歐洲成功發(fā)射無人太空飛機“過渡型試驗飛行器”

歐洲成功發(fā)射無人太空飛機“過渡型試驗飛行器”

2015年2月11日13:40，歐洲航天局（ESA）研制的無人太空飛機“過渡型試驗飛行器”（IXV）由“織女星”（Vega）運載火箭發(fā)射升空，在約348km高度與火箭分離，繼續(xù)爬升到413km高度后彈道式再入返回，亞軌道飛行共持續(xù)100min，最后于15：19在降落傘輔助下濺落在太平洋上，標志著“過渡型試驗飛行器”任務圓滿完成。

“過渡型試驗飛行器”是ESA用于飛行試驗航天器再入技術的試驗臺，采用無翼升力體設計，帶有熱防護系統(tǒng)，推力器和2個襟翼在再入過程中提供控制?！斑^渡型試驗飛行器”此次亞軌道試飛任務的主要目的是收集各種系統(tǒng)和部組件在實際再入環(huán)境中的性能數(shù)據(jù)，驗證自主受控再入技術和關鍵系統(tǒng)，為今后研制新型可返回航天器做好準備，以拓展歐洲空間探索整體能力。

“過渡型試驗飛行器”與火箭上面級組合飛行示意圖

1 “過渡型試驗飛行器”項目概況

迄今為止，人類關于航天器再入大氣層的知識都來源于俄羅斯和美國研制的太空艙和有翼升力體航天器。1998年，ESA首次發(fā)射了圓錐體“大氣層再入驗證機”（ARD），此后經(jīng)過了很長一段歷程才研制出“過渡型試驗飛行器”?！斑^渡型試驗飛行器”的演進現(xiàn)為ESA“歐洲重復使用在軌驗證飛行器計劃”（PRIDE）的一部分，該計劃重點是可負擔的重復使用飛行器，用于在軌操作和服務有效載荷之后返回，并在普通跑道上觸地。

“過渡型試驗飛行器”項目可回溯到2004年，ESA啟動“未來發(fā)射器預備計劃”（FLPP），將“過渡型試驗飛行器”再入系統(tǒng)確定為驗證關鍵再入技術飛行中性能的平臺。接下來的2年中，篩選了不同的“過渡型試驗飛行器”設計方案，最終選定升力再入體方案。

2007年，項目通過系統(tǒng)要求評審，由此進入了計劃的B階段，并在2008和2009年取得多項進展。雖然通過了初步設計評審，但項目多少受到了主承包商和分承包商級別組織機構變動的影響，進行了大量的重新設計。2010和2011年，“過渡型試驗飛行器”項目成功通過C2階段，即系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部組件級關鍵設計評審。2012年，“過渡型試驗飛行器”項目通過D階段和E1初期階段，包括整個飛行段（即航天器及其地面保障設備）和地面段（即天線、遙測裝備、通信網(wǎng)絡、任務控制中心）的制造、組裝、總裝和測試，并獲得通過，完成了“織女星”火箭發(fā)射服務初步任務分析。“過渡型試驗飛行器”于2014年9月運抵發(fā)射場。

國家和國際合作

“過渡型試驗飛行器”得到了ESA的11個成員國的支持，即奧地利、比利時、法國、德國、愛爾蘭、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士和荷蘭。盡管歐洲缺乏研制復雜升力體再入系統(tǒng)的經(jīng)驗，但各成員國的廣泛參與提供了全面而有效的產(chǎn)業(yè)組織。

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（意大利）是“過渡型試驗飛行器”空間段和地面段的主承包商，整合了約40家歐洲公司、院校和研究機構的能力。系統(tǒng)支持及分系統(tǒng)設計和生產(chǎn)主合同授予一級企業(yè)，包括阿斯特留姆（法國、荷蘭）和阿爾卡特-阿萊尼亞航天公司（意大利），然后二級分包給參與“過渡型試驗飛行器”的ESA成員國工業(yè)界和研究機構。

ESA還積極探索與俄羅斯等其他空間機構的合作機會，以期從已有專門技術中獲益，降低試驗風險和成本，同時堅持試驗主要目標。

研制成本

設計和研制“過渡型試驗飛行器”飛行器本身、地面保障設備和地面段的預計成本為1.5億歐元，包括與回收艦相關的支出，但不包括“織女星”火箭成本。

2 運輸系統(tǒng)

“過渡型試驗飛行器”

“過渡型試驗飛行器”驗證任務主要體現(xiàn)能結合使用火箭發(fā)動機和氣動面，從近地軌道返回且兼顧順向航程距離與橫向航程性能的升力系統(tǒng)研制情況。作為其第一次任務，選定再入速度為7.5km/s的亞軌道飛行?！斑^渡型試驗飛行器”演示驗證的關鍵技術包括熱防護系統(tǒng)（TPS）、在氣熱動力（ATD）環(huán)境中運轉及制導、導航與控制（GNC）。

“過渡型試驗飛行器”長5m，寬2.2m，高1.5m，發(fā)射質量1845kg，升阻比為0.7，由幾個大型部件組成：帶多個內部隔艙的內體部件、底面部件、側面部件、下風面部件、上風面部件、頭錐部件及襟翼部件。

“過渡型試驗飛行器”為升力體，外表面由先進陶瓷和燒蝕性熱防護材料組成，內部件圍繞碳纖維加固聚合物結構板建造，提供抵抗發(fā)射和降落過程中所受極端力的強度與剛度。隔艙容納電源、數(shù)據(jù)處理和遙測航電元件、降落傘、漂浮裝置、襟翼和推力器的控制裝置。其主要分系統(tǒng)包括結構、熱防護和控制、下降和回收、制導導航與控制、電源、數(shù)據(jù)處理、遙測、軟件、機構、襟翼控制、反作用控制及飛行試驗儀器等。

飛行器外部布局

飛行器內部布局

“織女星”火箭技術參數(shù)

因“過渡型試驗飛行器”是純技術驗證任務，所以配備了多種傳感器以記錄所有環(huán)境數(shù)據(jù)和不同系統(tǒng)的響應。其上安裝的試驗系統(tǒng)整體架構包括兩部分：以熱電偶為代表的傳統(tǒng)傳感器和以紅外相機為代表的先進傳感器。傳統(tǒng)傳感器依據(jù)安裝位置分為三類：熱防護面上的熱電偶和壓力孔、應變儀等托架定位傳感器與安裝在冷表面上的內部傳感器?！斑^渡型試驗飛行器”上共安裝了105個S型鉑熱電偶、89個K型熱電偶、37個絕對壓力傳感器、2個差動壓力傳感器、12個位移傳感器、48個應變儀和1個紅外相機系統(tǒng)。

“織女星”運載火箭

為滿足將300～2000kg衛(wèi)星經(jīng)濟地送入極軌道和近地軌道，用于眾多科學和對地觀測任務的需求，歐洲研制了“織女星”火箭，以北半球第二亮的恒星命名。“織女星”是一種采用全固體級的三級入軌運載火箭，另可選擇加裝液體火箭上面級“姿態(tài)微調上面模塊”（AVUM），使火箭具備多軌道入軌和精確入軌機動能力。不同于大部分輕型火箭，“織女星”火箭能將多個有效載荷送入軌道。火箭總高度29.9m，直徑3.03m，發(fā)射質量137t，近地軌道運載能力2500kg。

在發(fā)射“過渡型試驗飛行器”之前，“織女星”火箭已成功發(fā)射3次?；鸺?012年2月13日首飛（VV01），將9顆衛(wèi)星送入近地軌道，成為阿里安航天公司（Ariane space）運營的最輕型火箭，加入“聯(lián)盟”中型火箭和阿里安－5重型火箭的現(xiàn)役隊伍。2013年5月7日執(zhí)行第二次發(fā)射任務（VV02），將3顆衛(wèi)星送入近地軌道。2014年4月30日執(zhí)行第三次發(fā)射任務（VV03），將一顆對地觀測衛(wèi)星送入太陽同步軌道。

“姿態(tài)微調上面模塊”上面級參數(shù)

“織女星”火箭入軌精度（± 3σ）

“織女星”火箭與“過渡型試驗飛行器”組合體示意圖

“過渡型試驗飛行器”任務概念圖

3　任務概況

任務運行

“過渡型試驗飛行器”任務控制中心設在位于意大利都靈的先進后勤技術工程中心（ALTEC），負責監(jiān)視“過渡型試驗飛行器”運行并分發(fā)、儲存任務數(shù)據(jù)。該中心還負責協(xié)調整個地面段的活動，包括設在加蓬利伯維爾和肯尼亞馬林迪的固定地面站，還有太平洋上的白羊座號回收艦海軍站。

為跟蹤“過渡型試驗飛行器”的近赤道軌跡，利伯維爾和馬林迪地面跟蹤站都配備了10m直徑的衛(wèi)星接收天線，任務的再入部分由回收艦上安裝的跟蹤設備監(jiān)視。任務控制中心還負責在器箭分離后基于實測運載火箭性能和跟蹤數(shù)據(jù)計算“過渡型試驗飛行器”軌道，以便更新回收艦位置。

任務目標與要求

“過渡型試驗飛行器”的主要任務目標是飛行驗證大氣層再入技術，同時，在機動性、可操作性和精確著陸方面提升系統(tǒng)性能。顧名思義，“過渡型試驗飛行器”是歐洲實現(xiàn)未來可運行系統(tǒng)建設路線圖中的“過渡性”組成部分，以期有廣泛的空間運輸應用。

“過渡型試驗飛行器”的主要任務要求著重于執(zhí)行：

1）一次近地軌道返回任務，由火箭發(fā)動機和氣動面結合控制；

2）一次全面（系統(tǒng)層面集成，在具代表性的再入條件下）的關鍵再入技術性能飛行中試驗和驗證；

3）一次安全的海面降落，以確保飛行器完好回收，用于飛行后的技術檢測和分析。

“過渡型試驗飛行器”飛行方案

“過渡型試驗飛行器”濺落在太平洋上

飛行方案

“過渡型試驗飛行器”由“織女星”火箭發(fā)射，進行亞軌道飛行后再入大氣層，盡可能接近地復現(xiàn)從近地軌道返回的再入過程。

2015年2月11日當天的發(fā)射窗口在13：00開啟，共持續(xù)約1h43min。“織女星”火箭第一級點火升空，開始短暫的垂直上升階段，隨后進行俯仰和滾轉機動，開始向東北東飛行?！翱椗恰被鸺龔陌l(fā)射到器箭分離的標稱任務時長為17min59s。

對于“過渡型試驗飛行器”，真正的航程開始于器箭分離時刻。再入之前，首先沿彈道段飛行，繞地球半周。飛行計算機切換至軌道GNC模式—繼續(xù)用慣性測量單元（IMU）和GPS進行導航，啟動反作用控制系統(tǒng)進行姿態(tài)控制并執(zhí)行制導軟件，控制飛行器維持預定的姿態(tài)剖面。升空23min后，“過渡型試驗飛行器”從利伯維爾移交給馬林迪，在T+32min時刻經(jīng)過最高點。馬林迪通信覆蓋在T+34min結束，此后“過渡型試驗飛行器”信號丟失，直到回收艦重新獲取。

在任務的第一部分，“過渡型試驗飛行器”處于低性能GNC模式，允許Y軸和Z軸上最高20°、X軸上最高10°的姿態(tài)誤差，因為飛行器保持高姿態(tài)精度只會消耗不必要的推進劑。高度達到165km時啟動高性能模式，各軸姿態(tài)誤差被限定在5°以內。再入之前，通過GPS進行導航更新，修正彈道段產(chǎn)生的IMU漂移等誤差。

再入界面點設為120km，也標志著再入制導起始點。在這一點，低性能再入模式啟用，僅用反作用控制系統(tǒng)進行飛行器控制，導航系統(tǒng)處于開環(huán)模式。IMU檢測到0.05G阻力水平時，GNC模式變更為高性能設置，2個氣動襟翼啟用，飛行控制系統(tǒng)開始以推力器閥門開啟時間和襟翼偏轉設置的形式發(fā)送指令。當GNC系統(tǒng)檢測到預編程的能量條件時開始閉環(huán)再入制導。飛行控制輸出是轉換成傾斜角指令的垂直升阻比，可由襟翼系統(tǒng)執(zhí)行。

“過渡型試驗飛行器”首先展開盤縫帶引導傘，然后是超音速減速傘，穩(wěn)定飛行器本體的同時降速。檢測到超音速傘展開時，GNC系統(tǒng)進入下降模式，關掉襟翼和推力器，隨后在10km高度展開主傘。

濺落由慣性測量裝置檢測并觸發(fā)漂浮系統(tǒng)充氣。發(fā)射1h39min后確認濺落，標志著回收作業(yè)開始，起重機將飛行器吊到白羊座號回收艦的甲板上。回收艦將把“過渡型試驗飛行器”運返歐洲進行詳細的飛行后檢查，以確認熱防護系統(tǒng)在再入過程中的性能。

發(fā)射準備及標稱飛行時序

太空船-2和白騎士-2組合體

4　太空飛機發(fā)展簡史

太空飛機是指在地球大氣層中作為航空器、在太空中作為航天器運轉的飛行器，通常表現(xiàn)為裝有機翼的航天器形式。到達太空所用的推進系統(tǒng)為純火箭或由吸氣式發(fā)動機輔助，航天飛行結束后無動力滑行返回著陸。

迄今只有5種太空飛機曾成功飛行、再入大氣層、返回地球并安全著陸，即X－1 5、美國航天飛機、蘇聯(lián)暴風雪號航天飛機、太空船－1 （Space Ship One）和X－37，這5種均為火箭助推滑翔器。到目前為止，只有火箭和火箭驅動的航空器成功進入太空。這5種中，2種（X－15和太空船－1）為火箭驅動的航空器，由大氣層航空器作為載機運到一定高度再釋放；另外3種（美國航天飛機、蘇聯(lián)暴風雪號和X－37）為垂直起飛、水平降落（VTHL）飛行器。

早期美國軍用太空飛機：X-15和X-20

二戰(zhàn)后，美國開始研制名為“X飛機”（X-plane）的試驗性航空器。X－15利用火箭推進創(chuàng)造了飛行高度和速度記錄，最高一次達到了107.8km，超過了美國空軍對“太空”的界定1地球大氣層與外層太空之間并沒有離散的物理邊界。不同機構將不同高度定為太空的正式邊界：NASA和美國空軍采用80km的臨界值授予航天員徽章，曾表彰X－15計劃飛行員；美國以外普遍采用100km的“卡門線”（Kármán line）。。

20世紀60年代，美國空軍啟動波音X－20“戴納-索爾”計劃，設計用火箭發(fā)射進入太空，執(zhí)行包括偵察、轟炸、救援和空間攔截等一系列軍事任務或與計劃中的軍用空間站對接。計劃共持續(xù)7年，花費6.6億美元（合現(xiàn)今幣值50.8億美元），但在飛行器開始建造后計劃被取消?！按骷{-索爾”非常類似于后來的航天飛機，不只可以洲際彈道導彈的速度航行至遙遠目標，還能在飛行員控制下像航空器一樣滑翔回到地球。

超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機：銜接航空與航天

從20世紀80年代開始，研究開始轉向研制超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機（Scramjet）。

1986年，時任美國總統(tǒng)里根要求研制超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機推進的“東方直達”太空飛機。NASA和美國軍方開始研究X－30“國家空天飛機”（NASP），直到1990年因預算原因被取消。

而超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機在NASA的X－43A試驗機上得以延續(xù)。2004年，X－43A創(chuàng)造了Ma9.86的速度記錄。

目前技術水平

美國空軍已承認軍用太空飛機波音X－37B的存在，但該飛行器執(zhí)行的任務完全不公開。

商業(yè)公司也在研制太空飛機。維珍銀河公司致力于打造世界上第一條商業(yè)太空旅游航線，其載人飛行系統(tǒng)包括兩種飛行器：白騎士－2和太空船－2。太空船－2為小展弦比載客太空飛機，可承載8人，最大飛行高度近110km。采用單臺混合火箭發(fā)動機，時速可達4200km/h。由其載機白騎士－2在15km高度發(fā)射，在8s內達到超音速。70s后，火箭發(fā)動機關機，太空船－2滑行至最高點。太空船－2的總研制成本在2011年5月時估計有4億美元左右。2014年10月，第一部太空船－2毀于第55次試飛。

“山貓”（Lynx）為XCOR宇航公司在研的水平起降（HTHL）、裝有火箭發(fā)動機的兩座亞軌道太空飛機，計劃承載一名飛行員、一位購票乘客和/或有效載荷進入100km高度以上的太空?！吧截垺毕耧w機一樣水平起降，但不用噴氣式或活塞發(fā)動機，取而代之的是其自身完全可重復使用的火箭推進系統(tǒng)。這一方式與其他大多數(shù)在研的重復使用運載器相比都具有獨特性?！吧截垺本哂腥珡秃喜牧蠙C身，使其質輕堅固。頭錐和前緣加裝了熱防護系統(tǒng)。

內華達山脈公司（SNC）亦將參與NASA載人運輸合同競爭的“追夢者”（Dream Chaser）太空飛機設計為重復使用升力體航天器，繼承了航天飛機的特點，不同于競爭對手太空探索技術公司（SpaceX）載人“龍”（Dragon）飛船和波音公司乘員航天運輸－100（CST－100）飛船的太空艙外形。盡管內華達山脈公司此次并未獲得NASA青睞，但據(jù)悉已開始建造其第一部“追夢者”太空飛機，計劃于2016年底由宇宙神－5火箭首次發(fā)射進行軌道飛行試驗。

5　結語

此次試飛取得巨大成功后，ESA已開始規(guī)劃“過渡型試驗飛行器”下一次飛行任務，“過渡型試驗飛行器”項目經(jīng)理稱將在2019年或2020年進行試飛。同時表示，下次試飛希望“過渡型試驗飛行器”能降落在陸地上，這需要安裝起落裝置或使用可轉向的“翼傘”。下一階段繁重的設計工作將在2015年夏季啟動。為期數(shù)月的試飛數(shù)據(jù)復核和分析工作同時開展，將充分表征熱防護系統(tǒng)及再入制導的執(zhí)行情況。

“山貓”亞軌道太空飛機示意圖

“追夢者”太空飛機

ESA還宣布，此次任務成果可能會影響歐洲未來太空飛機的研制。雖然歐洲此前曾考慮過研制太空飛機（最早在20世紀80年代作為法國國家空間研究中心項目提出的“赫爾墨斯”計劃），但從未通過初始設計階段，該項目亦在20世紀90年代初取消。成功驗證的大氣層受控再入飛行器有多種應用，包括：可重復使用的發(fā)射器級、無人探索（如火星或小行星采樣返回）、在軌服務基礎設施、微重力試驗、地球科學（如高層大氣研究）、對地觀測等。

值得稱道的是，ESA近來成就斐然，備受矚目。2014年11月，由ESA“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測器釋放的“菲萊”（Philae）著陸器，實現(xiàn)了人類探測器登陸彗星“零”的突破；“過渡型試驗飛行器”成功試飛后幾天，ESA第5艘為“國際空間站”進行貨物補給的飛船“自動轉移飛行器”（ATV－5）也完成“收官之戰(zhàn)”，順利離站、離軌，為這一歐洲航天史上規(guī)模最大的項目劃上了圓滿的句號。10多年來建造和運行“自動轉移飛行器”得到的經(jīng)驗和教訓已衍生出數(shù)量龐大的專有技術，而“過渡型試驗飛行器”又取得了與“自動轉移飛行器”完全不同的歷史性成就。ESA局長讓-雅克·多丹表示，“過渡型試驗飛行器”開啟了ESA的新篇章，ESA及其成員國與歐洲航天工業(yè)界一道，已準備好接受空間運輸、新一代發(fā)射器、無人探測和載人航天領域的新挑戰(zhàn)。

郭筱曦 唐耀/文

ESA’s Unmanned Spaceplane Intermediate Experimental Vehicle Completes Test Flight