隋陽(北京航天長征科技信息研究所)
織女星﹣C 首飛任務(wù)共將7 個載荷發(fā)射入軌,包括主載荷意大利激光相對論衛(wèi)星-2(LARES-2)和6 顆立方星,且主載荷與搭載載荷的部署軌道高度不同,LARES-2 衛(wèi)星軌道高度5893km,6 顆立方星軌道高度為5841km,載荷總質(zhì)量474kg。發(fā)射任務(wù)持續(xù)2h15min32s,上面級AVUM﹢總計進(jìn)行5 次點火啟動,第2 次點火關(guān)機(jī)后1min,將主載荷釋放至5893km 高度軌道。第4 次點火關(guān)機(jī)后在5841km 高度軌道,每隔1s 釋放1 顆立方星,總共釋放了6 顆。在第5 次點火后,AVUM﹢開啟鈍化離軌程序。
織女星-C 火箭首飛飛行時序
織女星﹣C 直徑3.4m,高34.8m,起飛質(zhì)量210t,700km 太陽同步軌道(SSO)的最大運載能力2.2t,相比“織女星”火箭運載能力提升了800kg??椗签丆 在“織女星”火箭的基礎(chǔ)之上升級改進(jìn)而來,為四級構(gòu)型,仍采用3 個固體子級和1 個常溫液體上面級。3 個固體子級的推進(jìn)劑均為端羥基聚丁二烯(HTPB)。
織女星﹣C 火箭的一級采用P120C 固體火箭發(fā)動機(jī),相比“織女星”一級采用P80 發(fā)動機(jī),直徑從3m 增至3.4m,高13.5m,推進(jìn)劑質(zhì)量143.6t,平均推力4500kN,外殼為厚25cm 的一段式碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。P120C 發(fā)動機(jī)由艾唯歐公司研制,是目前世界上推力和規(guī)模最大的一段式固體火箭發(fā)動機(jī),殼體采用預(yù)浸漬碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料纖維纏繞與鋪放法制成。除了作為織女星﹣C 火箭一級,P120C發(fā)動機(jī)還將作為阿里安-6(Ariane-6)火箭固體捆綁助推器的發(fā)動機(jī)。通過兩型火箭共用,可提高P120C 的批產(chǎn)數(shù)量,降低單臺發(fā)動機(jī)的制造成本。
織女星-C 火箭基本構(gòu)型參數(shù)
織女星﹣C 火箭的二級發(fā)動機(jī)為新研制的Zefiro-40 固體火箭發(fā)動機(jī),推進(jìn)劑質(zhì)量36.2t,平均推力1304kN?;鸺壊捎肸efiro- 9 固體火箭發(fā)動機(jī),與“織女星”火箭相同,推進(jìn)劑質(zhì)量10.5t,平均推力為314kN。火箭第四級為AVUM﹢常溫液體上面級,可精確定位不同軌道高度以滿足釋放不同軌道載荷需求。該模塊還具有鈍化功能,任務(wù)結(jié)束后不會產(chǎn)生太空碎片??椗签丆 的整流罩長9m,直徑3m,尺寸相比“織女星”火箭直徑2.6m的整流罩也有明顯提升。
織女星﹣C 火箭的二級、三級的級間段采用碳纖維螺旋單向筋密集網(wǎng)格結(jié)構(gòu),采用碳纖維連續(xù)沉積工藝制造出主結(jié)構(gòu)后,再灌注環(huán)氧樹脂。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外側(cè)覆蓋碳纖維薄層蒙皮,也具備一定的承載能力。通過上述結(jié)構(gòu)減重設(shè)計,織女星﹣C 的級間段質(zhì)量降至165kg,且可承受質(zhì)量為430t 的載荷。
“織女星”火箭在歐洲的航天運輸領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,是構(gòu)成歐洲獨立進(jìn)入空間能力的重要一環(huán)。截至2022 年6 月,“織女星”火箭共執(zhí)行了20 次發(fā)射任務(wù),大部分是為歐洲各國政府機(jī)構(gòu)發(fā)射衛(wèi)星。目前“織女星”系列火箭正在升級研發(fā)迭代演變,歐洲在“織女星”火箭基礎(chǔ)上發(fā)展了織女星﹣C 和織女星﹣E 兩型改進(jìn)型火箭。在2025 年后,新型火箭將與阿里安-6 火箭一道進(jìn)一步提高歐洲航天運輸競爭力。這也是歐洲面對全球航天運輸市場的快速增長作出的回應(yīng),歐洲航天將基于構(gòu)建通用模塊配置打造系列火箭產(chǎn)品。
盡管織女星﹣C 火箭首飛取得成功,但是俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)給織女星﹣C 火箭的未來發(fā)展帶來了不確定性,因其AVUM﹢上面級采用了烏克蘭南方機(jī)械制造廠生產(chǎn)的RD-869 常溫液體火箭發(fā)動機(jī)。隨著俄烏之間沖突持續(xù),導(dǎo)致該型發(fā)動機(jī)將斷供。目前,歐洲庫存的6 臺RD-869 常溫液體發(fā)動機(jī)可以保證“織女星”和織女星﹣C 的發(fā)射任務(wù)延續(xù)到2023 年。為此,歐洲一方面為AVUM﹢上面級尋求替代發(fā)動機(jī),另一方面則是進(jìn)一步提升能力,研發(fā)后續(xù)改進(jìn)型號——織女星﹣E 運載火箭。
織女星﹣E 為三級構(gòu)型,其一、二級與織女星﹣C相同,三級為液氧甲烷動力的低溫上面級,取代織女星﹣C 火箭的固體三級與AVUM﹢常溫液體上面級,運載能力提升20%,成本降低20%,計劃2026 年實現(xiàn)首飛。艾唯歐公司正在加快織女星﹣E 三級采用的M10 液氧甲烷發(fā)動機(jī),已于2022 年5 月6 日完成首次點火試車。M10 液氧甲烷發(fā)動機(jī)真空推力98kN,比沖362s,采用膨脹循環(huán),具備多次點火啟動能力。M10 發(fā)動機(jī)大量采用3D 打印技術(shù),制造速度快,成本低。
織女星-C 二、三級級間段網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
"織女星"系列火箭未來發(fā)展構(gòu)型規(guī)劃圖
隨著不斷的升級與發(fā)展,“織女星”系列火箭不斷改進(jìn)提升推力,艾唯歐公司還在構(gòu)建織女星航天系統(tǒng),在上面級配備多種在軌部署的新型模塊化載荷適配器——AVUM 壽命擴(kuò)展模塊(ALEK),可更加靈活地將不同質(zhì)量、不同功能的有效載荷分別部署入軌。ALEK 模塊有三種構(gòu)型,可直接連接適配器,適配器有四種類型。三種模塊可以搭配任意一種適配器,大大增加模塊通用化水平。
自俄烏戰(zhàn)爭開始,歐洲對俄羅斯采取經(jīng)濟(jì)制裁措施后,俄羅斯中止了俄歐之間的聯(lián)盟﹣ST 火箭合作項目,撤離了全部技術(shù)人員。聯(lián)盟﹣ST 火箭在庫魯?shù)陌l(fā)射任務(wù)全部遭受影響。聯(lián)盟﹣ST 火箭此前一直作為歐洲進(jìn)入空間能力的重要組成部分,彌補(bǔ)了“織女星”火箭和阿里安-5 火箭之間的運載能力斷檔的空白,為“伽利略”(Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星、“哨兵”(Sentinel)偵察衛(wèi)星等重要的政府載荷提供發(fā)射機(jī)會。俄烏沖突導(dǎo)致聯(lián)盟﹣ST 的后續(xù)任務(wù)遭受嚴(yán)重影響,歐洲自主進(jìn)入空間能力的缺陷充分暴露。為了解決上述問題,擺脫對俄羅斯聯(lián)盟﹣ST 火箭的依賴,歐洲此前已經(jīng)規(guī)劃了未來“織女星”系列與“阿里安”系列火箭的發(fā)展路徑,織女星﹣C 和織女星﹣E 將SSO 運載能力提升到了2t 以上,阿里安-6 未來兩型火箭將采用“織女星”一級模塊化助推構(gòu)型,未來將能夠替代聯(lián)盟﹣ST 執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。此次織女星﹣C的成功發(fā)射也意味著歐洲向著完全自主進(jìn)入空間能力邁出了重要的一步。
ESA 作為統(tǒng)籌歐洲航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)構(gòu),在織女星﹣C 和阿里安- 6 兩型火箭的規(guī)劃論證和研制過程中,提出共用P120C 發(fā)動機(jī)的方案,通過提高批產(chǎn)數(shù)量,降低發(fā)動機(jī)制造成本。根據(jù)ESA 目標(biāo),阿里安- 6 火箭未來最終的目標(biāo)年產(chǎn)量為12 枚,僅阿里安- 6 火箭每年就需要24~48 臺P120C 固體發(fā)動機(jī),織女星﹣C 與之共用,必然進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)年產(chǎn)數(shù)量。在相同前期研發(fā)和生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)投入下,批產(chǎn)數(shù)量提升必然能夠攤薄成本,大大增強(qiáng)競爭力。
織女星第四級從先前AVUM 基礎(chǔ)上改進(jìn)為AVUM﹢,攜帶更多推進(jìn)劑,在軌時間有效延長,通過多種在軌部署分配器直接連接主副衛(wèi)星載荷,并可以實現(xiàn)將不同軌道、不同質(zhì)量的衛(wèi)星依次部署入軌,具有多次點火、關(guān)停能力,任務(wù)適應(yīng)性更好,靈活性更強(qiáng),可面向更多服務(wù)客戶,提高在世界航天運輸市場的競爭力。尤其是搭配“太空騎士”飛行器,還可能為歐洲重復(fù)使用航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。