欧洲“过渡型试验飞行器”研究与飞行试验情况分析

王卫杰 李怡勇 （装备学院）



欧洲“过渡型试验飞行器”研究与飞行试验情况分析

王卫杰 李怡勇 （装备学院）

Study of European IXV and Analysis of IXV Flight Test

大气再入领域被视为是广泛开展空间应用的基础，涉及行星探测、标本带回、未来运载器与空间飞机的研制、乘员与货物的空间运输、无人飞行器为在轨卫星提供服务，以及其他在空间和宇航领域内的创新应用。欧洲针对再入返回关键技术开展了多项基础研究和技术准备项目。作为欧洲航天局（ESA）“未来运载器准备计划”（FLPP）中的一个重要的技术验证平台，“过渡型试验飞行器”（IXV）得到欧洲航天局及各成员国的高度关注和重视。

2015年2月11日，“过渡型试验飞行器”在法属圭亚那库鲁航天发射中心由“织女星”（Vega）火箭成功发射，实现了首次飞行。其任务的成功将显著提升欧洲再入领域关键技术的水平，为欧洲未来自主研制可重复使用航天运输系统奠定基础。

1 研究背景

“过渡型试验飞行器”作为一个技术平台，是欧洲继1998年成功飞行“试验型大气再入验证机”（ARD）之后，在大气再入领域开展的又一研究项目。自2000年以来，欧洲研制了数架用于研究再入技术的试验飞行器，包括法国、德国、意大利和欧洲航天局在内，均强调欧洲需要拥有再入系统和技术的相关飞行经验，巩固其在未来空间运输领域开展国际合作的地位和所扮演的角色。

2003年，欧洲航天局各成员国开始共同制定“未来运载器准备计划”。“过渡型试验飞行器”作为该计划中的一个技术验证平台被提出，要求在一体化的系统级层面上，通过飞行试验来验证关键技术性能，培育能够提供高性能、高可靠和低成本的新系统的技术能力。与“试验型大气再入验证机”相比，“过渡型试验飞行器”拥有更为宽广的再入走廊和更高的机动性能，并将验证关键技术的性能。根据欧洲航天局公布的信息，“过渡型试验飞行器”项目正在发展和飞行试验欧洲未来自主控制再入所需的技术和关键系统，用于低地球轨道的返回任务，其目的是开发一个欧洲的自主大气再入演示系统，利用升力体外形和一个基于推进、气动表面的高性能控制系统，以及具有先进的大气再入热保护，实现高气动性能的要求。

2 研制过程

2005年，欧洲航天局各成员国在与工业界进行方案权衡比较后，确定“过渡型试验飞行器”为升力体布局，并由欧洲新研制的“织女星”小型运载火箭发射。2007年，欧洲航天局完成“过渡型试验飞行器”的系统要求评审，并冻结了“过渡型试验飞行器”的任务与系统研究的关键部分，强调欧洲应加强研究可控的、从近地轨道再入的专门技术，并在系统级层面上实现再入关键技术的集成，以及在典型的飞行环境中验证它们的性能。

“过渡型试验飞行器”升力体布局示意图

2008年，“过渡型试验飞行器”项目完成了初步设计。在同年11月召开的欧洲航天局部长级会议上，同意“过渡型试验飞行器”项目进入详细设计与研制阶段，项目主承包商更换为意大利的泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS），该公司作为一家标准的系统公司，在研制执行航天任务的一体化系统方面具有丰富的经验。主承包商的变更导致“过渡型试验飞行器”项目在进入详细设计与研制阶段之前开展了以下工作：

1）分析所有系统和分系统，以夯实设计基础、设计定义和相关系统与分系统的功能规范；

2）更新并产生所有必需的系统和分系统文件，以推进项目不断成熟并进入全面研制阶段。

2009年6月16日，在巴黎航空展上，欧洲航天局和泰雷兹-阿莱尼亚航天公司签署协议，正式授权该公司开展“过渡型试验飞行器”大气再入演示系统的研制。泰雷兹-阿莱尼亚航天公司将负责飞行器的总体设计、研制和集成，并将领导一个由来自奥地利、比利时、法国、德国、爱尔兰、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士和荷兰的欧洲主要工业集团和研究中心、大学组成的联合团队。该飞行器计划于2012年底交付欧洲航天局。欧洲航天局主管发射的主任安东尼奥·法布里齐强调：“这项协议标志着‘过渡型试验飞行器’项目进入全面研制阶段”。

“过渡型试验飞行器”优化设计的主要内容

2010年2月4日，在意大利都灵，泰雷兹-阿莱尼亚航天公司与其主要工业伙伴向欧洲航天局展示了新的“过渡型试验飞行器”设计基准。在新的设计优化中，通过对制导、导航与控制（GNC），航空电子设备（如电源、数据处理、射频和遥测），测量传感器，反应控制，冷热复合材料结构，热防护与控制等分系统的重新设计，改进了系统的质量、功率和遥测的要求。这是“过渡型试验飞行器”全面研制阶段开始的一个关键里程碑。

2010年9月15日，欧洲航天局在法国举行了第一次“过渡型试验飞行器”工业研讨会。泰雷兹-阿莱尼亚航天公司与其主要工业伙伴展示了该飞行器的详细设计。2011年5月，“过渡型试验飞行器”项目通过了系统关键设计评审，开始进行飞行器的制造、装配和集成。据2012年11月9日报道，“过渡型试验飞行器”正在完成一系列的下降和着陆试验。对于可重复使用的再入飞行而言，下降和着陆是极为关键的一个环节。欧洲航天局和国际上已经得到的多次失败教训，促使欧洲航天局在这方面采取非常可靠的设计和严谨的验证，以确保任务成功。

2013年6月19日“过渡型试验飞行器”在意大利撒丁岛东海岸成功完成了里程碑式的全尺度下降和着陆试验。在试验中，“过渡型试验飞行器”原型机由一架直升机从3000m高度释放，下降中获得的速度能够模拟降落伞展开之前的太空任务。然后，降落伞使“过渡型试验飞行器”的速度减慢到7m/s以下，并在海上安全降落。这是计划的一系列模拟试验中的最后一步，表明“过渡型试验飞行器”能够在完成太空任务后被安全回收。

2014年6月24日晚，“过渡型试验飞行器”被运抵位于荷兰诺德的欧洲航天局的主要技术中心，准备在这里为11月的发射进行最后的测试。这些测试旨在确认“过渡型试验飞行器”可以承受发射时的苛刻条件。第一步，从7月11日开始，为期3周，检查“过渡型试验飞行器”螺栓是否能够经受发射时的严重振动。接下来是3天的分离冲击试验，模拟飞行器与火箭分离时的冲击。第二步，在欧洲的大型声音试验设施中进行6天的测试，“过渡型试验飞行器”将体验火箭升空时的巨大声音。第三步，将用11天专门检查所有的飞行器子系统在经历以上测试后的工作情况。除了在荷兰的测试，其他并行的工作正在准备亚轨道飞行，包括在法属圭亚那库鲁的欧洲航天发射中心的发射活动、地面（测控通信）网络和回收工作。

2014年10月23日，为了对“织女星”火箭的飞行轨迹做进一步的安全分析，发射专家决定推迟原计划于11月18日的“过渡型试验飞行器”发射。与“织女星”火箭以往向北进入极地轨道的飞行不同，本次任务中“织女星”火箭将向东飞行，释放“过渡型试验飞行器”进入亚轨道，最后落入太平洋。这个轨迹对于“织女星”火箭是前所未有的，因此，需要对火箭的性能进行更多的分析，以便能够有效应对火箭升空后可能发生的异常。2015年1月，发射活动被重新确认。

3 飞行试验情况

“过渡型试验飞行器”的计划飞行包线

根据发射前公布的计划，“过渡型试验飞行器”从法属圭亚那库鲁发射，进入一个半赤道轨道，然后在太平洋着陆，等待船回收和飞行后分析。主要飞行阶段分为：上升、分离、弹道、再入、下降和坠落。本次任务的控制中心设在意大利都灵的先进物流技术工程中心的任务控制中心（ALTEC），将在任务期间密切监控“过渡型试验飞行器”。该中心也将负责协调整个地面段的活动，包括在利伯维尔（加蓬）和马林迪（肯尼亚）的固定地面站，以及在太平洋回收船上的海上移动站。

“过渡型试验飞行器”飞行路线

“过渡型试验飞行器”的计划飞行包线

“过渡型试验飞行器”的实际飞行过程

2015年2月11日，“过渡型试验飞行器”由“织女星”火箭成功发射，实现了其首次飞行。“过渡型试验飞行器”搭乘火箭升空约18min后，飞行器在距离地球表面约320km的高度与火箭分离，并借助自身的推进器爬升至距离地面约412km的轨道最高点；当降至120km高度时再入速度达到7.5km/s；在随后的滑翔过程中，“过渡型试验飞行器”实施了机动，其速度从高超声速降到超声速，最终通过降落伞降落在加拉帕格斯群岛西部太平洋的预定海域。从发射到回落入海整个行程约为32000km，用时100min。飞行器在再入大气层过程中，用其所携带的300个传感器记录下了飞行轨迹、温度、压力、负荷、空气热动力等方面的完整飞行数据。通过与之前报道的计划飞行过程比较可见，“过渡型试验飞行器”实际飞行过程与计划非常吻合，整个飞行试验结果非常理想。

在“过渡型试验飞行器”短暂而关键的任务过程中，在三大洲和公海的专家密切合作，监测着它在空间的自由飞行、再入和最后安全降落到太平洋。回收后的“过渡型试验飞行器”系统将被运回欧洲，在位于荷兰的欧洲航天局技术中心进行详细的技术分析。

4 项目的主要研究内容

“过渡型试验飞行器”长5m、高1.5m、宽2.2m，质量约2t，任务目的是在有代表性的飞行条件下测试关键系统和技术方面的性能，验证从低地球轨道返回任务中自主控制再入的能力。其中涉及的关键系统和技术主要包括：

1）系统级技术。这将是世界上第一次升力体飞行器在有代表性的低地球轨道返回飞行条件下的飞行试验。过去的任务已经测试了其他有翼飞行器，它们容易控制，但非常复杂和昂贵；对于无翼飞行器，虽然具有低复杂度和低成本的特点，但很难进行控制。升力体——无翼航天器通过作用在它表面的气动力获得升力，最大发挥了有翼体的优势，同时尽量减少了无翼体的缺点。这样就能消除机身等部件所产生的附加阻力以及产生于机翼和机身间的干扰，从而在较低速度下获得较高的升阻比，达到提高全机性能的目的。

2）气动热力学。在高速和高温条件下，氧气-氮气分子分解产生高超声速气动热力学现象，这会引起目前知之甚少的气动特性变化。更精确地理解这种现象对于验证设计工具和过程具有极其重要的作用，可以减少飞行器设计中为应对工程不确定性产生的必要裕度，并优化飞行器的有效载荷能力。

3）制导、导航与控制。“过渡型试验飞行器”将是利用推进器和襟翼的组合控制飞行的第一个欧洲航天器，其依靠改进的制导算法以及通过惯性测量和GPS的复合获得增强导航。

4）热防护和热结构。本次任务将是在欧洲第一次测试新材料和概念在低地球轨道再入飞行条件下的大范围变化。被研究的材料和概念包括：不同类型的陶瓷基复合材料用于机鼻、盖板、铰链和襟翼，软木和硅基材料之类的烧蚀材料用于飞行器的背风面。

此外，“过渡型试验飞行器”还希望是一个低成本的系统，预计其设计和研制成本约为1.5亿欧元，包括飞行器、地面支持设备、地面段（任务控制中心更新、海上天线，遥测组件、通信网络）以及任务操作。这也包括与回收船有关的费用，但不包括“织女星”火箭的成本。

5 结论

通过以上分析，可以得出以下几条基本的结论：

1）“过渡型试验飞行器”是欧洲航天局面向未来的自主可重复使用航天运载系统设计研制的一个技术验证试验平台，重点是发展和验证新型飞行器从低地球轨道自主控制再入所需的关键系统和技术。

2）“过渡型试验飞行器”从概念提出、到方案设计、工程研制、模拟试验和飞行试验，走过了十几年的时间，通过渐进式发展和严格试验，基本按照计划和进度实现了预定目标。

3）“过渡型试验飞行器”的首次飞行试验与计划飞行包线和时序非常吻合，飞行试验取得圆满成功，不仅验证了有关技术和系统的可行性，而且300多个传感器采集的大量数据将用于进一步的科学研究。

4）“过渡型试验飞行器”的每一次试验都是有计划、严格实施的，例如为了确认“织女星”火箭飞行轨迹的安全性，不惜在所有工作已经准备好的条件下决定推迟发射，这既保证了每次试验的有效和成功，同时也降低了整个系统的风险和成本。

5）“过渡型试验飞行器”的设计研制团队由来自欧洲多个国家的数十家公司、研究中心和大学组成，充分体现了欧洲自主研制下一代可重复使用航天运输系统的决心和能力，以及各研究机构之间的密切合作。其任务的成功完成将显著提升欧洲再入领域关键技术的水平，为欧洲未来自主研制可重复使用航天运输系统奠定基础。