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火箭換代、送人飛天,歐空局努力爭先
2023-06-25

6月初,歐空局宣布將在伽利略導航系統、新型火箭、載人航天、深空探測等領域發力,力爭奪取或保持技術領先地位,促進航天產業發展和戰略影響力。那么歐空局正在重點推進哪些航天項目?面臨哪些挑戰?未來歐空局航天事業前景如何呢?

多路推進 展現雄心

作為國際航天領域的傳統強者,歐空局不僅維持著獨立的衛星導航系統、天基多用途觀測系統,還在新型運載火箭、載人航天、深空探測等領域重點發力,追求領先。

隨著主力運載火箭阿里安5系列即將退役,歐空局投入大量資金開發阿里安6火箭,力爭2024年首飛。

此外,歐空局積極推進織女星-E火箭開發工作,除持續改進前兩級的固體火箭發動機外,又計劃使用新型液氧甲烷發動機作為末級動力,以便其提升性能,更好地滿足中小衛星發射需求。

同時,歐空局積極推動下一代可回收復用火箭項目研發,不僅和日本合作研制卡利斯托復用演示火箭,還在獨立研制更大的忒彌斯復用演示火箭。

研發火箭,動力先行。2022年11月,歐空局的百噸級液氧甲烷火箭發動機“普羅米修斯”完成了首次整機熱試車。該發動機將用于忒彌斯復用演示火箭和“下一代阿里安”項目,相關技術還計劃用于改進阿里安6火箭,提升國際市場競爭力。

鑒于伽利略衛星導航系統面臨補網和升級需求,歐空局計劃由“獵鷹9”“阿里安6”等火箭發射新一代導航衛星。與此同時,歐空局正在推進IRIS2低軌道寬帶星座建設,有望應用量子通信技術。

在載人航天方面,歐空局正積極參與“阿爾忒彌斯計劃”,為獵戶座載人飛船提供了推進艙,還為SLS重型火箭供應了部分組件。對于計劃明年開始在軌組建的繞月空間站,歐空局與日本合作研制了部分艙段,還將負責在軌加注模塊,以便支持載人登月艙,歐空局借此獲得了3次航天員前往月球的機會。

值得注意的是,歐空局提出了可重復使用的載人/貨運飛船研發計劃,希望能夠建設成獨立自主的載人航天體系。

作為“旗艦級”重點項目,歐空局正在積極推動深空探測任務。4月14日,阿里安5火箭將木星冰月探測器送入預定軌道。預計該探測器經歷一系列行星飛越后,將在2031年抵達木星系,并在2033年泊入木衛三環繞軌道。

與此同時,歐空局正在緊張籌備即將于2024年發射的赫拉號小行星探測器,近距離觀測被美國航天器撞擊后的雙小行星系統,研究拋撒物質。此外,歐空局規劃了彗星攔截器、土衛二采樣返回等頗具挑戰性的深空任務,并在抓緊開展研究。

除了和美國在韋伯空間望遠鏡項目上展開合作外,歐空局也在推進自己的深空天文項目。不過,受火箭換代延遲影響,歐空局已將歐幾里得巡天望遠鏡交由獵鷹9火箭發射,而雅典娜X射線空間望遠鏡、柏拉圖系外行星巡天望遠鏡等項目也在推進中。

歐空局的多個空間望遠鏡項目面臨拖延或降低配置

調整思路 應對挑戰

近年來,國際形勢變化給歐空局造成了不小的沖擊。

一方面,俄烏沖突破壞了國際航天產品供應鏈,迫使歐空局和俄羅斯中止大部分航天合作,拖延了一系列發射任務。

另一方面,阿里安6火箭研發不順,織女星系列火箭遭遇失敗,國際靜止軌道市場萎縮,獵鷹9火箭等航天新勢力崛起……在此影響下,歐空局喪失了大量航天發射市場份額。因此,歐空局有必要轉變思路,重點發展低成本綜合商業發射能力和政府支持的重大任務,應對復雜挑戰。

在降低任務成本方面,歐空局提出了“下一代阿里安”項目。雖然這款火箭的同步轉移軌道運力僅為6.6噸,但預計單位運力成本顯著下降。歐空局認為,“下一代阿里安”能夠每年發射17發,搭配可復用的第一級,發射成本將下降到約5000美元/公斤??紤]到歐空局擁有豐富的氫氧發動機研發和使用經驗,必要時可為“下一代阿里安”整合先進氫氧上面級,大幅增強深空運載能力。

在載人航天方面,歐空局在20世紀90年代研制的赫爾墨斯航天飛機雖未成功,但借此擁有了一定的技術積累。未來,歐空局的載人航天項目將重點發展“革命性創新智能上面級”。這是一種多用途可重復使用軌道器,擁有再入段的氣動控制舵面,繼承了赫爾墨斯航天飛機的技術“基因”。同時,它采用垂直反推著陸技術,不需要跑道供滑翔降落,也未配備大翼面,似乎與“星艦”殊途同歸。歐空局認為,相比降落傘著陸模式,這樣可以降低單點失效的可能性。

預計該軌道器重達25噸,擁有40立方米加壓空間,可搭載7噸貨物或5名航天員,將由阿里安6火箭發射入軌,如果搭配新一代可回收復用火箭,還能進一步提高經濟性。

由于其規模較小,使得整體逃逸方案比較可行,創新的氣動設計使得結構和防熱代價也相對較小,又保留了升力體構型再入過載小的優點,體現了歐空局在載人航天飛行器領域的獨到眼光:在充分利用自身相對全面的技術體系基礎上,根據發展需求,重新優化組合,實現整體創新。

困難重重 有待克服

雖然歐空局提出了宏偉愿景,但分析歐空局的現狀可知,其面臨著多方面困難,不能盲目樂觀。

長期以來,歐空局的航天項目大多由官方撥款主導業航天關注不足。,而歐空局近對更具活力的商10多年來的發展宗旨似乎不是努力降低發射成本,獲得更大利潤、更強的商業競爭力和更突出的成就,而是希望帶動歐盟就業,爭取成員國追加投資。

例如,阿里安6火箭項目存在的重要意義是,通過維持自主發射能力,“捆綁”成員國相關產業鏈,獲得更多資金扶持,這也是該火箭項目投資超過40億歐元卻反復推遲的原因。

阿里安6火箭發射不斷推遲

與此同時,需要高投入的空間科學項目只獲得了10多億歐元撥款,導致雅典娜X射線空間望遠鏡任務也持續推遲。

顯然,如果歐空局不能調整資源分配狀況,其宏大愿景的相當一部分仍將面臨不斷推遲甚至取消的尷尬。

再認真分析阿里安6火箭研制過程,不難發現,歐空局內部分工也有問題。傳統上,歐空局的液體火箭技術來自法德兩國,固體火箭技術來自意法兩國。由于火箭構型方案會直接影響各國航天工業利益,長期以來德國主推各種純液體火箭方案,但是出于維持固體助推器生產線以及平衡各國影響力的考慮,法國支持構型復雜、生產鏈條長的火箭設計。這就是阿里安6火箭在各種構型之間來回“搖擺”的根源,導致構型設計遲遲無法實現最優解。

在歐空局強調將重點發力的載人航天領域,在技術路線選擇上也遭遇爭議。有評論認為,歐空局雖然宣示要搶占載人航天高地,帶動經濟發展,但其提出的載人航天方案往往因為技術難度太大,不能快速突破,卻在超支和延期中被迫終結。

例如,通過研發一款低成本的載人飛船,實現人員快速到達和運輸補給國際空間站,是一種切實可行的技術路徑。但歐空局長期以來追隨美國技術路線,在升力體方案研究中花費了較多精力,反而缺乏返回式衛星開發經驗,飛船技術儲備不足。

至于滑翔再入、反推著陸的“革命性創新智能上面級”方案,技術難度明顯較大,恐怕難以避免超支、超重、延期等挑戰。如果歐空局不能平衡好內部利益分配,輕率地立項開發,很可能像“赫爾墨斯”那樣功敗垂成。

總之,歐空局雖然提出了宏偉愿景,但外部面臨強大的競爭者,內部需解決持續投入、合理分配、提高效率的難題,究竟能有多少落到實處,仍然值得觀察。(作者:張晨 把關專家:中國航天科技集團科技委副主任 江帆)


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