歐日現(xiàn)役大型運(yùn)載火箭一探

郭彥江

2016年11月3日晚，我國新一代大推力、高可靠、無毒無污染運(yùn)載火箭長征五號發(fā)射成功。長征五號研制與發(fā)射成功將對構(gòu)建我國新一代無毒無污染運(yùn)載火箭型譜發(fā)揮重要的牽引和輻射作用，使我國運(yùn)載火箭整體技術(shù)水平向前邁進(jìn)一大步，是我國由航天大國逐步邁向航天強(qiáng)國的重要標(biāo)志。

長征五號為我國運(yùn)載火箭升級換代里程碑工程，其發(fā)射成功標(biāo)志著我國運(yùn)載火箭規(guī)模成功實現(xiàn)由中型到大型的跨越。也標(biāo)志著我國由航天大國邁向航天強(qiáng)國步伐加快。長征五號將進(jìn)入由美國的“宇宙神”-5、“德爾塔”-4，俄羅斯的“質(zhì)子”-M、“安哥拉”-5，歐洲的“阿麗亞娜”-5，日本的H-2系列運(yùn)載火箭為代表的大型運(yùn)載火箭市場。本文將主要介紹歐洲的“阿麗亞娜”-5、日本的H-2系列運(yùn)載火箭。

歐洲的“阿麗亞娜”-5

“阿麗亞娜”-5是繼“阿麗亞娜”-4之后歐空局推出的一種大型運(yùn)載火箭。研制這種火箭的設(shè)想可以追溯到1979年，當(dāng)時主要是想研制一種能把10噸重的“使神”號載人航天飛機(jī)送入200千米高的低地軌道的運(yùn)載火箭，具體方案是使用“阿麗亞娜”-4的L210第一級捆綁“阿麗亞娜”-3的固體助推器（當(dāng)時“阿麗亞娜”-4的液體助推器還沒研制），上面使用裝45噸推進(jìn)劑的低溫級，再上面裝“使神”號航天飛機(jī)或在用于向靜地軌道發(fā)射時裝H10第三級。此后火箭方案幾經(jīng)變動。

1985年1月，歐空局批準(zhǔn)了該火箭研制的預(yù)備性計劃;1987年11月在歐空局部長級會議上“阿麗亞娜”-5研制計劃正式得到批準(zhǔn)。

“阿麗亞娜”-5研制計劃的最初目標(biāo)是：可用于向靜地轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行單星或多星發(fā)射，單星發(fā)射運(yùn)載能力為6.8噸，雙星運(yùn)載能力為5.9噸;可把22噸重的“使神”號航天飛機(jī)送入100千米×463千米、傾角28.5度的轉(zhuǎn)移軌道;提供4.57米直徑的圓筒形典型有效載荷空間，以與美國航天飛機(jī)兼容;達(dá)到0.98的總可靠性指標(biāo);在發(fā)射“使神”號航天飛機(jī)時滿足0.999的安全性要求;實現(xiàn)成本方面的目標(biāo)，即在每年發(fā)射8次、其中4次是靜地轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射的前提下，在向靜地轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射雙星時成本要比使用“阿麗亞娜”-4低10%以上（相當(dāng)于單位重量發(fā)射成本降低45%）。1993年歐空局決定取消“使神”號航天飛機(jī)計劃，但對“阿麗亞娜”-5火箭的可靠性要求并沒有降低，要求達(dá)到0.985，即每發(fā)射70次才可以有一次失敗。

“阿麗亞娜”-5火箭的研制費(fèi)用由歐空局的14個成員國分擔(dān)，出資較多的法國、德國和意大利分別負(fù)擔(dān)46.2%、22%和15%。該項目的經(jīng)費(fèi)最初定為72億美元，加上20%的不可預(yù)見費(fèi)用，實際上包括可行性論證工作在內(nèi)總投資達(dá)86.8億美元。歐空局有一條原則，即出資國的出資最終將以補(bǔ)償合同的形式返還給出資國，因此“阿麗亞娜”-5火箭各組件的研制與生產(chǎn)工作都承包給了歐洲廠家。

火箭的總承包商是法國國家空間研究中心，法國宇航公司同過去一樣仍作為該火箭項目的總體承包商（歐空局稱之為“工業(yè)設(shè)計師”），負(fù)責(zé)總體、低溫主級和固體助推器。其它主要分包商還有德國奔馳宇航公司（負(fù)責(zé)上面級）、歐洲動力裝置制造公司（負(fù)責(zé)低溫主級與上面級的推進(jìn)裝置）、歐洲推進(jìn)公司（歐洲動力裝置制造公司與意大利BPD防御與空間公司的合資公司，負(fù)責(zé)固體助推器的推進(jìn)部分）、賴古勒斯公司（歐洲動力裝置制造公司與法國國家火炸藥公司的合資公司，負(fù)責(zé)固體推進(jìn)劑）、馬特拉·馬可尼航天公司（負(fù)責(zé)設(shè)備艙）、道尼爾公司（奔馳宇航的子公司，負(fù)責(zé)三星支架）和厄利孔-康特拉夫斯公司（負(fù)責(zé)整流罩）等。

工作人員為“阿麗亞娜”-5火箭裝配衛(wèi)星載荷

“阿麗亞娜”-5火箭在結(jié)構(gòu)上分為下部組合和上部組合兩大部分。下部組合與所執(zhí)行的發(fā)射任務(wù)無關(guān)，由低溫主級和兩臺大型固體助推器組成。上部組合在最初設(shè)計時分為載人和不載人兩種情況：不載人時它由上面級（用于向低地軌道、太陽同步軌道和靜地轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射）、設(shè)備艙、整流罩、多星發(fā)射支架和有效載荷適配器組成;載人發(fā)射時它就是裝在適配器上的“使神”號航天飛機(jī)?！笆股瘛碧栍媱澣∠笾皇Ｏ骂^一種情況，但要根據(jù)有效載荷的情況選配整流罩和多星支架。

“阿麗亞娜”-5可以把重6.8噸的單一有效載荷送入傾角5～12度的靜地轉(zhuǎn)移軌道，雙星和三星發(fā)射時這一能力分別為5.9噸和5.5噸。它還能把10噸重的衛(wèi)星送入800千米、傾角98.6度的太陽同步軌道，把18噸重的貨物送入550千米、28.5度的圓形低地軌道，70千米×300千米、傾角28.5度軌道的運(yùn)載能力為22.6噸。

“阿麗亞娜”-5的固體助推器代號P230或EAP（固體助推器級），共有兩臺，捆綁在芯級兩側(cè)。每臺助推器都可裝帶降落傘回收裝置，用于從海上回收，以對發(fā)動機(jī)、助推器殼體、殘留推進(jìn)劑和設(shè)備的工作情況進(jìn)行檢查，積累更多的發(fā)動機(jī)工作數(shù)據(jù)。目前計劃每年回收兩套助推器?；厥障到y(tǒng)所用的降落傘由俄一專業(yè)研究所生產(chǎn)?；厥昭b置裝在助推器前裙體內(nèi)，可根據(jù)需要快速拆裝，重量不到助推器本身重量的0.6%。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，目前還沒有重復(fù)使用固體助推器的打算。

固體助推器全長31.16米（其中發(fā)動機(jī)長26. 774米），主體直徑3.049米，分三大段澆注，采用丁羚推進(jìn)劑。每臺助推器總重為268噸，其中裝藥重量237.1噸（后、中、前段各為106.5噸，I07.6噸和23.0噸），噴管6.1噸，內(nèi)部絕熱層4.9噸，殼體19.7噸，點火裝10.3噸。藥型除前段在周向開15個矩形槽外，其余均為圓柱形內(nèi)孔燃燒，由下而上略呈錐形。 發(fā)動機(jī)的燃燒時間為129.4秒，起飛時的海平面推力為5250千牛（真空推力6000千牛），真空比沖2658?！っ?千克，總沖在610兆牛以上。出口直徑2.826米的噴管可利用分開90度安裝的兩個液壓作動器實現(xiàn)6度的偏轉(zhuǎn)（最大7度）。噴喉采用碳-碳燒蝕材料，直徑0.9米。

“阿麗亞娜”-5的第一級代號H155或EPC（低溫推進(jìn)級），又稱低溫主級，使用一臺燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的火神低溫氫氧發(fā)動機(jī)，該級長30.7米，直徑5.4米，起飛時重量為167.5噸。第二級級代號L9.7或EPS（可貯推進(jìn)級），采用開式循環(huán)的擠壓式可貯推進(jìn)劑艾斯塔斯發(fā)動機(jī)，該級長3.3米，直徑3.9米，推進(jìn)劑為6.5噸四氧化二氮和3.2噸單甲基肼，分裝在四個直徑1.41米的貯箱內(nèi)。艾斯塔斯發(fā)動機(jī)真空推力27. 5千牛，真空比沖3097?！っ?千克，燃燒時間（3次工作）總計為1100秒。發(fā)動機(jī)可擺動6度，以進(jìn)行俯仰和偏航控制。

“阿麗亞娜”-5的設(shè)備艙位于第二級發(fā)動機(jī)的外圍。與“阿麗亞娜”-4的設(shè)備艙不同，它帶有姿控系統(tǒng)，用于第一和第二級工作期間的滾動控制和工作結(jié)束后的三軸控制。

日本H-2A火箭總裝車間進(jìn)行吊裝作業(yè)

厄利孔一康特拉夫斯公司生產(chǎn)的整流罩直徑5.4米，有長型和短型兩種，可接納直徑4.57米的有效載荷。短型罩長12.7米，重2.3噸，長型罩長17米。由道尼爾公司制造的880千克重的三星發(fā)射支架（SPELTRA，即“阿麗亞娜”三星發(fā)射外部支撐結(jié)構(gòu)，類似于“阿麗亞娜”-4使用的SPEL-DA，即“阿麗亞娜”雙星發(fā)射外部支撐結(jié)構(gòu)）將使上部組合的高度增加5.66米，可用于雙星發(fā)射。

歐空局當(dāng)前主要使用“阿麗亞娜”-5運(yùn)載火箭完成發(fā)射任務(wù)，1996年“阿麗亞娜”-5火箭首次發(fā)射，在16年的歷史上曾出現(xiàn)“阿麗亞娜”-5G、“阿麗亞娜”-5G+、“阿麗亞娜”-5GS等型號，目前使用的型號為“阿麗亞娜”-5ECA和“阿麗亞娜”-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“阿麗亞娜”-5G系列火箭的成功業(yè)績，“阿麗亞娜”-5火箭延續(xù)了“阿麗亞娜”-4號運(yùn)載火箭在商業(yè)發(fā)射市場上的輝煌，而性能更為優(yōu)秀的“阿麗亞娜”-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“阿麗亞娜”-5火箭在商業(yè)發(fā)射市場上的優(yōu)勢。

現(xiàn)在，歐洲航天局正在研制“阿麗亞娜”-5ME，并繼續(xù)研發(fā)模塊化、低成本的后繼型號“阿麗亞娜”-6火箭。德國支持發(fā)展“阿麗亞娜”-5ME，將在2017年至2018年執(zhí)行飛行任務(wù);法國支持發(fā)展“阿麗亞娜”-6，預(yù)計在2020年后開始提供服務(wù)。與“阿麗亞娜”-5相比，“阿麗亞娜”-5ME采用了新的上面級，比目前的“阿麗亞娜”-5ECA型火箭的運(yùn)載能力提高20%，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力11.2噸?！鞍Ⅺ悂喣取?6的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力并不高，為3～8噸，但可靠性高于“阿麗亞娜”-5系列火箭，成本也比“阿麗亞娜”-5低，并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)射頻率。

日本的H-2系列火箭

H-2A火箭被視為日本的“天之驕子”，因為這一直徑4米，全長53米的兩級火箭技術(shù)十分先進(jìn)，可用于參與國際衛(wèi)星發(fā)射市場商業(yè)競爭。

與H-2相比，H-2A在設(shè)計上追求簡單和可靠，最大的變化是在由三菱重工制造的液體發(fā)動機(jī)和固體助推器上。它采用了改進(jìn)的第一級和第二級發(fā)動機(jī)、SRB-A大型捆綁固體助推器及貯箱，以簡化設(shè)計，降低生產(chǎn)和使用成本。

H-2A的第一級使用1臺推力為1100千牛的 LE-7A發(fā)動機(jī)（第一級上的LE-7發(fā)動機(jī)推力為845千牛）。為了簡化生產(chǎn)工藝，降低成本和風(fēng)險，它更多地采用了鑄造和機(jī)加工藝，減少了焊接。H-2火箭發(fā)動機(jī)共有98焊接點，而H-2A的發(fā)動機(jī)只有8處，這樣可提高可靠性和操作性能，因為火箭的發(fā)動機(jī)是整個火箭的心臟部，最容易發(fā)生問題的是焊接部位。

第二級用LE-5B取代了H-2第二級的LE-5A。LE-5B發(fā)動機(jī)推力為138千牛（LE-5A發(fā)動機(jī)的推力為117千牛）。另外，其貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計也作了改進(jìn)，由H-2的共底結(jié)構(gòu)整體式液氧液氫箱改為各自分開的液氧箱和液氫箱，這樣能簡化生產(chǎn)過程，提高安全性，但缺點是使重量有所增加。

其SRB-A固體火箭助推器采用了從美國引進(jìn)的整體制造技術(shù)，不再分段制造，降低了重量，提高了結(jié)構(gòu)完整性。H-2的SRB固體助推器采用聚丁二烯復(fù)合裝藥，分4段制造，每臺的推力為1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用復(fù)合推進(jìn)劑，但改用整體制造技術(shù)，從而降低了重量和低成本，提高了結(jié)構(gòu)的完整性，簡化了發(fā)射操作。新助推器的單臺推力也提高到了2254千牛。

由于H-2A采用新的LRB液體助推器，所以運(yùn)載火箭的支承結(jié)構(gòu)方案作了相應(yīng)改進(jìn)，由固體助推器支撐芯級方案改進(jìn)為芯級自身支撐方案。每臺LRB助推器使用2臺LE-7A發(fā)動機(jī)。

H-2A零部件比H-2減少了約20% ，發(fā)射費(fèi)用降到H-2的一半，基本與歐美持平。H-2一味追求100%國產(chǎn)化，而H-2A有許多零部件是從其他國家購買的（如第二級貯箱的一些組件），并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整體的設(shè)計可靠性為97.4%，H-2A為98.2%。

H-2A火箭可通過捆綁不同種類和數(shù)量的助推器分成5個子型號：一是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器的202型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為4.1噸;二是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個SSB小型固體助推器的2022型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為4.5噸;三是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和4個SSB小型固體助推器的2024型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為5.5噸;四是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和1個LRB液體助推器的222型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為7.5噸;五是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個LRB液體助推器的212型火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力為9.5噸。此外，沒有二子級1024型火箭專門用于發(fā)射日OPE-X驗證機(jī)。

地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為4.1噸、4.5噸和5噸的H-2A成本為7700萬美元，而地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力分別為7.5噸和9.5噸的H-2A成本為9500萬美元。

日本目前正在為研制H-3火箭開展技術(shù)論證。H-3為三級火箭，將取代現(xiàn)役兩級火箭H-2A和H-2B。其地球同步軌道運(yùn)載能力為4噸，在使用固體燃料助推器的情況下可達(dá)6噸。該火箭可能在2020年前后首飛，它將有助于日本發(fā)射大型商業(yè)衛(wèi)星、載人航天器和深空探測器，因為其發(fā)射費(fèi)用將比H-2A便宜20%到30%。

結(jié)束語

為了滿足日益增長的太空開發(fā)需求，人造地球衛(wèi)星、飛船和空間站、空間探測器等航天器的體積和重量越來越大，因而要求發(fā)射這些航天器的運(yùn)載火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向發(fā)展，為此，美國、俄羅斯、歐洲和日本都在積極研制新型大推力運(yùn)載火箭。

我國長征五號火箭的總體運(yùn)載能力已經(jīng)超過了歐洲的“阿麗亞娜”-5和日本的H-2B，將在航天發(fā)射市場占有重要地位。長征五號橫空出世，將推動我國航天事業(yè)快速發(fā)展。

責(zé)任編輯：彭振忠