織女星-C成功首飛開啟歐洲航天運(yùn)輸新時(shí)代

隋陽(北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所)

1 織女星-C 火箭首次發(fā)射任務(wù)飛行情況

織女星﹣C 首飛任務(wù)共將7 個(gè)載荷發(fā)射入軌，包括主載荷意大利激光相對(duì)論衛(wèi)星－2（LARES－2）和6 顆立方星，且主載荷與搭載載荷的部署軌道高度不同，LARES－2 衛(wèi)星軌道高度5893km，6 顆立方星軌道高度為5841km，載荷總質(zhì)量474kg。發(fā)射任務(wù)持續(xù)2h15min32s，上面級(jí)AVUM﹢總計(jì)進(jìn)行5 次點(diǎn)火啟動(dòng)，第2 次點(diǎn)火關(guān)機(jī)后1min，將主載荷釋放至5893km 高度軌道。第4 次點(diǎn)火關(guān)機(jī)后在5841km 高度軌道，每隔1s 釋放1 顆立方星，總共釋放了6 顆。在第5 次點(diǎn)火后，AVUM﹢開啟鈍化離軌程序。

織女星-C 火箭首飛飛行時(shí)序

2 織女星-C 火箭概況

織女星﹣C 直徑3.4m，高34.8m，起飛質(zhì)量210t，700km 太陽同步軌道（SSO）的最大運(yùn)載能力2.2t，相比“織女星”火箭運(yùn)載能力提升了800kg?？椗签丆 在“織女星”火箭的基礎(chǔ)之上升級(jí)改進(jìn)而來，為四級(jí)構(gòu)型，仍采用3 個(gè)固體子級(jí)和1 個(gè)常溫液體上面級(jí)。3 個(gè)固體子級(jí)的推進(jìn)劑均為端羥基聚丁二烯（HTPB）。

織女星﹣C 火箭的一級(jí)采用P120C 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，相比“織女星”一級(jí)采用P80 發(fā)動(dòng)機(jī)，直徑從3m 增至3.4m，高13.5m，推進(jìn)劑質(zhì)量143.6t，平均推力4500kN，外殼為厚25cm 的一段式碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。P120C 發(fā)動(dòng)機(jī)由艾唯歐公司研制，是目前世界上推力和規(guī)模最大的一段式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，殼體采用預(yù)浸漬碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料纖維纏繞與鋪放法制成。除了作為織女星﹣C 火箭一級(jí)，P120C發(fā)動(dòng)機(jī)還將作為阿里安－6（Ariane－6）火箭固體捆綁助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)。通過兩型火箭共用，可提高P120C 的批產(chǎn)數(shù)量，降低單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本。

織女星-C 火箭基本構(gòu)型參數(shù)

織女星﹣C 火箭的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為新研制的Zefiro－40 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑質(zhì)量36.2t，平均推力1304kN?；鸺?jí)采用Zefiro－ 9 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，與“織女星”火箭相同，推進(jìn)劑質(zhì)量10.5t，平均推力為314kN。火箭第四級(jí)為AVUM﹢常溫液體上面級(jí)，可精確定位不同軌道高度以滿足釋放不同軌道載荷需求。該模塊還具有鈍化功能，任務(wù)結(jié)束后不會(huì)產(chǎn)生太空碎片。織女星﹣C 的整流罩長(zhǎng)9m，直徑3m，尺寸相比“織女星”火箭直徑2.6m的整流罩也有明顯提升。

織女星﹣C 火箭的二級(jí)、三級(jí)的級(jí)間段采用碳纖維螺旋單向筋密集網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，采用碳纖維連續(xù)沉積工藝制造出主結(jié)構(gòu)后，再灌注環(huán)氧樹脂。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外側(cè)覆蓋碳纖維薄層蒙皮，也具備一定的承載能力。通過上述結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)，織女星﹣C 的級(jí)間段質(zhì)量降至165kg，且可承受質(zhì)量為430t 的載荷。

3 “織女星”系列火箭的未來發(fā)展

“織女星”火箭在歐洲的航天運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，是構(gòu)成歐洲獨(dú)立進(jìn)入空間能力的重要一環(huán)。截至2022 年6 月，“織女星”火箭共執(zhí)行了20 次發(fā)射任務(wù)，大部分是為歐洲各國(guó)政府機(jī)構(gòu)發(fā)射衛(wèi)星。目前“織女星”系列火箭正在升級(jí)研發(fā)迭代演變，歐洲在“織女星”火箭基礎(chǔ)上發(fā)展了織女星﹣C 和織女星﹣E 兩型改進(jìn)型火箭。在2025 年后，新型火箭將與阿里安－6 火箭一道進(jìn)一步提高歐洲航天運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)力。這也是歐洲面對(duì)全球航天運(yùn)輸市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)作出的回應(yīng)，歐洲航天將基于構(gòu)建通用模塊配置打造系列火箭產(chǎn)品。

（1）俄烏沖突給織女星-C 帶來不確定性

盡管織女星﹣C 火箭首飛取得成功，但是俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)給織女星﹣C 火箭的未來發(fā)展帶來了不確定性，因其AVUM﹢上面級(jí)采用了烏克蘭南方機(jī)械制造廠生產(chǎn)的RD－869 常溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著俄烏之間沖突持續(xù)，導(dǎo)致該型發(fā)動(dòng)機(jī)將斷供。目前，歐洲庫(kù)存的6 臺(tái)RD－869 常溫液體發(fā)動(dòng)機(jī)可以保證“織女星”和織女星﹣C 的發(fā)射任務(wù)延續(xù)到2023 年。為此，歐洲一方面為AVUM﹢上面級(jí)尋求替代發(fā)動(dòng)機(jī)，另一方面則是進(jìn)一步提升能力，研發(fā)后續(xù)改進(jìn)型號(hào)——織女星﹣E 運(yùn)載火箭。

（2）織女星-E 研制項(xiàng)目或?qū)⑦M(jìn)一步提速

織女星﹣E 為三級(jí)構(gòu)型，其一、二級(jí)與織女星﹣C相同，三級(jí)為液氧甲烷動(dòng)力的低溫上面級(jí)，取代織女星﹣C 火箭的固體三級(jí)與AVUM﹢常溫液體上面級(jí)，運(yùn)載能力提升20%，成本降低20%，計(jì)劃2026 年實(shí)現(xiàn)首飛。艾唯歐公司正在加快織女星﹣E 三級(jí)采用的M10 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，已于2022 年5 月6 日完成首次點(diǎn)火試車。M10 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力98kN，比沖362s，采用膨脹循環(huán)，具備多次點(diǎn)火啟動(dòng)能力。M10 發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用3D 打印技術(shù)，制造速度快，成本低。

織女星-C 二、三級(jí)級(jí)間段網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

"織女星"系列火箭未來發(fā)展構(gòu)型規(guī)劃圖

（3）搭配不同模塊構(gòu)建織女星航天系統(tǒng)

隨著不斷的升級(jí)與發(fā)展，“織女星”系列火箭不斷改進(jìn)提升推力，艾唯歐公司還在構(gòu)建織女星航天系統(tǒng)，在上面級(jí)配備多種在軌部署的新型模塊化載荷適配器——AVUM 壽命擴(kuò)展模塊（ALEK），可更加靈活地將不同質(zhì)量、不同功能的有效載荷分別部署入軌。ALEK 模塊有三種構(gòu)型，可直接連接適配器，適配器有四種類型。三種模塊可以搭配任意一種適配器，大大增加模塊通用化水平。

4 織女星-C 成功首飛對(duì)歐洲航天的意義

（1）擺脫對(duì)俄羅斯依賴

自俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)開始，歐洲對(duì)俄羅斯采取經(jīng)濟(jì)制裁措施后，俄羅斯中止了俄歐之間的聯(lián)盟﹣ST 火箭合作項(xiàng)目，撤離了全部技術(shù)人員。聯(lián)盟﹣ST 火箭在庫(kù)魯?shù)陌l(fā)射任務(wù)全部遭受影響。聯(lián)盟﹣ST 火箭此前一直作為歐洲進(jìn)入空間能力的重要組成部分，彌補(bǔ)了“織女星”火箭和阿里安－5 火箭之間的運(yùn)載能力斷檔的空白，為“伽利略”（Galileo）導(dǎo)航衛(wèi)星、“哨兵”（Sentinel）偵察衛(wèi)星等重要的政府載荷提供發(fā)射機(jī)會(huì)。俄烏沖突導(dǎo)致聯(lián)盟﹣ST 的后續(xù)任務(wù)遭受嚴(yán)重影響，歐洲自主進(jìn)入空間能力的缺陷充分暴露。為了解決上述問題，擺脫對(duì)俄羅斯聯(lián)盟﹣ST 火箭的依賴，歐洲此前已經(jīng)規(guī)劃了未來“織女星”系列與“阿里安”系列火箭的發(fā)展路徑，織女星﹣C 和織女星﹣E 將SSO 運(yùn)載能力提升到了2t 以上，阿里安－6 未來兩型火箭將采用“織女星”一級(jí)模塊化助推構(gòu)型，未來將能夠替代聯(lián)盟﹣ST 執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。此次織女星﹣C的成功發(fā)射也意味著歐洲向著完全自主進(jìn)入空間能力邁出了重要的一步。

（2）模塊通用化降低成本

ESA 作為統(tǒng)籌歐洲航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)構(gòu)，在織女星﹣C 和阿里安－ 6 兩型火箭的規(guī)劃論證和研制過程中，提出共用P120C 發(fā)動(dòng)機(jī)的方案，通過提高批產(chǎn)數(shù)量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本。根據(jù)ESA 目標(biāo)，阿里安－ 6 火箭未來最終的目標(biāo)年產(chǎn)量為12 枚，僅阿里安－ 6 火箭每年就需要24～48 臺(tái)P120C 固體發(fā)動(dòng)機(jī)，織女星﹣C 與之共用，必然進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)年產(chǎn)數(shù)量。在相同前期研發(fā)和生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)投入下，批產(chǎn)數(shù)量提升必然能夠攤薄成本，大大增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）提高了衛(wèi)星部署靈活性和任務(wù)適應(yīng)能力

織女星第四級(jí)從先前AVUM 基礎(chǔ)上改進(jìn)為AVUM﹢，攜帶更多推進(jìn)劑，在軌時(shí)間有效延長(zhǎng)，通過多種在軌部署分配器直接連接主副衛(wèi)星載荷，并可以實(shí)現(xiàn)將不同軌道、不同質(zhì)量的衛(wèi)星依次部署入軌，具有多次點(diǎn)火、關(guān)停能力，任務(wù)適應(yīng)性更好，靈活性更強(qiáng)，可面向更多服務(wù)客戶，提高在世界航天運(yùn)輸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。尤其是搭配“太空騎士”飛行器，還可能為歐洲重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。