失敗+推遲，歐洲運(yùn)載火箭何去何從？

文/張晨

▲織女星C 火箭第二次飛行，未曾料到它再次星沉大海

近期，歐空局公布了織女星C 火箭VV22 發(fā)射失利的原因，將“鍋”甩給了一個烏克蘭制造的噴管喉部組件。如此糟糕的品控，加上歐空局主席暗示“阿里安6”將無法于2023 年底發(fā)射升空，歐洲運(yùn)載火箭的落魄值得我們思考：為什么歐洲的運(yùn)載火箭退步到了這種地步？

“織女星”的第三次失利

隨著歐空局織女星運(yùn)載火箭在2019 年和2020 年相繼失利，歐洲航天持續(xù)十幾年的連續(xù)成功記錄被打破。VV15 的失利直接使得一家老牌保險公司退出了航天保險業(yè)，而VV17因?yàn)樗募壔鸺€纜插反導(dǎo)致發(fā)射失利也是令人匪夷所思。再加上2018 年的“阿里安5”發(fā)射程序裝訂錯誤導(dǎo)致未能將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，短短3年間3 起事故，不由讓人對歐空局的可靠性產(chǎn)生質(zhì)疑。當(dāng)時“阿里安6”和“織女星C”火箭仍然瞄準(zhǔn)2020年底首飛，但事實(shí)證明，這僅是一個美好的愿望而已。

直到2022 年7 月，“織女星C”火箭VV21 才首飛成功。但就在幾個月后的2022 年12 月，“織女星C”火箭第二次飛行，VV22 火箭發(fā)射2顆“昴星團(tuán)-NEO”高分辨率成像衛(wèi)星時，火箭成功起飛，但在第二級飛行階段出現(xiàn)嚴(yán)重故障。兩顆衛(wèi)星僅達(dá)到了110 千米高度，最終墜落在大西洋中。

作為“織女星C”的抓總方，歐空局在經(jīng)過6 個月的調(diào)查后宣布，問題出自烏克蘭的碳纖維噴管喉襯?；鸺w行過程中該有缺陷的喉襯被燒穿導(dǎo)致飛行姿態(tài)失控，發(fā)射失利。烏克蘭方面則強(qiáng)烈駁斥該結(jié)論，宣稱自己的產(chǎn)品沒有問題。歐空局稱需要一定時間來開發(fā)可以替代烏克蘭產(chǎn)品的新材料，因此“織女星C”火箭的復(fù)飛將推遲到2024 年，并且復(fù)飛的載荷也是極其重要的“哨兵-1C”合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。歐空局還有2 發(fā)“織女星”火箭庫存，“織女星”VV23 火箭將在2023 年夏末發(fā)射升空，以勉強(qiáng)維持歐空局所剩無幾的航天發(fā)射活動。

為了維持“獨(dú)立自主”的名聲，歐空局甚至不愿意提前使用“獵鷹9”發(fā)射“哨兵-1C”衛(wèi)星（“哨兵-1A”已經(jīng)因?yàn)楣收隙艘郏?C 很緊迫了），而是要求必須由“織女星C”火箭復(fù)飛發(fā)射這顆衛(wèi)星。這是一項(xiàng)很冒險的舉動。那么，歐洲為什么會有這樣的舉動呢？

▲即將由“織女星C”VV22 火箭發(fā)射的兩顆“昴星團(tuán)-Neo”衛(wèi)星

斷檔的局面

由于俄烏沖突持續(xù)，歐空局拒絕繼續(xù)使用并且扣押了由俄羅斯生產(chǎn)的“聯(lián)盟ST”運(yùn)載火箭?！皻W幾里得”巡天望遠(yuǎn)鏡無法發(fā)射升空，目前已經(jīng)選擇由“獵鷹9”火箭在2023 年7月發(fā)射。而一網(wǎng)衛(wèi)星也被迫重新尋找發(fā)射服務(wù)商，目前已由“獵鷹9”和印度火箭發(fā)射了數(shù)批次。

而更加重要的大型運(yùn)載火箭——“阿里安6”首飛已經(jīng)推遲到了2024年。最后一發(fā)“阿里安5 ECA+”火箭計劃在2023 年6 月21 日發(fā)射。在2023 年6 月至9 月這段時間，歐洲將沒有任何運(yùn)載火箭可用；9 月到年底期間，也只有幾乎退役狀態(tài)的“織女星”運(yùn)載火箭可以用于發(fā)射。所以，近期歐洲幾乎無法依靠自己的運(yùn)載火箭進(jìn)入太空。

目前，歐空局擁有在研和在役的運(yùn)載火箭4 款，包括即將退役的大型運(yùn)載火箭“阿里安5 ECA+”和尚未首飛的“阿里安6”；以及目前在排查故障的小型運(yùn)載火箭“織女星C”，和已中止采購的中型運(yùn)載火箭“聯(lián)盟ST”。這些運(yùn)載火箭構(gòu)成了2～20 噸的運(yùn)載能力梯度區(qū)間。原計劃于2020年首次發(fā)射的“阿里安6”擬在早期發(fā)射中逐步積攢可靠性和聲望，在2022—2023 年“阿 里 安5 ECA+”火箭退役后，不出意外的話可擁有10次發(fā)射成功記錄，以完美替代上一代火箭，投入商業(yè)發(fā)射和政府發(fā)射服務(wù)。然而，計劃總是趕不上變化。

2016 年，美國私營航天企業(yè)太空探索技術(shù)公司在海上成功回收了一個小火箭，并在此后數(shù)年間橫掃全世界商業(yè)航天發(fā)射市場，以低成本和高履約能力卷走了該市場幾乎80%的商業(yè)發(fā)射服務(wù)。2020 年新冠肺炎疫情席卷全球，對各國的航天發(fā)射都造成了不小的影響。“阿里安6”先是因?yàn)楣ぷ魅藛T大量感染而進(jìn)度推遲，隨后發(fā)射場甚至因此被封停。但隨著時間一點(diǎn)一點(diǎn)過去，“阿里安6”推遲的原因也變得越來越莫名其妙，甚至從2023 年第一季度直接毫無理由地推遲到2024 年。

截至目前，“阿里安6”雖然完成了模擬箭合練，但其一二級火箭均未完成全模塊靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)，完備度低得令人難以想象，完全不像一款已經(jīng)研發(fā)了近十年的運(yùn)載火箭。當(dāng)然，拉胯的不只是它的進(jìn)度，它預(yù)定的目標(biāo)更是已經(jīng)成為空中樓閣。

▲正在進(jìn)行測試的歐幾里得巡天望遠(yuǎn)鏡，最初計劃使用“聯(lián)盟號”在庫魯發(fā)射

▲阿里安6 火箭首次全箭合練

高昂的研發(fā)費(fèi)用

讓我們猜一猜“阿里安6”研發(fā)迄今用了多少錢。10 億？20 億？作為一款被歐空局宣稱為低成本的運(yùn)載火箭，它的開發(fā)價格是多少？

答案是40 億歐元，折合約300億人民幣。如果算上它的前世“阿里安5 ME”則可能超過50 億歐元?！翱椗恰毙⌒凸腆w火箭研制費(fèi)用為7.1億歐元，其第一級P80 固體火箭的研制費(fèi)用為7600萬歐元。而同時作為“阿里安6”助推器和“織女星C”火箭一子級的，通用固體火箭P120C，研發(fā)成本卻高達(dá)10 億歐元，是P80 的13 倍！

還記得“阿里安6”宣傳的低成本嗎？62 構(gòu)型7500 萬美元一發(fā)，64 構(gòu)型9000 萬美元一發(fā)，是“阿里安5 ECA+”火箭的一半。然而這個價格需要該火箭達(dá)到每年6 次政府載荷發(fā)射+3 次商業(yè)發(fā)射的頻率，并且在政府給出的補(bǔ)貼下才能將價格降低到這個程度。歐空局最初預(yù)計“阿里安6”將以此頻率或更高的頻率發(fā)射到2040—2045 年才退役，大約將發(fā)射200 發(fā)。

但是顯然，“阿里安6”在目前被某個強(qiáng)有力的競爭對手爆殺，所謂的預(yù)計退役年份和發(fā)射頻率全部化為空中樓閣。2023 年3 月23 日歐空局理事會指出，歐洲在全球商業(yè)發(fā)射市場的份額從十年前的近50%，下降到現(xiàn)在的“幾乎退出市場”。目前“阿里安6”確定的發(fā)射訂單僅有30 次，而其中只有六分之一來自于傳統(tǒng)商業(yè)發(fā)射服務(wù)。剩下的全部屬于政府任務(wù)，畢竟自己的火箭，再難用也得保證一個獨(dú)立自主。是歐洲傳統(tǒng)衛(wèi)星制造商和政府，在想盡辦法使用各種專利壁壘強(qiáng)行給“阿里安6”輸血的情況下，才勉強(qiáng)保住了這30 次訂單。以目前的訂單數(shù)量，“阿里安6”的發(fā)射頻率估計會維持在在每年1～3 發(fā)左右。作為對比，預(yù)計今年“獵鷹9”的發(fā)射量將達(dá)到100 發(fā)。

保守的代價

如果歐洲人真的想要更強(qiáng)的運(yùn)載能力，那么就應(yīng)該在2000 年進(jìn)一步開發(fā)“阿里安5 ME”火箭，發(fā)展更低成本的工藝，簡化HM-60A 氫氧發(fā)動機(jī)等以降低成本。但實(shí)際上“阿里安5 ECA”在此之后再無大改，完全就是啃老本。因?yàn)闅W洲有著極其優(yōu)秀的發(fā)射場選址，位于法屬圭亞那庫魯?shù)暮教彀l(fā)射場位于北緯4°，從這里發(fā)射進(jìn)入地球靜止軌道可以節(jié)省下20%的推進(jìn)劑，因此衛(wèi)星的復(fù)雜度可以有效降低。所以有些衛(wèi)星用戶寧可選擇相對貴一點(diǎn)的歐洲運(yùn)載火箭，也不會選擇某些雖然便宜但容易出問題的運(yùn)載型號。

而歐空局也似乎并不在乎技術(shù)進(jìn)步和市場。在2010 年代早期，歐空局想的一直是增加就業(yè)和投資，對開拓市場、危機(jī)意識、降本增效并不重視。甚至在2019—2020 年期間，歐空局的官僚們還在懷疑“獵鷹9”的發(fā)射效率，并且在報告中大談“獵鷹9”是依靠美國政府的大量補(bǔ)貼和投入才達(dá)到的如此效率。況且，雖然歐洲擁有大量的商業(yè)訂單，但其中大部分來自于本土企業(yè)服務(wù)和政府發(fā)射服務(wù)，因此還是存在一定程度上的內(nèi)循環(huán)。與美國、俄羅斯等發(fā)射服務(wù)商的內(nèi)卷不同，歐洲只有阿里安公司一家獨(dú)大。這也是為什么歐洲各個運(yùn)力區(qū)間都只有一款運(yùn)載火箭，因?yàn)闆]有卷的動力。因此，當(dāng)品控崩潰和更高效的發(fā)射服務(wù)出現(xiàn)的時候，一系列的連鎖事件就會發(fā)生。

歐空局的主要液體運(yùn)載火箭技術(shù)來自于法德兩國，固體運(yùn)載火箭技術(shù)來自于意大利。長期以來，德國主推各種純液體火箭方案，但是要給意大利等成員國分配工作量，因此固體助推器是無法避開的。法國出于制衡德國影響力的考慮，支持構(gòu)型復(fù)雜生產(chǎn)鏈條長的設(shè)計。這正是“阿里安6”早期出現(xiàn)的各種純固體捆綁起飛方案的來源。歐空局自己內(nèi)部矛盾也不小，出于多國實(shí)力和資源調(diào)配與制衡的原因，構(gòu)型設(shè)計遲遲無法達(dá)到最優(yōu)。與此同時，雖然各國互相牽制，但對于新興的私營航天，歐空局給出的資助少之又少，只有千萬歐元級別。這也歐洲至今仍然沒有民營軌道級火箭出現(xiàn)的原因。

▲阿里安5 ME 和最初阿里安6 火箭的對比

▲全固體起飛級版“阿里安6”火箭

為什么近年來歐洲運(yùn)載火箭的研發(fā)止步不前呢？得益于某些國家政府對航天發(fā)射“獨(dú)立自主”的要求，無論代價多大也要保證擁有自己的軌道運(yùn)輸能力，于是歐空局通過“適當(dāng)推遲”要求政府補(bǔ)貼資金以推進(jìn)項(xiàng)目。而通過P120C 的開發(fā)成本就可以看出，10 億歐元里真正流到項(xiàng)目里的到底有多少，實(shí)在是難以確定。歐空局甚至開始宣傳和卡納拉維拉爾角相同的1800 米/秒地球靜止轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射服務(wù)，完全是把自己的核心競爭優(yōu)勢都丟掉了。問題在于，庫魯?shù)脑撥壍?，是一個遠(yuǎn)地點(diǎn)23200 千米的亞同步轉(zhuǎn)移軌道，真要讓“阿里安6”去打這么個軌道，還不如用“獵鷹9”這種便宜皮實(shí)量大還準(zhǔn)時的火箭發(fā)射。

實(shí)際上如果真的要提升競爭力，完全可以繼續(xù)建造“阿里安5 ECA+”，造100 發(fā)，把40 億歐元的研發(fā)費(fèi)用分?jǐn)偟矫恳话l(fā)上補(bǔ)貼4000萬歐元，商業(yè)競爭力倒是真比“獵鷹9”要強(qiáng)。而大量資金投入到“阿里安6”項(xiàng)目中的代價就是，兩個旗艦級空間天文臺“歐幾里得”和“雅典娜”（Athena）的撥款一共只有10 億歐元左右。

▲ASTRIS 上面級

不甘與退讓

在討論路線之前，首先要了解一下“阿里安6”是否達(dá)到了預(yù)期。

首先就是前幾年歐洲吹的很高大上的，位于“阿里安6”二級的APU渦輪發(fā)電裝置。該裝置采用二子級蒸發(fā)的氫和氧進(jìn)行燃燒，推動渦輪機(jī)發(fā)電，以支持該火箭末級滑行6 個小時。“阿里安6”64 構(gòu)型預(yù)計可以將約5噸載荷送入地球靜止軌道。然而燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)的性能并沒有達(dá)到預(yù)期。在2022 年國際宇航大會上，ASTRIS常溫上面級的出現(xiàn)徹底坐實(shí)了“阿里安6”的低溫級直送靜止軌道能力被移除，而二級長滑行能力也被壓縮到1.5 個小時，即1 圈。

“阿里安6”的第二級性能更遠(yuǎn)低于預(yù)期。最初歐空局試圖將整個火箭使用通用的5.4 米直徑，但是這樣會把二級的液氧儲箱攤成“大餅”，結(jié)構(gòu)系數(shù)很差并且推進(jìn)劑管理也很麻煩。二級最后縮減了液氧儲箱的直徑，但仍然保留了外部殼體，于是導(dǎo)致二級質(zhì)量飆升。雖然“阿里安6”的質(zhì)量飆升至860 噸，其運(yùn)載能力仍然和“阿里安5 ECA+”火箭持平。因此，“阿里安6”在政府載荷和常規(guī)商業(yè)載荷發(fā)射服務(wù)中和“阿里安5 ”火箭相比并沒有多大優(yōu)勢，而缺乏直送能力使得其更難和“重型獵鷹”、“火神”等具備復(fù)用能力的新型運(yùn)載火箭競爭。

▲阿里安宇航總部中的”阿里安6“火箭二子級

受獵鷹9 火箭依靠復(fù)用帶來低成本的影響，近年來歐空局也開始研究復(fù)用運(yùn)載火箭。包括使用“普羅米修斯”100 噸液氧甲烷發(fā)動機(jī)，可復(fù)用的“下一代阿里安”運(yùn)載火箭概念被提出。“下一代阿里安”運(yùn)載火箭的目標(biāo)是將“阿里安6”的發(fā)射成本再降低一半，每次發(fā)射成本不超過3500萬歐元，一年發(fā)射至少17 次，最多25 次。“下一代阿里安”運(yùn)載火箭中9 發(fā)起飛方案的質(zhì)量達(dá)到790 噸，但地球靜止轉(zhuǎn)移軌道一次性運(yùn)載能力僅為6.6 噸，復(fù)用下運(yùn)載能力4.5 噸，運(yùn)載效率和“獵鷹9”火箭天差地別。而且其設(shè)計遠(yuǎn)未定稿，甚至沒有一個大致的方案。

雖然“阿里安6”存在未首飛即落后的情況，但歐空局也不愿意拋棄已經(jīng)使用了30 多年的氫氧起飛級。因此，歐空局在2022 年提出了復(fù)用甲烷助推器方案，將P120C 固體火箭助推器更換為使用3 臺“普羅米修斯”的“液體可復(fù)用助推器”。每個助推器使用3 臺“普羅米修斯”發(fā)動機(jī)，但3 發(fā)模塊回收對發(fā)動機(jī)的變推比要求極高，尤其是對噴注器的設(shè)計要求更高。歐洲是否有能力研發(fā)此類發(fā)動機(jī)還有待觀察。并且一次發(fā)射回收4個模塊帶來的復(fù)雜地面操作流程也會進(jìn)一步增加每次發(fā)射的負(fù)擔(dān)，其效費(fèi)比肯定遠(yuǎn)低于“獵鷹9”，更不用說無法回收的氫氧芯級，甚至存在復(fù)用帶來的成本收益低于代價的可能。

▲歐空局關(guān)于阿里安6 火箭后再下一代太空運(yùn)輸系統(tǒng)的展望

▲“阿里安6”和“下一代阿里安”的對比

▲使用“可重復(fù)使用液體助推器”的改進(jìn)型阿里安6 火箭

歐洲航天工業(yè)在最近十年以可見的速度衰落，而“織女星C”失敗和“阿里安6”持續(xù)推遲則是這歐洲航天頹勢的縮影。這也警示我們，技術(shù)更新和互相競爭是必要的，如果一味使用常規(guī)技術(shù)和依靠內(nèi)循環(huán)麻痹自己，總有一天會被更加高效的競爭對手超越。