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日本可重復使用運載器驗證計劃的最新進展


曹志杰

日本為了成為世界航天大國,投入了大量資金來開展可重復使用運載器(RLV)的研究和驗證,規模僅次于美國。
1994年,日本航天活動委員會(SAC)制定了長期航天政策,要求開展可重復使用運載器的研究工作,近期目標是在2010年左右研制出以火箭發動機為動力的可重復使用運載器,遠期目標是在2020年左右研制出以吸氣式/火箭組合發動機為動力的空天飛機。為此,日本把重點放在“H-2軌道飛機試驗機”(HOPE-X,簡稱“希望”X)飛行驗證機的研制上,進行關鍵技術研究和概念性系統研究,為未來的可重復使用運輸系統驗證關鍵技術并積累經驗。
目前“高速飛行驗證”(HSFD)計劃作為日本唯一正在進行的可重復使用運載技術方面的飛行驗證計劃備受關注。HSFD第一階段的3次飛行試驗已經圓滿完成,第二階段的飛行試驗正在進行中。

一、HOPE-X計劃回顧

1992年,日本航天活動委員會啟動了“H-2軌道飛機”(HOPE,簡稱“希望號”)計劃,以掌握不載人帶翼飛行器的再入技術。HOPE-X是由H-2火箭發射的返回式試驗飛行器。該計劃的主要目的有兩個:一是驗證可復用運載器所需的再入飛行器系統技術,二是研制出一個具有潛在實際用途的飛行器,用于軌道試驗、對地觀測和往返于低地軌道的后勤補給與回收等。在開展HOPE-X計劃的過程中,日本一直采取循序漸進的步驟,從1994年到1996年先后成功地進行了自動著陸飛行試驗(ALFLEX)、高超音速飛行試驗(HYFLEX)、軌道再入飛行試驗(OREX)等,對自動著陸和低空飛行技術、高超音速飛行器的設計和制造技術和大氣層再入技術等進行了演示驗證。飛行驗證試驗數據見表1。

1998年,航天活動委員會重新調整了HOPE-X的研制進度和飛行器方案,并決定啟動新的高速飛行驗證計劃,亦即HSFD計劃,進一步降低HOPE-X的首飛風險。HOPE-X飛行試驗原計劃在2005年進行。由于H-2火箭的發射接連失敗,日本宇宙科學研究所(ISAS)、航空宇宙技術研究所(NAL)和日本宇宙開發事業團(NASDA)對未來航天運輸系統展開了新的討論,結論是:在對關鍵技術進行必要的試驗、驗證和確認前還不能確定日本第一代實用型可復用運載器的方案。因此,2000年8月,航天活動委員會再次修改HOPE-X計劃,決定凍結制造HOPE-X模型,但繼續進行HSFD計劃,并繼續從事與可復用運載器的基礎技術相關的研究和開發工作。圖1示出了日本可復用運輸系統的路線圖。


二、HSFD計劃

HSFD計劃是1999年1月啟動的。它是一項使用縮尺試驗飛行器模型進行的飛行試驗計劃,是HOPE-X不載人再入飛行器計劃的一部分。HSFD計劃主要用于驗證飛行器亞音速和跨音速的飛行特性。這兩個速度范圍以前沒有驗證過,還存在某些不確定因素。該計劃也因此分為兩個階段:第一階段進行亞音速飛行驗證,第二階段進行跨音速所增加,這樣不僅可以降低起飛或著陸的速度,還可以放寬對起落架輪胎的設計要求。除了混合制導系統使用了差分GPS/慣性制導系統和高度表來改善制導精度外,整個系統使用的都是現有部件。試驗飛行器的主要性能和設計要求見表2。

試驗飛行器的起落架是可伸縮的。飛行器采用自動飛行控制系統進行自主控制,地面遙控指令僅用于緊急情況。因為是試驗,除了使用應急系統以防飛行器損壞地面設施外,飛行器上沒有設置冗余,所有箭載系統都很簡單。圖2示出了安裝在飛行器內部的主要設備。

212飛行試驗
HSFD計劃第一階段的飛行試驗在亞音速范圍內進行。試驗中,飛行器用噴氣發動機加速至亞音速,進行水平起飛和著陸試驗。試驗的主要目的是為HOPE-X的研制提供必要的技術數據,以降低研制風險,增加成功概率。該階段試驗目標為:(1)驗證未來空間運輸系統的著陸系統,包括驗證在接近和著陸階段的制導控制規律和氣動特性以及驗證機載和地面設施中的指揮/遙測系統。(2)積累自主飛行技術經驗,建立完全自主飛行(包括自動著陸)的設計技術。
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