欧洲新型运载火箭发展思路及特点分析

杨开（北京航天长征科技信息研究所）

2014年12月2日，欧洲航天局成员国各部长在卢森堡决定建造新一代阿里安－6火箭，以便在2020年取代现有的阿里安－5火箭。阿里安－5ME的研制工作始于2008年的欧洲航天局部长级会议，并在2012年的部长级会议上得到了进一步的资金支持。与此同时，欧洲航天局决定开始阿里安－6的方案研究。欧洲希望通过研制新型运载火箭进一步完善其一次性运载火箭型谱，保持欧洲运载火箭的商业市场竞争力。

1 阿里安－5ME、6火箭基本情况

阿里安－5ME是现役阿里安－5ECA的中期改进型，采用两级构型：在低温芯级周围捆绑两枚固体助推器，下面部分完全继承自阿里安－5ECA，上面部分为新研。该火箭全长约53m，起飞质量约800t；芯级直径5.4m，真空推力1390kN；助推器直径3.15m，真空推力7000kN；上面级直径5.4m，可多次启动的芬奇发动机真空推力180kN，贮箱采用共底结构；整流罩直径5.4m、长20m。经改进之后的阿里安－5ME可以执行地球同步转移轨道（GTO）、地球静止轨道以及逃逸轨道等多种发射任务。地球同步转移轨道运载能力（完成入轨后上面级直接离轨）达到11.5t，发射价格维持现有的2.1亿美元。

阿里安－6火箭目前正在进行方案论证研究，将研制一个系列化运载火箭，满足多种轨道、灵活的发射需求，发射成本将比现有阿里安－5ECA降低40%。该火箭全长约50m，采用两级固体加液氢液氧上面级的三级构型方案（PPH构型）：最大型火箭的一子级使用3台并排安装的固体发动机，单台直径3.5m，浇注135t固体燃料，最大推力约4000kN；二子级使用1台与一子级相同的固体发动机；上面级直径4m，采用“芬奇”发动机；整流罩直径5.4m，长约16.5～19m。阿里安－6的地球同步转移轨道发射能力为3～6.5t，可以执行低地球轨道、中地球轨道、太阳同步轨道和地球同步转移轨道等多种任务，单次发射价格为9500万美元。

“芬奇”发动机作为两型火箭的共用组件于2014年底进行了关键设计评审，最终在2016年底验收。欧洲航天局初步估计阿里安－5ME大约需投入13.6亿美元的研制费用，预计在2018年进行首飞；而阿里安－6的研制费用则高达54.3亿美元，预计在2021年实现首飞。

阿里安－5ME（左）/阿里安－6（右）概念图

2 阿里安－6火箭方案选择过程

阿里安－6火箭方案最早由法国国家空间研究中心（CNES）提出，并在早期进行了大量的研究。作为欧洲下一代运载器计划下的项目，欧洲航天局委托德国OHB系统公司和MT航空航天公司对其总体方案进行了选型工作，最终选择了PPH构型，即2013年所公布的阿里安－6构型方案。

下一代运载器的方案选型过程分为4步：首先，根据是否可重复使用、级数、推进剂类型以及是否采用助推器等设计特点建立方案树，形成了700多种理论方案；然后，根据欧洲航天局的要求从中确定了12个备选方案；之后再通过定性评估缩减为5种备选方案；最后，通过定量评估对5种备选方案进行分析，得出最终的结果。

阿里安－6的PPH构型概念图

定性分析

阿里安－6定性评估的标准如下表所示，其中运行操作成本所占的比重最大，这是降低发射成本的必然要求。

阿里安－6定性评估标准

阿里安－6备选方案及其定性评估结果

最终确定了1、2、3、8、9＋11五种方案，其中8号方案是根据欧盟必须有一种通用芯级助推器的要求入选的，而方案9和11则是因其近似性合并为一种方案。这5种方案的简称分别为：1-HH，2-KH，3-HH-PB，8-KH-CCB，9＋11-PPH。其中，H表示液氢液氧级，K表示液氧煤油级，P表示固体级，PB表示固体助推器，CCB表示可作为助推器的通用芯级。

阿里安－6定性评估标准

定量分析

定量分析采用层次分析法，其过程为：首先定义评估标准并进行分组；然后确定各组标准和每条标准的加权值；最后根据标准对方案进行评估和排名。

从评估标准可以看到运行操作成本在定量评估中所占的比重最大，所以首要目标是降低发射价格；紧随其后的是研制风险和成本，保证项目研制顺利进行；其次是发射服务灵活性，适应市场要求提高发射服务的质量；然后是欧洲自主研制，不依赖其他国家保持市场竞争独立性。总体而言，市场因素在评估过程中是最重要的考量点。

PPH构型因其在运行操作成本方面的巨大优势成为最终选择的方案。

3 阿里安－5ME、6对未来商业发射市场的影响

新型火箭投入使用后必然会对发射市场产生影响，在2022年前除欧洲阿里安－5ME、6之外，其他投入市场的运载火箭主要包括美国“猎鹰重型”和俄罗斯安加拉－A5。安加拉－A5会取代质子号火箭，不会对市场产生明显影响，所以这里只考虑前三型火箭。并且认为美国“猎鹰重型”2015年投入使用，阿里安－5ME在2018年全面取代欧洲阿里安－5ECA，阿里安－6在2021年投入使用。

阿里安－6定量评估结果

如果将卫星分为小型（2.5 t以下）、中型（2.5～4.2t）、大型（4.2～5.4）以及重型（5.4t以上），那么欧洲阿里安－5ME主要面向大型和重型卫星发射市场，而欧洲阿里安－6则可以发射绝大部分的大中型卫星，面向的卫星市场范围更广。

对于欧洲阿里安－5ME所面对的大型和重型静止轨道卫星市场：美国“猎鹰重型”和阿里安－5ME火箭投入使用之后将出现供过于求的情况，供需比大约为1.9～2；如果2021年欧洲阿里安－6全面取代阿里安－5ME，将不会过多的改变大型/重型卫星的供需比，供需比仍为2左右；如果阿里安－6投入使用之后，阿里安－5ME继续服役，供需比将超过2.8。总体而言，预计2022年之前重型静止轨道卫星市场供需比将呈上升趋势，供需比在1.8～2之间，市场竞争将越来越激烈。

对于阿里安－6所面对的大中型静止轨道卫星市场：供需比大约在1.4～1.6之间，供需关系明显好于大型和重型卫星发射市场，前景更好。所以，从市场需求角度来看，未来将更加趋向于发展像阿里安－6这种性能更全面的运载火箭。

4 欧洲运载火箭的发展思路及特点分析

随着运载技术的逐步成熟，追求低成本成为当前发展的重要目标。俄罗斯质子号和美国猎鹰－9火箭以其价格优势不断扩大市场占有率，欧洲原本在商业发射市场中的领先地位受到了威胁，因此欧洲航天局提出了新型运载火箭的发展方案：阿里安－5ME通过对现有阿里安－5ECA的改进提升性能，作为向下一代运载器过渡的角色；而发展阿里安－6运载火箭则是为了适应未来发射市场，实现降低发射价格的最终途径。总结欧洲运载火箭的发展思路及特点可以得到一些启示。

（1）以满足发射需求为导向，以降低发射成本为目标

欧洲运载火箭一直以商业发射市场为导向，在阿里安－5只能发射大型卫星的情况下，通过研制新型小运载“织女星”、引进俄罗斯的联盟号－ST火箭以适应中小型有效载荷的发射需求，初步形成了欧洲运载火箭型谱。但为了进一步增强商业竞争力，欧洲航天局对现役的阿里安－5ECA进行升级，并开展新型阿里安－6火箭的方案研究。阿里安－5ME可以进一步提高现有运载能力，但发射价格保持不变，单位有效载荷发射成本得到降低，可以在较短的时间内提高阿里安－5系列的市场竞争力。阿里安－6采用单星发射方式避免组织双星发射的难题，而且通过火箭系列化实现发射能力的全面覆盖。另外，欧洲新研火箭将运行操作成本作为重要的考虑因素，阿里安－ME和阿里安－6发射价格将比阿里安－5ECA分别降低20%和40%。

总体而言，阿里安－5ME应该是为在短期内适应市场竞争而提出的设计方案，能够实现向下一代运载器的顺利过渡。而阿里安－6则是作为欧洲新一代运载火箭在未来的商业市场竞争中充当主力。

欧洲现役火箭图谱（“织女星”、联盟-ST、阿里安-5ES/“自动转移飞行器”、阿里安-5ECA）

欧洲未来运载器计划概念图

（2）两种火箭技术上寻求通用性，方案设计上实现模块化

采取通用技术和模块设计是降低成本的重要因素，欧洲阿里安－5ME、6两种火箭在设计上充分考虑了这一点。阿里安－5ME采用与阿里安－5ECA相同的芯级和助推器，而且与阿里安－6共用上面级和整流罩技术。阿里安－6全系列采用模块化设计，火箭的一、二子级均采用了基本相同的固体发动机，通过批量生产降低硬件成本。阿里安－6上的固体发动机是在“织女星”P80一段式固体发动机基础上研制的，从而大大降低了研制风险。这种一段式设计的固体助推器相比于现在阿里安－5ECA固体助推器所采用的分段式结构，提高结构的可靠性，降低了装配的复杂度。

此外，欧洲利用固体发动机推力大、部件少、可靠性高等特点实现模块化设计，阿里安－6计划平均每年发射12次，固体发动机的年产量达48枚，形成规模效应之后可有效降低成本。

（3）阿里安－6火箭采用定性和定量分析相结合的筛选方式，确保方案最优

从欧洲新一代运载器的方案选择过程中可以看到，阿里安－6火箭在方案研究阶段就充分考虑到了成本、需求、技术、产业布局以及风险等各方面的因素。通过不断细化影响因素，进行定性与定量分析之后最终获得合理的、最优的设计方案。

（4）欧洲高度重视下一代运载器的技术预研，为发展后续型号奠定基础

欧洲自2003年就开始执行未来运载器准备计划（FLPP），通过多个技术验证项目发展下一代运载器的关键技术，并逐步提高其技术的成熟度，为系统方案奠定了良好的基础。这些验证计划包括：过渡性试验飞行器（IXV）、低温上面级技术（CUST）验证机、大推力发动机（HTE）验证机和固体推进验证机。其中IXV将瞄准可重复使用再入返回技术，其余均为下一代运载器的动力技术。其新技术的发展遵循“项目驱动技术发展，技术带动方案形成”的思路。