文/林胤之

自今年7月阿里安5火箭退役以來，歐空局在大中型火箭領(lǐng)域一時陷入了“青黃不接”的窘境。不過，作為航天技術(shù)積累深厚的老牌強(qiáng)者，歐空局仍在努力推進(jìn)新一代阿里安系列火箭與織女星系列火箭的研發(fā)工作。與此同時，歐洲多國的商業(yè)航天公司正在研發(fā)多款火箭，頗有亮點(diǎn)。

歐空局篇

兩大主力暴露隱患

近年來，歐空局力推的阿里安6火箭和織女星-C火箭連遭挫折，暴露出深層次隱患，引發(fā)質(zhì)疑。從“織女星”-C的研發(fā)、服役歷程中，外界或許可以一窺究竟。

2014年12月，歐空局開始推進(jìn)研發(fā)“織女星”-C，目標(biāo)是具備比“織女星”更強(qiáng)悍的發(fā)射性能和更出色的任務(wù)靈活性，滿足未來航天發(fā)射市場有效載荷需求的變化，在投送中型有效載荷入軌的同時，在經(jīng)濟(jì)性上與可重復(fù)使用火箭競爭。

“織女星”-C在繼承可靠技術(shù)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面升級。第一級長13.38米，直徑3.4米，全重155噸（包含141噸推進(jìn)劑）。意大利Avio公司基于“織女星”的P80固體發(fā)動機(jī)技術(shù)，推出了P120C固體發(fā)動機(jī)（C代表“共享”Common，該發(fā)動機(jī)同時用于阿里安6火箭的固體助推器，以便增加產(chǎn)量，降低成本），裝上了“織女星”-C。最終，P120C固體發(fā)動機(jī)比沖約278.5秒，燃燒時間約135.7秒，最大推力約4300千牛，堪稱世界上最大、性能最強(qiáng)的一體式固體火箭發(fā)動機(jī)之一。

第二級采用了Zefiro 40固體發(fā)動機(jī)，攜帶6.2噸推進(jìn)劑，在真空中能夠提供1304千牛推力，比沖為293.5秒，運(yùn)行時間為92.9秒。發(fā)動機(jī)噴嘴可以旋轉(zhuǎn)5.9度，強(qiáng)化控制火箭的俯仰和偏航。第三級沿用了“織女星”的Zefiro 9發(fā)動機(jī)，攜帶約10.6噸推進(jìn)劑，最大推力為317千牛，工作時間為119.6秒。

第四級又稱為AVUM+級，采用了烏克蘭研制的RD-483發(fā)動機(jī)，對比“織女星”的類似部分，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重和推進(jìn)劑增加。此外，“織女星”-C能夠使用直徑更大的2.6米或3米整流罩。

經(jīng)過一系列改進(jìn)后，“織女星”-C全長35米，最大發(fā)射質(zhì)量210噸，700千米太陽同步軌道運(yùn)力達(dá)2.3噸，借助各種適配器，可以靈活地執(zhí)行雙有效載荷發(fā)射任務(wù)、拼車發(fā)射任務(wù)等。

然而，“織女星”-C的服役歷程并不順利。繼2022年7月13日成功首飛后，12月21日進(jìn)行的第二次發(fā)射失利，造成空客宇航公司2顆遙感衛(wèi)星損失。

歐空局的調(diào)查報告認(rèn)為，這次發(fā)射失敗的原因是烏克蘭生產(chǎn)的火箭第二級發(fā)動機(jī)噴嘴喉部材料存在缺陷或老化，導(dǎo)致在飛行中被高溫侵蝕，造成第二級發(fā)動機(jī)室壓逐漸下降，并最終失去推力。這個結(jié)論立即引發(fā)了烏克蘭強(qiáng)烈反對。

意大利Avio公司迅速生產(chǎn)了發(fā)動機(jī)噴嘴喉部替代材料，并宣稱新材料具備足夠的可靠性。然而，“織女星”-C的第二級發(fā)動機(jī)在2023年6月28日的測試中仍然出現(xiàn)故障，發(fā)動機(jī)室壓異常下降并熄火，試車被迫提前結(jié)束。

10月2日，歐空局再次公布了調(diào)查報告，認(rèn)為故障的主要原因是發(fā)動機(jī)噴管設(shè)計存在缺陷，部件的復(fù)雜形狀與新材料的耐熱機(jī)械性能不匹配，導(dǎo)致鄰近部件出現(xiàn)漸進(jìn)式損傷和降解，最終噴管失效。為此，發(fā)動機(jī)噴管的設(shè)計和校準(zhǔn)數(shù)值模型需要進(jìn)行更改，至少再進(jìn)行2次點(diǎn)火測試，直到技術(shù)審查通過為止。這意味著，“織女星”-C的復(fù)飛時間不會早于2024年第四季度。

從“織女星”-C研發(fā)和失敗后“歸零”的過程中，外界發(fā)現(xiàn)，歐空局和阿里安集團(tuán)面臨著技術(shù)路線保守、質(zhì)量管控能力下降等隱患，如果涉及更多合作方，不但難以強(qiáng)強(qiáng)互補(bǔ)，反而更可能降低效率。阿里安6火箭的研發(fā)過程中同樣充斥著法、德等各方利益紛爭，項目優(yōu)先級曾“180度大轉(zhuǎn)彎”，首飛時間從最初規(guī)劃的2020年一步步推遲至2024年第二季度，而且仍存在變數(shù)。

當(dāng)前，歐空局能夠執(zhí)行軌道級發(fā)射任務(wù)的火箭竟然只剩下了“庫存”——“織女星”早期型。

“阿里安”放眼長遠(yuǎn)

“阿里安”Next又被非正式地稱為“阿里安”7，是阿里安集團(tuán)為歐空局開發(fā)的可重復(fù)使用火箭。項目正式名稱為“可重復(fù)使用戰(zhàn)略太空發(fā)射器技術(shù)和操作”，共有23個國家參與了研制計劃，第一批技術(shù)驗證模型正在開發(fā)中。

21世紀(jì)30年代，“阿里安”Next有望服役，逐步取代近地軌道運(yùn)力20噸級的阿里安6火箭，并將發(fā)射成本降低至阿里安6火箭的一半。令人尷尬的是，阿里安6火箭至今仍未首飛，導(dǎo)致歐空局的大型火箭遭遇“斷檔”。

▲ 阿里安Next火箭不同構(gòu)型示意圖

“阿里安”Next的主要目標(biāo)是通過簡化設(shè)計，回收復(fù)用火箭第一級，顯著降低發(fā)射成本，進(jìn)一步提高發(fā)射靈活性。目前，“阿里安”Next計劃采用類似美國獵鷹9火箭的基礎(chǔ)構(gòu)型，即第一級垂直著陸回收，第一級和第二級采用相同的液氧甲烷發(fā)動機(jī)。其返回控制系統(tǒng)主要包括格柵翼、穩(wěn)定翼和空氣制動器，還有類似獵鷹9火箭的著陸腿。

此外，“阿里安”Next研發(fā)團(tuán)隊正在考慮另外兩種構(gòu)型，以便適應(yīng)不同的發(fā)射任務(wù)：其一是在基礎(chǔ)構(gòu)型的第一級上捆綁2枚液體助推器；其二類似獵鷹重型火箭，將3枚第一級并聯(lián)在一起。

研發(fā)火箭，動力先行?！鞍⒗锇病盢ext將配備新一代發(fā)動機(jī)，綽號“普羅米修斯”，設(shè)計單臺推力約980千牛，可以在額定推力的30%～110%之間調(diào)節(jié)，比沖360秒，可重復(fù)使用3～5次。

自2017年6月起，歐空局為“普羅米修斯”項目初期提供了8500萬歐元，其中有63%的資金來自法國，研制工作于2018年開始。2020年6月，歐空局正式啟動“普羅米修斯”項目，主要目標(biāo)是將其制造成本控制在阿里安5火箭使用的火神2發(fā)動機(jī)的1/10，即單臺生產(chǎn)成本約100萬歐元，年產(chǎn)50臺。

“普羅米修斯”其實是型號簡稱的音譯，正式名稱是“可重復(fù)使用高效液氧甲烷推進(jìn)系統(tǒng)”。這款發(fā)動機(jī)主要用于綽號“忒彌斯”的可重復(fù)使用火箭演示器和“阿里安”Next。未來，“阿里安”Next第一級將配備7臺或9臺“普羅米修斯”，第二級配備1臺。此外，“普羅米修斯”也有可能裝上阿里安6火箭改進(jìn)型，而阿里安6火箭基本型仍計劃使用一次性液氫液氧發(fā)動機(jī)。

值得一提的是，雖然液氧甲烷推進(jìn)劑的燃燒效率低于液氫液氧推進(jìn)劑，但儲存條件更簡單，促使“阿里安”Next可以簡化推進(jìn)劑貯箱和供應(yīng)回路的設(shè)計，縮小推進(jìn)劑貯箱尺寸?！捌樟_米修斯”還將廣泛使用3D打印金屬組件，預(yù)計占發(fā)動機(jī)零件總數(shù)近一半，包括發(fā)動機(jī)部分管道、閥門乃至燃燒室，進(jìn)一步降低成本。

▲ 普羅米修斯可復(fù)用發(fā)動機(jī)正在加緊測試

2022年11月，“普羅米修斯”首次點(diǎn)火測試。2023年6月22日，“普羅米修斯”和可重復(fù)使用火箭演示器在測試臺上成功點(diǎn)火，“普羅米修斯”進(jìn)行了12秒燃燒測試，確認(rèn)了相關(guān)產(chǎn)品的可行性。歐空局未來太空運(yùn)輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)人透露，計劃進(jìn)一步完善發(fā)動機(jī)，包括應(yīng)用一些并行開發(fā)的燃燒元件制造技術(shù)，在2023年底繼續(xù)點(diǎn)火測試。

火箭模型加緊測試

為驗證火箭第一級回收技術(shù)，阿里安集團(tuán)研制了多型技術(shù)驗證器。其中，用于測試火箭垂直起飛/著陸的“青蛙”模型由法國國家空間研究中心研制，2019年進(jìn)行了多次飛行測試，收集火箭起飛/著陸高度速度、發(fā)動機(jī)推力和噴管偏轉(zhuǎn)角度、推進(jìn)劑消耗情況等參數(shù)，并測試了飛行軌道、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。

在法國國家空間研究中心倡導(dǎo)下，多個國家正在合作研制可復(fù)用火箭測試模型。其中，由法、德、日合作開發(fā)的“卡里斯托”將用于測試可復(fù)用火箭技術(shù)，并評估這類火箭的運(yùn)營成本。

“卡里斯托”開發(fā)計劃始于2015年，項目A階段和B階段分別于2018年2月和2019年12月結(jié)束，2024年有望首飛?；鸺Ｐ皖A(yù)計需要進(jìn)行5次以上的全系統(tǒng)測試，最初曾設(shè)想在駁船上進(jìn)行著陸測試，后來放棄。

這款火箭模型全長13米，直徑1.1米，采用推力40千牛的液氫液氧發(fā)動機(jī)。該型發(fā)動機(jī)由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制，能夠調(diào)節(jié)推力，最低僅有額定推力的40%。法國國家空間研究中心負(fù)責(zé)研發(fā)火箭模型的飛行姿態(tài)控制電機(jī)。德國航空宇航中心研制4片控制舵面，負(fù)責(zé)控制火箭模型橫滾、俯仰和偏航，并提供一定的升力。此外，德國航空宇航中心還負(fù)責(zé)研制“卡里斯托”的著陸系統(tǒng)，也就是4條著陸腿。

▲ 忒彌斯火箭測試想象圖

2020年12月15日，歐空局與阿里安集團(tuán)簽署了價值3300萬歐元的合同，開發(fā)一款具備入軌發(fā)射能力的火箭測試模型，命名為“忒彌斯”，高30米，直徑3.5米，將配備3臺“普羅米修斯”，裝有150噸液氧甲烷推進(jìn)劑。

顯然，“忒彌斯”的主要任務(wù)是完成火箭第一級回收技術(shù)的研制流程，分析研究該技術(shù)在未來歐洲運(yùn)載火箭上的價值。

按最初計劃，“忒彌斯”將于2022年啟動測試工作，先在法國和瑞典進(jìn)行低空跳躍試飛，2023年在圭亞那航天中心進(jìn)行亞軌道飛行測試，2025年進(jìn)行全飛行包線測試。不過，“忒彌斯”第一級演示器首次點(diǎn)火測試被拖延到2023年6月22日進(jìn)行，低空跳躍試飛等后續(xù)測試也被推遲。

“織女星”-E改弦易轍

2004年，“織女星”早期型尚在研發(fā)中，歐空局就提出了另一個增強(qiáng)型計劃，將第三級和第四級更換為液氧甲烷發(fā)動機(jī)上面級，命名為“織女星”-E（E意為“進(jìn)化”Evolution）。該型號還將大范圍采用3D打印等新技術(shù)，配備新型姿態(tài)控制系統(tǒng)和電子設(shè)備。2017年11月30日，價值5300萬歐元的合同簽訂，“織女星”-E的研制工作正式啟動。

按原計劃，“織女星”-E使用的液氧甲烷發(fā)動機(jī)源自意大利和俄羅斯的技術(shù)合作。根據(jù)兩國2000年簽署的協(xié)議，意大利Avio公司和俄羅斯化學(xué)自動設(shè)計局在2007年啟動研制工作，其技術(shù)基礎(chǔ)是俄羅斯RD-0146發(fā)動機(jī)。合作第一階段于2008年結(jié)束，旨在設(shè)計一種推力約10噸的概念發(fā)動機(jī)。合作第二階段的重點(diǎn)是設(shè)計、制造和測試7.5噸推力的演示發(fā)動機(jī)，并于2014年6月在俄羅斯成功測試。但隨后國際形勢變化，迫使兩國合作中止。

接下來，意大利Avio公司決定獨(dú)立研制M10液氧甲烷發(fā)動機(jī)，涉及渦輪泵、閥門、點(diǎn)火器、推力矢量和新的3D打印燃燒室組件等主要子系統(tǒng)開發(fā)。2018年11月13日，發(fā)動機(jī)縮比例模型在意大利成功測試。

2020年2月，采用新型3D打印技術(shù)的全尺寸發(fā)動機(jī)在美國宇航局馬歇爾太空飛行中心成功測試，完成了19次點(diǎn)火，總計運(yùn)行了450秒。

2022年5月6日，在意大利撒丁島的新型太空推進(jìn)測試設(shè)施上，M10液氧甲烷發(fā)動機(jī)開始資格認(rèn)證測試，第一階段測試工作在7月成功結(jié)束，點(diǎn)火時間累計超過800秒。

M10液氧甲烷發(fā)動機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)設(shè)計，長1.9米，直徑1.3米，空重小于250千克，設(shè)計推力約98千牛，比沖為362秒，能夠進(jìn)行最多5次點(diǎn)火。由于動力研發(fā)進(jìn)展比較順利，目前“織女星”-E計劃于2027年首飛。

商業(yè)航天篇

西班牙“繆拉”系列

2023年10月7日，“繆拉-1”成功從西班牙一個軍用機(jī)場點(diǎn)火起飛?；鸺w行了306秒，最大飛行高度達(dá)到46千米，隨后濺落在大西洋，并成功回收。本次任務(wù)的載荷主要用于德國應(yīng)用空間技術(shù)和微重力中心的實驗，利用微重力條件開展研究。

“繆拉-1”是西班牙航空航天運(yùn)載公司研發(fā)的可重復(fù)使用單級火箭，高度超過12米，直徑0.7米，能夠攜帶約100千克有效載荷進(jìn)行短暫的亞軌道飛行。西班牙航空航天運(yùn)載公司成立于2011年，是歐洲最早開發(fā)可復(fù)用小型火箭的初創(chuàng)公司之一。這枚火箭設(shè)計和制造由西班牙團(tuán)隊包辦，充分展示了技術(shù)實力和創(chuàng)新精神。

此前，“繆拉-1”曾于5月和6月兩次嘗試發(fā)射，由于氣象不佳和故障（導(dǎo)航系統(tǒng)充電線在最后一刻斷開），均未成功。西班牙官方高度贊揚(yáng)了這次來之不易的發(fā)射成功，強(qiáng)調(diào)：“這一壯舉將激勵更多科學(xué)家和工程師投身于航天研究，推動西班牙在太空探索領(lǐng)域取得更多成就?！?/p>

其實，“繆拉-1”首飛并未達(dá)到預(yù)期高度，西班牙航空航天運(yùn)載公司正在利用此次發(fā)射收集的數(shù)據(jù)，抓緊改進(jìn)設(shè)計，研制更先進(jìn)的“繆拉”-5，希望在2024年底進(jìn)行發(fā)射。按計劃，“繆拉-5”能夠?qū)?噸有效載荷送入近地軌道，或者將540千克有效載荷運(yùn)往500千米太陽同步軌道，還有望回收復(fù)用第一級，爭奪國際訂單。

英國的兩款小火箭

英國歐貝斯航天公司正在研制一種名為“原初號”的小型液體火箭，第一級設(shè)計可重復(fù)使用，能夠?qū)?80千克有效載荷送入太陽同步軌道，原計劃在2023年首飛，很可能已推遲。目前，英國正在蘇格蘭北部海岸建設(shè)新航天港薩瑟蘭航天中心，以便迎接“原初號”首次發(fā)射任務(wù)。

“原初號”長約19米，直徑為1.45米，第一級6臺和第二級1臺發(fā)動機(jī)均使用液氧丙烷無毒推進(jìn)劑。之所以選擇丙烷，是因為它的沸點(diǎn)約為零下42攝氏度，低溫下保持液態(tài)相對容易，可以在碳纖維丙烷貯箱周圍布置液氧貯箱，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還有望降低火箭發(fā)射所產(chǎn)生的約90%碳排放量。

英國天空曙光航天公司也在研制小型火箭，暫命名為“天空曙光”XL。這款火箭設(shè)計長22.7米，直徑2.2米，能夠?qū)?15千克有效載荷送入太陽同步軌道。

“天空曙光”XL采用三級設(shè)計，第一級安裝9臺HTP（高測試過氧化物）煤油發(fā)動機(jī)，綽號“天力”，單臺海平面推力70千牛，真空推力79.7千牛，海平面比沖250.24秒，真空比沖284.91秒。第二級安裝1臺“天力”，真空推力85千牛，真空比沖306秒。第三級安裝1臺近地軌道HTP煤油發(fā)動機(jī)，真空推力3.5千牛，真空比沖305秒，具備多次點(diǎn)火能力。

“天力”于2023年7月開始測試，以便驗證應(yīng)用3D打印技術(shù)的可行性。天空曙光公司宣稱，經(jīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計后，發(fā)動機(jī)生產(chǎn)時間縮短了66%，成本降低了20%，冷卻效率充分優(yōu)化，發(fā)動機(jī)生命周期有所延長。

▲ 英國天空曙光XL火箭升空想象圖

目前，天空曙光公司已與設(shè)得蘭群島最北端的薩克斯沃德太空港簽訂了多次發(fā)射協(xié)議，計劃于2024年進(jìn)行“天空曙光”XL首飛。此外，該公司還與加拿大太空運(yùn)輸服務(wù)公司達(dá)成了協(xié)議，希望從加拿大新斯科舍省航天港發(fā)射火箭。

法國“西風(fēng)”借力英國

“西風(fēng)”是法國維度空間航天公司正在研制的一種小型液體運(yùn)載火箭，長約17米，直徑1.2米，采用兩級設(shè)計?；鸺x擇的液氧煤油發(fā)動機(jī)綽號“納維爾”，第一級安裝9臺海平面版，第二級安裝1臺真空版，單臺推力約為12～13千牛，號稱完全由3D打印制造。

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，“西風(fēng)”具備100千克近地軌道發(fā)射能力和80千克太陽同步軌道發(fā)射能力，明顯不及西班牙、英國同期小火箭。

令人意外的是，一向強(qiáng)調(diào)獨(dú)立自主的法國在發(fā)展商業(yè)航天方面手段靈活。按計劃，“西風(fēng)”將于2024年第四季度在英國設(shè)特蘭群島的薩克斯沃德太空港進(jìn)行首次發(fā)射，未來還計劃使用法屬圭亞那航天中心的新商業(yè)發(fā)射設(shè)施。

作為一型商業(yè)火箭，法國人早已公布了發(fā)射服務(wù)報價：每次發(fā)射定價300萬美元，每千克有效載荷定價約35000美元。

▲ 法國西風(fēng)火箭配備的發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試

德國“蠟燭火箭”嘗鮮

SL1是德國混合動力公司正在研制的一種小型混合動力三級運(yùn)載火箭，計劃將500千克有效載荷送入太陽同步軌道。

按設(shè)計，SL1火箭第一級安裝8臺HyPLOX75發(fā)動機(jī)，單臺推力75千牛，比沖270秒。第二級安裝了4臺真空版HyPLOX75發(fā)動機(jī)，單臺推力100千牛，比沖321秒。第三級安裝4臺Hybrid發(fā)動機(jī)，單臺推力25千牛，比沖313秒。而SL1火箭最鮮明的特色是，發(fā)動機(jī)均采用液氧石蠟基固體推進(jìn)劑，所以SL1被戲稱為“蠟燭火箭”。

混合動力公司認(rèn)為，這種特殊的發(fā)動機(jī)在設(shè)計上比液體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)更簡單，又比固體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)更安全，綜合成本更低。外界對此說法將信將疑，但SL1火箭前兩級使用的HyPLOX75發(fā)動機(jī)已于2020年9月成功進(jìn)行測試，證明了液氧石蠟基固體推進(jìn)劑的性能確實與液態(tài)烴基推進(jìn)劑相當(dāng)，表明混合動力公司很可能闖出一條新路。

▲ 德國HyPLOX75火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試