“織女星”火箭：小塊頭的大價(jià)值

□ 波 特 辛 克

在夜幕中升空的“織女星”運(yùn)載火箭

歐空局終于等來了小巧的新“玩具”——“織女星（Vega）”運(yùn)載火箭。2012年2月13日，“織女星”攜帶著9顆衛(wèi)星，從法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射中心發(fā)射升空。這是歐洲近20年來開發(fā)的第一枚新型火箭。兩小時(shí)后，歐空局宣布，這一以檢驗(yàn)為主要目的的首次發(fā)射取得圓滿成功。由此，“織女星”小型火箭為加入“阿里安”大型火箭和歐版“聯(lián)盟” 中型火箭的歐洲火箭“家族”做好了準(zhǔn)備，與它們形成互補(bǔ)，填補(bǔ)了歐洲小型運(yùn)載火箭的空白，使得歐洲具有了大中小三種類型火箭，能夠滿足各類發(fā)射需求。

小衛(wèi)星需要小火箭

在“織女星”運(yùn)載火箭沒有加入歐空局的發(fā)射場時(shí)，歐洲主要依靠阿里安5型重型運(yùn)載火箭來執(zhí)行發(fā)射衛(wèi)星等太空任務(wù)。阿里安5型能夠把6噸左右的衛(wèi)星送上天去，推力足夠大，但如果用這個(gè)發(fā)射時(shí)總重700多噸的大塊頭來發(fā)射小型衛(wèi)星，則有“高射炮打蚊子”之嫌，浪費(fèi)了寶貴的航天資源。

歐空局的補(bǔ)救措施之一是，對(duì)于發(fā)射中型衛(wèi)星這樣的任務(wù)，借用俄羅斯的“聯(lián)盟”系列火箭，他們從俄羅斯方面獲得了“聯(lián)盟”火箭的部分市場經(jīng)營權(quán)，這在一定程度彌補(bǔ)了阿里安5型的缺陷。

但“聯(lián)盟”系列火箭對(duì)于目前日漸流行的小衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)來說，還是很浪費(fèi)資源。于是早在2003年，“織女星”小型運(yùn)載火箭的研發(fā)項(xiàng)目就浮出水面。這一項(xiàng)目耗資7.76億歐元，其中意大利出資60%，法國投資25%，西班牙、比利時(shí)、荷蘭、瑞士及瑞典等歐空局成員國也參加了這個(gè)項(xiàng)目。歐空局還將投資4億歐元用于“織女星”驗(yàn)證項(xiàng)目，包括2013～2015年5次發(fā)射政府有效載荷。歐空局局長多爾丹說：“對(duì)歐空局及其成員國，尤其是‘織女星’誕生地意大利，對(duì)整個(gè)歐洲航天工業(yè)，這是偉大的一天。”

“織女星”火箭全長30米，發(fā)射時(shí)總重為138噸，只是阿里安5型運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)總重的六分之一多一點(diǎn)兒。它屬于四級(jí)火箭，其中前三級(jí)使用固體燃料推進(jìn)，第四級(jí)使用液體燃料，可以多次點(diǎn)火。雖然名為小型運(yùn)載火箭，其實(shí)“織女星”的運(yùn)載能力還是較寬的，從300千克到2500千克都可搭載，它可以把1500千克的有效載荷送入距地球700千米的極地軌道，也可以把1200千克的有效載荷送入距地球1200千米的太陽同步軌道。所以，它也能發(fā)射一些小型天文衛(wèi)星。

對(duì)此，美國專家表示：作為目前世界上投入使用的小型運(yùn)載火箭之一，“織女星”火箭是很有希望的，因?yàn)槊绹壍揽茖W(xué)公司建造的“金牛座”小型運(yùn)載火箭現(xiàn)在已經(jīng)陷入困境，它在近年發(fā)射“軌道碳觀測” 衛(wèi)星與榮譽(yù)號(hào)大氣懸浮顆粒物探測衛(wèi)星時(shí)均因火箭故障而箭毀星亡。

“激光相對(duì)論衛(wèi)星”

“激光相對(duì)論衛(wèi)星”和母校衛(wèi)星－1

9顆小星星

首次升空的“織女星”火箭攜帶了9顆科學(xué)衛(wèi)星，其中的主要衛(wèi)星是意大利航天局研制的“激光相對(duì)論衛(wèi)星”（Lares），它的質(zhì)量為390千克，旨在通過計(jì)算激光收發(fā)時(shí)間，來測量驗(yàn)證廣義相對(duì)論中的蘭斯－蒂林效應(yīng)。另一顆主要衛(wèi)星是博洛尼亞大學(xué)研制的母校衛(wèi)星－1(AlmaSat-1)，用于試驗(yàn)新型民用地球觀測技術(shù)。另外7顆衛(wèi)星是由歐洲大學(xué)提供的質(zhì)量不超過1千克的皮衛(wèi)星，如意大利理工學(xué)院設(shè)計(jì)的小衛(wèi)星e-st@r，布加勒斯特大學(xué)研制的“格里亞特”（Goliat）衛(wèi)星，匈牙利的匈牙利衛(wèi)星－1（MaSat－1），波蘭的第1顆微衛(wèi)星PW-Sat-1，法國蒙彼利埃大學(xué)的雙極輻射試驗(yàn)衛(wèi)星ROBUSTA（用于試驗(yàn)暴露在惡劣太空輻射環(huán)境中的雙極晶體管電子元件），意大利的“聯(lián)合立方體衛(wèi)星”（ UNICubeSAT ），以及西班牙航空標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)與比戈大學(xué)共同研制的XaTcobeo衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星都將進(jìn)行獨(dú)立的試驗(yàn)。

幫助驗(yàn)證相對(duì)論的“激光相對(duì)論衛(wèi)星”是1顆低成本圓球形探測衛(wèi)星，僅耗資1000萬美元，但其探測精度將比此前美國航宇局發(fā)射的引力探測器-B衛(wèi)星（耗資8億美元）高出幾乎100倍。其主體是一個(gè)堅(jiān)固的金屬球，用鎢金屬制成，直徑有35.5厘米。這個(gè)圓球的表面分布著92個(gè)洞，在軌工作時(shí)，將由地基激光進(jìn)行反射式跟蹤，以便當(dāng)它在太空飛行時(shí)地面的激光追蹤網(wǎng)絡(luò)能夠跟蹤其在軌道上的精確位置，精度可達(dá)毫米級(jí)。

“織女星”運(yùn)載火箭飛行時(shí)序

廣義相對(duì)論認(rèn)為引力的產(chǎn)生源于時(shí)空的曲率，如果該理論是正確的，則地球的轉(zhuǎn)動(dòng)將拖帶著周圍時(shí)空一起旋轉(zhuǎn)，因此會(huì)擾動(dòng)衛(wèi)星軌道，即地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性系拖曳效應(yīng)會(huì)讓衛(wèi)星的軌道產(chǎn)生輕微進(jìn)動(dòng)，這是由于衛(wèi)星被隨地球自轉(zhuǎn)扭曲的時(shí)空帶動(dòng)產(chǎn)生的效應(yīng)。

雖然廣義相對(duì)論是目前普遍接受的引力理論，但是如果采用更加精確的測量系統(tǒng)，它可能會(huì)出現(xiàn)瑕疵。已上天的美國引力探測-B衛(wèi)星剛?cè)胲壧綔y到了“慣性系拖曳效應(yīng)”(Frame dragging)，測量軌道變化值的精度在10%之內(nèi)，但目前的測量軌道變化值的精度為19%，這可能是引力探測-B衛(wèi)星出現(xiàn)了技術(shù)問題。所以，歐空局的研究人員希望“激光相對(duì)論衛(wèi)星”能取得1%的軌道變化精度，這也是該衛(wèi)星制造方意大利航天局所期待的。

由于“激光相對(duì)論衛(wèi)星”運(yùn)行在距離地面1450千米的高軌道上，所以這里的大氣拖拽效應(yīng)本身非常微弱，并且這一高密度球體衛(wèi)星受到太陽光壓的影響很微小，幾乎可以忽略不計(jì)。還有其它因素，如地球本身并非一個(gè)理想球體，實(shí)際上導(dǎo)致的衛(wèi)星進(jìn)動(dòng)幅度更大，大約3年左右就可以讓衛(wèi)星運(yùn)行軌道偏移一周。但是研究人員將會(huì)使用各種數(shù)據(jù)分析手段，并參考之前各項(xiàng)任務(wù)的數(shù)據(jù)，從而從這些背景數(shù)據(jù)中篩選出由于慣性系拖曳效應(yīng)導(dǎo)致的誤差值。

“激光相對(duì)論衛(wèi)星”將在未來數(shù)年內(nèi)連續(xù)發(fā)回有關(guān)慣性系拖曳效應(yīng)的測量數(shù)據(jù)。在一年的時(shí)間內(nèi)，這種效應(yīng)預(yù)計(jì)將導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行軌道傾角出現(xiàn)大約千萬分之一的誤差，也就是說大約經(jīng)過1000萬年后，由慣性系拖曳效應(yīng)導(dǎo)致的誤差將可以致使衛(wèi)星的運(yùn)行軌道圍繞地球整個(gè)翻轉(zhuǎn)一圈。除了角度之外，在一年內(nèi)衛(wèi)星的位置也將出現(xiàn)大約4米的誤差，這一誤差可以由地面激光測量監(jiān)視系統(tǒng)精確地測出，其誤差將小于1%。

波蘭的第1顆微衛(wèi)星PW-Sat-1

匈牙利衛(wèi)星－1

愛因斯坦的廣義相對(duì)論或許仍將通過本輪測試。但科學(xué)家們相信廣義相對(duì)論最終必定會(huì)失效，但是是在非常微觀的尺度上，在這一尺度上量子理論開始發(fā)揮作用。當(dāng)然，在科學(xué)上很多事情仍然是無法做出非?？隙ǖ臄嘌缘摹Ｈ鹄嵴f：“在過去的100年里，愛因斯坦的廣義相對(duì)論已經(jīng)經(jīng)受住了無數(shù)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，但是這一切并不是就意味著我們應(yīng)當(dāng)停止這樣的檢驗(yàn)?！?/p>

發(fā)射成本決定商業(yè)價(jià)值

“織女星”發(fā)射成功，終于填補(bǔ)了歐洲在小型運(yùn)載火箭方面的空白。從此之后歐洲至少在名義上擁有了大中小三種類型的運(yùn)載火箭，已經(jīng)擁有了可以滿足各種發(fā)射任務(wù)所需要的運(yùn)載火箭，任務(wù)從發(fā)射小型的科學(xué)和地球觀測衛(wèi)星，到發(fā)射飛向國際空間站的貨運(yùn)飛船。

“織女星”運(yùn)載火箭未來將要發(fā)射的哨兵-2（Sentinel-2）在軌飛行示意圖

安裝“織女星”火箭的有效載荷

根據(jù)歐空局發(fā)射主任安東尼奧·法布里茨的說法，織女星將主要用于發(fā)射地球觀測衛(wèi)星。天文學(xué)衛(wèi)星目前的趨勢是越來越大了，但對(duì)于地球觀測衛(wèi)星來說，趨勢恰好是相反的?？萍嫉倪M(jìn)步讓小衛(wèi)星同樣可以做許多事情，比如一些立方體衛(wèi)星和其他微型衛(wèi)星就可以作為“乘客”搭載“織女星”上天，“織女星”上有足夠的空間安置這些小衛(wèi)星，這給許多經(jīng)費(fèi)有限的大學(xué)科研機(jī)構(gòu)提供了發(fā)射低成本衛(wèi)星的機(jī)會(huì)。

不過，與阿里安-5火箭和歐版“聯(lián)盟”火箭不同，“織女星”并非完全為商業(yè)發(fā)射市場研制，用于發(fā)射政府和商用小型有效載荷，作為“阿里安”5大型火箭和歐版“聯(lián)盟”中型火箭的補(bǔ)充。其業(yè)務(wù)模式是每年為歐洲政府提供1～2次發(fā)射。歐空局負(fù)責(zé)安排它來發(fā)射科學(xué)衛(wèi)星與對(duì)地觀測衛(wèi)星。在進(jìn)行了5次發(fā)射任務(wù)之后，“織女星” 將在2014年進(jìn)行整流罩以及隔熱系統(tǒng)的測試，為將來可能實(shí)施的歐洲載人航天任務(wù)做準(zhǔn)備。它還將執(zhí)行兩次商業(yè)任務(wù)，即在2014～2016年間發(fā)射歐洲“全球環(huán)境與安全監(jiān)視”計(jì)劃（GMES）中的兩顆“哨兵”衛(wèi)星。

“織女星”運(yùn)載火箭發(fā)射臺(tái)是在阿里安-1火箭發(fā)射臺(tái)的基礎(chǔ)上改建的

可惜的是，雖然在發(fā)射市場上通信衛(wèi)星是最賺錢的領(lǐng)域，但“織女星”不會(huì)發(fā)射通信衛(wèi)星，因?yàn)樽鳛樾⌒瓦\(yùn)載火箭，它無法到達(dá)通信衛(wèi)星所需的工作軌道。此外，為了滿足搭載小衛(wèi)星的需求，“織女星”還得進(jìn)行一些改進(jìn)。就算是發(fā)射小型、微型衛(wèi)星，剛剛登場亮相的“織女星”同樣需要進(jìn)行多次昂貴的測試實(shí)驗(yàn)，以確保技術(shù)上沒有問題。

四周裝有避雷設(shè)施的“織女星”運(yùn)載火箭發(fā)射臺(tái)

即便如此，“織女星”的第一份商業(yè)合同已經(jīng)簽署了，阿里安空間公司在去年12月決定，將利用“織女星”發(fā)射兩顆全球環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星。發(fā)射成本相對(duì)于歐洲原有運(yùn)載火箭更低廉，這應(yīng)該是“織女星”未來商業(yè)運(yùn)營的最大優(yōu)勢。

今后，歐洲將綜合采用“阿里安”5火箭和“織女星”火箭技術(shù)，研制用于取代“聯(lián)盟”ST的新型中型火箭，并研制改進(jìn)型“織女星”火箭“天琴座”（LYRA），“天琴座”的第3、4級(jí)擬用低成本的液氧和甲烷作推進(jìn)劑，采用新型制導(dǎo)系統(tǒng)，其極軌運(yùn)載能力將提高到2噸。

相關(guān)鏈接

固體發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)主力

“織女星”火箭的前3級(jí)火箭均采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)，采用端羥基聚丁二烯；第4級(jí)采用液體發(fā)動(dòng)機(jī)，采用偏二甲肼。

第1級(jí)長為10.5米，直徑為3米，質(zhì)量為95噸（推進(jìn)劑質(zhì)量占88噸），推力為3040千牛，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為P80FW，比沖為2744米/秒。P80FW采用了先進(jìn)的低成本技術(shù)，具有較高的性能，不但可用于“織女星”火箭，而且改進(jìn)后還將用作“阿里安”5固體助推器，是該火箭研制的重點(diǎn)。采用了一些新技術(shù)，如內(nèi)部熱防護(hù)采用低密度三元乙丙橡膠，使用低成本和輕型碳酚醛材料，3 米直徑的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維纏繞殼體，推進(jìn)劑為低比例黏合劑和高比例鋁粉配置，鋰離子電池的機(jī)電式推力矢量控制系統(tǒng)，可消耗殼體的點(diǎn)火器等。除P80FW發(fā)動(dòng)機(jī)外，第1級(jí)還包括一二級(jí)的級(jí)間段，尾段和電纜槽。

采用P80發(fā)動(dòng)機(jī)的第1級(jí)

第2級(jí)長為7.5米，直徑為1.9米，質(zhì)量為25.8噸（推進(jìn)劑質(zhì)量占23.9噸），推力為1200千牛，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為Zefiro23，比沖為2832米/秒。它由Zefiro 23發(fā)動(dòng)機(jī)和二、三子級(jí)級(jí)間段組成，其中的Zefiro-23發(fā)動(dòng)機(jī)由一個(gè)直徑為1.9 米的碳纖維環(huán)氧絲纏繞殼體、端羥基聚丁二烯復(fù)合推進(jìn)劑、采用柔性接頭技術(shù)的噴管、低密度三元乙丙橡膠熱防護(hù)、可消耗的點(diǎn)火器和機(jī)電式推力矢量控制系統(tǒng)等組成。

第3級(jí)長為3.85米，直徑為1.9米，質(zhì)量為10.95噸（推進(jìn)劑質(zhì)量占10.1噸），推力為213千牛，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為Zefiro-9，比沖為2891米/秒。它由Zefiro-9發(fā)動(dòng)機(jī)和二、三級(jí)間段組成，殼體材料與第1、2級(jí)相同，噴管與第2級(jí)相似，采用三維碳/碳喉部、碳/酚醛復(fù)合材料擴(kuò)散段和自保護(hù)的柔性接頭，最大擺角可達(dá)6°。第2級(jí)和底級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)都是由Zef i ro -16發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來。

作為上面級(jí)的第4級(jí)由外裙、推進(jìn)艙和儀器艙組成，位于第3級(jí)和有效載荷艙之間，提供有效載荷支架、整流罩和第3級(jí)分離系統(tǒng)間的機(jī)械接口。它長為1.74米，直徑為1.9米，質(zhì)量為0.97噸（推進(jìn)劑質(zhì)量占0.55噸），推力為2.45千牛，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為AVUM，比沖為3092米/秒。該液體推進(jìn)系統(tǒng)主要采用現(xiàn)有的組件和技術(shù)，特別是采用烏克蘭可多次啟動(dòng)的RD-869雙組元推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)和俄羅斯聚合材料囊式貯箱方案，配有壓力調(diào)節(jié)輸送系統(tǒng)。推進(jìn)劑儲(chǔ)存在4個(gè)相同的142升囊式鈦合金貯箱中，2個(gè)儲(chǔ)存氧化劑四氧化二氮，2個(gè)儲(chǔ)存燃料偏二甲肼。主發(fā)動(dòng)機(jī)至少可點(diǎn)火5次，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)飛行單星發(fā)射時(shí)，設(shè)定為3次點(diǎn)火程序。

采用Zef i ro-23發(fā)動(dòng)機(jī)的第2級(jí)

該火箭的大部分電子設(shè)備都安裝在AVUM上面級(jí)儀器艙中。所以，它主要用于對(duì)前3級(jí)火箭實(shí)施姿態(tài)和軌道控制，完成有效載荷入軌、提高入軌精度、進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)和有效載荷分離。其制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)使用由阿里安-5改進(jìn)而來的慣性測量裝置?；鸺淖藨B(tài)控制由AVUM的6個(gè)冷氣（氮?dú)猓┩屏ζ魍瓿伞Ｔ诨鸺w行中，對(duì)第1、2級(jí)的制導(dǎo)按預(yù)先確定的飛行程序進(jìn)行。在第3級(jí)和AVUM飛行時(shí)，箭載計(jì)算機(jī)確定一個(gè)最優(yōu)制導(dǎo)方式，控制火箭到達(dá)目標(biāo)軌道。飛行中AUVM箭載計(jì)算機(jī)能夠修正上升飛行中的偏差。

采用Zef i ro-9發(fā)動(dòng)機(jī)的第3級(jí)

吊裝第4級(jí)

“織女星”火箭的上面級(jí)與整流罩

“織女星”火箭的整流罩長7.18米，直徑2.6米，有效載荷容積為20米3，質(zhì)量為470千克。它采用傳統(tǒng)的兩半罩，用包帶連接和分離。整流罩結(jié)構(gòu)為鋁蜂窩夾芯和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮，在火箭飛出大氣層后被拋掉。