用織女殘絲紡的閃耀光芒，打開歐洲火箭的嶄新篇章……

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研發(fā)背景

在1998年，ESA在其最新的五年計(jì)劃中提出了幾個(gè)規(guī)劃：開發(fā)一款近地軌道運(yùn)力1噸級(jí)的運(yùn)載火箭、提高阿麗亞娜5號(hào)火箭的運(yùn)載能力，以及重新強(qiáng)調(diào)與電信和科學(xué)項(xiàng)目行業(yè)的伙伴關(guān)系。

歐空局認(rèn)為小型發(fā)射器的開發(fā)是“完善歐洲發(fā)射能力范圍”所必需的。擬議中的Vega（意大利語(yǔ)為Vettore Europeo di Generazione Avanzata，故稱之為Vega，中文譯名為織女星運(yùn)載火箭）將具有向700km SSO（太陽(yáng)同步軌道）投送1噸有效載荷的能力。一級(jí)將基于Ariane 5固體助推器進(jìn)行改裝和研發(fā)，二、三級(jí)將基于意大利的Zefiro運(yùn)載火箭進(jìn)行改裝和研發(fā)。

首次發(fā)射

UTC時(shí)間2012年2月13日10:00，第一枚Vega運(yùn)載火箭從位于法屬圭亞那的庫(kù)魯航天發(fā)射中心起飛，將9顆衛(wèi)星送入了預(yù)定的近地軌道，發(fā)射成功。

發(fā)射記錄

在2019年下半年之前，Vega的14次發(fā)射全告成功，加之Ariane 5運(yùn)載火箭的長(zhǎng)期連續(xù)成功發(fā)射，給ESA和Arianespace冠上了“穩(wěn)如老狗”，“成功率爆表”的頭銜。但不知為何，可能是物極必反，Vega VV15、Vega VV17這兩次發(fā)射任務(wù)均告失敗，讓Vega從之前的“哦，發(fā)射成功了啊……”到了“啊？發(fā)射竟然成功了？”

截止北京時(shí)間8月初（8月中旬發(fā)射的Vega VV19任務(wù)也成功了，但這里不再添加），Vega已經(jīng)完成了18次發(fā)射，其中兩次發(fā)射失敗，16次發(fā)射成功。

在這18次任務(wù)中，除了Vega VV04、Vega VV06、Vega VV15、Vega VV17這四個(gè)任務(wù)以外，其他所有的任務(wù)都成功把載荷送到了SSO，下面是對(duì)這四個(gè)例外任務(wù)的簡(jiǎn)單介紹。

Vega VV04【打開歐洲可重復(fù)使用航天器的大門】

IXV，全稱過渡實(shí)驗(yàn)航天器（Intermediate eXperimental Vehicle），是ESA的Space Rider的過渡技術(shù)驗(yàn)證產(chǎn)品。Space Rider，中文譯為太空騎士或歐洲可重復(fù)使用航天器（Space Rider的全稱為Space?Reusable?Integrated?Demonstrator for?Europe?Return）。Space Rider是ESA新一代的無人航天器，也是歐洲首款可以重復(fù)使用太空運(yùn)輸系統(tǒng)。Space Rider的定位與美國(guó)的X-37B，中國(guó)的可重復(fù)使用航天器相同（后面用CHN可重復(fù)使用航天器來稱呼），都是由運(yùn)載火箭由整流罩包裹，靠火箭動(dòng)力進(jìn)入軌道。Space Rider擁有長(zhǎng)期在軌能力，抓取太空物體能力，釋放衛(wèi)星等與X-37B相同的能力。雖然SR的官方公開資料相對(duì)教多，但要注意的是，它和X-37B、CHN可重復(fù)使用載人航天器一樣，都是擁有很濃的軍事色彩和政府官方任務(wù)性質(zhì)的。

而IXV可以看作是Space Rider的“Mini”版，旨在驗(yàn)證Space Rider的一些關(guān)鍵技術(shù)，例如導(dǎo)航系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)，隔熱系統(tǒng)等等。IXV全長(zhǎng)5m（豎向y軸），高1.5m（水平z軸），寬2.2m（橫向x軸），重1844kg?；究梢蕴顫MVega的整流罩，而且1844kg的質(zhì)量是嚴(yán)格卡著Vega的運(yùn)力進(jìn)行設(shè)計(jì)的。Space Rider目前正在研制中，將會(huì)在2023年使用Vega C發(fā)射，而IXV是為了能塞進(jìn)Vega的整流罩并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且能夠滿足Vega的運(yùn)力要求才制造的，可以說IXV是為Vega“量身定制”的。

IXV的開發(fā)和建造共耗資約1.8億美元，加上Vega VV04的發(fā)射費(fèi)用約3700萬美元，那么整套費(fèi)用下來的花費(fèi)在2.2億美元以上。要注意的是，IXV不會(huì)再進(jìn)行飛行，只飛行了Vega VV04這一次任務(wù)。

Vega的LEO運(yùn)力（200km*1500km 5.4°）為1963kg（包括適配器質(zhì)量），所以正好可以滿足IXV的發(fā)射。

UTC時(shí)間2015年2月11日，Vega將IXV成功送進(jìn)了高能亞軌道，IXV在繞地球不到一圈后濺落在東太平洋海域，并成功進(jìn)行了回收。

Vega VV06【小身板，大能量】

UTC時(shí)間2015年12月3日，搭載著LISA?Pathfinder（全稱為L(zhǎng)aser Interferometer Space Antenna Pathfinder，中文譯名為空間天線式激光干涉儀探路計(jì)劃）的Vega VV06運(yùn)載火箭起飛，標(biāo)志著推遲近7年的LISA任務(wù)終于踏上了征途。

LISA Pathfinder的目標(biāo)軌道是地日拉格朗日點(diǎn)L1，這是Vega運(yùn)載火箭截至目前走過的最遠(yuǎn)的道路。但是要闡明的是，這并不是Vega自身的功勞。在此次任務(wù)中，LISA Pathfinder額外帶了一個(gè)上面級(jí)——推進(jìn)上面級(jí)。

在發(fā)射后，Vega運(yùn)載火箭把LISA Pathfinder-上面級(jí)組合體送到了近地點(diǎn)207km，遠(yuǎn)地點(diǎn)1540km，傾角5.96°的近地軌道。之后的所有升軌操作全部是由這個(gè)總重1420kg的上面級(jí)完成的。

Vega VV15【迎頭痛擊，連勝化燼】

UTC時(shí)間2019年7月11日，與往常一樣，一枚Vega運(yùn)載火箭順利起飛，大家似乎都認(rèn)為這個(gè)任務(wù)沒什么好看的，等待著成功的公告。

但出乎意料的是，由于二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Zefiro 23固體發(fā)動(dòng)機(jī)的前圓頂區(qū)高熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)故障，使此次發(fā)射失敗，這也是Vega系列的第一次發(fā)射失敗，除此之外，此次發(fā)射還把阿聯(lián)酋的一顆對(duì)地遙感軍用衛(wèi)星葬送在了大西洋，為本就發(fā)射頻率不高的Vega運(yùn)載火箭又蒙上了一層陰影，給穩(wěn)如老狗的ESA和Arianespace一記迎頭痛擊。

Vega VV17【梅開二度，反復(fù)掙扎】

UTC時(shí)間2020年11月17日，Vega VV17帶著價(jià)值總共4億美元的兩顆衛(wèi)星（其中一顆是西班牙的對(duì)地遙感成像衛(wèi)星Seosat-ingenio）成功起飛，但在其四級(jí)工作時(shí)，姿態(tài)出現(xiàn)異常，發(fā)射失敗了，后查明原因是工作人員的接線錯(cuò)誤導(dǎo)致故障發(fā)生。

Vega

Vega運(yùn)載火箭是目前歐洲的主力中小型運(yùn)載火箭，是現(xiàn)在歐洲運(yùn)載火箭三大頂梁柱中最小的一個(gè)（分別時(shí)大哥Ariane 5、二弟Soyuz ST和小弟Vega）。在三者當(dāng)中，Vega不僅是運(yùn)力最小的，運(yùn)載比也是最低的，而且無法獨(dú)自執(zhí)行中高軌道的發(fā)射任務(wù)，若要執(zhí)行中高軌的發(fā)射任務(wù)，必須要攜帶額外的上面級(jí)。

Vega運(yùn)載火箭共有四級(jí)，由Arianespace和ESA共同主導(dǎo)研發(fā)，Arianespace負(fù)責(zé)對(duì)外的商業(yè)發(fā)射銷售業(yè)務(wù)，ELV為制造承包商，由ESA各主要會(huì)員國(guó)分工生產(chǎn)（帶嚶除外）。

Vega的總體數(shù)據(jù)如下：

總質(zhì)量：137t

高度：29.9m

最大直徑：3m

300km 3°LEO運(yùn)載能力：2.31t

500km SSO運(yùn)載能力：1.62t

700km?SSO運(yùn)載能力：1.5t

P80FW——我原本想著通用化的

P80FW發(fā)動(dòng)機(jī)是歐洲最大的整體式復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。P80FW既用作Vega火箭的第一 級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，也是一臺(tái)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。它采用的多項(xiàng)新技術(shù)都被應(yīng)用于歐洲的主力重型運(yùn)載火箭上，例如Ariane 5、Ariane 6、Vega C等。P80FW發(fā)動(dòng)機(jī)采用的新技術(shù)包括3m直徑的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維纏繞殼體；充填有機(jī)纖維和玻璃微球的低密度三元乙丙橡膠（EPDM）內(nèi)絕熱層；Naxeco針刺預(yù)制體熱解碳基體（Naxeco-PyC）的3DC/C喉襯和RTM成型碳/酚醛(C/P)構(gòu)件；采用鋰電池的機(jī)電式推力矢量控制系統(tǒng)等。

P80FW由法國(guó)主導(dǎo)研發(fā)，在法國(guó)的命名標(biāo)準(zhǔn)中，P表示固體火箭級(jí)，L表示液體火箭級(jí)，H表示低溫火箭級(jí)，F(xiàn)W代表外殼為碳纖維材質(zhì)，80代表有約80噸的固體燃料，所以Vega的一級(jí)被命名為P80FW。

P80FW的設(shè)計(jì)源自于P85，該發(fā)動(dòng)機(jī)最初基于Ariane 5 EAP助推器段進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。因此，P80FW具有和P85相同的直徑，但P80FW使用了一種改進(jìn)型的固體推進(jìn)劑（1912 PBHT），這種推進(jìn)劑具有更新的空柱形狀，稱之為finocyl。

P80FW的外殼（包括電機(jī)結(jié)構(gòu)及其熱防護(hù)等結(jié)構(gòu)）由意大利羅馬附近科勒費(fèi)羅的AVIO生產(chǎn)，完工后交付至庫(kù)魯?shù)墓鐏喣峭七M(jìn)劑工廠（UPG），在那里裝載固體推進(jìn)劑。然后被送到助推器集成大樓（BIP），在那里安裝它的噴管。推力矢量控制系統(tǒng)（TVC，Thrust Vector Control System），包括致動(dòng)器、電子控制和動(dòng)力裝置，由布魯塞爾SABCA制造。點(diǎn)火器在荷蘭制造。

由于這種種的改動(dòng)，也使得P80FW和P85完全不是一個(gè)模子做出來的，這就導(dǎo)致需要重開一條生產(chǎn)線，也便沒有達(dá)到當(dāng)時(shí)高性價(jià)比和高通用化的目標(biāo)，種種的原因反而導(dǎo)致Vega成了最不經(jīng)濟(jì)的中小型運(yùn)載火箭之一。

P80FW的數(shù)據(jù)指標(biāo)如下：

直徑/高度：3m/11.2m

總質(zhì)量：96.243t

推進(jìn)劑質(zhì)量：87.710t

真空最大推力：3015kN（約307.34t）

真空比沖：280s

推力矢量控制方式：鋰電池電動(dòng)控制系統(tǒng)

噴管最大矢量角度：6.5°

標(biāo)準(zhǔn)燃燒時(shí)間：109.9s

最大工作壓力：10MPa（約100bar）

噴管擴(kuò)張比：16

Zefiro 23FW

Zefiro是由AVIO開發(fā)的固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系列，用于Arianespace的Vega火箭。Zefiro的名字來源于首字母縮寫（ZEro FIrst stage ROcket，Zefiro），該發(fā)動(dòng)機(jī)是意大利航天局（ASI）圣馬可計(jì)劃的第一級(jí)和第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。在計(jì)劃被擱置后，又被用在Vega運(yùn)載火箭家族上。

Zefiro 23FW固體發(fā)動(dòng)機(jī)可以看作是Zefiro 16FW固體發(fā)動(dòng)機(jī)的加長(zhǎng)版本，推進(jìn)劑質(zhì)量增加到23噸以上。在1998年6月、1999年6月和2000年12月進(jìn)行了三次Zefiro 23FW的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，均取得了良好的試車成績(jī)。Zefiro 23FW固體發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空柱與P80FW一樣呈finocyl形，星形部分位于發(fā)動(dòng)機(jī)尾部區(qū)域。除固體發(fā)動(dòng)機(jī)外，Vega的二級(jí)還包括級(jí)間段和航空電子設(shè)備。與P80FW相同的是，Zefiro 23FW也是電動(dòng)推力矢量控制系統(tǒng)，從而控制Zefiro 23FW發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的偏轉(zhuǎn)，從而控制火箭的俯仰與偏航。

Zefiro 23FW的數(shù)據(jù)指標(biāo)如下：

直徑/高度：1.9m/8.39m

總質(zhì)量：26.3t

推進(jìn)劑質(zhì)量：23.814t

真空最大推力：1120kN（約114.17t）

真空比沖：287.5s

推力矢量控制方式：鋰電池電動(dòng)控制系統(tǒng)

噴管最大矢量角度：7°

標(biāo)準(zhǔn)燃燒時(shí)間：77.1s

最大工作壓力：9.5MPa（約95bar）

噴管擴(kuò)張比：27

Zefiro 9FW

Zefiro 9FW的工藝、生產(chǎn)商等都與Zefiro 23FW相似，這里就不再過多贅述。在飛行時(shí)，Zefiro?23FW工作完成并分離時(shí)，Zefiro 9FW并不會(huì)立即工作，而是會(huì)根據(jù)火箭飛行軌跡的需要來控制合適的點(diǎn)火時(shí)間。

Zefiro 9FW的數(shù)據(jù)指標(biāo)如下：

直徑/高度：1.9m/4.12m

總質(zhì)量：12t

推進(jìn)劑質(zhì)量：10.567t

真空最大推力：317kN（約32.31t）

真空比沖：295.9s

推力矢量控制方式：鋰電池電動(dòng)控制系統(tǒng)

噴管最大矢量角度：6°

標(biāo)準(zhǔn)燃燒時(shí)間：119.6s

最大工作壓力：6.7MPa（約67bar）

噴管擴(kuò)張比：61

AVUM——整箭之靈魂

對(duì)于Vega來講，AVUM（Attitude & Vernier Upper Module，漫游姿態(tài)上面級(jí)）可謂是接力跑中最后一棒，關(guān)系著載荷最終的命運(yùn)。

AVUM是Vega中唯一一級(jí)液體推進(jìn)級(jí)，前三級(jí)都是固體推進(jìn)級(jí)。又因?yàn)榍叭?jí)都是單噴管且推力經(jīng)過質(zhì)心軸的固體發(fā)動(dòng)機(jī)，所以這也意味著AVUM要擔(dān)起火箭滾轉(zhuǎn)的控制工作，所以AVUM配備了RACS（Roll and Attitude Control System，滾轉(zhuǎn)和姿態(tài)控制系統(tǒng)），從而控制火箭的滾轉(zhuǎn)和前三級(jí)分離后火箭的姿態(tài)。RACS共有兩組，對(duì)稱分布，每組RACS共有3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，在P80FW和Zefro 23FW工作時(shí)，6臺(tái)RACS發(fā)動(dòng)機(jī)全部啟動(dòng)并工作，而在Zefiro 9FW和AVUM自身工作時(shí)，每組RACS會(huì)關(guān)閉朝下的這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，僅有四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

在KSP中，我們常見到RCS一詞，此RCS指的是Reaction Control System，也就是所謂的“反應(yīng)控制系統(tǒng)”。反應(yīng)控制系統(tǒng)常用于姿態(tài)的控制，有時(shí)也可用作推進(jìn)器使用。ACS是指Attitude?Control System，姿態(tài)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)常用作于姿態(tài)控制，有時(shí)也可用作推進(jìn)器使用。還有一種RCS叫Roll Control System，即滾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，專門負(fù)責(zé)航天器或火箭的滾轉(zhuǎn)控制，像AVUM的RACS就是Roll Control System和Attitude?Control System的組合體，所以稱之為Roll and?Attitude?Control?System。

由于Vega運(yùn)載火箭的前三級(jí)可以提供~7.4km/s的Δv，所以AVUM不需要攜帶過多的推進(jìn)劑即可到達(dá)預(yù)定速度（一般~7.6km/s就可進(jìn)入預(yù)定軌道，所以AVUM只需要提供~200m/s的Δv就可以達(dá)到SSO），這也是它十分“小巧玲瓏”的原因之一。

但由于如此“小巧”的上面級(jí)還帶了適配器、RACS和航電系統(tǒng)等，這也導(dǎo)致AVUM的干質(zhì)比十分“拉跨”，AVUM的干質(zhì)量為688kg（若算進(jìn)所有非推進(jìn)劑流體，則為730.5kg），而AVUM的推進(jìn)劑質(zhì)量?jī)H有577kg（NTO 388kg，UDMH 196kg），甚至沒有AVUM的干質(zhì)量高。

AVUM的推進(jìn)系統(tǒng)為MEA（Main Engine AVUM，AVUM主引擎），是一種由RD-869經(jīng)過改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，即RD-843。由烏克蘭Yuzhnoye設(shè)計(jì)，制造則交給AVIO。

RD-843使用NTO/UDMH作為推進(jìn)劑，真空推力為2.45kN（~0.25t），使用較為簡(jiǎn)單的擠壓循環(huán)，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝。由于推力較小，所以RD-843的工作時(shí)間非常長(zhǎng)，最長(zhǎng)工作時(shí)間可以超過612.5s，也就是10+min（目前RD-843的最長(zhǎng)工作紀(jì)錄為667+s）。RD-843還擁有最多5次的發(fā)動(dòng)機(jī)重啟能力，也給AVUM提供了更大的靈活性，使Vega的任務(wù)靈活性大大提高，也保證了入軌精度的準(zhǔn)確。

RD-843的數(shù)據(jù)如下：

真空推力：2.45kN（~0.25t）

真空比沖：314.6s

最長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間：667s+

混合比：2.0

最大偏轉(zhuǎn)角度：10°

燃燒室數(shù)量：1

最大重啟次數(shù)：5

NTO/UDMH由四個(gè)推進(jìn)劑罐保存，僅供RD-843使用，RACS使用的是N2H4，單臺(tái)推力0.24kN（~0.245t），所有的N2H4單獨(dú)由一個(gè)推進(jìn)劑罐保存，裝載N2H4 38.6kg，容器內(nèi)壓力2.6MPa（~26bar），壓縮氦氣由COPV（Composite Overwrapped Pressure Vessels，復(fù)合材料壓力容器）保存，裝載氦氣3.9kg，容器內(nèi)壓力為32.8MPa（~328bar），所以你會(huì)看到AVUM中共有6個(gè)罐子，其中四個(gè)裝載NTO/UDMH，一個(gè)是COPV，一個(gè)裝載N2H4。

整流罩

Vega的整流罩由國(guó)際大牌RUAG提供，采用了非常常見的兩瓣式，碳纖維布以三明治結(jié)構(gòu)包裹蜂窩鋁結(jié)構(gòu)，最大直徑2.6m，高7.88m，共重0.54t。

任務(wù)多樣性，價(jià)格打不贏

Vega提供了多種多樣的適配器方案和載荷搭配方案，每次發(fā)射如果允許還會(huì)搭載小衛(wèi)星，甚至定期執(zhí)行SSMS（Small Spacecraft Mission Service，小型航天器任務(wù)服務(wù)）。但怎么搭配都無法挽回的是，價(jià)格實(shí)在是普通商業(yè)企業(yè)無法承受的。Arianespace的高管曾說，他們已經(jīng)知道Vega在如今的商業(yè)市場(chǎng)上價(jià)格不占優(yōu)勢(shì)，他們只能通過高端化、精細(xì)化的服務(wù)來獲得一些少量的商業(yè)訂單，而這個(gè)局面的轉(zhuǎn)機(jī)將在Vega C成功飛行后實(shí)現(xiàn)，Vega C的通用化程度、性價(jià)比、運(yùn)載能力和任務(wù)多樣性將更好，從而拿下更多的商業(yè)訂單。

織女之殘絲，能否紡出歐洲未來的星光？

答案是肯定的。不出意外的話，Vega將在2021年四季度發(fā)射CERES-1，這將是Vega最后一次發(fā)射任務(wù)，結(jié)束Vega一共20次發(fā)射的一生。在此之后，Vega C會(huì)在2022年首次發(fā)射，這是Vega的升級(jí)版，除了Zefiro 9FW外，其他的部件全部得到了升級(jí)，從而提供更強(qiáng)的運(yùn)載能力，更大的整流罩也帶來的更多的發(fā)射方案選擇。

在Vega C之后，Vega E（將Zefiro 9和AVUM+換為一個(gè)新研制的膨脹循環(huán)甲烷推進(jìn)級(jí)）和Vega L（相當(dāng)于Vega C去掉一級(jí)P120C）將會(huì)登場(chǎng)，進(jìn)一步擴(kuò)寬Vega家族的道路，在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上占據(jù)一席之地，隨著通用化能力的增加，其發(fā)射頻率也會(huì)進(jìn)一步上升，打擊類似電子這樣的小衛(wèi)星發(fā)射提供商。

【全文完】

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本文所用個(gè)人/網(wǎng)站/PDF素材：【Credit】

《VV06-launchkit-GB2》

《IXV_factsheet20170921》

《Space_Rider_factsheet_HiRes_ok》

《Arianespace_Brochure_Vega_Sept2019》

《Vega-Users-Manual_Issue-04_April-2014》

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Search/(sortBy)/published?result_type=images&SearchText=vega

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Launch_vehicles/Vega

https://en.wikipedia.org/wiki/Vega_(rocket)

https://www.flightglobal.com/esa-plan-emphasises-launchers/20461.article

https://en.wikipedia.org/wiki/RD-843

http://www.russianspaceweb.com/images/rockets/vega