欧洲成功发射无人太空飞机“过渡型试验飞行器”

欧洲成功发射无人太空飞机“过渡型试验飞行器”

2015年2月11日13:40，欧洲航天局（ESA）研制的无人太空飞机“过渡型试验飞行器”（IXV）由“织女星”（Vega）运载火箭发射升空，在约348km高度与火箭分离，继续爬升到413km高度后弹道式再入返回，亚轨道飞行共持续100min，最后于15：19在降落伞辅助下溅落在太平洋上，标志着“过渡型试验飞行器”任务圆满完成。

“过渡型试验飞行器”是ESA用于飞行试验航天器再入技术的试验台，采用无翼升力体设计，带有热防护系统，推力器和2个襟翼在再入过程中提供控制。“过渡型试验飞行器”此次亚轨道试飞任务的主要目的是收集各种系统和部组件在实际再入环境中的性能数据，验证自主受控再入技术和关键系统，为今后研制新型可返回航天器做好准备，以拓展欧洲空间探索整体能力。

“过渡型试验飞行器”与火箭上面级组合飞行示意图

1 “过渡型试验飞行器”项目概况

迄今为止，人类关于航天器再入大气层的知识都来源于俄罗斯和美国研制的太空舱和有翼升力体航天器。1998年，ESA首次发射了圆锥体“大气层再入验证机”（ARD），此后经过了很长一段历程才研制出“过渡型试验飞行器”。“过渡型试验飞行器”的演进现为ESA“欧洲重复使用在轨验证飞行器计划”（PRIDE）的一部分，该计划重点是可负担的重复使用飞行器，用于在轨操作和服务有效载荷之后返回，并在普通跑道上触地。

“过渡型试验飞行器”项目可回溯到2004年，ESA启动“未来发射器预备计划”（FLPP），将“过渡型试验飞行器”再入系统确定为验证关键再入技术飞行中性能的平台。接下来的2年中，筛选了不同的“过渡型试验飞行器”设计方案，最终选定升力再入体方案。

2007年，项目通过系统要求评审，由此进入了计划的B阶段，并在2008和2009年取得多项进展。虽然通过了初步设计评审，但项目多少受到了主承包商和分承包商级别组织机构变动的影响，进行了大量的重新设计。2010和2011年，“过渡型试验飞行器”项目成功通过C2阶段，即系统、分系统和部组件级关键设计评审。2012年，“过渡型试验飞行器”项目通过D阶段和E1初期阶段，包括整个飞行段（即航天器及其地面保障设备）和地面段（即天线、遥测装备、通信网络、任务控制中心）的制造、组装、总装和测试，并获得通过，完成了“织女星”火箭发射服务初步任务分析。“过渡型试验飞行器”于2014年9月运抵发射场。

国家和国际合作

“过渡型试验飞行器”得到了ESA的11个成员国的支持，即奥地利、比利时、法国、德国、爱尔兰、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士和荷兰。尽管欧洲缺乏研制复杂升力体再入系统的经验，但各成员国的广泛参与提供了全面而有效的产业组织。

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（意大利）是“过渡型试验飞行器”空间段和地面段的主承包商，整合了约40家欧洲公司、院校和研究机构的能力。系统支持及分系统设计和生产主合同授予一级企业，包括阿斯特留姆（法国、荷兰）和阿尔卡特-阿莱尼亚航天公司（意大利），然后二级分包给参与“过渡型试验飞行器”的ESA成员国工业界和研究机构。

ESA还积极探索与俄罗斯等其他空间机构的合作机会，以期从已有专门技术中获益，降低试验风险和成本，同时坚持试验主要目标。

研制成本

设计和研制“过渡型试验飞行器”飞行器本身、地面保障设备和地面段的预计成本为1.5亿欧元，包括与回收舰相关的支出，但不包括“织女星”火箭成本。

2 运输系统

“过渡型试验飞行器”

“过渡型试验飞行器”验证任务主要体现能结合使用火箭发动机和气动面，从近地轨道返回且兼顾顺向航程距离与横向航程性能的升力系统研制情况。作为其第一次任务，选定再入速度为7.5km/s的亚轨道飞行。“过渡型试验飞行器”演示验证的关键技术包括热防护系统（TPS）、在气热动力（ATD）环境中运转及制导、导航与控制（GNC）。

“过渡型试验飞行器”长5m，宽2.2m，高1.5m，发射质量1845kg，升阻比为0.7，由几个大型部件组成：带多个内部隔舱的内体部件、底面部件、侧面部件、下风面部件、上风面部件、头锥部件及襟翼部件。

“过渡型试验飞行器”为升力体，外表面由先进陶瓷和烧蚀性热防护材料组成，内部件围绕碳纤维加固聚合物结构板建造，提供抵抗发射和降落过程中所受极端力的强度与刚度。隔舱容纳电源、数据处理和遥测航电元件、降落伞、漂浮装置、襟翼和推力器的控制装置。其主要分系统包括结构、热防护和控制、下降和回收、制导导航与控制、电源、数据处理、遥测、软件、机构、襟翼控制、反作用控制及飞行试验仪器等。

飞行器外部布局

飞行器内部布局

“织女星”火箭技术参数

因“过渡型试验飞行器”是纯技术验证任务，所以配备了多种传感器以记录所有环境数据和不同系统的响应。其上安装的试验系统整体架构包括两部分：以热电偶为代表的传统传感器和以红外相机为代表的先进传感器。传统传感器依据安装位置分为三类：热防护面上的热电偶和压力孔、应变仪等托架定位传感器与安装在冷表面上的内部传感器。“过渡型试验飞行器”上共安装了105个S型铂热电偶、89个K型热电偶、37个绝对压力传感器、2个差动压力传感器、12个位移传感器、48个应变仪和1个红外相机系统。

“织女星”运载火箭

为满足将300～2000kg卫星经济地送入极轨道和近地轨道，用于众多科学和对地观测任务的需求，欧洲研制了“织女星”火箭，以北半球第二亮的恒星命名。“织女星”是一种采用全固体级的三级入轨运载火箭，另可选择加装液体火箭上面级“姿态微调上面模块”（AVUM），使火箭具备多轨道入轨和精确入轨机动能力。不同于大部分轻型火箭，“织女星”火箭能将多个有效载荷送入轨道。火箭总高度29.9m，直径3.03m，发射质量137t，近地轨道运载能力2500kg。

在发射“过渡型试验飞行器”之前，“织女星”火箭已成功发射3次。火箭于2012年2月13日首飞（VV01），将9颗卫星送入近地轨道，成为阿里安航天公司（Ariane space）运营的最轻型火箭，加入“联盟”中型火箭和阿里安－5重型火箭的现役队伍。2013年5月7日执行第二次发射任务（VV02），将3颗卫星送入近地轨道。2014年4月30日执行第三次发射任务（VV03），将一颗对地观测卫星送入太阳同步轨道。

“姿态微调上面模块”上面级参数

“织女星”火箭入轨精度（± 3σ）

“织女星”火箭与“过渡型试验飞行器”组合体示意图

“过渡型试验飞行器”任务概念图

3　任务概况

任务运行

“过渡型试验飞行器”任务控制中心设在位于意大利都灵的先进后勤技术工程中心（ALTEC），负责监视“过渡型试验飞行器”运行并分发、储存任务数据。该中心还负责协调整个地面段的活动，包括设在加蓬利伯维尔和肯尼亚马林迪的固定地面站，还有太平洋上的白羊座号回收舰海军站。

为跟踪“过渡型试验飞行器”的近赤道轨迹，利伯维尔和马林迪地面跟踪站都配备了10m直径的卫星接收天线，任务的再入部分由回收舰上安装的跟踪设备监视。任务控制中心还负责在器箭分离后基于实测运载火箭性能和跟踪数据计算“过渡型试验飞行器”轨道，以便更新回收舰位置。

任务目标与要求

“过渡型试验飞行器”的主要任务目标是飞行验证大气层再入技术，同时，在机动性、可操作性和精确着陆方面提升系统性能。顾名思义，“过渡型试验飞行器”是欧洲实现未来可运行系统建设路线图中的“过渡性”组成部分，以期有广泛的空间运输应用。

“过渡型试验飞行器”的主要任务要求着重于执行：

1）一次近地轨道返回任务，由火箭发动机和气动面结合控制；

2）一次全面（系统层面集成，在具代表性的再入条件下）的关键再入技术性能飞行中试验和验证；

3）一次安全的海面降落，以确保飞行器完好回收，用于飞行后的技术检测和分析。

“过渡型试验飞行器”飞行方案

“过渡型试验飞行器”溅落在太平洋上

飞行方案

“过渡型试验飞行器”由“织女星”火箭发射，进行亚轨道飞行后再入大气层，尽可能接近地复现从近地轨道返回的再入过程。

2015年2月11日当天的发射窗口在13：00开启，共持续约1h43min。“织女星”火箭第一级点火升空，开始短暂的垂直上升阶段，随后进行俯仰和滚转机动，开始向东北东飞行。“织女星”火箭从发射到器箭分离的标称任务时长为17min59s。

对于“过渡型试验飞行器”，真正的航程开始于器箭分离时刻。再入之前，首先沿弹道段飞行，绕地球半周。飞行计算机切换至轨道GNC模式—继续用惯性测量单元（IMU）和GPS进行导航，启动反作用控制系统进行姿态控制并执行制导软件，控制飞行器维持预定的姿态剖面。升空23min后，“过渡型试验飞行器”从利伯维尔移交给马林迪，在T+32min时刻经过最高点。马林迪通信覆盖在T+34min结束，此后“过渡型试验飞行器”信号丢失，直到回收舰重新获取。

在任务的第一部分，“过渡型试验飞行器”处于低性能GNC模式，允许Y轴和Z轴上最高20°、X轴上最高10°的姿态误差，因为飞行器保持高姿态精度只会消耗不必要的推进剂。高度达到165km时启动高性能模式，各轴姿态误差被限定在5°以内。再入之前，通过GPS进行导航更新，修正弹道段产生的IMU漂移等误差。

再入界面点设为120km，也标志着再入制导起始点。在这一点，低性能再入模式启用，仅用反作用控制系统进行飞行器控制，导航系统处于开环模式。IMU检测到0.05G阻力水平时，GNC模式变更为高性能设置，2个气动襟翼启用，飞行控制系统开始以推力器阀门开启时间和襟翼偏转设置的形式发送指令。当GNC系统检测到预编程的能量条件时开始闭环再入制导。飞行控制输出是转换成倾斜角指令的垂直升阻比，可由襟翼系统执行。

“过渡型试验飞行器”首先展开盘缝带引导伞，然后是超音速减速伞，稳定飞行器本体的同时降速。检测到超音速伞展开时，GNC系统进入下降模式，关掉襟翼和推力器，随后在10km高度展开主伞。

溅落由惯性测量装置检测并触发漂浮系统充气。发射1h39min后确认溅落，标志着回收作业开始，起重机将飞行器吊到白羊座号回收舰的甲板上。回收舰将把“过渡型试验飞行器”运返欧洲进行详细的飞行后检查，以确认热防护系统在再入过程中的性能。

发射准备及标称飞行时序

太空船-2和白骑士-2组合体

4　太空飞机发展简史

太空飞机是指在地球大气层中作为航空器、在太空中作为航天器运转的飞行器，通常表现为装有机翼的航天器形式。到达太空所用的推进系统为纯火箭或由吸气式发动机辅助，航天飞行结束后无动力滑行返回着陆。

迄今只有5种太空飞机曾成功飞行、再入大气层、返回地球并安全着陆，即X－1 5、美国航天飞机、苏联暴风雪号航天飞机、太空船－1 （Space Ship One）和X－37，这5种均为火箭助推滑翔器。到目前为止，只有火箭和火箭驱动的航空器成功进入太空。这5种中，2种（X－15和太空船－1）为火箭驱动的航空器，由大气层航空器作为载机运到一定高度再释放；另外3种（美国航天飞机、苏联暴风雪号和X－37）为垂直起飞、水平降落（VTHL）飞行器。

早期美国军用太空飞机：X-15和X-20

二战后，美国开始研制名为“X飞机”（X-plane）的试验性航空器。X－15利用火箭推进创造了飞行高度和速度记录，最高一次达到了107.8km，超过了美国空军对“太空”的界定1地球大气层与外层太空之间并没有离散的物理边界。不同机构将不同高度定为太空的正式边界：NASA和美国空军采用80km的临界值授予航天员徽章，曾表彰X－15计划飞行员；美国以外普遍采用100km的“卡门线”（Kármán line）。。

20世纪60年代，美国空军启动波音X－20“戴纳-索尔”计划，设计用火箭发射进入太空，执行包括侦察、轰炸、救援和空间拦截等一系列军事任务或与计划中的军用空间站对接。计划共持续7年，花费6.6亿美元（合现今币值50.8亿美元），但在飞行器开始建造后计划被取消。“戴纳-索尔”非常类似于后来的航天飞机，不只可以洲际弹道导弹的速度航行至遥远目标，还能在飞行员控制下像航空器一样滑翔回到地球。

超音速燃烧冲压喷气发动机：衔接航空与航天

从20世纪80年代开始，研究开始转向研制超音速燃烧冲压喷气发动机（Scramjet）。

1986年，时任美国总统里根要求研制超音速燃烧冲压喷气发动机推进的“东方直达”太空飞机。NASA和美国军方开始研究X－30“国家空天飞机”（NASP），直到1990年因预算原因被取消。

而超音速燃烧冲压喷气发动机在NASA的X－43A试验机上得以延续。2004年，X－43A创造了Ma9.86的速度记录。

目前技术水平

美国空军已承认军用太空飞机波音X－37B的存在，但该飞行器执行的任务完全不公开。

商业公司也在研制太空飞机。维珍银河公司致力于打造世界上第一条商业太空旅游航线，其载人飞行系统包括两种飞行器：白骑士－2和太空船－2。太空船－2为小展弦比载客太空飞机，可承载8人，最大飞行高度近110km。采用单台混合火箭发动机，时速可达4200km/h。由其载机白骑士－2在15km高度发射，在8s内达到超音速。70s后，火箭发动机关机，太空船－2滑行至最高点。太空船－2的总研制成本在2011年5月时估计有4亿美元左右。2014年10月，第一部太空船－2毁于第55次试飞。

“山猫”（Lynx）为XCOR宇航公司在研的水平起降（HTHL）、装有火箭发动机的两座亚轨道太空飞机，计划承载一名飞行员、一位购票乘客和/或有效载荷进入100km高度以上的太空。“山猫”像飞机一样水平起降，但不用喷气式或活塞发动机，取而代之的是其自身完全可重复使用的火箭推进系统。这一方式与其他大多数在研的重复使用运载器相比都具有独特性。“山猫”具有全复合材料机身，使其质轻坚固。头锥和前缘加装了热防护系统。

内华达山脉公司（SNC）亦将参与NASA载人运输合同竞争的“追梦者”（Dream Chaser）太空飞机设计为重复使用升力体航天器，继承了航天飞机的特点，不同于竞争对手太空探索技术公司（SpaceX）载人“龙”（Dragon）飞船和波音公司乘员航天运输－100（CST－100）飞船的太空舱外形。尽管内华达山脉公司此次并未获得NASA青睐，但据悉已开始建造其第一部“追梦者”太空飞机，计划于2016年底由宇宙神－5火箭首次发射进行轨道飞行试验。

5　结语

此次试飞取得巨大成功后，ESA已开始规划“过渡型试验飞行器”下一次飞行任务，“过渡型试验飞行器”项目经理称将在2019年或2020年进行试飞。同时表示，下次试飞希望“过渡型试验飞行器”能降落在陆地上，这需要安装起落装置或使用可转向的“翼伞”。下一阶段繁重的设计工作将在2015年夏季启动。为期数月的试飞数据复核和分析工作同时开展，将充分表征热防护系统及再入制导的执行情况。

“山猫”亚轨道太空飞机示意图

“追梦者”太空飞机

ESA还宣布，此次任务成果可能会影响欧洲未来太空飞机的研制。虽然欧洲此前曾考虑过研制太空飞机（最早在20世纪80年代作为法国国家空间研究中心项目提出的“赫尔墨斯”计划），但从未通过初始设计阶段，该项目亦在20世纪90年代初取消。成功验证的大气层受控再入飞行器有多种应用，包括：可重复使用的发射器级、无人探索（如火星或小行星采样返回）、在轨服务基础设施、微重力试验、地球科学（如高层大气研究）、对地观测等。

值得称道的是，ESA近来成就斐然，备受瞩目。2014年11月，由ESA“罗塞塔”（Rosetta）彗星探测器释放的“菲莱”（Philae）着陆器，实现了人类探测器登陆彗星“零”的突破；“过渡型试验飞行器”成功试飞后几天，ESA第5艘为“国际空间站”进行货物补给的飞船“自动转移飞行器”（ATV－5）也完成“收官之战”，顺利离站、离轨，为这一欧洲航天史上规模最大的项目划上了圆满的句号。10多年来建造和运行“自动转移飞行器”得到的经验和教训已衍生出数量庞大的专有技术，而“过渡型试验飞行器”又取得了与“自动转移飞行器”完全不同的历史性成就。ESA局长让-雅克·多丹表示，“过渡型试验飞行器”开启了ESA的新篇章，ESA及其成员国与欧洲航天工业界一道，已准备好接受空间运输、新一代发射器、无人探测和载人航天领域的新挑战。

郭筱曦 唐耀/文

ESA’s Unmanned Spaceplane Intermediate Experimental Vehicle Completes Test Flight