歐洲重復(fù)使用運載火箭發(fā)展路線分析

王林（北京航天長征科技信息研究所）

歐洲作為世界主要航天地區(qū)之一，十分重視進(jìn)入空間能力和運載火箭技術(shù)，特別是在低溫氫氧推進(jìn)技術(shù)、大型商業(yè)載荷發(fā)射能力方面，處于較為先進(jìn)的水平。但近年來在垂直起降復(fù)用火箭技術(shù)發(fā)展如火如荼的背景下，歐洲的重復(fù)使用火箭技術(shù)發(fā)展卻相對緩慢。實際上，歐洲最初對垂直起降重復(fù)使用技術(shù)方案路線持觀望甚至是反對的態(tài)度，在太空探索技術(shù)公司（SpaceX）開展獵鷹－9（Falcon－9）火箭復(fù)用技術(shù)研究和驗證的過程中，空客公司（Airbus）在2015年提出了一子級發(fā)動機部段采用帶翼滑行的升力式技術(shù)方案——“艾德琳”（Adeline），雖為應(yīng)對措施，但并沒有得到實質(zhì)性的進(jìn)展。

在“獵鷹”系列火箭的垂直起降復(fù)用方案越來越成熟，技術(shù)、操作和經(jīng)濟(jì)性方面的可行性都得以證明后，歐洲也緊隨其后，積極開展方案論證，在歐洲航天局（ESA）層面上形成了較為清晰的規(guī)劃路徑和技術(shù)發(fā)展路線。

盡管如此，作為多國合作組織，本身要面臨很多管理上的問題，而歐洲航天機構(gòu)在重復(fù)使用技術(shù)上的積累也相對薄弱，未來經(jīng)費支持規(guī)模就相對有限，項目進(jìn)展也比較緩慢，前景仍存在不確定性。

1 背景環(huán)境

國際商業(yè)發(fā)射市場競爭優(yōu)勢不再

歐洲是國際商業(yè)發(fā)射市場上的重要力量，在最強勢的時期，其阿里安－5（Ariane－5）火箭曾占據(jù)了半數(shù)市場份額。然而，近年來因獵鷹－9火箭發(fā)射價格大幅降低，而且極高發(fā)射頻率提供了更多進(jìn)入空間機會，導(dǎo)致阿里安－5市場份額急劇下降。盡管歐洲航天局為阿里安－5火箭提供了更多財政補貼，并在新一代阿里安－6火箭上引入各種新理念、新技術(shù)，試圖大幅降低發(fā)射價格，但仍不能從根本上解決問題。為了保持歐洲在國際商業(yè)發(fā)射市場上的存在，繼續(xù)以商業(yè)發(fā)射市場收入支撐其運載火箭技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，勢必需要發(fā)展重復(fù)使用技術(shù)。

自主進(jìn)入空間能力遭受嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

2022年俄烏沖突爆發(fā)后，俄羅斯以中斷火箭和發(fā)動機國際合作來應(yīng)對西方制裁。歐洲從俄羅斯引進(jìn)的“聯(lián)盟”（Soyuz）ST火箭項目中止，“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星、“哨兵”（Sentinel）偵察衛(wèi)星等重要載荷發(fā)射受到嚴(yán)重影響，歐洲自主進(jìn)入空間能力上的缺陷暴露無遺。與此同時，阿里安－6火箭因為疫情以及各類技術(shù)問題，研制進(jìn)度嚴(yán)重滯后，2023年年底的首飛節(jié)點仍有再度推遲的風(fēng)險，而阿里安－5火箭僅有2枚可用，更新?lián)Q代過程中很可能會形成真空期。另外，“織女星”（Vega）系列小型火箭近年來也連續(xù)遭遇失利，使得歐洲的航天發(fā)射活動雪上加霜。因此，歐洲面對世界范圍內(nèi)發(fā)展重復(fù)使用火箭的大趨勢，在“阿里安”系列主力火箭更新?lián)Q代過程中，也更加積極地思考和調(diào)整未來發(fā)展路徑。

未來空間探索路線圖需要更全面的發(fā)射能力

歐洲航天局在2022年7月和2023年3月連續(xù)發(fā)布了《“新世界”2030+戰(zhàn)略路線圖》《太空革命：歐洲太空探索發(fā)展的現(xiàn)狀與愿景》兩份關(guān)于未來空間探索的規(guī)劃和倡議，充分表達(dá)了想要抓住航天產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的機遇，特別是空間探索從近地空間向地月空間轉(zhuǎn)移的節(jié)點上，既要與美國合作開展深空探索，也要突出自己的能力特色，發(fā)展近地軌道科研和駐留平臺、構(gòu)建自主載人登月能力、提升對火星的認(rèn)知程度，空間探索活動的規(guī)模將大幅提高，對發(fā)射能力的需求和要求更高。

商業(yè)航天新勢力尚未有效發(fā)揮作用

伴隨著航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)正增長，歐洲商業(yè)航天力量也在快速發(fā)展，德國、英國、法國、西班牙等國家出現(xiàn)了二十余家運載火箭創(chuàng)企，而且歐洲航天局從2019年啟動了代號為“助推！”（Boost?。┑捻椖浚瑢ｉT用于支撐歐洲新興航天運輸創(chuàng)企的發(fā)展，提供資金支持。不過，相比美國國家航空航天局（NASA）“國際空間站”（ISS）貨運補給任務(wù)下數(shù)十億美元的經(jīng)費支持，Boost！項目經(jīng)費僅為1億歐元左右，很難培育出規(guī)模較大的新興創(chuàng)企。因此，歐洲火箭創(chuàng)企都集中于研制小型運載火箭，對于重復(fù)使用火箭的技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)微乎其微。

2 發(fā)展路線分析

在上述背景下，歐洲發(fā)展重復(fù)使用運載火箭的需求顯得更加迫切，并逐步形成了較為清晰的發(fā)展路線，即：在2030－2040年的遠(yuǎn)期框架下實現(xiàn)“阿里安”系列復(fù)用火箭型號的研發(fā)應(yīng)用；在2030年前的近期框架下利用規(guī)模逐步增大的垂直起降驗證機開展技術(shù)演示驗證；在具體實施路徑方面則是以“未來運載器準(zhǔn)備計劃”（FLPP）作為依托提供項目經(jīng)費支持。

“阿里安”系列復(fù)用火箭型號規(guī)劃

“阿里安”是歐洲的主力火箭和自主進(jìn)入空間能力的基本保障，也將是歐洲結(jié)束對俄羅斯和美國等外部力量依賴的關(guān)鍵，因此歐洲重復(fù)使用運載火箭的發(fā)展也是以“阿里安”系列火箭為核心：第一步，從阿里安－5火箭過渡到阿里安－6火箭，實現(xiàn)主力火箭升級換代；第二步，研制復(fù)合材料低溫上面級，探索應(yīng)用“普羅米修斯”（Prometheus）復(fù)用火箭發(fā)動機的氫氧版本，提升阿里安－6火箭的性能；第三步，“下一代阿里安”（ArianeNext）到2030年實現(xiàn)一子級垂直起降重復(fù)使用，一二子級結(jié)構(gòu)、動力實現(xiàn)通用化；第四步，到2040年實現(xiàn)垂直起降單級入軌方案的“終極阿里安”（ArianeUltimate）。

“阿里安”系列主力火箭的重復(fù)使用型號發(fā)展路線圖

“下一代阿里安”復(fù)用火箭將逐步提升規(guī)模

阿里安集團(tuán)（ArianeGroup）作為“阿里安”系列火箭的主承包商，為“下一代阿里安”設(shè)計了規(guī)模從小到大、構(gòu)型從簡單到復(fù)雜的具體發(fā)展路徑，動力系統(tǒng)采用在研的“普羅米修斯”液氧甲烷發(fā)動機。“瑪雅”（Maia）小型重復(fù)使用運載火箭作為初始構(gòu)型，將直接以“塞米斯”（Themis）驗證機為基礎(chǔ)發(fā)展而來，并且是由阿里安集團(tuán)新成立的瑪雅航天公司負(fù)責(zé)研制，發(fā)揮新興商業(yè)航天企業(yè)快速靈活的優(yōu)勢。之后，阿里安集團(tuán)再逐步增大箭體結(jié)構(gòu)，發(fā)展直徑更大、一子級“普羅米修斯”發(fā)動機數(shù)量分別為5臺和9臺的中型和大型復(fù)用“阿里安”火箭。最后，在大型“阿里安”復(fù)用火箭的基礎(chǔ)上，捆綁2枚“瑪雅”小型火箭一子級作為助推器，實現(xiàn)并聯(lián)構(gòu)型的重型“阿里安”復(fù)用火箭。

“終極阿里安”構(gòu)型通過采用新型輕質(zhì)材料、3D打印技術(shù)、新型高能量密度推進(jìn)劑、可復(fù)用熱防護(hù)技術(shù)、人工智能、高性能計算器、靈活遙測技術(shù)等，將在2040年前后實現(xiàn)單級入軌的目標(biāo)，且地面設(shè)施會得到最大程度的簡化。不過，目前“終極阿里安”構(gòu)型還處于設(shè)想階段，還需要很多基礎(chǔ)能力和關(guān)鍵技術(shù)的突破。

規(guī)模從小到大的技術(shù)驗證路線

SpaceX公司的獵鷹－9火箭在2015年取得一子級著陸回收的突破后，歐洲積極響應(yīng)，從2015年開始醞釀和啟動垂直起降驗證計劃，設(shè)立了“青蛙”（Frog）、“克里斯托”（Callisto）、“塞米斯”三項計劃。在后續(xù)發(fā)展過程中，阿里安集團(tuán)提出以“塞米斯”全尺寸驗證機為基礎(chǔ)，先發(fā)展“瑪雅”小型復(fù)用火箭作為過渡和應(yīng)用驗證，再全面應(yīng)用“下一代阿里安”復(fù)用火箭。

“終極阿里安”模型的概念圖

規(guī)模逐漸增大的技術(shù)驗證路線

“青蛙”驗證機是由法國國家空間研究中心（CNES）以驗證垂直起降復(fù)用方案的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）為目標(biāo)的小型驗證機項目，直徑僅為0.3m，在2019年已經(jīng)完成低高度跳躍試驗?！翱死锼雇小表椖客瑯佑蒀NES牽頭，德國航空航天中心（DLR）和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）共同參與，直徑為1m，重點驗證地面操作和周轉(zhuǎn)時間，計劃于2024年首飛?！叭姿埂表椖渴怯蓺W洲航天局主導(dǎo)的全尺寸垂直起降驗證機計劃，直徑為3.5m，采用3臺“普羅米修斯”發(fā)動機，目標(biāo)是對火箭一子級飛行包絡(luò)的驗證，明確“下一代阿里安”復(fù)用火箭方案，計劃于2024年開展低空飛行試驗，2025年之后開展高空飛行試驗。在“塞米斯”項目實施初期，CENS和阿里安集團(tuán)于2019年初構(gòu)建“阿里安工廠”（ArianeWorks），借鑒美國洛馬公司（LM）“臭鼬工廠”（SkunkWorks）的做法，鼓勵承擔(dān)風(fēng)險，以提高創(chuàng)新項目的效率。

歐洲的3型重復(fù)使用火箭技術(shù)驗證機是全新研制的硬件和軟件系統(tǒng)，需要從頭開始對結(jié)構(gòu)、控制、動力、氣動等方面開展深入的論證和研究，雖然能夠更加系統(tǒng)地掌握垂直起降技術(shù)，但耗費周期很長，向“下一代阿里安”復(fù)用火箭轉(zhuǎn)化應(yīng)用的周期將會非常漫長。

未來運載器準(zhǔn)備計劃

為了實現(xiàn)上述型號發(fā)展路徑和技術(shù)驗證計劃，歐洲航天局主要依托“未來運載器準(zhǔn)備計劃”實施“普羅米修斯”液氧甲烷發(fā)動機、“塞米斯”垂直起降驗證機，以及其他相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究工作。

“普羅米修斯”液氧甲烷重復(fù)使用火箭發(fā)動機，是歐洲發(fā)展重復(fù)使用火箭的基礎(chǔ)，成本將降至現(xiàn)役火神－2（Vulcan－2）發(fā)動機的1/10，大約為100萬歐元，計劃在2030年前后和“下一代阿里安”復(fù)用火箭同時投入使用，共用于一二子級，以通用化來降低制造成本。在技術(shù)方案上，“普羅米修斯”發(fā)動機推力為100噸級（研制過程中仍在持續(xù)迭代優(yōu)化和提升推力），具備30%~110%大范圍變推力能力，循環(huán)方式沿用火神－2發(fā)動機的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)?！捌樟_米修斯”發(fā)動機首臺工程樣機已經(jīng)應(yīng)用于“塞米斯”驗證機的首個地面操作樣機（T1G），并在2022年年底基于該樣機進(jìn)行了首次試車，同時對發(fā)動機、貯箱及增壓輸送系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。截至2022年年底，歐洲已經(jīng)為“普羅米修斯”發(fā)動機投入超過2.5億歐元的研制經(jīng)費。

“塞米斯”項目作為垂直起降技術(shù)方案驗證的關(guān)鍵，包括多個樣機產(chǎn)品，其中結(jié)構(gòu)樣機和地面操作樣機已經(jīng)完成。歐洲計劃從2024年開始利用低空飛行試驗樣機進(jìn)行起降試驗，而高空飛行試驗樣機很可能會到2027年之后才能開展試驗。截至2022年年底，歐洲航天局和歐盟已經(jīng)為“塞米斯”項目分別提供了3300萬歐元和3900萬歐元的經(jīng)費支持。

除了“普羅米修斯”和“塞米斯”驗證以外，歐洲航天局還在FLPP計劃下開展了柵格舵、多發(fā)動機并聯(lián)設(shè)計、健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)、檢測維護(hù)所需的診斷技術(shù)、推進(jìn)劑管理等相關(guān)技術(shù)預(yù)研活動，為2030年的“下一代阿里安”儲備技術(shù)。

3 幾點啟示

在當(dāng)前重復(fù)使用運載火箭技術(shù)發(fā)展的大趨勢下，歐洲的應(yīng)對并不算滯后，形成了非常清晰的發(fā)展邏輯和路徑，并取得了一定成效，然而受制于基礎(chǔ)能力、技術(shù)積累、經(jīng)費投入和管理模式等多方面因素，歐洲垂直起降技術(shù)發(fā)展速度相對緩慢。通過對歐洲重復(fù)技術(shù)路線的總結(jié)，得到以下幾點啟示。

（1）持續(xù)開展技術(shù)準(zhǔn)備活動，支撐型號發(fā)展路線的優(yōu)化調(diào)整

FLPP是歐洲實現(xiàn)復(fù)用火箭的關(guān)鍵所在，其重心也正在轉(zhuǎn)向“下一代阿里安”復(fù)用火箭開展技術(shù)驗證和儲備。歐洲航天局在2004年啟動FLPP計劃，最初是為阿里安－5之后的下一代火箭研發(fā)和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)，后來逐漸發(fā)展更廣泛技術(shù)預(yù)研活動，不再限定于具體型號，針對推進(jìn)、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、電氣和制導(dǎo)控制等領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展形成了穩(wěn)定的經(jīng)費和項目支持。歐洲針對運載器領(lǐng)域的新技術(shù)需求，設(shè)立專門的預(yù)研計劃，堅持長期持續(xù)投入，能夠有效支撐新型號的發(fā)展，而且能夠在一定程度規(guī)避和減緩風(fēng)險，允許對技術(shù)路線進(jìn)行試錯和調(diào)整，支撐型號發(fā)展路線的優(yōu)化。不過，F(xiàn)LPP這類專門的預(yù)研計劃也有其不足之處：研發(fā)和準(zhǔn)備周期長，面對突破性變革（例如垂直起降技術(shù)），很難快速迭代轉(zhuǎn)化形成技術(shù)能力。

（2）發(fā)展環(huán)境和背景情況不同，需要尋求最優(yōu)的管理和研制模式

歐洲航天局作為多國合作研究機構(gòu)，先天發(fā)展就要受到一定限制，只能在強約束條件下尋求最優(yōu)解。歐洲復(fù)用火箭型號和技術(shù)驗證路線的選擇規(guī)劃上，遵循了從小到大、從簡到繁的原則，逐步實施，盡管效率較低但仍能保證順利實施。在研制管理上，采用“阿里安工廠”臨時性創(chuàng)新攻堅團(tuán)隊的模式，在一定程度上平衡了效率和風(fēng)險間的矛盾，使得后啟動的“塞米斯”驗證項目反而優(yōu)先于先啟動的“克里斯托”完成了前兩臺樣機的研發(fā)，并開展了地面試車活動。因此，在發(fā)展環(huán)境無法改變的情況下，借鑒先進(jìn)做法，結(jié)合自身實際，優(yōu)化管理方式和研制模式，從系統(tǒng)層面上尋求效能提升，也是歐洲重復(fù)使用運載火箭發(fā)展路線中有價值的參考做法之一。

（3）需要豐富技術(shù)和能力積累，才能發(fā)揮新興商業(yè)航天企業(yè)的效率優(yōu)勢

從發(fā)展路線中可以看到，歐洲重復(fù)使用火箭的發(fā)展主要還是依靠歐洲航天局等政府研究機構(gòu)，以及阿里安集團(tuán)等傳統(tǒng)火箭承包商，似乎未能充分借力商業(yè)航天發(fā)展的大潮，在效率上與美國SpaceX公司形成了鮮明對比。這其中的主要原因還是在于歐洲航天機構(gòu)的重復(fù)使用技術(shù)積累較為薄弱，大多都集中在方案研究上，多是“紙上談兵”；而“過渡性試驗飛行器”（IXV）等為數(shù)不多的飛行驗證過于聚焦單項技術(shù)，缺乏系統(tǒng)性。相比而言，美國NASA有總投資規(guī)模超過2000億美元的航天飛機項目，不僅實現(xiàn)技術(shù)突破，而且30年的運營中積累了豐富經(jīng)驗；更是通過“國家空天飛機”（NASP）、“重復(fù)使用運載器”（RLV）等國家工程持續(xù)推動發(fā)展，從而能夠拿出足夠的技術(shù)向新興企業(yè)轉(zhuǎn)化，培育出SpaceX公司這類企業(yè)。因此，歐洲和SpaceX公司之間的鮮明對比，并非僅僅是表面上關(guān)于傳統(tǒng)航天機構(gòu)和新興航天創(chuàng)企之間的效率差異，更多地還是源于歐洲相對美國在重復(fù)使用運載器工業(yè)基礎(chǔ)上的巨大落差。所以，短時間內(nèi)歐洲航天領(lǐng)域也很難出現(xiàn)類似SpaceX公司的獨角獸。