欧洲重复使用运载火箭发展路线分析

王林（北京航天长征科技信息研究所）

欧洲作为世界主要航天地区之一，十分重视进入空间能力和运载火箭技术，特别是在低温氢氧推进技术、大型商业载荷发射能力方面，处于较为先进的水平。但近年来在垂直起降复用火箭技术发展如火如荼的背景下，欧洲的重复使用火箭技术发展却相对缓慢。实际上，欧洲最初对垂直起降重复使用技术方案路线持观望甚至是反对的态度，在太空探索技术公司（SpaceX）开展猎鹰－9（Falcon－9）火箭复用技术研究和验证的过程中，空客公司（Airbus）在2015年提出了一子级发动机部段采用带翼滑行的升力式技术方案——“艾德琳”（Adeline），虽为应对措施，但并没有得到实质性的进展。

在“猎鹰”系列火箭的垂直起降复用方案越来越成熟，技术、操作和经济性方面的可行性都得以证明后，欧洲也紧随其后，积极开展方案论证，在欧洲航天局（ESA）层面上形成了较为清晰的规划路径和技术发展路线。

尽管如此，作为多国合作组织，本身要面临很多管理上的问题，而欧洲航天机构在重复使用技术上的积累也相对薄弱，未来经费支持规模就相对有限，项目进展也比较缓慢，前景仍存在不确定性。

1 背景环境

国际商业发射市场竞争优势不再

欧洲是国际商业发射市场上的重要力量，在最强势的时期，其阿里安－5（Ariane－5）火箭曾占据了半数市场份额。然而，近年来因猎鹰－9火箭发射价格大幅降低，而且极高发射频率提供了更多进入空间机会，导致阿里安－5市场份额急剧下降。尽管欧洲航天局为阿里安－5火箭提供了更多财政补贴，并在新一代阿里安－6火箭上引入各种新理念、新技术，试图大幅降低发射价格，但仍不能从根本上解决问题。为了保持欧洲在国际商业发射市场上的存在，继续以商业发射市场收入支撑其运载火箭技术及产业的可持续发展，势必需要发展重复使用技术。

自主进入空间能力遭受严峻挑战

2022年俄乌冲突爆发后，俄罗斯以中断火箭和发动机国际合作来应对西方制裁。欧洲从俄罗斯引进的“联盟”（Soyuz）ST火箭项目中止，“伽利略”导航卫星、“哨兵”（Sentinel）侦察卫星等重要载荷发射受到严重影响，欧洲自主进入空间能力上的缺陷暴露无遗。与此同时，阿里安－6火箭因为疫情以及各类技术问题，研制进度严重滞后，2023年年底的首飞节点仍有再度推迟的风险，而阿里安－5火箭仅有2枚可用，更新换代过程中很可能会形成真空期。另外，“织女星”（Vega）系列小型火箭近年来也连续遭遇失利，使得欧洲的航天发射活动雪上加霜。因此，欧洲面对世界范围内发展重复使用火箭的大趋势，在“阿里安”系列主力火箭更新换代过程中，也更加积极地思考和调整未来发展路径。

未来空间探索路线图需要更全面的发射能力

欧洲航天局在2022年7月和2023年3月连续发布了《“新世界”2030+战略路线图》《太空革命：欧洲太空探索发展的现状与愿景》两份关于未来空间探索的规划和倡议，充分表达了想要抓住航天产业大发展的机遇，特别是空间探索从近地空间向地月空间转移的节点上，既要与美国合作开展深空探索，也要突出自己的能力特色，发展近地轨道科研和驻留平台、构建自主载人登月能力、提升对火星的认知程度，空间探索活动的规模将大幅提高，对发射能力的需求和要求更高。

商业航天新势力尚未有效发挥作用

伴随着航天产业的持续正增长，欧洲商业航天力量也在快速发展，德国、英国、法国、西班牙等国家出现了二十余家运载火箭创企，而且欧洲航天局从2019年启动了代号为“助推！”（Boost！）的项目，专门用于支撑欧洲新兴航天运输创企的发展，提供资金支持。不过，相比美国国家航空航天局（NASA）“国际空间站”（ISS）货运补给任务下数十亿美元的经费支持，Boost！项目经费仅为1亿欧元左右，很难培育出规模较大的新兴创企。因此，欧洲火箭创企都集中于研制小型运载火箭，对于重复使用火箭的技术发展贡献微乎其微。

2 发展路线分析

在上述背景下，欧洲发展重复使用运载火箭的需求显得更加迫切，并逐步形成了较为清晰的发展路线，即：在2030－2040年的远期框架下实现“阿里安”系列复用火箭型号的研发应用；在2030年前的近期框架下利用规模逐步增大的垂直起降验证机开展技术演示验证；在具体实施路径方面则是以“未来运载器准备计划”（FLPP）作为依托提供项目经费支持。

“阿里安”系列复用火箭型号规划

“阿里安”是欧洲的主力火箭和自主进入空间能力的基本保障，也将是欧洲结束对俄罗斯和美国等外部力量依赖的关键，因此欧洲重复使用运载火箭的发展也是以“阿里安”系列火箭为核心：第一步，从阿里安－5火箭过渡到阿里安－6火箭，实现主力火箭升级换代；第二步，研制复合材料低温上面级，探索应用“普罗米修斯”（Prometheus）复用火箭发动机的氢氧版本，提升阿里安－6火箭的性能；第三步，“下一代阿里安”（ArianeNext）到2030年实现一子级垂直起降重复使用，一二子级结构、动力实现通用化；第四步，到2040年实现垂直起降单级入轨方案的“终极阿里安”（ArianeUltimate）。

“阿里安”系列主力火箭的重复使用型号发展路线图

“下一代阿里安”复用火箭将逐步提升规模

阿里安集团（ArianeGroup）作为“阿里安”系列火箭的主承包商，为“下一代阿里安”设计了规模从小到大、构型从简单到复杂的具体发展路径，动力系统采用在研的“普罗米修斯”液氧甲烷发动机。“玛雅”（Maia）小型重复使用运载火箭作为初始构型，将直接以“塞米斯”（Themis）验证机为基础发展而来，并且是由阿里安集团新成立的玛雅航天公司负责研制，发挥新兴商业航天企业快速灵活的优势。之后，阿里安集团再逐步增大箭体结构，发展直径更大、一子级“普罗米修斯”发动机数量分别为5台和9台的中型和大型复用“阿里安”火箭。最后，在大型“阿里安”复用火箭的基础上，捆绑2枚“玛雅”小型火箭一子级作为助推器，实现并联构型的重型“阿里安”复用火箭。

“终极阿里安”构型通过采用新型轻质材料、3D打印技术、新型高能量密度推进剂、可复用热防护技术、人工智能、高性能计算器、灵活遥测技术等，将在2040年前后实现单级入轨的目标，且地面设施会得到最大程度的简化。不过，目前“终极阿里安”构型还处于设想阶段，还需要很多基础能力和关键技术的突破。

规模从小到大的技术验证路线

SpaceX公司的猎鹰－9火箭在2015年取得一子级着陆回收的突破后，欧洲积极响应，从2015年开始酝酿和启动垂直起降验证计划，设立了“青蛙”（Frog）、“克里斯托”（Callisto）、“塞米斯”三项计划。在后续发展过程中，阿里安集团提出以“塞米斯”全尺寸验证机为基础，先发展“玛雅”小型复用火箭作为过渡和应用验证，再全面应用“下一代阿里安”复用火箭。

“终极阿里安”模型的概念图

规模逐渐增大的技术验证路线

“青蛙”验证机是由法国国家空间研究中心（CNES）以验证垂直起降复用方案的制导、导航与控制（GNC）为目标的小型验证机项目，直径仅为0.3m，在2019年已经完成低高度跳跃试验。“克里斯托”项目同样由CNES牵头，德国航空航天中心（DLR）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）共同参与，直径为1m，重点验证地面操作和周转时间，计划于2024年首飞。“塞米斯”项目是由欧洲航天局主导的全尺寸垂直起降验证机计划，直径为3.5m，采用3台“普罗米修斯”发动机，目标是对火箭一子级飞行包络的验证，明确“下一代阿里安”复用火箭方案，计划于2024年开展低空飞行试验，2025年之后开展高空飞行试验。在“塞米斯”项目实施初期，CENS和阿里安集团于2019年初构建“阿里安工厂”（ArianeWorks），借鉴美国洛马公司（LM）“臭鼬工厂”（SkunkWorks）的做法，鼓励承担风险，以提高创新项目的效率。

欧洲的3型重复使用火箭技术验证机是全新研制的硬件和软件系统，需要从头开始对结构、控制、动力、气动等方面开展深入的论证和研究，虽然能够更加系统地掌握垂直起降技术，但耗费周期很长，向“下一代阿里安”复用火箭转化应用的周期将会非常漫长。

未来运载器准备计划

为了实现上述型号发展路径和技术验证计划，欧洲航天局主要依托“未来运载器准备计划”实施“普罗米修斯”液氧甲烷发动机、“塞米斯”垂直起降验证机，以及其他相关关键技术的预先研究工作。

“普罗米修斯”液氧甲烷重复使用火箭发动机，是欧洲发展重复使用火箭的基础，成本将降至现役火神－2（Vulcan－2）发动机的1/10，大约为100万欧元，计划在2030年前后和“下一代阿里安”复用火箭同时投入使用，共用于一二子级，以通用化来降低制造成本。在技术方案上，“普罗米修斯”发动机推力为100吨级（研制过程中仍在持续迭代优化和提升推力），具备30%~110%大范围变推力能力，循环方式沿用火神－2发动机的燃气发生器循环。“普罗米修斯”发动机首台工程样机已经应用于“塞米斯”验证机的首个地面操作样机（T1G），并在2022年年底基于该样机进行了首次试车，同时对发动机、贮箱及增压输送系统进行了验证。截至2022年年底，欧洲已经为“普罗米修斯”发动机投入超过2.5亿欧元的研制经费。

“塞米斯”项目作为垂直起降技术方案验证的关键，包括多个样机产品，其中结构样机和地面操作样机已经完成。欧洲计划从2024年开始利用低空飞行试验样机进行起降试验，而高空飞行试验样机很可能会到2027年之后才能开展试验。截至2022年年底，欧洲航天局和欧盟已经为“塞米斯”项目分别提供了3300万欧元和3900万欧元的经费支持。

除了“普罗米修斯”和“塞米斯”验证以外，欧洲航天局还在FLPP计划下开展了栅格舵、多发动机并联设计、健康与使用监测系统、检测维护所需的诊断技术、推进剂管理等相关技术预研活动，为2030年的“下一代阿里安”储备技术。

3 几点启示

在当前重复使用运载火箭技术发展的大趋势下，欧洲的应对并不算滞后，形成了非常清晰的发展逻辑和路径，并取得了一定成效，然而受制于基础能力、技术积累、经费投入和管理模式等多方面因素，欧洲垂直起降技术发展速度相对缓慢。通过对欧洲重复技术路线的总结，得到以下几点启示。

（1）持续开展技术准备活动，支撑型号发展路线的优化调整

FLPP是欧洲实现复用火箭的关键所在，其重心也正在转向“下一代阿里安”复用火箭开展技术验证和储备。欧洲航天局在2004年启动FLPP计划，最初是为阿里安－5之后的下一代火箭研发和准备相关技术，后来逐渐发展更广泛技术预研活动，不再限定于具体型号，针对推进、结构、材料、工艺、电气和制导控制等领域新技术发展形成了稳定的经费和项目支持。欧洲针对运载器领域的新技术需求，设立专门的预研计划，坚持长期持续投入，能够有效支撑新型号的发展，而且能够在一定程度规避和减缓风险，允许对技术路线进行试错和调整，支撑型号发展路线的优化。不过，FLPP这类专门的预研计划也有其不足之处：研发和准备周期长，面对突破性变革（例如垂直起降技术），很难快速迭代转化形成技术能力。

（2）发展环境和背景情况不同，需要寻求最优的管理和研制模式

欧洲航天局作为多国合作研究机构，先天发展就要受到一定限制，只能在强约束条件下寻求最优解。欧洲复用火箭型号和技术验证路线的选择规划上，遵循了从小到大、从简到繁的原则，逐步实施，尽管效率较低但仍能保证顺利实施。在研制管理上，采用“阿里安工厂”临时性创新攻坚团队的模式，在一定程度上平衡了效率和风险间的矛盾，使得后启动的“塞米斯”验证项目反而优先于先启动的“克里斯托”完成了前两台样机的研发，并开展了地面试车活动。因此，在发展环境无法改变的情况下，借鉴先进做法，结合自身实际，优化管理方式和研制模式，从系统层面上寻求效能提升，也是欧洲重复使用运载火箭发展路线中有价值的参考做法之一。

（3）需要丰富技术和能力积累，才能发挥新兴商业航天企业的效率优势

从发展路线中可以看到，欧洲重复使用火箭的发展主要还是依靠欧洲航天局等政府研究机构，以及阿里安集团等传统火箭承包商，似乎未能充分借力商业航天发展的大潮，在效率上与美国SpaceX公司形成了鲜明对比。这其中的主要原因还是在于欧洲航天机构的重复使用技术积累较为薄弱，大多都集中在方案研究上，多是“纸上谈兵”；而“过渡性试验飞行器”（IXV）等为数不多的飞行验证过于聚焦单项技术，缺乏系统性。相比而言，美国NASA有总投资规模超过2000亿美元的航天飞机项目，不仅实现技术突破，而且30年的运营中积累了丰富经验；更是通过“国家空天飞机”（NASP）、“重复使用运载器”（RLV）等国家工程持续推动发展，从而能够拿出足够的技术向新兴企业转化，培育出SpaceX公司这类企业。因此，欧洲和SpaceX公司之间的鲜明对比，并非仅仅是表面上关于传统航天机构和新兴航天创企之间的效率差异，更多地还是源于欧洲相对美国在重复使用运载器工业基础上的巨大落差。所以，短时间内欧洲航天领域也很难出现类似SpaceX公司的独角兽。