永别了，阿里安5

文/田丰

▲ 发射詹姆斯·韦伯空间望远镜的阿里安5 火箭

2023 年 7 月 6 日，欧洲的阿里安 5 火箭从法属圭亚那库鲁发射场 ELA-3 工位点火升空，采用经典的“一箭双星”模式将德国的试验通信卫星Heinrich Hertz (H2Sat) 和法国军用通信卫星Syracuse 4B（Comsat-NG 2）送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。此次发射是阿里安5 系列火箭的谢幕之作，至此这一型服役长达27 年，发射次数多达117次的欧洲最强运载火箭正式宣告退役。

当家火箭，继承前辈，脱胎换骨

阿里安系列运载火箭，可谓欧洲航天工业的当家火箭，就和“联盟”代表俄罗斯航天工业，“长征”代表中国航天工业一样，一直是欧洲航天工业的象征。

自二战结束后，欧洲就一直试图发展独立的航天发射能力，在早期一批昙花一现的火箭型号接连失败后，当时刚成立的欧空局决定打造阿里安-1 运载火箭。

最初的阿里安是一型三级运载火箭，与早期“联盟”“宇宙神”“长征”等运载火箭类似，都是源自洲际弹道导弹技术。“阿里安-1”前两级使用常温自燃推进剂，第三级使用低温液氢和液氧（LH2/ LOX）。“阿里安2-4”则是基本构型的加强型。主要区别在于采用改进的发动机，或是拉长第一级和第三级贮箱以换取更多推进剂加注量，还可以外挂助推器来增强运力。而到“阿里安4”时期，运力最强的版本能够以一箭双星模式发射同步轨道通信卫星。阿里安4 火箭无论在商业发射还是成功率上都相当成功，自1990 年首飞到2003 年退役为止，各型号累计发射116 次，仅失败3 次，成功113 次，成功率高达97.4%。

进入上世纪80 年代，阿里安4火箭不仅能满足欧洲独立发射卫星的需求，而且当时苏联并未正式进入商业发射市场，再加上美国孤注一掷发展的航天飞机在成本和发射频率上均未达预期，借此机会，成熟可靠的阿里安4 火箭乘势填补了发射能力的空白，在国际商业发射市场上狂揽订单。美国“大力神”等一次性运载火箭市场竞争力不足，1986 年挑战者号航天飞机事故更使美国在商业发射市场的境况雪上加霜，难以与欧洲分庭抗礼。

然而，随着商业发射市场和高轨卫星的发展，老旧的阿里安4 火箭在运力上日益捉襟见肘，而且受火箭原型的掣肘，运力难以进一步提升。此外，随着苏联的解体，俄罗斯、乌克兰逐渐切入商业发射市场，运载火箭竞争加剧。再加上卫星通信需求扩大，同步轨道通信卫星变得更重更大，主流通信卫星从2 吨左右向5 吨起步的方向发展。面对未来发射需求，即使是“阿里安4”最强构型的44L，其同步转移轨道运力仅有4.72 吨，而继续改型的空间也已耗尽。

▲ 发射构型表和发射成功率表

▲ 赫尔墨斯航天飞机全尺寸模型

除商业发射市场外，欧空局从自身项目出发，也有研制新型运载火箭的需求。随着国际空间站项目的开展，欧空局有意发展独立的载人航天能力，于是规划了赫尔墨斯号航天飞机，还准备独立发射18 吨级的“哥伦布”空间站舱段（最终该舱段由航天飞机运载）。面对这类任务，由洲际导弹派生而来的阿里安4 火箭早已难堪大任，必须另起炉灶研制一款全新运载火箭。不仅是运力的需求，未来通信卫星、空间站舱段、航天飞机、载人飞船的尺寸都将更大，而阿里安4 火箭的整流罩只能容纳3.65 米直径的载荷，同样亟需升级换代。

1987 年，欧空局开始立项研制全新一代运载火箭——阿里安5，作为法国国家空间研究中心（CNES）与欧洲各伙伴合作设计的一次性运载火箭。阿里安集团是火箭的总承包商，领导着由其他欧洲承包商组成的多国财团。“阿里安5”最初打算发射赫尔墨斯号航天飞机，因此原始设计为一款载人级运载火箭，但可惜直到退役都未执行过载人航天发射。

固液结合，多种构型，运力强大

为了满足发射5 吨以上大单星或纯电推进双星的发射需求，尤其是发射21 吨级的赫尔墨斯号航天飞机的要求，“阿里安5”虽然继承了阿里安系列的名称，但在规模和思路上却有脱胎换骨的变化。首先是芯级直径从“阿里安4”的3.8 米直接跃升至5.4米，起飞质量从最大470 吨升至770吨。

总体构型设计上，“阿里安5”模仿了当时如日中天的航天飞机，彻底抛弃了常温自燃推进剂组合，直接采用两枚大推力固体助推器+大直径液体火箭芯级的结构，兼顾了大推力和高比冲，为阿里安5 火箭的大运力奠定了坚实的基础。

▲ 固体助推器喷流，芯级下挂金属球为超临界氦的杜瓦瓶

▲整流罩分离测试

▲HM7B 发动机

在长达27 年的发展历程中，“阿里安5”共衍生出了5 个主要型号，分别是“G”、“G +”、“GS”、“ECA”，以及“ES”，其中基本型为G 型。其实还有一个代号ME 的中期改款，但因后续“阿里安6”的研发立项而被取消。“阿里安5”芯一级直径5.4 米，高度30.5 米，固体助推器直径3 米，高度31.6 米。根据5.4 米直径整流罩长短的不同，火箭总高度从46.1 米到50.4 米不等。阿里安5 火箭整流罩由Ruag Space 公司负责制造，主要采用碳纤维复合材料制成，新的罩内空间相对于“阿里安4”可谓是“两居”变“别墅”。虽然配备了空间富裕的整流罩，但欧空局取消了赫尔墨斯航天飞机项目，也不再谋求独立的载人航天能力，阿里安5 火箭此后最主要的大体积载荷就是ATV 货运飞船。

▲Aestus 发动机

动力系统上，芯级采用全新研制的代号“火神”（Vulcain）的液氧液氢发动机，经过多年的发展，包含“火神-1”（1B）和“火神-2”两个型号。以“火神-2”为例，该机采用燃气发生器循环，真空比冲429 秒，推力1359 千牛。总体来讲“火神”从推力、循环方式和比冲上都逊于同期航天飞机所采用的RS-25 发动机，但从成本和可靠性角度出发，仍不失为一款优秀的发动机。助推器由两枚长31.6米、直径3.06 米的固体火箭充当，助推器药柱由高氯酸铵、铝粉、端羟基聚丁二烯（HTPB）以一定比例混合浇筑而成，主要分为P238、P241 两个型号。以推力更大的P241 为例，单枚助推器可提供7080 千牛推力，该助推器技术与法国M51 潜射弹道导弹高度同源。

“阿里安5”的上面级（二级）主要分为EPS 和ESC 两个型号，初期使用性能较低的EPS 常温上面级。EPS 使用以甲基肼/四氧化二氮（MMH/N2O4）为推进剂的Aestus发动机，而且初期不具备二次启动能力，发射载荷基本就是“一步到位”；后期为了适应ATV 货运飞船任务的发射，增加了二次启动能力，但更重要的任务则交给采用低温氢氧推进剂组合的ESC 上面级。ESC 上面级使用了曾在阿里安4 火箭上长期使用的HM-7B 发动机，推力67 千牛，真空比冲446 秒，得益于其优秀的性能，将同步转移轨道运力从6.95 吨提升至10.8 吨。因此，ESC 上面级对应的ECA 构型也是阿里安5 火箭后期发射重要深空任务和一箭双星任务的主力构型。

总体而言，与同期研发的世界其他运载火箭相比，“阿里安5”的设计相当优秀。再加上其位于赤道附近发射场得天独厚的低纬度条件，可以利用其两级半构型在几乎不需消倾角的情况下将同步轨道卫星直接送入预定轨道，这种发射模式用时短、效率高、风险低。而同时期，俄罗斯质子号火箭从高纬度发射场发射同步轨道卫星，不仅需要消去倾角，还需要常温上面级多次点火，多次点火间隔中又要长时间在轨滑行，不仅增加任务复杂度，还提高了失败风险。

▲首飞自曝画面

首飞不顺，在坎坷中成熟

说起“阿里安5”的服役历程，可以用前期坎坷不顺、中期成熟稳健、末期有惊无险来形容，总体上是一款可靠性非常优秀的运载火箭，是欧洲航天工业实力最典型的代表。

▲首飞自爆的残骸落区

1996 年6 月，“阿里安5”进行了著名的“礼花”首飞，火箭升空仅40 秒后便触发自毁，凌空爆炸，宛如一发绚烂的礼花。事后调查发现，火箭飞控代码中有一行把火箭的水平偏移量从64 位浮点数转化为16 位带符号整数的语句，正是这行代码导致发射后火箭失控。这是一起航天史上非常著名的软件故障，因为其错误之小和影响之大，导致几乎所有相关航天课程中，都会将此次发射作为典型案例进行讲解。

导致自毁的这段代码最初是为阿里安4 火箭编写的，目的是火箭地面发射准备阶段出现意外后，还能快速恢复到发射倒计时模式。1989 年阿里安4 火箭的第33 次发射中，就使用了这项功能。阿里安5 火箭采用了阿里安4 火箭的部分子系统，因此无意中继承了这段程序，但它在阿里安5火箭首飞出现溢出错误，导致火箭误判飞行姿态开始横飞。火箭攻角过大被迫触发自毁系统，阿里安5 火箭凌空爆炸。

1997 年10 月，经过长达一年的归零后，阿里安5 火箭进行了第二次发射，但这次也没能完全成功。火箭芯一级“火神”发动机喷口内产生了异常流场，产生额外的滚转力矩，从而导致火箭出现异常滚转，火箭检测到异常后提前关闭了芯一级发动机。虽然火箭的EPS 上面级工作正常，但仍无力回天。最终卫星未能进入预定轨道，好在达到了入轨速度，但卫星损失部分有效寿命，只能算是部分成功。1998 年10 月，阿里安5 火箭的第三次发射终于取得了圆满成功，随后开始承接商业发射任务，但它的坎坷并没有到此为止。

2002 年12 月，配备有高性能低温上面级的阿里安5 ECA 型火箭首飞，由于该型号的运力提升巨大，这次首飞被寄予厚望。但发射中芯一级的“火神2”发动机冷却管路发生泄露，冷却剂无法充分流过喷管通道壁而导致过热，最终火箭发生偏航并触发自毁，价值6.3 亿欧元的两颗卫星坠入大海。ECA 构型首飞失败后，又经过两年多的改进和完善，“阿里安5”才又获成功。正所谓功夫不负有心人，早期的坎坷经历完善了火箭的设计，历练了研发队伍，随后阿里安5 火箭开启长达14 年的发射业绩辉煌期。

辉煌的稳健服役时期

ECA 复飞成功之后，阿里安5火箭便开启了稳健的成熟服役期，从2003 年4 月到2017 年11 月长达14 年的时间中，“阿里安5”以年均5～6 次的频率稳定发射，最终达成连续83 次发射成功的优秀纪录，直到2018 年1 月出现一次部分失败。

“阿里安5”与美国研发的“宇宙神-V”“德尔它-4”，日本研发的H-II 属于同一批新一代运载火箭，再加上俄罗斯、乌克兰的冷战遗产——“质子”“天顶”火箭，共同主导了当时的国际商业航天发射市场。阿里安5 火箭经历了早期的挫折，逐步成熟后取代“阿里安4”，作为欧空局的主力运载火箭，成为欧洲航天的象征。

▲阿里安-5ES 发射伽利略导航卫星任务起飞画面

在稳定服役阶段，欧空局一直在对“阿里安5”进行挖潜和改进。尚未首飞的时候，就规划了阿里安5 E系列构型。该系列芯一级使用改进的“火神2”发动机，提升推力的同时降低成本，固体助推器也从P238 升级到P241，略微增加了装药量。

为了发射服务国际空间站的ATV货运飞船，阿里安5 火箭还发展出ES型号。它使用ECA 型火箭的芯一级，以及改进的EPS 上面级，具有超过20 吨的近地轨道运力，包括5 次ATV飞船任务在内的ES 型8 次发射全部成功，为欧空局的国际空间站建设立下了汗马功劳。它还用于一箭四星发射伽利略导航卫星，3 次发射将12 颗伽利略卫星送入轨道，是伽利略系统快速完成组网的最大功臣。

▲分离ATV 飞船CG 图

▲阿里安5 和6 火箭对比示意图

作为阿里安5 火箭使用时间最长、发射数量最多的型号，ECA 型是阿里安5 火箭最典型代表。ECA 得益于氢氧低温上面级，同步转移轨道运力达到10.8 吨，利用专用的双星支架，可执行6 吨+3 吨或是4 吨级+4 吨级等多种组合的一箭双星任务，充分利用火箭运力的同时也降低了客户的发射成本。整个ECA 构型除前文提到的首飞失败外，所有任务均圆满成功。阿里安5 ECA 火箭凭借高可靠性和经济性，顺利成为阿里安4 火箭接班人。ECA 作为近20 年国际商业发射市场上的主力运载火箭之一，只有俄罗斯的质子号火箭凭借低廉的发射报价能与之匹敌，直到业界新贵猎鹰9 火箭的出现。

但在这一阶段，也出过著名的VA241 发射乌龙事件。2018 年1 月，在发射SES-14 和Al Yah 3 两颗卫星时，火箭升空9 分30 秒后遥测信号丢失，疑似发射失败。但后来发现，两颗卫星已经正常进行了星箭分离，但进入了一条错误的轨道，倾角有17度的偏差。经过评估后，SES-14 可在推进剂损失很小的情况下重新回到预定轨道，但Al Yah3 卫星就没这么幸运了，预计损失50%的卫星寿命。最终独立调查委员会的调查表明，弹道异常是由于发射器的两个惯性参考系统的实施规格值不正确造成的。考虑到VA241 任务的特殊要求，惯性单元对准所需的方位角为70 度，而不是地球静止转移轨道任务最常见的90度。这个差异导致发射器轨迹从飞行最初几秒开始向南偏移20度。这个“低级错误”虽然导致了载荷“失联”，但得益于火箭自身设计的鲁棒性，有惊无险地保住了大部分载荷，但终究还是给“阿里安5”晚年完美的发射记录增加了一些遗憾。

阿里安5 ECA 火箭以其高可靠性、大运载能力和大整流罩，成为了美欧合作的詹姆斯·韦伯空间望远镜的“御用座驾”。而“阿里安5”自然也不负众望，在2021 年12 月25日圣诞节这天顺利将造价超百亿美元的韦伯望远镜成功送入预定轨道。这不仅是送给人类深空观测的“圣诞大礼”，同时也是“阿里安5”服役末期最“高光”时刻。

转型缓慢，青黄不接，后继乏力

阿里安5 火箭固然劳苦功高、成就辉煌，但作为20 世纪80 年代研制的运载火箭，其设计思路逐渐落伍，尤其是随着猎鹰9 火箭和随之而来的回收复用技术的成熟，“阿里安5”显然力不从心。

猎鹰9 火箭的空前成功，挤压了阿里安5 火箭的商业发射市场。为了应对这一挑战，欧空局也提出了应对策略：首先是研制阿里安5 火箭中期升级型号即阿里安5ME；其次是研制全新的阿里安6 运载火箭。阿里安6火箭芯级使用新的火神2.1 发动机，上面级沿用芬奇发动机，固体助推器改为2 或4 个，以灵活调节运载能力，满足不同的发射运力需求。阿里安6 火箭的固体助推器从织女星固体火箭发展而来，实际上就是最新的织女星C 第一级P120C。总而言之，阿里安6 火箭并不在意技术上的先进性和性能上的高指标，而是使用成熟技术，着重提高可靠性，降低成本。它有望将单位质量载荷的发射成本降低40%～50%，具备和美国猎鹰9 火箭一决高下的能力。

但是“理想很丰满，现实很骨感”，因为经费有限，“阿里安5 ME”直接下马，“阿里安6”一直难产。最关键的是，随着“猎鹰9”一级回收复用的成熟，无论是在发射报价、频率、可靠性等多个方面，太空探索技术公司都一骑绝尘，横扫市场。就算“阿里安6”能实现预期降成本，也难以匹敌早已成熟并更加廉价的“猎鹰9”。而更糟糕的是，“阿里安6”限于构型设计，几乎不可能像“猎鹰9”一样改为可回收火箭。欧洲只得另起炉灶，计划研发普罗米修斯（Prometheus）可回收火箭。

美国航天飞机退役后长达7 年的载人发射空档期使美国没少被俄罗斯羞辱，因此欧洲对从“阿里安5”到“阿里安6”的过渡原本是慎重的，最初规划“阿里安6”2020年执行首飞，而“阿里安5”则服役到2023 年才退役。长达3 年的过渡期理应不会产生青黄不接的窘境，然而计划没有变化快，“阿里安6”的首飞进度不断延宕，火箭首飞已经推迟到2024 年，以致欧洲目前暂时失去发射大型卫星的能力。这就更让人对劳苦功高的阿里安5 火箭感慨万千了。

▲芬奇-2 发动机