北京時(shí)間7月6日6時(shí)，阿里安5火箭從法屬圭亞那庫魯發(fā)射場(chǎng)ELA-3工位點(diǎn)火升空，成功發(fā)射兩顆通信衛(wèi)星。

最后的阿里安5火箭

文 | 張雪松

6月15日，阿里安航天公司宣布由于火工品傳輸線問題，推遲原定于6月16日發(fā)射的阿里安5火箭，這次發(fā)射任務(wù)是阿里安5（Ariane 5）火箭第117次、也是最后一次發(fā)射。7月6日，阿里安5火箭在完成最后一次發(fā)射后正式退役，一代名箭的輝煌就此曲終人散。

由于接替者阿里安6火箭的研發(fā)進(jìn)度不斷延遲，預(yù)計(jì)要到2024年初才能進(jìn)行首次發(fā)射，隨著阿里安5火箭的退役，歐洲空間局（ESA）將暫時(shí)失去發(fā)射大型衛(wèi)星的能力，這就更讓人對(duì)勞苦功高的阿里安5火箭感慨萬千了。

阿里安5火箭最后一次發(fā)射任務(wù)海報(bào)

人們?cè)谧詈笠话l(fā)阿里安5火箭箭體上繪制了四葉草圖形并簽名

阿里安5火箭的誕生

阿里安5火箭屬于著名的阿里安運(yùn)載火箭家族。歐洲在二戰(zhàn)后就一直試圖發(fā)展獨(dú)立的航天發(fā)射能力，早期的努力包括歐洲運(yùn)載火箭研制發(fā)展組織（ELDO）研制的歐羅巴（Europa運(yùn)載火箭，歐羅巴火箭使用英國藍(lán)光中程液體彈道導(dǎo)彈做第一級(jí)，法國和德國分別提供二、三級(jí)。遺憾的是，歐羅巴火箭試驗(yàn)中屢屢失敗，英國又由于政治原因退出合作，歐洲運(yùn)載火箭的發(fā)展不得不另起爐灶。新成立的歐洲空間局決定以法國的鉆石號(hào)火箭為基礎(chǔ)，最終研制出阿里安1運(yùn)載火箭。為了滿足不斷增強(qiáng)的衛(wèi)星發(fā)射需求，歐洲空間局又陸續(xù)研制了增強(qiáng)型阿里安2火箭，捆綁2個(gè)固體助推器的阿里安3火箭，捆綁多個(gè)固體或液體助推器的阿里安4火箭。

第一代阿里安火箭不僅滿足了歐洲獨(dú)立發(fā)射衛(wèi)星的需求，而且由于蘇聯(lián)沒有進(jìn)入商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，美國退役一次性火箭但航天飛機(jī)又出現(xiàn)事故，成熟可靠的阿里安4火箭乘勢(shì)填補(bǔ)了發(fā)射能力的空白，在國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上取得了空前的成功。

然而，隨著航天技術(shù)和需求的進(jìn)一步發(fā)展，第一代阿里安火箭不僅技術(shù)相對(duì)落后，性能也逐漸無法滿足需求。20世紀(jì)80年代的研究認(rèn)為，通信衛(wèi)星正在向大型化方向發(fā)展，雖然當(dāng)時(shí)只有約25%的通信衛(wèi)星超過2噸，但預(yù)計(jì)到1995年前后，超過50%通信衛(wèi)星質(zhì)量將達(dá)到2-2.5噸，未來通信衛(wèi)星還會(huì)進(jìn)一步增重。但第一代阿里安火箭中運(yùn)力最強(qiáng)的阿里安44L火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力只有4.8噸，如果無法一箭雙星發(fā)射衛(wèi)星，將失去商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，而阿里安火箭也需要進(jìn)一步降低單位發(fā)射成本，應(yīng)對(duì)美俄中運(yùn)載火箭的競(jìng)爭(zhēng)。另外，更大的衛(wèi)星尺寸也更大，未來衛(wèi)星直徑可達(dá)4.5米左右，而阿里安4火箭的整流罩只能容納3.65米直徑的衛(wèi)星，這就更是無法滿足商業(yè)需求了。此外，歐洲空間局還有獨(dú)立開展空間活動(dòng)的需求，無論是參與美國自由號(hào)空間站項(xiàng)目，發(fā)射18噸級(jí)的哥倫布軌道艙和自由飛平臺(tái)，還是建立獨(dú)立的載人航天活動(dòng)能力，發(fā)射21赫爾墨斯號(hào)小型航天飛機(jī)，都無法以改進(jìn)阿里安4火箭來將就，必須研制新的大型運(yùn)載火箭。

退役前進(jìn)行最后一次發(fā)射的阿里安44L運(yùn)載火箭

1987年，歐洲空間局開始研制第二代阿里安火箭，這就是歐洲航天接下來二十年的中流砥柱——阿里安5火箭。

為了滿足發(fā)射6.8噸重的單星或雙星的需要，尤其是發(fā)射21噸級(jí)的赫爾墨斯號(hào)航天飛機(jī)的要求，全新設(shè)計(jì)的阿里安5火箭使用新研制的火神大推力液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，以及大推力的固體助推器。兩枚大推力固體助推器+大直徑液體火箭芯級(jí)的基本設(shè)計(jì)，兼顧了大推力和高比沖，為阿里安5火箭的大運(yùn)力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

阿里安5火箭的氫氧EPC（法語縮寫，意為低溫芯級(jí)）

阿里安5火箭的EAP固體助推器

阿里安5火箭基本型為G型，低溫液體芯級(jí)直徑5.4米，高度23.8米（無發(fā)動(dòng)機(jī)）/30.5米（帶發(fā)動(dòng)機(jī)），固體助推器直徑3米，高度31.6米，根據(jù)5.4米直徑整流罩長(zhǎng)短的不同，火箭總高度從46.1米到50.4米不等。

阿里安5火箭最初使用的ESP常溫上面級(jí)

阿里安5G火箭上面級(jí)最初使用性能較低的EPS常溫上面級(jí)，EPS使用甲基肼/四氧化二氮（MMH/N2O4）推進(jìn)劑的潮汐（Aestus）發(fā)動(dòng)機(jī)，而且不具備二次啟動(dòng)能力，實(shí)際上削足適履控制了阿里安5火箭的運(yùn)載能力，以避免同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力過大，反而影響承接發(fā)射任務(wù)。冷戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲空間局取消了赫爾墨斯航天飛機(jī)項(xiàng)目，阿里安5火箭此后主要用于發(fā)射商業(yè)通信衛(wèi)星和ATV貨運(yùn)飛船。

早期多次失敗，阿里安5火箭的曲折開局

阿里安5火箭的性能和技術(shù)水平比之第一代阿里安火箭有了飛躍性的進(jìn)步，但相比研發(fā)順風(fēng)順?biāo)陌⒗锇?火箭，阿里安5火箭的發(fā)射之路可謂一波三折，走向成熟和成功的過程相當(dāng)曲折。

1996年6月，第一枚阿里安5號(hào)屹立在位于法屬圭亞那的庫魯航天中心，可惜首飛出師不利，火箭升空后僅37.1秒就失控并自毀爆炸。

1996年，阿里安5火箭首飛當(dāng)空爆炸

工程師們進(jìn)行全面的檢查后發(fā)現(xiàn)，故障來自阿里安5火箭的制導(dǎo)控制軟件。雖然阿里安5火箭的控制軟件使用軍用Ada語言編寫，而Ada是美國國防部推薦，以語法嚴(yán)謹(jǐn)著稱的編程語言，但正如哪怕語言再嚴(yán)謹(jǐn)也避免不了“說錯(cuò)話”，使用Ada語言編寫的阿里安5控制軟件出了一個(gè)意料之外的差錯(cuò)：代碼中有一行是把火箭的水平偏移量從64位浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為16位帶符號(hào)整數(shù)的語句，導(dǎo)致發(fā)射后火箭失控。

這段控制代碼最初是為阿里安4火箭編寫的，目的是火箭地面發(fā)射準(zhǔn)備階段出現(xiàn)意外后，還能快速恢復(fù)到發(fā)射倒計(jì)時(shí)模式。1989年阿里安4火箭的第33次發(fā)射中，就激活了這項(xiàng)快速復(fù)位功能。阿里安4火箭以113次成功創(chuàng)下了97.45%的高成功率，116次發(fā)射中快速復(fù)位程序從未出現(xiàn)問題。阿里安5火箭復(fù)用阿里安4火箭的部分子系統(tǒng)，無意中繼承了這段程序，但它在阿里安5火箭首飛出現(xiàn)溢出錯(cuò)誤，導(dǎo)致火箭誤判飛行姿態(tài)開始橫飛。火箭攻角過大被迫啟動(dòng)助推器和芯級(jí)分離，觸發(fā)自毀系統(tǒng)，阿里安5火箭凌空爆炸。

歐洲航天工程師們根據(jù)各種信息復(fù)現(xiàn)了故障，發(fā)現(xiàn)這個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤實(shí)在令人哭笑不得：由于阿里安5火箭的發(fā)射準(zhǔn)備程序和發(fā)射時(shí)序已經(jīng)截然不同，這段阿里安4火箭上直接復(fù)制來的代碼完全沒有任何意義。更糟糕的是無用的代碼觸發(fā)了溢出錯(cuò)誤，導(dǎo)致火箭失控自毀。

工程師們對(duì)阿里安5火箭全面查漏補(bǔ)缺，1997年10月30日阿里安5火箭進(jìn)行了第二次發(fā)射，遺憾的是這次發(fā)射也沒能完全成功，這次的問題來自火神主發(fā)動(dòng)機(jī)?；鹕癜l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)噴口內(nèi)部流場(chǎng)不佳，噴口出現(xiàn)了螺旋渦流給發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一個(gè)滾轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致火箭出現(xiàn)異常的滾轉(zhuǎn)，讓芯級(jí)火神主發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)機(jī)，雖然阿里安5火箭的EPS上面級(jí)工作正常，但它無法彌補(bǔ)芯一級(jí)提前關(guān)機(jī)帶來的速度不足。最終，衛(wèi)星雖然發(fā)射入軌而不是墜入大氣層，但衛(wèi)星從火箭分離時(shí)速度低于預(yù)期，沒能進(jìn)入預(yù)定軌道。

1998年10月21日，阿里安5火箭的第三次發(fā)射終于取得了圓滿成功，隨后開始承接商業(yè)發(fā)射任務(wù)，但它的厄運(yùn)并沒有到此為止。

2001年7月12日，阿里安5火箭上面級(jí)出現(xiàn)工作異常，最終，載荷中的Artemis衛(wèi)星通過復(fù)雜的變軌完成了軌道提升，另一個(gè)載荷BSAT-2b衛(wèi)星沒能搶救進(jìn)入預(yù)定軌道。

更糟糕的是，2002年12月11日，阿里安5ECA火箭首飛失敗，ECA火箭使用了基于HM-7B液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫上面級(jí)，首飛中是芯一級(jí)的火神2發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路泄露，導(dǎo)致火箭偏航最后在發(fā)射3分鐘后自毀。阿里安5ECA火箭首次鑒定發(fā)射失敗后，又經(jīng)過兩年多的臥薪嘗膽，才在2005年2月12日再次發(fā)射并獲得圓滿成功，但ECA型火箭首飛是阿里安5火箭早期的最后一次失敗，隨后阿里安5火箭開啟它輝煌而傳奇的歷史。

阿里安5火箭的ESC-A低溫上面級(jí)

阿里安5火箭的輝煌

阿里安5火箭首飛時(shí)間僅次于日本H-II火箭，是西方第二種投入使用的新一代運(yùn)載火箭。阿里安5火箭經(jīng)歷了早期的挫折，逐步成熟后取代阿里安4火箭，作為歐洲空間局的主力運(yùn)載火箭，成為歐洲航天的象征。

阿里安5火箭基本型號(hào)為阿里安5G，其同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力僅為6噸（一箭雙星），近地軌道運(yùn)力16噸，基本型經(jīng)歷了一次失敗和兩次部分失敗，對(duì)比阿里安4的輝煌成功可以說灰頭土臉。

為了發(fā)射更大的衛(wèi)星，歐洲空間局還研制了增強(qiáng)型阿里安5G+火箭，它的芯一級(jí)加注量從155噸增加到158噸，并使用改進(jìn)的EPS上面級(jí)，加注量從9.7噸增加到10噸，將同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力提升到約6.3噸（一箭雙星）。理論上EPS L10的潮汐發(fā)動(dòng)機(jī)還有二次啟動(dòng)能力，但庫魯發(fā)射場(chǎng)緯度很低，阿里安5G+火箭從未啟用這一功能.

歐洲空間局在阿里安5尚未首飛的時(shí)候，就規(guī)劃了第二代即阿里安5E系列火箭。阿里安5E系列芯一級(jí)使用改進(jìn)的火神2發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了推力并降低成本，芯一級(jí)加注量增加到170噸級(jí)，固體助推器也從P238升級(jí)到P241，略微增加了裝藥量。

阿里安5ECA火箭使用新的低溫上面級(jí)，包括阿里安4火箭的HM-7B發(fā)動(dòng)機(jī)和加注量14.4噸（后期增加到約15噸）的氫氧推進(jìn)劑，進(jìn)一步提高了火箭運(yùn)力，它最初就有約8.8噸（一箭雙星）的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力，后期改進(jìn)后更是提高到10噸級(jí)，它在84次發(fā)射中僅有一次失敗和一次部分失敗，是阿里安5火箭最常見的型號(hào)，也是當(dāng)之無愧的中流砥柱。

2002年，阿里安ECA火箭首飛失敗后，部分ECA型火箭進(jìn)行改造，芯級(jí)換用早期的火神發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)加注量也是G+型標(biāo)準(zhǔn)，上面級(jí)用G+型的EPS L10上面級(jí)，只有助推器仍然是新的P241，這就是阿里安5GS火箭。由于ECA型火箭的芯級(jí)增重明顯，而加注量和G+型一致，死重增加導(dǎo)致阿里安5GS火箭的運(yùn)載能力反而降低到地球同步轉(zhuǎn)移軌道5.8噸（一箭雙星），但阿里安5GS火箭6次發(fā)射全部成功。

為了發(fā)射服務(wù)國際空間站的ATV貨運(yùn)飛船，阿里安5火箭還發(fā)展出ES型號(hào)，它使用ECA型火箭的芯一級(jí)，以及改進(jìn)的EPS上面級(jí)，具有超過20噸的近地軌道運(yùn)力，包括5次ATV飛船任務(wù)在內(nèi)的8次發(fā)射全部成功。

阿里安5G火箭雖然初期可靠性不佳，但整改后步入正軌，16次發(fā)射中只有一次失敗和一次部分失敗，成為一種可靠的運(yùn)載火箭。阿里安5G+火箭只發(fā)射了三次，但首飛就是重量級(jí)的深空探測(cè)器羅塞塔號(hào)，為歐洲空間局的彗星探測(cè)任務(wù)鋪平了道路。阿里安5GS火箭雖然運(yùn)力降低，但可以承接阿里安4火箭的市場(chǎng)，一箭雙星發(fā)射兩顆3噸級(jí)衛(wèi)星，比運(yùn)力偏大的阿里安5ECA火箭更經(jīng)濟(jì)。隨著衛(wèi)星重量不斷增加，主流通信衛(wèi)星普遍達(dá)到4~6噸，阿里安5GS也隨之退出歷史舞臺(tái)。第二代的阿里安5E系列中，阿里安5ES火箭主要用于發(fā)射ATV貨運(yùn)飛船，為歐洲空間局的國際空間站建設(shè)立下了汗馬功勞，它還用于一箭四星發(fā)射伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星，3次發(fā)射中將12顆伽利略衛(wèi)星送入23600千米高度的圓軌道，是伽利略系統(tǒng)快速完成組網(wǎng)的大功臣。

阿里安5火箭家族最重要的還是ECA型火箭，作為阿里安5火箭使用時(shí)間最長(zhǎng)、發(fā)射數(shù)量最多的型號(hào)，ECA型是阿里安5火箭當(dāng)之無愧的代表。阿里安5ECA火箭可靠性高運(yùn)載能力強(qiáng)，能執(zhí)行6噸級(jí)+3噸級(jí)，或是4噸級(jí)+4噸級(jí)等多種一箭雙星發(fā)射，提高火箭發(fā)射任務(wù)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。阿里安5ECA火箭憑借高可靠性和經(jīng)濟(jì)性，成為前輩阿里安4火箭的接班人。如果說阿里安4火箭在商業(yè)市場(chǎng)上的巨大成功，是在美國航天飛機(jī)和一次性火箭青黃不接之際撿漏，阿里安5火箭就是堂堂正正地把美國新一代德爾塔4和宇宙神5火箭擠出了國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，這是歐洲在高科技的航天領(lǐng)域空前的輝煌紀(jì)錄。阿里安5ECA火箭是最近20年國際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上的主力運(yùn)載火箭之一，也只有俄羅斯老式的質(zhì)子號(hào)火箭，以及美國新興的獵鷹九號(hào)火箭，憑借低廉的發(fā)射報(bào)價(jià)能與之競(jìng)爭(zhēng)。阿里安5ECA火箭還承接了很多政府發(fā)射任務(wù)，包括MGS系列氣象衛(wèi)星，Skynet和Syracuse系列軍用通信衛(wèi)星,貝皮科倫坡水星探測(cè)器和木星冰月探測(cè)器，著名的赫歇爾和普朗克空間望遠(yuǎn)鏡。毫不夸張地說，阿里安5火箭是最近20年歐洲航天計(jì)劃的基石。

阿里安5ECA火箭以其高可靠性、大運(yùn)載能力和大整流罩，還成為唯一能發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的火箭，它也不負(fù)眾望，在2021年圣誕節(jié)將研發(fā)造價(jià)超百億美元的韋伯望遠(yuǎn)鏡成功送入預(yù)定軌道。

阿里安5火箭承擔(dān)過的傳奇任務(wù)

傳奇落幕

阿里安5火箭固然勞苦功高、成就輝煌，但它作為20世紀(jì)80年代研制的運(yùn)載火箭，其基本設(shè)計(jì)和性能還是逐漸落伍了。雖然阿里安5火箭發(fā)射成本比阿里安4火箭大幅降低，商業(yè)上不懼怕俄羅斯質(zhì)子號(hào)火箭的挑戰(zhàn)，但面對(duì)美國新興的獵鷹九號(hào)火箭，顯然力不從心了。

獵鷹九號(hào)火箭的空前成功，擠壓了阿里安5火箭的商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，歐洲空間局也提出了應(yīng)對(duì)策略：

首先是研制阿里安5火箭中期升級(jí)型號(hào)即阿里安5ME。這其實(shí)就是被ECA首飛失敗拖累，研制工作一拖再拖的阿里安5ECB型火箭。阿里安5ME火箭最主要的改進(jìn)是使用新型低溫上面級(jí)，上面級(jí)使用大推力、高比沖的芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)，氫氧加注量也比ECA型火箭的上面級(jí)有了大幅度增加，從而將同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力提高到12噸級(jí)，可以一箭雙星發(fā)射5~6噸的大型衛(wèi)星，提高商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

其次是研制全新的阿里安6運(yùn)載火箭。阿里安6火箭芯級(jí)使用新的火神2.1發(fā)動(dòng)機(jī)，上面級(jí)沿用芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)，固體助推器改為2或4個(gè)固體助推器，以靈活調(diào)節(jié)運(yùn)載能力，滿足不同的發(fā)射運(yùn)力需求。阿里安6火箭的固體助推器從織女星固體火箭發(fā)展而來，實(shí)際上就是最新的織女星C第一級(jí)P120C?？偠灾?，阿里安6火箭并不在意技術(shù)上的先進(jìn)性和性能上的高指標(biāo)，而是使用成熟技術(shù)，著重提高可靠性，降低成本。它有望將單位質(zhì)量載荷的發(fā)射成本降低40-50%，具備和美國獵鷹九號(hào)火箭一決高下的能力。

阿里安6模擬圖（圖：Wikipedia）

按照歐洲空間局最初的設(shè)想，先研制阿里安5ME火箭，作為現(xiàn)有阿里安5ECA和新一代阿里安6火箭之間的過渡。當(dāng)時(shí)阿里安5項(xiàng)目的兩個(gè)主要投資者中，德國傾向于先研制阿里安5ME火箭，也就是先投資德國主導(dǎo)的芬奇發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目；而法國傾向于直接研制阿里安6火箭，優(yōu)先法國主導(dǎo)的火神2.1發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目。

阿里安6火箭預(yù)計(jì)研發(fā)成本60多億美元，但阿里安5ME火箭研制成本也要25億美元，歐洲空間局沒有足夠的預(yù)算同時(shí)支持兩個(gè)項(xiàng)目并行發(fā)展。2014年，歐空局決定凍結(jié)阿里安5ME火箭的研發(fā)，全力進(jìn)行阿里安6火箭的研制工作。因此可以說，阿里安5火箭的喪鐘，實(shí)際上早在9年前就已經(jīng)敲響了，而當(dāng)時(shí)孤注一擲投資阿里安6火箭，也埋下了今天阿里安5和阿里安6火箭之間青黃不接的禍根。

鑒于美國航天飛機(jī)和一次性火箭斷檔的教訓(xùn)，阿里安宇航公司一直宣傳“發(fā)射連續(xù)性”，強(qiáng)調(diào)它是一家可信任的航天發(fā)射服務(wù)商。從阿里安4火箭到阿里安5火箭的過渡的確很連續(xù)，雖然阿里安5火箭首飛失敗，第二次鑒定飛行也部分失敗，但阿里安4火箭一直使用到2003年2月才退役，此時(shí)阿里安5火箭已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定，能夠常態(tài)化執(zhí)行各種航天發(fā)射任務(wù)。

然而今天，阿里安5到阿里安6火箭的過渡卻出現(xiàn)了斷檔空白。最后的阿里安5火箭已經(jīng)發(fā)射升空，謝幕退出航天舞臺(tái)，但接班人還有待時(shí)日——阿里安6火箭原計(jì)劃2020年首飛投入使用，而阿里安5火箭的發(fā)射任務(wù)會(huì)持續(xù)到2023年，研發(fā)部門當(dāng)時(shí)認(rèn)為，3年左右的過渡期是足夠的。但阿里安6火箭的研制不斷超期，疊加2020年開始的全球新冠大流行的沖擊，火箭首飛已經(jīng)推遲到2024年，導(dǎo)致歐洲暫時(shí)失去發(fā)射大型衛(wèi)星的能力。

也許，阿里安5火箭謝幕時(shí)，是心有不甘的。