“织女星C”：一款欧洲特色的火箭

文/迟惑

▲ “织女星c”的艺术图

7月13日，欧空局成功发射了首枚织女星C火箭。“织女星”是欧洲的第二种运载火箭，如果仅仅从参数上分析，“织女星”在国际上竞争力不算强。而“织女星C”作为改进型，虽然性能有一定提升，但在全球范围内，也是一种不算太起眼的型号,无论是发射价格、发射频率，都不算太出众。那么，欧洲为啥要在开发阿里安火箭的同时，开发一种能力一般的中型火箭呢?

意大利人的野望

欧洲已经有了一个阿里安火箭系列，为什么又出现一个织女星火箭系列呢?按照欧空局的公开说法，在1990年代中期，法国宇航公司和意大利BPD公司开始讨论，开发一种阿里安火箭补充发射工具(ACL)，扩大欧洲航天发射能力的覆盖范围。当时，“阿里安4”已经退役，“阿里安5”的尺寸比较大，如果发射中小型卫星，就需要一箭多星发射，可能会错过部分卫星的发射窗口。

这是比较冠冕堂皇的说法，但熟悉欧洲文化的人都会发现一个问题：在那段时间里，意大利开始倡导新型固体推进剂运载火箭的概念。从发射能力来说，固体火箭是不如液体火箭的。固体火箭最大的好处是快速响应发射。欧洲不像美国那样四海征战，要快速响应发射能力有什么用呢?

我们来看看“织女星”的决策过程。虽然意大利积极牵头，但靠意大利政府一家承担不起。1998年4月，意大利航天局公开表示，织女星计划可能需要从工业界融资大约7000万欧元，欧空局成员国要再提供3.5亿欧元，由法国和意大利共同牵头。1998年6月，欧空局成员国的部长们同意继续“织女星”发展计划的第一阶段，法国、比利时、荷兰、西班牙和意大利共同参与，意大利政府承担了资金的55%。

▲ “织女星”“织女星C”“阿里安5eca”和两种“阿里安6”方案对比

▲ 织女星C火箭处女航取得成功

到1998年9月，各方估计，如果资金充足，“织女星”将在2002年进行首次发射。然而到1999年初，法国公开表示，自己对这个计划不满意，不出钱了。于是意大利方面提出了一种新的更高性能的“织女星”方案，但法国还是不满意。1999年9月，法国决定完全退出织女星计划。1999年11月，欧空局宣布，因为法国的退出，正式放弃“织女星”计划。但意大利宣布，无论如何都要推进织女星火箭的研制，甚至威胁说，自己将把贡献给“阿里安5”的资金挪用一部分出来，用在“织女星”上。

▲ 老款织女星火箭最后一次发射搭载了法国侦察卫星

2000年，意大利方面又提出新的想法，把“织女星”定位成中型助推火箭，与“阿里安5”改进型搭配使用。经过差不多一年的争吵，2000年10月，法国和意大利宣布解决了长达一年的争端，法国和意大利同意分别为“阿里安5”的P80固体火箭助推器提供35%和52%的资金，这种助推器将成为织女星火箭的一部分。2001年3月，菲亚特宇航公司和意大利航天局成立了一家新公司，即欧洲运载火箭公司，负责“织女星”计划的大部分开发工作。

2003年3月，欧空局和法国航天局国家空间研究中心签署了织女星发射器的开发合同，意大利提供了65%的资金，而另外6个国家提供了其余资金。2004年5月，阿里安宇航公司与欧洲运载火箭公司签署了一项合同，在法属圭亚那的库鲁进行织女星火箭的总装。2004年11月，库鲁中心开始为“织女星”建造一个新的专用发射台，其中包括厂房掩体和一个用于协助总装的自行式结构。这个发射台原本是用来发射阿里安1火箭的。

到这里，我们已经可以看清楚织女星火箭的背景，这是意大利航天局想搞的项目。欧洲有英法德意四个大国。英国比较游离于欧洲大陆之外，德国对独自发展运载火箭缺乏兴趣，阿里安火箭虽然是欧洲合作型号，但主导权控制在法国政府手里。意大利希望拥有一种属于自己的火箭，这种火箭要和阿里安系列很不一样，“阿里安”用液体燃料，“织女星”就要用固体燃料；“阿里安”是重型的，“织女星”就是中型的。但是，意大利又缺乏火箭总体设计的经验和能力，不得不拉着法国人一起干。这也体现了欧洲文化的复杂性和不同民族的个性。

四级火箭的细节

织女星火箭采用三级火箭加上面级的总体构型。老款“织女星”的三级火箭发动机分别为P80、Zefiro23、Zefiro9，上面级是乌克兰制造的AVUM。三级火箭都是意大利AVIO公司的产品。大型固体火箭发动机和洲际导弹技术直接相关，意大利并没有研制过洲际导弹，但是能把大型固体发动机在几年时间里就拿出来，体现了一个工业强国的底蕴。

P80发动机的直径达到3米，号称全球直径最大和推力最大的一体式固体燃料火箭发动机。这个定语是为了把航天飞机固体助推器和印度GSLV3排除在外。因为航天飞机固体助推器的直径达到3.7米，但推进剂并不是一体式的，而是用五段药柱拼接而成。印度GSLV3火箭的固体助推器直径达到3.2米，但也是分段式药柱。日本埃普西隆火箭倒是采用了一体式药柱，但直径只有2.6米。中国科学院刚刚发射的力箭一号火箭，虽然运载能力和织女星火箭相当，但直径是2.65米。为了减重，“织女星”一级直接采用P80的外壳为壳体，所以P80的直径就是织女星的直径。目前，还没有哪个国家和航天企业打算研制更大直径的一体式固体发动机，所以P80的头衔还能继续保持下去。

P80采用端羟基聚丁二烯推进剂，燃烧时间为114秒。P80并不是AVIO公司全新研制的，而是从“阿里安5”的固体火箭助推器衍生而来。无论发动机直径还是喷管设计都基本相同。P80的高度是11.7米，大概只有“阿里安5”助推器的三分之一长度。所以对AVIO公司来说，研制P80并不困难。P80并不是装满燃料后送往发射场的，那样就太重了。从意大利出厂的时候，空壳的P80重量只有7330千克。抵达圭亚那后，因为与“阿里安5”助推器的直径相同，可以用相同的设施和设备来装载推进剂，并将发动机运送到发射场。

具体的制造过程由几家欧洲公司分担。意大利Avio制造装载燃料的燃烧室、执行组件集成和最终测试。法国-意大利合资的欧洲推进公司制造P80发动机。力古鲁斯公司负责装载推进剂。来自荷兰的字航推进产品BV公司制造点火器。比利时SABCA公司生产用于推力矢量和级间分离机构组件。法国Herakles公司制造发动机喷管。

P80的开发由欧空局、法国航天局国家空间研究中心和意大利航天局的联合团队领导，第一次测试于2006年11月在圭亚那空间中心完成，2007年12月进行了验收。发动机的总开发成本约7600万欧元。

二级火箭叫做Zefiro23。Zefiro这个词好像有点无厘头，但是语言史告诉我们，没有任何一个单词是毫无来历的。Zefiro和数学上最重要的数字“0”有直接关系。印度人发明了0，阿拉伯人学会之后，称之为sifr，意思是“空白”。1202年，伟大的意大利数学家斐波那契在《计算之书》中写下了零，谈到阿拉伯人称这个数字为“zephirum”，和“sifr”的发音是一样的。但意大利语当中有一个发言更接近的词，“zefiro”，意思是“西风”。后来，“zefiro”缩减为“zero”，成了英语里的“0”。不过作为火箭发动机的命名，我们还是管它叫做“西风23”更合适。

“西风23”的尺寸和重量都比P80小得多，对AVIO公司来说难度更小。然而就是这个“西风23”，导致了2019年7月的织女星火箭发射失败。当时，织女星火箭搭载阿联酋的侦察卫星从圭亚那起飞。发射流程按计划进行到T+2分10秒。火箭的P80第一级正常分离，西风23发动机点火。它预计工作103秒，前14秒还算正常，但很快“发生了异常压力”。火箭在二级火箭热结构失效后大约5秒钟开始偏离预期轨迹，靶场安全官员在T+3分33秒时向火箭发出飞行终止命令，“织女星”直坠入大西洋。

AVIO公司总裁兰佐亲自组织了调查工作，最后认定，西风23发动机顶部的“热结构故障”是主要原因。兰佐说:“这是一种固体火箭发动机，采用碳纤维圆柱形结构，填充固体推进剂，燃烧温度约为3000摄氏度。推进剂的燃烧需要与结构完全隔离，不幸的是，一些热量到达了顶部，并造成了某种类型的损坏。”

▲ 发射失败的织女星火箭

▲ 从“织女星”到“织女星C”的变化

这次发射失败是织女星火箭在连续14次成功后首次失败。

第三级火箭发动机叫做“西风9”型，它沿用到了“织女星C”上。

至于第四级火箭，也就是上面级，叫做姿态游标上面级（AVUM）。它采用了非常老款的偏二甲肼和四氧化二氮燃料。但就是这样一个传统产品，技术发达的西欧居然造不出来。这个级段是乌克兰南方设计局代工生产的，体现了苏联宇航工业的深厚底蕴。

从织女星火箭的结构也可以看出一些有趣的特点。任何一个国家都没有能力完全独立自主搞出来，却又希望能够起到领头羊的作用；然而，参与的任何一个国家都能卡总体的脖子。最后能够搞成型号，也算是生命力很顽强了。这或许就是欧洲特色吧。

“织女星C”的改造

2014年12月，欧空局部长理事会做出决定，开发更强大的织女星C火箭，主要目标是提高运载火箭的性能，提高灵活性，具备更强的一箭多星能力。

“织女星C”的一级和二级发动机都要比老款“织女星”更大一些。一级发动机改为P120C型，直径3.4米，长13.38米，重155.027吨，装载141.634吨推进剂,最大推力达到4323千牛，工作时间135.7秒。喷管偏转可以达到正负5.9度。P120C将用作阿里安6火箭的侧助推器。

二 级 发 动 机 改 为Z40型，重40.477吨，装36.229吨推进剂，最大推力1304千牛，工作时间92.9秒。喷管偏转幅度和第一级相同。

三级发动机是沿用的Z9型，重12吨，装10.567吨推进剂，最大推力317千牛，工作时间119.6秒。喷管偏转幅度略微大一点，达到正负6度。

这三级火箭都存在着固体发动机的通病，也就是比冲不如液体发动机。P120C的比冲只有279秒，“西风40”为293.5秒，“西风9”是295.9秒。

至于改进型上面级AVUM+，干重698千克，可以携带492千克的偏二甲肼和248千克的四氧化二氮。真空推力2.45千牛。它的持续工作时间可以达到612.5秒，重启次数依然是5次。

时间/秒 高度/千米 速度（米/秒）P120C点火升空 0 0 0 P120C分离，Z40点火 142 60 1885 Z40分离 245 121 4555 Z9点火 249 123 4550抛整流罩 254 126 4600 Z9分离 417 190 7564 AVUM+第一次点火 448 199 7553 AVUM+第一关机 1090 300 7885 AVUM+第二次点火 3151 619 7533 AVUM+第二次关机 3287 623 7631载荷分离 3427 626 7627

“织女星C”相对于“织女星”，整流罩也有所扩大。

经过改进，“织女星C”的典型轨道发射能力从1500千克提高到了2200千克。

“织女星C”前往太阳同步轨道和近地轨道的典型任务程序见下表。

换不掉的乌克兰上面级

欧空局对乌克兰制造的AVUM上面级其实一直不算太满意，因为它的技术水平太落后了。而且乌克兰多年来没有对航天工业基础进行过投资，想要乌克兰拿出一个全新理念的上面级，就需要投入大量研发经费。这些钱与其给乌克兰，不如花在自己身上。况且，乌克兰从2014年后，政治局势一直不稳定，2022年竟然还发生了战争。但让人费解的是，这样重要的工作，欧洲方面用了10多年都没有取得进展，“织女星C”上还是用了乌克兰制造的上面级。

德国和意大利都曾提出过乌克兰上面级的替代方案。

德国方案

德国航空航天中心组织了一系列研究，研制一种VENUS2上面级，用来替代乌克兰上面级。技术方案的选项中，也包括三级或者四级火箭两种。三级火箭打算使用P100第一级，Z30、Z35或Z40作为第二级，全新的可储存推进剂上面级作为第三级，发动机为AESTUS2液体发动机。四级火箭方案以P100为第一级，Z23为第二级，Z9A为第三级，第四级为新型低推力液体发动机BERTA。

BERTA的意思是“可存储燃料发动机”，是一个采用了金属3D打印工艺的型号。但这个型号一直都没搞出来，到2019年2月18日才完成首次试运行，进行了560秒的点火，参考推力为2.5千牛，但它没赶上“织女星C”的研制进度。

▲ “织女星C”首射的载荷，激光反射卫星

▲ “西风40”海运抵达库鲁

如果采用三级配置，那么AESTUS2发动机必然要使用偏二甲肼和四氧化二氮推进剂组合。如果采用四级配置，到底用什么燃料与四氧化二氮配合，就成了一个需要研究的问题。研究人员考虑了四种燃料，包括一甲基肼、偏二甲肼、肼，以及AD50燃料，也就是肼和偏二甲肼各一半的混合物。经过研究，首先淘汰了肼燃料，因为它会受热分解，导致发动机不能采用再生冷却方式。而且阿斯特里姆公司（现在已经并入空客公司），在一甲基肼方面有比较好的技术积累。所以，后续的研究就在一甲基肼的基础上继续开展。

AESTUS2发动机采用涡轮泵驱动，是阿斯特里姆与美国普惠洛克达因公司联合研制的，它是AESTUS发动机的发展型，而这个型号是阿里安5EPS火箭的上面级动力。AESTUS2的指标是推力55.03kN、燃烧室压力60巴、发动机混合比2.09。

BERTA发动机的性能就要差很多，推力只有2-16kN，燃烧室压力8-15巴，发动机混合比为2.0-2.1，发动机质量15～67千克。

研究证明，通过将AESTUS2引入织女星火箭的改进，可以把有效载荷能力大幅度提升800千克以上，达到2350千克，从而显著提高发射能力，有效载荷比将从1.13%提高至1.45%。

▲ 织女星火箭执行法国侦察卫星发射任务

▲ 织女星C火箭整流罩即将与火箭结合

意大利方案

意大利科学家曾经提出，用混合火箭级替换织女星运载火箭的第三级（“西风9”）和第四级（AVUM），在原火箭设计规定的速度增量、总质量、有效载荷方面不能有大的变动，并且平台必须保证5次点火，但是并没有进入工程阶段。

他们初步提出，用液氧、羟基封端聚丁二烯、铝和氢化铝的组合作为燃料。

固体燃料制成带有长孔的圆柱形。液氧在发动机前部的圆顶中蒸发，流入固体燃料的通道并与燃气混合，在靠近固体燃料颗粒表面的边界层中形成宏观扩散火焰。在到达喷管膨胀段之前，后燃烧室应保证达到几乎完全燃烧和预期的能量水平。

通常，混合燃料中的固体部分可以使用成熟固体推进剂制备技术进行铸造，但处理和铸造成本明显低于固体发动机。由于需要氧化剂输送系统，混合火箭比固体火箭更复杂，又比液体火箭简单。推力节流可以通过氧化剂流量的变化来实现。此外，混合动力发动机具有重新点火能力，直到固体燃料耗尽或喷管寿命终结。

但混合火箭发动机的燃烧粗糙度和宏观扩散火焰向颗粒表面的热反馈机制，导致燃烧效率低。这限制了混合发动机的使用。在过去的几年里，国际上对混合火箭发动机重新产生了兴趣，特别是在2004年6月“太空船一号”发射之后。

混合火箭需要满足的要求包括:

速度增量 4500米/秒质量 12000千克有效载荷质量 3000千克重燃能力 5次重启可调喷嘴 6°偏转

其实“织女星”有效载荷能力只有1000千克，设定3000千克的载荷，是为了“料敌从宽”。按这样的条件，算出的可实现方案如下：

燃料和氧化剂质量 9905千克惰性质量 2029千克初始质量 15000千克关机质量 5095千克比冲 435秒

在这个质量和尺寸限制下，计算发现，混合动力无法实现435秒比冲，确保3000千克的有效载荷。但是能实现最小340秒的比冲，那么实现的性能如下：

质量 12000千克比冲 340秒燃料和氧化剂质量 9905千克死重 2029千克初始质量 13237千克关机质量 3332千克有效载荷质量 1237千克

有效载荷能力（1237千克）低于最初要求的能力，但符合“织女星”的现在的性能。因此，混合火箭看起来还是有希望的。

为此，意大利科学家讨论了几种不同的燃料配方，最佳配方是羟基封端聚丁二烯燃料百分比为30%，铝和氢化铝比例相等，以获得性能和燃料密度之间的良好折衷。

意大利科学家们还具体设计了前后燃烧室、绝热材料、液氧罐、加压气罐、液氧-双高液罐、管道、喷射器板、推力矢量控制系统、喷嘴和结构。液氧加压和泵送系统由高压氦罐组成。多次点火能力是通过储存在两个球形罐中的三乙基铝来实现的。

最后计算得到的各部分重量比例如下表。

液氧罐 542千克其他储罐质量 383千克三乙基铝及储罐 49千克管道和阀门 30千克喷油器板 193千克燃烧室和隔热板 273千克喷嘴 280千克推力矢量控制系统 140千克内外支撑结构 206千克

▲ “织女星C”整流罩准备与火箭结合

▲ 织女星火箭发射中型卫星的整流罩配置

这项研究的成果之所以没有变成工程样机，或许是因为改动量太大了。欧洲此前没有制造过这样大尺寸的混合燃料火箭，也没有相关的技术积累。所以，织女星C火箭依然采用了三级固体加乌克兰上面级的配置。什么时候能看到西欧自己制造的上面级？恐怕要等相当长一段时间。而且，AVUM上面级的供应必然受到乌克兰战争的影响。要是双方握手言和，问题还不算太大；要是俄罗斯打败乌克兰，欧空局恐怕要重新谈判签合同了。