失败+推迟，欧洲运载火箭何去何从？

2023-05-16张晨

太空探索 2023年5期

文/张晨

▲织女星C 火箭第二次飞行，未曾料到它再次星沉大海

近期，欧空局公布了织女星C 火箭VV22 发射失利的原因，将“锅”甩给了一个乌克兰制造的喷管喉部组件。如此糟糕的品控，加上欧空局主席暗示“阿里安6”将无法于2023 年底发射升空，欧洲运载火箭的落魄值得我们思考：为什么欧洲的运载火箭退步到了这种地步？

“织女星”的第三次失利

随着欧空局织女星运载火箭在2019 年和2020 年相继失利，欧洲航天持续十几年的连续成功记录被打破。VV15 的失利直接使得一家老牌保险公司退出了航天保险业，而VV17因为四级火箭线缆插反导致发射失利也是令人匪夷所思。再加上2018 年的“阿里安5”发射程序装订错误导致未能将卫星送入预定轨道，短短3年间3 起事故，不由让人对欧空局的可靠性产生质疑。当时“阿里安6”和“织女星C”火箭仍然瞄准2020年底首飞，但事实证明，这仅是一个美好的愿望而已。

直到2022 年7 月，“织女星C”火箭VV21 才首飞成功。但就在几个月后的2022 年12 月，“织女星C”火箭第二次飞行，VV22 火箭发射2颗“昴星团-NEO”高分辨率成像卫星时，火箭成功起飞，但在第二级飞行阶段出现严重故障。两颗卫星仅达到了110 千米高度，最终坠落在大西洋中。

作为“织女星C”的抓总方，欧空局在经过6 个月的调查后宣布，问题出自乌克兰的碳纤维喷管喉衬。火箭飞行过程中该有缺陷的喉衬被烧穿导致飞行姿态失控，发射失利。乌克兰方面则强烈驳斥该结论，宣称自己的产品没有问题。欧空局称需要一定时间来开发可以替代乌克兰产品的新材料，因此“织女星C”火箭的复飞将推迟到2024 年，并且复飞的载荷也是极其重要的“哨兵-1C”合成孔径雷达卫星。欧空局还有2 发“织女星”火箭库存，“织女星”VV23 火箭将在2023 年夏末发射升空，以勉强维持欧空局所剩无几的航天发射活动。

为了维持“独立自主”的名声，欧空局甚至不愿意提前使用“猎鹰9”发射“哨兵-1C”卫星（“哨兵-1A”已经因为故障而退役，1C 很紧迫了），而是要求必须由“织女星C”火箭复飞发射这颗卫星。这是一项很冒险的举动。那么，欧洲为什么会有这样的举动呢？

▲即将由“织女星C”VV22 火箭发射的两颗“昴星团-Neo”卫星

断档的局面

由于俄乌冲突持续，欧空局拒绝继续使用并且扣押了由俄罗斯生产的“联盟ST”运载火箭。“欧几里得”巡天望远镜无法发射升空，目前已经选择由“猎鹰9”火箭在2023 年7月发射。而一网卫星也被迫重新寻找发射服务商，目前已由“猎鹰9”和印度火箭发射了数批次。

而更加重要的大型运载火箭——“阿里安6”首飞已经推迟到了2024年。最后一发“阿里安5 ECA+”火箭计划在2023 年6 月21 日发射。在2023 年6 月至9 月这段时间，欧洲将没有任何运载火箭可用；9 月到年底期间，也只有几乎退役状态的“织女星”运载火箭可以用于发射。所以，近期欧洲几乎无法依靠自己的运载火箭进入太空。

目前，欧空局拥有在研和在役的运载火箭4 款，包括即将退役的大型运载火箭“阿里安5 ECA+”和尚未首飞的“阿里安6”；以及目前在排查故障的小型运载火箭“织女星C”，和已中止采购的中型运载火箭“联盟ST”。这些运载火箭构成了2～20 吨的运载能力梯度区间。原计划于2020年首次发射的“阿里安6”拟在早期发射中逐步积攒可靠性和声望，在2022—2023 年“阿里安5 ECA+”火箭退役后，不出意外的话可拥有10次发射成功记录，以完美替代上一代火箭，投入商业发射和政府发射服务。然而，计划总是赶不上变化。

2016 年，美国私营航天企业太空探索技术公司在海上成功回收了一个小火箭，并在此后数年间横扫全世界商业航天发射市场，以低成本和高履约能力卷走了该市场几乎80%的商业发射服务。2020 年新冠肺炎疫情席卷全球，对各国的航天发射都造成了不小的影响。“阿里安6”先是因为工作人员大量感染而进度推迟，随后发射场甚至因此被封停。但随着时间一点一点过去，“阿里安6”推迟的原因也变得越来越莫名其妙，甚至从2023 年第一季度直接毫无理由地推迟到2024 年。

截至目前，“阿里安6”虽然完成了模拟箭合练，但其一二级火箭均未完成全模块静态点火试验，完备度低得令人难以想象，完全不像一款已经研发了近十年的运载火箭。当然，拉胯的不只是它的进度，它预定的目标更是已经成为空中楼阁。

▲正在进行测试的欧几里得巡天望远镜，最初计划使用“联盟号”在库鲁发射

▲阿里安6 火箭首次全箭合练

高昂的研发费用

让我们猜一猜“阿里安6”研发迄今用了多少钱。10 亿？20 亿？作为一款被欧空局宣称为低成本的运载火箭，它的开发价格是多少？

答案是40 亿欧元，折合约300亿人民币。如果算上它的前世“阿里安5 ME”则可能超过50 亿欧元。“织女星”小型固体火箭研制费用为7.1亿欧元，其第一级P80 固体火箭的研制费用为7600万欧元。而同时作为“阿里安6”助推器和“织女星C”火箭一子级的，通用固体火箭P120C，研发成本却高达10 亿欧元，是P80 的13 倍！

还记得“阿里安6”宣传的低成本吗？62 构型7500 万美元一发，64 构型9000 万美元一发，是“阿里安5 ECA+”火箭的一半。然而这个价格需要该火箭达到每年6 次政府载荷发射+3 次商业发射的频率，并且在政府给出的补贴下才能将价格降低到这个程度。欧空局最初预计“阿里安6”将以此频率或更高的频率发射到2040—2045 年才退役，大约将发射200 发。

但是显然，“阿里安6”在目前被某个强有力的竞争对手爆杀，所谓的预计退役年份和发射频率全部化为空中楼阁。2023 年3 月23 日欧空局理事会指出，欧洲在全球商业发射市场的份额从十年前的近50%，下降到现在的“几乎退出市场”。目前“阿里安6”确定的发射订单仅有30 次，而其中只有六分之一来自于传统商业发射服务。剩下的全部属于政府任务，毕竟自己的火箭，再难用也得保证一个独立自主。是欧洲传统卫星制造商和政府，在想尽办法使用各种专利壁垒强行给“阿里安6”输血的情况下，才勉强保住了这30 次订单。以目前的订单数量，“阿里安6”的发射频率估计会维持在在每年1～3 发左右。作为对比，预计今年“猎鹰9”的发射量将达到100 发。

保守的代价

如果欧洲人真的想要更强的运载能力，那么就应该在2000 年进一步开发“阿里安5 ME”火箭，发展更低成本的工艺，简化HM-60A 氢氧发动机等以降低成本。但实际上“阿里安5 ECA”在此之后再无大改，完全就是啃老本。因为欧洲有着极其优秀的发射场选址，位于法属圭亚那库鲁的航天发射场位于北纬4°，从这里发射进入地球静止轨道可以节省下20%的推进剂，因此卫星的复杂度可以有效降低。所以有些卫星用户宁可选择相对贵一点的欧洲运载火箭，也不会选择某些虽然便宜但容易出问题的运载型号。

而欧空局也似乎并不在乎技术进步和市场。在2010 年代早期，欧空局想的一直是增加就业和投资，对开拓市场、危机意识、降本增效并不重视。甚至在2019—2020 年期间，欧空局的官僚们还在怀疑“猎鹰9”的发射效率，并且在报告中大谈“猎鹰9”是依靠美国政府的大量补贴和投入才达到的如此效率。况且，虽然欧洲拥有大量的商业订单，但其中大部分来自于本土企业服务和政府发射服务，因此还是存在一定程度上的内循环。与美国、俄罗斯等发射服务商的内卷不同，欧洲只有阿里安公司一家独大。这也是为什么欧洲各个运力区间都只有一款运载火箭，因为没有卷的动力。因此，当品控崩溃和更高效的发射服务出现的时候，一系列的连锁事件就会发生。

欧空局的主要液体运载火箭技术来自于法德两国，固体运载火箭技术来自于意大利。长期以来，德国主推各种纯液体火箭方案，但是要给意大利等成员国分配工作量，因此固体助推器是无法避开的。法国出于制衡德国影响力的考虑，支持构型复杂生产链条长的设计。这正是“阿里安6”早期出现的各种纯固体捆绑起飞方案的来源。欧空局自己内部矛盾也不小，出于多国实力和资源调配与制衡的原因，构型设计迟迟无法达到最优。与此同时，虽然各国互相牵制，但对于新兴的私营航天，欧空局给出的资助少之又少，只有千万欧元级别。这也欧洲至今仍然没有民营轨道级火箭出现的原因。

▲阿里安5 ME 和最初阿里安6 火箭的对比

▲全固体起飞级版“阿里安6”火箭

为什么近年来欧洲运载火箭的研发止步不前呢？得益于某些国家政府对航天发射“独立自主”的要求，无论代价多大也要保证拥有自己的轨道运输能力，于是欧空局通过“适当推迟”要求政府补贴资金以推进项目。而通过P120C 的开发成本就可以看出，10 亿欧元里真正流到项目里的到底有多少，实在是难以确定。欧空局甚至开始宣传和卡纳拉维拉尔角相同的1800 米/秒地球静止转移轨道发射服务，完全是把自己的核心竞争优势都丢掉了。问题在于，库鲁的该轨道，是一个远地点23200 千米的亚同步转移轨道，真要让“阿里安6”去打这么个轨道，还不如用“猎鹰9”这种便宜皮实量大还准时的火箭发射。

实际上如果真的要提升竞争力，完全可以继续建造“阿里安5 ECA+”，造100 发，把40 亿欧元的研发费用分摊到每一发上补贴4000万欧元，商业竞争力倒是真比“猎鹰9”要强。而大量资金投入到“阿里安6”项目中的代价就是，两个旗舰级空间天文台“欧几里得”和“雅典娜”（Athena）的拨款一共只有10 亿欧元左右。

▲ASTRIS 上面级

不甘与退让

在讨论路线之前，首先要了解一下“阿里安6”是否达到了预期。

首先就是前几年欧洲吹的很高大上的，位于“阿里安6”二级的APU涡轮发电装置。该装置采用二子级蒸发的氢和氧进行燃烧，推动涡轮机发电，以支持该火箭末级滑行6 个小时。“阿里安6”64 构型预计可以将约5吨载荷送入地球静止轨道。然而燃气涡轮发电机的性能并没有达到预期。在2022 年国际宇航大会上，ASTRIS常温上面级的出现彻底坐实了“阿里安6”的低温级直送静止轨道能力被移除，而二级长滑行能力也被压缩到1.5 个小时，即1 圈。

“阿里安6”的第二级性能更远低于预期。最初欧空局试图将整个火箭使用通用的5.4 米直径，但是这样会把二级的液氧储箱摊成“大饼”，结构系数很差并且推进剂管理也很麻烦。二级最后缩减了液氧储箱的直径，但仍然保留了外部壳体，于是导致二级质量飙升。虽然“阿里安6”的质量飙升至860 吨，其运载能力仍然和“阿里安5 ECA+”火箭持平。因此，“阿里安6”在政府载荷和常规商业载荷发射服务中和“阿里安5 ”火箭相比并没有多大优势，而缺乏直送能力使得其更难和“重型猎鹰”、“火神”等具备复用能力的新型运载火箭竞争。

▲阿里安宇航总部中的”阿里安6“火箭二子级

受猎鹰9 火箭依靠复用带来低成本的影响，近年来欧空局也开始研究复用运载火箭。包括使用“普罗米修斯”100 吨液氧甲烷发动机，可复用的“下一代阿里安”运载火箭概念被提出。“下一代阿里安”运载火箭的目标是将“阿里安6”的发射成本再降低一半，每次发射成本不超过3500万欧元，一年发射至少17 次，最多25 次。“下一代阿里安”运载火箭中9 发起飞方案的质量达到790 吨，但地球静止转移轨道一次性运载能力仅为6.6 吨，复用下运载能力4.5 吨，运载效率和“猎鹰9”火箭天差地别。而且其设计远未定稿，甚至没有一个大致的方案。

虽然“阿里安6”存在未首飞即落后的情况，但欧空局也不愿意抛弃已经使用了30 多年的氢氧起飞级。因此，欧空局在2022 年提出了复用甲烷助推器方案，将P120C 固体火箭助推器更换为使用3 台“普罗米修斯”的“液体可复用助推器”。每个助推器使用3 台“普罗米修斯”发动机，但3 发模块回收对发动机的变推比要求极高，尤其是对喷注器的设计要求更高。欧洲是否有能力研发此类发动机还有待观察。并且一次发射回收4个模块带来的复杂地面操作流程也会进一步增加每次发射的负担，其效费比肯定远低于“猎鹰9”，更不用说无法回收的氢氧芯级，甚至存在复用带来的成本收益低于代价的可能。