“阿里安”7 模仿“獵鷹” 超越“獵鷹”

□ 張雪松

“阿里安”7 模仿“獵鷹” 超越“獵鷹”

□ 張雪松

“阿里安”6火箭CG

“阿里安”5發(fā)射

2月14日歐空局的“阿里安”5火箭完成了VA-235發(fā)射任務(wù)，這種20世紀(jì)80年代開始設(shè)計(jì)、1996年首次發(fā)射的運(yùn)載火箭已經(jīng)走過了20年的歲月。雖然它仍是國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的主力之一，但很多方面已開始有些落后。歐空局正在研制新一代的“阿里安”6火箭，它將使用新的火神2.1和芬奇氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，通過組合化設(shè)計(jì)滿足未來(lái)的發(fā)射需求并大幅度降低成本，而在重復(fù)使用方面，歐空局將研制新的“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)和下一代運(yùn)載火箭。

運(yùn)載火箭的重復(fù)使用一直是全世界航天工業(yè)界孜孜以求的目標(biāo)，美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期都進(jìn)行了深入的研究和試驗(yàn)，而歐空局、中國(guó)和日本等后發(fā)者只能暫時(shí)先解決運(yùn)載火箭的有無(wú)問題，但同樣對(duì)重復(fù)使用十分熱心。冷戰(zhàn)的結(jié)束和航天飛機(jī)在經(jīng)濟(jì)性上的失敗，打消了歐空局發(fā)展“赫爾墨斯”航天飛機(jī)等重復(fù)使用航天器的雄心，但最近幾年太空探索技術(shù)公司“獵鷹”9號(hào)火箭的成功，不僅是它的低廉報(bào)價(jià)，還有火箭超音速反推和垂直著陸技術(shù)上的成功，給歐空局帶來(lái)了巨大的壓力。對(duì)應(yīng)前者歐洲人迅速推出了“阿里安”6火箭降低成本，對(duì)于后者歐洲人擇其善者而從之，加入了模仿者的行列，推出了“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)和新設(shè)計(jì)的運(yùn)載火箭。

Adeline概念

“阿里安”7火箭構(gòu)型

“阿里安”7火箭垂直回收

歐空局對(duì)發(fā)展重復(fù)使用航天運(yùn)載器有著濃厚的興趣，IXV這樣的復(fù)用試驗(yàn)器姑且不論，2015年歐空局和空中客車公司公開了Adeline方案，用于試驗(yàn)運(yùn)載火箭的回收和復(fù)用，這是空中客車公司自2010年開始探索的復(fù)用概念，并計(jì)劃在2025年前后投入使用。Adeline方案是一種有翼的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推段，從研制思路上說(shuō)類似于俄羅斯的貝加爾飛回式助推器。Adeline使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但當(dāng)時(shí)尚未確定是液氧煤油還是液氧甲烷，助推段將把火箭加速到5倍音速后脫離，并利用氣動(dòng)翼面自主飛行，當(dāng)速度降低到亞音速后利用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)著陸。基于Adeline的概念，空中客車公司還以此為基礎(chǔ)提出了復(fù)用型“阿里安”6火箭的概念，不過面對(duì)“獵鷹”9號(hào)火箭回收連續(xù)成功的壓力，法國(guó)國(guó)家空間研究中心和歐空局更青睞類似“獵鷹”9號(hào)火箭的設(shè)計(jì)，它將使用新研制的普羅米修斯液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而Adeline助推段的研究已經(jīng)和它分道揚(yáng)鑣。

“阿里安”6火箭是老生常談的設(shè)計(jì)，它將于2020年前后進(jìn)行首次發(fā)射。2016年法國(guó)空中客車-賽峰公司開始研制普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，據(jù)稱這種發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和現(xiàn)有“阿里安”5火箭的“火神”2發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，也即是130噸級(jí)推力。歐空局已經(jīng)正式向“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目撥款，計(jì)劃在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱點(diǎn)火，以滿足下一代運(yùn)載火箭研制進(jìn)度的需求?！捌樟_米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)雖然使用了時(shí)髦的液氧甲烷推進(jìn)劑組合，但它同樣深受“獵鷹”9號(hào)火箭梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，是一種燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，以最大限度降低研制成本，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性?？罩锌蛙?賽峰公司和歐空局期待“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)能降低到100萬(wàn)歐元，只有“火神”2/2.1液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)上千萬(wàn)歐元造價(jià)的約四分之一。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，僅僅采用開式循環(huán)或是液氧甲烷推進(jìn)劑還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，空中客車-賽峰公司還將大量使用諸如3D打印等新技術(shù)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步降低成本。

普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)模型和研制者

基于“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的下一代運(yùn)載火箭可能被命名為“阿里安”7，它將和原有各種阿里安火箭截然不同?！鞍⒗锇病?火箭借鑒了太空探索技術(shù)公司的“獵鷹”9號(hào)火箭的設(shè)計(jì)，使用多發(fā)并聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)集群設(shè)計(jì)，另外火箭第一級(jí)和第二級(jí)都使用“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)，它還亦步亦趨地仿效了“獵鷹”9號(hào)火箭的火箭反推和垂直著陸設(shè)計(jì)方案，甚至還有類似重型獵鷹的捆綁助推級(jí)設(shè)計(jì)。有些夸張地說(shuō)，歐洲人的“阿里安”7火箭幾乎照搬了美國(guó)“獵鷹”9號(hào)和重型獵鷹的設(shè)計(jì)。歐空局用“普羅米修斯”命名新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，不知是否有借用古希臘神話中這位盜火者的暗喻。

羅馬不是一天建成的，“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是下一代運(yùn)載火箭研制也不是一蹴而就的事情。2015年起法國(guó)國(guó)家空間研究中心和空中客車-賽峰公司已經(jīng)投資數(shù)百萬(wàn)歐元進(jìn)行可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，為“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)，2016年底歐空局同意將“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)列入下一代運(yùn)載器研制計(jì)劃（FLPP）項(xiàng)目?？罩锌蛙?賽峰公司總裁接受采訪時(shí)表示，歐空局的FLPP項(xiàng)目已經(jīng)為“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)撥款8500萬(wàn)歐元（折合9100萬(wàn)美元）進(jìn)行未來(lái)的研究和開發(fā)工作，以實(shí)現(xiàn)2020年熱點(diǎn)火的目標(biāo)。他還希望法德以外其他歐空局國(guó)家也參與到“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中來(lái)。根據(jù)空中客車-賽峰公司和歐空局的研制計(jì)劃，“阿里安”7火箭的研制將于2030年左右完成，但此前歐空局還資助了Cailisto小型重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制，做為大型運(yùn)載火箭的技術(shù)原型，降低“阿里安”7火箭的研制風(fēng)險(xiǎn)?！鞍⒗锇病?火箭將使阿里安宇航公司具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。首先，作為一種主力運(yùn)載火箭它的研制時(shí)間從10年縮短到5年；其次，它的成本將只有“阿里安”6火箭的一半；第三，它的制造時(shí)間只有現(xiàn)有火箭的一半左右；加上火箭第一級(jí)的重復(fù)使用，“阿里安”7火箭將在綜合成本上達(dá)到“獵鷹”9號(hào)火箭的水平。而使用性能更好的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，讓它在技術(shù)水平上有過之而無(wú)不及。

“獵鷹”9號(hào)火箭不僅獲得了技術(shù)上和商業(yè)上的成功，也成為一種經(jīng)典的設(shè)計(jì)成為世界各國(guó)模仿的對(duì)象。歐空局和空中客車-賽峰公司正在積極推動(dòng)研制的“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)和“阿里安”7號(hào)運(yùn)載火箭，就幾乎是“獵鷹”9火箭的翻版。如果一切順利，2030年左右“阿里安”7火箭將投入使用，歐洲公司有望重拾商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力；而歐美競(jìng)相通過新技術(shù)和火箭降低發(fā)射成本，也將對(duì)其他國(guó)家構(gòu)成巨大的壓力。★