阿丽亚娜-6首飞不利欧洲坎坷的重返太空之路
2024-10-31 00:00:00林麟
百科知识 2024年20期
北京时间2024年7月10日凌晨3时，欧洲航天局（ESA）新一代大型运载火箭—阿丽亚娜- 6从圭亚那航天中心升空，执行首次发射任务。火箭顺利点火起飞，助推器和第一级均正常工作并分离；在第二级的推进下，火箭进入预定轨道，分离了搭载的8颗立方星，完成了此次发射任务的主要目标。
然而，在阿丽亚娜- 6第二级正常完成第一次、第二次点火后，其辅助推进系统却提前关闭，致使火箭偏离预定飞行轨道，无法进行第三次点火，进而无法释放搭载的最后两个载荷。尽管任务收尾阶段出现“意外”，ESA还是宣布阿丽亚娜- 6成功发射升空、进入轨道和部署卫星，这也标志着欧洲恢复了依靠自己的大型运载火箭进入太空的能力。
2024年9月16日，ESA公布了阿丽亚娜- 6首飞任务中出现故障的原因：火箭温度传感器检测到的数值超出了程序预定值，这使得箭载软件程序强制关闭了辅助推进系统，并取消了第三次点火。工程团队表示，可以通过修改辅助推进系统的点火准备顺序，以解决飞行过程中遇到的温度异常问题。目前，修改后的代码已经在进行测试，虽然问题尚未完全解决，但ESA表示，阿丽亚娜- 6仍将按照计划在2024年第四季度进行第二次发射。
失而复得的轨道级发射能力
事实上，在此次阿丽亚娜- 6发射前，ESA在过去一年里已经完全失去了轨道级运载火箭的发射能力。2023年7月6日，曾经的欧洲主力大型液体运载火箭阿丽亚娜- 5在执行完最后一次发射任务后退役。接棒的阿丽亚娜- 6是2014年开始研制的，原定于2020年首次发射，但受新冠疫情、技术等因素影响，发射时间屡次推迟，导致其与阿丽亚娜- 5的服役时间没能完好衔接上，ESA也因此只能使用织女星- C运载火箭来发射小型卫星。
织女星- C是织女星运载火箭的升级版，可将重约2200千克的有效载荷送入距地面700千米的极地轨道。2022年7月13日，织女星- C成功发射，但同年12月，ESA宣布织女星- C的发动机在点火后不久出现严重故障，发动机燃烧室压力下降，导致推力下降，火箭最终坠毁。目前，织女星- C计划在2024年底复飞。
另外，ESA曾与俄罗斯合作，在圭亚那航天中心发射了俄制联盟号运载火箭。然而俄乌冲突爆发后，ESA便中止了与俄罗斯在航天方面的合作，原计划由联盟号执行的数个发射任务均需要使用其他火箭来完成。
至此，ESA经过数十年发展形成的由阿丽亚娜系列大型运载火箭、联盟号中型运载火箭、织女星小型运载火箭所构成的欧洲火箭家族已经全部失去执行发射任务的能力。
虽然此次阿丽亚娜- 6首飞让ESA重新拥有了轨道级运载火箭发射能力，但第二级故障仍然令人担忧。面对当下最为成功的商业运载火箭猎鹰9号，为降本增效而设计的阿丽亚娜-6明显缺乏足够的商业竞争力。
阿丽亚娜- 6与猎鹰9号的运载能力相近，但作为一次性火箭，在发射成本上，阿丽亚娜- 6相较于具备重复使用能力的猎鹰9号可谓毫无优势。同时，第二级故障的发生也让阿丽亚娜- 6无法完全得到客户的信任。2023年，美国太空探索技术公司（SpaceX）执行了96次猎鹰火箭发射任务；截至2024年8月，SpaceX已经执行了超过70次猎鹰火箭发射任务。在发射成功率和发射频率上，猎鹰火箭与刚刚完成首飞、目前仍然存在一定问题的阿丽亚娜- 6形成了鲜明的对比。
面对前景未知的欧洲火箭市场，部分商业发射客户选择放弃与ESA和阿丽亚娜航天公司的合作，转而选择猎鹰9号和猎鹰重型，这更为未来欧洲运载火箭的发展蒙上了一层阴影。
历代阿丽亚娜运载火箭
20世纪70年代，欧洲各国决定在太空探索领域展开更进一步的合作，阿丽亚娜系列运载火箭的研制工作由此开始。
阿丽亚娜- 1 阿丽亚娜- 1全长约47.4米，最大直径约3.8米，最大起飞质量约210吨，能够将重约1.85吨的有效载荷送入地球同步转移轨道。在深空探测任务中，阿丽亚娜- 1能够向月球运送重约1吨的有效载荷，向金星和火星分别运送重约0.79吨和0.6吨的有效载荷。阿丽亚娜- 1于1979年12月24日首飞，总计执行了11次发射任务，其中两次失败。
阿丽亚娜- 2和阿丽亚娜- 3 随后，ESA在阿丽亚娜- 1的基础上研制了阿丽亚娜- 2和阿丽亚娜- 3。这两型火箭的全长均为49.13米，直径3.8米，主体结构基本延续了之前的设计，但加长了箭体，改进了发动机，换用了新型推进剂。比如，阿丽亚娜- 3捆绑了两台固体推进剂助推器，这使得它的最大起飞质量增加到了234吨，地球同步转移轨道运载能力提升至2.7吨。阿丽亚娜- 2与阿丽亚娜- 3的服役历程极其短暂，从1984年首飞至1989年退役，历时不足5年。随后，它们被性能更强、更灵活的阿丽亚娜- 4取代。
阿丽亚娜- 4 相较于“前辈”，阿丽亚娜- 4的显著特点是第一级和第三级伸展，加固了箭体结构，采用新的推进舱布局和航空电子设备，改进了箭载技术和激光陀螺应急惯性导航系统，配备了多种长度的新型整流罩，运用了多种固体推进剂助推器和液体推进剂助推器。阿丽亚娜- 4共有6种型号，除基础型未捆绑助推器，其余5型都捆绑了2～4个不同型号、不同组合的助推器，因此运载能力最强的型号的最大起飞质量达到了470吨。在15年的服役历程中，阿丽亚娜- 4共执行了116次发射任务，其中113次成功，成功率达97.4%；总计发射了155个主要有效载荷和27个辅助有效载荷。由于运用了大量成熟技术，阿丽亚娜- 4的发射成本得到了很好的控制。据称，相较于最初的阿丽亚娜- 1，阿丽亚娜- 4每千克的发射成本降低了55%。
阿丽亚娜- 5 阿丽亚娜- 5的研制工作始于20世纪80年代中期。在阿丽亚娜- 5计划早期，该型火箭是ESA实施的载人航天计划的三个主要组成部分之一，另两个组成部分是赫尔墨斯号航天飞机（研制计划已取消）和哥伦布号空间实验室。阿丽亚娜- 5G是阿丽亚娜- 5的基本构型，全长54米，最大起飞质量约750吨，近地轨道运载能力18吨，地球同步转移轨道运载能力达到了6.9吨，能够同时发射两个大型载荷。除了G型，阿丽亚娜- 5还有G+、GS、ES、ECA等多个衍生构型，其中，ECA型几乎是阿丽亚娜- 5的整体改进型。2005年首飞成功后，ECA型共执行了84次发射任务，发射成功率为97.6%。作为ESA的主力火箭，阿丽亚娜- 5在27年的服役历程中共计执行了117次发射任务，包括赫歇尔空间望远镜、詹姆斯·韦布空间望远镜、木星冰月探测器等一系列重要载荷发射任务。
虽然阿丽亚娜- 5具备了较强的运载能力，但它毕竟是20世纪后期研制的火箭，目前已无法适应快速变化的火箭发射市场需求，尤其是它的发射成本较高，经济性远不如新一代运载火箭，特别是具备重复使用能力的猎鹰9号。
阿丽亚娜- 6 为了替换阿丽亚娜- 5，ESA于2010年开始开展阿丽亚娜- 6的研制工作。阿丽亚娜- 6不仅要满足ESA成员国的发射需求，还要保证欧洲运载火箭竞争力和欧洲航天业在商业火箭发射市场的地位。因此，在市场竞争加剧的情况下，降低发射和运营成本是阿丽亚娜- 6首先要实现的目标。事实上，阿丽亚娜- 6的发射成本仅为阿丽亚娜- 5的一半，而且发射次数也从每年6次增加到12次。
阿丽亚娜- 6的研制团队来自13个欧洲国家的约600家公司，研制资金来自ESA的22个成员国。2016年11月3日，ESA理事会正式批准了阿丽亚娜- 6项目的相关资金。同年11月8日，ESA工业政策委员会向各个研制单位和承包商发放了这一项目所需的资金。
阿丽亚娜- 6全长63米，直径5.4米。核心级共有两级，均由液氢液氧发动机提供动力：第一级为下层液体推进模块，使用的是已在阿丽亚娜- 5上验证成熟的“火神”发动机的改进版本；第二级是此前计划用于阿丽亚娜- 5 ECB构型的“芬奇”发动机。其中，62型的最大发射质量为530吨，主要承担政府发射任务和太空科学任务；64型的最大起飞质量为860吨，主要承担商业卫星发射任务。与阿丽亚娜- 5一样，阿丽亚娜-64型也拥有同时发射两颗地球同步卫星的能力。
未来的阿丽亚娜
虽然阿丽亚娜- 6仍然是消耗性火箭，但ESA及其各成员国已经认识到可重复使用火箭才是未来商业火箭发射市场的主力。在法国国家空间研究中心的建议和领导下，多个ESA成员国已经展开可重复使用火箭技术的研制工作。
阿丽亚娜Next是由阿丽亚娜航天公司为ESA规划的新一代可重复使用运载火箭，共有22个国家参与了阿丽亚娜Next的研制，目标是通过简化设计、回收第一级，将火箭的发射成本缩减一半，并提高火箭的发射灵活性。目前，阿丽亚娜Next计划采用与猎鹰9号类似的构型，第一级和第二级计划采用同型号的液氧甲烷发动机。
除了该构型，阿丽亚娜Next还考虑研制另外两种构型，以适应不同的发射任务，包括在基础构型的第一级上捆绑两枚小型液体推进剂助推器，或者将三个第一级连接在一起。
阿丽亚娜Next第一级和第二级发动机—“普罗米修斯”由阿丽亚娜航天公司研制，研发经费由ESA出资。2017年6月，ESA出资8500万欧元，资金中的63%来自法国；2020年6月，ESA同意为“普罗米修斯”提供全部研制资金，以使“发动机设计达到适合工业的技术成熟度”。当然，“普罗米修斯”也有可能用于阿丽亚娜- 6。
“普罗米修斯”的研制目的是将单台发动机的制造成本控制在“火神”发动机的十分之一。“普罗米修斯”还具备以下特点：采用液氧甲烷推进剂、广泛使用3D打印金属组件（预计占发动机零件总数的50%）、采用燃气发生器循环等。“普罗米修斯”的推力约为980千牛，可以在额定推力的30%～110%范围内进行调节；比冲360秒；可重复使用5次以上。目前，ESA计划在阿丽亚娜Next的第一级上配备7台或9台“普罗米修斯”，而在第二级上仅配备1台。
虽然“普罗米修斯”已于2022年11月成功点火，并于2023年6月成功进行了12秒的试车，但距离实际运用仍有很长一段路要走。考虑到用于测试火箭垂直起飞和垂直着陆技术的卡利斯托项目与阿尔忒弥斯项目均有所拖曳，欧洲想拥有自己的可重复使用火箭，可能仍需要等待数年时间。
【责任编辑】谌 燕
