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2023年06月

火箭换代、送人飞天,欧空局努力争先

来源:宁夏科协   作者:宁夏科协

  6月初,欧空局宣布将在伽利略导航系统、新型火箭、载人航天、深空探测等领域发力,力争夺取或保持技术领先地位,促进航天产业发展和战略影响力。那么欧空局正在重点推进哪些航天项目?面临哪些挑战?未来欧空局航天事业前景如何呢?

  多路推进 展现雄心

  作为国际航天领域的传统强者,欧空局不仅维持着独立的卫星导航系统、天基多用途观测系统,还在新型运载火箭、载人航天、深空探测等领域重点发力,追求领先。

  随着主力运载火箭阿里安5系列即将退役,欧空局投入大量资金开发阿里安6火箭,力争2024年首飞。

  此外,欧空局积极推进织女星-E火箭开发工作,除持续改进前两级的固体火箭发动机外,又计划使用新型液氧甲烷发动机作为末级动力,以便其提升性能,更好地满足中小卫星发射需求。

  同时,欧空局积极推动下一代可回收复用火箭项目研发,不仅和日本合作研制卡利斯托复用演示火箭,还在独立研制更大的忒弥斯复用演示火箭。

  研发火箭,动力先行。2022年11月,欧空局的百吨级液氧甲烷火箭发动机“普罗米修斯”完成了首次整机热试车。该发动机将用于忒弥斯复用演示火箭和“下一代阿里安”项目,相关技术还计划用于改进阿里安6火箭,提升国际市场竞争力。

  鉴于伽利略卫星导航系统面临补网和升级需求,欧空局计划由“猎鹰9”“阿里安6”等火箭发射新一代导航卫星。与此同时,欧空局正在推进IRIS2低轨道宽带星座建设,有望应用量子通信技术。

  在载人航天方面,欧空局正积极参与“阿尔忒弥斯计划”,为猎户座载人飞船提供了推进舱,还为SLS重型火箭供应了部分组件。对于计划明年开始在轨组建的绕月空间站,欧空局与日本合作研制了部分舱段,还将负责在轨加注模块,以便支持载人登月舱,欧空局借此获得了3次航天员前往月球的机会。

  值得注意的是,欧空局提出了可重复使用的载人/货运飞船研发计划,希望能够建设成独立自主的载人航天体系。

  作为“旗舰级”重点项目,欧空局正在积极推动深空探测任务。4月14日,阿里安5火箭将木星冰月探测器送入预定轨道。预计该探测器经历一系列行星飞越后,将在2031年抵达木星系,并在2033年泊入木卫三环绕轨道。

  与此同时,欧空局正在紧张筹备即将于2024年发射的赫拉号小行星探测器,近距离观测被美国航天器撞击后的双小行星系统,研究抛撒物质。此外,欧空局规划了彗星拦截器、土卫二采样返回等颇具挑战性的深空任务,并在抓紧开展研究。

  除了和美国在韦伯空间望远镜项目上展开合作外,欧空局也在推进自己的深空天文项目。不过,受火箭换代延迟影响,欧空局已将欧几里得巡天望远镜交由猎鹰9火箭发射,而雅典娜X射线空间望远镜、柏拉图系外行星巡天望远镜等项目也在推进中。

  欧空局的多个空间望远镜项目面临拖延或降低配置

  调整思路 应对挑战

  近年来,国际形势变化给欧空局造成了不小的冲击。

  一方面,俄乌冲突破坏了国际航天产品供应链,迫使欧空局和俄罗斯中止大部分航天合作,拖延了一系列发射任务。

  另一方面,阿里安6火箭研发不顺,织女星系列火箭遭遇失败,国际静止轨道市场萎缩,猎鹰9火箭等航天新势力崛起……在此影响下,欧空局丧失了大量航天发射市场份额。因此,欧空局有必要转变思路,重点发展低成本综合商业发射能力和政府支持的重大任务,应对复杂挑战。

  在降低任务成本方面,欧空局提出了“下一代阿里安”项目。虽然这款火箭的同步转移轨道运力仅为6.6吨,但预计单位运力成本显著下降。欧空局认为,“下一代阿里安”能够每年发射17发,搭配可复用的第一级,发射成本将下降到约5000美元/公斤。考虑到欧空局拥有丰富的氢氧发动机研发和使用经验,必要时可为“下一代阿里安”整合先进氢氧上面级,大幅增强深空运载能力。

  在载人航天方面,欧空局在20世纪90年代研制的赫尔墨斯航天飞机虽未成功,但借此拥有了一定的技术积累。未来,欧空局的载人航天项目将重点发展“革命性创新智能上面级”。这是一种多用途可重复使用轨道器,拥有再入段的气动控制舵面,继承了赫尔墨斯航天飞机的技术“基因”。同时,它采用垂直反推着陆技术,不需要跑道供滑翔降落,也未配备大翼面,似乎与“星舰”殊途同归。欧空局认为,相比降落伞着陆模式,这样可以降低单点失效的可能性。

  预计该轨道器重达25吨,拥有40立方米加压空间,可搭载7吨货物或5名航天员,将由阿里安6火箭发射入轨,如果搭配新一代可回收复用火箭,还能进一步提高经济性。

  由于其规模较小,使得整体逃逸方案比较可行,创新的气动设计使得结构和防热代价也相对较小,又保留了升力体构型再入过载小的优点,体现了欧空局在载人航天飞行器领域的独到眼光:在充分利用自身相对全面的技术体系基础上,根据发展需求,重新优化组合,实现整体创新。

  困难重重 有待克服

  虽然欧空局提出了宏伟愿景,但分析欧空局的现状可知,其面临着多方面困难,不能盲目乐观。

  长期以来,欧空局的航天项目大多由官方拨款主导业航天关注不足。,而欧空局近对更具活力的商10多年来的发展宗旨似乎不是努力降低发射成本,获得更大利润、更强的商业竞争力和更突出的成就,而是希望带动欧盟就业,争取成员国追加投资。

  例如,阿里安6火箭项目存在的重要意义是,通过维持自主发射能力,“捆绑”成员国相关产业链,获得更多资金扶持,这也是该火箭项目投资超过40亿欧元却反复推迟的原因。

  阿里安6火箭发射不断推迟

  与此同时,需要高投入的空间科学项目只获得了10多亿欧元拨款,导致雅典娜X射线空间望远镜任务也持续推迟。

  显然,如果欧空局不能调整资源分配状况,其宏大愿景的相当一部分仍将面临不断推迟甚至取消的尴尬。

  再认真分析阿里安6火箭研制过程,不难发现,欧空局内部分工也有问题。传统上,欧空局的液体火箭技术来自法德两国,固体火箭技术来自意法两国。由于火箭构型方案会直接影响各国航天工业利益,长期以来德国主推各种纯液体火箭方案,但是出于维持固体助推器生产线以及平衡各国影响力的考虑,法国支持构型复杂、生产链条长的火箭设计。这就是阿里安6火箭在各种构型之间来回“摇摆”的根源,导致构型设计迟迟无法实现最优解。

  在欧空局强调将重点发力的载人航天领域,在技术路线选择上也遭遇争议。有评论认为,欧空局虽然宣示要抢占载人航天高地,带动经济发展,但其提出的载人航天方案往往因为技术难度太大,不能快速突破,却在超支和延期中被迫终结。

  例如,通过研发一款低成本的载人飞船,实现人员快速到达和运输补给国际空间站,是一种切实可行的技术路径。但欧空局长期以来追随美国技术路线,在升力体方案研究中花费了较多精力,反而缺乏返回式卫星开发经验,飞船技术储备不足。

  至于滑翔再入、反推着陆的“革命性创新智能上面级”方案,技术难度明显较大,恐怕难以避免超支、超重、延期等挑战。如果欧空局不能平衡好内部利益分配,轻率地立项开发,很可能像“赫尔墨斯”那样功败垂成。

  总之,欧空局虽然提出了宏伟愿景,但外部面临强大的竞争者,内部需解决持续投入、合理分配、提高效率的难题,究竟能有多少落到实处,仍然值得观察。