欧洲可重复使用运载器现行方案概况

表 ! 可复用第一级方案的性能参数
指标
第一级
第二级
长度 直径 惰性质量 推进剂
(DB Байду номын сангаас 米 D米
3’9 吨 ("’ 吨液氧 E 液氢
!(B A 米4含整流罩8 "B (9 米 CB ! 吨
"C 吨液氧 E 液氢
推进类型 分级燃烧循环 膨胀器循环
图 3 采用可复用第一级的运载器构型
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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 3。 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
表 3 “巴尔古津”助推器的性能参数
指标 长度 翼展 高度 干重 推进剂
图 % 可能的两级入轨构型
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“跳虫”采用低温上面级，每年 可发射 )# * !# 次，其中 +#, 发 向静地转移轨道。
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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 % * + 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 &’ ( 吨有效载荷送入静地转移轨道。
系统过渡到气 动面控制，滑 翔返回着陆； ! ) 高 达 (# 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；’) 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；$) 气动热力学 数据库。
如上所述，“凤凰”! 还将 作为技术和技术融合的飞行试验 平台，用于验证：( ) 防热系统材 料 & 恶劣环境、热载、维护与修 理 ) 的使用要求；!) 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；’ ) 亚音速和高超音速范围内的气动 热力学工具。
表 % “埃佛勒斯”运载器的 主要尺寸和初步质量预算
指标
助推器 轨道器
长度
$5 米 %" 米
直径
& 米 (’ " 米
起飞总重 - 不含有效载荷 .
"5+ 吨
低地轨道有效载荷质量
!% 吨
推进剂
%&+ 吨 )"+ 吨
惰性质量
+$ 吨 $& 吨
发动机数目
(
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中国航天 !##$ 年第 " 期
图 ( “埃佛勒斯”运载器的载人与无人构型
推进类型
参数值 A!B ;" 米 3CB DD 米 3’B "D 米 A3 吨 4 包括余量 8 !!’ 吨液氧 E 液氢 ! 吨煤油 ! 台 FG H 3C3I 主发动机 3 台 G H (A9 H J3，用于返回
3"? ，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 !’’( 年年中才能得出。
欧 洲
欧洲目前设想的可复用运载器方案主要有三种： 438 可复用 第一级方案：在高超音速低马赫数下与一次性使用主芯级分离， 垂直起飞，水平降落； 4!8 亚轨道方案，如“跳虫”方案，可水 平起降，在大气层外发射一次性使用的上面级； 4A8 两级入轨方 案，两级均可重复使用，垂直发射，水平降落。
可现 重行 复方 使案 用概
图 3 “预先”4 回收设想图
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司提出，构型如图 % 所示。第二 代即为 * 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 % + " 马赫并能重复使用几次的自推进 有翼飞行器。
“凤凰”5 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。 !’’E 年 F 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 !’’( 年 6 月进行。
7 5 ; “凤凰”5 “凤凰”5 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” 5 是“跳虫”的缩比模型，长 3C D 米， 翼展 EC F( 米，总 质量
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：5 ; 升阻比低 7 6C 6 ; ，进场 路线陡直；!; 升力 低，着陆速度高 7 36 G "E 米 H 秒 ; ； E; 翼展小，对横滚 敏感；(; 重心位置 靠后，静安定性裕 度小。
4 ! 8 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 3AB " 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 !，构型如图 3。
“预先”* 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”* 的方案是：() 质量约为 (, % 吨 ； ! ) 长 $ 米 ， 宽 ! 米 ， 头锥半径 #, %- 米；’ ) 再入期间 由 反 推 控 制 系 统 & ./0 ) 和 气 动 控制面控制。
!##) 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 -%、" 和 +. 确定的三 个系列中确定了所有可 能的两级入轨构型 - 见图 %.。
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” - /0/1/23，全称为“渐
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二、亚轨道方案
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“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 &’ ( 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。
运 #
况 江
载 绍
东
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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 " 一次 性运载火箭的可复用液体回飞式 助 推 器 4 5677 8 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。
“预先”* 所针对的是高超 音速至极高超音速的飞行范围 & 马赫数为 - + !- ) ，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。
& ’ ) “凤凰”! “凤凰”! 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 1233 计 划 下，“凤凰”! 拟发展为“苏
7 ! ; “预先”4 可复用 4 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”4 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 89:: 计划中，“预先” 4 是“过渡试验飞 行 器 ” 7 I4B ; 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
“凤凰”! 代表了速度可达 (# 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：() 利用火箭推进高 超音速飞行器实现重复使用操 作；!) 确认操作模式、程序、再 飞准备时间和成本；’) 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： () 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
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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 4 液氢发动机和接近 " 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 %。由 于运载器总体尺寸的限制，助 推器和轨道器上的液氧 4 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。
为 5C ! 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 EC 6 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”5 的构型如 图 6 所示。它的特色
在上述设想方案的 基 础上 ， 欧 洲 将在 !’5’ 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 !’!6 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” 7 89:: ; 。 在 这 一 计 划 下，欧洲已提出了 ( 种 不同的可复用运载器验证飞行 器： “凤 凰”5、 “预先” 4、 “凤凰”! 和“大气再入实验性 航 天 飞 机 ” 7 )<=> ; ?。 另 外 意 大利在其“国家航空航天研究计 划 ” 7 :<@<) ; 下 正 在 进 行 “ 无 人空间飞行器” 7 A>B ; 的验证研 究。
4 3 8 液体回飞式助推器 欧洲几年前就已对液体回飞
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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 9 : ; 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。!’’! 年 ! 月，法国国 家空间 研究中心 4 0<=> 8 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 " 使用。
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”( 的外形，而 4 形机身则源自欧空局“未来欧 洲航天运输研究计划” & 150673 ) 所 确 定 的 “ 欧 洲 实 验 性 试 验 飞 行 器 ” & 5*68 ) 的 外 形 。 “ 凤 凰 ” ! 总 长 9 + (! 米 & 具 体 取 决 于 构 型 )， 翼 展 -, % + :, : 米，起飞质量 (!, - + ($ 吨。采用地面发射方式时， 它的最大马赫数在 %+: 之 间。如从亚音速载机上进行空 中发射，最大马赫数将达 9, $。
“跳虫”是一种重 (## 吨、 长 (# 米的有翼飞行器，如图 ! 所示。它在库鲁航天中心由 $ 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 )%# 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。