□ 張雪松

歐空局是當(dāng)今世界主要航天機(jī)構(gòu)之一，過去30多年時間里它以阿里安系列運(yùn)載火箭，尤其是“阿里安”4和“阿里安”5火箭建立了赫赫威名。隨著美國、俄羅斯、日本和中國等國家運(yùn)載火箭的發(fā)展，以及歐空局航天任務(wù)需求的變化，歐空局現(xiàn)有的“阿里安”5火箭已經(jīng)不能滿足自身發(fā)展的需要，研制新型運(yùn)載火箭勢在必行。

歐空局當(dāng)前主要使用“阿里安”5運(yùn)載火箭，1996年“阿里安”5火箭首次發(fā)射，在16年的歷史上曾出現(xiàn)“阿里安”5 G、“阿里安”5 G+、“阿里安”5 GS、“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES等型號，目前使用的型號為“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES，分別主要用于發(fā)射靜止軌道通信衛(wèi)星和ATV貨運(yùn)飛船。憑借早期“阿里安”5 G系列火箭的成功業(yè)績，“阿里安”5火箭延續(xù)了“阿里安”4號運(yùn)載火箭在商業(yè)發(fā)射市場上的輝煌，而性能更為優(yōu)秀的“阿里安”5 ECA火箭達(dá)到了10噸的同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)運(yùn)力，并可通過一箭雙星的發(fā)射方式降低發(fā)射費(fèi)用，進(jìn)一步鞏固了“阿里安”5火箭在商業(yè)發(fā)射市場上的優(yōu)勢。“阿里安”5火箭的研制和生產(chǎn)由歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)的子公司阿斯特里姆(Astrium)負(fù)責(zé)，而發(fā)射業(yè)務(wù)由阿里安宇航公司負(fù)責(zé)。

歐洲的阿里安宇航公司和俄美合資的國際發(fā)射服務(wù)公司(ILS)壟斷了國際商業(yè)發(fā)射市場。雖然中國運(yùn)載火箭更為廉價，但受到美國《國際武器交易規(guī)則》（ITAR）的限制，無法發(fā)射美國及包含美國零部件的衛(wèi)星，而且中國長征三號乙運(yùn)載火箭的運(yùn)力也與兩巨頭的主力運(yùn)載火箭“阿里安”5和質(zhì)子火箭存在差距，無法發(fā)射6噸級大型通信衛(wèi)星；美國運(yùn)載火箭長期以來一直報價高昂，基本退出了商業(yè)發(fā)射市場；印度的運(yùn)載火箭運(yùn)力更弱，相對日本的運(yùn)載火箭則費(fèi)效比更差。

“阿里安”6火箭想象圖

隨著其他國家的發(fā)展，阿里安宇航公司的市場地位已經(jīng)受到了越來越多的挑戰(zhàn)。中國正在研制中的長征五號、長征七號新一代火箭在運(yùn)力和價格上分別構(gòu)成了強(qiáng)有力的競爭。美國的太空探索公司推出了廉價的“獵鷹”9號火箭，憑借低價從阿里安宇航公司和國際發(fā)射服務(wù)公司手中搶走了大量發(fā)射訂單。印度正在研制中的GSLV MK III火箭也具備了發(fā)射中型通信衛(wèi)星的能力，而日本正在進(jìn)行H-II系列火箭的私有化，以大幅度降低發(fā)射費(fèi)用。商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場競爭日趨激烈，但阿里安宇航公司的現(xiàn)狀卻并不樂觀，公司在過去數(shù)年內(nèi)都不得不依賴政府上億歐元的補(bǔ)貼才能實現(xiàn)財務(wù)平衡。研制進(jìn)一步降低成本的新型運(yùn)載火箭，對于阿里安宇航公司的生存和發(fā)展都是十分重要的。阿里安宇航公司還必須滿足歐空局各國的發(fā)射需求，而這也是它的軟肋。阿里安宇航公司除了運(yùn)力巨大的“阿里安”5重型運(yùn)載火箭，只有新投入使用的織女星小型固體運(yùn)載火箭。織女星火箭可以將1.5噸的載荷送入700千米高度的太陽同步軌道，很大程度上避免了“阿里安”5火箭存在的運(yùn)力浪費(fèi)問題，但在“阿里安”5和織女星火箭之間仍存在巨大的運(yùn)力空白，不得不向俄羅斯購買大批聯(lián)盟中型運(yùn)載火箭，研制歐洲人自己的中型運(yùn)載火箭，也是順理成章的事情。

航天要發(fā)展，動力要先行。歐空局為研制新一代運(yùn)載火箭已經(jīng)做了大量準(zhǔn)備，2004年2月歐空局開始了未來運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項目(FLPP)，為阿里安5火箭的下一代運(yùn)載火箭開展技術(shù)研究。未來運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項目除了發(fā)展用于2025年以后運(yùn)載火箭技術(shù)，還要增強(qiáng)運(yùn)載火箭的可靠性和競爭力，滿足未來航天發(fā)展的需求，并保持在商業(yè)市場上的競爭力。未來運(yùn)載火箭準(zhǔn)備項目主要包括3個部分：新一代運(yùn)載火箭項目(NGL)、過渡性實驗飛行器項目(IXV)和“阿里安”5中期演進(jìn)項目(Ariane 5 ME)，其中的NGL項目最終演化為“阿里安”6運(yùn)載火箭。

根據(jù)2008年國際宇航聯(lián)大會上歐空局相關(guān)人員的報告，NGL項目的設(shè)計逐漸清晰起來。NGL將配備一個高效的上面級，具備將衛(wèi)星直接送入地球靜止軌道(GEO)的能力，為此將研制具備多次點火能力的先進(jìn)上面級發(fā)動機(jī)。NGL還計劃延續(xù)“阿里安”5火箭的單主發(fā)動機(jī)構(gòu)型，這就需要為火箭研制新的大推力發(fā)動機(jī)。NGL包括NGLHH-SC、NGLHH-GG、NGLCH、NGLHC四種主要設(shè)計，其中NGLHH-SC和NGLHH-GG分別表示全氫氧火箭(HH)和芯級使用分級燃燒循環(huán)發(fā)動機(jī)(SC)，全氫氧火箭(HH)和芯級使用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)發(fā)動機(jī)(GG)，這兩種全氫氧火箭的上面級使用新開發(fā)的芬奇發(fā)動機(jī)。NGL CH和NGL HC分別表示第一級使用液氧甲烷發(fā)動機(jī)加上面級使用氫氧發(fā)動機(jī)，以及第一級使用氫氧發(fā)動機(jī)加上面級使用液氧甲烷發(fā)動機(jī)。四種主要方案中NGLHH-SC設(shè)計在性能上較好的滿足了歐空局和商業(yè)發(fā)射的需求，而且當(dāng)時的評估認(rèn)為它的成本最低，此外它還有力地推動各項先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，因此成為優(yōu)先考慮的方案。NGLHH-SC設(shè)計的火箭將包括GTO運(yùn)力3噸、5噸和8噸的型號，其中3噸運(yùn)力的型號為基本型，然后通過捆綁2枚和6枚20噸固體推進(jìn)劑的小型固體助推器將運(yùn)力提高到5噸和8噸?；拘蚇GL火箭長度51米起飛質(zhì)量226噸，其中第一級推進(jìn)劑質(zhì)量156噸、發(fā)動機(jī)為起飛推力2500千牛級別的大推力分級燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)，第二級推進(jìn)劑質(zhì)量26噸、發(fā)動機(jī)為180千牛的膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)。從這些參數(shù)看，NGL火箭第一級發(fā)動機(jī)將是FLPP中大推力發(fā)動機(jī)(HTE)項目的后續(xù)，HTE項目后來改名為分級燃燒循環(huán)火箭發(fā)動機(jī)演示項目(SCORE-D)，其目標(biāo)就是研制推力更大的新型第一級發(fā)動機(jī)，為歐空局提供一種無需助推器即可起飛的單發(fā)中型運(yùn)載火箭。第二級發(fā)動機(jī)實質(zhì)就是研制已久的芬奇(Vinci)發(fā)動機(jī)，芬奇氫氧發(fā)動機(jī)具備最多5次的啟動能力，已經(jīng)成為歐空局未來運(yùn)載火箭上面級的首選配置，但仍未完成研制。

FLPP計劃中的運(yùn)載工具，左上為IXV，左下為未來的可復(fù)用運(yùn)載工具，右側(cè)三個是早期阿里安6的方案

2010年CNES的“阿里安”6火箭設(shè)計，這是早期“阿里安”6向目前“阿里安”6設(shè)計的過渡階段

2009年5月法國原子能委員會(CEA)、法國國防采辦局 (DGA)和法國國家航天研究中心(CNES)聯(lián)合提交報告建議研制“阿里安”6運(yùn)載火箭，報告中的“阿里安”6運(yùn)載火箭將具備3～6噸的GTO軌道運(yùn)載能力，從設(shè)計和性能上說比俄羅斯聯(lián)盟火箭更適合填補(bǔ)“阿里安”5火箭和織女星火箭之間的運(yùn)力空白。不過歐空局國家眾多，新一代運(yùn)載火箭發(fā)展的問題上存在巨大的爭議，其中法國政府作為推動發(fā)展阿里安系列火箭的主力，更傾向于啟動“阿里安”6火箭的研制，而德國政府則希望優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭。

2010年4月歐空局在捷克召開會議討論FLPP的發(fā)展，為我們提供了NGL項目更新的消息。會議報告中NGL火箭增加了固體發(fā)動機(jī)方案。固體發(fā)動機(jī)方案來自更早的積木運(yùn)載火箭方案(BBL)。在早期報告中BBL和NGL并列，而2010年的報告中兩者合并為新的NGL系列。為了實現(xiàn)靈活和運(yùn)力配置，固體NGL方案不論是PH構(gòu)型系列還是PPH構(gòu)型系列，都使用小型固體助推器增加運(yùn)力。典型的PPH設(shè)計為使用240噸固體推進(jìn)劑的P240第一級，外加使用107噸固體推進(jìn)劑的P107第二級，再加上28噸氫氧推進(jìn)劑的H28第三級，此外還捆綁2到6枚使用35噸固體推進(jìn)劑的P35固體助推器。PPH設(shè)計的好處在于7天的發(fā)射準(zhǔn)備時間在各種構(gòu)型設(shè)計中最短，另外可以和當(dāng)時的織女星火箭升級方案共享P107固體發(fā)動機(jī)。當(dāng)然PPH方案也有缺點，使用固體發(fā)動機(jī)作前兩級主發(fā)動機(jī)，使載荷的振動環(huán)境最糟糕，此外這個方案火箭的發(fā)展?jié)摿τ邢?，更不要說發(fā)展為重型運(yùn)載火箭的可能了。相比之下NGLHHSC方案除了發(fā)動機(jī)研制的不確定性，載荷受到的振動小，而且未來發(fā)展?jié)摿薮?，可以采用美國重型Delta IV火箭的公用芯級助推器設(shè)計，衍生出LEO軌道運(yùn)載能力最大25噸的重型運(yùn)載火箭，因此當(dāng)時NGLHH-SC方案仍然是新一代火箭的首選設(shè)計，不過固體發(fā)動機(jī)的設(shè)計也受到了更多的重視。

2011年法國國家航天研究中心工作人員參加了在南非舉行的第62屆國際宇航聯(lián)大會，在會上公開了“阿里安”6火箭更詳細(xì)的信息?！鞍⒗锇病?火箭將具備把2到8噸的載荷送入GTO軌道的能力，在現(xiàn)有“阿里安”5 ECA火箭的基礎(chǔ)上，“阿里安”6火箭將把發(fā)射費(fèi)用降低30～40%，大大加強(qiáng)火箭的商業(yè)競爭力。即使上面級使用多次點火設(shè)計，“阿里安”6火箭的可靠性仍將達(dá)到98%以上，并具備2周內(nèi)改變發(fā)射任務(wù)的高度靈活性，此外在載荷振動環(huán)境和對外界環(huán)境的影響上，“阿里安”6火箭都優(yōu)于“阿里安”5火箭。由于設(shè)計只進(jìn)行單星發(fā)射，“阿里安”6火箭的設(shè)計發(fā)射能力也較大，年發(fā)射量預(yù)計在4到14次之間。2011年國際宇航聯(lián)大會上的報告提到了PPH、PH和HH方案，它們的整流罩直徑均為為4.4米或5.2米。PPH方案為P180/P110/H31基本型外加2、4、6枚P39固體助推器的設(shè)計，分別實現(xiàn)了3噸、大于5噸、大于6.5噸和大于8噸的GTO軌道運(yùn)力，PH方案為P315/H34的基本型設(shè)計，外加2、4、6枚P39固體助推器的設(shè)計，GTO軌道運(yùn)力分別為3噸、大于5噸、大于6噸和大于8噸。PPH方案的固體芯級直徑3.7米，液體上面級直徑4.4米，PH方案固體第一級直徑為4.6米，液體上面級直徑4.4米。報告中的HH方案發(fā)生了巨大的變化，最顯著的就是基本放棄了2500千牛的分級燃燒循環(huán)發(fā)動機(jī)，而是改之以150噸推力的燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的火神3發(fā)動機(jī)，兩個設(shè)計中HH1設(shè)計是單臺火神3，HH2設(shè)計為兩臺火神3發(fā)動機(jī)，氫氧推進(jìn)劑質(zhì)量分別為120噸和165噸，雖然上面級均為芬奇發(fā)動機(jī)，但氫氧推進(jìn)劑質(zhì)量分別為25噸和30噸，對應(yīng)的HH1捆綁0到6枚39噸推進(jìn)劑的P39固體助推器，而HH2捆綁0到6枚33噸推進(jìn)劑的P33固體助推器。兩個HH方案覆蓋了2到8噸的GTO運(yùn)力，可以提供更靈活的發(fā)射能力?！鞍⒗锇病?火箭設(shè)計尤其是HH方案的改進(jìn)，主要是高性能的分級燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度的不確定性，此外分級燃燒循環(huán)的研制和使用成本都較高，改用火神3發(fā)動機(jī)是很現(xiàn)實的選擇。

2012年是“阿里安”6火箭發(fā)展的關(guān)鍵一年，法德圍繞優(yōu)先發(fā)展“阿里安”6還是“阿里安”5中期演進(jìn)火箭的爭論終于有了一個初步結(jié)果，法德兩國政府聯(lián)合研究得出結(jié)論，優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型號。雖然法國一直認(rèn)為商業(yè)發(fā)射市場的發(fā)展使“阿里安”5火箭的競爭力進(jìn)一步削弱，“阿里安”5火箭的中期壽命升級很難降低發(fā)射成本，這將導(dǎo)致未來阿里安宇航公司更加依賴歐空局各國尤其是法國政府的財政支持，但“阿里安”5中期演進(jìn)型號的研制只需要大約14億歐元，而全新的“阿里安”6火箭將需要40億歐元，經(jīng)濟(jì)危機(jī)后日益窘迫的歐洲各國政府很難支持“阿里安”6火箭的全面開發(fā)，這恐怕是聯(lián)合結(jié)論支持德國航天局建議的根本原因。盡管德國堅持優(yōu)先發(fā)展“阿里安”5中期演進(jìn)型號，但法國也仍堅持優(yōu)先至少是繼續(xù)研制“阿里安”6火箭，為了降低“阿里安”6火箭的研制成本， 法國的“阿里安”6火箭設(shè)計發(fā)生了翻天覆地的變化，根據(jù)美國《航空周刊》10月15日的報道，“阿里安”6火箭的模塊化候選設(shè)計方案包括兩種固體發(fā)動機(jī)為主的設(shè)計和一種液體發(fā)動機(jī)為主的設(shè)計，而且法國航天局更傾向于固體火箭方案?！逗娇罩芸穲蟮乐械膬煞N構(gòu)型與2011年國際宇航聯(lián)大會上公開的構(gòu)型完全一致，其中的P1B方案就是原來的PPH構(gòu)型，而H2C方案就是原來的HH2構(gòu)型，不過新的報道明確指出P1B和H2C方案中捆綁6個P39固體助推器時的GTO軌道運(yùn)力均為8.4噸，而不是IAC報告中語焉不詳?shù)拇笥?噸?！逗娇罩芸饭嫉牡谌N構(gòu)型P7C，基本設(shè)計為三個直徑3.7米裝藥135噸的P135固體發(fā)動機(jī)并聯(lián)，外加一個固體發(fā)動機(jī)的第二級和使用芬奇發(fā)動機(jī)的第三級。P7C設(shè)計的雖然3臺P135發(fā)動機(jī)都裝有推力矢量裝置，但同時點燃同時分離，降低了火箭復(fù)雜程度，此外與未來的織女星火箭共用P135固體發(fā)動機(jī)，也平攤了研制成本，并得到意大利的支持。

“阿里安”5ME(中期升級)和“阿里安”6的對比圖

2012年11月“阿里安”6火箭的想象圖，3個固體發(fā)動機(jī)+1個固體發(fā)動機(jī)+1個液體上面級的設(shè)計

2012年11月21日歐空局部長級會議在意大利的那不勒斯落幕，歐空局的20個成員國和加拿大的部長們共同決定為未來3年的航天活動撥款100億歐元，其中包括“阿里安”5火箭中期演進(jìn)型火箭(Ariane 5 ME)和下一代的“阿里安”6火箭的研制預(yù)算，未來兩年內(nèi)歐空局將為包括“阿里安”5火箭中期演進(jìn)型火箭投資1.87億歐元，同時為“阿里安”6火箭投資1.57億歐元，至此“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭和“阿里安”6火箭的爭論暫時平息，2014年歐空局將繼續(xù)討論全面研制“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭還是“阿里安”6火箭。按照目前的規(guī)劃，“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭將在2017年左右執(zhí)行首次發(fā)射任務(wù)，而“阿里安”6火箭的首次發(fā)射則要等到2021至2022年。如果全力開展“阿里安”6火箭的研制，將給商業(yè)競爭對手留下太多的時間和機(jī)會，畢竟2003年以后阿里安宇航公司沒有推出新的商業(yè)發(fā)射工具，再考慮“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭也使用基于芬奇發(fā)動機(jī)的先進(jìn)上面級，將降低“阿里安”6火箭的研制費(fèi)用和風(fēng)險，可以說“阿里安”5中期演進(jìn)型火箭已經(jīng)占了先機(jī)。

不過話說回來，“阿里安”6火箭的研制仍然得到了1.57億歐元的撥款，而法國也以固體火箭設(shè)計方案試圖獲得意大利的支持。如果法意聯(lián)合，歐空局未來的運(yùn)載火箭發(fā)展仍有很大的不確定性，“阿里安”6重新占據(jù)上風(fēng)也是很有可能的。作為歐空局多年預(yù)研的成果，“阿里安”6火箭使用成熟的模塊化設(shè)計，其先進(jìn)的設(shè)計和靈活的性能也值得我們借鑒，雖然發(fā)展過程中經(jīng)歷了諸多磨難，相信它還是有實現(xiàn)首飛的那一天。