歐洲“過渡型試驗飛行器”研究與飛行試驗情況分析

王衛(wèi)杰 李怡勇 （裝備學院）

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歐洲“過渡型試驗飛行器”研究與飛行試驗情況分析

王衛(wèi)杰 李怡勇 （裝備學院）

Study of European IXV and Analysis of IXV Flight Test

大氣再入領域被視為是廣泛開展空間應用的基礎，涉及行星探測、標本帶回、未來運載器與空間飛機的研制、乘員與貨物的空間運輸、無人飛行器為在軌衛(wèi)星提供服務，以及其他在空間和宇航領域內的創(chuàng)新應用。歐洲針對再入返回關鍵技術開展了多項基礎研究和技術準備項目。作為歐洲航天局（ESA）“未來運載器準備計劃”（FLPP）中的一個重要的技術驗證平臺，“過渡型試驗飛行器”（IXV）得到歐洲航天局及各成員國的高度關注和重視。

2015年2月11日，“過渡型試驗飛行器”在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射中心由“織女星”（Vega）火箭成功發(fā)射，實現(xiàn)了首次飛行。其任務的成功將顯著提升歐洲再入領域關鍵技術的水平，為歐洲未來自主研制可重復使用航天運輸系統(tǒng)奠定基礎。

1 研究背景

“過渡型試驗飛行器”作為一個技術平臺，是歐洲繼1998年成功飛行“試驗型大氣再入驗證機”（ARD）之后，在大氣再入領域開展的又一研究項目。自2000年以來，歐洲研制了數(shù)架用于研究再入技術的試驗飛行器，包括法國、德國、意大利和歐洲航天局在內，均強調歐洲需要擁有再入系統(tǒng)和技術的相關飛行經驗，鞏固其在未來空間運輸領域開展國際合作的地位和所扮演的角色。

2003年，歐洲航天局各成員國開始共同制定“未來運載器準備計劃”?！斑^渡型試驗飛行器”作為該計劃中的一個技術驗證平臺被提出，要求在一體化的系統(tǒng)級層面上，通過飛行試驗來驗證關鍵技術性能，培育能夠提供高性能、高可靠和低成本的新系統(tǒng)的技術能力。與“試驗型大氣再入驗證機”相比，“過渡型試驗飛行器”擁有更為寬廣的再入走廊和更高的機動性能，并將驗證關鍵技術的性能。根據(jù)歐洲航天局公布的信息，“過渡型試驗飛行器”項目正在發(fā)展和飛行試驗歐洲未來自主控制再入所需的技術和關鍵系統(tǒng)，用于低地球軌道的返回任務，其目的是開發(fā)一個歐洲的自主大氣再入演示系統(tǒng)，利用升力體外形和一個基于推進、氣動表面的高性能控制系統(tǒng)，以及具有先進的大氣再入熱保護，實現(xiàn)高氣動性能的要求。

2 研制過程

2005年，歐洲航天局各成員國在與工業(yè)界進行方案權衡比較后，確定“過渡型試驗飛行器”為升力體布局，并由歐洲新研制的“織女星”小型運載火箭發(fā)射。2007年，歐洲航天局完成“過渡型試驗飛行器”的系統(tǒng)要求評審，并凍結了“過渡型試驗飛行器”的任務與系統(tǒng)研究的關鍵部分，強調歐洲應加強研究可控的、從近地軌道再入的專門技術，并在系統(tǒng)級層面上實現(xiàn)再入關鍵技術的集成，以及在典型的飛行環(huán)境中驗證它們的性能。

“過渡型試驗飛行器”升力體布局示意圖

2008年，“過渡型試驗飛行器”項目完成了初步設計。在同年11月召開的歐洲航天局部長級會議上，同意“過渡型試驗飛行器”項目進入詳細設計與研制階段，項目主承包商更換為意大利的泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS），該公司作為一家標準的系統(tǒng)公司，在研制執(zhí)行航天任務的一體化系統(tǒng)方面具有豐富的經驗。主承包商的變更導致“過渡型試驗飛行器”項目在進入詳細設計與研制階段之前開展了以下工作：

1）分析所有系統(tǒng)和分系統(tǒng)，以夯實設計基礎、設計定義和相關系統(tǒng)與分系統(tǒng)的功能規(guī)范；

2）更新并產生所有必需的系統(tǒng)和分系統(tǒng)文件，以推進項目不斷成熟并進入全面研制階段。

2009年6月16日，在巴黎航空展上，歐洲航天局和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司簽署協(xié)議，正式授權該公司開展“過渡型試驗飛行器”大氣再入演示系統(tǒng)的研制。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司將負責飛行器的總體設計、研制和集成，并將領導一個由來自奧地利、比利時、法國、德國、愛爾蘭、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士和荷蘭的歐洲主要工業(yè)集團和研究中心、大學組成的聯(lián)合團隊。該飛行器計劃于2012年底交付歐洲航天局。歐洲航天局主管發(fā)射的主任安東尼奧·法布里齊強調：“這項協(xié)議標志著‘過渡型試驗飛行器’項目進入全面研制階段”。

“過渡型試驗飛行器”優(yōu)化設計的主要內容

2010年2月4日，在意大利都靈，泰雷茲-阿萊尼亞航天公司與其主要工業(yè)伙伴向歐洲航天局展示了新的“過渡型試驗飛行器”設計基準。在新的設計優(yōu)化中，通過對制導、導航與控制（GNC），航空電子設備（如電源、數(shù)據(jù)處理、射頻和遙測），測量傳感器，反應控制，冷熱復合材料結構，熱防護與控制等分系統(tǒng)的重新設計，改進了系統(tǒng)的質量、功率和遙測的要求。這是“過渡型試驗飛行器”全面研制階段開始的一個關鍵里程碑。

2010年9月15日，歐洲航天局在法國舉行了第一次“過渡型試驗飛行器”工業(yè)研討會。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司與其主要工業(yè)伙伴展示了該飛行器的詳細設計。2011年5月，“過渡型試驗飛行器”項目通過了系統(tǒng)關鍵設計評審，開始進行飛行器的制造、裝配和集成。據(jù)2012年11月9日報道，“過渡型試驗飛行器”正在完成一系列的下降和著陸試驗。對于可重復使用的再入飛行而言，下降和著陸是極為關鍵的一個環(huán)節(jié)。歐洲航天局和國際上已經得到的多次失敗教訓，促使歐洲航天局在這方面采取非?？煽康脑O計和嚴謹?shù)尿炞C，以確保任務成功。

2013年6月19日“過渡型試驗飛行器”在意大利撒丁島東海岸成功完成了里程碑式的全尺度下降和著陸試驗。在試驗中，“過渡型試驗飛行器”原型機由一架直升機從3000m高度釋放，下降中獲得的速度能夠模擬降落傘展開之前的太空任務。然后，降落傘使“過渡型試驗飛行器”的速度減慢到7m/s以下，并在海上安全降落。這是計劃的一系列模擬試驗中的最后一步，表明“過渡型試驗飛行器”能夠在完成太空任務后被安全回收。

2014年6月24日晚，“過渡型試驗飛行器”被運抵位于荷蘭諾德的歐洲航天局的主要技術中心，準備在這里為11月的發(fā)射進行最后的測試。這些測試旨在確認“過渡型試驗飛行器”可以承受發(fā)射時的苛刻條件。第一步，從7月11日開始，為期3周，檢查“過渡型試驗飛行器”螺栓是否能夠經受發(fā)射時的嚴重振動。接下來是3天的分離沖擊試驗，模擬飛行器與火箭分離時的沖擊。第二步，在歐洲的大型聲音試驗設施中進行6天的測試，“過渡型試驗飛行器”將體驗火箭升空時的巨大聲音。第三步，將用11天專門檢查所有的飛行器子系統(tǒng)在經歷以上測試后的工作情況。除了在荷蘭的測試，其他并行的工作正在準備亞軌道飛行，包括在法屬圭亞那庫魯?shù)臍W洲航天發(fā)射中心的發(fā)射活動、地面（測控通信）網絡和回收工作。

2014年10月23日，為了對“織女星”火箭的飛行軌跡做進一步的安全分析，發(fā)射專家決定推遲原計劃于11月18日的“過渡型試驗飛行器”發(fā)射。與“織女星”火箭以往向北進入極地軌道的飛行不同，本次任務中“織女星”火箭將向東飛行，釋放“過渡型試驗飛行器”進入亞軌道，最后落入太平洋。這個軌跡對于“織女星”火箭是前所未有的，因此，需要對火箭的性能進行更多的分析，以便能夠有效應對火箭升空后可能發(fā)生的異常。2015年1月，發(fā)射活動被重新確認。

3 飛行試驗情況

“過渡型試驗飛行器”的計劃飛行包線

根據(jù)發(fā)射前公布的計劃，“過渡型試驗飛行器”從法屬圭亞那庫魯發(fā)射，進入一個半赤道軌道，然后在太平洋著陸，等待船回收和飛行后分析。主要飛行階段分為：上升、分離、彈道、再入、下降和墜落。本次任務的控制中心設在意大利都靈的先進物流技術工程中心的任務控制中心（ALTEC），將在任務期間密切監(jiān)控“過渡型試驗飛行器”。該中心也將負責協(xié)調整個地面段的活動，包括在利伯維爾（加蓬）和馬林迪（肯尼亞）的固定地面站，以及在太平洋回收船上的海上移動站。

“過渡型試驗飛行器”飛行路線

“過渡型試驗飛行器”的計劃飛行包線

“過渡型試驗飛行器”的實際飛行過程

2015年2月11日，“過渡型試驗飛行器”由“織女星”火箭成功發(fā)射，實現(xiàn)了其首次飛行?！斑^渡型試驗飛行器”搭乘火箭升空約18min后，飛行器在距離地球表面約320km的高度與火箭分離，并借助自身的推進器爬升至距離地面約412km的軌道最高點；當降至120km高度時再入速度達到7.5km/s；在隨后的滑翔過程中，“過渡型試驗飛行器”實施了機動，其速度從高超聲速降到超聲速，最終通過降落傘降落在加拉帕格斯群島西部太平洋的預定海域。從發(fā)射到回落入海整個行程約為32000km，用時100min。飛行器在再入大氣層過程中，用其所攜帶的300個傳感器記錄下了飛行軌跡、溫度、壓力、負荷、空氣熱動力等方面的完整飛行數(shù)據(jù)。通過與之前報道的計劃飛行過程比較可見，“過渡型試驗飛行器”實際飛行過程與計劃非常吻合，整個飛行試驗結果非常理想。

在“過渡型試驗飛行器”短暫而關鍵的任務過程中，在三大洲和公海的專家密切合作，監(jiān)測著它在空間的自由飛行、再入和最后安全降落到太平洋。回收后的“過渡型試驗飛行器”系統(tǒng)將被運回歐洲，在位于荷蘭的歐洲航天局技術中心進行詳細的技術分析。

4 項目的主要研究內容

“過渡型試驗飛行器”長5m、高1.5m、寬2.2m，質量約2t，任務目的是在有代表性的飛行條件下測試關鍵系統(tǒng)和技術方面的性能，驗證從低地球軌道返回任務中自主控制再入的能力。其中涉及的關鍵系統(tǒng)和技術主要包括：

1）系統(tǒng)級技術。這將是世界上第一次升力體飛行器在有代表性的低地球軌道返回飛行條件下的飛行試驗。過去的任務已經測試了其他有翼飛行器，它們容易控制，但非常復雜和昂貴；對于無翼飛行器，雖然具有低復雜度和低成本的特點，但很難進行控制。升力體——無翼航天器通過作用在它表面的氣動力獲得升力，最大發(fā)揮了有翼體的優(yōu)勢，同時盡量減少了無翼體的缺點。這樣就能消除機身等部件所產生的附加阻力以及產生于機翼和機身間的干擾，從而在較低速度下獲得較高的升阻比，達到提高全機性能的目的。

2）氣動熱力學。在高速和高溫條件下，氧氣-氮氣分子分解產生高超聲速氣動熱力學現(xiàn)象，這會引起目前知之甚少的氣動特性變化。更精確地理解這種現(xiàn)象對于驗證設計工具和過程具有極其重要的作用，可以減少飛行器設計中為應對工程不確定性產生的必要裕度，并優(yōu)化飛行器的有效載荷能力。

3）制導、導航與控制?！斑^渡型試驗飛行器”將是利用推進器和襟翼的組合控制飛行的第一個歐洲航天器，其依靠改進的制導算法以及通過慣性測量和GPS的復合獲得增強導航。

4）熱防護和熱結構。本次任務將是在歐洲第一次測試新材料和概念在低地球軌道再入飛行條件下的大范圍變化。被研究的材料和概念包括：不同類型的陶瓷基復合材料用于機鼻、蓋板、鉸鏈和襟翼，軟木和硅基材料之類的燒蝕材料用于飛行器的背風面。

此外，“過渡型試驗飛行器”還希望是一個低成本的系統(tǒng)，預計其設計和研制成本約為1.5億歐元，包括飛行器、地面支持設備、地面段（任務控制中心更新、海上天線，遙測組件、通信網絡）以及任務操作。這也包括與回收船有關的費用，但不包括“織女星”火箭的成本。

5 結論

通過以上分析，可以得出以下幾條基本的結論：

1）“過渡型試驗飛行器”是歐洲航天局面向未來的自主可重復使用航天運載系統(tǒng)設計研制的一個技術驗證試驗平臺，重點是發(fā)展和驗證新型飛行器從低地球軌道自主控制再入所需的關鍵系統(tǒng)和技術。

2）“過渡型試驗飛行器”從概念提出、到方案設計、工程研制、模擬試驗和飛行試驗，走過了十幾年的時間，通過漸進式發(fā)展和嚴格試驗，基本按照計劃和進度實現(xiàn)了預定目標。

3）“過渡型試驗飛行器”的首次飛行試驗與計劃飛行包線和時序非常吻合，飛行試驗取得圓滿成功，不僅驗證了有關技術和系統(tǒng)的可行性，而且300多個傳感器采集的大量數(shù)據(jù)將用于進一步的科學研究。

4）“過渡型試驗飛行器”的每一次試驗都是有計劃、嚴格實施的，例如為了確認“織女星”火箭飛行軌跡的安全性，不惜在所有工作已經準備好的條件下決定推遲發(fā)射，這既保證了每次試驗的有效和成功，同時也降低了整個系統(tǒng)的風險和成本。

5）“過渡型試驗飛行器”的設計研制團隊由來自歐洲多個國家的數(shù)十家公司、研究中心和大學組成，充分體現(xiàn)了歐洲自主研制下一代可重復使用航天運輸系統(tǒng)的決心和能力，以及各研究機構之間的密切合作。其任務的成功完成將顯著提升歐洲再入領域關鍵技術的水平，為歐洲未來自主研制可重復使用航天運輸系統(tǒng)奠定基礎。