阿里安6火箭芯二级设计多次点火，以便部署多样化载荷。

□邓思超

7月10日，欧空局的阿里安6火箭因芯二级辅助动力装置某次点火表现异常，首飞仅取得了部分成功。那么，火箭的芯二级乃至上面级为何要在轨多次点火？这需要克服哪些技术难题？未来，哪些新技术、新设计有可能帮助它们更加高效可靠地完成任务？

多次点火好处不少

芯二级或上面级在轨多次点火技术在现代运载火箭设计中应用相当普遍，主要目标是提高火箭的运载效率、任务灵活性和经济性。

在提升运载效率方面，多次点火技术允许火箭在飞行过程中根据实际需要调整推力大小，以最优化的方式消耗燃料。通过精确控制每次点火的时机、持续时间和推力，火箭芯二级或上面级能够更加精准地将有效载荷送入预定轨道。

例如，美国重型德尔塔4火箭的上面级具备多次点火能力，有利于执行较复杂的任务，包括将卫星送入高轨道或进行轨道转移。俄罗斯质子M火箭配备了多种上面级，同样可以通过多次点火将多个有效载荷送入不同的轨道。

在增加任务灵活性方面，具备在轨多次点火能力的火箭有潜力执行更复杂的任务。万一在发射过程中遭遇意外情况，火箭有机会通过调整点火策略来化险为夷。正常情况下，火箭也有潜力将多个有效载荷送入不同的轨道高度和倾角。

这方面就不得不提到欧空局的织女星-C火箭。尽管该型火箭至今仍未从发射失败的阴影中“走出来”，但设计颇有特色：作为一款四级运载火箭，前三级使用固体燃料发动机，第四级即上面级使用1台液体燃料发动机，另有6台姿控发动机，设计能够灵活地驱动上面级进行滚转、俯仰、偏航，执行一箭多星和异轨多星部署任务，理论上具备出色的任务适应性。

其实，多次点火技术有可能增加火箭的复杂性和成本。不过，从长远来看，通过提高运载效率和任务灵活性，这种技术有望降低整个发射任务的综合成本。

特别是在商业发射市场竞争中，这一点显得尤其重要。比如，日本H-2系列火箭受制于成本高昂，争夺国外订单经常陷入劣势。为此，日本H-3火箭特意强化了芯二级在轨滑行、多次点火的能力，以便有效载荷进入特殊设计的同步转移轨道，降低地球同步轨道卫星发射成本。

多重难关务必攻克

火箭芯二级或上面级想要安全、有效地在轨多次点火，必须克服一系列技术挑战，涉及发动机、控制系统、结构设计、材料等多个领域。

一方面，在轨多次点火技术对火箭芯二级或上面级的发动机综合性能提出了极高的要求。发动机需要在多次启动和关闭过程中保持稳定的性能，尽量排除高温、高压等复杂环境因素的消极影响。同时，发动机的可靠性、工作寿命和可重复使用特性也是需要关注的重要因素，阿里安6火箭芯二级的辅助动力装置在首飞中就没经受住重复使用考验。

另一方面，在轨多次点火需要精确、智能的控制系统“保驾护航”，确保火箭芯二级或上面级的发动机在正确的时间和条件下启动和关闭。这要求控制系统实时监测火箭芯二级或上面级的状态和参数，并根据任务目标及时调整，也就是需要具备高度的自主性。

此外，在轨多次点火过程中，热应力和机械应力对火箭芯二级或上面级的结构和热防护系统提出了挑战。科研人员有必要选用合适的材料，优化设计，确保火箭芯二级或上面级的结构完整性和热稳定性，提高任务成功率，减少产生太空垃圾。

展望未来技术助力

当前，科研人员正在研发和测试新技术、新设计，希望尽量提高火箭单次发射的综合效益，满足更复杂的有效载荷空间部署任务。据不完全统计，至少有5个方面的技术措施有望提升火箭芯二级或上面级多次点火的成功率和任务效率。

其一，研发推力更大、比冲更高的先进发动机，至少为火箭芯二级或上面级配备能够灵活调节推力的发动机，以便在飞行过程中根据需要调整推力，适应不同的飞行阶段和任务目标。

值得一提的是，全流量分级燃烧循环技术有助于提高发动机的效率和可靠性，同时降低质量和综合成本，将是高性能发动机的重要发展方向之一。

其二，掌握智能化控制技术。具体来说，可以利用人工智能、机器学习等方兴未艾的巨大潜力技术，开发能够实时监测火箭状态、预测飞行轨迹并自主调整飞行参数的飞行控制系统，帮助火箭芯二级或上面级在多次点火中更加精准可靠。

此外，智能化控制技术还能提高火箭的故障诊断和容错能力，以便迅速定位故障并采取准确的补救措施，保障任务顺利进行。

其三，研发能够承受高温、高压等复杂环境的新型热防护材料，确保火箭芯二级或上面级在多次点火中尽量少受损害。必要时，新材料还应配合优化结构设计，整体减轻火箭“死重”，提高运载效率，确保在多次点火中的稳定性和可靠性。

其四，深入研发、应用可重复使用技术。这既包括提高发动机的重复使用次数和工作寿命，改善发动机设计、制造和维护流程，又涉及发展整体火箭回收技术，也就是争取回收、复用火箭第二级或上面级，进一步降低航天发射任务综合成本。

其五，提升能源系统效率。火箭对推力、比冲的追求是无止境的，特别是芯二级或上面级承担复杂的载荷部署任务，有必要探索应用新型推进剂，从根本上提升推进性能。同时，科研人员还在开发更先进的能源管理系统，优化火箭在多次点火过程中的能源分配和使用，提高能源利用效率。

阿里安6火箭芯二级设计多次点火，以便部署多样化载荷。