歐洲航天局可重復(fù)使用運(yùn)載器計(jì)劃初探

單文杰 康斯貝（中國(guó)運(yùn)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(shí)的歐洲國(guó)家共同組建了歐洲航天局。在運(yùn)載火箭發(fā)展方面，歐洲航天局代表著歐洲航天運(yùn)輸領(lǐng)域的最高水平，其阿里安－5（Ariane－5）運(yùn)載火箭具有強(qiáng)大的航天運(yùn)輸能力，而“織女星”（VEGA）運(yùn)載火箭也可以完成一些運(yùn)載規(guī)模較小、經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yùn)輸發(fā)展計(jì)劃

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

· 保持Ariane火箭的競(jìng)爭(zhēng)力和可控成本；

· 促進(jìn)建立一個(gè)歐洲的Ariane運(yùn)載火箭發(fā)射市場(chǎng)；

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

· 通過提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和促進(jìn)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(yùn)載器；

· 維護(hù)發(fā)射所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施；

· 鼓勵(lì)國(guó)際合作，并在其中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

為了達(dá)到這些目標(biāo)，歐洲航天局重點(diǎn)組織實(shí)施了“歐洲保障性發(fā)射項(xiàng)目”（EGAS）和“未來發(fā)射準(zhǔn)備計(jì)劃”（FLPP）。其中，EGAS是由于近年來歐洲商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)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(chǎng)，歐洲航天局從經(jīng)濟(jì)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(jì)劃，以保持Ariane－5運(yùn)載火箭的持續(xù)進(jìn)步，同時(shí)確保歐洲具有獨(dú)立進(jìn)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(yùn)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(yàn)證試驗(yàn)，培育新的技術(shù)能力，為研制出歐洲下一代運(yùn)載火箭做好準(zhǔn)備。

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

2 IXV計(jì)劃

項(xiàng)目概述

IXV項(xiàng)目可以追溯到2002年，當(dāng)時(shí)歐洲航天局正在協(xié)調(diào)成員國(guó)開展關(guān)于低地球軌道返回再入飛行器的研究項(xiàng)目，意大利航天局推薦了IXV項(xiàng)目。隨后，比利時(shí)航天局、法國(guó)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(xiàng)目。

該項(xiàng)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(shí)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(xiàng)目定義為“歐洲航天未來發(fā)展路徑中降低風(fēng)險(xiǎn)的‘過渡’階段”，實(shí)際也是歐洲下一代運(yùn)載器部分關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證項(xiàng)目。

任務(wù)要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)

IXV項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)和試飛一架空氣動(dòng)力學(xué)控制的再入飛行器，具有較強(qiáng)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(dòng)力學(xué)曲面控制完成飛行器返回任務(wù)；

2）驗(yàn)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(yùn)載火箭以控制成本。

在設(shè)計(jì)指標(biāo)方面，IXV被設(shè)計(jì)為太空飛行返回艙，長(zhǎng)5m，寬2.2m，高1.5m，質(zhì)量約2t；外部表面主要為先進(jìn)的陶瓷和燒蝕熱防護(hù)材料，能夠抵抗惡劣的再入環(huán)境，并保護(hù)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(shí)產(chǎn)生的巨大沖力；飛行器內(nèi)部分為動(dòng)力、數(shù)據(jù)處理和遙測(cè)、降落傘和漂浮控制裝置、側(cè)翼和助推器控制裝置等。

試驗(yàn)設(shè)想

IXV內(nèi)部結(jié)構(gòu)

關(guān)于IXV的飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)，歐洲航天局官方網(wǎng)站進(jìn)行了介紹。按照計(jì)劃，質(zhì)量達(dá)2t的IXV飛行器將從法屬圭亞那發(fā)射中心由VEGA運(yùn)載火箭發(fā)射升空，進(jìn)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(shí)達(dá)到約7.5km/s的速度，飛行器在再入過程中由推進(jìn)器和空氣動(dòng)力學(xué)副翼控制，遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)將收集大量IXV超聲速飛行時(shí)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(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和驗(yàn)證一個(gè)自主升降和空氣動(dòng)力控制的再入飛行器，其驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括：空氣動(dòng)力學(xué)和氣體熱力學(xué)方面的先進(jìn)儀器；熱防護(hù)和熱結(jié)構(gòu)解決方案；結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)側(cè)翼的制導(dǎo)、控制和導(dǎo)航等。

籌備進(jìn)展及未來發(fā)展

IXV項(xiàng)目開始于2002年，當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是為FLPP中可重復(fù)使用飛行器進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。2005年，歐洲航天局對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)進(jìn)行了變更，使項(xiàng)目轉(zhuǎn)為發(fā)展歐洲低地球軌道返回再入技術(shù)的驗(yàn)證項(xiàng)目。2008年11月，IXV系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)審查工作順利完成。2009年1月，項(xiàng)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(jì)基線。為了順利完成發(fā)射和飛行試驗(yàn)，歐洲航天局成立了專門的工業(yè)組織，負(fù)責(zé)IXV設(shè)計(jì)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(cè)），測(cè)量傳感器，反應(yīng)控制，冷、熱符合材料結(jié)構(gòu)，熱保護(hù)和熱控制。此外，對(duì)模塊、電源和遙測(cè)系統(tǒng)的要求進(jìn)行了改進(jìn)。

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(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，飛行器正式進(jìn)入制造、組裝、集成和測(cè)試階段，并計(jì)劃于2013年進(jìn)行飛行試驗(yàn)。此外，地面網(wǎng)絡(luò)的采購(gòu)也同步啟動(dòng)，包括地面控制中心、地面站遙感設(shè)備、可移動(dòng)天線和通信網(wǎng)絡(luò)。

IXV飛行演示驗(yàn)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(fù)擔(dān)的可重復(fù)使用飛行器，用于在軌操作和維護(hù)有效載荷，并再次返回地面。歐洲航天局認(rèn)為，通過IXV項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)，歐洲航天局已經(jīng)有效降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，未來可重復(fù)使用飛行器在軌操作將變得更加可行。IXV項(xiàng)目經(jīng)理吉奧說，“未來，IXV將在各成員國(guó)內(nèi)進(jìn)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(hù)在軌有效載荷方面發(fā)揮更加積極的作用。”

IXV項(xiàng)目組織

IXV項(xiàng)目作為歐洲航天局FLPP中最重要的飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)之一，被歐洲航天局定位為筑牢歐洲未來空間運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的核心項(xiàng)目，自然也牽動(dòng)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(shí)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(jī)構(gòu)和大學(xué)。

事實(shí)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(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特樣本，以證明集合能量與資源對(duì)于提高歐洲航天運(yùn)輸系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)性的好處。IXV項(xiàng)目的實(shí)施是整個(gè)歐洲進(jìn)行工業(yè)再分配的活動(dòng)，整合了歐洲航天局成員國(guó)中最優(yōu)秀的力量。

參與IXV設(shè)計(jì)基線工作大約有150人，他們來自歐洲工業(yè)部門，同時(shí)參加過“赫爾梅斯”（Hermes）航天飛機(jī)、X－38、“自動(dòng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，有著豐富的專業(yè)知識(shí)和優(yōu)秀的工作經(jīng)驗(yàn)，他們組成的團(tuán)隊(duì)整合了各個(gè)工業(yè)部門的專業(yè)能力，以及歐洲過去幾十年在空間運(yùn)輸領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)，他們代表歐洲航天局與主要工業(yè)伙伴進(jìn)行溝通。

正是有了這么一支整合了歐洲全部資源的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，IXV項(xiàng)目才能在短短的2年內(nèi)完成飛行器詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并順利進(jìn)入樣機(jī)生產(chǎn)和飛行試驗(yàn)階段。

4 IXV的研發(fā)邏輯

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

基于IXV發(fā)展的未來可重復(fù)使用飛行器

該計(jì)劃的一個(gè)重要基礎(chǔ)是技術(shù)成熟度。歐洲航天局提出，對(duì)于單項(xiàng)技術(shù)，要通過開展地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)來測(cè)試技術(shù)成熟度，對(duì)于達(dá)到技術(shù)成熟度等級(jí)6的技術(shù)，被認(rèn)為是既能促進(jìn)發(fā)展又能降低風(fēng)險(xiǎn)的適當(dāng)水平。IXV項(xiàng)目就要求設(shè)計(jì)基線中關(guān)鍵技術(shù)的成熟度必須達(dá)到等級(jí)6。該計(jì)劃的另一個(gè)重要基礎(chǔ)是集成演示驗(yàn)證試驗(yàn)。當(dāng)單項(xiàng)技術(shù)達(dá)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(gè)平臺(tái)，并開展演示驗(yàn)證試驗(yàn)，以測(cè)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(yàn)證成熟度等級(jí)達(dá)到2的水平為既能鞏固發(fā)展又能降低風(fēng)險(xiǎn)的適當(dāng)水平。

“技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證計(jì)劃”是在總體設(shè)計(jì)、演示驗(yàn)證機(jī)與關(guān)鍵技術(shù)之間建立聯(lián)系，確保這3個(gè)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(jì)定義對(duì)技術(shù)的技術(shù)性要求；

· 自下而上的方法：總體設(shè)計(jì)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(yàn)證試驗(yàn)主要涵蓋了空間運(yùn)輸系統(tǒng)中所必需的傳統(tǒng)領(lǐng)域，特別是：推進(jìn)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(jìn)劑管理系統(tǒng)，熱控制。

5 結(jié)語

長(zhǎng)期以來，歐洲航天局始終致力于建造獨(dú)立發(fā)射運(yùn)營(yíng)的空天運(yùn)輸系統(tǒng)，在經(jīng)歷了航天飛機(jī)、空天飛機(jī)等一系列發(fā)展計(jì)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(shí)用的演示驗(yàn)證項(xiàng)目，其于2013年進(jìn)行的飛行試驗(yàn)也將推動(dòng)歐洲可重復(fù)使用飛行器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)歐洲航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。