“织女星”火箭：小块头的大价值

2012-07-13□波特辛克

太空探索 2012年4期

□ 波特辛克

在夜幕中升空的“织女星”运载火箭

欧空局终于等来了小巧的新“玩具”——“织女星（Vega）”运载火箭。2012年2月13日，“织女星”携带着9颗卫星，从法属圭亚那库鲁航天发射中心发射升空。这是欧洲近20年来开发的第一枚新型火箭。两小时后，欧空局宣布，这一以检验为主要目的的首次发射取得圆满成功。由此，“织女星”小型火箭为加入“阿里安”大型火箭和欧版“联盟” 中型火箭的欧洲火箭“家族”做好了准备，与它们形成互补，填补了欧洲小型运载火箭的空白，使得欧洲具有了大中小三种类型火箭，能够满足各类发射需求。

小卫星需要小火箭

在“织女星”运载火箭没有加入欧空局的发射场时，欧洲主要依靠阿里安5型重型运载火箭来执行发射卫星等太空任务。阿里安5型能够把6吨左右的卫星送上天去，推力足够大，但如果用这个发射时总重700多吨的大块头来发射小型卫星，则有“高射炮打蚊子”之嫌，浪费了宝贵的航天资源。

欧空局的补救措施之一是，对于发射中型卫星这样的任务，借用俄罗斯的“联盟”系列火箭，他们从俄罗斯方面获得了“联盟”火箭的部分市场经营权，这在一定程度弥补了阿里安5型的缺陷。

但“联盟”系列火箭对于目前日渐流行的小卫星的发射任务来说，还是很浪费资源。于是早在2003年，“织女星”小型运载火箭的研发项目就浮出水面。这一项目耗资7.76亿欧元，其中意大利出资60%，法国投资25%，西班牙、比利时、荷兰、瑞士及瑞典等欧空局成员国也参加了这个项目。欧空局还将投资4亿欧元用于“织女星”验证项目，包括2013～2015年5次发射政府有效载荷。欧空局局长多尔丹说：“对欧空局及其成员国，尤其是‘织女星’诞生地意大利，对整个欧洲航天工业，这是伟大的一天。”

“织女星”火箭全长30米，发射时总重为138吨，只是阿里安5型运载火箭发射时总重的六分之一多一点儿。它属于四级火箭，其中前三级使用固体燃料推进，第四级使用液体燃料，可以多次点火。虽然名为小型运载火箭，其实“织女星”的运载能力还是较宽的，从300千克到2500千克都可搭载，它可以把1500千克的有效载荷送入距地球700千米的极地轨道，也可以把1200千克的有效载荷送入距地球1200千米的太阳同步轨道。所以，它也能发射一些小型天文卫星。

对此，美国专家表示：作为目前世界上投入使用的小型运载火箭之一，“织女星”火箭是很有希望的，因为美国轨道科学公司建造的“金牛座”小型运载火箭现在已经陷入困境，它在近年发射“轨道碳观测” 卫星与荣誉号大气悬浮颗粒物探测卫星时均因火箭故障而箭毁星亡。

“激光相对论卫星”

“激光相对论卫星”和母校卫星－1

9颗小星星

首次升空的“织女星”火箭携带了9颗科学卫星，其中的主要卫星是意大利航天局研制的“激光相对论卫星”（Lares），它的质量为390千克，旨在通过计算激光收发时间，来测量验证广义相对论中的兰斯－蒂林效应。另一颗主要卫星是博洛尼亚大学研制的母校卫星－1(AlmaSat-1)，用于试验新型民用地球观测技术。另外7颗卫星是由欧洲大学提供的质量不超过1千克的皮卫星，如意大利理工学院设计的小卫星e-st@r，布加勒斯特大学研制的“格里亚特”（Goliat）卫星，匈牙利的匈牙利卫星－1（MaSat－1），波兰的第1颗微卫星PW-Sat-1，法国蒙彼利埃大学的双极辐射试验卫星ROBUSTA（用于试验暴露在恶劣太空辐射环境中的双极晶体管电子元件），意大利的“联合立方体卫星”（ UNICubeSAT ），以及西班牙航空标准协会与比戈大学共同研制的XaTcobeo卫星。每颗卫星都将进行独立的试验。

帮助验证相对论的“激光相对论卫星”是1颗低成本圆球形探测卫星，仅耗资1000万美元，但其探测精度将比此前美国航宇局发射的引力探测器-B卫星（耗资8亿美元）高出几乎100倍。其主体是一个坚固的金属球，用钨金属制成，直径有35.5厘米。这个圆球的表面分布着92个洞，在轨工作时，将由地基激光进行反射式跟踪，以便当它在太空飞行时地面的激光追踪网络能够跟踪其在轨道上的精确位置，精度可达毫米级。

“织女星”运载火箭飞行时序

广义相对论认为引力的产生源于时空的曲率，如果该理论是正确的，则地球的转动将拖带着周围时空一起旋转，因此会扰动卫星轨道，即地球自转产生的惯性系拖曳效应会让卫星的轨道产生轻微进动，这是由于卫星被随地球自转扭曲的时空带动产生的效应。

虽然广义相对论是目前普遍接受的引力理论，但是如果采用更加精确的测量系统，它可能会出现瑕疵。已上天的美国引力探测-B卫星刚入轨探测到了“惯性系拖曳效应”(Frame dragging)，测量轨道变化值的精度在10%之内，但目前的测量轨道变化值的精度为19%，这可能是引力探测-B卫星出现了技术问题。所以，欧空局的研究人员希望“激光相对论卫星”能取得1%的轨道变化精度，这也是该卫星制造方意大利航天局所期待的。

由于“激光相对论卫星”运行在距离地面1450千米的高轨道上，所以这里的大气拖拽效应本身非常微弱，并且这一高密度球体卫星受到太阳光压的影响很微小，几乎可以忽略不计。还有其它因素，如地球本身并非一个理想球体，实际上导致的卫星进动幅度更大，大约3年左右就可以让卫星运行轨道偏移一周。但是研究人员将会使用各种数据分析手段，并参考之前各项任务的数据，从而从这些背景数据中筛选出由于惯性系拖曳效应导致的误差值。

“激光相对论卫星”将在未来数年内连续发回有关惯性系拖曳效应的测量数据。在一年的时间内，这种效应预计将导致卫星运行轨道倾角出现大约千万分之一的误差，也就是说大约经过1000万年后，由惯性系拖曳效应导致的误差将可以致使卫星的运行轨道围绕地球整个翻转一圈。除了角度之外，在一年内卫星的位置也将出现大约4米的误差，这一误差可以由地面激光测量监视系统精确地测出，其误差将小于1%。

波兰的第1颗微卫星PW-Sat-1

匈牙利卫星－1

爱因斯坦的广义相对论或许仍将通过本轮测试。但科学家们相信广义相对论最终必定会失效，但是是在非常微观的尺度上，在这一尺度上量子理论开始发挥作用。当然，在科学上很多事情仍然是无法做出非常肯定的断言的。塞佛利尼说：“在过去的100年里，爱因斯坦的广义相对论已经经受住了无数的实验检验，但是这一切并不是就意味着我们应当停止这样的检验。”

发射成本决定商业价值

“织女星”发射成功，终于填补了欧洲在小型运载火箭方面的空白。从此之后欧洲至少在名义上拥有了大中小三种类型的运载火箭，已经拥有了可以满足各种发射任务所需要的运载火箭，任务从发射小型的科学和地球观测卫星，到发射飞向国际空间站的货运飞船。

“织女星”运载火箭未来将要发射的哨兵-2（Sentinel-2）在轨飞行示意图

安装“织女星”火箭的有效载荷

根据欧空局发射主任安东尼奥·法布里茨的说法，织女星将主要用于发射地球观测卫星。天文学卫星目前的趋势是越来越大了，但对于地球观测卫星来说，趋势恰好是相反的。科技的进步让小卫星同样可以做许多事情，比如一些立方体卫星和其他微型卫星就可以作为“乘客”搭载“织女星”上天，“织女星”上有足够的空间安置这些小卫星，这给许多经费有限的大学科研机构提供了发射低成本卫星的机会。

不过，与阿里安-5火箭和欧版“联盟”火箭不同，“织女星”并非完全为商业发射市场研制，用于发射政府和商用小型有效载荷，作为“阿里安”5大型火箭和欧版“联盟”中型火箭的补充。其业务模式是每年为欧洲政府提供1～2次发射。欧空局负责安排它来发射科学卫星与对地观测卫星。在进行了5次发射任务之后，“织女星” 将在2014年进行整流罩以及隔热系统的测试，为将来可能实施的欧洲载人航天任务做准备。它还将执行两次商业任务，即在2014～2016年间发射欧洲“全球环境与安全监视”计划（GMES）中的两颗“哨兵”卫星。

“织女星”运载火箭发射台是在阿里安-1火箭发射台的基础上改建的

可惜的是，虽然在发射市场上通信卫星是最赚钱的领域，但“织女星”不会发射通信卫星，因为作为小型运载火箭，它无法到达通信卫星所需的工作轨道。此外，为了满足搭载小卫星的需求，“织女星”还得进行一些改进。就算是发射小型、微型卫星，刚刚登场亮相的“织女星”同样需要进行多次昂贵的测试实验，以确保技术上没有问题。

四周装有避雷设施的“织女星”运载火箭发射台

即便如此，“织女星”的第一份商业合同已经签署了，阿里安空间公司在去年12月决定，将利用“织女星”发射两颗全球环境监测卫星。发射成本相对于欧洲原有运载火箭更低廉，这应该是“织女星”未来商业运营的最大优势。

今后，欧洲将综合采用“阿里安”5火箭和“织女星”火箭技术，研制用于取代“联盟”ST的新型中型火箭，并研制改进型“织女星”火箭“天琴座”（LYRA），“天琴座”的第3、4级拟用低成本的液氧和甲烷作推进剂，采用新型制导系统，其极轨运载能力将提高到2吨。

固体发动机当主力

“织女星”火箭的前3级火箭均采用固体发动机，采用端羟基聚丁二烯；第4级采用液体发动机，采用偏二甲肼。

第1级长为10.5米，直径为3米，质量为95吨（推进剂质量占88吨），推力为3040千牛，发动机型号为P80FW，比冲为2744米/秒。P80FW采用了先进的低成本技术，具有较高的性能，不但可用于“织女星”火箭，而且改进后还将用作“阿里安”5固体助推器，是该火箭研制的重点。采用了一些新技术，如内部热防护采用低密度三元乙丙橡胶，使用低成本和轻型碳酚醛材料，3 米直径的碳纤维增强复合材料纤维缠绕壳体，推进剂为低比例黏合剂和高比例铝粉配置，锂离子电池的机电式推力矢量控制系统，可消耗壳体的点火器等。除P80FW发动机外，第1级还包括一二级的级间段，尾段和电缆槽。

采用P80发动机的第1级

第2级长为7.5米，直径为1.9米，质量为25.8吨（推进剂质量占23.9吨），推力为1200千牛，发动机型号为Zefiro23，比冲为2832米/秒。它由Zefiro 23发动机和二、三子级级间段组成，其中的Zefiro-23发动机由一个直径为1.9 米的碳纤维环氧丝缠绕壳体、端羟基聚丁二烯复合推进剂、采用柔性接头技术的喷管、低密度三元乙丙橡胶热防护、可消耗的点火器和机电式推力矢量控制系统等组成。

第3级长为3.85米，直径为1.9米，质量为10.95吨（推进剂质量占10.1吨），推力为213千牛，发动机型号为Zefiro-9，比冲为2891米/秒。它由Zefiro-9发动机和二、三级间段组成，壳体材料与第1、2级相同，喷管与第2级相似，采用三维碳/碳喉部、碳/酚醛复合材料扩散段和自保护的柔性接头，最大摆角可达6°。第2级和底级的发动机都是由Zef i ro -16发动机改进而来。

作为上面级的第4级由外裙、推进舱和仪器舱组成，位于第3级和有效载荷舱之间，提供有效载荷支架、整流罩和第3级分离系统间的机械接口。它长为1.74米，直径为1.9米，质量为0.97吨（推进剂质量占0.55吨），推力为2.45千牛，发动机型号为AVUM，比冲为3092米/秒。该液体推进系统主要采用现有的组件和技术，特别是采用乌克兰可多次启动的RD-869双组元推进剂发动机和俄罗斯聚合材料囊式贮箱方案，配有压力调节输送系统。推进剂储存在4个相同的142升囊式钛合金贮箱中，2个储存氧化剂四氧化二氮，2个储存燃料偏二甲肼。主发动机至少可点火5次，在进行标准飞行单星发射时，设定为3次点火程序。

采用Zef i ro-23发动机的第2级

该火箭的大部分电子设备都安装在AVUM上面级仪器舱中。所以，它主要用于对前3级火箭实施姿态和轨道控制，完成有效载荷入轨、提高入轨精度、进行轨道机动和有效载荷分离。其制导、导航和控制系统使用由阿里安-5改进而来的惯性测量装置。火箭的姿态控制由AVUM的6个冷气（氮气）推力器完成。在火箭飞行中，对第1、2级的制导按预先确定的飞行程序进行。在第3级和AVUM飞行时，箭载计算机确定一个最优制导方式，控制火箭到达目标轨道。飞行中AUVM箭载计算机能够修正上升飞行中的偏差。