阿丽亚娜五号火箭

定义

阿丽亚娜五号火箭是欧洲航天局研制的大型运载火箭，为阿丽亚娜系列的第 5 个型号。它与阿丽亚娜 1、2、3 号以及阿丽亚娜 4 号在技术上一脉相承，但总体方案重新设计，属于全新型号，箭体直径约 5.4 米，明显大于前代^[1]。

该火箭的发射任务由总部设在法国的阿丽亚娜空间公司承接，全部发射均在法属圭亚那库鲁航天中心的 ELA-3 发射工位进行^[3]。与阿丽亚娜 4 号相比，其入轨质量能力提高了一倍以上，主要用途是把通信卫星送入地球同步转移轨道^[1]。

原理

阿丽亚娜五号采用两级半构型：芯一级为低温芯级，两侧各捆绑一枚大型固体助推器，芯级之上是上面级^[4]。以使用最广的 ECA 构型为例，起飞质量约 780 吨，起飞推力约 15120 千牛，箭体高度可达约 52.5 米^[5]。每枚固体助推器装药约 240 吨、推力约 7080 千牛，在起飞阶段提供主要推力；芯级装液氢液氧约 175 吨，由推力约 960 千牛的 火神发动机（Vulcain 2）工作；上面级装约 14.7 吨低温推进剂，由推力约 67 千牛的 HM7B 发动机提供动力^[5]。

飞行过程大致为：固体助推器与芯级先后点火，助推器工作约 130 秒后分离；芯级继续把上面级送入接近真空的高空，随后分离；上面级发动机再工作约 945 秒，把有效载荷送入目标轨道并完成星箭分离^[3]。火箭可以提供地球同步转移轨道、太阳同步轨道、中低地球轨道和逃逸轨道等多种轨道方案^[6]。

衡量运载效率的常用指标是比冲，即单位推进剂产生的冲量，可写作 $I_{sp}=\frac{F}{\dot{m}g_0}$，其中 $F$ 为推力、$\dot{m}$ 为推进剂质量流量、$g_0$ 为标准重力加速度。氢氧推进剂的比冲高于固体推进剂，因此芯级承担了大部分加速任务，而固体助推器以短时大推力弥补氢氧发动机推力有限的短板^[3]。

发展历程

阿丽亚娜系列由法国提议、欧洲多国通过欧洲航天局推动实施，1973 年起步，1979 年阿丽亚娜 1 号首飞成功，此后陆续发展出 2、3、4 号^[7]。1987 年 11 月，欧洲航天局部长级会议正式批准研制阿丽亚娜五号，1988 年研制工作启动，由欧空局总负责、法国航天中心负责项目管理^[4]。也有资料记载，1987 年欧空局 12 个成员国同意研制阿丽亚娜 4 号的后继型号^[8]。

该型号最初的设计目标之一是配合欧洲参与国际空间站以及使神号航天飞机的构想，航天飞机计划终止后转而成为通用重型运载器^[9]。1996 年 6 月 4 日，阿丽亚娜五号首次飞行（编号 501）失败：升空约 40 秒后箭体解体，箭上携带的 4 颗 Cluster 科学卫星损失^[10]。事故调查委员会认定，直接原因是惯性参考系统软件在把水平速度由 64 位转换为 16 位时发生溢出，该软件沿用自阿丽亚娜 4 号，未考虑新火箭早期飞行的速度范围更大，备份系统随即以同样方式失效，主计算机把诊断数据误作飞行数据，下达了错误的姿态修正指令^[11]。

1997 年 10 月 30 日，阿丽亚娜五号首次发射成功；1999 年 12 月首次执行商业发射任务，把 XMM 牛顿 X 射线望远镜送入轨道^[6]。此后逐步形成 G、G+、GS、ES、ECA 等构型，各构型的地球同步转移轨道运载能力从约 6 吨提高到 10 吨以上^[8]。2002 年 11 月 ECA 构型首次飞行失败，2005 年 2 月复飞成功，随后逐渐成为主力构型，2019 年起 ECA 成为唯一在用的构型^[5]。

2023 年 7 月 5 日，阿丽亚娜五号执行第 117 次、也是最后一次发射（编号 VA261），把德国的 Heinrich Hertz 试验通信卫星和法国的 Syracuse 4B 通信卫星送入轨道，27 年服役期就此结束^[12]。其后继型号阿丽亚娜 6 号于 2014 年获批研制，原定 2020 年首飞，因技术原因多次推迟，直至 2024 年 7 月才完成首飞^[13]。

应用

阿丽亚娜五号的主要业务是把通信卫星送入地球同步转移轨道，通常一次发射两颗大型卫星，以分摊发射成本^[1]。单个 ECA 构型的同步转移轨道运载能力约为 10 至 11 吨，5.4 米直径、约 17 米高的整流罩可容纳体积较大的卫星^[3]。

在科学任务方面，阿丽亚娜五号承担了多项欧洲空间科学探测器的发射，包括 2004 年的罗塞塔号彗星探测器、2009 年的赫歇尔空间天文台与普朗克卫星、2023 年的木星冰卫星探测器 Juice^[2]。导航方面，欧洲伽利略卫星导航系统的多颗卫星由该火箭送入轨道，其中一批 12 颗卫星仅用 3 次发射完成^[2]。

2021 年 12 月，阿丽亚娜五号把詹姆斯·韦布空间望远镜送入太空，该望远镜随后前往日地第二拉格朗日点^[3]。此外，专为低地球轨道任务优化的 ES 构型在 2008 年至 2014 年间发射了 5 艘欧洲自动货运飞船（ATV），为国际空间站运送补给并提升空间站轨道^[14]。首艘 ATV 以儒勒·凡尔纳命名，于 2008 年 3 月 9 日发射，4 月 3 日与国际空间站自动对接^[15]。

局限

阿丽亚娜五号是一次性运载火箭，各子级在完成任务后不再回收复用，这使其单位载荷发射成本高于可重复使用火箭^[16]。欧洲航天局与阿丽亚娜空间公司为提升竞争力启动了阿丽亚娜 6 号计划，目标之一是使发射成本显著降低^[16]。

该型号的构型专用性强：ECA 构型面向高轨重型卫星，ES 构型面向低轨货运飞船，两者不能随意互换，火箭对不同任务的适配依赖选用不同上面级^[3]。研制与发射费用较高，早期型号向同步转移轨道发射的费用比阿丽亚娜 4 号的对应型号低约 10%，每千克有效载荷费用降低约 45%，但总体开支仍然可观^[4]。

从可靠性看，117 次发射中并非全部成功，501 次首飞与 2002 年 ECA 首飞均以失败告终^[4]。2019 年后 ECA 成为唯一在役构型，型号谱系收窄，单一构型需要同时兼顾高轨双星与深空探测器等不同任务，灵活性受限^[5]。2023 年退役后，欧洲在一段时间内失去了自主的大型运载能力，直到阿丽亚娜 6 号投入使用才逐步恢复^[17]。

参见

• 阿丽亚娜系列运载火箭 —— 阿丽亚娜五号所属的欧洲运载火箭谱系

• 欧洲航天局 —— 阿丽亚娜五号研制计划的主管机构

• 阿丽亚娜6号火箭 —— 接替阿丽亚娜五号的新一代欧洲重型运载火箭

• 詹姆斯·韦布空间望远镜 —— 由阿丽亚娜五号送入太空的大型红外空间望远镜

• 地球同步转移轨道 —— 阿丽亚娜五号最主要的载荷投送目标轨道