歐日現役大型運載火箭一探

郭彥江

2016年11月3日晚，我國新一代大推力、高可靠、無毒無污染運載火箭長征五號發射成功。長征五號研制與發射成功將對構建我國新一代無毒無污染運載火箭型譜發揮重要的牽引和輻射作用，使我國運載火箭整體技術水平向前邁進一大步，是我國由航天大國逐步邁向航天強國的重要標志。

長征五號為我國運載火箭升級換代里程碑工程，其發射成功標志著我國運載火箭規模成功實現由中型到大型的跨越。也標志著我國由航天大國邁向航天強國步伐加快。長征五號將進入由美國的“宇宙神”-5、“德爾塔”-4，俄羅斯的“質子”-M、“安哥拉”-5，歐洲的“阿麗亞娜”-5，日本的H-2系列運載火箭為代表的大型運載火箭市場。本文將主要介紹歐洲的“阿麗亞娜”-5、日本的H-2系列運載火箭。

歐洲的“阿麗亞娜”-5

“阿麗亞娜”-5是繼“阿麗亞娜”-4之后歐空局推出的一種大型運載火箭。研制這種火箭的設想可以追溯到1979年，當時主要是想研制一種能把10噸重的“使神”號載人航天飛機送入200千米高的低地軌道的運載火箭，具體方案是使用“阿麗亞娜”-4的L210第一級捆綁“阿麗亞娜”-3的固體助推器（當時“阿麗亞娜”-4的液體助推器還沒研制），上面使用裝45噸推進劑的低溫級，再上面裝“使神”號航天飛機或在用于向靜地軌道發射時裝H10第三級。此后火箭方案幾經變動。

1985年1月，歐空局批準了該火箭研制的預備性計劃;1987年11月在歐空局部長級會議上“阿麗亞娜”-5研制計劃正式得到批準。

“阿麗亞娜”-5研制計劃的最初目標是：可用于向靜地轉移軌道進行單星或多星發射，單星發射運載能力為6.8噸，雙星運載能力為5.9噸;可把22噸重的“使神”號航天飛機送入100千米×463千米、傾角28.5度的轉移軌道;提供4.57米直徑的圓筒形典型有效載荷空間，以與美國航天飛機兼容;達到0.98的總可靠性指標;在發射“使神”號航天飛機時滿足0.999的安全性要求;實現成本方面的目標，即在每年發射8次、其中4次是靜地轉移軌道發射的前提下，在向靜地轉移軌道發射雙星時成本要比使用“阿麗亞娜”-4低10%以上（相當于單位重量發射成本降低45%）。1993年歐空局決定取消“使神”號航天飛機計劃，但對“阿麗亞娜”-5火箭的可靠性要求并沒有降低，要求達到0.985，即每發射70次才可以有一次失敗。

“阿麗亞娜”-5火箭的研制費用由歐空局的14個成員國分擔，出資較多的法國、德國和意大利分別負擔46.2%、22%和15%。該項目的經費最初定為72億美元，加上20%的不可預見費用，實際上包括可行性論證工作在內總投資達86.8億美元。歐空局有一條原則，即出資國的出資最終將以補償合同的形式返還給出資國，因此“阿麗亞娜”-5火箭各組件的研制與生產工作都承包給了歐洲廠家。

火箭的總承包商是法國國家空間研究中心，法國宇航公司同過去一樣仍作為該火箭項目的總體承包商（歐空局稱之為“工業設計師”），負責總體、低溫主級和固體助推器。其它主要分包商還有德國奔馳宇航公司（負責上面級）、歐洲動力裝置制造公司（負責低溫主級與上面級的推進裝置）、歐洲推進公司（歐洲動力裝置制造公司與意大利BPD防御與空間公司的合資公司，負責固體助推器的推進部分）、賴古勒斯公司（歐洲動力裝置制造公司與法國國家火炸藥公司的合資公司，負責固體推進劑）、馬特拉·馬可尼航天公司（負責設備艙）、道尼爾公司（奔馳宇航的子公司，負責三星支架）和厄利孔-康特拉夫斯公司（負責整流罩）等。

工作人員為“阿麗亞娜”-5火箭裝配衛星載荷

“阿麗亞娜”-5火箭在結構上分為下部組合和上部組合兩大部分。下部組合與所執行的發射任務無關，由低溫主級和兩臺大型固體助推器組成。上部組合在最初設計時分為載人和不載人兩種情況：不載人時它由上面級（用于向低地軌道、太陽同步軌道和靜地轉移軌道發射）、設備艙、整流罩、多星發射支架和有效載荷適配器組成;載人發射時它就是裝在適配器上的“使神”號航天飛機。“使神”號計劃取消后只剩下頭一種情況，但要根據有效載荷的情況選配整流罩和多星支架。

“阿麗亞娜”-5可以把重6.8噸的單一有效載荷送入傾角5～12度的靜地轉移軌道，雙星和三星發射時這一能力分別為5.9噸和5.5噸。它還能把10噸重的衛星送入800千米、傾角98.6度的太陽同步軌道，把18噸重的貨物送入550千米、28.5度的圓形低地軌道，70千米×300千米、傾角28.5度軌道的運載能力為22.6噸。

“阿麗亞娜”-5的固體助推器代號P230或EAP（固體助推器級），共有兩臺，捆綁在芯級兩側。每臺助推器都可裝帶降落傘回收裝置，用于從海上回收，以對發動機、助推器殼體、殘留推進劑和設備的工作情況進行檢查，積累更多的發動機工作數據。目前計劃每年回收兩套助推器。回收系統所用的降落傘由俄一專業研究所生產。回收裝置裝在助推器前裙體內，可根據需要快速拆裝，重量不到助推器本身重量的0.6%。從經濟性方面考慮，目前還沒有重復使用固體助推器的打算。

固體助推器全長31.16米（其中發動機長26. 774米），主體直徑3.049米，分三大段澆注，采用丁羚推進劑。每臺助推器總重為268噸，其中裝藥重量237.1噸（后、中、前段各為106.5噸，I07.6噸和23.0噸），噴管6.1噸，內部絕熱層4.9噸，殼體19.7噸，點火裝10.3噸。藥型除前段在周向開15個矩形槽外，其余均為圓柱形內孔燃燒，由下而上略呈錐形。 發動機的燃燒時間為129.4秒，起飛時的海平面推力為5250千牛（真空推力6000千牛），真空比沖2658牛·秒/千克，總沖在610兆牛以上。出口直徑2.826米的噴管可利用分開90度安裝的兩個液壓作動器實現6度的偏轉（最大7度）。噴喉采用碳-碳燒蝕材料，直徑0.9米。

“阿麗亞娜”-5的第一級代號H155或EPC（低溫推進級），又稱低溫主級，使用一臺燃氣發生器循環的火神低溫氫氧發動機，該級長30.7米，直徑5.4米，起飛時重量為167.5噸。第二級級代號L9.7或EPS（可貯推進級），采用開式循環的擠壓式可貯推進劑艾斯塔斯發動機，該級長3.3米，直徑3.9米，推進劑為6.5噸四氧化二氮和3.2噸單甲基肼，分裝在四個直徑1.41米的貯箱內。艾斯塔斯發動機真空推力27. 5千牛，真空比沖3097牛·秒/千克，燃燒時間（3次工作）總計為1100秒。發動機可擺動6度，以進行俯仰和偏航控制。

“阿麗亞娜”-5的設備艙位于第二級發動機的外圍。與“阿麗亞娜”-4的設備艙不同，它帶有姿控系統，用于第一和第二級工作期間的滾動控制和工作結束后的三軸控制。

日本H-2A火箭總裝車間進行吊裝作業

厄利孔一康特拉夫斯公司生產的整流罩直徑5.4米，有長型和短型兩種，可接納直徑4.57米的有效載荷。短型罩長12.7米，重2.3噸，長型罩長17米。由道尼爾公司制造的880千克重的三星發射支架（SPELTRA，即“阿麗亞娜”三星發射外部支撐結構，類似于“阿麗亞娜”-4使用的SPEL-DA，即“阿麗亞娜”雙星發射外部支撐結構）將使上部組合的高度增加5.66米，可用于雙星發射。

歐空局當前主要使用“阿麗亞娜”-5運載火箭完成發射任務，1996年“阿麗亞娜”-5火箭首次發射，在16年的歷史上曾出現“阿麗亞娜”-5G、“阿麗亞娜”-5G+、“阿麗亞娜”-5GS等型號，目前使用的型號為“阿麗亞娜”-5ECA和“阿麗亞娜”-5ES，分別主要用于發射靜止軌道通信衛星和ATV貨運飛船。憑借早期“阿麗亞娜”-5G系列火箭的成功業績，“阿麗亞娜”-5火箭延續了“阿麗亞娜”-4號運載火箭在商業發射市場上的輝煌，而性能更為優秀的“阿麗亞娜”-5 ECA火箭達到了10噸的同步轉移軌道（GTO）運力，并可通過一箭雙星的發射方式降低發射費用，進一步鞏固了“阿麗亞娜”-5火箭在商業發射市場上的優勢。

現在，歐洲航天局正在研制“阿麗亞娜”-5ME，并繼續研發模塊化、低成本的后繼型號“阿麗亞娜”-6火箭。德國支持發展“阿麗亞娜”-5ME，將在2017年至2018年執行飛行任務;法國支持發展“阿麗亞娜”-6，預計在2020年后開始提供服務。與“阿麗亞娜”-5相比，“阿麗亞娜”-5ME采用了新的上面級，比目前的“阿麗亞娜”-5ECA型火箭的運載能力提高20%，地球同步轉移軌道運載能力11.2噸。“阿麗亞娜”-6的地球同步轉移軌道運載能力并不高，為3～8噸，但可靠性高于“阿麗亞娜”-5系列火箭，成本也比“阿麗亞娜”-5低，并能夠實現更高的發射頻率。

日本的H-2系列火箭

H-2A火箭被視為日本的“天之驕子”，因為這一直徑4米，全長53米的兩級火箭技術十分先進，可用于參與國際衛星發射市場商業競爭。

與H-2相比，H-2A在設計上追求簡單和可靠，最大的變化是在由三菱重工制造的液體發動機和固體助推器上。它采用了改進的第一級和第二級發動機、SRB-A大型捆綁固體助推器及貯箱，以簡化設計，降低生產和使用成本。

H-2A的第一級使用1臺推力為1100千牛的 LE-7A發動機（第一級上的LE-7發動機推力為845千牛）。為了簡化生產工藝，降低成本和風險，它更多地采用了鑄造和機加工藝，減少了焊接。H-2火箭發動機共有98焊接點，而H-2A的發動機只有8處，這樣可提高可靠性和操作性能，因為火箭的發動機是整個火箭的心臟部，最容易發生問題的是焊接部位。

第二級用LE-5B取代了H-2第二級的LE-5A。LE-5B發動機推力為138千牛（LE-5A發動機的推力為117千牛）。另外，其貯箱結構設計也作了改進，由H-2的共底結構整體式液氧液氫箱改為各自分開的液氧箱和液氫箱，這樣能簡化生產過程，提高安全性，但缺點是使重量有所增加。

其SRB-A固體火箭助推器采用了從美國引進的整體制造技術，不再分段制造，降低了重量，提高了結構完整性。H-2的SRB固體助推器采用聚丁二烯復合裝藥，分4段制造，每臺的推力為1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用復合推進劑，但改用整體制造技術，從而降低了重量和低成本，提高了結構的完整性，簡化了發射操作。新助推器的單臺推力也提高到了2254千牛。

由于H-2A采用新的LRB液體助推器，所以運載火箭的支承結構方案作了相應改進，由固體助推器支撐芯級方案改進為芯級自身支撐方案。每臺LRB助推器使用2臺LE-7A發動機。

H-2A零部件比H-2減少了約20% ，發射費用降到H-2的一半，基本與歐美持平。H-2一味追求100%國產化，而H-2A有許多零部件是從其他國家購買的（如第二級貯箱的一些組件），并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整體的設計可靠性為97.4%，H-2A為98.2%。

H-2A火箭可通過捆綁不同種類和數量的助推器分成5個子型號：一是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器的202型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為4.1噸;二是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個SSB小型固體助推器的2022型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為4.5噸;三是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和4個SSB小型固體助推器的2024型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為5.5噸;四是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和1個LRB液體助推器的222型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為7.5噸;五是捆綁了2個SRB-A大型固體助推器和2個LRB液體助推器的212型火箭，其地球同步轉移軌道的運載能力為9.5噸。此外，沒有二子級1024型火箭專門用于發射日OPE-X驗證機。

地球同步轉移軌道運載能力為4.1噸、4.5噸和5噸的H-2A成本為7700萬美元，而地球同步轉移軌道運載能力分別為7.5噸和9.5噸的H-2A成本為9500萬美元。

日本目前正在為研制H-3火箭開展技術論證。H-3為三級火箭，將取代現役兩級火箭H-2A和H-2B。其地球同步軌道運載能力為4噸，在使用固體燃料助推器的情況下可達6噸。該火箭可能在2020年前后首飛，它將有助于日本發射大型商業衛星、載人航天器和深空探測器，因為其發射費用將比H-2A便宜20%到30%。

結束語

為了滿足日益增長的太空開發需求，人造地球衛星、飛船和空間站、空間探測器等航天器的體積和重量越來越大，因而要求發射這些航天器的運載火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向發展，為此，美國、俄羅斯、歐洲和日本都在積極研制新型大推力運載火箭。

我國長征五號火箭的總體運載能力已經超過了歐洲的“阿麗亞娜”-5和日本的H-2B，將在航天發射市場占有重要地位。長征五號橫空出世，將推動我國航天事業快速發展。

責任編輯：彭振忠