阿里安5退役，欧洲火箭传奇落幕

北京时间7月6日6时，阿里安5火箭从法属圭亚那库鲁发射场ELA-3工位点火升空，成功发射两颗通信卫星。

最后的阿里安5火箭

文 | 张雪松

6月15日，阿里安航天公司宣布由于火工品传输线问题，推迟原定于6月16日发射的阿里安5火箭，这次发射任务是阿里安5（Ariane 5）火箭第117次、也是最后一次发射。7月6日，阿里安5火箭在完成最后一次发射后正式退役，一代名箭的辉煌就此曲终人散。

由于接替者阿里安6火箭的研发进度不断延迟，预计要到2024年初才能进行首次发射，随着阿里安5火箭的退役，欧洲空间局（ESA）将暂时失去发射大型卫星的能力，这就更让人对劳苦功高的阿里安5火箭感慨万千了。

阿里安5火箭最后一次发射任务海报

人们在最后一发阿里安5火箭箭体上绘制了四叶草图形并签名

阿里安5火箭的诞生

阿里安5火箭属于著名的阿里安运载火箭家族。欧洲在二战后就一直试图发展独立的航天发射能力，早期的努力包括欧洲运载火箭研制发展组织（ELDO）研制的欧罗巴（Europa运载火箭，欧罗巴火箭使用英国蓝光中程液体弹道导弹做第一级，法国和德国分别提供二、三级。遗憾的是，欧罗巴火箭试验中屡屡失败，英国又由于政治原因退出合作，欧洲运载火箭的发展不得不另起炉灶。新成立的欧洲空间局决定以法国的钻石号火箭为基础，最终研制出阿里安1运载火箭。为了满足不断增强的卫星发射需求，欧洲空间局又陆续研制了增强型阿里安2火箭，捆绑2个固体助推器的阿里安3火箭，捆绑多个固体或液体助推器的阿里安4火箭。

第一代阿里安火箭不仅满足了欧洲独立发射卫星的需求，而且由于苏联没有进入商业发射市场，美国退役一次性火箭但航天飞机又出现事故，成熟可靠的阿里安4火箭乘势填补了发射能力的空白，在国际商业发射市场上取得了空前的成功。

然而，随着航天技术和需求的进一步发展，第一代阿里安火箭不仅技术相对落后，性能也逐渐无法满足需求。20世纪80年代的研究认为，通信卫星正在向大型化方向发展，虽然当时只有约25%的通信卫星超过2吨，但预计到1995年前后，超过50%通信卫星质量将达到2-2.5吨，未来通信卫星还会进一步增重。但第一代阿里安火箭中运力最强的阿里安44L火箭的同步转移轨道运力只有4.8吨，如果无法一箭双星发射卫星，将失去商业竞争力，而阿里安火箭也需要进一步降低单位发射成本，应对美俄中运载火箭的竞争。另外，更大的卫星尺寸也更大，未来卫星直径可达4.5米左右，而阿里安4火箭的整流罩只能容纳3.65米直径的卫星，这就更是无法满足商业需求了。此外，欧洲空间局还有独立开展空间活动的需求，无论是参与美国自由号空间站项目，发射18吨级的哥伦布轨道舱和自由飞平台，还是建立独立的载人航天活动能力，发射21赫尔墨斯号小型航天飞机，都无法以改进阿里安4火箭来将就，必须研制新的大型运载火箭。

退役前进行最后一次发射的阿里安44L运载火箭

1987年，欧洲空间局开始研制第二代阿里安火箭，这就是欧洲航天接下来二十年的中流砥柱——阿里安5火箭。

为了满足发射6.8吨重的单星或双星的需要，尤其是发射21吨级的赫尔墨斯号航天飞机的要求，全新设计的阿里安5火箭使用新研制的火神大推力液氧液氢发动机，以及大推力的固体助推器。两枚大推力固体助推器+大直径液体火箭芯级的基本设计，兼顾了大推力和高比冲，为阿里安5火箭的大运力奠定了坚实的基础。

阿里安5火箭的氢氧EPC（法语缩写，意为低温芯级）

阿里安5火箭的EAP固体助推器

阿里安5火箭基本型为G型，低温液体芯级直径5.4米，高度23.8米（无发动机）/30.5米（带发动机），固体助推器直径3米，高度31.6米，根据5.4米直径整流罩长短的不同，火箭总高度从46.1米到50.4米不等。

阿里安5火箭最初使用的ESP常温上面级

阿里安5G火箭上面级最初使用性能较低的EPS常温上面级，EPS使用甲基肼/四氧化二氮（MMH/N2O4）推进剂的潮汐（Aestus）发动机，而且不具备二次启动能力，实际上削足适履控制了阿里安5火箭的运载能力，以避免同步转移轨道运力过大，反而影响承接发射任务。冷战结束后，欧洲空间局取消了赫尔墨斯航天飞机项目，阿里安5火箭此后主要用于发射商业通信卫星和ATV货运飞船。

早期多次失败，阿里安5火箭的曲折开局

阿里安5火箭的性能和技术水平比之第一代阿里安火箭有了飞跃性的进步，但相比研发顺风顺水的阿里安4火箭，阿里安5火箭的发射之路可谓一波三折，走向成熟和成功的过程相当曲折。

1996年6月，第一枚阿里安5号屹立在位于法属圭亚那的库鲁航天中心，可惜首飞出师不利，火箭升空后仅37.1秒就失控并自毁爆炸。

1996年，阿里安5火箭首飞当空爆炸

工程师们进行全面的检查后发现，故障来自阿里安5火箭的制导控制软件。虽然阿里安5火箭的控制软件使用军用Ada语言编写，而Ada是美国国防部推荐，以语法严谨著称的编程语言，但正如哪怕语言再严谨也避免不了“说错话”，使用Ada语言编写的阿里安5控制软件出了一个意料之外的差错：代码中有一行是把火箭的水平偏移量从64位浮点数转化为16位带符号整数的语句，导致发射后火箭失控。

这段控制代码最初是为阿里安4火箭编写的，目的是火箭地面发射准备阶段出现意外后，还能快速恢复到发射倒计时模式。1989年阿里安4火箭的第33次发射中，就激活了这项快速复位功能。阿里安4火箭以113次成功创下了97.45%的高成功率，116次发射中快速复位程序从未出现问题。阿里安5火箭复用阿里安4火箭的部分子系统，无意中继承了这段程序，但它在阿里安5火箭首飞出现溢出错误，导致火箭误判飞行姿态开始横飞。火箭攻角过大被迫启动助推器和芯级分离，触发自毁系统，阿里安5火箭凌空爆炸。

欧洲航天工程师们根据各种信息复现了故障，发现这个低级错误实在令人哭笑不得：由于阿里安5火箭的发射准备程序和发射时序已经截然不同，这段阿里安4火箭上直接复制来的代码完全没有任何意义。更糟糕的是无用的代码触发了溢出错误，导致火箭失控自毁。

工程师们对阿里安5火箭全面查漏补缺，1997年10月30日阿里安5火箭进行了第二次发射，遗憾的是这次发射也没能完全成功，这次的问题来自火神主发动机。火神发动机工作时喷口内部流场不佳，喷口出现了螺旋涡流给发动机提供了一个滚转力矩，导致火箭出现异常的滚转，让芯级火神主发动机提前关机，虽然阿里安5火箭的EPS上面级工作正常，但它无法弥补芯一级提前关机带来的速度不足。最终，卫星虽然发射入轨而不是坠入大气层，但卫星从火箭分离时速度低于预期，没能进入预定轨道。

1998年10月21日，阿里安5火箭的第三次发射终于取得了圆满成功，随后开始承接商业发射任务，但它的厄运并没有到此为止。

2001年7月12日，阿里安5火箭上面级出现工作异常，最终，载荷中的Artemis卫星通过复杂的变轨完成了轨道提升，另一个载荷BSAT-2b卫星没能抢救进入预定轨道。

更糟糕的是，2002年12月11日，阿里安5ECA火箭首飞失败，ECA火箭使用了基于HM-7B液氧液氢发动机的低温上面级，首飞中是芯一级的火神2发动机冷却回路泄露，导致火箭偏航最后在发射3分钟后自毁。阿里安5ECA火箭首次鉴定发射失败后，又经过两年多的卧薪尝胆，才在2005年2月12日再次发射并获得圆满成功，但ECA型火箭首飞是阿里安5火箭早期的最后一次失败，随后阿里安5火箭开启它辉煌而传奇的历史。

阿里安5火箭的ESC-A低温上面级

阿里安5火箭的辉煌

阿里安5火箭首飞时间仅次于日本H-II火箭，是西方第二种投入使用的新一代运载火箭。阿里安5火箭经历了早期的挫折，逐步成熟后取代阿里安4火箭，作为欧洲空间局的主力运载火箭，成为欧洲航天的象征。

阿里安5火箭基本型号为阿里安5G，其同步转移轨道运力仅为6吨（一箭双星），近地轨道运力16吨，基本型经历了一次失败和两次部分失败，对比阿里安4的辉煌成功可以说灰头土脸。

为了发射更大的卫星，欧洲空间局还研制了增强型阿里安5G+火箭，它的芯一级加注量从155吨增加到158吨，并使用改进的EPS上面级，加注量从9.7吨增加到10吨，将同步转移轨道运力提升到约6.3吨（一箭双星）。理论上EPS L10的潮汐发动机还有二次启动能力，但库鲁发射场纬度很低，阿里安5G+火箭从未启用这一功能.

欧洲空间局在阿里安5尚未首飞的时候，就规划了第二代即阿里安5E系列火箭。阿里安5E系列芯一级使用改进的火神2发动机，提高了推力并降低成本，芯一级加注量增加到170吨级，固体助推器也从P238升级到P241，略微增加了装药量。

阿里安5ECA火箭使用新的低温上面级，包括阿里安4火箭的HM-7B发动机和加注量14.4吨（后期增加到约15吨）的氢氧推进剂，进一步提高了火箭运力，它最初就有约8.8吨（一箭双星）的同步转移轨道运力，后期改进后更是提高到10吨级，它在84次发射中仅有一次失败和一次部分失败，是阿里安5火箭最常见的型号，也是当之无愧的中流砥柱。

2002年，阿里安ECA火箭首飞失败后，部分ECA型火箭进行改造，芯级换用早期的火神发动机，芯级加注量也是G+型标准，上面级用G+型的EPS L10上面级，只有助推器仍然是新的P241，这就是阿里安5GS火箭。由于ECA型火箭的芯级增重明显，而加注量和G+型一致，死重增加导致阿里安5GS火箭的运载能力反而降低到地球同步转移轨道5.8吨（一箭双星），但阿里安5GS火箭6次发射全部成功。

为了发射服务国际空间站的ATV货运飞船，阿里安5火箭还发展出ES型号，它使用ECA型火箭的芯一级，以及改进的EPS上面级，具有超过20吨的近地轨道运力，包括5次ATV飞船任务在内的8次发射全部成功。

阿里安5G火箭虽然初期可靠性不佳，但整改后步入正轨，16次发射中只有一次失败和一次部分失败，成为一种可靠的运载火箭。阿里安5G+火箭只发射了三次，但首飞就是重量级的深空探测器罗塞塔号，为欧洲空间局的彗星探测任务铺平了道路。阿里安5GS火箭虽然运力降低，但可以承接阿里安4火箭的市场，一箭双星发射两颗3吨级卫星，比运力偏大的阿里安5ECA火箭更经济。随着卫星重量不断增加，主流通信卫星普遍达到4~6吨，阿里安5GS也随之退出历史舞台。第二代的阿里安5E系列中，阿里安5ES火箭主要用于发射ATV货运飞船，为欧洲空间局的国际空间站建设立下了汗马功劳，它还用于一箭四星发射伽利略导航卫星，3次发射中将12颗伽利略卫星送入23600千米高度的圆轨道，是伽利略系统快速完成组网的大功臣。

阿里安5火箭家族最重要的还是ECA型火箭，作为阿里安5火箭使用时间最长、发射数量最多的型号，ECA型是阿里安5火箭当之无愧的代表。阿里安5ECA火箭可靠性高运载能力强，能执行6吨级+3吨级，或是4吨级+4吨级等多种一箭双星发射，提高火箭发射任务的经济性和灵活性。阿里安5ECA火箭凭借高可靠性和经济性，成为前辈阿里安4火箭的接班人。如果说阿里安4火箭在商业市场上的巨大成功，是在美国航天飞机和一次性火箭青黄不接之际捡漏，阿里安5火箭就是堂堂正正地把美国新一代德尔塔4和宇宙神5火箭挤出了国际商业发射市场，这是欧洲在高科技的航天领域空前的辉煌纪录。阿里安5ECA火箭是最近20年国际商业发射市场上的主力运载火箭之一，也只有俄罗斯老式的质子号火箭，以及美国新兴的猎鹰九号火箭，凭借低廉的发射报价能与之竞争。阿里安5ECA火箭还承接了很多政府发射任务，包括MGS系列气象卫星，Skynet和Syracuse系列军用通信卫星,贝皮科伦坡水星探测器和木星冰月探测器，著名的赫歇尔和普朗克空间望远镜。毫不夸张地说，阿里安5火箭是最近20年欧洲航天计划的基石。

阿里安5ECA火箭以其高可靠性、大运载能力和大整流罩，还成为唯一能发射詹姆斯·韦伯太空望远镜的火箭，它也不负众望，在2021年圣诞节将研发造价超百亿美元的韦伯望远镜成功送入预定轨道。

阿里安5火箭承担过的传奇任务

传奇落幕

阿里安5火箭固然劳苦功高、成就辉煌，但它作为20世纪80年代研制的运载火箭，其基本设计和性能还是逐渐落伍了。虽然阿里安5火箭发射成本比阿里安4火箭大幅降低，商业上不惧怕俄罗斯质子号火箭的挑战，但面对美国新兴的猎鹰九号火箭，显然力不从心了。

猎鹰九号火箭的空前成功，挤压了阿里安5火箭的商业发射市场，为了应对这一挑战，欧洲空间局也提出了应对策略：

首先是研制阿里安5火箭中期升级型号即阿里安5ME。这其实就是被ECA首飞失败拖累，研制工作一拖再拖的阿里安5ECB型火箭。阿里安5ME火箭最主要的改进是使用新型低温上面级，上面级使用大推力、高比冲的芬奇发动机，氢氧加注量也比ECA型火箭的上面级有了大幅度增加，从而将同步转移轨道运力提高到12吨级，可以一箭双星发射5~6吨的大型卫星，提高商业竞争力。

其次是研制全新的阿里安6运载火箭。阿里安6火箭芯级使用新的火神2.1发动机，上面级沿用芬奇发动机，固体助推器改为2或4个固体助推器，以灵活调节运载能力，满足不同的发射运力需求。阿里安6火箭的固体助推器从织女星固体火箭发展而来，实际上就是最新的织女星C第一级P120C。总而言之，阿里安6火箭并不在意技术上的先进性和性能上的高指标，而是使用成熟技术，着重提高可靠性，降低成本。它有望将单位质量载荷的发射成本降低40-50%，具备和美国猎鹰九号火箭一决高下的能力。

阿里安6模拟图（图：Wikipedia）

按照欧洲空间局最初的设想，先研制阿里安5ME火箭，作为现有阿里安5ECA和新一代阿里安6火箭之间的过渡。当时阿里安5项目的两个主要投资者中，德国倾向于先研制阿里安5ME火箭，也就是先投资德国主导的芬奇发动机项目；而法国倾向于直接研制阿里安6火箭，优先法国主导的火神2.1发动机项目。

阿里安6火箭预计研发成本60多亿美元，但阿里安5ME火箭研制成本也要25亿美元，欧洲空间局没有足够的预算同时支持两个项目并行发展。2014年，欧空局决定冻结阿里安5ME火箭的研发，全力进行阿里安6火箭的研制工作。因此可以说，阿里安5火箭的丧钟，实际上早在9年前就已经敲响了，而当时孤注一掷投资阿里安6火箭，也埋下了今天阿里安5和阿里安6火箭之间青黄不接的祸根。

鉴于美国航天飞机和一次性火箭断档的教训，阿里安宇航公司一直宣传“发射连续性”，强调它是一家可信任的航天发射服务商。从阿里安4火箭到阿里安5火箭的过渡的确很连续，虽然阿里安5火箭首飞失败，第二次鉴定飞行也部分失败，但阿里安4火箭一直使用到2003年2月才退役，此时阿里安5火箭已经相当稳定，能够常态化执行各种航天发射任务。

然而今天，阿里安5到阿里安6火箭的过渡却出现了断档空白。最后的阿里安5火箭已经发射升空，谢幕退出航天舞台，但接班人还有待时日——阿里安6火箭原计划2020年首飞投入使用，而阿里安5火箭的发射任务会持续到2023年，研发部门当时认为，3年左右的过渡期是足够的。但阿里安6火箭的研制不断超期，叠加2020年开始的全球新冠大流行的冲击，火箭首飞已经推迟到2024年，导致欧洲暂时失去发射大型卫星的能力。

也许，阿里安5火箭谢幕时，是心有不甘的。

· 《卫星与网络》创始人：刘雨菲

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