欧洲可重复使用运载器现行方案概况

一、可复用第一级方案

正在研究的可复用第一级构型有两种，即作为阿里安5一次性运载火箭的可复用液体回飞式助推器(LFBB)和作为中小型一次性运载器的第一级。在这两种情况下，可复用第一级都将在高超音速低马赫数范围内进行分离，然后采用喷气动力返回降落。

(1)液体回飞式助推器

欧洲几年前就已对液体回飞式助推器进行了内部研究，主要方案是欧洲与俄罗斯合作研究的“自动返回飞旋标”，但结论是悲观的：约6～7分离马赫数的限制只能使任务成本得到很小幅度的降低，而运载器的主要部分还都将是一次性使用的。

但欧洲仍在继续从事这方面的研究。2002年2月，法国国家空间研究中心(CNES)与位于莫斯科科罗廖夫的俄罗斯航空航天局中央机械制造科学研究所启动了一项称为“巴尔古津”的可复用助推器研究工作。该助推器是由赫鲁尼切夫中心的“贝加尔”可复用助推器方案演变而来的，但尺寸更大，适于阿里安5使用。

这项研究取得了丰富的成果，不仅涉及典型的技术问题，而且涉及了经济问题，诸如确定最佳机队大小、降低研制成本或地面操作优化等问题。“巴尔古津”助推器的性能参数见表1。该项研究的总体结论表明，典型飞行任务成本预计最多可降低15％，但还有改进的空间。第二阶段研究正在继续进行,预计结果要到2004年年中才能得出。

(2)真正的可复用第一级

采用可复用第一级时，运载器由该第一级连同一个一次性使用上面级组成，以提高性能。第一级主要在飞返发射场前提供初步动力。它在约13．5马赫时分离，然后经滑翔阶段和有动力巡航阶段水平降落。一次性使用第二级则把有效载荷送到静地转移轨道。该运载器采用线性构型，其主要性能参数见表2，构型如图1。

二、亚轨道方案

“跳虫”是亚轨道方案中最具潜力的一种。它水平起飞后，在大气层外的亚轨道环境下弹射出一个上面级。上面级携带75吨有效载荷进入静地转移轨道，而“跳虫”本身则再入返回，在下靶场着陆场的跑道上降落。由于是在亚轨道条件下分离，所以“跳虫”这一级承受的热载要比两级入轨运载器的轨道级低。

“跳虫”是一种重500吨、长50米的有翼飞行器，如图2所示。它在库鲁航天中心由4千米长的轨道引导，在磁性推进橇车上水平发射升空，按亚轨道轨迹飞行到130千米高度，以高亚轨道速度进行级间分离，然后释放一次性使用上面级，将有效载荷推入最终轨道。最后，它在下降后自动着陆，并重新转运回发射场。该可复用运载器的货物为有效载荷和一次性使用上面级。采用水平起飞方式旨在提高安全性，降低推进要求，减少主发动机数目、质量和成本等等。在大气层上方以高的亚轨道速度进行级间分离，可仅用一个标准化的上面级来完成所有飞行任务。“跳虫”采用低温上面级，每年可发射10～20次，其中90％发向静地转移轨道。

三、两级入轨方案

两级入轨方案由助推器和轨道器组成。助推器将在3～9马赫之间分离。两级均可返回发射场，其中助推器是沿滑翔轨迹降落，而轨道器则直接从低轨再入后着陆。两级入轨方案采用垂直起飞和水平降落方式，能将7．5吨有效载荷送入静地转移轨道。

2001年，国家空间研究中心作为主承包商与欧洲航空防务航天公司航天运输分部一起开始进行系统研究。由斯奈克玛发动机公司、达索航空公司和法国宇航研究院组成的工业队伍首先在根据分离马赫数(3、6和9)确定的三个系列中确定了所有可能的两级入轨构型(见图3)。

目前欧洲在两级入轨运载器方面出现了一个称为“埃佛勒斯”(EVEREST，全称为“渐进欧洲可复用航天运输”)的“通用”方案。这一方案的典型基础是采用分级燃烧循环液氧／液氢发动机和接近6的分离马赫数。第一级“助推器”主要提供飞回发射场前的初步动力，然后经滑翔阶段和有动力巡航阶段着陆(需采用涡扇或涡喷吸气式推进系统)。第二级“轨道器”要携带有效载荷进入轨道，然后再入，并在先前供助推器降落用的跑道上着陆。运载器采用垂直起飞方式，两级均将在法属圭亚那库鲁水平着陆。它的主要尺寸和初步质量预算见表3。由于运载器总体尺寸的限制，助推器和轨道器上的液氧／液氢推进剂将采用并行燃烧和交叉供应方案，同时选用分级燃烧循环发动机。

在上述设想方案的基础上，欧洲将在2010年前后选定可行的方案。为降低技术风险和研制成本，最终在2025年研制出使欧洲能独立而自由地进入空间的实用型可复用运载器，欧洲专门制定了“未来运载器准备计划”(FLPP)。在这一计划下，欧洲已提出了4种不同的可复用运载器验证飞行器：“凤凰”1、“预先”X、“凤凰”2和“大气再入实验性航天飞机”(ARES)H。另外意大利在其“国家航空航天研究计划”(PRORA)下正在进行“无人空间飞行器”(USV)的验证研究。

(1)“凤凰”1

“凤凰”1是欧洲研制可复用运载器试验飞行器的第一步，其目的是验证有翼可复用运载器的自动着陆能力，因而也是降低试验飞行器和未来可复用运载器风险的一个关键步骤。“凤凰”1是“跳虫”的缩比模型，长6．9米，翼展3．84米，总质量为1．2吨。该无人试验飞行器具有“跳虫”的高阻力气动外形。它不携带推进系统，而是由飞机从3．5千米高空投放，并迅速下降，然后进行机动飞行，自动在跑道上着陆，以验证进场与着陆特性。“凤凰”1的构型如图5所示。它的特色是高阻力外形，翼展和水平尾翼较小，且重心后置。这种设计特性对降落阶段的技术要求有如下影响：1)升阻比低(55)，进场路线陡直；2)升力低，着陆速度高(65～73米/秒)；3)翼展小，对横滚敏感；4)重心位置靠后，静安定性裕度小。

“凤凰”1项目的主要目的是验证可复用运载器设计构型的自动着陆能力，次要目的是建立起可复用运载器构型设计所需的亚音速气动力学、惯性与风载和静安定性裕度飞行验证数据库。该项目已完成生产和采购阶段，最终总装工作目前正在顺利进行。2003年8月，最后一次全尺寸风洞试验成功完成。首批次自动着陆飞行试验定于2004年5月进行。

(2)“预先”X

可复用X飞行器是欧洲研制试验飞行器的第二步，其目的是验证高超音速火箭推进飞行器的可重复使用性能、维护性能和地面操作。其中，“预先”X是第一代试验飞行器，也将是欧洲第一架高超音速滑翔机。在FLPP计划中，“预先”X是“过渡试验飞行器”(IXV)的候选方案，其目的是快速获得飞行试验结果，以证实和校准尚未在典型环境中试验过的工具、设备、设计和技术解决方案。它由欧洲航空防务航天公司提出，构型如图6所示。第二代即为X飞行器，分为两类。第一类可能是一个能够涵盖包括着陆阶段在内的整个飞行范围并能再飞一次的再入有翼飞行器。第二类可能是一个将飞到6～8马赫并能重复使用几次的自推进有翼飞行器。

“预先”X的基本方案是一个在再入期间能实现自动控制的升力飞行器。它将由俄罗斯运载火箭(呼啸号或第聂伯号)发射，伞降回收。现行“预先”X的方案是：1)质量约为1．6吨；2)长4米，宽2米，头锥半径0．65米；3)再入期间由反推控制系统(RCS)和气动控制面控制。

“预先”X所针对的是高超音速至极高超音速的飞行范围(马赫数为5～25)，其验证项目包括气动热力学与气动力学、防热系统与热结构、测量方法、控制和系统。

(3)“凤凰”2

“凤凰”2是作为一种缩比火箭推进实验飞行器提出来的，用于验证可复用运载器的重复飞行操作。在FLPP计划下，“凤凰”2拟发展为“苏格拉底”运载器。初步系统方案论证对两种不同形状、推进剂方案(煤油和氢)以及三种发射模式(垂直、水平和空射)进行了比较研究。三角形的机身源自“凤凰”1的外形，而U形机身则源自欧空局“未来欧洲航天运输研究计划”(FESTIP)所确定的“欧洲实验性试验飞行器”(EXTV)的外形。“凤凰”2总长9～12米(具体取决于构型)，翼展5．6～7．7米，起飞质量12．5～14吨。采用地面发射方式时，它的最大马赫数在6～7之间。如从亚音速载机上进行空中发射，最大马赫数将达9．4。

“凤凰”2代表了速度可达10马赫并能自动返回着陆的典型可复用运载器构型。它的主要验证目标有：1)利用火箭推进高超音速飞行器实现重复使用操作；2)确认操作模式、程序、再飞准备时间和成本；3)作为典型环境下技术和技术融合的飞行试验平台。另外，下述可复用运载器系统设计要求也将得到验证：1)自动水平起飞，利用有翼构型加速上升，飞行控制从反推控制系统过渡到气动面控制，滑翔返回着陆；2)高达10马赫的自动可复用运载器飞行所需的宇航电子设备/制导、导航与控制系统；3)自动飞行至极高超音速条件，并依赖欧洲自己的技术实现有动力、低升阻比和低机动性构型飞行器的机动飞行；4)气动热力学数据库。

如上所述，“凤凰”2还将作为技术和技术融合的飞行试验平台，用于验证：1)防热系统材料(恶劣环境、热载、维护与修理)的使用要求；2)宇航电子设备，制导、导航与控制系统，工作状况监控和大气数据等分系统、装备和组件的性能要求；3)亚音速和高超音速范围内的气动热力学工具。

“凤凰”2的飞行试验将从低亚音速下的有动力飞行开始。此后，飞行包线将逐渐扩大到超音速和高超音速范围。

(4)ARES－H

该项目由工业界出资，于1998年开始实施。它充分利用了“使神号”、“塔拉尼斯”和“大气再入验证器”等早先计划的成果。在FLPP计划下，它拟发展为“大力士”运载器。ARES－H为带翼体，长6米，翼展3．2米，将反映出实用轨道器除主推进分系统外的所有特征，如带翼的气动外形等。反推控制和飞行控制等分系统和电子设备将来自现行计划，如阿里安5或以前的可复用运载器试验飞行器。主结构由铝肋板和铝骨架组成。

ARES－H是一种再入空间滑翔机，有望对从轨道速度下降到在普通混凝土跑道上着陆所需的亚音速的完整飞行路线进行试验。它将证明欧洲已掌握了由轨道下降到着陆前的最后机动所需的滑翔再入技术。ARES－H的总体气动外形必须满足与双级入轨运载器的轨道器在混凝土跑道上进行常规水平降落相关的主要参数要求，翼展－直径比、长径比和重心位置等都需满足实用飞行器的一般要求。

为建立高超音速再入等所需条件，ARES－H需要由一次性运载器送入稳定轨道。当前的基准运载器是“联盟”ST运载火箭，拟从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射。在稳定轨道上飞行一段时间后，它将依靠“弗雷盖特”上面级离轨，并在再入前与上面级分离。它将利用喷气推力器或气动控制面进行滑翔和有控再入，实现1000公里的横向机动。

(5)USV

USV(图7)是意大利航空航天研究中心(CIRA)推出的一项计划，意欲利用一系列飞行试验台(FTB)来研究有翼飞行器由跨音速到高超音速再入等各个范围的气动特性。该中心希望通过USV计划来收集气动热力学数据，并获得关于防热复合材料、复合材料低温贮箱、信息与一体化工作状况管理系统和可重复使用性能的经验。FTB－1将是一个干重1．3吨、长7米的无人飞行器。它将在近期悬挂在气球上进行飞行试验。试验中，它将在24千米的高空投放，进行跨音速滑翔。FTB－2与FTB－1相似，但将装固体发动机。2005年进行首次飞行时，它将在约30千米的高空由平流层气球释放，然后点燃发动机，进入最高点120千米的亚轨道轨迹。再入将产生约800千瓦/平方米的热流，头锥和机翼前缘温度将达1800度。2006年和2007年还将再进行两次飞行，利用固体发动机在上大气层达到7马赫的速度，以研究高超音速飞行情况。最后，在2008年，尺寸稍小的FTB－3将由“维加”运载火箭从库鲁发射升空，进入圆形近地轨道。它将经历热流约1000千瓦/平方米、温度约2000度的真实再入条件。

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