欧洲航天局可重复使用运载器计划初探

单文杰 康斯贝（中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

30多年以前，欧洲开始围绕航天发射建立合作组织，一批具有共识的欧洲国家共同组建了欧洲航天局。在运载火箭发展方面，欧洲航天局代表着欧洲航天运输领域的最高水平，其阿里安－5（Ariane－5）运载火箭具有强大的航天运输能力，而“织女星”（VEGA）运载火箭也可以完成一些运载规模较小、经济效益更高的发射任务。然而，欧洲航天局的航天发展策略是始终保持在全球航天运输领域的技术领先地位，以及确保欧洲航天发射公司能够满足当前以及未来欧洲航天局和欧洲商业发射的需求。

1 欧洲航天局航天运输发展计划

欧洲航天局在过去已经取得了研制Ariane－4、5运载火箭的巨大成功，未来，欧洲航天局发展航天运输系统的努力将主要集中在以下几个方面：

· 保持Ariane火箭的竞争力和可控成本；

· 促进建立一个欧洲的Ariane运载火箭发射市场；

· 通过发展小型VEGA运载火箭及与俄罗斯开展合作，确保响应市场需求的能力；

· 通过提高产业竞争力和促进创新，支持欧洲工业、技术和研究能力提升；

· 创造就业；

· 开发下一代运载器；

· 维护发射所需的地面基础设施；

· 鼓励国际合作，并在其中发挥领导作用。

为了达到这些目标，欧洲航天局重点组织实施了“欧洲保障性发射项目”（EGAS）和“未来发射准备计划”（FLPP）。其中，EGAS是由于近年来欧洲商业发射市场持续低迷，而Ariane火箭的生产始终依赖商业卫星发射市场，欧洲航天局从经济的角度出发，制定了一份为期5年、每年发射6次的固定发射计划，以保持Ariane－5运载火箭的持续进步，同时确保欧洲具有独立进入太空的能力；FLPP是从技术的角度出发，在以往成功研制各类运载火箭的基础上，整合欧洲工业界的力量，开展一系列系统研究和关键技术演示验证试验，培育新的技术能力，为研制出欧洲下一代运载火箭做好准备。

在欧洲航天运输系统未来发展计划中，发展可重复使用运载器乃至空天飞机是其最终目的，而FLPP计划中的“过渡性验证飞行器”（IXV）是目前欧洲航天局为了实现这一目标所实施的最重要的研究项目之一。

2 IXV计划

项目概述

IXV项目可以追溯到2002年，当时欧洲航天局正在协调成员国开展关于低地球轨道返回再入飞行器的研究项目，意大利航天局推荐了IXV项目。随后，比利时航天局、法国航天局、爱尔兰航天局、葡萄牙航天局、西班牙航天局和瑞士航天局也加入了这一项目。

该项目是欧洲航天局继1998年大气层再入示范飞行器成功之后的后续步骤，目的是实现飞行器的可指控、可操作和精确着陆。欧洲航天局将IXV项目定义为“欧洲航天未来发展路径中降低风险的‘过渡’阶段”，实际也是欧洲下一代运载器部分关键技术的演示验证项目。

任务要求及设计指标

IXV项目的目标是设计、开发、生产和试飞一架空气动力学控制的再入飞行器，具有较强的柔性和操纵性。其任务要求如下：

1）通过助推器的空气动力学曲面控制完成飞行器返回任务；

2）验证从低地球轨道返回所需的关键再入技术；

3）海上着陆回收及分析；

4）使用VEGA运载火箭以控制成本。

在设计指标方面，IXV被设计为太空飞行返回舱，长5m，宽2.2m，高1.5m，质量约2t；外部表面主要为先进的陶瓷和烧蚀热防护材料，能够抵抗恶劣的再入环境，并保护结构完整；内部构造主要由碳纤维建设，以加固聚合物结构面板，提供力量和硬度，以抵抗发射和着陆时产生的巨大冲力；飞行器内部分为动力、数据处理和遥测、降落伞和漂浮控制装置、侧翼和助推器控制装置等。

试验设想

IXV内部结构

关于IXV的飞行演示验证试验，欧洲航天局官方网站进行了介绍。按照计划，质量达2t的IXV飞行器将从法属圭亚那发射中心由VEGA运载火箭发射升空，进入高度约450km的亚轨道，并模拟完成低地球轨道任务后返回再入大气层，在再入大气时达到约7.5km/s的速度，飞行器在再入过程中由推进器和空气动力学副翼控制，遥测监控系统将收集大量IXV超声速飞行时的数据，最后凭借降落伞降落到太平洋，并等待回收和分析。

IXV项目的目标是设计、开发、制造和验证一个自主升降和空气动力控制的再入飞行器，其验证的关键技术包括：空气动力学和气体热力学方面的先进仪器；热防护和热结构解决方案；结合空气动力学侧翼的制导、控制和导航等。

筹备进展及未来发展

IXV项目开始于2002年，当时的目标是为FLPP中可重复使用飞行器进行技术验证。2005年，欧洲航天局对项目目标进行了变更，使项目转为发展欧洲低地球轨道返回再入技术的验证项目。2008年11月，IXV系统初步设计审查工作顺利完成。2009年1月，项目正式转入全面发展阶段。

2010年2月，意大利泰雷兹-阿莱尼亚公司向欧洲航天局递交了新的IXV设计基线。为了顺利完成发射和飞行试验，欧洲航天局成立了专门的工业组织，负责IXV设计基线中重大关键技术的最优化工作，优化范围包括：制导、导航与控制（GNC），航电设备（电源、数据处理、射频遥测），测量传感器，反应控制，冷、热符合材料结构，热保护和热控制。此外，对模块、电源和遥测系统的要求进行了改进。

2011年6月，欧洲航天局和泰雷兹-阿莱尼亚公司宣布开始建造IXV飞行器的协议，协议宣称，IXV的详细设计和关键技术已经准备完毕，飞行器正式进入制造、组装、集成和测试阶段，并计划于2013年进行飞行试验。此外，地面网络的采购也同步启动，包括地面控制中心、地面站遥感设备、可移动天线和通信网络。

IXV飞行演示验证方案

关于IXV的未来，欧洲航天局正在考虑把研究成果发展成为一种可负担的可重复使用飞行器，用于在轨操作和维护有效载荷，并再次返回地面。欧洲航天局认为，通过IXV项目积累的经验，欧洲航天局已经有效降低了技术风险，未来可重复使用飞行器在轨操作将变得更加可行。IXV项目经理吉奥说，“未来，IXV将在各成员国内进行更深入的研究，以巩固和发展相关技术，可控成本的可重复使用飞行器将在操作和维护在轨有效载荷方面发挥更加积极的作用。”

IXV项目组织

IXV项目作为欧洲航天局FLPP中最重要的飞行演示验证试验之一，被欧洲航天局定位为筑牢欧洲未来空间运输系统关键技术的核心项目，自然也牵动了大批欧洲企业随之发展。泰雷兹-阿莱尼亚公司是IXV的主承包商，同时还有大约40家合作者，包括欧洲工业界主要的公司，以及研究机构和大学。

事实上，在全球越来越追求航天商业开发的背景下，欧洲航天局将IXV作为欧洲联合研制未来智能航天运输系统的一个独特样本，以证明集合能量与资源对于提高欧洲航天运输系统竞争性的好处。IXV项目的实施是整个欧洲进行工业再分配的活动，整合了欧洲航天局成员国中最优秀的力量。

参与IXV设计基线工作大约有150人，他们来自欧洲工业部门，同时参加过“赫尔梅斯”（Hermes）航天飞机、X－38、“自动转移飞行器”（ATV）、VEGA火箭及欧洲航天局再入技术（1998年）等项目团队，有着丰富的专业知识和优秀的工作经验，他们组成的团队整合了各个工业部门的专业能力，以及欧洲过去几十年在空间运输领域积累的经验，他们代表欧洲航天局与主要工业伙伴进行沟通。

正是有了这么一支整合了欧洲全部资源的项目团队，IXV项目才能在短短的2年内完成飞行器详细设计和关键技术验证，并顺利进入样机生产和飞行试验阶段。

4 IXV的研发逻辑

欧洲航天局为了发展包括IXV项目在内的“下一代发射系统”（NGL），在成功发展航天运输系统30多年经验的基础上，提出了基于技术成熟度和集成演示验证试验的“技术开发和验证计划”（TDVP）。

基于IXV发展的未来可重复使用飞行器

该计划的一个重要基础是技术成熟度。欧洲航天局提出，对于单项技术，要通过开展地面试验和飞行试验来测试技术成熟度，对于达到技术成熟度等级6的技术，被认为是既能促进发展又能降低风险的适当水平。IXV项目就要求设计基线中关键技术的成熟度必须达到等级6。该计划的另一个重要基础是集成演示验证试验。当单项技术达到成熟度水平要求后，有必要将不同的技术集成到同一个平台，并开展演示验证试验，以测试这些技术集成后的稳定性和性能。欧洲航天局规定，集成演示验证成熟度等级达到2的水平为既能巩固发展又能降低风险的适当水平。

“技术开发和验证计划”是在总体设计、演示验证机与关键技术之间建立联系，确保这3个要素之间的连贯性。目前有以下2种方法。

· 自上而下的方法：总体设计定义对技术的技术性要求；

· 自下而上的方法：总体设计受益于已成熟的技术。

欧洲航天局技术成熟度和演示验证试验主要涵盖了空间运输系统中所必需的传统领域，特别是：推进器，材料、工艺和结构，航电设备，制导、导航与控制，推进剂管理系统，热控制。

5 结语

长期以来，欧洲航天局始终致力于建造独立发射运营的空天运输系统，在经历了航天飞机、空天飞机等一系列发展计划之后，欧洲航天局与泰雷兹-阿莱尼亚公司联合推出的IXV成为最接近实用的演示验证项目，其于2013年进行的飞行试验也将推动欧洲可重复使用飞行器技术的发展，对欧洲航天运输系统的发展起到积极的推动作用。