)現(xiàn)降低發(fā)射價格的最終途徑。總結(jié)歐洲運(yùn)載火箭的發(fā)展思路及特點(diǎn)可以得到一些啟示。

（1）以滿足發(fā)射需求為導(dǎo)向，以降低發(fā)射成本為目標(biāo)

歐洲運(yùn)載火箭一直以商業(yè)發(fā)射市場為導(dǎo)向，在阿里安－5只能發(fā)射大型衛(wèi)星的情況下，通過研制新型小運(yùn)載“織女星”、引進(jìn)俄羅斯的聯(lián)盟號－ST火箭以適應(yīng)中小型有效載荷的發(fā)射需求，初步形成了歐洲運(yùn)載火箭型譜。但為了進(jìn)一步增強(qiáng)商業(yè)競爭力，歐洲航天局對現(xiàn)役的阿里安－5ECA進(jìn)行升級，并開展新型阿里安－6火箭的方案研究。阿里安－5ME可以進(jìn)一步提高現(xiàn)有運(yùn)載能力，但發(fā)射價格保持不變，單位有效載荷發(fā)射成本得到降低，可以在較短的時間內(nèi)提高阿里安－5系列的市場競爭力。阿里安－6采用單星發(fā)射方式避免組織雙星發(fā)射的難題，而且通過火箭系列化實(shí)現(xiàn)發(fā)射能力的全面覆蓋。另外，歐洲新研火箭將運(yùn)行操作成本作為重要的考慮因素，阿里安－ME和阿里安－6發(fā)射價格將比阿里安－5ECA分別降低20%和40%。

總體而言，阿里安－5ME應(yīng)該是為在短期內(nèi)適應(yīng)市場競爭而提出的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)向下一代運(yùn)載器的順利過渡。而阿里安－6則是作為歐洲新一代運(yùn)載火箭在未來的商業(yè)市場競爭中充當(dāng)主力。

歐洲現(xiàn)役火箭圖譜（“織女星”、聯(lián)盟-ST、阿里安-5ES/“自動轉(zhuǎn)移飛行器”、阿里安-5ECA）

歐洲未來運(yùn)載器計(jì)劃概念圖

（2）兩種火箭技術(shù)上尋求通用性，方案設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)模塊化

采取通用技術(shù)和模塊設(shè)計(jì)是降低成本的重要因素，歐洲阿里安－5ME、6兩種火箭在設(shè)計(jì)上充分考慮了這一點(diǎn)。阿里安－5ME采用與阿里安－5ECA相同的芯級和助推器，而且與阿里安－6共用上面級和整流罩技術(shù)。阿里安－6全系列采用模塊化設(shè)計(jì)，火箭的一、二子級均采用了基本相同的固體發(fā)動機(jī)，通過批量生產(chǎn)降低硬件成本。阿里安－6上的固體發(fā)動機(jī)是在“織女星”P80一段式固體發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上研制的，從而大大降低了研制風(fēng)險(xiǎn)。這種一段式設(shè)計(jì)的固體助推器相比于現(xiàn)在阿里安－5ECA固體助推器所采用的分段式結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，降低了裝配的復(fù)雜度。

此外，歐洲利用固體發(fā)動機(jī)推力大、部件少、可靠性高等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，阿里安－6計(jì)劃平均每年發(fā)射12次，固體發(fā)動機(jī)的年產(chǎn)量達(dá)48枚，形成規(guī)模效應(yīng)之后可有效降低成本。

（3）阿里安－6火箭采用定性和定量分析相結(jié)合的篩選方式，確保方案最優(yōu)

從歐洲新一代運(yùn)載器的方案選擇過程中可以看到，阿里安－6火箭在方案研究階段就充分考慮到了成本、需求、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)布局以及風(fēng)險(xiǎn)等各方面的因素。通過不斷細(xì)化影響因素，進(jìn)行定性與定量分析之后最終獲得合理的、最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

（4）歐洲高度重視下一代運(yùn)載器的技術(shù)預(yù)研，為發(fā)展后續(xù)型號奠定基礎(chǔ)

歐洲自2003年就開始執(zhí)行未來運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃（FLPP），通過多個技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目發(fā)展下一代運(yùn)載器的關(guān)鍵技術(shù)，并逐步提高其技術(shù)的成熟度，為系統(tǒng)方案奠定了良好的基礎(chǔ)。這些驗(yàn)證計(jì)劃包括：過渡性試驗(yàn)飛行器（IXV）、低溫上面級技術(shù)（CUST）驗(yàn)證機(jī)、大推力發(fā)動機(jī)（HTE）驗(yàn)證機(jī)和固體推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)。其中IXV將瞄準(zhǔn)可重復(fù)使用再入返回技術(shù)，其余均為下一代運(yùn)載器的動力技術(shù)。其新技術(shù)的發(fā)展遵循“項(xiàng)目驅(qū)動技術(shù)發(fā)展，技術(shù)帶動方案形成”的思路。