站在巅峰,却已准备告别:欧洲最强火箭传奇

小火箭出品

本文作者:邢強博士

本文共3810字, 56圖。 預計閱讀時間:10分鐘

歐洲雄心勃勃的載人空天飛行器項目使神工程中止了, 哥倫布號空間站則最終成為了國際空間站的哥倫布號實驗艙。

那么, 當年的計劃里面, 用來把使神號和哥倫布號送入太空的火箭怎樣了呢?

答:變成了阿麗亞娜-5號!


當年使神號空天飛行器的項目負責人的合影。 身后的火箭, 后來就發展成了歐洲最大的在役運載火箭:阿麗亞娜-5號。


原本用來將空天飛行器送入預定軌道的2臺固體助推器+液體火箭芯級的構型, 形成了阿麗亞娜-5號運載火箭的雛形。


這就是在阿麗亞娜-5型運載火箭腳下向上看的感覺。 邢強, 攝于2017年。

合作

阿麗亞娜-5型運載火箭是一個典型的歐洲合作項目。

整個項目, 由法國牽頭, 德國和意大利等國參與, 共10個國家, 按出資金額, 阿麗亞娜-5號運載火箭項目被分成了24個股東, 法國占7個, 德國占2個。



阿麗亞娜-5 G型運載火箭, 是阿麗亞娜-5系列運載火箭的基本型, 近地軌道運載能力為16噸。

(后續通過不斷升級, 阿麗亞娜-5系列運載火箭擁有了能夠將21噸載荷送入近地軌道的能力, 但是, 使神號空天飛行器的項目已經不在了, 讓小火箭感慨不已。 )

火箭高46米, 芯級直徑5.4米, 起飛質量737噸。

阿麗亞娜-5號運載火箭基本型芯級有兩級。

芯一級直徑5.4米, 高23.8米。


1996年6月份, 阿麗亞娜-5號運載火箭矗立在法屬圭亞那庫魯航天中心, 準備她的處女航。

剛剛誕生的阿麗亞娜-5號運載火箭出師不利。 1996年6月的那次發射, 火箭升空后不久(37.1秒), 就自毀了。

發生了什么?

大家不妨和小火箭一起, 探尋到當年那枚阿麗亞娜-5運載火箭的制導控制系統的代碼來逐行分析:


哈!這是Ada語言!沒錯的,Ada語言是那個年代最優美的語言,就像今天的Python和Java一樣(小火箭年輕的時候也是深受C++之苦的)。

從1991年開始,美國國防部要求所有的航空航天型號的軟件必須使用Ada語言。后來到了1997年,此規則被撤回了。

1996年的阿麗亞娜-5運載火箭也是用的Ada語言,大概轉譯成我們看起來比較方便的形式之后,從上圖小火箭截取的火箭姿態控制系統的核心代碼里,我們能夠發現,這里有一個將浮點數轉為整型的操作。

問題就出在這里!

int整型長16位,float浮點數長64位。

這里出現了由64位轉16位的一個過程。

在發射成功率高達99.7%的阿麗亞娜-4運載火箭上,這段代碼經過了多次驗證,完全是沒有問題的,因為所有這些涉及veloc變量的數都沒有超過16位表示的范圍(-32768到32767)。

而推力巨大的阿麗亞娜-5 G運載火箭,在第30秒的時候,有變量超出了。

這導致了溢出錯誤。

要命的是,如果大家仔細閱讀后續代碼的話,會發現,溢出的值直接影響了火箭對水平和垂直姿態的判斷。

火箭此時以為自己在向上飛,而實際上,是翻轉了90°,開始橫著飛。此時,火箭飛行速度為0.7馬赫,高度為3500米。

不一會兒,火箭的彈道計算機和姿態穩定系統幾乎同時發現:

火箭偏離預定彈道,姿態穩定系統無法正常工作!

(此時火箭確實很難正常飛行了。畢竟阿麗亞娜-5號火箭沒有用來提供升力的機翼,也沒有用于配平的水平尾翼。)

于是,首枚阿麗亞娜-5號火箭認為自己失控了,為了保護地面人員,她毅然選擇了自毀,在高空把自己炸成了碎片。

首發箭和載荷,當時作價6億美元,灰飛煙滅!(相當于今天的9.25億美元,也就是人民幣62.58億元。)

1997年10月30分,協調世界時13點43分,第二枚阿麗亞娜-5號運載火箭升空,但是也沒能完全成功。

(芯級工作不正常,芯一級發動機提前關機,雖然二級工作正常,但是最終載荷沒能進入預定軌道,發射失利。經分析和3次試驗復現,是主發動機內流場不夠理想,邊界層剝離后,出現了罕見的螺旋流場,給火箭附加了一個900牛米的滾轉力矩。這些小火箭以后專門寫專題分析,不要在這里提另一個5號了。)

成功


公元1998年10月21日,阿麗亞娜-5號運載火箭基本型G型迎來了她的第3次發射,終于取得圓滿成功!


公元1999年12月10日協調世界時14點32分,阿麗亞娜-5號運載火箭的第4枚執行了第一次商業發射。當日,她將一枚X射線天文望遠鏡牛頓號送入了預定軌道。

第4枚阿麗亞娜-5號運載火箭出手不凡。牛頓號的軌道是橢圓形的,近地點5662.68公里,遠地點112877.6公里(11.29萬公里),軌道傾角40°,周期48小時。

有關X射線天文望遠鏡,詳見小火箭的公號系列報告《從一枚婚戒與一枚V-2導彈說起:小火箭簡述人類用X射線了解宇宙的歷史》《今朝夢圓!中國首臺硬X射線太空望遠鏡升空!》。


由此,就開啟了阿麗亞娜-5號運載火箭的傳奇時代。

助推




阿麗亞娜5型運載火箭的單臺固體助推器的推力為7080千牛,是火箭芯級液氫液氧主發動機推力的7.4倍!

意大利BPD防務與空間公司和法國國家火藥與炸藥公司聯手研制了阿麗亞娜-5號運載火箭的推力強大的固體助推器。

小火箭風格,具體的配方為:

68%的高氯酸銨+18%鋁粉+14%HTPB

有關固體助推器的配方和殼體材料工藝,詳見小火箭的公號固體助推器系列《聊聊固體火箭發動機的推進劑》《撼天動地!小火箭聊固體火箭發動機的材料》,本文就不再贅述了。

不過,小火箭在本文要特別強調的是:

阿麗亞娜-5號火箭的助推器和美國航天飛機的固體助推器一樣,也是可以在海上回收的。

不過,不同的是,航天飛機的固體助推器回收后可以重復使用,而歐空局的阿麗亞娜-5號火箭的助推器回收后,僅用作科學研究,不再裝填重復使用。


入水后的阿麗亞娜-5號火箭的助推器





在大洋表面浮浮沉沉的助推器等來了航船。






蛙人捕獲助推器,準備封堵噴口。



落入大洋的阿麗亞娜-5號火箭的助推器時常會引來鯊魚。這些深海的精(chi)靈(huo)或許是被固體推進劑的特殊味道吸引來的。

按小火箭的經驗,這種藥的確聞起來像是帶有血腥味道的汽車輪胎。







工作人員如果高興,可以站到助推器上方,享受一下獨特的沖浪感覺。

這塊沖浪板,有些大:

長31.6米,直徑3.06米,簡直就是一艘游艇了。

該助推器當年裝填了固體裝藥后,總重273噸,如今只剩空殼,重33噸。

固體裝藥占總重的比例為87.91%,很不錯。


在碼頭,專門有個龍門吊在等著她。



這就是阿麗亞娜-5號運載火箭的固體助推器的回收過程。

發動機


阿麗亞娜-5型運載火箭的火神液氫液氧火箭發動機觸手可及。摸到她的巨大噴口的瞬間,感覺很奇妙。邢強,攝于2017年。


火神發動機高3.44米,直徑2.09米,干重1.8噸。


火神是一款非常優秀的液體火箭發動機。

她使用了地球上目前能夠被用得起的,幾乎是能量最強的化學燃料組合:液氫與液氧。

火神發動機的真空比沖達到了428.7秒,這種4開頭的比沖值目前來看是液氫液氧組合的專屬(液氟的事情以后詳聊)。


在發射的時候,火神發動機先點火,工作3秒后,發射指揮人員判定芯一級液體火箭發動機工作正常,然后點燃固體助推器,讓火箭騰空而起。

芯一級液氫液氧發動機的噴流比起固體助推器來說,低調了很多,不過這藍色的火焰內,是4.21公里/秒的超快噴流速度。

升級


從左到右,歐空局的主力運載火箭系列:織女星,聯盟(與俄羅斯合作,但是依然在庫魯發射),阿麗亞娜-5 GS,阿麗亞娜-5 ES,阿麗亞娜-5 ECA。


從G到ECA,阿麗亞娜-5的起飛重量從737噸增大為777噸,其近地軌道運載能力從16噸躍升為20噸以上。地球同步轉移軌道運載能力從6.95噸提升到11.11噸(提升了59.8%)。


阿麗亞娜-5運載火箭的上面級


阿麗亞娜-5運載火箭5.4米直徑的大整流罩





阿麗亞娜-5運載火箭的彈道比較有趣,當然也很壯觀。

小火箭把她的上升段彈道計算出來,供大家分析:




看一眼,就足以讓人心潮澎湃的激光陀螺!


阿麗亞娜-5系列運載火箭,截止到小火箭的本文推送給大家的時刻(公元2018年7月26日),共發射了99枚,成功94枚,成功率為94.95%。

小火箭風格:

其中,G型發射15枚,成功13枚;G+型發射3枚,全部成功;GS型發射6枚,全部成功;ECA型發射66枚,64枚成功;ES型發射8枚,全部成功。

目前,這款發射報價在1.65億美元到2.2億美元之間的成功的運載火箭,已經逐漸邁向退役的路。

昨晚(2018年7月25日),在發射了伽利略導航系統的衛星后,阿麗亞娜-5運載火箭的ES型停產,以100%的成功率留下一段傳奇。

而唯一保持生產的阿麗亞娜-5運載火箭的ECA型,也終將在2022年完成最后的發射后退役。


阿麗亞娜-5運載火箭,比阿麗亞娜-4運載火箭的平均發射成本降低了30%,在國際發射市場上獲得了巨大的成功,打破了美國的壟斷。

今后,阿麗亞娜-6運載火箭將努力比阿麗亞娜-5的造價再降低30%,拭目以待之。



按小火箭獲得的確切來源,人類近幾年來性能最好的太空望遠鏡詹姆斯·韋伯望遠鏡,確定由阿麗亞娜-5 ECA型來發射,定軌在日地拉格朗日L2點上。

發射時間節點,目前定為2021年3月30日。




全文結束,這就是小火箭為您講述和分析的阿麗亞娜-5系列運載火箭。

版權聲明:

本文是邢強博士原創文章,騰訊獨家內容。歡迎朋友圈轉發。

微信號:小火箭

微信ID:ixiaohuojian

歡迎 加入小火箭 ,進入航空航天大家庭!


哈!這是Ada語言!沒錯的,Ada語言是那個年代最優美的語言,就像今天的Python和Java一樣(小火箭年輕的時候也是深受C++之苦的)。

從1991年開始,美國國防部要求所有的航空航天型號的軟件必須使用Ada語言。后來到了1997年,此規則被撤回了。

1996年的阿麗亞娜-5運載火箭也是用的Ada語言,大概轉譯成我們看起來比較方便的形式之后,從上圖小火箭截取的火箭姿態控制系統的核心代碼里,我們能夠發現,這里有一個將浮點數轉為整型的操作。

問題就出在這里!

int整型長16位,float浮點數長64位。

這里出現了由64位轉16位的一個過程。

在發射成功率高達99.7%的阿麗亞娜-4運載火箭上,這段代碼經過了多次驗證,完全是沒有問題的,因為所有這些涉及veloc變量的數都沒有超過16位表示的范圍(-32768到32767)。

而推力巨大的阿麗亞娜-5 G運載火箭,在第30秒的時候,有變量超出了。

這導致了溢出錯誤。

要命的是,如果大家仔細閱讀后續代碼的話,會發現,溢出的值直接影響了火箭對水平和垂直姿態的判斷。

火箭此時以為自己在向上飛,而實際上,是翻轉了90°,開始橫著飛。此時,火箭飛行速度為0.7馬赫,高度為3500米。

不一會兒,火箭的彈道計算機和姿態穩定系統幾乎同時發現:

火箭偏離預定彈道,姿態穩定系統無法正常工作!

(此時火箭確實很難正常飛行了。畢竟阿麗亞娜-5號火箭沒有用來提供升力的機翼,也沒有用于配平的水平尾翼。)

于是,首枚阿麗亞娜-5號火箭認為自己失控了,為了保護地面人員,她毅然選擇了自毀,在高空把自己炸成了碎片。

首發箭和載荷,當時作價6億美元,灰飛煙滅!(相當于今天的9.25億美元,也就是人民幣62.58億元。)

1997年10月30分,協調世界時13點43分,第二枚阿麗亞娜-5號運載火箭升空,但是也沒能完全成功。

(芯級工作不正常,芯一級發動機提前關機,雖然二級工作正常,但是最終載荷沒能進入預定軌道,發射失利。經分析和3次試驗復現,是主發動機內流場不夠理想,邊界層剝離后,出現了罕見的螺旋流場,給火箭附加了一個900牛米的滾轉力矩。這些小火箭以后專門寫專題分析,不要在這里提另一個5號了。)

成功


公元1998年10月21日,阿麗亞娜-5號運載火箭基本型G型迎來了她的第3次發射,終于取得圓滿成功!


公元1999年12月10日協調世界時14點32分,阿麗亞娜-5號運載火箭的第4枚執行了第一次商業發射。當日,她將一枚X射線天文望遠鏡牛頓號送入了預定軌道。

第4枚阿麗亞娜-5號運載火箭出手不凡。牛頓號的軌道是橢圓形的,近地點5662.68公里,遠地點112877.6公里(11.29萬公里),軌道傾角40°,周期48小時。

有關X射線天文望遠鏡,詳見小火箭的公號系列報告《從一枚婚戒與一枚V-2導彈說起:小火箭簡述人類用X射線了解宇宙的歷史》《今朝夢圓!中國首臺硬X射線太空望遠鏡升空!》。


由此,就開啟了阿麗亞娜-5號運載火箭的傳奇時代。

助推




阿麗亞娜5型運載火箭的單臺固體助推器的推力為7080千牛,是火箭芯級液氫液氧主發動機推力的7.4倍!

意大利BPD防務與空間公司和法國國家火藥與炸藥公司聯手研制了阿麗亞娜-5號運載火箭的推力強大的固體助推器。

小火箭風格,具體的配方為:

68%的高氯酸銨+18%鋁粉+14%HTPB

有關固體助推器的配方和殼體材料工藝,詳見小火箭的公號固體助推器系列《聊聊固體火箭發動機的推進劑》《撼天動地!小火箭聊固體火箭發動機的材料》,本文就不再贅述了。

不過,小火箭在本文要特別強調的是:

阿麗亞娜-5號火箭的助推器和美國航天飛機的固體助推器一樣,也是可以在海上回收的。

不過,不同的是,航天飛機的固體助推器回收后可以重復使用,而歐空局的阿麗亞娜-5號火箭的助推器回收后,僅用作科學研究,不再裝填重復使用。


入水后的阿麗亞娜-5號火箭的助推器





在大洋表面浮浮沉沉的助推器等來了航船。






蛙人捕獲助推器,準備封堵噴口。



落入大洋的阿麗亞娜-5號火箭的助推器時常會引來鯊魚。這些深海的精(chi)靈(huo)或許是被固體推進劑的特殊味道吸引來的。

按小火箭的經驗,這種藥的確聞起來像是帶有血腥味道的汽車輪胎。







工作人員如果高興,可以站到助推器上方,享受一下獨特的沖浪感覺。

這塊沖浪板,有些大:

長31.6米,直徑3.06米,簡直就是一艘游艇了。

該助推器當年裝填了固體裝藥后,總重273噸,如今只剩空殼,重33噸。

固體裝藥占總重的比例為87.91%,很不錯。


在碼頭,專門有個龍門吊在等著她。



這就是阿麗亞娜-5號運載火箭的固體助推器的回收過程。

發動機


阿麗亞娜-5型運載火箭的火神液氫液氧火箭發動機觸手可及。摸到她的巨大噴口的瞬間,感覺很奇妙。邢強,攝于2017年。


火神發動機高3.44米,直徑2.09米,干重1.8噸。


火神是一款非常優秀的液體火箭發動機。

她使用了地球上目前能夠被用得起的,幾乎是能量最強的化學燃料組合:液氫與液氧。

火神發動機的真空比沖達到了428.7秒,這種4開頭的比沖值目前來看是液氫液氧組合的專屬(液氟的事情以后詳聊)。


在發射的時候,火神發動機先點火,工作3秒后,發射指揮人員判定芯一級液體火箭發動機工作正常,然后點燃固體助推器,讓火箭騰空而起。

芯一級液氫液氧發動機的噴流比起固體助推器來說,低調了很多,不過這藍色的火焰內,是4.21公里/秒的超快噴流速度。

升級


從左到右,歐空局的主力運載火箭系列:織女星,聯盟(與俄羅斯合作,但是依然在庫魯發射),阿麗亞娜-5 GS,阿麗亞娜-5 ES,阿麗亞娜-5 ECA。


從G到ECA,阿麗亞娜-5的起飛重量從737噸增大為777噸,其近地軌道運載能力從16噸躍升為20噸以上。地球同步轉移軌道運載能力從6.95噸提升到11.11噸(提升了59.8%)。


阿麗亞娜-5運載火箭的上面級


阿麗亞娜-5運載火箭5.4米直徑的大整流罩





阿麗亞娜-5運載火箭的彈道比較有趣,當然也很壯觀。

小火箭把她的上升段彈道計算出來,供大家分析:




看一眼,就足以讓人心潮澎湃的激光陀螺!


阿麗亞娜-5系列運載火箭,截止到小火箭的本文推送給大家的時刻(公元2018年7月26日),共發射了99枚,成功94枚,成功率為94.95%。

小火箭風格:

其中,G型發射15枚,成功13枚;G+型發射3枚,全部成功;GS型發射6枚,全部成功;ECA型發射66枚,64枚成功;ES型發射8枚,全部成功。

目前,這款發射報價在1.65億美元到2.2億美元之間的成功的運載火箭,已經逐漸邁向退役的路。

昨晚(2018年7月25日),在發射了伽利略導航系統的衛星后,阿麗亞娜-5運載火箭的ES型停產,以100%的成功率留下一段傳奇。

而唯一保持生產的阿麗亞娜-5運載火箭的ECA型,也終將在2022年完成最后的發射后退役。


阿麗亞娜-5運載火箭,比阿麗亞娜-4運載火箭的平均發射成本降低了30%,在國際發射市場上獲得了巨大的成功,打破了美國的壟斷。

今后,阿麗亞娜-6運載火箭將努力比阿麗亞娜-5的造價再降低30%,拭目以待之。



按小火箭獲得的確切來源,人類近幾年來性能最好的太空望遠鏡詹姆斯·韋伯望遠鏡,確定由阿麗亞娜-5 ECA型來發射,定軌在日地拉格朗日L2點上。

發射時間節點,目前定為2021年3月30日。




全文結束,這就是小火箭為您講述和分析的阿麗亞娜-5系列運載火箭。

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本文是邢強博士原創文章,騰訊獨家內容。歡迎朋友圈轉發。

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