欧空局的下一代运载火箭“阿里安”6

□ 张雪松

欧空局是当今世界主要航天机构之一，过去30多年时间里它以阿里安系列运载火箭，尤其是“阿里安”4和“阿里安”5火箭建立了赫赫威名。随着美国、俄罗斯、日本和中国等国家运载火箭的发展，以及欧空局航天任务需求的变化，欧空局现有的“阿里安”5火箭已经不能满足自身发展的需要，研制新型运载火箭势在必行。

欧空局当前主要使用“阿里安”5运载火箭，1996年“阿里安”5火箭首次发射，在16年的历史上曾出现“阿里安”5 G、“阿里安”5 G+、“阿里安”5 GS、“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES等型号，目前使用的型号为“阿里安”5 ECA和“阿里安”5ES，分别主要用于发射静止轨道通信卫星和ATV货运飞船。凭借早期“阿里安”5 G系列火箭的成功业绩，“阿里安”5火箭延续了“阿里安”4号运载火箭在商业发射市场上的辉煌，而性能更为优秀的“阿里安”5 ECA火箭达到了10吨的同步转移轨道(GTO)运力，并可通过一箭双星的发射方式降低发射费用，进一步巩固了“阿里安”5火箭在商业发射市场上的优势。“阿里安”5火箭的研制和生产由欧洲宇航防务集团(EADS)的子公司阿斯特里姆(Astrium)负责，而发射业务由阿里安宇航公司负责。

欧洲的阿里安宇航公司和俄美合资的国际发射服务公司(ILS)垄断了国际商业发射市场。虽然中国运载火箭更为廉价，但受到美国《国际武器交易规则》（ITAR）的限制，无法发射美国及包含美国零部件的卫星，而且中国长征三号乙运载火箭的运力也与两巨头的主力运载火箭“阿里安”5和质子火箭存在差距，无法发射6吨级大型通信卫星；美国运载火箭长期以来一直报价高昂，基本退出了商业发射市场；印度的运载火箭运力更弱，相对日本的运载火箭则费效比更差。

“阿里安”6火箭想象图

随着其他国家的发展，阿里安宇航公司的市场地位已经受到了越来越多的挑战。中国正在研制中的长征五号、长征七号新一代火箭在运力和价格上分别构成了强有力的竞争。美国的太空探索公司推出了廉价的“猎鹰”9号火箭，凭借低价从阿里安宇航公司和国际发射服务公司手中抢走了大量发射订单。印度正在研制中的GSLV MK III火箭也具备了发射中型通信卫星的能力，而日本正在进行H-II系列火箭的私有化，以大幅度降低发射费用。商业卫星发射市场竞争日趋激烈，但阿里安宇航公司的现状却并不乐观，公司在过去数年内都不得不依赖政府上亿欧元的补贴才能实现财务平衡。研制进一步降低成本的新型运载火箭，对于阿里安宇航公司的生存和发展都是十分重要的。阿里安宇航公司还必须满足欧空局各国的发射需求，而这也是它的软肋。阿里安宇航公司除了运力巨大的“阿里安”5重型运载火箭，只有新投入使用的织女星小型固体运载火箭。织女星火箭可以将1.5吨的载荷送入700千米高度的太阳同步轨道，很大程度上避免了“阿里安”5火箭存在的运力浪费问题，但在“阿里安”5和织女星火箭之间仍存在巨大的运力空白，不得不向俄罗斯购买大批联盟中型运载火箭，研制欧洲人自己的中型运载火箭，也是顺理成章的事情。

航天要发展，动力要先行。欧空局为研制新一代运载火箭已经做了大量准备，2004年2月欧空局开始了未来运载火箭准备项目(FLPP)，为阿里安5火箭的下一代运载火箭开展技术研究。未来运载火箭准备项目除了发展用于2025年以后运载火箭技术，还要增强运载火箭的可靠性和竞争力，满足未来航天发展的需求，并保持在商业市场上的竞争力。未来运载火箭准备项目主要包括3个部分：新一代运载火箭项目(NGL)、过渡性实验飞行器项目(IXV)和“阿里安”5中期演进项目(Ariane 5 ME)，其中的NGL项目最终演化为“阿里安”6运载火箭。

根据2008年国际宇航联大会上欧空局相关人员的报告，NGL项目的设计逐渐清晰起来。NGL将配备一个高效的上面级，具备将卫星直接送入地球静止轨道(GEO)的能力，为此将研制具备多次点火能力的先进上面级发动机。NGL还计划延续“阿里安”5火箭的单主发动机构型，这就需要为火箭研制新的大推力发动机。NGL包括NGLHH-SC、NGLHH-GG、NGLCH、NGLHC四种主要设计，其中NGLHH-SC和NGLHH-GG分别表示全氢氧火箭(HH)和芯级使用分级燃烧循环发动机(SC)，全氢氧火箭(HH)和芯级使用燃气发生器循环发动机(GG)，这两种全氢氧火箭的上面级使用新开发的芬奇发动机。NGL CH和NGL HC分别表示第一级使用液氧甲烷发动机加上面级使用氢氧发动机，以及第一级使用氢氧发动机加上面级使用液氧甲烷发动机。四种主要方案中NGLHH-SC设计在性能上较好的满足了欧空局和商业发射的需求，而且当时的评估认为它的成本最低，此外它还有力地推动各项先进技术的发展，因此成为优先考虑的方案。NGLHH-SC设计的火箭将包括GTO运力3吨、5吨和8吨的型号，其中3吨运力的型号为基本型，然后通过捆绑2枚和6枚20吨固体推进剂的小型固体助推器将运力提高到5吨和8吨。基本型NGL火箭长度51米起飞质量226吨，其中第一级推进剂质量156吨、发动机为起飞推力2500千牛级别的大推力分级燃烧循环氢氧发动机，第二级推进剂质量26吨、发动机为180千牛的膨胀循环氢氧发动机。从这些参数看，NGL火箭第一级发动机将是FLPP中大推力发动机(HTE)项目的后续，HTE项目后来改名为分级燃烧循环火箭发动机演示项目(SCORE-D)，其目标就是研制推力更大的新型第一级发动机，为欧空局提供一种无需助推器即可起飞的单发中型运载火箭。第二级发动机实质就是研制已久的芬奇(Vinci)发动机，芬奇氢氧发动机具备最多5次的启动能力，已经成为欧空局未来运载火箭上面级的首选配置，但仍未完成研制。

FLPP计划中的运载工具，左上为IXV，左下为未来的可复用运载工具，右侧三个是早期阿里安6的方案

2010年CNES的“阿里安”6火箭设计，这是早期“阿里安”6向目前“阿里安”6设计的过渡阶段

2009年5月法国原子能委员会(CEA)、法国国防采办局 (DGA)和法国国家航天研究中心(CNES)联合提交报告建议研制“阿里安”6运载火箭，报告中的“阿里安”6运载火箭将具备3～6吨的GTO轨道运载能力，从设计和性能上说比俄罗斯联盟火箭更适合填补“阿里安”5火箭和织女星火箭之间的运力空白。不过欧空局国家众多，新一代运载火箭发展的问题上存在巨大的争议，其中法国政府作为推动发展阿里安系列火箭的主力，更倾向于启动“阿里安”6火箭的研制，而德国政府则希望优先发展“阿里安”5中期演进型火箭。

2010年4月欧空局在捷克召开会议讨论FLPP的发展，为我们提供了NGL项目更新的消息。会议报告中NGL火箭增加了固体发动机方案。固体发动机方案来自更早的积木运载火箭方案(BBL)。在早期报告中BBL和NGL并列，而2010年的报告中两者合并为新的NGL系列。为了实现灵活和运力配置，固体NGL方案不论是PH构型系列还是PPH构型系列，都使用小型固体助推器增加运力。典型的PPH设计为使用240吨固体推进剂的P240第一级，外加使用107吨固体推进剂的P107第二级，再加上28吨氢氧推进剂的H28第三级，此外还捆绑2到6枚使用35吨固体推进剂的P35固体助推器。PPH设计的好处在于7天的发射准备时间在各种构型设计中最短，另外可以和当时的织女星火箭升级方案共享P107固体发动机。当然PPH方案也有缺点，使用固体发动机作前两级主发动机，使载荷的振动环境最糟糕，此外这个方案火箭的发展潜力有限，更不要说发展为重型运载火箭的可能了。相比之下NGLHHSC方案除了发动机研制的不确定性，载荷受到的振动小，而且未来发展潜力巨大，可以采用美国重型Delta IV火箭的公用芯级助推器设计，衍生出LEO轨道运载能力最大25吨的重型运载火箭，因此当时NGLHH-SC方案仍然是新一代火箭的首选设计，不过固体发动机的设计也受到了更多的重视。

2011年法国国家航天研究中心工作人员参加了在南非举行的第62届国际宇航联大会，在会上公开了“阿里安”6火箭更详细的信息。“阿里安”6火箭将具备把2到8吨的载荷送入GTO轨道的能力，在现有“阿里安”5 ECA火箭的基础上，“阿里安”6火箭将把发射费用降低30～40%，大大加强火箭的商业竞争力。即使上面级使用多次点火设计，“阿里安”6火箭的可靠性仍将达到98%以上，并具备2周内改变发射任务的高度灵活性，此外在载荷振动环境和对外界环境的影响上，“阿里安”6火箭都优于“阿里安”5火箭。由于设计只进行单星发射，“阿里安”6火箭的设计发射能力也较大，年发射量预计在4到14次之间。2011年国际宇航联大会上的报告提到了PPH、PH和HH方案，它们的整流罩直径均为为4.4米或5.2米。PPH方案为P180/P110/H31基本型外加2、4、6枚P39固体助推器的设计，分别实现了3吨、大于5吨、大于6.5吨和大于8吨的GTO轨道运力，PH方案为P315/H34的基本型设计，外加2、4、6枚P39固体助推器的设计，GTO轨道运力分别为3吨、大于5吨、大于6吨和大于8吨。PPH方案的固体芯级直径3.7米，液体上面级直径4.4米，PH方案固体第一级直径为4.6米，液体上面级直径4.4米。报告中的HH方案发生了巨大的变化，最显著的就是基本放弃了2500千牛的分级燃烧循环发动机，而是改之以150吨推力的燃气发生器循环的火神3发动机，两个设计中HH1设计是单台火神3，HH2设计为两台火神3发动机，氢氧推进剂质量分别为120吨和165吨，虽然上面级均为芬奇发动机，但氢氧推进剂质量分别为25吨和30吨，对应的HH1捆绑0到6枚39吨推进剂的P39固体助推器，而HH2捆绑0到6枚33吨推进剂的P33固体助推器。两个HH方案覆盖了2到8吨的GTO运力，可以提供更灵活的发射能力。“阿里安”6火箭设计尤其是HH方案的改进，主要是高性能的分级燃烧循环氢氧发动机研制进度的不确定性，此外分级燃烧循环的研制和使用成本都较高，改用火神3发动机是很现实的选择。

2012年是“阿里安”6火箭发展的关键一年，法德围绕优先发展“阿里安”6还是“阿里安”5中期演进火箭的争论终于有了一个初步结果，法德两国政府联合研究得出结论，优先发展“阿里安”5中期演进型号。虽然法国一直认为商业发射市场的发展使“阿里安”5火箭的竞争力进一步削弱，“阿里安”5火箭的中期寿命升级很难降低发射成本，这将导致未来阿里安宇航公司更加依赖欧空局各国尤其是法国政府的财政支持，但“阿里安”5中期演进型号的研制只需要大约14亿欧元，而全新的“阿里安”6火箭将需要40亿欧元，经济危机后日益窘迫的欧洲各国政府很难支持“阿里安”6火箭的全面开发，这恐怕是联合结论支持德国航天局建议的根本原因。尽管德国坚持优先发展“阿里安”5中期演进型号，但法国也仍坚持优先至少是继续研制“阿里安”6火箭，为了降低“阿里安”6火箭的研制成本， 法国的“阿里安”6火箭设计发生了翻天覆地的变化，根据美国《航空周刊》10月15日的报道，“阿里安”6火箭的模块化候选设计方案包括两种固体发动机为主的设计和一种液体发动机为主的设计，而且法国航天局更倾向于固体火箭方案。《航空周刊》报道中的两种构型与2011年国际宇航联大会上公开的构型完全一致，其中的P1B方案就是原来的PPH构型，而H2C方案就是原来的HH2构型，不过新的报道明确指出P1B和H2C方案中捆绑6个P39固体助推器时的GTO轨道运力均为8.4吨，而不是IAC报告中语焉不详的大于8吨。《航空周刊》公布的第三种构型P7C，基本设计为三个直径3.7米装药135吨的P135固体发动机并联，外加一个固体发动机的第二级和使用芬奇发动机的第三级。P7C设计的虽然3台P135发动机都装有推力矢量装置，但同时点燃同时分离，降低了火箭复杂程度，此外与未来的织女星火箭共用P135固体发动机，也平摊了研制成本，并得到意大利的支持。

“阿里安”5ME(中期升级)和“阿里安”6的对比图

2012年11月“阿里安”6火箭的想象图，3个固体发动机+1个固体发动机+1个液体上面级的设计

2012年11月21日欧空局部长级会议在意大利的那不勒斯落幕，欧空局的20个成员国和加拿大的部长们共同决定为未来3年的航天活动拨款100亿欧元，其中包括“阿里安”5火箭中期演进型火箭(Ariane 5 ME)和下一代的“阿里安”6火箭的研制预算，未来两年内欧空局将为包括“阿里安”5火箭中期演进型火箭投资1.87亿欧元，同时为“阿里安”6火箭投资1.57亿欧元，至此“阿里安”5中期演进型火箭和“阿里安”6火箭的争论暂时平息，2014年欧空局将继续讨论全面研制“阿里安”5中期演进型火箭还是“阿里安”6火箭。按照目前的规划，“阿里安”5中期演进型火箭将在2017年左右执行首次发射任务，而“阿里安”6火箭的首次发射则要等到2021至2022年。如果全力开展“阿里安”6火箭的研制，将给商业竞争对手留下太多的时间和机会，毕竟2003年以后阿里安宇航公司没有推出新的商业发射工具，再考虑“阿里安”5中期演进型火箭也使用基于芬奇发动机的先进上面级，将降低“阿里安”6火箭的研制费用和风险，可以说“阿里安”5中期演进型火箭已经占了先机。

不过话说回来，“阿里安”6火箭的研制仍然得到了1.57亿欧元的拨款，而法国也以固体火箭设计方案试图获得意大利的支持。如果法意联合，欧空局未来的运载火箭发展仍有很大的不确定性，“阿里安”6重新占据上风也是很有可能的。作为欧空局多年预研的成果，“阿里安”6火箭使用成熟的模块化设计，其先进的设计和灵活的性能也值得我们借鉴，虽然发展过程中经历了诸多磨难，相信它还是有实现首飞的那一天。