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    擺脫“青黃不接”,歐洲新一代火箭加緊推進

    2023-12-12 01:17:50林胤之
    太空探索 2023年12期
    關鍵詞:阿里安織女星歐空局

    文/林胤之

    自今年7月阿里安5火箭退役以來,歐空局在大中型火箭領域一時陷入了“青黃不接”的窘境。不過,作為航天技術積累深厚的老牌強者,歐空局仍在努力推進新一代阿里安系列火箭與織女星系列火箭的研發(fā)工作。與此同時,歐洲多國的商業(yè)航天公司正在研發(fā)多款火箭,頗有亮點。

    歐空局篇

    兩大主力暴露隱患

    近年來,歐空局力推的阿里安6火箭和織女星-C火箭連遭挫折,暴露出深層次隱患,引發(fā)質(zhì)疑。從“織女星”-C的研發(fā)、服役歷程中,外界或許可以一窺究竟。

    2014年12月,歐空局開始推進研發(fā)“織女星”-C,目標是具備比“織女星”更強悍的發(fā)射性能和更出色的任務靈活性,滿足未來航天發(fā)射市場有效載荷需求的變化,在投送中型有效載荷入軌的同時,在經(jīng)濟性上與可重復使用火箭競爭。

    “織女星”-C在繼承可靠技術成果的基礎上進行了全面升級。第一級長13.38米,直徑3.4米,全重155噸(包含141噸推進劑)。意大利Avio公司基于“織女星”的P80固體發(fā)動機技術,推出了P120C固體發(fā)動機(C代表“共享”Common,該發(fā)動機同時用于阿里安6火箭的固體助推器,以便增加產(chǎn)量,降低成本),裝上了“織女星”-C。最終,P120C固體發(fā)動機比沖約278.5秒,燃燒時間約135.7秒,最大推力約4300千牛,堪稱世界上最大、性能最強的一體式固體火箭發(fā)動機之一。

    第二級采用了Zefiro 40固體發(fā)動機,攜帶6.2噸推進劑,在真空中能夠提供1304千牛推力,比沖為293.5秒,運行時間為92.9秒。發(fā)動機噴嘴可以旋轉(zhuǎn)5.9度,強化控制火箭的俯仰和偏航。第三級沿用了“織女星”的Zefiro 9發(fā)動機,攜帶約10.6噸推進劑,最大推力為317千牛,工作時間為119.6秒。

    第四級又稱為AVUM+級,采用了烏克蘭研制的RD-483發(fā)動機,對比“織女星”的類似部分,實現(xiàn)了結(jié)構減重和推進劑增加。此外,“織女星”-C能夠使用直徑更大的2.6米或3米整流罩。

    經(jīng)過一系列改進后,“織女星”-C全長35米,最大發(fā)射質(zhì)量210噸,700千米太陽同步軌道運力達2.3噸,借助各種適配器,可以靈活地執(zhí)行雙有效載荷發(fā)射任務、拼車發(fā)射任務等。

    然而,“織女星”-C的服役歷程并不順利。繼2022年7月13日成功首飛后,12月21日進行的第二次發(fā)射失利,造成空客宇航公司2顆遙感衛(wèi)星損失。

    歐空局的調(diào)查報告認為,這次發(fā)射失敗的原因是烏克蘭生產(chǎn)的火箭第二級發(fā)動機噴嘴喉部材料存在缺陷或老化,導致在飛行中被高溫侵蝕,造成第二級發(fā)動機室壓逐漸下降,并最終失去推力。這個結(jié)論立即引發(fā)了烏克蘭強烈反對。

    意大利Avio公司迅速生產(chǎn)了發(fā)動機噴嘴喉部替代材料,并宣稱新材料具備足夠的可靠性。然而,“織女星”-C的第二級發(fā)動機在2023年6月28日的測試中仍然出現(xiàn)故障,發(fā)動機室壓異常下降并熄火,試車被迫提前結(jié)束。

    10月2日,歐空局再次公布了調(diào)查報告,認為故障的主要原因是發(fā)動機噴管設計存在缺陷,部件的復雜形狀與新材料的耐熱機械性能不匹配,導致鄰近部件出現(xiàn)漸進式損傷和降解,最終噴管失效。為此,發(fā)動機噴管的設計和校準數(shù)值模型需要進行更改,至少再進行2次點火測試,直到技術審查通過為止。這意味著,“織女星”-C的復飛時間不會早于2024年第四季度。

    從“織女星”-C研發(fā)和失敗后“歸零”的過程中,外界發(fā)現(xiàn),歐空局和阿里安集團面臨著技術路線保守、質(zhì)量管控能力下降等隱患,如果涉及更多合作方,不但難以強強互補,反而更可能降低效率。阿里安6火箭的研發(fā)過程中同樣充斥著法、德等各方利益紛爭,項目優(yōu)先級曾“180度大轉(zhuǎn)彎”,首飛時間從最初規(guī)劃的2020年一步步推遲至2024年第二季度,而且仍存在變數(shù)。

    當前,歐空局能夠執(zhí)行軌道級發(fā)射任務的火箭竟然只剩下了“庫存”——“織女星”早期型。

    “阿里安”放眼長遠

    “阿里安”Next又被非正式地稱為“阿里安”7,是阿里安集團為歐空局開發(fā)的可重復使用火箭。項目正式名稱為“可重復使用戰(zhàn)略太空發(fā)射器技術和操作”,共有23個國家參與了研制計劃,第一批技術驗證模型正在開發(fā)中。

    21世紀30年代,“阿里安”Next有望服役,逐步取代近地軌道運力20噸級的阿里安6火箭,并將發(fā)射成本降低至阿里安6火箭的一半。令人尷尬的是,阿里安6火箭至今仍未首飛,導致歐空局的大型火箭遭遇“斷檔”。

    ▲ 阿里安Next火箭不同構型示意圖

    “阿里安”Next的主要目標是通過簡化設計,回收復用火箭第一級,顯著降低發(fā)射成本,進一步提高發(fā)射靈活性。目前,“阿里安”Next計劃采用類似美國獵鷹9火箭的基礎構型,即第一級垂直著陸回收,第一級和第二級采用相同的液氧甲烷發(fā)動機。其返回控制系統(tǒng)主要包括格柵翼、穩(wěn)定翼和空氣制動器,還有類似獵鷹9火箭的著陸腿。

    此外,“阿里安”Next研發(fā)團隊正在考慮另外兩種構型,以便適應不同的發(fā)射任務:其一是在基礎構型的第一級上捆綁2枚液體助推器;其二類似獵鷹重型火箭,將3枚第一級并聯(lián)在一起。

    研發(fā)火箭,動力先行。“阿里安”Next將配備新一代發(fā)動機,綽號“普羅米修斯”,設計單臺推力約980千牛,可以在額定推力的30%~110%之間調(diào)節(jié),比沖360秒,可重復使用3~5次。

    自2017年6月起,歐空局為“普羅米修斯”項目初期提供了8500萬歐元,其中有63%的資金來自法國,研制工作于2018年開始。2020年6月,歐空局正式啟動“普羅米修斯”項目,主要目標是將其制造成本控制在阿里安5火箭使用的火神2發(fā)動機的1/10,即單臺生產(chǎn)成本約100萬歐元,年產(chǎn)50臺。

    “普羅米修斯”其實是型號簡稱的音譯,正式名稱是“可重復使用高效液氧甲烷推進系統(tǒng)”。這款發(fā)動機主要用于綽號“忒彌斯”的可重復使用火箭演示器和“阿里安”Next。未來,“阿里安”Next第一級將配備7臺或9臺“普羅米修斯”,第二級配備1臺。此外,“普羅米修斯”也有可能裝上阿里安6火箭改進型,而阿里安6火箭基本型仍計劃使用一次性液氫液氧發(fā)動機。

    值得一提的是,雖然液氧甲烷推進劑的燃燒效率低于液氫液氧推進劑,但儲存條件更簡單,促使“阿里安”Next可以簡化推進劑貯箱和供應回路的設計,縮小推進劑貯箱尺寸?!捌樟_米修斯”還將廣泛使用3D打印金屬組件,預計占發(fā)動機零件總數(shù)近一半,包括發(fā)動機部分管道、閥門乃至燃燒室,進一步降低成本。

    ▲ 普羅米修斯可復用發(fā)動機正在加緊測試

    2022年11月,“普羅米修斯”首次點火測試。2023年6月22日,“普羅米修斯”和可重復使用火箭演示器在測試臺上成功點火,“普羅米修斯”進行了12秒燃燒測試,確認了相關產(chǎn)品的可行性。歐空局未來太空運輸系統(tǒng)負責人透露,計劃進一步完善發(fā)動機,包括應用一些并行開發(fā)的燃燒元件制造技術,在2023年底繼續(xù)點火測試。

    火箭模型加緊測試

    為驗證火箭第一級回收技術,阿里安集團研制了多型技術驗證器。其中,用于測試火箭垂直起飛/著陸的“青蛙”模型由法國國家空間研究中心研制,2019年進行了多次飛行測試,收集火箭起飛/著陸高度速度、發(fā)動機推力和噴管偏轉(zhuǎn)角度、推進劑消耗情況等參數(shù),并測試了飛行軌道、導航和控制系統(tǒng)。

    在法國國家空間研究中心倡導下,多個國家正在合作研制可復用火箭測試模型。其中,由法、德、日合作開發(fā)的“卡里斯托”將用于測試可復用火箭技術,并評估這類火箭的運營成本。

    “卡里斯托”開發(fā)計劃始于2015年,項目A階段和B階段分別于2018年2月和2019年12月結(jié)束,2024年有望首飛?;鸺P皖A計需要進行5次以上的全系統(tǒng)測試,最初曾設想在駁船上進行著陸測試,后來放棄。

    這款火箭模型全長13米,直徑1.1米,采用推力40千牛的液氫液氧發(fā)動機。該型發(fā)動機由日本宇宙航空研究開發(fā)機構研制,能夠調(diào)節(jié)推力,最低僅有額定推力的40%。法國國家空間研究中心負責研發(fā)火箭模型的飛行姿態(tài)控制電機。德國航空宇航中心研制4片控制舵面,負責控制火箭模型橫滾、俯仰和偏航,并提供一定的升力。此外,德國航空宇航中心還負責研制“卡里斯托”的著陸系統(tǒng),也就是4條著陸腿。

    ▲ 忒彌斯火箭測試想象圖

    2020年12月15日,歐空局與阿里安集團簽署了價值3300萬歐元的合同,開發(fā)一款具備入軌發(fā)射能力的火箭測試模型,命名為“忒彌斯”,高30米,直徑3.5米,將配備3臺“普羅米修斯”,裝有150噸液氧甲烷推進劑。

    顯然,“忒彌斯”的主要任務是完成火箭第一級回收技術的研制流程,分析研究該技術在未來歐洲運載火箭上的價值。

    按最初計劃,“忒彌斯”將于2022年啟動測試工作,先在法國和瑞典進行低空跳躍試飛,2023年在圭亞那航天中心進行亞軌道飛行測試,2025年進行全飛行包線測試。不過,“忒彌斯”第一級演示器首次點火測試被拖延到2023年6月22日進行,低空跳躍試飛等后續(xù)測試也被推遲。

    “織女星”-E改弦易轍

    2004年,“織女星”早期型尚在研發(fā)中,歐空局就提出了另一個增強型計劃,將第三級和第四級更換為液氧甲烷發(fā)動機上面級,命名為“織女星”-E(E意為“進化”Evolution)。該型號還將大范圍采用3D打印等新技術,配備新型姿態(tài)控制系統(tǒng)和電子設備。2017年11月30日,價值5300萬歐元的合同簽訂,“織女星”-E的研制工作正式啟動。

    按原計劃,“織女星”-E使用的液氧甲烷發(fā)動機源自意大利和俄羅斯的技術合作。根據(jù)兩國2000年簽署的協(xié)議,意大利Avio公司和俄羅斯化學自動設計局在2007年啟動研制工作,其技術基礎是俄羅斯RD-0146發(fā)動機。合作第一階段于2008年結(jié)束,旨在設計一種推力約10噸的概念發(fā)動機。合作第二階段的重點是設計、制造和測試7.5噸推力的演示發(fā)動機,并于2014年6月在俄羅斯成功測試。但隨后國際形勢變化,迫使兩國合作中止。

    接下來,意大利Avio公司決定獨立研制M10液氧甲烷發(fā)動機,涉及渦輪泵、閥門、點火器、推力矢量和新的3D打印燃燒室組件等主要子系統(tǒng)開發(fā)。2018年11月13日,發(fā)動機縮比例模型在意大利成功測試。

    2020年2月,采用新型3D打印技術的全尺寸發(fā)動機在美國宇航局馬歇爾太空飛行中心成功測試,完成了19次點火,總計運行了450秒。

    2022年5月6日,在意大利撒丁島的新型太空推進測試設施上,M10液氧甲烷發(fā)動機開始資格認證測試,第一階段測試工作在7月成功結(jié)束,點火時間累計超過800秒。

    M10液氧甲烷發(fā)動機采用閉式膨脹循環(huán)設計,長1.9米,直徑1.3米,空重小于250千克,設計推力約98千牛,比沖為362秒,能夠進行最多5次點火。由于動力研發(fā)進展比較順利,目前“織女星”-E計劃于2027年首飛。

    商業(yè)航天篇

    西班牙“繆拉”系列

    2023年10月7日,“繆拉-1”成功從西班牙一個軍用機場點火起飛?;鸺w行了306秒,最大飛行高度達到46千米,隨后濺落在大西洋,并成功回收。本次任務的載荷主要用于德國應用空間技術和微重力中心的實驗,利用微重力條件開展研究。

    “繆拉-1”是西班牙航空航天運載公司研發(fā)的可重復使用單級火箭,高度超過12米,直徑0.7米,能夠攜帶約100千克有效載荷進行短暫的亞軌道飛行。西班牙航空航天運載公司成立于2011年,是歐洲最早開發(fā)可復用小型火箭的初創(chuàng)公司之一。這枚火箭設計和制造由西班牙團隊包辦,充分展示了技術實力和創(chuàng)新精神。

    此前,“繆拉-1”曾于5月和6月兩次嘗試發(fā)射,由于氣象不佳和故障(導航系統(tǒng)充電線在最后一刻斷開),均未成功。西班牙官方高度贊揚了這次來之不易的發(fā)射成功,強調(diào):“這一壯舉將激勵更多科學家和工程師投身于航天研究,推動西班牙在太空探索領域取得更多成就?!?/p>

    其實,“繆拉-1”首飛并未達到預期高度,西班牙航空航天運載公司正在利用此次發(fā)射收集的數(shù)據(jù),抓緊改進設計,研制更先進的“繆拉”-5,希望在2024年底進行發(fā)射。按計劃,“繆拉-5”能夠?qū)?噸有效載荷送入近地軌道,或者將540千克有效載荷運往500千米太陽同步軌道,還有望回收復用第一級,爭奪國際訂單。

    英國的兩款小火箭

    英國歐貝斯航天公司正在研制一種名為“原初號”的小型液體火箭,第一級設計可重復使用,能夠?qū)?80千克有效載荷送入太陽同步軌道,原計劃在2023年首飛,很可能已推遲。目前,英國正在蘇格蘭北部海岸建設新航天港薩瑟蘭航天中心,以便迎接“原初號”首次發(fā)射任務。

    “原初號”長約19米,直徑為1.45米,第一級6臺和第二級1臺發(fā)動機均使用液氧丙烷無毒推進劑。之所以選擇丙烷,是因為它的沸點約為零下42攝氏度,低溫下保持液態(tài)相對容易,可以在碳纖維丙烷貯箱周圍布置液氧貯箱,減輕結(jié)構質(zhì)量,還有望降低火箭發(fā)射所產(chǎn)生的約90%碳排放量。

    英國天空曙光航天公司也在研制小型火箭,暫命名為“天空曙光”XL。這款火箭設計長22.7米,直徑2.2米,能夠?qū)?15千克有效載荷送入太陽同步軌道。

    “天空曙光”XL采用三級設計,第一級安裝9臺HTP(高測試過氧化物)煤油發(fā)動機,綽號“天力”,單臺海平面推力70千牛,真空推力79.7千牛,海平面比沖250.24秒,真空比沖284.91秒。第二級安裝1臺“天力”,真空推力85千牛,真空比沖306秒。第三級安裝1臺近地軌道HTP煤油發(fā)動機,真空推力3.5千牛,真空比沖305秒,具備多次點火能力。

    “天力”于2023年7月開始測試,以便驗證應用3D打印技術的可行性。天空曙光公司宣稱,經(jīng)改進結(jié)構和設計后,發(fā)動機生產(chǎn)時間縮短了66%,成本降低了20%,冷卻效率充分優(yōu)化,發(fā)動機生命周期有所延長。

    ▲ 英國天空曙光XL火箭升空想象圖

    目前,天空曙光公司已與設得蘭群島最北端的薩克斯沃德太空港簽訂了多次發(fā)射協(xié)議,計劃于2024年進行“天空曙光”XL首飛。此外,該公司還與加拿大太空運輸服務公司達成了協(xié)議,希望從加拿大新斯科舍省航天港發(fā)射火箭。

    法國“西風”借力英國

    “西風”是法國維度空間航天公司正在研制的一種小型液體運載火箭,長約17米,直徑1.2米,采用兩級設計。火箭選擇的液氧煤油發(fā)動機綽號“納維爾”,第一級安裝9臺海平面版,第二級安裝1臺真空版,單臺推力約為12~13千牛,號稱完全由3D打印制造。

    根據(jù)設計指標,“西風”具備100千克近地軌道發(fā)射能力和80千克太陽同步軌道發(fā)射能力,明顯不及西班牙、英國同期小火箭。

    令人意外的是,一向強調(diào)獨立自主的法國在發(fā)展商業(yè)航天方面手段靈活。按計劃,“西風”將于2024年第四季度在英國設特蘭群島的薩克斯沃德太空港進行首次發(fā)射,未來還計劃使用法屬圭亞那航天中心的新商業(yè)發(fā)射設施。

    作為一型商業(yè)火箭,法國人早已公布了發(fā)射服務報價:每次發(fā)射定價300萬美元,每千克有效載荷定價約35000美元。

    ▲ 法國西風火箭配備的發(fā)動機進行測試

    德國“蠟燭火箭”嘗鮮

    SL1是德國混合動力公司正在研制的一種小型混合動力三級運載火箭,計劃將500千克有效載荷送入太陽同步軌道。

    按設計,SL1火箭第一級安裝8臺HyPLOX75發(fā)動機,單臺推力75千牛,比沖270秒。第二級安裝了4臺真空版HyPLOX75發(fā)動機,單臺推力100千牛,比沖321秒。第三級安裝4臺Hybrid發(fā)動機,單臺推力25千牛,比沖313秒。而SL1火箭最鮮明的特色是,發(fā)動機均采用液氧石蠟基固體推進劑,所以SL1被戲稱為“蠟燭火箭”。

    混合動力公司認為,這種特殊的發(fā)動機在設計上比液體推進劑發(fā)動機更簡單,又比固體推進劑發(fā)動機更安全,綜合成本更低。外界對此說法將信將疑,但SL1火箭前兩級使用的HyPLOX75發(fā)動機已于2020年9月成功進行測試,證明了液氧石蠟基固體推進劑的性能確實與液態(tài)烴基推進劑相當,表明混合動力公司很可能闖出一條新路。

    ▲ 德國HyPLOX75火箭發(fā)動機進行測試

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