欧洲“第一巨箭”首飞在即，拥有强大的高轨及深空运力

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作为世界六个航天大国（实体）之一，欧空局这一类航天大国实体是世界航天的重要一极，具备全面而先进的航天能力，首当其冲的是其航天发射能力。自从上世纪90年代末期以来，欧空局长期依赖强大的“阿丽亚娜5”运载火箭进入太空，后者曾长期是欧空局的一张闪亮的航天名片。21世纪10年代以来，世界商业航天快速发展，大批量一箭多星、低成本发射成为新趋势，欧空局被迫做出改变，基于“阿丽亚娜5”进行全面升级，打造更具竞争力的性能更优异的“阿丽亚娜6”火箭。


欧洲“第一巨箭”，拥有强大的高轨及深空运力



2014年12月，欧空局理事会（ESA Council）部长级会议作出了开发“阿丽亚娜6”运载火箭的决定，意在保持欧洲在快速变化的商业发射服务市场中的领导地位，同时满足欧洲独立自主进入和使用太空的需求。


在“阿丽亚娜6”（Ariane 6）运载火箭项目中，欧空局（ESA）负责项目管理、采购过程监督，并负责火箭系统总体架构和火箭首飞的运营。阿丽亚娜集团（ArianeGroup）是火箭的设计机构，也是火箭开发和生产的总承包商，负责领导和监督供应链，包括设备和结构、发动机制造、各个级段的总装以及火箭总装。阿丽亚娜太空公司（Arianespace）是发射服务提供商，为机构和商业客户运营飞行任务。法国航天局（CNES）负责“阿丽亚娜6”发射设施的建造、运行和维护。

“阿丽亚娜6”（“阿里安6”）火箭基于“阿丽亚娜5”改进提升而来，芯一级主发动机采用改进型号，芯二级和固体助推器则采用新研制的主发动机，芯一级贮箱改用更加轻质的铝锂合金。

“阿丽亚娜6”为大型固液捆绑运载火箭，采用两级半构型，由芯一级、芯二级和2或4枚助推器构成，芯级全部采用液氢液氧发动机，助推器则采用固体发动机。该箭助推器配备P120C火箭发动机，采用端羟基聚丁二烯（HTBP）推进剂，单台推力约357吨；芯一级配备1台“火神2.1”（Vulcain 2.1）发动机，推力约140吨；芯二级配备1台“芬奇”（Vinci）发动机，推力约18吨。该箭助推器可以灵活选配2枚和4枚，相应形成“阿丽亚娜62”和“阿丽亚娜64”两种型号，具备较强的灵活性和任务适应性。


“阿丽亚娜6”火箭最大高度62米，芯级、整流罩直径均为5.4米，助推器直径3.38米，可选配长度14米和20米两种规格整流罩，该箭最大起飞质量870吨，最大起飞推力1571吨，近地轨道（LEO）最大运力21.6吨，高度500千米、倾角97.4度的太阳同步轨道（SSO）运力15.5吨。

该箭芯二级配备了优秀的“芬奇”（Vinci）液氢液氧发动机，采用闭式膨胀循环，真空比冲达到457秒，具备4次点火能力，这使得该箭在地球中高轨及深空发射方面具备较大的优势。其近地点250千米、远地点35,786 千米、倾角6度的地球同步转移轨道（GTO）最大运力11.5吨，赤道上空地球静止轨道（GEO）最大运力5吨，近地点230千米、远地点40万千米、倾角7度的地月转移轨道（LTO）最大运力8.6吨。


一旦投入首飞，“阿丽亚娜6”将成为欧洲范围内高度最高、起飞质量最大、体积最大的运载火箭，也是欧洲地球高轨及深空运力最强的运载火箭，毋庸置疑该箭将成为欧洲现役“第一巨箭”。


首飞即一箭多星，全面测试火箭性能



在前后推迟了4年之后，“阿丽亚娜6”火箭即将迎来首飞。北京时间2024年7月10日02:00∼06:00（法属圭亚那时间9日15:00∼19:00），在法属圭亚那库鲁航天发射中心ELA-4工位，搭载8颗小型卫星、5个试验载荷和2个再入返回舱的“阿丽亚娜6”运载火箭将点火发射，计划将卫星送入近地轨道。

“阿丽亚娜6”首飞任务使用的是配备双助推的“阿丽亚娜62”构型，配备长度14米整流罩，整箭高56米，起飞质量540吨，起飞推力约857吨，其近地轨道运力10.3吨。本次任务中，将对“阿丽亚娜6”火箭性能进行全面测试，包括上面级（芯二级）多次点火、一箭多星、上面级钝化并受控离轨等方面的能力。

“阿丽亚娜6”火箭的首次任务将分为三个阶段：地面到轨道（From ground to orbit）、上面级重新点火和卫星部署（Upper stage reignition and satellite deployment）以及技术验证、离轨和太空舱分离（Tech demos, deorbiting and capsule separation）。

首飞任务第一阶段——地面到轨道（From ground to orbit），即时间线说明图中的第一到第五步，将把火箭从地面发射进入太空。这一过程中，将由芯一级“火神2.1”（Vulcain 2.1）发动机和两枚助推器P120C发动机提供动力。第一阶段还将包括芯一级与上面级分离，以及上面级“芬奇”（Vinci）发动机的第一次点火，将上面级与卫星组合体插入近地点300千米、远地点700千米的椭圆轨道。“芬奇”发动机将点火至升空后约18分钟，之后“阿丽亚娜6”将证明它可以匹配其前身“阿丽亚娜5” ECA型号的典型飞行剖面。

第二阶段——上面级重新点火和卫星部署（Upper stage reignition and satellite deployment），即时间线说明图的第六至第九步。本阶段，“芬奇”发动机将首次重新点火，将上面级与卫星组合体的轨道从椭圆轨道调整为高度580千米圆形轨道。


在太空微重力环境下，发动机重新点火比想象中困难，因为液体推进剂会在贮箱内自由漂浮，需要采取加压在内的多种措施来确保推进剂持续稳定供应。上面级辅助推进装置（Auxiliary Propulsion Unit，APU）会提供小而稳定的推力，使主发动机推进剂沉底，确保它可以再次点火。

首次重新点火之后将部署前3颗卫星：OOV-Cube、Curium One和Robusta-3A，并激活两个搭载实验载荷YPSat和Peregrinus。几秒钟后，将部署第二批3颗卫星：3Cat-4、ISTSat和GRBBeta，并激活SIDLOC和Parisat。接下去，将部署第三批2颗卫星：CURIE和 replicator。


第三阶段——技术演示、离轨和太空舱分离（Tech demos, deorbiting and capsule separation），即时间线说明图的第十至第十二步。本阶段，任务将把低温上面级进一步推向极限，并验证其在微重力条件下真正执行任务的能力。上面级的最后一次推进将要求其在太空中经历最长时间的关机后重新点火，将在南太平洋尼莫点（NEMO point）上空启动受控离轨再入地球大气层。


不久之后，上面级上搭载的两个再入舱将分离，降落到地球，目标是在再入大气层的燃烧过程中存活下来。最后，在上面级在大气层中燃烧之前，将对其进行钝化处理，去除搭载的所有能量，以防止可能的爆炸及产生太空垃圾。


“火箭危机”即将解除，满足欧空局未来15年需求



北京时间2023年7月6日上午，“阿丽亚娜5”运载火箭(VA261)完成了最后一次发射，就此告别世界航天舞台，这也使得欧空局彻底陷入一场“火箭危机”/“发射器危机”（“launcher crisis”）。

2022年初，乌克兰危机爆发后，欧空局失去了使用“联盟2.1b”火箭的机会，2022年末，“织女星C”固体火箭发射失败，导致欧空局短期内又少了一型可用火箭，而到了2023年7月“阿丽亚娜5”火箭的退役，用于接替它的“阿丽亚娜6”继续延期首飞，这就使得欧空局陷入了仅有“织女星”固体火箭可用的困难境地。在此期间，欧洲内部发射任务“伽利略”导航卫星、EarthCARE对地观测卫星不得不转向了太空探索技术公司的“猎鹰九号”，这也使得欧空局耿耿于怀。而“阿丽亚娜6”的到来将基本化解这场让欧空局煎熬的“火箭危机”。


“阿丽亚娜6”的首飞是一次被称为飞行样本1（Flight Model 1，FM1）的测试飞行，一旦成功实施，开发团队还需要五个月的时间来分析所有的飞行数据，如果一切顺利，“阿丽亚娜6”火箭将在年底实施首次商业发射。

迄今，“阿丽亚娜6”火箭运营方已经签署了30份发射服务合同，其中18份专门用于亚马逊的”柯伊伯”卫星星座组网发射。为了支持批量发射需求，火箭厂商正在提升产能，将实现逐渐增产、稳定供应的目标。目前，第一批15发火箭（含首飞箭）剩余部分的制造工作正在顺利进行。按计划，2025年“阿丽亚娜5”将实施6次发射，2026年将实施8次发射，而在2027年发射次数将达到10次，最终在2028年和2029年实现稳定的每年9次发射。同时，“阿丽亚娜6”将继续瞄准2014年设定的目标，将在“阿丽亚娜5”基础上降低40%的成本。


在当前阶段，世界航天迅猛发展，以大规模星座组网为代表的航天发射需求持续快速增长，运载火箭特别是大型运载火箭的需求处于并将较长时间处于供不应求的状态。在此背景下，基于欧空局内部的机构订单并面向国际商业航天发射市场，“阿丽亚娜6”将能够长期维持年均10次左右的中等规模的发射数量。

作为一型模组化的火箭，”阿丽亚娜62”（两助推型号）将取代俄罗斯“联盟号2.1b”，”阿丽亚娜64”（四助推型号）将取代“阿丽亚娜5”，可以覆盖欧空局大部分需求，支持“伽利略”导航卫星、“阿尔戈英雄”（Argonaut）月球着陆器、大型高轨卫星在内的重要发射任务，将成为未来15到30年欧洲航天的主力军。


作者：木兰星舟