欧洲新型大火箭临近首飞！阿丽亚娜6将为欧洲航天提升战力

放心去飞啦啦啦

“阿丽亚娜5”ECA运载火箭(VA261)

北京时间2023年7月6日上午，在法属圭亚那库鲁航天发射中心，欧空局使用“阿丽亚娜5”ECA运载火箭(VA261)将2颗高轨通信卫星送入地球同步转移轨道。本次任务是“阿丽亚娜5”火箭的最后一次发射，而用于接替它的“阿丽亚娜6”火箭还未投入首飞，欧空局就此陷入无大型火箭可用的境地，无奈之下只能求助于太空探索技术公司。在“阿丽亚娜5”火箭退役近一年之后，屡次“迟到”的“阿丽亚娜6”终于将迎来首飞。


欧洲13国联合打造，代表欧空局运载火箭的最高水平



“阿丽亚娜5”火箭是欧空局曾经仰仗的大型运载火箭，自1996年06月首飞（失败）以来，该箭117次发射115次成功（含3次部分成功），成功率超过98%，是一款比较成功的运载火箭。不足之处在于其助推器配置固定，任务适应性不够强，且成本偏高。

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（有待商榷），同时满足欧洲独立自主进入和使用太空的需求。“阿丽亚娜6”响应了世界航天新阶段低成本的发射需求，同时面向星座组网一箭多星批量发射新趋势，相较于“阿丽亚娜5”，具备更灵活、更经济的优点。


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，负责领导和监督分布于13个国家涉及数百家工业企业的供应链，包括设备和结构、发动机制造、各个级段的总装以及火箭在法属圭亚那欧洲航天港的总装。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）负责在欧洲太空港建造、运行和维护“阿丽亚娜6”发射设施。

“阿丽亚娜6”项目参与国出资比例图

“阿丽亚娜6”项目由13个国家参与和出资，包括奥地利、比利时、捷克共和国、法国、德国、爱尔兰、意大利、荷兰、挪威、罗马尼亚、西班牙、瑞典和瑞士，出资比例前五的国家为法国（55.6%）、德国（20.8%）、意大利（7.7%）、西班牙（4.7%）和比利时（3.8%），出资比例对比与各国航天工业实力对比情况接近。在“阿丽亚娜6”项目上，欧洲国家根据技术和经济实力广泛参与，机构、企业分工协作，使得“阿丽亚娜6”火箭基本代表了当前阶段欧空局运载火箭的最高水平。


可“大”可“小”，“高”“低”皆宜的大火箭



“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，为两级半构型，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（3500千牛），燃烧时间130秒，单枚助推器推进剂装载量142吨；芯一级配备1台“火神”（Vulcain 2.1）发动机，推力约140吨（1370千牛），燃烧时间468秒，推进剂装载量150吨；芯二级配备1台“芬奇”（Vinci）发动机，具备多次点火能力，推力约18吨（180千牛），燃烧时间最高可达900秒，推进剂装载量30吨。

“阿丽亚娜6”测试模型

“阿丽亚娜6”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，由碳纤维增强聚合物（carbon fibre-reinforced polymer）制成，该箭最大起飞质量870吨，最大起飞推力1571吨（15400千牛），最大近地轨道（LEO）运力21.6吨，最大地球同步转移轨道（GTO）运力11.5吨。

左起：“阿丽亚娜62”和“阿丽亚娜64”示意图

相较于“阿丽亚娜5”，“阿丽亚娜6”可以为不同任务进行“量体裁衣”，其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”两种构型。同时，“阿丽亚娜6”芯二级（上面级）配备了更优异的“芬奇”液氢液氧发动机，可重复启动4次，并且配备创新的辅助推进系统（auxiliary propulsion unit，APU），这使其能够胜任星座组网大批量一箭多星发射，并且具备地球静止轨道（GEO）卫星直送入轨的发射能力。


对内满足欧空局内需，对外进军国际商业航天发射市场



对于世界主要航天大国或实体而言，主力运载火箭首先满足的都是其内部需求，这也是各型主力运载火箭的立足之本。纵使世界航天已经进入商业航天阶段，航天依然是关乎国家安全的特殊领域，各航天大国发射市场的开放程度有限，仅存在有限的竞争，这就使得各国（实体）自研的主力运载火箭具备基本的生存土壤——政府订单。对于“阿丽亚娜6”火箭来说，欧空局的机构订单是其立足之本，也是雷打不动的基本盘。


当前，世界正在进入以商业航天为特征的大航天时代，人类正在开展更大规模的航天活动，这就需要以大运力、高频次、低成本为特点的航天载具，传统的运载工具都在迎来更新换代。在世界航天新阶段，原本受到世界商业航天发射市场青睐的“阿丽亚娜5”火箭逐渐失掉了国际订单，面对挑战“阿丽亚娜6”做出了多方面努力。

相较于“阿丽亚娜5”火箭，“阿丽亚娜6”在助推器数量上的灵活搭配，为其形成了更紧密的运力覆盖区间，针对不同运力需求任务可选配2枚或4枚固体助推器，“阿丽亚娜62”和“阿丽亚娜64”的近地轨道运力（LEO）分别为10.3吨和21.6吨，地球同步转移轨道（GTO）运力分别为4.5吨和11.5吨。如此一来，提升了任务的经济性和适应性。

“阿丽亚娜6”固体助推器

与此同时，“阿丽亚娜6”的固体助推器与“织女星-C”（Vega-C）固体火箭一级实现了模块通用，如此能够通过更大数量的发射摊薄研发成本、降低制造成本，并推动火箭改进升级、提升可靠性。

“阿丽亚娜6”上面级示意图

在世界航天的当前阶段，低轨通信、导航、遥感星座已经逐渐进入大规模组网阶段，比如“星链”、“一网”，形成了星座组网批量发射需求，运力强大、支持大批量一箭多星发射的大型运载火箭正在处于并将较长时间处于供不应求的状态。“阿丽亚娜6”的上面级主发动机具备4次启动能力，适于执行近地轨道异轨多星发射，同时凭借较强的运力，可以胜任大批量的一箭多星任务，使得该箭将成为星座组网发射的主要选择之一。


在当前国际市场上，常态化的提供大批量星座组网发射的运载火箭主要包括美国的“猎鹰九号”、印度的GSLV-MK3和俄罗斯的“联盟2.1b”等，“猎鹰九号”忙于发射“星链”，空余发射机会有限，GSLV-MK3年产量只有几枚，可用数量不足，“联盟2.1b”因俄乌冲突被西方世界排斥，这就为“阿丽亚娜6”留出了不小的市场空间。目前，加上欧空局的机构订单，负责“阿丽亚娜6”火箭发射运营的阿丽亚娜集团已经获得了30发订单，需要数年才能完成。


十年磨一“箭”终迎首飞，新趋势下如何应对艰巨挑战？



根据目前安排，2024年7月9日“阿丽亚娜6”运载火箭将在法属圭亚那库鲁航天发射中心实施首飞，本次任务搭载了10余个小型卫星、卫星部署器、科学实验组件，将初步展现该火箭一箭多星发射能力。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。

“阿丽亚娜6”首飞箭示意图

自2014年12月决定研制以来，“阿丽亚娜6”火箭历经了长达近10年的研制过程，期间由于研制进度落后，首飞几经推迟，错过了与“阿丽亚娜5”火箭的手递手“交棒”，导致欧空局在近一年时间里面临有星无箭的尴尬局面。

“阿丽亚娜6”芯一级测试模型

毋庸置疑，基于优秀的“阿丽亚娜5”火箭改进提升而来的“阿丽亚娜6”也将是一型优异的火箭，但是并没有摆脱传统火箭的局限——无法回收复用，既无法适应高频次发射，也无法持续大幅降低发射成本。就在“阿丽亚娜6”火箭开始研制的21世纪10年代，“猎鹰”系列火箭引领了世界运载火箭回收复用的新趋势，其起飞级采用多发并联，配备较经济的液氧煤油发动机，具备深度变推力能力，如此实现了起飞级芯一级模块多次回收复用。基于回收复用能力的构建，“猎鹰”火箭已经实现同一芯一级模块1个月的周转周期、21次的复用次数，并且将液体火箭的国际通行发射报价由此前的1万美元/千克拉低至5000美元/千克，且还有进一步降低的趋势。


比照强悍的竞争对手，初出茅庐的“阿丽亚娜6”的年产量仅有几枚，芯级采用了较昂贵的氢氧动力，不具备回收复用能力。如此一来，在当前阶段“阿丽亚娜6”无法实现高频次发射，也很难具备“猎鹰”火箭一样的低成本，出路在哪里？

“阿丽亚娜6”2款整流罩能适应大部分任务

虽然不具备回收复用能力，但面向国际商业航天发射市场“阿丽亚娜6”依然保留了自己的独特优势。凭借着氢氧发动机高效率和近赤道发射场的运力优势，“阿丽亚娜6”火箭的地球同步转移轨道（GTO）运力达到了11.5吨，这在现役火箭中位列太空发射系统（SLS）、“重型猎鹰”、“火神”和“长征五号”之后，排名第5。由于太空发射系统和“长五”主要用于满足各自国内发射需求，在发射市场与“阿丽亚娜6”形成竞争关系的就只有“重型猎鹰”、“火神”两型火箭了，又由于“重型猎鹰”直径5.2 米、长度13米整流罩的空间相对有限，“火神”首飞不久产能有限，在面对大质量、大体积高轨卫星串联双星发射任务时，凭借直径5.4米、长度20米大型整流罩，“阿丽亚娜6”将会有所斩获。


在高轨任务的优势并不能完全弥补成本的劣势，面对发射报价快速下降的国际市场，“阿丽亚娜6”势必将与“阿丽亚娜5”一样面临订单有限的局面，但在大型火箭稀缺的当下依然能够拿下部分订单。

“阿丽亚娜6”首飞箭示意图

总体而言，“阿丽亚娜6”火箭是欧空局应对当时国际市场变化而推出的大型运载火箭，是“阿丽亚娜5”火箭的深度改进型，但依然没有摆脱“阿丽亚娜5”的总体设计思路，是欧空局新型运载火箭但不是新一代运载火箭。作为类航天大国航天实体，欧空局的本土订单将足以养活“阿丽亚娜6”火箭，后者的存在也将维护前者的国际地位。至于参与国际商业航天市场竞争，面对“商业巨擘”“猎鹰”火箭的强大竞争力，“阿丽亚娜6”火箭只能通过差异化竞争获得有限的市场份额。


作者：木兰星舟