文/遲惑

▲ “織女星c”的藝術(shù)圖

7月13日，歐空局成功發(fā)射了首枚織女星C火箭。“織女星”是歐洲的第二種運(yùn)載火箭，如果僅僅從參數(shù)上分析，“織女星”在國際上競爭力不算強(qiáng)。而“織女星C”作為改進(jìn)型，雖然性能有一定提升，但在全球范圍內(nèi)，也是一種不算太起眼的型號,無論是發(fā)射價格、發(fā)射頻率，都不算太出眾。那么，歐洲為啥要在開發(fā)阿里安火箭的同時，開發(fā)一種能力一般的中型火箭呢?

意大利人的野望

歐洲已經(jīng)有了一個阿里安火箭系列，為什么又出現(xiàn)一個織女星火箭系列呢?按照歐空局的公開說法，在1990年代中期，法國宇航公司和意大利BPD公司開始討論，開發(fā)一種阿里安火箭補(bǔ)充發(fā)射工具(ACL)，擴(kuò)大歐洲航天發(fā)射能力的覆蓋范圍。當(dāng)時，“阿里安4”已經(jīng)退役，“阿里安5”的尺寸比較大，如果發(fā)射中小型衛(wèi)星，就需要一箭多星發(fā)射，可能會錯過部分衛(wèi)星的發(fā)射窗口。

這是比較冠冕堂皇的說法，但熟悉歐洲文化的人都會發(fā)現(xiàn)一個問題：在那段時間里，意大利開始倡導(dǎo)新型固體推進(jìn)劑運(yùn)載火箭的概念。從發(fā)射能力來說，固體火箭是不如液體火箭的。固體火箭最大的好處是快速響應(yīng)發(fā)射。歐洲不像美國那樣四海征戰(zhàn)，要快速響應(yīng)發(fā)射能力有什么用呢?

我們來看看“織女星”的決策過程。雖然意大利積極牽頭，但靠意大利政府一家承擔(dān)不起。1998年4月，意大利航天局公開表示，織女星計劃可能需要從工業(yè)界融資大約7000萬歐元，歐空局成員國要再提供3.5億歐元，由法國和意大利共同牽頭。1998年6月，歐空局成員國的部長們同意繼續(xù)“織女星”發(fā)展計劃的第一階段，法國、比利時、荷蘭、西班牙和意大利共同參與，意大利政府承擔(dān)了資金的55%。

▲ “織女星”“織女星C”“阿里安5eca”和兩種“阿里安6”方案對比

▲ 織女星C火箭處女航取得成功

到1998年9月，各方估計，如果資金充足，“織女星”將在2002年進(jìn)行首次發(fā)射。然而到1999年初，法國公開表示，自己對這個計劃不滿意，不出錢了。于是意大利方面提出了一種新的更高性能的“織女星”方案，但法國還是不滿意。1999年9月，法國決定完全退出織女星計劃。1999年11月，歐空局宣布，因?yàn)榉▏耐顺?，正式放棄“織女星”計劃。但意大利宣布，無論如何都要推進(jìn)織女星火箭的研制，甚至威脅說，自己將把貢獻(xiàn)給“阿里安5”的資金挪用一部分出來，用在“織女星”上。

▲ 老款織女星火箭最后一次發(fā)射搭載了法國偵察衛(wèi)星

2000年，意大利方面又提出新的想法，把“織女星”定位成中型助推火箭，與“阿里安5”改進(jìn)型搭配使用。經(jīng)過差不多一年的爭吵，2000年10月，法國和意大利宣布解決了長達(dá)一年的爭端，法國和意大利同意分別為“阿里安5”的P80固體火箭助推器提供35%和52%的資金，這種助推器將成為織女星火箭的一部分。2001年3月，菲亞特宇航公司和意大利航天局成立了一家新公司，即歐洲運(yùn)載火箭公司，負(fù)責(zé)“織女星”計劃的大部分開發(fā)工作。

2003年3月，歐空局和法國航天局國家空間研究中心簽署了織女星發(fā)射器的開發(fā)合同，意大利提供了65%的資金，而另外6個國家提供了其余資金。2004年5月，阿里安宇航公司與歐洲運(yùn)載火箭公司簽署了一項(xiàng)合同，在法屬圭亞那的庫魯進(jìn)行織女星火箭的總裝。2004年11月，庫魯中心開始為“織女星”建造一個新的專用發(fā)射臺，其中包括廠房掩體和一個用于協(xié)助總裝的自行式結(jié)構(gòu)。這個發(fā)射臺原本是用來發(fā)射阿里安1火箭的。

到這里，我們已經(jīng)可以看清楚織女星火箭的背景，這是意大利航天局想搞的項(xiàng)目。歐洲有英法德意四個大國。英國比較游離于歐洲大陸之外，德國對獨(dú)自發(fā)展運(yùn)載火箭缺乏興趣，阿里安火箭雖然是歐洲合作型號，但主導(dǎo)權(quán)控制在法國政府手里。意大利希望擁有一種屬于自己的火箭，這種火箭要和阿里安系列很不一樣，“阿里安”用液體燃料，“織女星”就要用固體燃料；“阿里安”是重型的，“織女星”就是中型的。但是，意大利又缺乏火箭總體設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)和能力，不得不拉著法國人一起干。這也體現(xiàn)了歐洲文化的復(fù)雜性和不同民族的個性。

四級火箭的細(xì)節(jié)

織女星火箭采用三級火箭加上面級的總體構(gòu)型。老款“織女星”的三級火箭發(fā)動機(jī)分別為P80、Zefiro23、Zefiro9，上面級是烏克蘭制造的AVUM。三級火箭都是意大利AVIO公司的產(chǎn)品。大型固體火箭發(fā)動機(jī)和洲際導(dǎo)彈技術(shù)直接相關(guān)，意大利并沒有研制過洲際導(dǎo)彈，但是能把大型固體發(fā)動機(jī)在幾年時間里就拿出來，體現(xiàn)了一個工業(yè)強(qiáng)國的底蘊(yùn)。

P80發(fā)動機(jī)的直徑達(dá)到3米，號稱全球直徑最大和推力最大的一體式固體燃料火箭發(fā)動機(jī)。這個定語是為了把航天飛機(jī)固體助推器和印度GSLV3排除在外。因?yàn)楹教祜w機(jī)固體助推器的直徑達(dá)到3.7米，但推進(jìn)劑并不是一體式的，而是用五段藥柱拼接而成。印度GSLV3火箭的固體助推器直徑達(dá)到3.2米，但也是分段式藥柱。日本埃普西隆火箭倒是采用了一體式藥柱，但直徑只有2.6米。中國科學(xué)院剛剛發(fā)射的力箭一號火箭，雖然運(yùn)載能力和織女星火箭相當(dāng)，但直徑是2.65米。為了減重，“織女星”一級直接采用P80的外殼為殼體，所以P80的直徑就是織女星的直徑。目前，還沒有哪個國家和航天企業(yè)打算研制更大直徑的一體式固體發(fā)動機(jī)，所以P80的頭銜還能繼續(xù)保持下去。

P80采用端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑，燃燒時間為114秒。P80并不是AVIO公司全新研制的，而是從“阿里安5”的固體火箭助推器衍生而來。無論發(fā)動機(jī)直徑還是噴管設(shè)計都基本相同。P80的高度是11.7米，大概只有“阿里安5”助推器的三分之一長度。所以對AVIO公司來說，研制P80并不困難。P80并不是裝滿燃料后送往發(fā)射場的，那樣就太重了。從意大利出廠的時候，空殼的P80重量只有7330千克。抵達(dá)圭亞那后，因?yàn)榕c“阿里安5”助推器的直徑相同，可以用相同的設(shè)施和設(shè)備來裝載推進(jìn)劑，并將發(fā)動機(jī)運(yùn)送到發(fā)射場。

具體的制造過程由幾家歐洲公司分擔(dān)。意大利Avio制造裝載燃料的燃燒室、執(zhí)行組件集成和最終測試。法國-意大利合資的歐洲推進(jìn)公司制造P80發(fā)動機(jī)。力古魯斯公司負(fù)責(zé)裝載推進(jìn)劑。來自荷蘭的字航推進(jìn)產(chǎn)品BV公司制造點(diǎn)火器。比利時SABCA公司生產(chǎn)用于推力矢量和級間分離機(jī)構(gòu)組件。法國Herakles公司制造發(fā)動機(jī)噴管。

P80的開發(fā)由歐空局、法國航天局國家空間研究中心和意大利航天局的聯(lián)合團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)，第一次測試于2006年11月在圭亞那空間中心完成，2007年12月進(jìn)行了驗(yàn)收。發(fā)動機(jī)的總開發(fā)成本約7600萬歐元。

二級火箭叫做Zefiro23。Zefiro這個詞好像有點(diǎn)無厘頭，但是語言史告訴我們，沒有任何一個單詞是毫無來歷的。Zefiro和數(shù)學(xué)上最重要的數(shù)字“0”有直接關(guān)系。印度人發(fā)明了0，阿拉伯人學(xué)會之后，稱之為sifr，意思是“空白”。1202年，偉大的意大利數(shù)學(xué)家斐波那契在《計算之書》中寫下了零，談到阿拉伯人稱這個數(shù)字為“zephirum”，和“sifr”的發(fā)音是一樣的。但意大利語當(dāng)中有一個發(fā)言更接近的詞，“zefiro”，意思是“西風(fēng)”。后來，“zefiro”縮減為“zero”，成了英語里的“0”。不過作為火箭發(fā)動機(jī)的命名，我們還是管它叫做“西風(fēng)23”更合適。

“西風(fēng)23”的尺寸和重量都比P80小得多，對AVIO公司來說難度更小。然而就是這個“西風(fēng)23”，導(dǎo)致了2019年7月的織女星火箭發(fā)射失敗。當(dāng)時，織女星火箭搭載阿聯(lián)酋的偵察衛(wèi)星從圭亞那起飛。發(fā)射流程按計劃進(jìn)行到T+2分10秒?；鸺腜80第一級正常分離，西風(fēng)23發(fā)動機(jī)點(diǎn)火。它預(yù)計工作103秒，前14秒還算正常，但很快“發(fā)生了異常壓力”。火箭在二級火箭熱結(jié)構(gòu)失效后大約5秒鐘開始偏離預(yù)期軌跡，靶場安全官員在T+3分33秒時向火箭發(fā)出飛行終止命令，“織女星”直墜入大西洋。

AVIO公司總裁蘭佐親自組織了調(diào)查工作，最后認(rèn)定，西風(fēng)23發(fā)動機(jī)頂部的“熱結(jié)構(gòu)故障”是主要原因。蘭佐說:“這是一種固體火箭發(fā)動機(jī)，采用碳纖維圓柱形結(jié)構(gòu)，填充固體推進(jìn)劑，燃燒溫度約為3000攝氏度。推進(jìn)劑的燃燒需要與結(jié)構(gòu)完全隔離，不幸的是，一些熱量到達(dá)了頂部，并造成了某種類型的損壞?！?/p>

▲ 發(fā)射失敗的織女星火箭

▲ 從“織女星”到“織女星C”的變化

這次發(fā)射失敗是織女星火箭在連續(xù)14次成功后首次失敗。

第三級火箭發(fā)動機(jī)叫做“西風(fēng)9”型，它沿用到了“織女星C”上。

至于第四級火箭，也就是上面級，叫做姿態(tài)游標(biāo)上面級（AVUM）。它采用了非常老款的偏二甲肼和四氧化二氮燃料。但就是這樣一個傳統(tǒng)產(chǎn)品，技術(shù)發(fā)達(dá)的西歐居然造不出來。這個級段是烏克蘭南方設(shè)計局代工生產(chǎn)的，體現(xiàn)了蘇聯(lián)宇航工業(yè)的深厚底蘊(yùn)。

從織女星火箭的結(jié)構(gòu)也可以看出一些有趣的特點(diǎn)。任何一個國家都沒有能力完全獨(dú)立自主搞出來，卻又希望能夠起到領(lǐng)頭羊的作用；然而，參與的任何一個國家都能卡總體的脖子。最后能夠搞成型號，也算是生命力很頑強(qiáng)了。這或許就是歐洲特色吧。

“織女星C”的改造

2014年12月，歐空局部長理事會做出決定，開發(fā)更強(qiáng)大的織女星C火箭，主要目標(biāo)是提高運(yùn)載火箭的性能，提高靈活性，具備更強(qiáng)的一箭多星能力。

“織女星C”的一級和二級發(fā)動機(jī)都要比老款“織女星”更大一些。一級發(fā)動機(jī)改為P120C型，直徑3.4米，長13.38米，重155.027噸，裝載141.634噸推進(jìn)劑,最大推力達(dá)到4323千牛，工作時間135.7秒。噴管偏轉(zhuǎn)可以達(dá)到正負(fù)5.9度。P120C將用作阿里安6火箭的側(cè)助推器。

二 級 發(fā) 動 機(jī) 改 為Z40型，重40.477噸，裝36.229噸推進(jìn)劑，最大推力1304千牛，工作時間92.9秒。噴管偏轉(zhuǎn)幅度和第一級相同。

三級發(fā)動機(jī)是沿用的Z9型，重12噸，裝10.567噸推進(jìn)劑，最大推力317千牛，工作時間119.6秒。噴管偏轉(zhuǎn)幅度略微大一點(diǎn)，達(dá)到正負(fù)6度。

這三級火箭都存在著固體發(fā)動機(jī)的通病，也就是比沖不如液體發(fā)動機(jī)。P120C的比沖只有279秒，“西風(fēng)40”為293.5秒，“西風(fēng)9”是295.9秒。

至于改進(jìn)型上面級AVUM+，干重698千克，可以攜帶492千克的偏二甲肼和248千克的四氧化二氮。真空推力2.45千牛。它的持續(xù)工作時間可以達(dá)到612.5秒，重啟次數(shù)依然是5次。

時間/秒 高度/千米 速度（米/秒）P120C點(diǎn)火升空 0 0 0 P120C分離，Z40點(diǎn)火 142 60 1885 Z40分離 245 121 4555 Z9點(diǎn)火 249 123 4550拋整流罩 254 126 4600 Z9分離 417 190 7564 AVUM+第一次點(diǎn)火 448 199 7553 AVUM+第一關(guān)機(jī) 1090 300 7885 AVUM+第二次點(diǎn)火 3151 619 7533 AVUM+第二次關(guān)機(jī) 3287 623 7631載荷分離 3427 626 7627

“織女星C”相對于“織女星”，整流罩也有所擴(kuò)大。

經(jīng)過改進(jìn)，“織女星C”的典型軌道發(fā)射能力從1500千克提高到了2200千克。

“織女星C”前往太陽同步軌道和近地軌道的典型任務(wù)程序見下表。

換不掉的烏克蘭上面級

歐空局對烏克蘭制造的AVUM上面級其實(shí)一直不算太滿意，因?yàn)樗募夹g(shù)水平太落后了。而且烏克蘭多年來沒有對航天工業(yè)基礎(chǔ)進(jìn)行過投資，想要烏克蘭拿出一個全新理念的上面級，就需要投入大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)。這些錢與其給烏克蘭，不如花在自己身上。況且，烏克蘭從2014年后，政治局勢一直不穩(wěn)定，2022年竟然還發(fā)生了戰(zhàn)爭。但讓人費(fèi)解的是，這樣重要的工作，歐洲方面用了10多年都沒有取得進(jìn)展，“織女星C”上還是用了烏克蘭制造的上面級。

德國和意大利都曾提出過烏克蘭上面級的替代方案。

德國方案

德國航空航天中心組織了一系列研究，研制一種VENUS2上面級，用來替代烏克蘭上面級。技術(shù)方案的選項(xiàng)中，也包括三級或者四級火箭兩種。三級火箭打算使用P100第一級，Z30、Z35或Z40作為第二級，全新的可儲存推進(jìn)劑上面級作為第三級，發(fā)動機(jī)為AESTUS2液體發(fā)動機(jī)。四級火箭方案以P100為第一級，Z23為第二級，Z9A為第三級，第四級為新型低推力液體發(fā)動機(jī)BERTA。

BERTA的意思是“可存儲燃料發(fā)動機(jī)”，是一個采用了金屬3D打印工藝的型號。但這個型號一直都沒搞出來，到2019年2月18日才完成首次試運(yùn)行，進(jìn)行了560秒的點(diǎn)火，參考推力為2.5千牛，但它沒趕上“織女星C”的研制進(jìn)度。

▲ “織女星C”首射的載荷，激光反射衛(wèi)星

▲ “西風(fēng)40”海運(yùn)抵達(dá)庫魯

如果采用三級配置，那么AESTUS2發(fā)動機(jī)必然要使用偏二甲肼和四氧化二氮推進(jìn)劑組合。如果采用四級配置，到底用什么燃料與四氧化二氮配合，就成了一個需要研究的問題。研究人員考慮了四種燃料，包括一甲基肼、偏二甲肼、肼，以及AD50燃料，也就是肼和偏二甲肼各一半的混合物。經(jīng)過研究，首先淘汰了肼燃料，因?yàn)樗鼤軣岱纸?，?dǎo)致發(fā)動機(jī)不能采用再生冷卻方式。而且阿斯特里姆公司（現(xiàn)在已經(jīng)并入空客公司），在一甲基肼方面有比較好的技術(shù)積累。所以，后續(xù)的研究就在一甲基肼的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展。

AESTUS2發(fā)動機(jī)采用渦輪泵驅(qū)動，是阿斯特里姆與美國普惠洛克達(dá)因公司聯(lián)合研制的，它是AESTUS發(fā)動機(jī)的發(fā)展型，而這個型號是阿里安5EPS火箭的上面級動力。AESTUS2的指標(biāo)是推力55.03kN、燃燒室壓力60巴、發(fā)動機(jī)混合比2.09。

BERTA發(fā)動機(jī)的性能就要差很多，推力只有2-16kN，燃燒室壓力8-15巴，發(fā)動機(jī)混合比為2.0-2.1，發(fā)動機(jī)質(zhì)量15～67千克。

研究證明，通過將AESTUS2引入織女星火箭的改進(jìn)，可以把有效載荷能力大幅度提升800千克以上，達(dá)到2350千克，從而顯著提高發(fā)射能力，有效載荷比將從1.13%提高至1.45%。

▲ 織女星火箭執(zhí)行法國偵察衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)

▲ 織女星C火箭整流罩即將與火箭結(jié)合

意大利方案

意大利科學(xué)家曾經(jīng)提出，用混合火箭級替換織女星運(yùn)載火箭的第三級（“西風(fēng)9”）和第四級（AVUM），在原火箭設(shè)計規(guī)定的速度增量、總質(zhì)量、有效載荷方面不能有大的變動，并且平臺必須保證5次點(diǎn)火，但是并沒有進(jìn)入工程階段。

他們初步提出，用液氧、羥基封端聚丁二烯、鋁和氫化鋁的組合作為燃料。

固體燃料制成帶有長孔的圓柱形。液氧在發(fā)動機(jī)前部的圓頂中蒸發(fā)，流入固體燃料的通道并與燃?xì)饣旌希诳拷腆w燃料顆粒表面的邊界層中形成宏觀擴(kuò)散火焰。在到達(dá)噴管膨脹段之前，后燃燒室應(yīng)保證達(dá)到幾乎完全燃燒和預(yù)期的能量水平。

通常，混合燃料中的固體部分可以使用成熟固體推進(jìn)劑制備技術(shù)進(jìn)行鑄造，但處理和鑄造成本明顯低于固體發(fā)動機(jī)。由于需要氧化劑輸送系統(tǒng)，混合火箭比固體火箭更復(fù)雜，又比液體火箭簡單。推力節(jié)流可以通過氧化劑流量的變化來實(shí)現(xiàn)。此外，混合動力發(fā)動機(jī)具有重新點(diǎn)火能力，直到固體燃料耗盡或噴管壽命終結(jié)。

但混合火箭發(fā)動機(jī)的燃燒粗糙度和宏觀擴(kuò)散火焰向顆粒表面的熱反饋機(jī)制，導(dǎo)致燃燒效率低。這限制了混合發(fā)動機(jī)的使用。在過去的幾年里，國際上對混合火箭發(fā)動機(jī)重新產(chǎn)生了興趣，特別是在2004年6月“太空船一號”發(fā)射之后。

混合火箭需要滿足的要求包括:

速度增量 4500米/秒質(zhì)量 12000千克有效載荷質(zhì)量 3000千克重燃能力 5次重啟可調(diào)噴嘴 6°偏轉(zhuǎn)

其實(shí)“織女星”有效載荷能力只有1000千克，設(shè)定3000千克的載荷，是為了“料敵從寬”。按這樣的條件，算出的可實(shí)現(xiàn)方案如下：

燃料和氧化劑質(zhì)量 9905千克惰性質(zhì)量 2029千克初始質(zhì)量 15000千克關(guān)機(jī)質(zhì)量 5095千克比沖 435秒

在這個質(zhì)量和尺寸限制下，計算發(fā)現(xiàn)，混合動力無法實(shí)現(xiàn)435秒比沖，確保3000千克的有效載荷。但是能實(shí)現(xiàn)最小340秒的比沖，那么實(shí)現(xiàn)的性能如下：

質(zhì)量 12000千克比沖 340秒燃料和氧化劑質(zhì)量 9905千克死重 2029千克初始質(zhì)量 13237千克關(guān)機(jī)質(zhì)量 3332千克有效載荷質(zhì)量 1237千克

有效載荷能力（1237千克）低于最初要求的能力，但符合“織女星”的現(xiàn)在的性能。因此，混合火箭看起來還是有希望的。

為此，意大利科學(xué)家討論了幾種不同的燃料配方，最佳配方是羥基封端聚丁二烯燃料百分比為30%，鋁和氫化鋁比例相等，以獲得性能和燃料密度之間的良好折衷。

意大利科學(xué)家們還具體設(shè)計了前后燃燒室、絕熱材料、液氧罐、加壓氣罐、液氧-雙高液罐、管道、噴射器板、推力矢量控制系統(tǒng)、噴嘴和結(jié)構(gòu)。液氧加壓和泵送系統(tǒng)由高壓氦罐組成。多次點(diǎn)火能力是通過儲存在兩個球形罐中的三乙基鋁來實(shí)現(xiàn)的。

最后計算得到的各部分重量比例如下表。

液氧罐 542千克其他儲罐質(zhì)量 383千克三乙基鋁及儲罐 49千克管道和閥門 30千克噴油器板 193千克燃燒室和隔熱板 273千克噴嘴 280千克推力矢量控制系統(tǒng) 140千克內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu) 206千克

▲ “織女星C”整流罩準(zhǔn)備與火箭結(jié)合

▲ 織女星火箭發(fā)射中型衛(wèi)星的整流罩配置

這項(xiàng)研究的成果之所以沒有變成工程樣機(jī)，或許是因?yàn)楦膭恿刻罅?。歐洲此前沒有制造過這樣大尺寸的混合燃料火箭，也沒有相關(guān)的技術(shù)積累。所以，織女星C火箭依然采用了三級固體加烏克蘭上面級的配置。什么時候能看到西歐自己制造的上面級？恐怕要等相當(dāng)長一段時間。而且，AVUM上面級的供應(yīng)必然受到烏克蘭戰(zhàn)爭的影響。要是雙方握手言和，問題還不算太大；要是俄羅斯打敗烏克蘭，歐空局恐怕要重新談判簽合同了。