张学松，图片来自视觉中国。6月15日，阿丽亚娜航天公司宣布，因火工品传输线问题，推迟原定于6月16日发射阿丽亚娜5型火箭。这次发射任务是阿丽亚娜5型火箭的第117次也是最后一次发射。7月6日，阿丽亚娜-5火箭在最后一次发射后正式退役，一代名箭的辉煌结束。由于后续阿丽亚娜6号火箭的研发不断推迟，预计首次发射要到2024年初才能进行。随着阿丽亚娜5号火箭的退役，欧洲航天局(ESA)将暂时失去发射大型卫星的能力，这让人们更加为努力工作的阿丽亚娜5号火箭所感动。阿丽亚娜5火箭最后一次发射任务海报，图/ESA人们在最后一枚阿丽亚娜5火箭体上画了一个四叶草图案并签名，图/ESA阿丽亚娜5火箭的诞生属于著名的阿丽亚娜运载火箭家族。自第二次世界大战以来，欧洲一直试图发展独立的航天发射能力。早期的努力包括由欧洲运载火箭发展组织(ELDO)研制的欧罗巴运载火箭。欧罗巴火箭使用英国蓝色中程液体弹道导弹作为第一级，法国和德国分别提供第二级和第三级。遗憾的是，欧罗巴火箭试验屡次失败，英国出于政治原因退出合作，欧洲运载火箭的研制不得不另起炉灶。新成立的欧洲航天局决定在法国钻石火箭的基础上研制阿丽亚娜-1运载火箭。为了满足日益增长的卫星发射需求，欧洲航天局先后研制了增强型阿丽亚娜2号火箭、捆绑两个固体助推器的阿丽亚娜3号火箭和捆绑多个固体或液体助推器的阿丽亚娜4号火箭。第一代阿丽亚娜火箭不仅满足了欧洲独立发射卫星的需求，而且因为苏联没有进入商业发射市场，美国退役一次性火箭但航天飞机出事，在国际商业发射市场取得了前所未有的成功。成熟可靠的阿丽亚娜4号火箭利用这一情况填补了发射能力的空白。然而，随着航天技术和需求的进一步发展，第一代阿丽亚娜火箭不仅技术相对落后，也逐渐无法满足需求。根据80年代的研究，通信卫星正在向大型化发展。虽然当时只有25%左右的通信卫星超过2吨，但据预测，到1995年，50%以上的通信卫星质量将达到2-2.5吨，未来的通信卫星将进一步增重。而第一代阿丽亚娜火箭中能力最强的阿丽亚娜44L火箭的同步转移轨道能力只有4.8吨。如果不能一箭双星发射卫星，将失去商业竞争力，阿丽亚娜火箭需要进一步降低单位发射成本，以应对美国、俄罗斯和中国的竞争。此外，更大的卫星尺寸也更大，未来卫星直径可达4.5米左右，而阿丽亚娜4火箭的整流罩只能容纳直径3.65米的卫星，更无法满足商业需求。此外，欧洲航天局也需要开展独立的航天活动。无论是参与美国自由空间站项目，发射18吨级哥伦布轨道舱和自由飞行平台，还是建立独立的载人航天活动能力，发射21架赫尔墨斯小型航天飞机，都不可能改进阿丽亚娜4火箭。有必要研制一种新的大型运载火箭。阿丽亚娜44L运载火箭退役前最后一次发射，图/ESA 1987年，欧洲航天局开始研制第二代阿丽亚娜火箭，这是未来二十年欧洲航天的中流砥柱——阿丽亚娜5号火箭。为了满足发射6.8吨的单或双星，特别是21吨的“赫尔墨斯”号航天飞机的需要，新设计的阿丽亚娜5型火箭采用了新研制的“火神”大推力液氧液氢发动机和大推力固体助推器。两个大推力固体助推器和大直径液体火箭芯级的基本设计兼顾了大推力和高比冲，为阿丽亚娜5火箭的大容量奠定了坚实的基础。阿丽亚娜5火箭氢氧EPC(法语缩写，意为低温芯级)，图/ESA阿丽亚娜5火箭EAP固体助推器，图/ESA阿丽亚娜5火箭基本为G型，低温液芯级直径5.4m，高度23.8m(无发动机)/30.5m(有发动机)，固体助推器直径3m，高度31.6m，按5.4m直径整流。阿丽亚娜-5火箭上面级在室温下使用的是/ESA，阿丽亚娜-5火箭上面级在室温下使用的是低性能的EPS，EPS使用的是Aestus发动机，采用的是甲基肼/四氧化二氮(MMH/N2O4)推进剂，不具备再次启动的能力。事实上，它控制了阿丽亚娜-5火箭的运载能力，以避免同步转移轨道的能力过大，影响发射任务。冷战结束后，欧洲航天局取消了赫尔墨斯航天飞机项目，阿丽亚娜5型火箭主要用于发射商业通信卫星和ATV货运飞船。经过早期的多次失败，阿丽亚娜5型火箭的性能和技术水平较第一代阿丽亚娜火箭有了很大的进步。但相对于阿丽亚娜4火箭的发展，阿丽亚娜5火箭的发射之路可谓一波三折，成熟和成功的过程相当曲折。1996年6月，第一架阿丽亚娜5号在法属圭亚那的库鲁航天中心着陆。可惜首飞不利，火箭升空仅37.1秒就失控自毁爆炸。经过全面检查，工程师发现故障来自阿丽亚娜5型火箭的制导和控制软件。虽然阿丽亚娜5火箭的控制软件是用军用Ada语言编写的，而Ada是美国国防部推荐的一种以语法严谨著称的编程语言，但即使语言严谨，也难免“说错话”。用Ada语言编写的Ariane 5的控制软件出现了一个意想不到的错误:代码中有一行将火箭的水平偏移量从64位浮点数转换为16位有符号整数，导致火箭发射后失控。这个控制代码最初是为阿丽亚娜4火箭编写的，目的是在火箭地面发射准备阶段发生事故后，快速返回发射倒计时模式。这种快速复位功能是在1989年阿丽亚娜4号火箭第33次发射时启动的。阿丽亚娜4火箭在113次成功发射中取得了97.45%的高成功率，在116次发射过程中快速复位程序没有出现任何问题。阿丽亚娜-5火箭重复使用了阿丽亚娜-4火箭的一些子系统，无意中继承了这个程序。然而，它在阿丽亚娜-5火箭的首次飞行中犯了一个溢出错误，导致火箭误判了飞行姿态，开始侧向飞行。火箭在攻角过高时被迫启动助推器并分离核心级，触发了自毁系统，阿丽亚娜5型火箭在空中爆炸。欧洲航天工程师根据各种信息重现了故障，发现这个低级错误真的很可笑:由于阿丽亚娜5号火箭的发射准备程序和发射时机完全不同，直接从阿丽亚娜4号火箭复制的代码完全没有意义。更糟糕的是，无用的代码引发了溢出错误，导致火箭失控自毁。工程师们彻底检查并填补了阿丽亚娜5号火箭的漏洞。1997年10月30日，阿丽亚娜5号火箭第二次发射。不幸的是，这次发射并不完全成功。这一次，问题来自火神主引擎。火神发动机工作时，喷管内的流场不好，喷管内的螺旋涡流为发动机提供了一个滚转力矩，导致火箭异常滚转，核心火神主发动机提前关机。阿丽亚娜5火箭的EPS上面级虽然工作正常，但无法弥补核心级过早关机造成的速度不足。最终，虽然卫星没有坠入大气层，而是被发射进入轨道，但它与火箭分离的速度比预期的要慢，未能进入预定轨道。1998年10月21日，阿丽亚娜5火箭第三次发射终于取得圆满成功，随后开始承担商业发射任务，但它的厄运并未就此止步。2001年7月12日，阿丽亚娜-5火箭的上面级出现异常。最后，有效载荷中的Artemis卫星通过复杂的变轨进行了升级，而另一个有效载荷中的BSAT-2b卫星未能被营救进入预定轨道。更糟糕的是，2002年12月11日，阿丽亚娜5ECA火箭在首次飞行中失败。ECA火箭使用了基于HM-7B液氧和液氢发动机的低温上面级。在第一次飞行中，核心级“火神2”发动机的冷却剂回路发生泄漏，导致火箭偏航，最终在发射三分钟后自毁。阿丽亚娜5ECA火箭第一次发射失败后，经过两年多的努力，于2005年2月12日再次发射，并取得圆满成功。然而，ECA火箭的首飞是阿丽亚娜5号火箭早期的最后一次失败，随后阿丽亚娜5号火箭开始了它辉煌而传奇的历史。阿丽亚娜5火箭的ESC-A低温上面级，图/ESA阿丽亚娜5火箭的荣耀，阿丽亚娜5火箭首飞时间仅次于日本H-II火箭，是西方第二个投入使用的新一代运载火箭。阿丽亚娜5号火箭经历了早期的挫折，并逐渐成熟以取代阿丽亚娜4号火箭。作为欧洲航天局的主要运载火箭，阿丽亚娜5号火箭成为欧洲航天的象征。阿丽亚娜5型火箭的基本型号是阿丽亚娜5G，其同步转移轨道能力只有6吨(一箭双星)，近地轨道能力为16吨。基本模型经历了一次故障和两次部分故障。与阿丽亚娜4的辉煌成功相比，可以说是灰头土脸。为了发射更大的卫星，欧洲航天局还开发了增强型阿丽亚娜5G+火箭，第一级填充能力从155吨增加到158吨，随着改进的EPS上面级，填充能力从9.7吨增加到10吨，将同步转移轨道能力提高到约6.3吨(一箭两颗卫星)。理论上，EPS L10的潮汐发动机仍有再次启动的能力，但库鲁发射场纬度很低，阿丽亚娜5G+火箭从未启动该功能。在阿丽亚娜5号首次飞行之前，欧洲航天局计划了第二代阿丽亚娜5E火箭。阿丽亚娜5E系列芯的第一级使用了改进的Vulcan 2发动机，增加了推力，降低了成本。核心一级装药量提高到170吨，固体助推器从P238升级到P241，稍微提高了装药量。阿丽亚娜5ECA火箭采用了新的低温上面级，包括阿丽亚娜4火箭的HM-7B发动机和14.4吨氢氧推进剂(后来增加到15吨左右)，进一步提高了火箭的运载能力。起初，它的同步转移轨道容量约为8.8吨(一箭双星)，后来提高到10吨。在84次发射中，它只失败了一次，而且是部分失败，那是阿丽亚娜的发射。2002年，阿丽亚娜ECA火箭首飞失败后，对部分ECA火箭进行了改造。芯级换成早期的火神发动机，芯级的加注量也是G+型。上面级是G+型EPS L10，只有助推器还是新的P241，是阿丽亚娜5GS火箭。由于ECA火箭芯重明显增加，且加注量与G+火箭相同，阿丽亚娜5GS火箭在地球同步转移轨道的运载能力因自重增加而降为5.8吨(一箭双星)，但阿丽亚娜5GS火箭6次发射全部成功。为了发射为国际空间站服务的ATV货运飞船，阿丽亚娜5火箭还开发了ES型号，该型号使用ECA火箭的核心级和改进的EPS上面级，近地轨道运载能力超过20吨。包括五次ATV航天器任务在内的八次发射都取得了成功。虽然阿丽亚娜5G火箭最初的可靠性很差，但经过整改后，它走上了正轨，在16次发射中只有一次失败和一次部分失败，是一种可靠的运载火箭。阿丽亚娜的5G+火箭只发射了三次，但第一次飞行的是重量级深空探测器罗塞塔，为欧洲航天局的彗星探测任务铺平了道路。虽然阿丽亚娜5GS火箭的运载能力降低，但它可以接管阿丽亚娜4火箭的市场，一箭双星发射两颗3吨卫星比运载能力大的阿丽亚娜5ECA火箭更经济。随着卫星重量越来越大，主流通信卫星一般达到4~6吨，阿丽亚娜5GS也退出了历史舞台。在第二代阿丽亚娜5E系列中，阿丽亚娜5ES火箭主要用于发射ATV货运飞船，为欧洲航天局的国际空间站建设做出了巨大贡献。还用于发射一箭四星的伽利略导航卫星，分三次发射将12颗伽利略卫星送入23600公里高的圆形轨道，是伽利略系统快速完成组网的一大功臣。阿丽亚娜5号火箭家族中最重要的部分是ECA火箭。作为服役时间最长、发射次数最多的型号，ECA火箭是阿丽亚娜5型火箭当之无愧的代表。阿丽亚娜5ECA火箭可靠性高，运载能力强，可一箭双星进行多种发射，如6吨+3吨，或4吨+4吨，提高火箭发射任务的经济性和灵活性。阿丽亚娜5ECA火箭以其高可靠性和经济性成为阿丽亚娜4火箭的继任者。如果说阿丽亚娜4号火箭在商业市场上的巨大成功是美国航天飞机和一次性火箭不衔接的话，阿丽亚娜5号火箭恰恰将美国新一代德尔塔4号和宇宙5号火箭挤出了国际商业发射市场，这是欧洲高科技航天领域前所未有的辉煌战绩。阿丽亚娜5ECA火箭是近20年来国际商业发射市场的主力运载火箭之一，只有老牌的俄罗斯质子火箭和新兴的美国猎鹰9号火箭能以低廉的发射价格与之抗衡。阿丽亚娜5ECA火箭还承担了许多政府发射任务，包括MGS系列气象卫星，天网和雪城系列军事通信卫星，北皮科伦坡水星探测器和木星冰月探测器，以及著名的赫歇尔和普朗克空间望远镜。毫不夸张地说，阿丽亚娜5号火箭是最近20年欧洲航天计划的基石。阿丽亚娜5ECA火箭凭借其高可靠性、大运载能力和大整流罩，也成为唯一能够发射詹姆斯·韦伯太空望远镜的火箭。也不负众望，于2021年圣诞节成功将研发成本超百亿美元的韦伯望远镜送入预定轨道。传说中的阿丽亚娜-5火箭取得了巨大的成就，但作为80年代发展起来的运载火箭，其基本设计和性能正逐渐落后。虽然阿丽亚娜5型火箭的发射成本明显低于阿丽亚娜4型火箭，在商业上也不怕俄罗斯质子号火箭的挑战，但面对美国新兴的猎鹰9型火箭，显然力不从心。猎鹰9号火箭的空前成功挤压了阿丽亚娜5号火箭的商业发射市场。为了迎接这一挑战，欧洲航天局也提出了应对措施:首先，研制阿丽亚娜-5火箭的中期升级型号，即阿丽亚娜5ME。这其实就是被ECA首飞失败拖累，研制工作延迟的Ariane 5ECB火箭。阿丽亚娜5ME火箭的主要改进是采用新型低温上面级，采用大推力、高比冲的芬奇发动机，氢氧加注量比ECA火箭上面级大幅增加，从而将同步转移轨道能力提高到12吨，一箭双星发射5-6吨的大型卫星，提高商业竞争力。二是研制全新的阿丽亚娜6运载火箭。阿丽亚娜6号火箭核心级采用新型火神2.1发动机，上面级采用芬奇发动机，固体助推器改为2或4个固体助推器，以灵活调整运载能力，满足不同发射能力需求。阿丽亚娜6火箭的固体助推器由织女星固体火箭发展而来，实际上是最新的织女星C第一级P120C。总之，阿丽亚娜6火箭不在乎技术的先进和性能指标的高，而是使用成熟的技术，注重提高可靠性和降低成本。有望将单位质量载荷的发射成本降低40-50%，具备与美国猎鹰9号火箭竞争的能力。阿丽亚娜6号模拟图(图片:维基百科)按照欧洲航天局最初的想法，阿丽亚娜5ME火箭最初是作为现有阿丽亚娜5ECA和新一代阿丽亚娜6号火箭之间的过渡而开发的。当时阿丽亚娜5项目的两个主要投资者中，德国倾向于先研制阿丽亚娜5ME火箭，即先投资德国主导的芬奇发动机项目；法国倾向于直接研制阿丽亚娜6火箭，优先考虑法国主导的火神2.1发动机项目。阿丽亚娜6型火箭的研制费用估计超过60亿美元，但阿丽亚娜5型火箭的研制费用也是25亿美元。欧洲航天局没有足够的预算来同时支持两个项目的并行开发。2014年，欧空局决定冻结阿丽亚娜5ME火箭的研发，全力开展阿丽亚娜6火箭的研发。所以可以说，阿丽亚娜5火箭的丧钟其实早在9年前就已经敲响。当时对阿丽亚娜6号火箭的孤注一掷的投资，也种下了今天阿丽亚娜5号和阿丽亚娜6号火箭的祸根。鉴于美国航天飞机和一次性火箭的教训，阿丽亚娜航天公司一直在宣传“发射连续性”，强调自己是可靠的航天发射服务提供商。从阿丽亚娜-4火箭到阿丽亚娜-5火箭的过渡确实是连续的。虽然阿丽亚娜-5火箭第一次飞行失败，第二次鉴定飞行部分失败，但阿丽亚娜-4火箭直到2003年2月才退役。此时，阿丽亚娜-5火箭已经相当稳定，可以正常执行各种航天发射任务。然而，今天在从阿丽亚娜5号火箭过渡到阿丽亚娜6号火箭的过程中出现了一个缺口。最后一枚阿丽亚娜5型火箭已经发射升空，谢幕退出太空舞台，但继任者尚需时日——阿丽亚娜6型火箭原计划于2020年投入使用，阿丽亚娜5型火箭的发射任务将持续到2023年，R&D部门当时认为3年左右的过渡期足够了。然而，阿丽亚娜6号火箭的开发已经逾期，由于2020年开始的全球新冠肺炎疫情的影响，该火箭的首飞已经推迟到2024年，导致欧洲暂时失去发射大型卫星的能力。或许，阿丽亚娜5火箭谢幕的时候，心有不甘。本文来自微信微信官方账号:空间与网络(ID: 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