“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發射

2月14日歐空局的“阿里安”5火箭完成了VA-235發射任務，這種20世紀80年代開始設計、1996年首次發射的運載火箭已經走過了20年的歲月。雖然它仍是國際商業發射市場的主力之一，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和芬奇氫氧發動機，通過組合化設計滿足未來的發射需求并大幅度降低成本，而在重復使用方面，歐空局將研制新的“普羅米修斯”發動機和下一代運載火箭。

運載火箭的重復使用一直是全世界航天工業界孜孜以求的目標，美蘇冷戰時期都進行了深入的研究和試驗，而歐空局、中國和日本等后發者只能暫時先解決運載火箭的有無問題，但同樣對重復使用十分熱心。冷戰的結束和航天飛機在經濟性上的失敗，打消了歐空局發展“赫爾墨斯”航天飛機等重復使用航天器的雄心，但最近幾年太空探索技術公司“獵鷹”9號火箭的成功，不僅是它的低廉報價，還有火箭超音速反推和垂直著陸技術上的成功，給歐空局帶來了巨大的壓力。對應前者歐洲人迅速推出了“阿里安”6火箭降低成本，對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”發動機和新設計的運載火箭。

Adeline概念

“阿里安”7火箭構型

“阿里安”7火箭垂直回收

歐空局對發展重復使用航天運載器有著濃厚的興趣，IXV這樣的復用試驗器姑且不論，2015年歐空局和空中客車公司公開了Adeline方案，用于試驗運載火箭的回收和復用，這是空中客車公司自2010年開始探索的復用概念，并計劃在2025年前后投入使用。Adeline方案是一種有翼的火箭發動機助推段，從研制思路上說類似于俄羅斯的貝加爾飛回式助推器。Adeline使用液體火箭發動機，但當時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，并利用氣動翼面自主飛行，當速度降低到亞音速后利用螺旋槳發動機推動著陸。基于Adeline的概念，空中客車公司還以此為基礎提出了復用型“阿里安”6火箭的概念，不過面對“獵鷹”9號火箭回收連續成功的壓力，法國國家空間研究中心和歐空局更青睞類似“獵鷹”9號火箭的設計，它將使用新研制的普羅米修斯液氧甲烷火箭發動機，而Adeline助推段的研究已經和它分道揚鑣。

“阿里安”6火箭是老生常談的設計，它將于2020年前后進行首次發射。2016年法國空中客車-賽峰公司開始研制普羅米修斯液氧甲烷發動機，據稱這種發動機的推力和現有“阿里安”5火箭的“火神”2發動機相當，也即是130噸級推力。歐空局已經正式向“普羅米修斯”發動機項目撥款，計劃在3年內實現發動機熱點火，以滿足下一代運載火箭研制進度的需求。“普羅米修斯”發動機雖然使用了時髦的液氧甲烷推進劑組合，但它同樣深受“獵鷹”9號火箭梅林發動機的影響，是一種燃氣發生器循環的發動機，以最大限度降低研制成本，并提高發動機的可靠性。空中客車-賽峰公司和歐空局期待“普羅米修斯”發動機的造價能降低到100萬歐元，只有“火神”2/2.1液氧液氫發動機上千萬歐元造價的約四分之一。為了實現這個目標，僅僅采用開式循環或是液氧甲烷推進劑還遠遠不夠，空中客車-賽峰公司還將大量使用諸如3D打印等新技術，通過發動機設計制造技術的進步降低成本。

普羅米修斯發動機模型和研制者

基于“普羅米修斯”發動機的下一代運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。“阿里安”7火箭借鑒了太空探索技術公司的“獵鷹”9號火箭的設計，使用多發并聯的發動機集群設計，另外火箭第一級和第二級都使用“普羅米修斯”發動機，它還亦步亦趨地仿效了“獵鷹”9號火箭的火箭反推和垂直著陸設計方案，甚至還有類似重型獵鷹的捆綁助推級設計。有些夸張地說，歐洲人的“阿里安”7火箭幾乎照搬了美國“獵鷹”9號和重型獵鷹的設計。歐空局用“普羅米修斯”命名新型火箭發動機，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”發動機尤其是下一代運載火箭研制也不是一蹴而就的事情。2015年起法國國家空間研究中心和空中客車-賽峰公司已經投資數百萬歐元進行可重復使用液氧甲烷發動機的研究，為“普羅米修斯”發動機的研制奠定了基礎，2016年底歐空局同意將“普羅米修斯”發動機列入下一代運載器研制計劃（FLPP）項目。空中客車-賽峰公司總裁接受采訪時表示，歐空局的FLPP項目已經為“普羅米修斯”發動機撥款8500萬歐元（折合9100萬美元）進行未來的研究和開發工作，以實現2020年熱點火的目標。他還希望法德以外其他歐空局國家也參與到“普羅米修斯”發動機的研制中來。根據空中客車-賽峰公司和歐空局的研制計劃，“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小型重復使用運載火箭的研制，做為大型運載火箭的技術原型，降低“阿里安”7火箭的研制風險。“阿里安”7火箭將使阿里安宇航公司具備更強的競爭力。首先，作為一種主力運載火箭它的研制時間從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，它的制造時間只有現有火箭的一半左右；加上火箭第一級的重復使用，“阿里安”7火箭將在綜合成本上達到“獵鷹”9號火箭的水平。而使用性能更好的液氧甲烷發動機，讓它在技術水平上有過之而無不及。

“獵鷹”9號火箭不僅獲得了技術上和商業上的成功，也成為一種經典的設計成為世界各國模仿的對象。歐空局和空中客車-賽峰公司正在積極推動研制的“普羅米修斯”發動機和“阿里安”7號運載火箭，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發射市場的競爭力；而歐美競相通過新技術和火箭降低發射成本，也將對其他國家構成巨大的壓力。★