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亞利安6號運載火箭
正在开发的运载火箭 来自维基百科，自由的百科全书
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阿麗亞娜6號運載火箭是一款正在由阿麗亞娜集團以歐洲空間局的名義研發的一次性使用運載系統。按計劃將替代同為阿麗亞娜火箭家族中的阿麗亞娜5號運載火箭。關於本型火箭，公開陳述的研發動機是將發射成本減半，並加倍每一年的發射能力（從6次增加到12次）。[6]
阿麗亞娜6號運載火箭被設計為包含以液氫/液氧發動機驅動的兩級火箭。第一級所使用的是一款基於阿麗亞娜5號火神發動機的改進型，第二級則使用新設計的勝利發動機（Vinci Engine）。大部分的初始起飛推力是由捆綁於第一級上的固體火箭助推器提供的：二具或四具基於織女星火箭使用的P80增大而來的P120（分別為62和64構型）。
相對於另一款全固體推進的設計，此設計的理念更加收到青睞，並由歐洲空間局於2014年12月確認中標。[7][8]跟進設計階段於2015年完成，並在2016年進入細節上的設計。2019年5月，阿麗亞娜空間下達了一筆生產訂單。首次試飛原定於2020年[9]，但是之後遇到的數個延遲將時間節點推遲。[10]2022年10月17日首次完成垂直總裝[11]，計劃2023年發射[5]。2024年7月9日完成首飛，由於二級發動機三次點火失敗，致使部分載荷未能成功入軌[12][13]。
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概述
阿麗亞娜6號運載火箭共設計有兩種構型：
- 阿麗亞娜62（A62）構型，捆綁有兩具P120固體火箭助推器，預計起飛重量約為530噸（117萬英磅），主要用於政府與科學相關載荷發射[14]。該構型的GTO有效載荷可以達到5噸（11000英磅），LEO有效載荷可以達到10,350公斤（22,820磅）。[4]
- 阿麗亞娜64（A64）構型，捆綁有四具P120固體火箭助推器，預計起飛重量約為850噸（187萬英磅）[15]，主要用於一箭兩星的商業任務[14]，GTO有效載荷可以達到11.5噸（25400英磅）[4]，LEO有效載荷可以達到21.5噸（47400英磅）[4]。與阿麗亞娜5號相同，該構型也可以滿足同時發射兩顆同步軌道衛星的需求。
阿麗亞娜6號運載火箭包含三個主要的結構和推進劑儲罐部件。
阿麗亞娜6號運載火箭的第一級被稱為下部液體推進劑模塊（英文：Lower Liquid Propulsion Module, LLPM），以一具火神2.1發動機驅動，使用液氫/液氧作為推進劑。[16]火神2.1發動機是一款基於阿麗亞娜5號所使用的火神2發動機的改進型，但製造成本更低。本模塊直徑為5.4米（18英尺），可容納大約140噸（31萬英磅）推進劑。[17]
第一級的額外推力將由兩具或四具P120固體火箭助推器提供，在阿麗亞娜6號的語境中被稱為配套固體火箭（英文：Equipped Solid Rockets, ESR）。[16]每一具固體火箭裝有約142噸的推進劑，可以提供約4,500 kN（460,000 kgf）的推力。P120改進自織女星C小型衛星發射載具的第一級，基於同一種發動機而增加產量的做法也降低了製造成本。[18]
第一次配套固體火箭的全面測試於2018年7月16日在庫魯展開，測試結果成功達到了4,615 kN（470,600 kgf）的真空推力。[19][20][21]
阿麗亞娜6號的上面級被稱為上部液體推進劑模塊（英文：Upper Liquid Propulsion Module, ULPM）。該模塊的直徑與下部液體推進劑模塊同為5.4米（18英尺），也同樣使用液氫/液氧作為推進劑，搭配一具允許多次點火的勝利發動機產生180 kN（18,000 kgf）的推力。[16]上部液體推進劑模塊將攜帶大約31噸的推進劑。[18]
歷史
阿麗亞娜6號的設想最初於2010年代被作為阿麗亞娜5號的改進型所提出，在2012到2015年期間也產生了數個概念與進階設計提案。2016年，來自歐洲數個政府的資金被投入研發工作，並簽訂了啟動細節設計和建造測試裝備的協議。2019年時確定首飛將於2020年進行。[22]2020年5月，首飛推遲至2021年。[9]2020年10月，ESA正式向贊助該項目的歐洲各國發出了額外2億3千萬歐元資金的請求，以完成火箭的研發與再次推遲至2022年第二季度的首飛。[10]
細節論證在2012年完成後[23]，歐洲空間局在2013年7月宣布對用於阿麗亞娜6號火箭的「PPH」提案（第一級為三具P145火箭，第二句為一具P145火箭，與一個H32低溫上面級）的選擇。[24]這一設計能滿足將6.5噸（14300英磅）的載荷送入地球同步轉移軌道[25]，並將首飛計劃於2021到2022年之間[26]。截至2013年5月，研發預算設定為40億歐元左右。[27]根據2014年的一項研究，如果限制贊助商的數量在五個國家之內，研發預算則有可能降至30億歐元。[28]
一般情況下，阿麗亞娜5號運載火箭的發射載荷是由一顆大型衛星與一顆中型衛星搭配而成的，但為阿麗亞娜6號作出的PPH提案則是基於單顆衛星載荷的設想，而在2014年早期對單次發射成本作出的預計大約為9500萬美元。[29]SpaceX的獵鷹9號和中國的長征三號乙運載火箭的載荷能力更小，但成本也更低，2014年早期作出的預估各為約5700萬美元和7200萬美元，這也直接讓獵鷹9號在中型衛星發射上成為了阿麗亞娜5號有力的競爭對手。[29]對於輕型電力驅動衛星，阿麗亞娜空間計劃使用具有多次點火能力的勝利發動機與獵鷹9號相競爭，將衛星送入離目標工作軌道更加接近的軌道，從而使向地球同步軌道轉移的時間節省數月。[29]
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2014年6月，空中客車與賽峰集團突然對外發布了一個針對阿麗亞娜6號設計的競爭方案，歐空局對此感到驚訝：組建一個50/50的合資企業來進行火箭研發，並且涉及買斷法國政府所屬的法國國家空間研究中心在阿麗亞娜空間的股份。[30][31]
這一提議中描述的發射系統將包括兩種構型：6.1與6.2構型。[32]它們同樣使用以火神2號發動機驅動的低溫芯級與兩具P145固體火箭，其中6.1構型將使用一具以勝利發動機驅動的低溫上面級，能將8.5噸（18700英磅）載荷送入地球同步轉移軌道；而6.2構型將使用成本更低的、使用熱潮發動機（Aestus）的自燃推進劑上面級。阿麗亞娜6.1構型將有能力一次發射兩顆電驅衛星，而6.2構型將主要為政府載荷提供發射服務。
法國論壇報提出了兩點質疑：第一，空中客車國防航天是否能兌現其在阿麗亞娜6號提案中對於成本金額的保證。第二，因空中客車與賽峰集團被發現對2002年阿麗亞娜5號517任務失利與2013年M51彈道導彈事故負有責任，他們的可靠程度也應被重新考慮。[8]兩家公司也因不願承擔研發風險與要求額外的啟動資金（原計劃23億歐元，要求26億歐元）而遭受詬病。而預計的發射成本：6.1構型的8500萬歐元與6.2構型的6900萬歐元相對於SpaceX的產品也並不理想。[33]2014年7月7日，在日內瓦召開的歐盟部長級會議上，這些數字被認為過高而未能與製造商達成任何協議。[34]
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在阿麗亞娜6號的PPH提案收到批評之後，法國於2014年9月揭曉了一個阿麗亞娜6號的修訂版提案。[35]這一設計將使用火神2號發動機驅動的低溫芯級和勝利發動機驅動的上面級，但在固體火箭助推器的數量上作出不同設置。捆綁兩具P120助推器的構型將能以7500萬歐元的價格將5噸（11000英磅）的載荷送入同步轉移軌道，而捆綁四具P120的構型將可能將兩顆總重11噸（24000英磅）的衛星以9000萬歐元的費用送入同步轉移軌道。[36]
與PPH提案不同，這一提案在滿足了多種發射配置的同時，也使阿麗亞娜6號具有與阿麗亞娜5號相同的一箭雙星的運載能力。提案也包括了工業與機構設置的簡化方案，還有一種為芯級設計的推力更強大也更經濟的新版火神2發動機。[35][36]儘管阿麗亞娜6號預計將有「更低的量產成本」，但同時也預計會有「更高的研發成本，原因是需要為阿麗亞娜6號單獨設計一款全新的發射平台」。[37]
意大利、法國和德國航天部門領導人於2014年9月23日舉行會議，旨在進行戰略規劃和評估關於阿麗亞娜5號後繼型號的投資協議上的可能性。[38]2014年12月，歐洲空間局選定了阿麗亞娜62與64構型為研發與投資的方向。[7]
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2015年11月，一套阿麗亞娜62與64構型的更新版設計發布，包括用於助推器的新整流錐設計、芯級直徑增加到5.4米（18英尺）、高度降低到60米（200英尺）。[39]基礎設計在2016年1月被完善化，研發工作進入細節設計和生產階段，同時第一筆訂單也完成簽訂。[40][41]與阿麗亞娜先前型號在轉運至發射台前採用垂直總裝與燃料加注的方式不同，阿麗亞娜6號的芯級將在新建於法國萊米羅的總裝車間以水平方式進行總裝和燃料加注作業，再轉運至法屬圭亞那進行起豎與助推器和載荷的安裝工作。[42]這種旨在將生產成本降低一半的水平總裝方式，是從俄羅斯的聯盟與質子運載火箭得到的啟發，而同樣的做法也被用於當時的德爾塔4號與獵鷹9號的助推器安裝工作。[43][44]
工業生產流程進行了徹底的翻新，使得歐洲境內的數個生產設施可以月為單位保持協調，以加倍阿麗亞娜5號的年度生產能力，使得每年進行12次發射成為可能。[42]為了進一步降低成本，用於阿麗亞娜6號的發動機將使用3D打印技術製造零件。[45]阿麗亞娜6號也將是首款使用由奧地利克恩頓研究中心開發的激光點火系統的重型火箭，該系統先前用於汽車和渦輪發動機。[46]相較於電力點火系統，固態激光的優勢在於對燃燒室內等離子體的位置上具有更好的靈活度，提供更高的脈衝能量，並且對燃料-空氣混合比有更寬的承受範圍。[47]
新載具製造帶來的工業重組誕生了空中客車賽峰發射公司（ASL），也讓法國政府啟動了對於稅務，以及作為衛星製造商的空客國防航天若從ASL購買發射是否會產生利益衝突相關的調查。[45]
雖然大部分的開發工作最初計劃在2019年之內完成，並於2020年完成首飛，但是首飛時間隨後被推遲到2021年[48]，又再次被推遲到2022年第二季度。[10]
法國國家空間研究中心（CNES）於曾於2010年[49]為阿麗亞娜6號啟動了一項關於可重複使用的一級火箭備選方案。與2016年的設計方案不同，這一設計使用液氧和甲烷作為推進劑。甲烷芯級可以使用一個或多個發動機，以期僅用兩具助推器就能達到亞麗安娜64構型的運載能力。截至2015年1月，整級復用的經濟可行性仍有疑問。同時，CNES與俄羅斯在2000年左右進行的液體返回式液體助推器研究表明，重複使用第一級在經濟上不具有可行性，每年新造十枚火箭的價格要比重複使用帶來的回收、翻新、折損的開銷更加經濟可行。[50]也有建議提出，根據阿麗亞娜空間作出的每年12次發射得計劃，如果重複使用一台發動機，那麼將無法支撐一條可持續的發動機製造供應鏈。
2015年6月，空客國防航天宣布這款名為「阿德琳」的部分復用芯級火箭的開發將在2025年至2030年之間投入使用，它將開發為阿麗亞娜6號第一級的後繼版本。相對於開發一種類似SpaceX將第一級完全重複使用的方式，空客提案的系統將僅僅使用帶有尾翼的裝置，用以回收火箭尾部價值較高的部分。[49]
2016年8月，空客賽峰發射公司在阿麗亞娜6號的未來研發方案一事上釋放了更多細節。首席執行官阿蘭·查默（Alan Charmeau）透露，空客賽峰目前有兩個主攻方向：第一，基於內部支出繼續阿德琳引擎和航空電子模塊的研發工作；第二，開展下一代發動機「普羅米修斯」的研發工作。這款發動機將具有與火神2號發動機相近的推力，但使用甲烷代替液氫作為燃料。對於「普羅米修斯發動機（開發工作依然處於最初幾個月）是否可以在阿麗亞娜6號上作為火神2號的替代品使用，或者是否與可重複使用的阿德琳芯級有關」，查默沒有做出評論，只透露「我們非常謹慎，我們寧願等到一切塵埃落定再行宣布……但可以肯定的是該發動機有可能在未來成為阿麗亞娜6號第一級的合適選擇」。而關於普羅米修斯是作為一次性的，還是可重複使用的發動機，還要等到2025年-2030年間才能做出決定。[51]
2017年，普羅米修斯發動機項目披露了更多細節：旨在將單台發動機的成本從火神2號的1000萬歐元降至100萬歐元，並允許發動機最多重複使用5次。[52]據說，發動機的研發工作是更加長遠考慮的一部分——代號為阿麗亞娜NEXT[53]——以將阿麗亞娜的發射成本降低2倍，大大超越阿麗亞娜6號所帶來的優勢。阿麗亞娜NEXT計劃也包括一款可重複使用的探空火箭卡里斯托，來測試不同燃料在新發動機設計中展現的性能。[54]
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生產
在一次2019年1月的採訪中，阿麗亞娜空間CEO斯特凡·以色列（Stéphane Israël）說，公司依然需要4筆來自機構的阿麗亞娜6號發射訂單用以簽訂生產協議。在2020至2023年向阿麗亞娜6號逐漸過渡的期間將需要這些發射訂單，並需要歐洲境內機構成為發射訂單的主要客戶。作為回應，歐空局代表稱該機構正努力將計劃於2022年發射的木星冰衛星探測器任務的發射載具從阿麗亞娜5號轉變至阿麗亞娜6號（64構型），這進一步表明歐洲還有其他機構客戶必須在該項目上占據主導地位，例如歐洲氣象衛星開發組織或歐洲委員會。
截至2019年1月，阿麗亞娜空間已經售出3次阿麗亞娜6號的飛行任務。[55]一個月之後，與OneWeb合作的衛星互聯網星座發射合同也被作為阿麗亞娜6號的首飛載荷簽訂，幫助他們填充包括600顆衛星組成的大型星座。[56]
2019年5月6日，阿里亞娜空間下達了阿麗亞娜6號火箭第一批14枚的訂單，用以滿足在2021至2023年之間的發射需求。[57]
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研發資金
阿麗亞娜6號是以公私合資的方式進行研發的，資金主要部分——28.15億歐元——來源於數個歐空局機構，其餘的4億歐元則根據報道來源於「行業份額」[58]
歐空局理事會於2016年11月3日完成對該項目的批准[59]，而歐空局工業政策委員會則於2016年11月8日對外放出了資金需求。[60]
2020年1月，歐洲投資銀行與歐洲議會合作，向阿麗亞娜空間提供了一筆1億歐元的貸款。阿麗亞娜6號項目的成功執行將是這筆10年期貸款能否付清的關鍵。[61]
發射訂單與計劃
阿麗亞娜6號的第一筆訂單于2015年6月25日簽署：一份包括OneWeb衛星星座名下三次發射的期權合約。[62]OneWeb在2020年3月27日提交了破產申請並解僱了大部分員工。自2020年，伽利略衛星發射任務也將由阿麗亞娜6號承擔。[63]2018年9月11日，阿麗亞娜空間宣布確認了一筆來自Eutelsat為期數年、包括五顆商業衛星的合同。另外法國CNES也將其三顆間諜衛星之一的發射從聯盟號火箭轉移至阿麗亞娜6號。[63]
引用
外部連結
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