欧洲运载火箭发展近况

欧洲航天工业由欧空局（ESA）负责总体协调，22个成员国制造企业在竞争中按照商业规则进行分工合作，有效降低了火箭研制成本，提高了火箭的市场竞争力，先后研制了阿里安（Ariane）系列大型运载火箭和织女星（Vega）系列轻型运载火箭，目前形成了由阿里安5火箭和织女星火箭组成的运载火箭家族，是欧洲机构和商业发射大型和小型有效载荷任务的主力，可以满足各种发射任务，从小型的科学和地球观测卫星、深空探测器，到发射飞向国际空间站的货运飞船。

在阿里安系列运载火箭中，阿里安1、2、3、4火箭均已退役，阿里安5火箭是目前欧空局现役的大型运载火箭，1997年开始服役，研制过多种不同型号，目前在役的型号主要是阿里安5 ECA火箭。2012年12月，欧空局部长级会议决定同时开展阿里安5运载火箭的中期改进型（阿里安5ME）和启动阿里安6运载火箭的研制工作，以满足欧洲日益提高的对运载火箭的发射需求。但2014年12月，欧空局决定停止为阿里安5 ME的开发提供资金，转而将重点放在阿里安6上，计划于2023年左右替代现役的阿里安5运载火箭。

在织女星系列运载火箭中，织女星火箭是目前欧空局现役的小型运载火箭，2012年首飞，2015年开始全面的商业飞行。目前正在研制织女星C火箭，推动和改善织女星火箭的市场布局。彩图一列出了织女星、织女星C、阿里安5、阿里安6火箭的设计比较。

目前，织女星E火箭处于技术研究的初始阶段，计划从2024年开始成为小型卫星的理想发射载具。由于其采用创新的三级结构和革命性的液氧/甲烷上面级发动机，织女星E火箭将能够在一次任务中以具有竞争力的成本将多个卫星发射到不同的轨道上，同时保持织女星系列火箭的高可靠性和高精确的标准。织女星E火箭的发展目标是：1）在低地轨道发射市场上，提高织女星火箭的灵活性（性能与90%以上的有效载荷兼容），提高操作通用性（在多次发射中性能兼容70%以上的有效载荷）；2）采用新一代“绿色”燃料。

有报道称，Avio公司也正在考虑一种织女星轻型火箭，将去除织女星C或织女星E的第一级，目标是补充卫星星座。织女星轻型火箭能够发射250-300kg或400-500kg之间的有效载荷，这取决于它是由织女星C还是织女星E改进而来。

在欧洲下一代和下下一代运载火箭研制方面，欧洲通过开展“地平线2020”（Horizon 2020）规划、未来运载器准备计划（FLPP）、空间推进用高性能固体推进剂（HISP）计划、运载器用绿色先进高能推进剂（GRAIL）计划等，为欧洲下一代和下下一代运载火箭研制提供技术支撑。

“地平线2020”科研规划是欧盟委员会于2013年12月11日批准实施的一项科研规划方案，实施时间自2014年至2020年，预计耗资约770亿欧元，是第七个欧盟科研框架计划之后欧盟的主要科研规划，涵盖基础研究、应用技术和应对人类面临的共同挑战这三大内容。在“地平线2020”规划下，欧洲又相继开展了未来运载器准备计划（FLPP）、空间推进用高性能固体推进剂（HISP）计划、运载器用绿色先进高能推进剂（GRAIL）计划，不断推动固体火箭发动机技术取得进步。

未来运载器准备计划（FLPP）是欧洲航天局（ESA）的技术开发和成熟计划，为未来的欧洲运载火箭和现有运载火箭的升级开发应用技术，通过这种方式，有助于减少发射器开发计划的时间、风险和成本。该项目始于2004年，初始目标旨在开发下一代发射器（NGL）的技术。随着阿里安6项目的启动，FLPP的重点转向欧洲发射器新技术的总体发展。FLPP开发被认为有希望用于未来应用的技术，并使之成熟。

空间推进用高性能固体推进剂（HISP）项目，于2011年3月1日启动，2014年2月28日结束，旨在通过使用新高能量密度氧化剂二硝酰胺铵（ADN）、含能粘合剂聚叠氮缩水甘油醚（GAP）和如三氢化铝（AH₃）_、纳米铝和活性铝等高能密度燃料来提高固体推进剂的性能。

运载器用绿色先进高能推进剂（GRAIL）计划于2015年启动，目标是研究是否可以通过使用新型绿色高能量密度氧化剂二硝酰胺铵（ADN）和低成本氧化剂硝酸铵（AN）的混合物来取代高氯酸铵（AP）。

   在这些研究计划中，欧洲建立了自己的先进固体火箭发动机技术发展路线图和发展计划，为下一代运载火箭固体发动机重点开展了环氧/碳纤维缠绕壳体、低成本推进剂、碳碳出口锥等技术研究；为下下一代运载火箭固体发动机重点开展了低成本固体发动机、新型纤维缠绕结构材料、低密度耐高温材料、高能推进剂、连续浇注等技术研究。

阿里安（Ariane）系列运载火箭

   阿里安系列运载火箭是欧洲最重要的运载火箭型号，由欧空局于1973年开始研制，迄今已发展了阿里安1~5五种型谱。阿里安6 正在研制过程中。阿里安火箭在国际航天领域占有重要的地位，国际商业卫星的发射业务约50% 由阿里安系列运载火箭完成。目前阿里安5运载火箭是欧洲最大的运载火箭，火箭芯级直径5.4 m，为两级液体火箭。一子级采用液氢、液氧推进剂，二子级采用四氧化二氮、一甲基肼或液氧/ 液氢推进剂，在一子级周围捆绑2枚大型固体助推器。

阿里安系列运载火箭概况

运载火箭	发射：成功次数/总次数	改型	地球同步转移轨道（GTO）有效载荷运载能力	近地轨道（LEO）有效载荷运载能力	高度	质量	级数	构型	首飞时间	最后一次飞行时间
阿里安1	9 / 11		1,850 kg		47.46 m	211,500 kg	4	3级液体发动机+1级固体发动机	1979年12月24日	1986年2月22日
阿里安2	5 / 6		2,180 kg		49.13 m	220,950 kg	3	3级液体发动机	1986年5月31日	1989年4月2日
阿里安3	10 / 11		2,700 kg		49.13 m	234,000 kg	3	2台固体助推器+3级液体发动机	1984年8月4日	1989年6月12日
阿里安4	113 / 116	40, 42P, 42L, 44P, 44LP, 44L	2,000–4,300 kg	5,000–7,600 kg	58.72 m	240,000–470,000 kg	3	42L、44LP 和44L型采用0/2/4台液体助推器+3级液体发动机；42P、44LP和44P型采用0/2/4台固体助推器+3级液体发动机	1990年1月22日	2003年2月15日
阿里安5	97 / 102(截至 2018年12月)	G, G+, GS, ECA	6,950–10,500 kg	16,000–21,000 kg	46–52 m	720,000–780,000 kg	2	固体助推器+液体芯级+液体第二级	1996年6月4日	仅ECA在役
阿里安6	在研，计划于2020年发射	62, 64	5,000–10,500 kg	7,000–20,000 kg	~63 m	500,000–900,000 kg	2	固体助推器+液体芯级+液体上面级

阿里安5（Ariane 5）运载火箭

阿里安运载火箭采用通用化、模块化设计理念，全商业化运营模式。以阿里安5 火箭为例，该火箭由欧空局负责出资，法国空间研究中心牵头研制，空客等多家企业合作生产制造，阿里安航天公司负责商业化运作和在圭亚那发射中心发射。

空客公司是阿里安5 火箭的主承包商。赛峰集团是阿里安5 火箭推进系统的主承包商，该集团所属的斯奈克玛公司和赫拉克勒斯公司承担了阿里安5 火箭的液体和固体发动机制造任务。2014 年底，空客公司防务与航天事业部与赛峰集团合资成立了空客赛峰运载火箭公司，2017年空客赛峰运载火箭公司改名为阿里安集团公司，负责阿里安5火箭的生产运营以及阿里安6火箭的研制等业务。

阿里安5火箭于1988年1月开始研制，1996年6月首次飞行，迄今为止，研制并投入使用的有阿里安5G、5GS、5ECA、5ES等型号，起飞质量为746~480t，起飞推力为11400~13000kN，可用于向地球同步转移轨道、太阳同步轨道、中低轨道以及飞离地球轨道发射各类卫星和航天器，同时也可执行一箭多星发射任务，曾发射过“天网”等军用通信卫星。目前在役的火箭型号主要是阿里安5ECA。阿里安5ECA采用改进的火神2低温推进剂发动机，二子级改用低温上面级，捆绑两个固体火箭助推器，使地球同步转移轨道运载能力提高到10.5t。截止到2018年12月，阿里安5运载火箭共发射102次，失败2次，部分失败3次，发射成功率达到97%。阿里安5 每次发射的成本为1.65-2.2亿美元。

阿里安5火箭两次发射失败分别是：1）1996年6月4日，阿里安5火箭的第一次试验飞行因控制软件发生故障，火箭在发射37秒后自毁。2）2002年12月11日，阿里安5 ECA火箭首次发射失败，因芯级问题导致火箭偏离轨道，迫使其在飞行三分钟内自我毁灭。此次故障是由冷却液管泄漏导致喷管过热引起的。

阿里安5火箭三次部分失败分别是：1）1997年10月30日，阿里安5火箭的第二次试验飞行，因火神（Vulcain）发动机的喷管引起滚动问题，导致芯级过早停机，上面级虽然工作正常，但无法达到预定轨道。2）2001年7月12日，阿里安5G火箭发射，因上面级表现不佳，有效载荷被送至错误的轨道上。3）2018年1月25日，阿里安5 ECA火箭发射时，由于惯性单元的方位角值无效，火箭偏离轨道9分30秒后，运载火箭的遥测数据丢失。

阿里安6（Ariane 6）运载火箭

阿里安6是欧洲新一代重型运载火箭，由阿里安集团（Ariane Group）在欧洲航天局（ESA）的授权下开发和制造。2014年12月，在卢森堡举行的欧空局成员国部长级会议批准和签署了新型阿里安6运载火箭的研制计划，最终选取了液体芯级加大型固体助推器的设计方案。阿里安6的研发目标是以一半的成本代替阿里安5火箭，并且允许每年发射数量翻倍。阿里安6火箭计划于2020年进行首次飞行，并计划于2023年取代阿里安5火箭。

阿里安6火箭（彩图5）有两种构型，根据有效载荷质量和助推器的数量（2或4）不同，分别命名为阿里安62和阿里安64。阿里安62火箭设计用于将5t有效载荷发射到地球同步轨道（GTO），而阿里安64火箭设计将10.5t有效载荷发射到地球同步轨道。阿里安6火箭的主发动机采用目前低温“火神”2（Vulcain 2）发动机的衍生型号，以及新的上面级“芬奇”（Vinci）发动机；固体助推器使用P120C发动机。

阿里安6火箭研制的首要目标是计划将发射服务成本降低近一半（与目前的欧洲运载火箭相比），同时仍然保持可靠性和技术优势。由于采用复合材料轻质结构，阿里安6火箭助推器的重量减少了35%，由此可估计，火箭发射每吨载荷的成本可减少50%。德国提供了阿里按6火箭总发展预算23%的资金，是仅次于法国的第二强参与者。阿里安6运载火箭的研制成本为40亿欧元。火箭研制成功后，初步估算单次发射费用为7000 万欧元，每千克运输价格低于太空探索技术公司（SpaceX）的“猎鹰”9 （Falcon 9）火箭，以进一步提高商业运载火箭的综合竞争力。

织女星（Vega）系列运载火箭

织女星（Vega）运载火箭计划始于意大利研制的小型运载火箭。意大利曾于20世纪60年代为本国研制了全固体的“侦察兵”（Scout）运载火箭。到20世纪90年代中期，由于小型卫星得到了全球的特别关注，尤其是空间科学任务和对地观测任务的增多，需要提供经济可承受的发射系统。1998年，欧空局确定了一项金额达1.73亿美元的织女星火箭研制计划，其中意大利的投资额占52%，法国占34%，其他西欧国家占16%。

织女星运载火箭是欧洲小型的、一次性使用的运载器，由主承包商欧洲运载火箭公司（ELV）研制，目的是作为阿里安5 火箭的补充，用于发射政府和商用小型有效载荷(300kg～2000kg)到700km 高度的太阳同步轨道。

织女星运载火箭是迄今为止最大的固体动力运载火箭，高30m，最大直径3m，质量137t。它采用三级式固体火箭，分别是P80发动机、契法罗23（Zefiro 23）发动机、契法罗9（Zefiro 9）发动机，加末端修正级液体火箭构型。2012年2月13日在圭亚那库鲁航天中心成功完成首飞，2013年3月7日完成首次商业飞行。截止到2018年，共进行了13次发射，发射成功率100%。

织女星火箭的研制成本为7.1亿欧元，以每年发射2次的发射速率计算，发射成本为每枚火箭2500万欧元。如果将发射次数提高到每年4次，发射成本将降至2200万欧元。

织女星C（Vega C）运载火箭

2014年12月，在卢森堡举行的欧空局成员国部长级会议批准并签署了织女星运载火箭的下一阶段研究决定，其目的是：1）推动和改善织女星火箭的市场布局；2）减少对非欧洲来源的依赖；3）为维护欧洲工业工程技术做出积极贡献；4）能够更好地应对各机构的长期需求。

阿里安集团（Ariane Group）公司下属的欧洲推进公司（Europropulsion）负责织女星C运载火箭的研制及其一级发动机的研制生产。织女星C运载火箭的构型以现有的织女星火箭为基础，采用了三级固体火箭发动机，分别是新的P120C发动机、新的契法罗40（Zefiro 40）发动机、（织女星火箭的）契法罗9（Zefiro 9）发动机，以及一台改进的、具有更大的载荷能力的姿态顶级微调舱（AVUM）液体发动机。

采用新配置的织女星运载火箭被称为织女星C（Consolidation），是现有织女星运载火箭的改进型号，其在性能和成本方面取得了显著提高。织女星C火箭的低地球轨道（LEO）有效载荷能力将从织女星目前的1500kg增加到2200kg（也有说2300kg），性能提高达60%。与现有的织女星火箭相比，织女星C火箭性能更高，并且由于生产工艺重组和生产链更有效，其成本更具竞争力。织女星C火箭的首次飞行鉴定将于2019年进行。

最令人关注的创新包括，有可能满足雷达卫星（SAR）的市场需求，织女星C火箭更具灵活性和通用性，可使采用织女星火箭发射低轨卫星的市场份额从50％提高到90％。另一个重要的创新是小型航天器任务服务（SSMS），这是一种适配器，也正在开发中，它能增加织女星C火箭每次发射时所携带的纳米卫星数量。

织女星C火箭的战略规划包括：开发专门的改进技术，旨在提高性能、降低成本、提高有效载荷舒适性以及增强欧洲运载火箭公司（ELV）的系统集成能力。