“阿里安-1”開啟歐洲商業航天大門

文/林麟 詩羽

20世紀70年代，歐洲各國決定在太空探索領域展開更進一步的合作，并于1975年成立了一個新的泛國家組織來承擔這一使命，即歐空局。在此之前的一段時間里，法國一直在游說歐洲各國聯合開發“第三代替代運輸器”，以替代早期的“歐羅巴”系列運載火箭。

1973年9月21日，法德兩國正式簽署“第三代替代運輸器”開發協議，目的是用運載火箭將商業衛星送入地球軌道。而同期的運載火箭大部分是服務于軍隊或政府機構，甚至是由彈道導彈改裝而來。

“第三代替代運輸器”作為一個跨國研制項目，被視為是對歐空局的一次重要考驗，這一項目的命運在當時對歐空局的未來將產生至關重要的影響。

▲法國航空航天博物館中的“阿里安-1”模型

研制歷程

法國可以說是“第三代替代運輸器”項目的最大利益相關者，因此法國的相關企業擔任了這一項目的主承包商，負責火箭的總體生產與設計工作并研發火箭的第一、二級發動機。第三級發動機由法國和德國聯合研制，英國和瑞典的部分企業也參與了這一項目。

在項目推進過程中，研究人員認為“第三代替代運輸器”這一名稱缺乏公眾吸引力，因此，決定在“獵戶座”“鳳凰”“天琴座”“織女星”等候選名稱中為其選擇一個正式的名稱。最終法國工業和科學發展部部長讓·夏博內爾選擇了“阿里安”，這個女性名字寓意著：喜創造和藝術，不喜墨守成規。

1974年中期，由于“阿里安”項目耗資巨大，同時法國正在研制的其他幾個太空項目出現延誤或資金短缺，導致法國政府需要向法國國家空間研究中心提供更多的資金，因此“阿里安”火箭的研制工作曾一度暫停。

▲“阿里安-1”的局部構造

“阿里安”的第三級使用液氫液氧發動機，而在此之前僅有美國曾在上面級使用過，技術上面臨著巨大挑戰。雖然在研制過程中發動機在點火測試時出現了一些問題，但并沒有影響到“阿里安-1”的總體研制進程。后來，歐空局決定，在“阿里安-1”正式開始執行商業發射任務之前，應先進行4次測試飛行，相關企業雖然可以使用這4次發射中的有效載荷空位，但并不能確保任務的成功。

為了承擔“阿里安-1”的發射任務，位于南美洲的法屬圭亞那航天中心進行了大幅度改造，此前用于發射“歐羅巴”火箭的發射臺被重新命名，并換用了高度更低的基座和更高的勤務塔。

“阿里安-1”的生產工作由法國宇航公司承擔，火箭的每個分段由駁船通過塞納河運送到法國北部的海港城市勒阿弗爾，再由遠洋貨輪穿過大西洋運送到法屬圭亞那，最后通過公路和鐵路將火箭組件運送到航天中心進行最終的總裝工作。總裝工作完成后，火箭將通過移動發射平臺移動到發射臺，并儲存在一個全封閉的服務塔中，在此安裝有效載荷并進行燃料加注和最終檢查。

▲“第三代替代運輸器”的早期設計方案

▲“阿里安-1”的整流罩

▲“阿里安-1”第一級使用的“維京-2”發動機

在“阿里安-1”進行首次發射之前，有一些來自美國和英國的質疑，認為各國為這一項目付出的努力是一種“昂貴的放縱”，可能是“不必要的”。這是因為美國宇航局開發的可重復使用航天系統——航天飛機即將投入使用，這可能將使“阿里安”系列火箭失去競爭優勢。在1979年初，“阿里安-1”僅有3位客戶。在同年年底，通信衛星運營商國際通信衛星組織被說服下達了一個訂單，要求使用“阿里安-1”發射兩顆該機構研制的通信衛星，這被認為是“阿里安”系列火箭的重大突破，因為來自國際通信衛星組織的航天發射訂單巨大，而這一組織當時主要計劃由“阿里安”的競爭對手——美國的航天飛機作為發射其通信衛星的主要航天器。而在宣布這一消息的一周之后，歐空局便宣布將生產10枚阿里安-1運載火箭。

設計與結構

阿里安-1運載火箭全長約47.4米、最大直徑約3.8米、最大起飛質量210噸，近地軌道運載能力4.85噸，地球同步轉移軌道運載能力1.85噸。

有意思的是，“阿里安-1”到底算是三級還是四級火箭，一直存在爭議。該火箭為了將衛星從地球同步轉移軌道運送到地球靜止軌道，特意配備了推進部署系統，但一般不把它算作火箭結構，而是歸類在有效載荷中，所以主流觀點認為“阿里安-1”是三級火箭。

▲“阿里安-1”從改造后的法屬圭亞那航天中心發射臺發射升空

“阿里安-1”的第一級結構重量約13.3噸，裝有約14.7噸的四氧化二氮/偏二甲基肼推進劑，配備了4臺歐洲推進公司開發的“維京-2”發動機，單臺最大推力約690千牛。而第二級則配備1臺“維京-4”發動機，結構重量約3.9噸，裝有約3.4噸的四氧化二氮/偏二甲基肼推進劑，最大推力約720千牛。第三級則是1臺采用液氫液氧推進劑的HM7-A低溫渦輪發動機，最大推力約61千牛。用于將衛星從地球同步轉移軌道運送到地球靜止軌道的推進系統由1臺“法師-1”固體火箭發動機承擔，采用端羥基聚丁二烯推進劑，最大推力約20千牛。

“阿里安-1”的電子設備艙位于箭體上部，裝有用于制導、控制、程序遙測、自毀和跟蹤等所需的電子設備，重約325千克，這些設備分布在箭載計算機周圍。整流罩約重850千克，在火箭穿過大氣層時用來保護有效載荷，其下部尾段由可透過無線電波的材料制成。

服役歷程

為了急需證明“阿里安-1”的可靠性和商業價值，歐空局要求其必須在1979年底前進行首次發射。“阿里安-1”的首次發射任務定于1979年12月15日，并在發射前38小時開始進行倒計時。但是在發射前1小時出現了技術問題，導致發射中止。歐空局不希望“阿里安-1”的首次發射任務因此推遲到1980年，于是決定嘗試第二次點火發射。然而，當倒計時達到零時，發動機點火后3秒，由于傳感器的錯誤信息顯示發動機壓力一直在下降，箭載計算機自行決定切斷發動機推進劑供給，此次發射中止。

再次發射的日期定在了12月23日，但由于天氣問題延期至24日。當天，時任法國總統吉斯卡爾·德斯坦親自按下發射按鈕，“阿里安-1”攜帶由意大利航空公司制造的有效載荷——“測試儀器系統”升空，發射取得圓滿成功。這可以稱得上是“獻給全歐洲以及法屬圭亞那航天中心數千名參與‘阿里安-1’開發、生產、發射任務的工人們的圣誕禮物”。“測試儀器系統”的主要任務是詳細測量火箭上升階段的各項關鍵數據，如噪音、應力、加速度、溫度和壓力等。這一系統還被設計用于模擬真實的衛星有效載荷，被成功送入近地點約182千米、遠地點約35824千米的地球同步轉移軌道上。“測試儀器系統”的成功部署標志著曾經被美國壟斷的商業衛星發射市場向歐洲打開了大門。而在“阿里安-1”首飛成功后不久，法國國家空間研究中心與歐空局于1980年3月26日合資成立了一家新公司，旨在促進、營銷和管理“阿里安”系列運載火箭的研發、測試、生產、發射工作，并將這一公司命名為“阿里安航天”。

“阿里安-1”在1980年5月23日進行了第二次發射，火箭起飛后不久因第一級上的一臺“維京-2”發動機燃燒不穩定而宣告失敗。此后1981年6月19日的第三次發射取得成功，將3顆衛星送入軌道。而同年12月20日第四次也是最后一次資格認證發射同樣取得了成功。

然而，在1982年9月10日進行的第五次發射，也是“阿里安-1”執行的首次商業發射任務中，火箭在起飛7分鐘后由于第三級發動機的一臺渦輪泵出現故障，火箭停止工作，有效載荷未能入軌，任務宣告失敗。首次商業發射的失敗給“阿里安-1”的前程蒙上陰影，并引發了一系列針對“阿里安”項目的批評。

▲“阿里安-1”的內部結構示意圖

▲“阿里安-1”執行第十次發射任務，成功將“喬托”哈雷彗星探測器送入太空

▲即將執行首次發射任務的“阿里安-1”

在完成此次失敗的全面審查，并對第三級進行了重新設計后，“阿里安-1”于1983年6月16日順利執行了第二次商業發射任務，成功將兩顆衛星送入軌道。此后，“阿里安-1”又進行了6次發射，全部取得成功。這也使得“阿里安”系列運載火箭的訂單迅速增加，到1984年初，“阿里安”系列火箭總共獲得發射27顆衛星的訂單，占當時世界商業發射市場的一半。由于在商業發射上取得成功，“阿里安-1”在執行第十次發射任務、成功將“喬托號”哈雷彗星探測器送入太空后，歐洲空間局將“阿里安”系列火箭的發射權限完全移交給了阿里安航天公司。

隨著衛星尺寸、重量的不斷增加，“阿里安-1”的運載能力漸顯不足。1986年2月22日，“阿里安-1”執行第十一次、也是最后一次發射任務，將兩顆科學觀測衛星成功送入軌道，完成了其歷史使命，將未來交給了它的后續型號。“阿里安-1”的成功，為這一系列運載火箭打下了堅實的基礎，使“阿里安”系列運載火箭在很長一段時間內占據了世界商業航天發射市場的主導地位。