歐洲航天局可重復使用運載器計劃初探

單文杰 康斯貝（中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

30多年以前，歐洲開始圍繞航天發射建立合作組織，一批具有共識的歐洲國家共同組建了歐洲航天局。在運載火箭發展方面，歐洲航天局代表著歐洲航天運輸領域的最高水平，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模較小、經濟效益更高的發射任務。然而，歐洲航天局的航天發展策略是始終保持在全球航天運輸領域的技術領先地位，以及確保歐洲航天發射公司能夠滿足當前以及未來歐洲航天局和歐洲商業發射的需求。

1 歐洲航天局航天運輸發展計劃

歐洲航天局在過去已經取得了研制Ariane－4、5運載火箭的巨大成功，未來，歐洲航天局發展航天運輸系統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運載火箭發射市場；

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

· 通過提高產業競爭力和促進創新，支持歐洲工業、技術和研究能力提升；

· 創造就業；

· 開發下一代運載器；

· 維護發射所需的地面基礎設施；

· 鼓勵國際合作，并在其中發揮領導作用。

為了達到這些目標，歐洲航天局重點組織實施了“歐洲保障性發射項目”（EGAS）和“未來發射準備計劃”（FLPP）。其中，EGAS是由于近年來歐洲商業發射市場持續低迷，而Ariane火箭的生產始終依賴商業衛星發射市場，歐洲航天局從經濟的角度出發，制定了一份為期5年、每年發射6次的固定發射計劃，以保持Ariane－5運載火箭的持續進步，同時確保歐洲具有獨立進入太空的能力；FLPP是從技術的角度出發，在以往成功研制各類運載火箭的基礎上，整合歐洲工業界的力量，開展一系列系統研究和關鍵技術演示驗證試驗，培育新的技術能力，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未來發展計劃中，發展可重復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這一目標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，當時歐洲航天局正在協調成員國開展關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步驟，目的是實現飛行器的可指控、可操作和精確著陸。歐洲航天局將IXV項目定義為“歐洲航天未來發展路徑中降低風險的‘過渡’階段”，實際也是歐洲下一代運載器部分關鍵技術的演示驗證項目。

任務要求及設計指標

IXV項目的目標是設計、開發、生產和試飛一架空氣動力學控制的再入飛行器，具有較強的柔性和操縱性。其任務要求如下：

1）通過助推器的空氣動力學曲面控制完成飛行器返回任務；

2）驗證從低地球軌道返回所需的關鍵再入技術；

3）海上著陸回收及分析；

4）使用VEGA運載火箭以控制成本。

在設計指標方面，IXV被設計為太空飛行返回艙，長5m，寬2.2m，高1.5m，質量約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境，并保護結構完整；內部構造主要由碳纖維建設，以加固聚合物結構面板，提供力量和硬度，以抵抗發射和著陸時產生的巨大沖力；飛行器內部分為動力、數據處理和遙測、降落傘和漂浮控制裝置、側翼和助推器控制裝置等。

試驗設想

IXV內部結構

關于IXV的飛行演示驗證試驗，歐洲航天局官方網站進行了介紹。按照計劃，質量達2t的IXV飛行器將從法屬圭亞那發射中心由VEGA運載火箭發射升空，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副翼控制，遙測監控系統將收集大量IXV超聲速飛行時的數據，最后憑借降落傘降落到太平洋，并等待回收和分析。

IXV項目的目標是設計、開發、制造和驗證一個自主升降和空氣動力控制的再入飛行器，其驗證的關鍵技術包括：空氣動力學和氣體熱力學方面的先進儀器；熱防護和熱結構解決方案；結合空氣動力學側翼的制導、控制和導航等。

籌備進展及未來發展

IXV項目開始于2002年，當時的目標是為FLPP中可重復使用飛行器進行技術驗證。2005年，歐洲航天局對項目目標進行了變更，使項目轉為發展歐洲低地球軌道返回再入技術的驗證項目。2008年11月，IXV系統初步設計審查工作順利完成。2009年1月，項目正式轉入全面發展階段。

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設計基線。為了順利完成發射和飛行試驗，歐洲航天局成立了專門的工業組織，負責IXV設計基線中重大關鍵技術的最優化工作，優化范圍包括：制導、導航與控制（GNC），航電設備（電源、數據處理、射頻遙測），測量傳感器，反應控制，冷、熱符合材料結構，熱保護和熱控制。此外，對模塊、電源和遙測系統的要求進行了改進。

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飛行器的協議，協議宣稱，IXV的詳細設計和關鍵技術已經準備完畢，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，地面網絡的采購也同步啟動，包括地面控制中心、地面站遙感設備、可移動天線和通信網絡。

IXV飛行演示驗證方案

關于IXV的未來，歐洲航天局正在考慮把研究成果發展成為一種可負擔的可重復使用飛行器，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項目積累的經驗，歐洲航天局已經有效降低了技術風險，未來可重復使用飛行器在軌操作將變得更加可行。IXV項目經理吉奧說，“未來，IXV將在各成員國內進行更深入的研究，以鞏固和發展相關技術，可控成本的可重復使用飛行器將在操作和維護在軌有效載荷方面發揮更加積極的作用。”

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關鍵技術的核心項目，自然也牽動了大批歐洲企業隨之發展。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，包括歐洲工業界主要的公司，以及研究機構和大學。

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

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

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年內完成飛行器詳細設計和關鍵技術驗證，并順利進入樣機生產和飛行試驗階段。

4 IXV的研發邏輯

歐洲航天局為了發展包括IXV項目在內的“下一代發射系統”（NGL），在成功發展航天運輸系統30多年經驗的基礎上，提出了基于技術成熟度和集成演示驗證試驗的“技術開發和驗證計劃”（TDVP）。

基于IXV發展的未來可重復使用飛行器

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

“技術開發和驗證計劃”是在總體設計、演示驗證機與關鍵技術之間建立聯系，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：總體設計定義對技術的技術性要求；

· 自下而上的方法：總體設計受益于已成熟的技術。

歐洲航天局技術成熟度和演示驗證試驗主要涵蓋了空間運輸系統中所必需的傳統領域，特別是：推進器，材料、工藝和結構，航電設備，制導、導航與控制，推進劑管理系統，熱控制。

5 結語

長期以來，歐洲航天局始終致力于建造獨立發射運營的空天運輸系統，在經歷了航天飛機、空天飛機等一系列發展計劃之后，歐洲航天局與泰雷茲-阿萊尼亞公司聯合推出的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使用飛行器技術的發展，對歐洲航天運輸系統的發展起到積極的推動作用。