“織女星C”：一款歐洲特色的火箭

文/遲惑

▲ “織女星c”的藝術圖

7月13日，歐空局成功發射了首枚織女星C火箭。“織女星”是歐洲的第二種運載火箭，如果僅僅從參數上分析，“織女星”在國際上競爭力不算強。而“織女星C”作為改進型，雖然性能有一定提升，但在全球范圍內，也是一種不算太起眼的型號,無論是發射價格、發射頻率，都不算太出眾。那么，歐洲為啥要在開發阿里安火箭的同時，開發一種能力一般的中型火箭呢?

意大利人的野望

歐洲已經有了一個阿里安火箭系列，為什么又出現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，開發一種阿里安火箭補充發射工具(ACL)，擴大歐洲航天發射能力的覆蓋范圍。當時，“阿里安4”已經退役，“阿里安5”的尺寸比較大，如果發射中小型衛星，就需要一箭多星發射，可能會錯過部分衛星的發射窗口。

這是比較冠冕堂皇的說法，但熟悉歐洲文化的人都會發現一個問題：在那段時間里，意大利開始倡導新型固體推進劑運載火箭的概念。從發射能力來說，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發射。歐洲不像美國那樣四海征戰，要快速響應發射能力有什么用呢?

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“織女星”發展計劃的第一階段，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年進行首次發射。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，因為法國的退出，正式放棄“織女星”計劃。但意大利宣布，無論如何都要推進織女星火箭的研制，甚至威脅說，自己將把貢獻給“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射搭載了法國偵察衛星

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”改進型搭配使用。經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，即歐洲運載火箭公司，負責“織女星”計劃的大部分開發工作。

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射器的開發合同，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載火箭公司簽署了一項合同，在法屬圭亞那的庫魯進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射臺，其中包括廠房掩體和一個用于協助總裝的自行式結構。這個發射臺原本是用來發射阿里安1火箭的。

到這里，我們已經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，德國對獨自發展運載火箭缺乏興趣，阿里安火箭雖然是歐洲合作型號，但主導權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計的經驗和能力，不得不拉著法國人一起干。這也體現了歐洲文化的復雜性和不同民族的個性。

四級火箭的細節

織女星火箭采用三級火箭加上面級的總體構型。老款“織女星”的三級火箭發動機分別為P80、Zefiro23、Zefiro9，上面級是烏克蘭制造的AVUM。三級火箭都是意大利AVIO公司的產品。大型固體火箭發動機和洲際導彈技術直接相關，意大利并沒有研制過洲際導彈，但是能把大型固體發動機在幾年時間里就拿出來，體現了一個工業強國的底蘊。

P80發動機的直徑達到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動機。這個定語是為了把航天飛機固體助推器和印度GSLV3排除在外。因為航天飛機固體助推器的直徑達到3.7米，但推進劑并不是一體式的，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。中國科學院剛剛發射的力箭一號火箭，雖然運載能力和織女星火箭相當，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打算研制更大直徑的一體式固體發動機，所以P80的頭銜還能繼續保持下去。

P80采用端羥基聚丁二烯推進劑，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。無論發動機直徑還是噴管設計都基本相同。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。抵達圭亞那后，因為與“阿里安5”助推器的直徑相同，可以用相同的設施和設備來裝載推進劑，并將發動機運送到發射場。

具體的制造過程由幾家歐洲公司分擔。意大利Avio制造裝載燃料的燃燒室、執行組件集成和最終測試。法國-意大利合資的歐洲推進公司制造P80發動機。力古魯斯公司負責裝載推進劑。來自荷蘭的字航推進產品BV公司制造點火器。比利時SABCA公司生產用于推力矢量和級間分離機構組件。法國Herakles公司制造發動機噴管。

P80的開發由歐空局、法國航天局國家空間研究中心和意大利航天局的聯合團隊領導，第一次測試于2006年11月在圭亞那空間中心完成，2007年12月進行了驗收。發動機的總開發成本約7600萬歐元。

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

“西風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23”，導致了2019年7月的織女星火箭發射失敗。當時，織女星火箭搭載阿聯酋的偵察衛星從圭亞那起飛。發射流程按計劃進行到T+2分10秒。火箭的P80第一級正常分離，西風23發動機點火。它預計工作103秒，前14秒還算正常，但很快“發生了異常壓力”。火箭在二級火箭熱結構失效后大約5秒鐘開始偏離預期軌跡，靶場安全官員在T+3分33秒時向火箭發出飛行終止命令，“織女星”直墜入大西洋。

AVIO公司總裁蘭佐親自組織了調查工作，最后認定，西風23發動機頂部的“熱結構故障”是主要原因。蘭佐說:“這是一種固體火箭發動機，采用碳纖維圓柱形結構，填充固體推進劑，燃燒溫度約為3000攝氏度。推進劑的燃燒需要與結構完全隔離，不幸的是，一些熱量到達了頂部，并造成了某種類型的損壞。”

▲ 發射失敗的織女星火箭

▲ 從“織女星”到“織女星C”的變化

這次發射失敗是織女星火箭在連續14次成功后首次失敗。

第三級火箭發動機叫做“西風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，叫做姿態游標上面級（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產品，技術發達的西歐居然造不出來。這個級段是烏克蘭南方設計局代工生產的，體現了蘇聯宇航工業的深厚底蘊。

從織女星火箭的結構也可以看出一些有趣的特點。任何一個國家都沒有能力完全獨立自主搞出來，卻又希望能夠起到領頭羊的作用；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，開發更強大的織女星C火箭，主要目標是提高運載火箭的性能，提高靈活性，具備更強的一箭多星能力。

“織女星C”的一級和二級發動機都要比老款“織女星”更大一些。一級發動機改為P120C型，直徑3.4米，長13.38米，重155.027噸，裝載141.634噸推進劑,最大推力達到4323千牛，工作時間135.7秒。噴管偏轉可以達到正負5.9度。P120C將用作阿里安6火箭的側助推器。

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

三級發動機是沿用的Z9型，重12噸，裝10.567噸推進劑，最大推力317千牛，工作時間119.6秒。噴管偏轉幅度略微大一點，達到正負6度。

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

至于改進型上面級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。它的持續工作時間可以達到612.5秒，重啟次數依然是5次。

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

“織女星C”相對于“織女星”，整流罩也有所擴大。

經過改進，“織女星C”的典型軌道發射能力從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上面級其實一直不算太滿意，因為它的技術水平太落后了。而且烏克蘭多年來沒有對航天工業基礎進行過投資，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經費。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，政治局勢一直不穩定，2022年竟然還發生了戰爭。但讓人費解的是，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。技術方案的選項中，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，全新的可儲存推進劑上面級作為第三級，發動機為AESTUS2液體發動機。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動機BERTA。

BERTA的意思是“可存儲燃料發動機”，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日才完成首次試運行，進行了560秒的點火，參考推力為2.5千牛，但它沒趕上“織女星C”的研制進度。

▲ “織女星C”首射的載荷，激光反射衛星

▲ “西風40”海運抵達庫魯

如果采用三級配置，那么AESTUS2發動機必然要使用偏二甲肼和四氧化二氮推進劑組合。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。經過研究，首先淘汰了肼燃料，因為它會受熱分解，導致發動機不能采用再生冷卻方式。而且阿斯特里姆公司（現在已經并入空客公司），在一甲基肼方面有比較好的技術積累。所以，后續的研究就在一甲基肼的基礎上繼續開展。

AESTUS2發動機采用渦輪泵驅動，是阿斯特里姆與美國普惠洛克達因公司聯合研制的，它是AESTUS發動機的發展型，而這個型號是阿里安5EPS火箭的上面級動力。AESTUS2的指標是推力55.03kN、燃燒室壓力60巴、發動機混合比2.09。

BERTA發動機的性能就要差很多，推力只有2-16kN，燃燒室壓力8-15巴，發動機混合比為2.0-2.1，發動機質量15～67千克。

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

▲ 織女星火箭執行法國偵察衛星發射任務

▲ 織女星C火箭整流罩即將與火箭結合

意大利方案

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

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。液氧在發動機前部的圓頂中蒸發，流入固體燃料的通道并與燃氣混合，在靠近固體燃料顆粒表面的邊界層中形成宏觀擴散火焰。在到達噴管膨脹段之前，后燃燒室應保證達到幾乎完全燃燒和預期的能量水平。

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

但混合火箭發動機的燃燒粗糙度和宏觀擴散火焰向顆粒表面的熱反饋機制，導致燃燒效率低。這限制了混合發動機的使用。在過去的幾年里，國際上對混合火箭發動機重新產生了興趣，特別是在2004年6月“太空船一號”發射之后。

混合火箭需要滿足的要求包括:

速度增量 4500米/秒質量 12000千克有效載荷質量 3000千克重燃能力 5次重啟可調噴嘴 6°偏轉

其實“織女星”有效載荷能力只有1000千克，設定3000千克的載荷，是為了“料敵從寬”。按這樣的條件，算出的可實現方案如下：

燃料和氧化劑質量 9905千克惰性質量 2029千克初始質量 15000千克關機質量 5095千克比沖 435秒

在這個質量和尺寸限制下，計算發現，混合動力無法實現435秒比沖，確保3000千克的有效載荷。但是能實現最小340秒的比沖，那么實現的性能如下：

質量 12000千克比沖 340秒燃料和氧化劑質量 9905千克死重 2029千克初始質量 13237千克關機質量 3332千克有效載荷質量 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。

意大利科學家們還具體設計了前后燃燒室、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、噴嘴和結構。液氧加壓和泵送系統由高壓氦罐組成。多次點火能力是通過儲存在兩個球形罐中的三乙基鋁來實現的。

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 140千克內外支撐結構 206千克

▲ “織女星C”整流罩準備與火箭結合

▲ 織女星火箭發射中型衛星的整流罩配置

這項研究的成果之所以沒有變成工程樣機，或許是因為改動量太大了。歐洲此前沒有制造過這樣大尺寸的混合燃料火箭，也沒有相關的技術積累。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？恐怕要等相當長一段時間。而且，AVUM上面級的供應必然受到烏克蘭戰爭的影響。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。