歐洲航天局可重復(fù)使用運載器計劃初探

單文杰 康斯貝（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

30多年以前，歐洲開始圍繞航天發(fā)射建立合作組織，一批具有共識的歐洲國家共同組建了歐洲航天局。在運載火箭發(fā)展方面，歐洲航天局代表著歐洲航天運輸領(lǐng)域的最高水平，其阿里安－5（Ariane－5）運載火箭具有強大的航天運輸能力，而“織女星”（VEGA）運載火箭也可以完成一些運載規(guī)模較小、經(jīng)濟效益更高的發(fā)射任務(wù)。然而，歐洲航天局的航天發(fā)展策略是始終保持在全球航天運輸領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位，以及確保歐洲航天發(fā)射公司能夠滿足當(dāng)前以及未來歐洲航天局和歐洲商業(yè)發(fā)射的需求。

1 歐洲航天局航天運輸發(fā)展計劃

歐洲航天局在過去已經(jīng)取得了研制Ariane－4、5運載火箭的巨大成功，未來，歐洲航天局發(fā)展航天運輸系統(tǒng)的努力將主要集中在以下幾個方面：

· 保持Ariane火箭的競爭力和可控成本；

· 促進建立一個歐洲的Ariane運載火箭發(fā)射市場；

· 通過發(fā)展小型VEGA運載火箭及與俄羅斯開展合作，確保響應(yīng)市場需求的能力；

· 通過提高產(chǎn)業(yè)競爭力和促進創(chuàng)新，支持歐洲工業(yè)、技術(shù)和研究能力提升；

· 創(chuàng)造就業(yè)；

· 開發(fā)下一代運載器；

· 維護發(fā)射所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施；

· 鼓勵國際合作，并在其中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

為了達到這些目標(biāo)，歐洲航天局重點組織實施了“歐洲保障性發(fā)射項目”（EGAS）和“未來發(fā)射準備計劃”（FLPP）。其中，EGAS是由于近年來歐洲商業(yè)發(fā)射市場持續(xù)低迷，而Ariane火箭的生產(chǎn)始終依賴商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場，歐洲航天局從經(jīng)濟的角度出發(fā)，制定了一份為期5年、每年發(fā)射6次的固定發(fā)射計劃，以保持Ariane－5運載火箭的持續(xù)進步，同時確保歐洲具有獨立進入太空的能力；FLPP是從技術(shù)的角度出發(fā)，在以往成功研制各類運載火箭的基礎(chǔ)上，整合歐洲工業(yè)界的力量，開展一系列系統(tǒng)研究和關(guān)鍵技術(shù)演示驗證試驗，培育新的技術(shù)能力，為研制出歐洲下一代運載火箭做好準備。

在歐洲航天運輸系統(tǒng)未來發(fā)展計劃中，發(fā)展可重復(fù)使用運載器乃至空天飛機是其最終目的，而FLPP計劃中的“過渡性驗證飛行器”（IXV）是目前歐洲航天局為了實現(xiàn)這一目標(biāo)所實施的最重要的研究項目之一。

2 IXV計劃

項目概述

IXV項目可以追溯到2002年，當(dāng)時歐洲航天局正在協(xié)調(diào)成員國開展關(guān)于低地球軌道返回再入飛行器的研究項目，意大利航天局推薦了IXV項目。隨后，比利時航天局、法國航天局、愛爾蘭航天局、葡萄牙航天局、西班牙航天局和瑞士航天局也加入了這一項目。

該項目是歐洲航天局繼1998年大氣層再入示范飛行器成功之后的后續(xù)步驟，目的是實現(xiàn)飛行器的可指控、可操作和精確著陸。歐洲航天局將IXV項目定義為“歐洲航天未來發(fā)展路徑中降低風(fēng)險的‘過渡’階段”，實際也是歐洲下一代運載器部分關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證項目。

任務(wù)要求及設(shè)計指標(biāo)

IXV項目的目標(biāo)是設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)和試飛一架空氣動力學(xué)控制的再入飛行器，具有較強的柔性和操縱性。其任務(wù)要求如下：

1）通過助推器的空氣動力學(xué)曲面控制完成飛行器返回任務(wù)；

2）驗證從低地球軌道返回所需的關(guān)鍵再入技術(shù)；

3）海上著陸回收及分析；

4）使用VEGA運載火箭以控制成本。

在設(shè)計指標(biāo)方面，IXV被設(shè)計為太空飛行返回艙，長5m，寬2.2m，高1.5m，質(zhì)量約2t；外部表面主要為先進的陶瓷和燒蝕熱防護材料，能夠抵抗惡劣的再入環(huán)境，并保護結(jié)構(gòu)完整；內(nèi)部構(gòu)造主要由碳纖維建設(shè)，以加固聚合物結(jié)構(gòu)面板，提供力量和硬度，以抵抗發(fā)射和著陸時產(chǎn)生的巨大沖力；飛行器內(nèi)部分為動力、數(shù)據(jù)處理和遙測、降落傘和漂浮控制裝置、側(cè)翼和助推器控制裝置等。

試驗設(shè)想

IXV內(nèi)部結(jié)構(gòu)

關(guān)于IXV的飛行演示驗證試驗，歐洲航天局官方網(wǎng)站進行了介紹。按照計劃，質(zhì)量達2t的IXV飛行器將從法屬圭亞那發(fā)射中心由VEGA運載火箭發(fā)射升空，進入高度約450km的亞軌道，并模擬完成低地球軌道任務(wù)后返回再入大氣層，在再入大氣時達到約7.5km/s的速度，飛行器在再入過程中由推進器和空氣動力學(xué)副翼控制，遙測監(jiān)控系統(tǒng)將收集大量IXV超聲速飛行時的數(shù)據(jù)，最后憑借降落傘降落到太平洋，并等待回收和分析。

IXV項目的目標(biāo)是設(shè)計、開發(fā)、制造和驗證一個自主升降和空氣動力控制的再入飛行器，其驗證的關(guān)鍵技術(shù)包括：空氣動力學(xué)和氣體熱力學(xué)方面的先進儀器；熱防護和熱結(jié)構(gòu)解決方案；結(jié)合空氣動力學(xué)側(cè)翼的制導(dǎo)、控制和導(dǎo)航等。

籌備進展及未來發(fā)展

IXV項目開始于2002年，當(dāng)時的目標(biāo)是為FLPP中可重復(fù)使用飛行器進行技術(shù)驗證。2005年，歐洲航天局對項目目標(biāo)進行了變更，使項目轉(zhuǎn)為發(fā)展歐洲低地球軌道返回再入技術(shù)的驗證項目。2008年11月，IXV系統(tǒng)初步設(shè)計審查工作順利完成。2009年1月，項目正式轉(zhuǎn)入全面發(fā)展階段。

2010年2月，意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司向歐洲航天局遞交了新的IXV設(shè)計基線。為了順利完成發(fā)射和飛行試驗，歐洲航天局成立了專門的工業(yè)組織，負責(zé)IXV設(shè)計基線中重大關(guān)鍵技術(shù)的最優(yōu)化工作，優(yōu)化范圍包括：制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC），航電設(shè)備（電源、數(shù)據(jù)處理、射頻遙測），測量傳感器，反應(yīng)控制，冷、熱符合材料結(jié)構(gòu)，熱保護和熱控制。此外，對模塊、電源和遙測系統(tǒng)的要求進行了改進。

2011年6月，歐洲航天局和泰雷茲-阿萊尼亞公司宣布開始建造IXV飛行器的協(xié)議，協(xié)議宣稱，IXV的詳細設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)準備完畢，飛行器正式進入制造、組裝、集成和測試階段，并計劃于2013年進行飛行試驗。此外，地面網(wǎng)絡(luò)的采購也同步啟動，包括地面控制中心、地面站遙感設(shè)備、可移動天線和通信網(wǎng)絡(luò)。

IXV飛行演示驗證方案

關(guān)于IXV的未來，歐洲航天局正在考慮把研究成果發(fā)展成為一種可負擔(dān)的可重復(fù)使用飛行器，用于在軌操作和維護有效載荷，并再次返回地面。歐洲航天局認為，通過IXV項目積累的經(jīng)驗，歐洲航天局已經(jīng)有效降低了技術(shù)風(fēng)險，未來可重復(fù)使用飛行器在軌操作將變得更加可行。IXV項目經(jīng)理吉奧說，“未來，IXV將在各成員國內(nèi)進行更深入的研究，以鞏固和發(fā)展相關(guān)技術(shù)，可控成本的可重復(fù)使用飛行器將在操作和維護在軌有效載荷方面發(fā)揮更加積極的作用。”

IXV項目組織

IXV項目作為歐洲航天局FLPP中最重要的飛行演示驗證試驗之一，被歐洲航天局定位為筑牢歐洲未來空間運輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的核心項目，自然也牽動了大批歐洲企業(yè)隨之發(fā)展。泰雷茲-阿萊尼亞公司是IXV的主承包商，同時還有大約40家合作者，包括歐洲工業(yè)界主要的公司，以及研究機構(gòu)和大學(xué)。

事實上，在全球越來越追求航天商業(yè)開發(fā)的背景下，歐洲航天局將IXV作為歐洲聯(lián)合研制未來智能航天運輸系統(tǒng)的一個獨特樣本，以證明集合能量與資源對于提高歐洲航天運輸系統(tǒng)競爭性的好處。IXV項目的實施是整個歐洲進行工業(yè)再分配的活動，整合了歐洲航天局成員國中最優(yōu)秀的力量。

參與IXV設(shè)計基線工作大約有150人，他們來自歐洲工業(yè)部門，同時參加過“赫爾梅斯”（Hermes）航天飛機、X－38、“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）、VEGA火箭及歐洲航天局再入技術(shù)（1998年）等項目團隊，有著豐富的專業(yè)知識和優(yōu)秀的工作經(jīng)驗，他們組成的團隊整合了各個工業(yè)部門的專業(yè)能力，以及歐洲過去幾十年在空間運輸領(lǐng)域積累的經(jīng)驗，他們代表歐洲航天局與主要工業(yè)伙伴進行溝通。

正是有了這么一支整合了歐洲全部資源的項目團隊，IXV項目才能在短短的2年內(nèi)完成飛行器詳細設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)驗證，并順利進入樣機生產(chǎn)和飛行試驗階段。

4 IXV的研發(fā)邏輯

歐洲航天局為了發(fā)展包括IXV項目在內(nèi)的“下一代發(fā)射系統(tǒng)”（NGL），在成功發(fā)展航天運輸系統(tǒng)30多年經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了基于技術(shù)成熟度和集成演示驗證試驗的“技術(shù)開發(fā)和驗證計劃”（TDVP）。

基于IXV發(fā)展的未來可重復(fù)使用飛行器

該計劃的一個重要基礎(chǔ)是技術(shù)成熟度。歐洲航天局提出，對于單項技術(shù)，要通過開展地面試驗和飛行試驗來測試技術(shù)成熟度，對于達到技術(shù)成熟度等級6的技術(shù)，被認為是既能促進發(fā)展又能降低風(fēng)險的適當(dāng)水平。IXV項目就要求設(shè)計基線中關(guān)鍵技術(shù)的成熟度必須達到等級6。該計劃的另一個重要基礎(chǔ)是集成演示驗證試驗。當(dāng)單項技術(shù)達到成熟度水平要求后，有必要將不同的技術(shù)集成到同一個平臺，并開展演示驗證試驗，以測試這些技術(shù)集成后的穩(wěn)定性和性能。歐洲航天局規(guī)定，集成演示驗證成熟度等級達到2的水平為既能鞏固發(fā)展又能降低風(fēng)險的適當(dāng)水平。

“技術(shù)開發(fā)和驗證計劃”是在總體設(shè)計、演示驗證機與關(guān)鍵技術(shù)之間建立聯(lián)系，確保這3個要素之間的連貫性。目前有以下2種方法。

· 自上而下的方法：總體設(shè)計定義對技術(shù)的技術(shù)性要求；

· 自下而上的方法：總體設(shè)計受益于已成熟的技術(shù)。

歐洲航天局技術(shù)成熟度和演示驗證試驗主要涵蓋了空間運輸系統(tǒng)中所必需的傳統(tǒng)領(lǐng)域，特別是：推進器，材料、工藝和結(jié)構(gòu)，航電設(shè)備，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制，推進劑管理系統(tǒng)，熱控制。

5 結(jié)語

長期以來，歐洲航天局始終致力于建造獨立發(fā)射運營的空天運輸系統(tǒng)，在經(jīng)歷了航天飛機、空天飛機等一系列發(fā)展計劃之后，歐洲航天局與泰雷茲-阿萊尼亞公司聯(lián)合推出的IXV成為最接近實用的演示驗證項目，其于2013年進行的飛行試驗也將推動歐洲可重復(fù)使用飛行器技術(shù)的發(fā)展，對歐洲航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展起到積極的推動作用。