“阿里安-1”開啟歐洲商業(yè)航天大門

文/林麟 詩羽

20世紀(jì)70年代，歐洲各國決定在太空探索領(lǐng)域展開更進(jìn)一步的合作，并于1975年成立了一個(gè)新的泛國家組織來承擔(dān)這一使命，即歐空局。在此之前的一段時(shí)間里，法國一直在游說歐洲各國聯(lián)合開發(fā)“第三代替代運(yùn)輸器”，以替代早期的“歐羅巴”系列運(yùn)載火箭。

1973年9月21日，法德兩國正式簽署“第三代替代運(yùn)輸器”開發(fā)協(xié)議，目的是用運(yùn)載火箭將商業(yè)衛(wèi)星送入地球軌道。而同期的運(yùn)載火箭大部分是服務(wù)于軍隊(duì)或政府機(jī)構(gòu)，甚至是由彈道導(dǎo)彈改裝而來。

“第三代替代運(yùn)輸器”作為一個(gè)跨國研制項(xiàng)目，被視為是對歐空局的一次重要考驗(yàn)，這一項(xiàng)目的命運(yùn)在當(dāng)時(shí)對歐空局的未來將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

▲法國航空航天博物館中的“阿里安-1”模型

研制歷程

法國可以說是“第三代替代運(yùn)輸器”項(xiàng)目的最大利益相關(guān)者，因此法國的相關(guān)企業(yè)擔(dān)任了這一項(xiàng)目的主承包商，負(fù)責(zé)火箭的總體生產(chǎn)與設(shè)計(jì)工作并研發(fā)火箭的第一、二級發(fā)動(dòng)機(jī)。第三級發(fā)動(dòng)機(jī)由法國和德國聯(lián)合研制，英國和瑞典的部分企業(yè)也參與了這一項(xiàng)目。

在項(xiàng)目推進(jìn)過程中，研究人員認(rèn)為“第三代替代運(yùn)輸器”這一名稱缺乏公眾吸引力，因此，決定在“獵戶座”“鳳凰”“天琴座”“織女星”等候選名稱中為其選擇一個(gè)正式的名稱。最終法國工業(yè)和科學(xué)發(fā)展部部長讓·夏博內(nèi)爾選擇了“阿里安”，這個(gè)女性名字寓意著：喜創(chuàng)造和藝術(shù)，不喜墨守成規(guī)。

1974年中期，由于“阿里安”項(xiàng)目耗資巨大，同時(shí)法國正在研制的其他幾個(gè)太空項(xiàng)目出現(xiàn)延誤或資金短缺，導(dǎo)致法國政府需要向法國國家空間研究中心提供更多的資金，因此“阿里安”火箭的研制工作曾一度暫停。

▲“阿里安-1”的局部構(gòu)造

“阿里安”的第三級使用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而在此之前僅有美國曾在上面級使用過，技術(shù)上面臨著巨大挑戰(zhàn)。雖然在研制過程中發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火測試時(shí)出現(xiàn)了一些問題，但并沒有影響到“阿里安-1”的總體研制進(jìn)程。后來，歐空局決定，在“阿里安-1”正式開始執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務(wù)之前，應(yīng)先進(jìn)行4次測試飛行，相關(guān)企業(yè)雖然可以使用這4次發(fā)射中的有效載荷空位，但并不能確保任務(wù)的成功。

為了承擔(dān)“阿里安-1”的發(fā)射任務(wù)，位于南美洲的法屬圭亞那航天中心進(jìn)行了大幅度改造，此前用于發(fā)射“歐羅巴”火箭的發(fā)射臺被重新命名，并換用了高度更低的基座和更高的勤務(wù)塔。

“阿里安-1”的生產(chǎn)工作由法國宇航公司承擔(dān)，火箭的每個(gè)分段由駁船通過塞納河運(yùn)送到法國北部的海港城市勒阿弗爾，再由遠(yuǎn)洋貨輪穿過大西洋運(yùn)送到法屬圭亞那，最后通過公路和鐵路將火箭組件運(yùn)送到航天中心進(jìn)行最終的總裝工作?？傃b工作完成后，火箭將通過移動(dòng)發(fā)射平臺移動(dòng)到發(fā)射臺，并儲存在一個(gè)全封閉的服務(wù)塔中，在此安裝有效載荷并進(jìn)行燃料加注和最終檢查。

▲“第三代替代運(yùn)輸器”的早期設(shè)計(jì)方案

▲“阿里安-1”的整流罩

▲“阿里安-1”第一級使用的“維京-2”發(fā)動(dòng)機(jī)

在“阿里安-1”進(jìn)行首次發(fā)射之前，有一些來自美國和英國的質(zhì)疑，認(rèn)為各國為這一項(xiàng)目付出的努力是一種“昂貴的放縱”，可能是“不必要的”。這是因?yàn)槊绹詈骄珠_發(fā)的可重復(fù)使用航天系統(tǒng)——航天飛機(jī)即將投入使用，這可能將使“阿里安”系列火箭失去競爭優(yōu)勢。在1979年初，“阿里安-1”僅有3位客戶。在同年年底，通信衛(wèi)星運(yùn)營商國際通信衛(wèi)星組織被說服下達(dá)了一個(gè)訂單，要求使用“阿里安-1”發(fā)射兩顆該機(jī)構(gòu)研制的通信衛(wèi)星，這被認(rèn)為是“阿里安”系列火箭的重大突破，因?yàn)閬碜試H通信衛(wèi)星組織的航天發(fā)射訂單巨大，而這一組織當(dāng)時(shí)主要計(jì)劃由“阿里安”的競爭對手——美國的航天飛機(jī)作為發(fā)射其通信衛(wèi)星的主要航天器。而在宣布這一消息的一周之后，歐空局便宣布將生產(chǎn)10枚阿里安-1運(yùn)載火箭。

設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

阿里安-1運(yùn)載火箭全長約47.4米、最大直徑約3.8米、最大起飛質(zhì)量210噸，近地軌道運(yùn)載能力4.85噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力1.85噸。

有意思的是，“阿里安-1”到底算是三級還是四級火箭，一直存在爭議。該火箭為了將衛(wèi)星從地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)送到地球靜止軌道，特意配備了推進(jìn)部署系統(tǒng)，但一般不把它算作火箭結(jié)構(gòu)，而是歸類在有效載荷中，所以主流觀點(diǎn)認(rèn)為“阿里安-1”是三級火箭。

▲“阿里安-1”從改造后的法屬圭亞那航天中心發(fā)射臺發(fā)射升空

“阿里安-1”的第一級結(jié)構(gòu)重量約13.3噸，裝有約14.7噸的四氧化二氮/偏二甲基肼推進(jìn)劑，配備了4臺歐洲推進(jìn)公司開發(fā)的“維京-2”發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺最大推力約690千牛。而第二級則配備1臺“維京-4”發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)重量約3.9噸，裝有約3.4噸的四氧化二氮/偏二甲基肼推進(jìn)劑，最大推力約720千牛。第三級則是1臺采用液氫液氧推進(jìn)劑的HM7-A低溫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力約61千牛。用于將衛(wèi)星從地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)送到地球靜止軌道的推進(jìn)系統(tǒng)由1臺“法師-1”固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)，采用端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑，最大推力約20千牛。

“阿里安-1”的電子設(shè)備艙位于箭體上部，裝有用于制導(dǎo)、控制、程序遙測、自毀和跟蹤等所需的電子設(shè)備，重約325千克，這些設(shè)備分布在箭載計(jì)算機(jī)周圍。整流罩約重850千克，在火箭穿過大氣層時(shí)用來保護(hù)有效載荷，其下部尾段由可透過無線電波的材料制成。

服役歷程

為了急需證明“阿里安-1”的可靠性和商業(yè)價(jià)值，歐空局要求其必須在1979年底前進(jìn)行首次發(fā)射。“阿里安-1”的首次發(fā)射任務(wù)定于1979年12月15日，并在發(fā)射前38小時(shí)開始進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。但是在發(fā)射前1小時(shí)出現(xiàn)了技術(shù)問題，導(dǎo)致發(fā)射中止。歐空局不希望“阿里安-1”的首次發(fā)射任務(wù)因此推遲到1980年，于是決定嘗試第二次點(diǎn)火發(fā)射。然而，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)達(dá)到零時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后3秒，由于傳感器的錯(cuò)誤信息顯示發(fā)動(dòng)機(jī)壓力一直在下降，箭載計(jì)算機(jī)自行決定切斷發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供給，此次發(fā)射中止。

再次發(fā)射的日期定在了12月23日，但由于天氣問題延期至24日。當(dāng)天，時(shí)任法國總統(tǒng)吉斯卡爾·德斯坦親自按下發(fā)射按鈕，“阿里安-1”攜帶由意大利航空公司制造的有效載荷——“測試儀器系統(tǒng)”升空，發(fā)射取得圓滿成功。這可以稱得上是“獻(xiàn)給全歐洲以及法屬圭亞那航天中心數(shù)千名參與‘阿里安-1’開發(fā)、生產(chǎn)、發(fā)射任務(wù)的工人們的圣誕禮物”?！皽y試儀器系統(tǒng)”的主要任務(wù)是詳細(xì)測量火箭上升階段的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如噪音、應(yīng)力、加速度、溫度和壓力等。這一系統(tǒng)還被設(shè)計(jì)用于模擬真實(shí)的衛(wèi)星有效載荷，被成功送入近地點(diǎn)約182千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)約35824千米的地球同步轉(zhuǎn)移軌道上?！皽y試儀器系統(tǒng)”的成功部署標(biāo)志著曾經(jīng)被美國壟斷的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場向歐洲打開了大門。而在“阿里安-1”首飛成功后不久，法國國家空間研究中心與歐空局于1980年3月26日合資成立了一家新公司，旨在促進(jìn)、營銷和管理“阿里安”系列運(yùn)載火箭的研發(fā)、測試、生產(chǎn)、發(fā)射工作，并將這一公司命名為“阿里安航天”。

“阿里安-1”在1980年5月23日進(jìn)行了第二次發(fā)射，火箭起飛后不久因第一級上的一臺“維京-2”發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定而宣告失敗。此后1981年6月19日的第三次發(fā)射取得成功，將3顆衛(wèi)星送入軌道。而同年12月20日第四次也是最后一次資格認(rèn)證發(fā)射同樣取得了成功。

然而，在1982年9月10日進(jìn)行的第五次發(fā)射，也是“阿里安-1”執(zhí)行的首次商業(yè)發(fā)射任務(wù)中，火箭在起飛7分鐘后由于第三級發(fā)動(dòng)機(jī)的一臺渦輪泵出現(xiàn)故障，火箭停止工作，有效載荷未能入軌，任務(wù)宣告失敗。首次商業(yè)發(fā)射的失敗給“阿里安-1”的前程蒙上陰影，并引發(fā)了一系列針對“阿里安”項(xiàng)目的批評。

▲“阿里安-1”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

▲“阿里安-1”執(zhí)行第十次發(fā)射任務(wù)，成功將“喬托”哈雷彗星探測器送入太空

▲即將執(zhí)行首次發(fā)射任務(wù)的“阿里安-1”

在完成此次失敗的全面審查，并對第三級進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)后，“阿里安-1”于1983年6月16日順利執(zhí)行了第二次商業(yè)發(fā)射任務(wù)，成功將兩顆衛(wèi)星送入軌道。此后，“阿里安-1”又進(jìn)行了6次發(fā)射，全部取得成功。這也使得“阿里安”系列運(yùn)載火箭的訂單迅速增加，到1984年初，“阿里安”系列火箭總共獲得發(fā)射27顆衛(wèi)星的訂單，占當(dāng)時(shí)世界商業(yè)發(fā)射市場的一半。由于在商業(yè)發(fā)射上取得成功，“阿里安-1”在執(zhí)行第十次發(fā)射任務(wù)、成功將“喬托號”哈雷彗星探測器送入太空后，歐洲空間局將“阿里安”系列火箭的發(fā)射權(quán)限完全移交給了阿里安航天公司。

隨著衛(wèi)星尺寸、重量的不斷增加，“阿里安-1”的運(yùn)載能力漸顯不足。1986年2月22日，“阿里安-1”執(zhí)行第十一次、也是最后一次發(fā)射任務(wù)，將兩顆科學(xué)觀測衛(wèi)星成功送入軌道，完成了其歷史使命，將未來交給了它的后續(xù)型號?！鞍⒗锇?1”的成功，為這一系列運(yùn)載火箭打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使“阿里安”系列運(yùn)載火箭在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)了世界商業(yè)航天發(fā)射市場的主導(dǎo)地位。