永別了，阿里安5

文/田豐

▲ 發(fā)射詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的阿里安5 火箭

2023 年 7 月 6 日，歐洲的阿里安 5 火箭從法屬圭亞那庫魯發(fā)射場 ELA-3 工位點(diǎn)火升空，采用經(jīng)典的“一箭雙星”模式將德國的試驗(yàn)通信衛(wèi)星Heinrich Hertz (H2Sat) 和法國軍用通信衛(wèi)星Syracuse 4B（Comsat-NG 2）送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。此次發(fā)射是阿里安5 系列火箭的謝幕之作，至此這一型服役長達(dá)27 年，發(fā)射次數(shù)多達(dá)117次的歐洲最強(qiáng)運(yùn)載火箭正式宣告退役。

當(dāng)家火箭，繼承前輩，脫胎換骨

阿里安系列運(yùn)載火箭，可謂歐洲航天工業(yè)的當(dāng)家火箭，就和“聯(lián)盟”代表俄羅斯航天工業(yè)，“長征”代表中國航天工業(yè)一樣，一直是歐洲航天工業(yè)的象征。

自二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲就一直試圖發(fā)展獨(dú)立的航天發(fā)射能力，在早期一批曇花一現(xiàn)的火箭型號接連失敗后，當(dāng)時(shí)剛成立的歐空局決定打造阿里安-1 運(yùn)載火箭。

最初的阿里安是一型三級運(yùn)載火箭，與早期“聯(lián)盟”“宇宙神”“長征”等運(yùn)載火箭類似，都是源自洲際彈道導(dǎo)彈技術(shù)。“阿里安-1”前兩級使用常溫自燃推進(jìn)劑，第三級使用低溫液氫和液氧（LH2/ LOX）。“阿里安2-4”則是基本構(gòu)型的加強(qiáng)型。主要區(qū)別在于采用改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，或是拉長第一級和第三級貯箱以換取更多推進(jìn)劑加注量，還可以外掛助推器來增強(qiáng)運(yùn)力。而到“阿里安4”時(shí)期，運(yùn)力最強(qiáng)的版本能夠以一箭雙星模式發(fā)射同步軌道通信衛(wèi)星。阿里安4 火箭無論在商業(yè)發(fā)射還是成功率上都相當(dāng)成功，自1990 年首飛到2003 年退役為止，各型號累計(jì)發(fā)射116 次，僅失敗3 次，成功113 次，成功率高達(dá)97.4%。

進(jìn)入上世紀(jì)80 年代，阿里安4火箭不僅能滿足歐洲獨(dú)立發(fā)射衛(wèi)星的需求，而且當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)并未正式進(jìn)入商業(yè)發(fā)射市場，再加上美國孤注一擲發(fā)展的航天飛機(jī)在成本和發(fā)射頻率上均未達(dá)預(yù)期，借此機(jī)會(huì)，成熟可靠的阿里安4 火箭乘勢填補(bǔ)了發(fā)射能力的空白，在國際商業(yè)發(fā)射市場上狂攬訂單。美國“大力神”等一次性運(yùn)載火箭市場競爭力不足，1986 年挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)事故更使美國在商業(yè)發(fā)射市場的境況雪上加霜，難以與歐洲分庭抗禮。

然而，隨著商業(yè)發(fā)射市場和高軌衛(wèi)星的發(fā)展，老舊的阿里安4 火箭在運(yùn)力上日益捉襟見肘，而且受火箭原型的掣肘，運(yùn)力難以進(jìn)一步提升。此外，隨著蘇聯(lián)的解體，俄羅斯、烏克蘭逐漸切入商業(yè)發(fā)射市場，運(yùn)載火箭競爭加劇。再加上衛(wèi)星通信需求擴(kuò)大，同步軌道通信衛(wèi)星變得更重更大，主流通信衛(wèi)星從2 噸左右向5 噸起步的方向發(fā)展。面對未來發(fā)射需求，即使是“阿里安4”最強(qiáng)構(gòu)型的44L，其同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力僅有4.72 噸，而繼續(xù)改型的空間也已耗盡。

▲ 發(fā)射構(gòu)型表和發(fā)射成功率表

▲ 赫爾墨斯航天飛機(jī)全尺寸模型

除商業(yè)發(fā)射市場外，歐空局從自身項(xiàng)目出發(fā)，也有研制新型運(yùn)載火箭的需求。隨著國際空間站項(xiàng)目的開展，歐空局有意發(fā)展獨(dú)立的載人航天能力，于是規(guī)劃了赫爾墨斯號航天飛機(jī)，還準(zhǔn)備獨(dú)立發(fā)射18 噸級的“哥倫布”空間站艙段（最終該艙段由航天飛機(jī)運(yùn)載）。面對這類任務(wù)，由洲際導(dǎo)彈派生而來的阿里安4 火箭早已難堪大任，必須另起爐灶研制一款全新運(yùn)載火箭。不僅是運(yùn)力的需求，未來通信衛(wèi)星、空間站艙段、航天飛機(jī)、載人飛船的尺寸都將更大，而阿里安4 火箭的整流罩只能容納3.65 米直徑的載荷，同樣亟需升級換代。

1987 年，歐空局開始立項(xiàng)研制全新一代運(yùn)載火箭——阿里安5，作為法國國家空間研究中心（CNES）與歐洲各伙伴合作設(shè)計(jì)的一次性運(yùn)載火箭。阿里安集團(tuán)是火箭的總承包商，領(lǐng)導(dǎo)著由其他歐洲承包商組成的多國財(cái)團(tuán)。“阿里安5”最初打算發(fā)射赫爾墨斯號航天飛機(jī)，因此原始設(shè)計(jì)為一款載人級運(yùn)載火箭，但可惜直到退役都未執(zhí)行過載人航天發(fā)射。

固液結(jié)合，多種構(gòu)型，運(yùn)力強(qiáng)大

為了滿足發(fā)射5 噸以上大單星或純電推進(jìn)雙星的發(fā)射需求，尤其是發(fā)射21 噸級的赫爾墨斯號航天飛機(jī)的要求，“阿里安5”雖然繼承了阿里安系列的名稱，但在規(guī)模和思路上卻有脫胎換骨的變化。首先是芯級直徑從“阿里安4”的3.8 米直接躍升至5.4米，起飛質(zhì)量從最大470 噸升至770噸。

總體構(gòu)型設(shè)計(jì)上，“阿里安5”模仿了當(dāng)時(shí)如日中天的航天飛機(jī)，徹底拋棄了常溫自燃推進(jìn)劑組合，直接采用兩枚大推力固體助推器+大直徑液體火箭芯級的結(jié)構(gòu)，兼顧了大推力和高比沖，為阿里安5 火箭的大運(yùn)力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

▲ 固體助推器噴流，芯級下掛金屬球?yàn)槌R界氦的杜瓦瓶

▲整流罩分離測試

▲HM7B 發(fā)動(dòng)機(jī)

在長達(dá)27 年的發(fā)展歷程中，“阿里安5”共衍生出了5 個(gè)主要型號，分別是“G”、“G +”、“GS”、“ECA”，以及“ES”，其中基本型為G 型。其實(shí)還有一個(gè)代號ME 的中期改款，但因后續(xù)“阿里安6”的研發(fā)立項(xiàng)而被取消。“阿里安5”芯一級直徑5.4 米，高度30.5 米，固體助推器直徑3 米，高度31.6 米。根據(jù)5.4 米直徑整流罩長短的不同，火箭總高度從46.1 米到50.4 米不等。阿里安5 火箭整流罩由Ruag Space 公司負(fù)責(zé)制造，主要采用碳纖維復(fù)合材料制成，新的罩內(nèi)空間相對于“阿里安4”可謂是“兩居”變“別墅”。雖然配備了空間富裕的整流罩，但歐空局取消了赫爾墨斯航天飛機(jī)項(xiàng)目，也不再謀求獨(dú)立的載人航天能力，阿里安5 火箭此后最主要的大體積載荷就是ATV 貨運(yùn)飛船。

▲Aestus 發(fā)動(dòng)機(jī)

動(dòng)力系統(tǒng)上，芯級采用全新研制的代號“火神”（Vulcain）的液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過多年的發(fā)展，包含“火神-1”（1B）和“火神-2”兩個(gè)型號。以“火神-2”為例，該機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，真空比沖429 秒，推力1359 千牛。總體來講“火神”從推力、循環(huán)方式和比沖上都遜于同期航天飛機(jī)所采用的RS-25 發(fā)動(dòng)機(jī)，但從成本和可靠性角度出發(fā)，仍不失為一款優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)。助推器由兩枚長31.6米、直徑3.06 米的固體火箭充當(dāng)，助推器藥柱由高氯酸銨、鋁粉、端羥基聚丁二烯（HTPB）以一定比例混合澆筑而成，主要分為P238、P241 兩個(gè)型號。以推力更大的P241 為例，單枚助推器可提供7080 千牛推力，該助推器技術(shù)與法國M51 潛射彈道導(dǎo)彈高度同源。

“阿里安5”的上面級（二級）主要分為EPS 和ESC 兩個(gè)型號，初期使用性能較低的EPS 常溫上面級。EPS 使用以甲基肼/四氧化二氮（MMH/N2O4）為推進(jìn)劑的Aestus發(fā)動(dòng)機(jī)，而且初期不具備二次啟動(dòng)能力，發(fā)射載荷基本就是“一步到位”；后期為了適應(yīng)ATV 貨運(yùn)飛船任務(wù)的發(fā)射，增加了二次啟動(dòng)能力，但更重要的任務(wù)則交給采用低溫氫氧推進(jìn)劑組合的ESC 上面級。ESC 上面級使用了曾在阿里安4 火箭上長期使用的HM-7B 發(fā)動(dòng)機(jī)，推力67 千牛，真空比沖446 秒，得益于其優(yōu)秀的性能，將同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力從6.95 噸提升至10.8 噸。因此，ESC 上面級對應(yīng)的ECA 構(gòu)型也是阿里安5 火箭后期發(fā)射重要深空任務(wù)和一箭雙星任務(wù)的主力構(gòu)型。

總體而言，與同期研發(fā)的世界其他運(yùn)載火箭相比，“阿里安5”的設(shè)計(jì)相當(dāng)優(yōu)秀。再加上其位于赤道附近發(fā)射場得天獨(dú)厚的低緯度條件，可以利用其兩級半構(gòu)型在幾乎不需消傾角的情況下將同步軌道衛(wèi)星直接送入預(yù)定軌道，這種發(fā)射模式用時(shí)短、效率高、風(fēng)險(xiǎn)低。而同時(shí)期，俄羅斯質(zhì)子號火箭從高緯度發(fā)射場發(fā)射同步軌道衛(wèi)星，不僅需要消去傾角，還需要常溫上面級多次點(diǎn)火，多次點(diǎn)火間隔中又要長時(shí)間在軌滑行，不僅增加任務(wù)復(fù)雜度，還提高了失敗風(fēng)險(xiǎn)。

▲首飛自曝畫面

首飛不順，在坎坷中成熟

說起“阿里安5”的服役歷程，可以用前期坎坷不順、中期成熟穩(wěn)健、末期有驚無險(xiǎn)來形容，總體上是一款可靠性非常優(yōu)秀的運(yùn)載火箭，是歐洲航天工業(yè)實(shí)力最典型的代表。

▲首飛自爆的殘骸落區(qū)

1996 年6 月，“阿里安5”進(jìn)行了著名的“禮花”首飛，火箭升空僅40 秒后便觸發(fā)自毀，凌空爆炸，宛如一發(fā)絢爛的禮花。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火箭飛控代碼中有一行把火箭的水平偏移量從64 位浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為16 位帶符號整數(shù)的語句，正是這行代碼導(dǎo)致發(fā)射后火箭失控。這是一起航天史上非常著名的軟件故障，因?yàn)槠溴e(cuò)誤之小和影響之大，導(dǎo)致幾乎所有相關(guān)航天課程中，都會(huì)將此次發(fā)射作為典型案例進(jìn)行講解。

導(dǎo)致自毀的這段代碼最初是為阿里安4 火箭編寫的，目的是火箭地面發(fā)射準(zhǔn)備階段出現(xiàn)意外后，還能快速恢復(fù)到發(fā)射倒計(jì)時(shí)模式。1989 年阿里安4 火箭的第33 次發(fā)射中，就使用了這項(xiàng)功能。阿里安5 火箭采用了阿里安4 火箭的部分子系統(tǒng)，因此無意中繼承了這段程序，但它在阿里安5火箭首飛出現(xiàn)溢出錯(cuò)誤，導(dǎo)致火箭誤判飛行姿態(tài)開始橫飛。火箭攻角過大被迫觸發(fā)自毀系統(tǒng)，阿里安5 火箭凌空爆炸。

1997 年10 月，經(jīng)過長達(dá)一年的歸零后，阿里安5 火箭進(jìn)行了第二次發(fā)射，但這次也沒能完全成功。火箭芯一級“火神”發(fā)動(dòng)機(jī)噴口內(nèi)產(chǎn)生了異常流場，產(chǎn)生額外的滾轉(zhuǎn)力矩，從而導(dǎo)致火箭出現(xiàn)異常滾轉(zhuǎn)，火箭檢測到異常后提前關(guān)閉了芯一級發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然火箭的EPS 上面級工作正常，但仍無力回天。最終衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)定軌道，好在達(dá)到了入軌速度，但衛(wèi)星損失部分有效壽命，只能算是部分成功。1998 年10 月，阿里安5 火箭的第三次發(fā)射終于取得了圓滿成功，隨后開始承接商業(yè)發(fā)射任務(wù)，但它的坎坷并沒有到此為止。

2002 年12 月，配備有高性能低溫上面級的阿里安5 ECA 型火箭首飛，由于該型號的運(yùn)力提升巨大，這次首飛被寄予厚望。但發(fā)射中芯一級的“火神2”發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路發(fā)生泄露，冷卻劑無法充分流過噴管通道壁而導(dǎo)致過熱，最終火箭發(fā)生偏航并觸發(fā)自毀，價(jià)值6.3 億歐元的兩顆衛(wèi)星墜入大海。ECA 構(gòu)型首飛失敗后，又經(jīng)過兩年多的改進(jìn)和完善，“阿里安5”才又獲成功。正所謂功夫不負(fù)有心人，早期的坎坷經(jīng)歷完善了火箭的設(shè)計(jì)，歷練了研發(fā)隊(duì)伍，隨后阿里安5 火箭開啟長達(dá)14 年的發(fā)射業(yè)績輝煌期。

輝煌的穩(wěn)健服役時(shí)期

ECA 復(fù)飛成功之后，阿里安5火箭便開啟了穩(wěn)健的成熟服役期，從2003 年4 月到2017 年11 月長達(dá)14 年的時(shí)間中，“阿里安5”以年均5～6 次的頻率穩(wěn)定發(fā)射，最終達(dá)成連續(xù)83 次發(fā)射成功的優(yōu)秀紀(jì)錄，直到2018 年1 月出現(xiàn)一次部分失敗。

“阿里安5”與美國研發(fā)的“宇宙神-V”“德爾它-4”，日本研發(fā)的H-II 屬于同一批新一代運(yùn)載火箭，再加上俄羅斯、烏克蘭的冷戰(zhàn)遺產(chǎn)——“質(zhì)子”“天頂”火箭，共同主導(dǎo)了當(dāng)時(shí)的國際商業(yè)航天發(fā)射市場。阿里安5 火箭經(jīng)歷了早期的挫折，逐步成熟后取代“阿里安4”，作為歐空局的主力運(yùn)載火箭，成為歐洲航天的象征。

▲阿里安-5ES 發(fā)射伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù)起飛畫面

在穩(wěn)定服役階段，歐空局一直在對“阿里安5”進(jìn)行挖潛和改進(jìn)。尚未首飛的時(shí)候，就規(guī)劃了阿里安5 E系列構(gòu)型。該系列芯一級使用改進(jìn)的“火神2”發(fā)動(dòng)機(jī)，提升推力的同時(shí)降低成本，固體助推器也從P238 升級到P241，略微增加了裝藥量。

為了發(fā)射服務(wù)國際空間站的ATV貨運(yùn)飛船，阿里安5 火箭還發(fā)展出ES型號。它使用ECA 型火箭的芯一級，以及改進(jìn)的EPS 上面級，具有超過20 噸的近地軌道運(yùn)力，包括5 次ATV飛船任務(wù)在內(nèi)的ES 型8 次發(fā)射全部成功，為歐空局的國際空間站建設(shè)立下了汗馬功勞。它還用于一箭四星發(fā)射伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星，3 次發(fā)射將12 顆伽利略衛(wèi)星送入軌道，是伽利略系統(tǒng)快速完成組網(wǎng)的最大功臣。

▲分離ATV 飛船CG 圖

▲阿里安5 和6 火箭對比示意圖

作為阿里安5 火箭使用時(shí)間最長、發(fā)射數(shù)量最多的型號，ECA 型是阿里安5 火箭最典型代表。ECA 得益于氫氧低溫上面級，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力達(dá)到10.8 噸，利用專用的雙星支架，可執(zhí)行6 噸+3 噸或是4 噸級+4 噸級等多種組合的一箭雙星任務(wù)，充分利用火箭運(yùn)力的同時(shí)也降低了客戶的發(fā)射成本。整個(gè)ECA 構(gòu)型除前文提到的首飛失敗外，所有任務(wù)均圓滿成功。阿里安5 ECA 火箭憑借高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，順利成為阿里安4 火箭接班人。ECA 作為近20 年國際商業(yè)發(fā)射市場上的主力運(yùn)載火箭之一，只有俄羅斯的質(zhì)子號火箭憑借低廉的發(fā)射報(bào)價(jià)能與之匹敵，直到業(yè)界新貴獵鷹9 火箭的出現(xiàn)。

但在這一階段，也出過著名的VA241 發(fā)射烏龍事件。2018 年1 月，在發(fā)射SES-14 和Al Yah 3 兩顆衛(wèi)星時(shí)，火箭升空9 分30 秒后遙測信號丟失，疑似發(fā)射失敗。但后來發(fā)現(xiàn)，兩顆衛(wèi)星已經(jīng)正常進(jìn)行了星箭分離，但進(jìn)入了一條錯(cuò)誤的軌道，傾角有17度的偏差。經(jīng)過評估后，SES-14 可在推進(jìn)劑損失很小的情況下重新回到預(yù)定軌道，但Al Yah3 衛(wèi)星就沒這么幸運(yùn)了，預(yù)計(jì)損失50%的衛(wèi)星壽命。最終獨(dú)立調(diào)查委員會(huì)的調(diào)查表明，彈道異常是由于發(fā)射器的兩個(gè)慣性參考系統(tǒng)的實(shí)施規(guī)格值不正確造成的。考慮到VA241 任務(wù)的特殊要求，慣性單元對準(zhǔn)所需的方位角為70 度，而不是地球靜止轉(zhuǎn)移軌道任務(wù)最常見的90度。這個(gè)差異導(dǎo)致發(fā)射器軌跡從飛行最初幾秒開始向南偏移20度。這個(gè)“低級錯(cuò)誤”雖然導(dǎo)致了載荷“失聯(lián)”，但得益于火箭自身設(shè)計(jì)的魯棒性，有驚無險(xiǎn)地保住了大部分載荷，但終究還是給“阿里安5”晚年完美的發(fā)射記錄增加了一些遺憾。

阿里安5 ECA 火箭以其高可靠性、大運(yùn)載能力和大整流罩，成為了美歐合作的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的“御用座駕”。而“阿里安5”自然也不負(fù)眾望，在2021 年12 月25日圣誕節(jié)這天順利將造價(jià)超百億美元的韋伯望遠(yuǎn)鏡成功送入預(yù)定軌道。這不僅是送給人類深空觀測的“圣誕大禮”，同時(shí)也是“阿里安5”服役末期最“高光”時(shí)刻。

轉(zhuǎn)型緩慢，青黃不接，后繼乏力

阿里安5 火箭固然勞苦功高、成就輝煌，但作為20 世紀(jì)80 年代研制的運(yùn)載火箭，其設(shè)計(jì)思路逐漸落伍，尤其是隨著獵鷹9 火箭和隨之而來的回收復(fù)用技術(shù)的成熟，“阿里安5”顯然力不從心。

獵鷹9 火箭的空前成功，擠壓了阿里安5 火箭的商業(yè)發(fā)射市場。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，歐空局也提出了應(yīng)對策略：首先是研制阿里安5 火箭中期升級型號即阿里安5ME；其次是研制全新的阿里安6 運(yùn)載火箭。阿里安6火箭芯級使用新的火神2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)，上面級沿用芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)，固體助推器改為2 或4 個(gè)，以靈活調(diào)節(jié)運(yùn)載能力，滿足不同的發(fā)射運(yùn)力需求。阿里安6 火箭的固體助推器從織女星固體火箭發(fā)展而來，實(shí)際上就是最新的織女星C 第一級P120C。總而言之，阿里安6 火箭并不在意技術(shù)上的先進(jìn)性和性能上的高指標(biāo)，而是使用成熟技術(shù)，著重提高可靠性，降低成本。它有望將單位質(zhì)量載荷的發(fā)射成本降低40%～50%，具備和美國獵鷹9 火箭一決高下的能力。

但是“理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”，因?yàn)榻?jīng)費(fèi)有限，“阿里安5 ME”直接下馬，“阿里安6”一直難產(chǎn)。最關(guān)鍵的是，隨著“獵鷹9”一級回收復(fù)用的成熟，無論是在發(fā)射報(bào)價(jià)、頻率、可靠性等多個(gè)方面，太空探索技術(shù)公司都一騎絕塵，橫掃市場。就算“阿里安6”能實(shí)現(xiàn)預(yù)期降成本，也難以匹敵早已成熟并更加廉價(jià)的“獵鷹9”。而更糟糕的是，“阿里安6”限于構(gòu)型設(shè)計(jì)，幾乎不可能像“獵鷹9”一樣改為可回收火箭。歐洲只得另起爐灶，計(jì)劃研發(fā)普羅米修斯（Prometheus）可回收火箭。

美國航天飛機(jī)退役后長達(dá)7 年的載人發(fā)射空檔期使美國沒少被俄羅斯羞辱，因此歐洲對從“阿里安5”到“阿里安6”的過渡原本是慎重的，最初規(guī)劃“阿里安6”2020年執(zhí)行首飛，而“阿里安5”則服役到2023 年才退役。長達(dá)3 年的過渡期理應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生青黃不接的窘境，然而計(jì)劃沒有變化快，“阿里安6”的首飛進(jìn)度不斷延宕，火箭首飛已經(jīng)推遲到2024 年，以致歐洲目前暫時(shí)失去發(fā)射大型衛(wèi)星的能力。這就更讓人對勞苦功高的阿里安5 火箭感慨萬千了。

▲芬奇-2 發(fā)動(dòng)機(jī)